平成11年度研究報告　VOL.49
電磁波シールド材の開発
−炭素繊維織物の電磁波シールド機能評価−
化学食品部 山名一男　北川賀津一
機械電子部 吉村慶之
金沢工業大学 大橋憲太郎

　OA機器の誤動作や，携帯電話及び無線LAN等の通信手段による電磁環境の悪化に対処するため，建物の電磁波シールドに対する需要が高まっている。本研究では、炭素繊維の導電機能を応用した電磁波シールド材への応用研究を行った。その結果，次のデータを得た。(1)数種類の炭素繊維を用いて織物を試作し，アドバンテスト法により評価した結果，PAN12Kが最もシールド性能に優れていた。(2)炭素繊維織物は金属網（ステンレス，銅等）と同等もしくはそれ以上のシールド性能を有していた。(3)織物の重ね合わせにより厚みを増すと，わずかながらシールド性能が増加した。また，炭素繊維織物の間にスレート板（３mm厚）を挟み込むと，シールド性能が約２倍になる周波数帯（500〜700MHz）が存在した。
キーワード：電磁波シールド材，炭素繊維織物
Development of Electromagnetic Shielding Material
−Electromagnetic Shielding Effect of Carbon Fiber Textiles−

Kazuo YAMANA, Kaduichi KITAGAWA, Yoshiyuki YOSHIMURA and Kentaro OHHASHI
　In order to get rid of the error in moving OA apparatuses and to maintain the electromagnetic compatibility in apparatuses such as portable telephone and wireless LAN, the electromagnetic shielding in buildings is in great demand. The electromagnetic shielding effect (SE), which occurs mainly due to the conductivity function in the carbon fiber textiles, was studied in this work. The following results were obtained.
(1) In comparision with several kinds of textiles, the PAN 12K showed the better SE.
(2) The SE on carbon fiber textiles gave either equal or more than that of wire nets such as stainless, copper and so on.
(3) The SE gradually increases with increasing thickness in textiles which follows to the pile-up textiles, and especially the SE in the frequency region between 500 and 700 MHz increased about twofold by putting a slate board (3 mm in thickness) between both carbon fiber textiles.
Key Words：Electromagnetic shielding material, Carbon fiber textile


１．緒　　言
表１　電磁波シールドビルの性能別分類
分類 シールド性能 用途
汎用型
シールドビル		 10-20dB ・電磁波ノイズの多い都市部のオフィス
・無線LAN等を多用するオフィスビル
一般シールドビル 30dB ・研究開発
・コンピュータセンター
・役員室・会議室
高性能シールドビル 40dB ・重要情報を扱うビル
　電磁波に関する話題が世の中の関心を集めるようになってきたが，この背景としては次のようなことが挙げられる１）。
(1)携帯電話の普及による，医療機器等の誤動作の発生
(2)ヨーロッパにおける電磁波規制の強化
(3)昨今の健康志向から電磁波や磁界の人体への影響
　このような電磁波に絡んだ諸問題が生じている原因は，高度なエレクトロニクス技術の急速な普及がある。我々は便利で快適な生活を送っていくためにはエレクトロニクス応用機器や無線通信装置は必要不可欠であり，これらの機器をうまく使いながら，身の回りの電磁波（又は電波）と上手に付き合っていく必要がある。
　本研究では、電磁波を産業機械や建物から出さない，また逆に入れないための対策として電磁波シールド技術を取り扱った。特に研究対象として，石川県の産業の特徴である機械電子，繊維産業を視野に入れながら，電磁波分野での社会的ニーズに合致するという視点からシールド素材研究を進めた。この分野では，単独の技術分野だけでは対応できず，情報通信，材料，繊維，機械，建築と数多くの分野の協力を必要とする。それらの総合技術として研究を進めた。本研究では繊維織物技術の応用を中心として，特に導電性のある炭素繊維織物の建築材への応用を進めた。
　一般に，建物を電磁波シールドすることは，元々機密情報の外部への流出防止という観点から進められた。しかし，今日では，OA機器の誤動作対策や携帯電話や無線LAN等の通信手段の電磁環境の悪化に対処するため，建物の電磁波シールドに対する需要は高まっている。現在，電磁波対応シールドビルでは，そのシールド性能により，表１に示すように，汎用型シールドビル，一般シールドビル，高性能シールドビルの３つのタイプに分類されている１）。
　本研究で用いた炭素繊維とは”実質的に炭素元素だけからなる繊維状の材料”をいい，物質としての炭素と、形態としての繊維に由来する多様な特性をあわせもつ特異な材料である２）。
　一般に,炭素繊維はPAN系,PIT系等というように出発原料の違いがあり，また，機械的性質からも分類されている３）。このように炭素繊維と言っても，種々の性質を持っており，これらの素材の種類や織り方から，電磁波シールド機能が検討されたケースが少なかった。本研究では，石川県の織物加工技術を用いて試作するとともに，その試作品について，利用分野を視野に入れながら電磁波シールド効果を評価した。


２．実験方法
表２　炭素繊維織物の特性
　 三菱レイヨン製 日石三菱製
タイプ ＴＲ40（PAN系） ＨＭ３００
（PIT3K）
3K 6K 12K
フィラメント数 3000 600 12000 3000
目付
（mg/m） 		210 420 830 300
経緯密度
（本/cm） 		5×5 4×4 3×3 6×6
引張強度
（10kg/mm2） 		480 300
引張弾性率
（103kg/mm2）		 24 40
伸度（％） 2.0 -
２．１　炭素繊維材料について
　炭素繊維にはPAN系やPIT系があり，本研究の中では三菱レーヨン製の炭素繊維及び日石三菱製の炭素繊維を使用した４）５）。それらの物性を表２にまとめる。これらの炭素繊維を用いた織物については，活黹m宮織物で試作した。

２．２　電磁波シールド理論及びシールド評価法
　電磁波シールド技術の中で最も重要なシールド材測定技術に関して，理論的基礎が充分に与えられていないため，測定値からシールド材を実際に使用した時のシールド性能を予測することさえ満足に行えていない。また，日本工業規格においてもイミュニテイ試験法は規定されているが，シールド効果を測定する試験法が規定されていないのが現状である６）。シールド材測定法とは，何を測ることが目的かによって次のように分類されている７）。
(1)シールド材そのものを表す物理量の測定法（体積抵抗率，誘電率，透磁率といった材料定数，厚さや構造に関するパラメータ）
(2)シールド特性に反映するシールド材固有のパラメータの測定法（面抵抗値，伝達及び表面インピーダンス，垂直入射波透過及び反射係数）
(3)シールド材を定められた条件下においたときの，シールド性能を表す指標（通常，シールド効果で表す）の測定法
(4)シールド材を目的の形あるいはそれに近い状態に組み立てた状態でそのシールド性能を総合的に評価する方法
　本研究では，(1)から(4)の測定法を必要に応じて用いることとし，本研究での計測の中心は(3)で行った。しかし，(3)でのシールド材のシールド効果というものが，波源の種類やシールド材との位置関係、観測方法によって大きく変化する。いわば，”見かけ上の特性”である。また，材料の形状や測定方法によっても，その測定値は変化する。従って測定された電磁波の透過損失のあくまでも材料の相対比較の目安としてとらえなければならない８）。
　以上の理由から，可能な限り同一測定器を使って，同一条件で評価することとし，本研究ではアドバンテスト法を使用した。また，必要に応じて他のシールドボックス法や導波管ストリップ線路法も組み合わせた。
　ここで用いたアドバンテスト法とは，シールド効果を，電磁波の発生源の違いにより，近傍電磁界における電界波及び磁界波に対するシールド効果として評価する方法である９）。
　電磁波シールド効果（ＳＥ）は通常シールド材がない空間の電界強度をＥ０（V/m）とすれば，シールド材を配置した電界強度はＥ１（V/m）となり，
　ＳＥ＝２０log１０Ｅ０／Ｅ１（ｄＢ）
で定義されている１０）。但し，入射する電磁界は平面波であり，シールド材の大きさは無限に大きく，電磁波はシールド材に垂直に入射するものと仮定している。
　一般に，電磁波は電子を動かしたり，磁性の最小単位としてのスピンを揺さぶったりする。普通の物質では電磁波があたると，電子やスピンは適当な緩和時間で動きは止まる。この緩和時間の大小が抵抗，誘電損失，磁気損失を決める。このような損失の行き着く先は結晶格子の振動（熱）と結びつき，熱を発生する。そこで，電磁波との関わりを調べる際には，上記シールド効果とともに，材料の持っている，抵抗，誘電率，透磁率も重要なパラメーターとなる１１）。


３．結果と考察
３．１　炭素繊維織物のシールド効果の比較
　PAN3K, PAN6K, PAN12K, PIT系の４種類を用いて炭素繊維織物を試作し，アドバンテスト法で評価した。その電界波及び磁界波に対する結果を各々図１及び図２に示す。1MHzから300MHzの測定範囲において，40dB以上のシールド効果が得られた。300MHz以上においては徐々に減少し，1GHzにおいて20dBまで減少した。最大値は30〜100MHzで最も大きな値，50〜60dBの減衰を示した。織物素材の間では大きな違いを見い出せないが，PAN12Kが最もシールド性能に優れていた。
　磁界波については，10MHzから徐々に上昇し，300〜700MHzで最大で35〜40dBを示した。それより周波数の高い領域では急激に減少し，10〜20dB程度まで下がった。電界波と同様に織物素材の間には大きな違いを見い出せないが，PAN12Kが最もシールド性能に優れていた。これらの電界波及び磁界波とともにシールド効果は炭素繊維織物の導電性に強く影響を受けていると推定される。

図１　炭素繊維織物のシールド効果の比較
（電界波測定）
図２　炭素繊維織物のシールド効果の比較
（磁界波測定）

３．２　炭素繊維織物と金属網との比較
　炭素繊維織物は電界波測定においては、アルミ箔より劣るが（図３），その他のステンレス網、真鍮網、銅網と同等もしくはそれ以上のシールド効果を示した。磁界波については，徐々に増加し，400〜600MHzで30〜50dBのシールド効果を示した。それより高周波領域では減少した。炭素繊維織物は軽量，高強度且つ金属網と同等もしくはそれ以上のシールド性能を示すことを確認した。
図３　金属網とのシールド効果
（電界波測定）

３．３　炭素繊維織物の厚み効果
　炭素繊維織物の重ね合わせによる厚み効果のシールド性能を評価した（図４）。その結果，厚みを増すとわずかながらシールド性能が上昇した。とりわけ炭素繊維織物の間にスレート（3mm厚）を挟み込むと500〜700dBの周波数帯において，シールド性能として約2倍になる部分を見出した。そのデータ解析については今後の課題である。
図４　炭素繊維織物の重ね合わせの
シールド効果の比較（電界波測定）

３．４　産業機械用シールド材への応用
表３
放電加工機電磁波シールド材で用いられる
評価法による炭素繊維織物（３Ｋ及び６Ｋ）の
減衰値比較表
周波数
（MHz） 		織物3K
減衰値：dB 		織物6K
減衰値：dB
30MHz〜100MHz 20〜30 20〜30
100MHz〜200MHz 30〜40 30〜40
200MHz〜600MHz 30〜40 30〜40
600MHz〜1GHz 20〜30 20〜30
　工作機械や産業機械に対応する電磁波シールド材を使用する場合に，当面の目標となることは，CISPR11規格を満足することである。本研究での炭素繊維織物が産業機械に電磁波シールド素材としてどの程度使用できるかを知るために，放電加工機を例として，この産業機械で用いられているシールド性能評価手法（シールドボックス法）を用いて評価した。その測定結果について述べる。
　測定は校正済み広帯域ノイズソースにより30MHzから1GHz周波数にかけて減衰値を測定した。ノイズソースは炭素繊維織物を巻き付けたダンボール箱状（寸法：500mm×500mm×400mm）の中に置いた。箱に巻き付けた炭素繊維織物は箱のコーナーで20〜30mm重なっていた。箱の中に置かれた校正ノイズソースからのＲＦエミッションを水平と垂直の両極で箱の４側面において測定した。また，校正ノイズソース単独でのレベルと比較した。以上の測定を炭素繊維織物３Ｋと６Ｋについて行った。両者の炭素繊維織物について大きな違いは見られなかった。それらのデータを表３に示す。一般に電磁波シールド性能を示す場合に，安全値としてのデータとすべきことからここで示す減衰値は，得られた結果の最小値を表示した。
　炭素繊維織物は一般に使用される板金等の電磁波シールド性能（40〜80dB）と比較すると，やや見劣りした。以上の結果から今後の利用展開を推定すると，目標となるCISPR11規格の認証を得るための電磁波シールド材は，加工性や電磁波シールド性能の両面から考えても，今後とも板金が主流で推移すると予想される（放電加工機だけではなく工作機械，産業機械全般に言える）。
　しかしながら，不燃性や繊維織物という機能から判断すると，産業機械等を保管する一般建築室内装飾用の電磁波シールド材としての用途が今後期待できる。

３．５　炭素繊維織物のオフィスルームへの応用
 　今後無線LANが大量データを高速で送るようになると，情報機器と共に必要条件として建物への対応が必要となる。その時代が目の前にきており今後の需要が期待される。シールド材を実際に建物に採用する場合には，下記の要件を満たすことが求められる１２）。
(1)電磁波シールド機能が良い：経験的に、求められる部屋のシールドより10dB程度高いシールド材が必要である。
(2)耐熱性：床は可燃性でも良い。壁は不燃又は準不燃。天井は不燃。
(3)耐久性：20〜30年間変化しない。
(4)異種金属との連結が良い。例えば，アルミサッシ等とのイオン化傾向があまり違わない。
(5)施工性が良い：切断等が容易である。
(6)コスト：1000円〜2000円／ｍ２が適切である。
(7)生産性：求められた時に必要量が提供される。
(8)異方性：材料に方向性がない。
　今回研究している炭素繊維織物について考えると，電磁波対応オフィスルームの30dBクラスであるならば，織物の密度を上げる等で10dB程度の機能向上が必要である。20dB程度のオフィスルームでは今回の織物をそのままで，現在使用している亜鉛めっき鋼板に代わって使用できると思われる。但し，(4)の異種金属との連結に対して炭素繊維織物に金属メッキ等を行うことが技術的課題となる。一方，コストでは生産量にもよるが，炭素繊維も2000円／ｍ２程度で作れる時代に向かっていると予想される。今後，科学技術庁「地域先導研究」の中で作られる電磁波対応モデルオフィスルームで使用可能なシールド材の開発に向けて，更に技術的課題の解決を図りたい。
３．６　高周波領域での電磁波シールド材及び電波吸収体
図５　炭素繊維織物の電波反射減衰量(S11)
　
図６　炭素繊維織物の透過減衰量（Ｓ21）
　電磁波シールドとは，室内で電磁波が照射面に入射すると，そこで反射して反対側の面にはほとんど透過しないことを利用している。しかし，オフィスルーム内での別の電子機器は，この電磁波により誤動作を発生させる危険性がある。そのようなことから最近では，電磁波を吸収させることにより，反射と透過の両方に効果のある室内用電波吸収体の開発が望まれるようになった。一般に電波吸収体としてフェライトやカーボン系による電波吸収素材で開発が行われている。これまでに開発されている電波吸収体を基本組成から分類すると、次のようなものになる１３）。
　(1)カーボン含有発砲体
　(2)A焼結フェライト
　(3)フェライト粉末（ゴムフェライト）
　(4)ゴムカーボン系吸収体
　(5)λ／４形電波吸収体。
しかし，これらの吸収体については，反射減衰効果が小さいことや，周波数帯域が狭いこと等が利用面でネックとなっている１４）。
　そこで，炭素繊維織物（12K）について，電波吸収体としての機能が存在するかどうかの評価を進めた。本研究では，ネットワークアナライザによるＳパラメータ法で測定した（導波管ストリップ線路法）。入射波と反射波の比で定義されたＳパラメータ法による反射減衰量（Ｓ１１）及び透過減衰量（Ｓ２１）を求めた。
　その結果、Ｓ１１ではスリップ線路でのショートの基準と完全に一致しており，電波のほぼすべてが反射していることがわかる（図５）。一方，Ｓ２１では40MHz〜1GHzにおいて30dBの減衰が観察され，ほぼ電波は透過していないことが観察された（図６）。以上の結果，炭素繊維織物については表層部で電波の反射がほとんど行われ，材料内部への電波の入り込みがないため，織物では電波吸収体としての効果はなく，ほぼ完全な電波反射体として働いていることがわかった。以上の結果を用いて，今後炭素繊維織物と合繊織物等との組み合わせにより（複合体），建築用電波吸収体を作ることを検討していきたい。


４．結　　言
炭素繊維織物を試作し，電磁波シールド機能を評価した結果，以下のことが明らかになった。
(1)炭素繊維織物の試作及び評価
　PAN3K，PAN6K，PAN12K，ピッチ系の４種類の炭素繊維を用い，織物を試作し，アドバンテスト法により評価した結果，織物素材としての大きな違いを見い出せないが，若干PAN12Kがシールド性能に優れていた。
(2)炭素繊維織物と金属網との比較
　炭素繊維織物とステンレス網，真鍮網，銅網との比較を行った結果，炭素繊維織物は上記の金属網と同等もしくはそれ以上のシールド性能を有していた。
(3)炭素繊維織物の厚み効果
　織物の重ね合わせによるシールド性能を評価したところ，厚みが増すと，わずかながらシールド性能が増加した。炭素繊維織物の間にスレート板（3mm厚）を挟み込むと500〜700MHzの周波数帯で，シールド性能として約2倍になる周波数帯が見出された。
(4)炭素繊維織物の応用について
　炭素繊維織物は板金に代わり全面的に産業機械に使用することは，当面は困難と予想した。そこで，織物
としての特徴を最大限に利用できる分野として，オフィスルームや工場の内装材としての電磁波シールド材を研究していくこととした。


謝　　辞
　当研究は科学技術庁「地域先導研究」（地域オーガナイザー：金沢大学　長野　勇教授）の一環として進めたものである。電波吸収評価については防衛大学山本孝教授に評価して頂いた。産業機械への応用については潟\デイックの高原邦博氏にコメント及び評価を頂いた。一方，織物の試作については活黹m宮織物の出村達太郎氏，三谷産業鰍ﾌ寺井健二氏，且O谷産業イー・シーの東剛氏に支援を頂きました。建築材料への応用については清水建設鰍ﾌ桜井仁氏を初め多くの方々に議論を頂いた。(財)石川県産業創出支援機構の方々には並々ならぬ陰ながらの協力を頂いた。これらの方々に心から深く感謝します。


参考文献
1) 岩井喜弘：電磁波障害と対策，東洋経済新報社（1996）
2) 奥田謙介：炭素繊維と複合材料，共立出版（1995）
3) 森田健一：炭素繊維産業，近代編集（1984）
4) 三菱レイヨンカタログ：pyrofil
5) 日石三菱カタログ：グラノックTUクロス
6) 日本工業規格：電磁両立性，JIS C 1000-4-3，1997(IEC 61000-4-3，1995)
7) 西方敦博：シールド技術とシールド材，ミマツデータシステム，p.13-41（1996）
8) 上田直行　他：導電性ゴムの電磁波遮蔽特性について（第２報），熊本県工業技術センター研究報告No.36，p.88-93(1998)
9) （株）アドバンテスト：電磁波シールド効果測定，セミナーテキスト
10) 池田哲夫：シールド技術とシールド材，ミマツデータシステム，p.1-12（1996）
11) 乾　哲司：シールド技術とシールド材，ミマツデータシステム，p.73-99（1996）
12) 桜井 他：私信，清水建設（1999）
13) 森田俊人：建築におけるＥＭＣ関連材料の現状と問題，電気設備学会誌，p821-833（1994）
14) 上田直行　他：導電性ゴムの電磁波シールド効果について（第１報），熊本県工業技術センター研究報告，No.36，p.81-87（1997）


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