소재 기반의 스텔스 기술은 상대적으로 비중이 높고 유지, 보수에 많은 비용이 소요되는 문제점으로 인해 함정이나 항공기와 같은 이동체에 응용되는데 제약이 있다.

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최근 각광받고 있는 전자기파 메타물질(Metamaterial) 기반 흡수체는 1/4 파장 공진을 이용하는 솔즈베리 스크린(Salisbury Screen) 흡수 구조에 공학적으로 설계된 2차원 전도성 패턴을 더한 인공 구조 기반의 흡수체이다. 전자기파 메타물질기반 흡수체는 강한 표면 전류를 유도할 수 있는 패턴을 설계하여 전도성 손실을 극대화함으로써 기존 소재 기반의 레이더 흡수 물질 대비 두께를 더 얇게 하거나 흡수 성능이 만족되는 대역폭을 더 넓힐 수 있는 장점을 갖는다.

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특히 잉크 종류, 혼합 비, 또는 소결 온도 및 시간에 따라 면 저항을 자유롭게 조절할 수 있는 전도성 잉크 기반의 전자기파 메타물질 흡수체는 패턴 형상뿐만 아니라 면 저항 조절을 통해 전자기파 흡수 성능을 달성하기 용이한 장점을 갖는다. 하지만 전도성 잉크로 인쇄된 패턴의 경우 면 저항이 온도에 영향을 받으므로 주변 환경의 온도 변화에 의해 전자기파 흡수 성능에 변화가 있을 수 있으며 이에 대한 분석은 보고된 바 없다.

고온 시험은 24시간을 1주기로 30°C에서부터 63°C까지 변화를 주는 방식으로 총 7회 반복하였다. 열 충격을 방지하기 위해 온도 변화는 3°C/min 이내로 조절하였으며, 온도프로파일 등 자세한 세부 사항은 MIL-STD-810H의 Method 501.7 중 Procedure I 조건에 따라 설정되었다. 총 두 개의 샘플을 제작하여 고온 환경시험을 진행하였으며, 90°C에서 10 분간 소결한 패턴의 경우 외관상 큰 변형이 없었으나 80°C에서 10분간 소결한 패턴의 경우 보호 필름의 외형에 주름이 확인되었다. 이와 같은 변형은 잉크가 인쇄된 영역에서만 확인되었다. 항온 챔버 내부에서 63°C까지 온도가 상승할 때 패턴을 구성하는 카본 입자 사이의 결합 및 패턴과 폴리이미드 필름과의 결합이 약해지며 필름에 반복적인 변형이 가해진 것으로 판단된다.

고온 환경이 카본 잉크로 인쇄된 패턴에 미치는 영향을 정확히 분석하기 위해 고온 환경시험 전, 후에 전자기파 반사도를 측정하고 측정과 가장 잘 일치하는 시뮬레이션 결과를 통해 패턴 면 저항 변화를 근사적으로 분석하였다. 전자기파 반사도는 평면 전자기파 송수신이 가능한 X밴드 대역 렌즈 혼 안테나 측정 시스템을 이용하여 측정하였다. 측정 시스템에는 Keysight 사 PNA N5227B 모델의 VNA(Vector Network Analyzer)가 사용되었다.

X밴드 전 영역에서 반사도가 최소가 되도록 90°C에서 소결된 흡수체뿐만 아니라 반사도는 조금 상승하지만 중심 주파수가 10 GHz에 맞춰지도록 80°C에서 소결된 흡수체 모두 고온 환경시험 이후에도 X밴드 전체에서 반사도가 10 dB 이상 감소함을 확인하였다. 고온 환경시험 후 측정 결과 분석을 통해 90°C에서 소결된 패턴의 면 저항 변화가 80°C에서 소결된 패턴의 1/3 수준으로 확인되었으며, 이로부터 소결 온도가 높을수록 고온 환경에 대한 내구성이 개선됨을 검증하였다. 향후 전도성 패턴과 보호 필름을 하나의 구조로 통합하는 공정 및 소결 온도를 높일 수 있는 패턴 최적화를 통해 온도뿐만 아니라 습도, 염수, 일사 환경 조건에 대해 내구성이 더욱 향상된 메타물질 기반 전자기파 흡수체 제작이 가능할 것으로 판단된다. 이를 바탕으로 전자기파 메타물질 흡수체를 차세대 스텔스 소재로써 차기구축함의 통합마스트에 성공적으로 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

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출처 : 차기구축함 통합마스트에 적용을 위한 전자기파

메타물질 흡수체의 온도 환경 내구성 검증(전기전자학회논문지, 2020.03)