레이돔에 적용하기 위한 FSS 패턴 설계를 위해 상용프로그램 COMSOL Multiphysics 5.3a를 사용하여 수치해석을 진행하였다. 전투기 안테나의 경우 단·중거리 탐색 및 추적, 사격통제에 주로 사용되는 X-band (8 GHz ˜ 12 GHz) 대역이 사용된다. 본 연구에서도 X-band 대역을 타겟 주파수 대역으로 설정하였고, 이에 따라 설계하고자 하는 FSS의 중심주파수를 10 GHz로 가정하였다. 레이돔 표면에 적용하기 위하여 전투기 도장으로 사용되는 폴리우레탄 페인트를 기반으로 하여 FSS 패턴 설계를 수행하였다. 레이더 특성 설계에 사용된 폴리우레탄의 유전율 및 손실계수는 Dielectric Assessment Kit product line(DAK) 장비로 측정한 값을 사용하였다. FSS 패턴이 되는 금속층의 소재는 레이돔에 적용되는 폴리우레탄(PU) 페인트의 회색계열의 색과 이질감이 없고 적외선 대역에서 0.1 수준의 낮은 방사율을 가지는 알루미늄(Al)을 사용하였다. 알루미늄의 plasma frequency와 damping in time 값은 문헌에 나온 값을 참고하여 사용하였다^[7]. FSS band-pass 특성을 설계하기 위해 각각 low-pass filter와 high-pass filter 특성을 나타내는 patch, grid 패턴을 선정하고 적외선 신호제어가 용이하도록 알루미늄의 면적이 최대가 되는 슬롯(slot) 타입의 패턴을 선정하였다^[8]. Pitch(P), patch width(W_p), grid width(W_g), 알루미늄 코팅 두께, 폴리우레탄 코팅 두께를 변수로 하여 변수 연구(parameter study)를 수행하였다. P가 증가할수록 중심주파수 및 투과대역폭이 감소하고, W_p가 증가할수록 투과율과 중심주파수가 증가하고, W_g가 증가할수록 중심주파수가 증가하는 특성을 보였다. 또한 알루미늄 코팅의 두께가 증가할수록 투과율이 증가하고 폴리우레탄 코팅의 두께가 증가할수록 중심주파수가 감소하는 특성을 나타냈다. 이를 바탕으로 중심주파수는 10 GHz, 투과율은 90 % 이상, 적외선 신호제어가 용이하도록 알루미늄의 코팅 면적이 단위 면적 중 50 % 이상 차지하도록 설계 목표를 설정하여 설계 변수 최적화를 진행하였다. Figure 1은 수치해석 조건과 변수 연구를 통해 최적화한 디자인 형상이다. Figure 2는 수치해석을 통해 FSS의 투과 특성을 분석한 결과로 중심주파수는 10 GHz, 투과율은 92 %, 알루미늄 코팅 면적이 단위 면적의 55 %인 X-band 대역에서 투과특성을 갖는 FSS 패턴을 설계하였다.

설계한 슬롯 타입의 패턴을 표면에 구현하기 위하여 shadow mask와 스퍼터(sputter)를 이용하였다. Figure 3(a)는 알루미늄을 수백 나노미터 두께로 코팅하기 위해 사용한 스퍼터 장비이며 (b)는 위장이 되지 않은 일반적인 레이돔 표면을 구현한 폴리우레탄 표면이다. Figure 3(c)는 폴리우레탄 표면에 shadow mask를 올리고 스퍼터링(sputtering)하여 슬롯 패턴을 코팅한 표면이다. Table 1은 스퍼터를 이용해 폴리우레탄 표면위에 알루미늄을 코팅하기 위한 레시피이다.

선행 연구에 따르면 레이돔 적외선 신호는 표면방사율, 태양/대기/지구복사 등의 환경조건, 지표/하늘 등의 배경조건, 비행조건에 따라 변하게 되고 이로 인해 CRI가 최소가 되는 적외선 최적점이 존재한다^[2,6]. 따라서 레이돔의 적외선 신호 및 CRI 특성을 분석하고 이를 바탕으로 레이더 투과 특성을 가져 레이돔에 적용이 가능하고, CRI를 최소화할 수 있는 저방사 표면 개발이 필요하다. 이를 구현하기 위하여 나노 두께의 금속 코팅의 경우 두께에 따라 광특성이 변한다는 선행연구를 참고하여 알루미늄 나노코팅 두께를 변화하여 방사율을 조절하고자 한다^[9].

두께 별 알루미늄 나노코팅을 구현하기 위하여 앞서 제작한 방법과 동일하게 스퍼터 장비를 이용하였다. 제작 방법(recipe)은 Table 1과 같은 조건에서 스퍼터링 시간을 조절하여 5 nm, 10 nm, 50 nm, 100 nm, 500 nm 두께로 알루미늄을 코팅하였으며, 알루미늄 나노코팅의 두께 별 실험 케이스 요약은 Table 2에 나타내었다. Figure 4(a)는 PU 표면이고 (b)는 알루미늄으로 FSS 패턴을 나노코팅한 시편이다. Figure 4(c)는 폴리우레탄 표면과 폴리우레탄 표면 상부에 Al 나노코팅을 두께별로 제작한 시편으로 코팅 두께가 증가하더라도 폴리우레탄 페인트의 회색계열의 색상과 유사한 수준을 유지하는 것을 확인하였다.

알루미늄 나노코팅을 통한 FSS 시편의 레이더 대역의 전파투과특성을 분석하기 위해 실험을 진행하였다. Figure 6과 같이 투과특성을 측정하였으며, 측정 장비는 vector network analyzer와 X-band(8 GHz ˜ 12 GHz) 대역의 lens horn antenna를 사용하였다. Figure 7은 수치해석을 통한 투과특성 측정결과와 실험을 통한 측정결과를 비교하여 타당성을 검증한 결과이다. 수치해석으로는 중심주파수 10 GHz, 투과율 92 %였고, 제작 시편을 실험을 통해 측정한 결과 중심주파수 10 GHz, 투과율 93.2 %, 알루미늄 코팅의 면적비 55 %가 나와 설계 목표로 설정한 값을 만족하였다.

알루미늄 나노코팅 두께에 따른 방사율 특성을 분석하기 위해 제작한 시편을 fourier transform infrared spectroscopy(FT-IR; Vertex 70, Bruker) 장비를 사용하여 8 ˜ 12 um 대역의 방사율을 측정하였다. Figure 8에 제작한 시편의 방사율 측정 결과를 나타냈고, Table 4는 측정값의 평균 방사율과 표준편차를 나타냈다. 각 케이스 별 평균 방사율은 각각 폴리우레탄 표면인 case 1에서 0.67 ± 0.009, 알루미늄 코팅의 두께가 각각 5, 10, 50, 100 500 nm인 경우 0.57 ± 0.007, 0.42 ± 0.004, 0.32 ± 0.007, 0.17 ± 0.004, 0.07 ± 0.004 으로 측정되었다. 이로부터 알루미늄 나노코팅 두께에 따라 방사율이 조절되는 것을 확인하였다. 이후 방사율에 따른 적외선 신호 특성을 분석하기 위하여 case별 시편들을 100 ℃로 가열된 hot plate에 올려놓고 7.5 ˜ 14 um 대역을 측정할 수 있는 적외선 카메라(FLIR A655sc)를 이용하여 촬영하였다. 이때 낮은 적외선 신호를 가지는 배경을 모사하기 위해 방사율 0.05를 갖는 copper plate를 사용하였다. Figure 9는 적외선 카메라를 이용하여 촬영한 적외선 이미지이다. Figure 9(a)는 폴리우레탄 표면의 적외선 이미지로 면평균 겉보기 온도는 92.46 ℃로 측정되었다. Figure 9(b)는 Al으로 FSS 패턴을 나노코팅한 시편의 적외선 이미지로 면평균 겉보기 온도가 53.3 ℃로 측정되어 (a)대비 42.35 %가 감소하는 것을 확인하였다. Figure 9(c)는 case별 시편들의 적외선 이미지로 알루미늄 나노코팅 두께 증가에 따라 겉보기 온도가 76.66 ℃ ˜ 28.69 ℃로 측정되어 case 1 대비 17.08 % ˜ 68.97 % 까지 감소하는 것을 확인하였다. 결과적으로 알루미늄 나노코팅을 통해 겉보기 온도를 조절함으로써 배경과의 온도 차이를 조절할 수 있고 이를 통해 적외선 스텔스 성능을 구현할 수 있을 것으로 예측된다.