전도성의 기초와 재료별 비교에서 저항값과 구분까지 해설

「수지 부품으로 정전기 대책을 하고 싶지만 어떤 재료를 선택해야 할지 모른다」, 「비용과 전도성의 균형에 고민하고 있다」 등과 같은 고민을 가지고 계신 분도 계실 것입니다. 이번 내용에서는 전도성의 기본 지식부터 금속·수지·고무의 저항값 비교, 설계 시 활용 포인트까지 설명하고, 적절한 재료 선택 기준과 신뢰성 향상·비용 절감 팁을 제시합니다. 매일 재료 선정을 담당하는 설계·개발 담당자분들은 꼭 끝까지 확인해 주세요.

전도성의 정의

전도성이란, 한마디로 「물질이 전기를 통하는 성질」입니다.

물질 내부에는 전자가 존재하고, 전압을 걸었을 때 그 전자를 얼마나 자유롭게 이동할 수 있는지에 따라 「전도성의 높이」가 정해집니다. 일반적으로 전도성이 높은 재료는 다음과 같은 제품과 용도로 활용되고 있습니다.

• 전기 접점·배선:커넥터, 단자, 버스 바(구리, 금 등)
• 전자파 차폐: 정밀 기기의 케이스, 노이즈 대책 커버(알루미늄, 도전성 수지 등)
• 정전기 대책(ESD): 반도체 제조 장치의 부품, 반송 트레이, 방폭 에리어의 바닥재(도전성 고무, 카본 함유 수지 등)

전도성의 특성

전도성은 물질이 전기를 통과하는 특성을 갖고 있습니다. 이 성질을 나타내는 물리량인 전도율의 단위는 「S/m(지멘스 매미터)」로, 숫자가 클수록 전기가 흐르기 쉬운 것을 의미합니다.

또, 실무상의 평가에서는 그 역수인 「전기 저항」도 이용됩니다. 재료 자체의 전도성 성능을 비교할 때, 형상(길이 또는 두께)에 의존하지 않는 고유의 물성값으로서 다음의 2개가 정의됩니다.

• 부피 저항률
  재료 내부 전기의 흐름이 잘 통과하지 않는 정도를 나타냅니다. 단위는 「Ω·cm(옴 센티미터)」와 「Ω·m」이 사용됩니다. 수치가 낮을수록 전도성이 높아집니다.
  
• 표면 저항률
  재료 표면의 전기 흐름에 어려움을 나타냅니다. 시트와 필름의 재료 평가에 자주 사용됩니다. 단위는 「Ω/sq(옴・파・스퀘어)」혹은 「Ω/□」라고 표기됩니다.

대전성과의 차이

전도성과 혼동하기 쉬운 용어로 대전성이 있는데, 이는 관점이 다릅니다. 전도성이 전기를 흐르게 하는 능력을 의미하는 반면, 대전성은 정전기가 물질에 머무르기 쉬운지(축적되기 쉬운지)를 나타내는 지표입니다.
일반적으로 전도성이 높은 재료는 발생한 정전기를 순간적으로 외부로 방출할 수 있어 「전하가 잘 발생하지 않는다」는 특성을 가집니다. 반대로 플라스틱처럼 전도성이 낮은 재료는 정전기가 빠져나갈 곳을 잃어 표면에 축적되기 때문에 「전하가 쉽게 축적된다」고 할 수 있습니다.

물체가 전도성을 갖는 이유

물질이 전기를 통과시킬 수 있는지는 물질 내부에서 「전하(전자와 이온)」를 운반하는 주체가 자유롭게 움직일 수 있는지에 달려 있습니다. 여기서는 금속과 수지가 전도성을 갖는 이유를 살펴보겠습니다.

금속

금속이 높은 전도성을 갖는 이유는 그 원자 구조에 있습니다. 금속 내부에서는 원자핵의 결합을 벗어난 「자유 전자」가 움직일 수 있는 상태로 존재합니다. 여기에 전압을 가하면 자유 전자가 한꺼번에 이동하면서 전류가 발생해 전기가 잘 통하게 됩니다.
구리나 알루미늄 등 금속 종류에 따라 전도율이 다른 이유는, 자유 전자의 밀도와 이동 용이성이 물질마다 다르기 때문입니다.

수지

일반적으로 수지는 전자가 고정돼 있어 전기를 통하지 않는 「절연체」입니다. 하지만 탄소나 금속 분말 등 전도성 충전재(필러)를 첨가하면 전도성을 부여할 수 있습니다.
수지 내부에서 필러끼리 접촉해 전기의 통로가 되는 경로(전도 경로)가 형성되므로 전기가 흐르게 됩니다. 배합량을 조절하면 정전 방지 수준부터 전도 수준까지 저항값을 제어할 수 있습니다.

재료별 전도성 순위

주요 재료의 전도성 경향을 대략 높은 순서로 정리하면 다음과 같습니다.

표 1 재질별 전도성 정리(금속)

순위	재료 이름	전도율(×10⁶·S/m)	부피 저항률(×10-8 Ω·m)
1	구리	43.5~62.5	1.6~2.3
2	알루미늄	32.3~33.3	3.0~3.1
3	몰리브덴	17.9~19.2	5.2~5.6
4	텅스텐	18.2	5.5
5	철	9.8~10.0	10
6	티타늄	0.59～2.34	42.7~169.5
7	스테인레스	1.4	71.4

 

표 2 재질별 전도성 정리(수지 및 고무)

순위	재료 이름	전도율(S/m)	부피 저항률(Ω・m)
1	탄소(CNT)	10	10
2	실리콘 고무 (전도성 실리콘 고무)	10 -1	10 -2
3	MC 나일론 (전도 등급 MC 나일론)	10 -4	1×10 4
4	PEEK (전도성 PEEK)	10 -3	10 2
5	EPDM	10 -6	10 6
6	폴리에틸렌	<10 -16	> 10 16

※값은 일반적인 기준이며, 합금의 종류나 재질, 온도에 따라 변동합니다.

금속은 기본적으로 전기가 잘 통하는 반면, 플라스틱이나 고무는 전도성 등급이라도 저항값이 높아지는 경향이 있어 주로 정전기 대책(ESD)이나 전자파 차폐 용도로 선택됩니다.

금속

금속은 전기를 통하기 쉬운 재료이지만, 종류에 따라 도전 성능에는 차이가 있습니다. 대표적인 금속의 용도와 특징은 다음과 같습니다.

구리

은에 이어 높은 전도성 및 열전도성을 가진 금속입니다. 전기 저항으로 인한 손실을 최소화할 수 있기 때문에, 버스바, 커넥터 단자, 배선재 등 전기를 흐르게 하는 기능 부품에 필수적입니다. 무겁고 강도는 다소 약하지만, 전기·열 성능이 요구되는 부위에서는 다른 금속으로 대체할 수 없는 중요한 소재입니다.

알루미늄

구리 다음으로 뛰어난 전도성을 가지고, 구리의 약 3분의 1에 해당하는 가벼움을 겸비한 소재입니다. 방열성 및 가공성이 뛰어나 전자 기기의 히트싱크, 전도용 접지판, 경량화가 요구되는 케이스 등에 널리 활용됩니다. 가성비가 뛰어나며 전기적 특성과 기계적 특성의 균형이 우수한 금속입니다.
다만, 내식성을 높이는 알루미늄 양극산화 처리는 「절연 피막」을 형성하므로 전기가 필요한 부위에는 적합하지 않습니다. 접점 부분에는 알루미늄 양극산화를 하지 않는 마스킹을 지정하거나, 전도성을 유지할 수 있는 표면 처리를 선택해야 합니다.
※절연 피막 = 전기를 통하지 않는(절연성을 가진) 얇은 막을 의미

철

가격이 저렴하고 강도가 높아 기계 설비의 프레임이나 베이스로 가장 일반적입니다. 전도성은 구리보다 떨어지지만, 일반적인 케이스 접지로는 충분히 기능합니다. 다만 녹이 잘 슬기 때문에 보통은 도색이나 도금이 필요합니다. 전원을 공급하려면 접점 부위의 도막 제거와 전도성 도금 선택이 필수적입니다.

티타늄

「경량·고강도·고내식」이라는 뛰어난 기계적 특성을 가지고 있지만, 전도성은 금속 중에서 낮은 편에 속합니다. 전기를 흐르게 하는 목적보다는 항공우주나 의료 분야 등 가혹한 환경에서 강도와 경량성을 우선시하는 구조재로 채택됩니다. 접지 연결 시 접촉 면적을 넓게 잡는 등 배려가 필요합니다.

스테인레스

철이나 구리보다 전기 저항이 높아 대전류가 흐르는 용도에는 적합하지 않지만, 정전기가 방출될 수 있을 만큼 충분한 전도성을 가지고 있습니다. 가장 큰 특징은 뛰어난 내식성과 강도입니다. 녹이 허용되지 않는 청정 환경에서 정전기 방지 커버로, 또는 차폐 기능을 겸비한 외부 부품으로 반도체 제조 장비에 유용하게 사용됩니다.

전도성 수지

일반적인 수지는 절연체이지만, 탄소나 금속 분말 등 전도성 필러를 첨가해 전도 기능을 부여한 것입니다. 아래에서는 대표적인 전도성 수지의 특징을 설명합니다.

카본

수지에 전도성을 부여하기 위한 가장 대표적인 첨가제의 총칭입니다. 카본 블랙이나 탄소 섬유 등을 혼합함으로써, 수지 내부에 전도 경로를 형성합니다. 비교적 저렴하게 전도성을 높일 수 있지만, 소재 색상이 검게 변하거나 사용 환경에 따라 미세한 탄소 분말이 떨어질 수 있으니 주의가 필요합니다.

MC 나일론

기계적 강도와 내마모성이 뛰어난 대표적인 엔지니어링 플라스틱입니다. 전도성 등급은 전자 부품의 운반 트레이, 지그, 롤러 등에서 정전기로 인한 디바이스 파손이나 먼지 부착을 방지하고자 하는 용도에 많이 사용됩니다. 금속 부품에 비해 가볍고, 접촉하는 워크(제품)를 손상시키기 어려운 점도 큰 장점입니다.

PEEK

고수준의 내열성, 내약품성, 강도를 자랑하는 슈퍼 엔지니어링 플라스틱입니다. 전도성 PEEK는 반도체 제조 장비나 웨이퍼 캐리어 등 고온 및 약액 세척이 수반되는 가혹한 환경에서, 정밀한 정전기 대책이 요구되는 중요한 부품에 채택됩니다. 성능은 뛰어나지만 재료 비용이 비쌉니다.

폴리에틸렌

전도성 초고분자량 폴리에틸렌은 일반적인 폴리에틸렌보다 내마모성 및 미끄럼 특성이 뛰어나면서 전기를 방출할 수 있어, 분말 운반 슈트나 가이드 레일 등에 적합합니다. 정전기로 인한 분말 부착 막힘과 분진 폭발 위험을 낮추는 데 효과적입니다.

전도성 고무

고무 소재에 전도성 카본과 금속 분말을 혼합해 탄력성과 전도성을 동시에 갖춘 소재입니다. 패킹이나 전자파 차폐용으로 사용됩니다.

실리콘 고무

내열·내한성이 뛰어나며 넓은 온도 범위에서 안정적인 고무 탄성을 유지합니다. 전도성 실리콘 고무는 전자기기의 방수 패킹 겸 전자파 차폐재(EMI 가스킷)로서 케이스의 맞대면에 끼워 넣을 뿐만 아니라, 정전기 방지가 필요한 내열 쿠션재로도 활용됩니다. 유연성이 높고 밀착성이 뛰어난 것이 특징입니다.

EPDM

내후성, 내오존성, 내수성이 매우 뛰어난 고무 소재입니다. 자외선이나 비바람에 노출돼도 변질이 적어 야외 기기의 실링재나 패킹으로 유용하게 사용됩니다. 전도성 등급을 선택함으로써 야외 환경에서도 정전기 축적을 방지하고, 장기간 방수·방진 성능을 유지할 수 있습니다.

도전성을 향상시키는 표면 처리

도금

도금은 기재 표면에 금, 은, 구리, 니켈 등 금속 피막을 형성하는 처리입니다. 절연체나 전도성이 낮은 금속이라도 표면을 양도체로 덮으면 전기 저항을 낮출 수 있습니다.
특히 접점 부품에서는 접촉 저항 감소뿐만 아니라 내식성·내마모성 향상, 납땜성 확보 등 복합적인 기능 부여를 목표로 널리 활용됩니다. 비용과 성능의 균형에 따라 니켈, 주석, 고기능 금도금 등을 적절히 선택할 수 있습니다.

전도성 코팅

전도성 코팅은 은, 구리, 니켈, 탄소 등 전도성 필러가 포함된 도료를 스프레이 등으로 도포하는 방법입니다. 도금 처리하기 어려운 플라스틱 케이스 내부나 복잡한 형태의 부품에도 비교적 쉽게 전도성을 부여할 수 있습니다.
주로 전자기기 케이스 내부에 도포하여 전자파 노이즈를 차단하는 「전자파 실드(EMI 대책)」로 널리 사용됩니다. 후가공으로 부분적으로 전도화하고 싶을 때도 적합합니다.

이온 주입

이온 주입은 진공 상태에서 가속된 이온을 재료 표면에 주입해 표면의 원자 배열과 조성을 개질하는 기술입니다. 코팅이나 도금처럼 「위에 막을 입히는」 방식이 아니라, 소재 내부에 전도층을 형성하기 때문에 피막 박리 위험이 없습니다.
치수 변화를 거의 동반하지 않으면서 전도성을 부여할 수 있어 반도체 관련 초정밀 부품이나 표면의 평활성을 유지하고자 하는 특수 용도에 적합합니다.

전도성의 측정 방법

전도성을 정확히 평가하려면 재료의 형태와 예상 저항값 범위에 맞는 적절한 측정 방법을 선택해야 합니다. 평가 기준은 JIS 규격과 ASTM 규격으로 정해져 있으며, 측정기나 환경(온도·습도)에 따라 수치가 변동할 수 있으니 주의가 필요합니다.

부피 저항률과 표면 저항률의 계산식

전도성 지표에는 재료 내부의 저항을 나타내는 「부피 저항률」과 표면의 저항을 나타내는 「표면 저항률」이 있습니다. 각각의 기본적인 계산 방법은 다음과 같습니다.

부피 저항률

부피 저항률은 단위 단면적, 단위 길이당 전기 저항 값입니다. 재료 고유의 전기의 통과 어려움을 나타냅니다.

• 기호：ρ _V (로 브이)
• 단위:Ω⋅cm (옴 센티미터), Ω⋅m(옴 미터)
• 계산식: ρ _V = R×S/L(R: 측정된 저항값[Ω], S: 단면적, L: 길이)

표면 저항률

표면 저항률은 재료 표면의 단위 정사각형당 전기 저항값입니다. 시트 재료와 도막의 평가에 사용됩니다.

• 기호：ρ _S (로 에스)
• 단위:Ω/sq(옴 스퀘어)
• 계산식：ρ _s =R×W/L（R：측정된 저항값[Ω]、W：전극폭、L：전극간 거리）

대표적인 측정 기법

전도성을 측정할 때 주로 금속이나 저항값이 낮은(전도성이 높은) 재료를 측정하는 데 사용되는 것이 4단자법입니다. 4개의 바늘 모양 전극을 직선으로 배열하고, 바깥쪽 두 개에 전류를 흐르게 하며, 안쪽 두 개에 전압을 측정합니다. 이 방법의 가장 큰 장점은 측정 리드선이나 접촉 저항의 영향을 없앨 수 있어, 미세한 저항값을 고정밀로 측정할 수 있다는 점입니다.

반면에 주로 절연체나 저항값이 높은 정전기 대책 재료의 측정에 사용되는 것이 이중 링 전극법입니다. 주전극 주변을 가드 전극(링 형태)으로 둘러싸는 구조를 취하고, 표면을 흐르는 누설 전류를 분리함으로써 「부피 저항」과 「표면 저항」을 구분하여 정확히 측정할 수 있습니다.

재료 선정에서 주의해야 할 포인트

전도성을 고려한 재료 선정 시 주요 주의점을 아래 세 가지 관점에서 정리합니다.

전도성 및 실드 성능의 요건

먼저, 용도에 맞는 과부족 없는 저항값인지 확인합니다. 정전기 대책이라면 적당한 저항, 실드라면 낮은 저항이 필요하지만, 카탈로그 수치뿐 아니라 「접촉 저항」의 편차에도 주의가 필요합니다.

표면의 산화 피막이나 거칠기, 전도성 테이프의 접착제 조성에 따라 실제 저항값은 크게 변동합니다. 실제 사용 시의 접촉 상태와 연령 변화를 고려해 충분한 여유를 두고 재료를 선택하는 것이 시장 문제를 예방하는 첫걸음입니다.

환경 및 신뢰성 고려

장기적인 성능 유지를 위해서는 환경 내성 확인이 필수적입니다. 금속 부품에서는 이종 금속 접촉 부식(전식)으로 인한 전도 불량을 방지하기 위해 전위 차와 절연 대책이 필요합니다.
또한 전도성 수지와 고무는 열팽창이나 시간 경과에 따른 열화로 내부 전도 경로가 끊어져 저항값이 상승할 위험이 있습니다. 사용 환경의 온도·습도, 진동 조건에 대해 전도성을 유지할 수 있는 재료인지, 수명 평가를 포함한 신중한 선택이 중요합니다.

적용 프로세스·설계상의 유의점

제조 특성이 전도성에 미치는 영향도 고려합니다. 섬유계 필러를 포함한 수지는 성형 시 흐름 방향에 따라 전도율이 변하는 「이방성」이 발생하므로, 게이트 위치 등을 검토해야 합니다.
또한 전도성 필러가 늘어날수록 재료는 단단해지고 부서지기 쉬워져 충격 강도가 낮아집니다. 스냅핏 등 유연성이 필요한 부위는 파손 위험이 높아지므로, 전도성 및 기계적 강도의 트레이드오프를 정확히 판단해야 합니다.

정리

전도성은 제품의 정전기 대책 및 전자파 차폐를 구현하는 데 필수적인 특성입니다. 이 글에서 꼭 짚어야 할 포인트는 다음과 같습니다.

전도성의 정의 

• 전기를 흐르게 하는 능력을 나타내는 성질. 단위는 전도율(S/m)이며, 역수는 저항율(Ω·m)이다.
• 전도율이 높을수록 전기가 흐르기 쉽고, 저항률이 낮을수록 전도성이 높다.

전도성과 대전성의 차이

• 전도성: 전기를 흐르게 하는 능력
• 대전성: 정전기가 쉽게 축적되는 특성

→ 전도성이 높은 재료는 전하가 잘 발생하지 않는다.

재료별 특징

• 금속(구리·알루미늄)：고도전성, 전기접점이나 배선에 최적
• 수지·고무(도전 등급): 정전기 대책이나 실드 용도에 활용

전도성은 자릿수 차이에 차이가 있기 때문에 용도에 따른 선정이 중요하다.

전도성을 높이는 방법

• 표면 처리(도금·도전성 코팅·이온 주입)로 저항값을 저감

접촉 저항이나 산화 피막의 영향도 고려할 것.

재료 선정의 주의점

• 필요한 저항값을 만족하는지 확인
• 환경 내성(부식·열화)이나 가공성도 평가

전도성과 기계적 강도의 균형을 확인합니다.

측정 및 평가

• JIS 및 ASTM 표준에 따른 측정 방법 선택

부피 저항률과 표면 저항률의 차이를 이해하고 평가한다.

전도성을 정확하게 이해하고 용도에 가장 적합한 재료를 선택하면 설계 품질이 향상됩니다.