Ⅰ. 서 론
스텔스 기술은 적의 레이다, 적외선 등 다양한 탐지기술에 대응하여 발전해 왔으며, 군사적 우위를 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 저피탐 기능은 레이다 흡수 재료(RAM, radar absorbing material)와 흡수 구조(RAS, radar absorbing structure)가 있다. RAS는 복합재료의 섬유나 기지재료에 전자기파에 손실을 발생하는 재료를 사용하거나, 저항층을 삽입하는 등 여러 방법으로 구현된다. RAS는 주로 낮은 레이다 반사 면적(RCS, radar cross section)을 가져야 하는 스텔스 유, 무인체계에 적용된다. RCS 증가를 유발하는 주요 부위는 항공 엔진의 흡입구와 배기구 등의 캐비티 구조이며, 특히 배기구나 극초음속 비행체의 첨두부는 고온 환경으로 인해 세라믹이 적용된 고내열 전자파 흡수 물질에 관한 연구가 진행되고 있다[1].
YSZ는 높은 화학적, 열적 안전성 등 특성이 우수하여[2] 엔진 내부 코팅 소재에 사용되고 있는 대표적인 세라믹 소재이며, YSZ는 약 1,000°C 이상의 고온에서도 구조적 변형 없이 우수한 열적 안정성을 유지한다. 전파 흡수성능이 없는 YSZ와 전자기 손실 소재를 첨가하여 내열성을 갖는 전파흡수체의 연구도 활발히 수행하고 있다[3]. 하지만 손실 소재를 첨가함으로써 발생하는 내열 한계가 존재하며, 첨가제가 불순물로 작용하여 코팅 성능 저하를 야기시킨다. 따라서 순수 YSZ를 사용하면 YSZ 또는 금속 본연의 내열 한계까지 운용할 수 있으며, 코팅 최대의 성능을 발휘한다.
메타물질은 기존의 물질을 이용해 주기 구조를 설계함으로써 자연에 존재하지 않는 특성을 나타내도록 설계 및 제작된 물질을 말한다. 최근 패턴 설계 시 유효 유전율(permittivity)과 유효 투자율(permeability) 제어 효과를 통해 얇은 두께에서 전파흡수를 갖는 메타물질 흡수체를 스텔스 기술에 사용하고 있다.
본 연구에서는 저피탐 특성이 유전율과 투자율에 의해 결정되므로, 다양한 유전율의 제어 효과를 나타낼 수 있는 패턴인 SRR(split ring resonator) 패턴을 적용하여 설계하였다. 이 패턴을 2차원 금속 모재 위에 배열하여 메타 표면(meta surface)을 만들었으며, 내열성과 고온 환경에서 사용할 수 있는 RAS를 설계하였다. 설계된 RAS는 상용 소프트웨어인 CTS Studio Suite를 사용하여 최적 변수를 도출하고 검증했다. 이후 금속 3D 프린터의 DED (directed energy deposition) 방식으로 시편 제작 후 내열, 고온 소재인 YSZ 재료만 활용하여 코팅하고, 고온에서 자유공간 측정 장비를 사용하여 X-band의 전파흡수 가능성을 확인하였다.
Ⅱ. 고온 흡수체 설계
고온용 RAS 제작을 위해 고려해야 할 사항으로는 제작 방식이다. 금속 모재 표면에 패턴을 구현하기 위해 기계 가공방식은 구현 가능성 및 생산성 효율이 낮으므로 금속 3D 프린터를 사용하려고 한다. 금속 3D 프린터는 크게 PBF(powder bed fusion)와 DED로 구분하고 있다. PBF의 경우, 금속 분말 소재를 베드에 얇은 레이어로 깔고, 레이저나 전자빔으로 소결시키거나 적층시켜 모델을 조형한다. DED의 경우, 금속 분말 공급과 동시에 고출력 레이저 빔을 통해 순간적으로 용융되어 적층해 나가는 방식이다. PBF는 복잡한 형상을 구현할 수 있는 반면 모델링 형상 및 크기에 따라 금속 분말이 많이 필요하다. DED의 경우 비교적 단순한 형상만 구현할 수 있으나, 대형 구조물 제작이 가능하고 금속 분말 손실률이 낮은 장점이 있다. 본 연구에서는 최종 목적인 비행체의 배기구에 적용할 예정으로 DED 방식을 활용하여 제작하고자 한다.
DED 방식을 활용하기 위해서는 표면 패턴의 방식을 단순한 구조로 설계해야 한다. 그렇기에 일반적인 메타물질 형태인 SRR구조를 사용했다. 또한, SRR은 공진 특성을 통해 전파흡수 성능을 극대화할 수 있으며, 특정 주파수에서 강한 공진 현상을 유도하여 전자기파를 효과적으로 흡수할 수 있다. SRR은 LC(인덕턴스, 캐패시턴스) 공진을 통해 유전율 제어 효과를 활용한다. 두 원형의 개방 루프(loop)에 외부시간에 따라 변하는 자기장이 발생하면, 이로 인해 두 개방 루프에 전류가 유도된다. 유도된 전류는 두 개방 루프에서 인덕턴스(L, inductance)를 생성하고, 루프 사이에는 유도된 전류에 의해 전압 분포가 그림 1과 같이 형성된다. 또한, 안쪽과 바깥쪽의 개방 루프 사이에는 캐패시턴스(C, capacitance) d2가 발생하게 된다.
또한, 루프 끝단에 있는 개방 루프 부분에는 캐패시턴스 d1이 발생하므로, 총 캐패시턴스는 루프 사이의 캐패시턴스 d2와 끝단의 개방 구조에서 발생하는 캐패시턴스 d1의 합으로, 등가 회로에서 이들이 직렬로 연결되어 있다고 가정할 수가 있다.
SRR의 등가 회로는 LC 공진 회로와 동일하므로, 공진 주파수는 식 (1)과 같이 계산된다.
여기서 C는 루프 사이의 단위 길이당 캐패시턴스를 의미하고, L은 SRR의 두 원형 개방 루프에서 발생하는 총 인덕턴스이다.
Ⅲ. 최적 설계 시뮬레이션 결과
최적의 매개 변숫값을 도출하기 위해 X-band(8−12 GHz)에서 흡수성능을 가지는 전파 흡수구조 단위 셀을 그림 2와 같이 설계하였다.
설계된 RAS 패턴 모델링의 기본 물성은 PEC(perfect electric conductor)로 하였고, 코팅된 물질은 세라믹 소재인 YSZ를 사용했다. 유전율 ϵr은 27, 손실 탄젠트 tanδϵ는 0.1이며, 흡수 특성을 X-band 내 위치시키기 위해, YSZ와 메타표면 조합을 무반사 곡선 기준으로 1.8 mm 이하에서 형성될 것으로 예상했다. 따라서 코팅 두께를 1.8 mm 이하로 설정하고, 단위 패턴화를 위해 90° 회전하여 배치한 모델링을 하였다. 그림 3과 같이 RAS 패턴 매개 변수를 지정하여 하나씩 증감해보며 최적값 도출을 위한 범위를 지정하였고, CST Studio Suite 의 Optimizer 기능을 활용하여 최적의 매개 변숫값을 도출하였다.
매개 변수에 genetic algorithm을 사용하였고, X-band 내 최솟값이 오면서 9.5~10.5 GHz 사이에 최소 피크 값이 오도록 목적함수를 설정하여 최적설계하였다. 최적화를 위해서는 많은 반복 시뮬레이션이 필요하며, 매개 변수 변화에 따른 전반적인 반응을 효과적으로 최적화할 수 있는 T-solver(time domain solver)를 사용하였다. 그림 4는 CST의 T-solver를 통해 최적 설계 결과로 얻은 S-parameter의 S11 결괏값으로 X-band에서 약 1 GHz (9.1~10.1 GHz) 대역폭에 대해 −10 dB 이하의 반사손실을 보여준다.
Ⅳ. 제작 및 시험
RAS에 대한 최적 설계 후 시편 제작을 표 1의 조건으로 금속 3D 프린팅 DED 방식으로 제작하였으며(그림 5(a)), 기존 엔진 노즐 제작 시 사용되는 SUS304를 사용하여 기존 재질 그대로 패턴을 구현하였다. Thermal barrier coating을 위해 시편에 YSZ를 플라즈마 코팅하여 소결하였다(그림 5(b)).
| Laser power (W) | 180~258 |
| Traverse speed (mm/s) | 850 |
| Powder feed rate (g/min) | 1.8 |
| Z step (mm) | 0.15 0.05 |
| Powder particle size (m) | 50~150 |
제안된 RAS는 자유공간 측정법으로 측정되었다. 자유공간 측정법은 일정 크기 이상의 평판 시편이 요구됨에 따라, 메타 패턴이 적용된 흡수구조의 측정에 용이하다. 시편을 가운데 두고, 포커스드 렌즈 혼 안테나와 양옆 초점거리에 위치시켜 안테나로부터 송, 수신되는 전자기파 신호를 분석하여 S-parameter를 측정한다.
그림 6 측정은 상온(약 22°C) 조건에서 수행되었으며, 표 2 Plate_SRR은 코팅 전 메타구조로 된 금속이고, Plate_ YSZ는 금속평판에 YSZ를 1.8 mm 코팅하였을 경우이다. 이 둘을 측정하였을 때, 흡수성능이 없음을 확인하였다. 반면 금속 메타구조에 YSZ를 코팅한 시편인 RAS_SRR의 경우 X-band 내 약 0.8 GHz(9.1~9.9 GHz) 대역폭에서 −10 dB 이하의 성능을 발휘하였다.
제안된 RAS를 고온 환경 모사 장비를 통해 고온 환경에서 전파특성을 측정하였다(그림 7). 고온 환경 모사 장비의 플라즈마를 이용해 목표 온도까지 올리고 가열된 시편을 측정 장치로 이송 후 온도 측정 장비를 통해 온도를 측정하며 전파특성을 측정하였다. 목표 온도인 500°C에서 상온 대비 더 넓은 대역폭의 반사손실을 보여줬다.
Ⅴ. 결 론
본 연구에서는 세라믹 소재인 YSZ와 3차원 형태를 가진 금속 SRR 구조를 결합한 메타표면을 만들어, 별도의 손실 소재가 포함되지 않은 고온용 전파흡수체를 제안하고, 자유공간 측정 장비를 사용하여 전파흡수 성능을 확인하였다. YSZ 또는 SRR 구조 단독으로는 전파흡수 성능은 나타나지 않았으나, 제안된 고온용 전파 흡수구조는 X-band 내 약 0.8 GHz(9.1~9.9 GHz) 대역폭에서 −10 dB 이하의 성능을 보였다. 본 연구는 RCS 증가를 유발하는 고온 부에 적용 가능성을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 고온 환경에서도 우수한 전파 흡수성능을 유지할 수 있는 구조 설계의 가능성을 제시하며, 향후 다양한 고온 환경에서의 응용 가능성을 넓히는 데 기여할 것이다.
