1. 서 론
전장에서 아군 무기체계의 생존성 및 임무 성공률을 높이기 위해 각종 전자기 신호를 축소, 왜곡 하는 등의 레이다 단면적(RCS, Radar Cross Section) 저감 기술에 관한 연구가 선진국을 중심으로 지속적으로 수행되고 있다. 대표적인 RCS 저감 기술로는 임의의 방향으로부터 입사하는 전자기파에 대하여 높은 손실 특성을 갖는 물질을 통해 소멸시키는 전자기파 흡수 물질(RAM, Radar Absorbing Material)과 특정 두께 및 유전 특성을 갖는 유전체와 전도성 표면의 구성을 통해 입사 전자기파에 대한 간섭을 유도하여 특성 주파수에서 반사 손실 극대화가 가능한 공진형 전자기파 흡수 구조인 Dallenbach, Salisbury, Jaumann 흡수체 등이 응용되고 있다[1].
그러나 현재 무기체계의 레이다 저피탐 기술 대부분은 동체에 탄소 나노튜브, 금속 섬유 등 전도성 재료 또는 고분자 페라이트와 같은 자성 재료 기반의 물질이 도료, 코팅, 손실 유전체(전도성/자성, 세라믹 폴리머 복합체) 등의 형태에 집중하여 연구되고 있으며[1-4], 조종석과 같이 외부 환경으로부터 조종사를 보호하고, 가시성 확보가 담보 되어야 하는 전투기의 캐노피와 같은 투명 소재 기반의 저피탐 기술에 관한 연구는 미비하다. 특히, 군함의 함교(Bridge) 또는 항공기의 조종석(Cockpit)의 경우 선원 또는 조종사, 제어콘솔 뿐만 아니라, 해당 공간의 물리적 크기에 기인한 구조적 공진에 의한 캐비티(cavity) 효과가 전체 RCS에 무시할 수 없는 수준으로 기여함에 따라, 이를 효과적으로 축소하기 위한 관련 연구가 필요하다[5,6].
본 연구에서는 투명성을 가지며 전기 전도성을 갖는 투명 전극(TCO, Transparent Conductive Oxide)을 높은 광투과성을 갖는 기재에 코팅함으로써, 투명성과 저피탐 성능을 동시에 확보 가능한 투명 전도성 코팅체를 설계하였다.
투명전극은 태양전지, 디스플레이, 박막 저항 등 광전자 분야뿐만 아니라 건축물, 기차, 자동차 등의 창에 적용되어 에너지 효율을 개선하거나(low emissivity windows), 제상 장치(window defrosters)로 구현되는 등 넓은 분야에서 응용되고 있다. 대표적인 투명 전극으로 ITO(Indium Tin Oxide), AZO(Aluminum-doped Zinc Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide) 등이 있으며, 재료 수급의 용이성, 제조 공정(온도, 압력, 코팅 시간 등), 전기적 특성(표면저항)을 고려하여 선정한다[7,8].
투명성을 갖는 전자기 구조 설계에 관한 선행 연구들은 주파수 선택 표면구조(FSS, Frequency Selective Surface)와 결합된 Circuit-analog(CA) 흡수체 설계에 집중되어 수행되었으며, 투명전극 이외의 소재로는 금속 나노와이어(silver, copper nanowire), 탄소 나노소재(Carbon nanotube, graphene) 등을 이용한 연구가 시도되었다[9-12]. 그러나 선행 연구 대부분은 전자기 성능과 함께 광학적 특성 또한 중요하게 다뤄져야 함에도 불구하고 투명성만을 강조할 뿐, 투명 코팅체에 대한 복합적인 성능 평가 및 분석에 관한 연구는 미미하다.
본 논문에서는 외부로부터 입사하는 전자기파의 투과를 막음으로써 캐비티 공진을 원천적으로 차단하기 위한 단면 코팅 구조와 추가적인 흡수성능 구현을 통해 RCS 저감 성능 극대화가 가능한 양면 코팅 구조를 설계, 제작하였다. 투명 전도성 코팅체의 전파 반사, 투과, 흡수 등의 전자기 성능과 가시성을 확보하기 위한 광투과율과의 관계를 분석하고, 성능지수(FOM, Figure of Merit)을 통해 정량적 성능을 평가하였다.
2. 투명 전도성 코팅체의 전자기, 광학 성능 설계
2.1 투명 전도성 코팅체의 전파 투과/흡수 성능
군함의 함교, 전투기의 조종석 등은 무기체계의 효율적인 운용과 외부환경의 변화, 오염으로부터 아군 또는 중요 시스템을 보호하기 위해 투명성이 확보된 고강도 유리, 아크릴 등의 소재가 적용되고 있다. 이러한 투명성이 요구되는 소재에 RCS 저감 기능을 부여하기 위해선, 외부로부터 입사하는 전자기파에 의한 캐비티 공진, 내부로부터의 전자기파 누설 등을 차단하기 위한 낮은 표면저항 특성의 전도성 층 도입이 필요하며, 투명한 기재 한 면에 투명전극이 코팅된 단면 코팅 구조가 대안될 수 있다. 이후, 추가적인 고 저항 코팅 층을 도입함으로써 Salisbury screen과 같은 전자기파 흡수 성능을 구현할 수 있으며, 이를 통해 다른 방향으로 산란하는 전자기파를 축소할 수 있다.
본 연구에서는 투명 전도성 코팅체를 낮은 면저항 구현이 용이하고, 높은 광투과율 특성 확보가 가능한 ITO를 이용하여 Acrylic 기판에 구현하였으며, 단면/양면으로 코팅된 투명 코팅구조를 Fig. 1(a) 그 때의 등가회로를 Fig. 1(b)에 나타내었다. 기판의 유전상수는 150 mm × 150 mm × 10.5 mm 크기를 가진 Acrylic 기판에 대하여 자유공간측정법 기반 X-band(8.2-12.4 GHz) 전파 투과/반사 특성 측정 시스템을 이용하여 도출하였다. 측정결과를 바탕으로, 시뮬레이션에 반영한 유전율과 유전손실 특성은 평균치인 εr = 2.48, tanδ = 0.0052를 적용하였다.
투명 전도성 코팅체의 전파 투과특성은 코팅되는 전도막의 표면저항과 비례관계에 있으며, 전파 흡수 특성은 흡수대역 중심주파수의 1/4 파장 두께를 갖는 간격재(spacer), 고저항면과 저저항면을 함께 구성함으로써 구현이 가능하다. Fig. 1(b)에 나타낸 등가회로로부터 투과특성은 저저항면의 어드미턴스 Yres2가, 전파 흡수특성은 고저항면의 어드미턴스 Yres1가 주요한 영향을 주는 변수로 작용한다. 최적의 흡수특성을 구현하기 위한 조건을 분석하기 위해, 등가모델로부터 ABCD matrix는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있으며, 반사계수는 식 (2)를 통해 계산할 수 있다.
특정 주파수 대역에서 완전 흡수 조건(|S11| = 0)이 되기 위한 고저항면의 어드미턴스 특성을 얻기 위해, 고저항면의 어드미턴스를 Yres1 = Gres1(purely conductance), 저저항면은 전반사를 가정(Yres1 → ∞) 그리고 간격재를 자유공간의 특성 임피던스와 동일하게 Yd = Y0 = 1/120π으로 가정하면, 완전 흡수성능(Perfect absorption condition)을 구현하기 위한 고저항면의 어드미턴스는 식 (3)와 같은 관계를 갖는다.
식 (3)으로부터, 완전 흡수성능을 구현하기 위한 조건으로 흡수성능을 결정하는 고저항면의 실수부는 자유공간의 특성 어드미턴스를 가지며, 허수부는 간격재의 두께가 1/4 파장의 홀수배(odd multiples) 관계에 있을 때, 최대 흡수성능을 갖는 공진을 유도할 수 있음을 알 수 있다.
본 연구에서는 투명 전도성 코팅체의 적용 플랫폼을 고려하여, 단면 코팅 구조는 두께 10 mm, 양면 코팅 구조는 흡수성능을 구현을 위해 두께 22.5 mm로 가정하였으며, ITO가 코팅된 투명체의 전파 투과/흡수특성 성능 분석을 위해 표면저항 변화와 입사파의 편파(TE, TM) 및 입사각(0-45°) 변화에 따른 X-band에서 평균 전파 투과/흡수 특성을 관찰하고, 그 결과를 Fig. 2(a)-(d)에 나타내었다. 평균 전파 투과율 Ptras, 전파 흡수율 Pabs은 식 (4), (5)을 통해 계산하였다(N 은 관심 주파수 대역의 point 개수, 8.2 GHz ≦ fn ≦ 12.4 GHz).
외부로부터 입사하는 전자기파의 90 % 차단 성능 구현을 목표로, 10 T 단면 코팅 구조의 경우 저저항면의 표면저항 60 Ω/sq 이하일 때(TM 45°), 양면 코팅의 구조의 경우, 고저항면의 표면저항을 360 Ω/sq으로 가정하면 저저항면의 표면저항 90 Ω/sq 이하 일 때(TM 45°), 10 %로 이하의 평균 전파 투과율을 가짐을 알 수 있으며, 동일한 조건에서 편파 및 입사각이 변화함(TE, TM 0-45°)에 따라 단면 코팅 구조는 34.6-46.1 %, 양면 코팅 구조는 57.2-68.4 %의 평균 전파 흡수율을 가짐을 확인하였다.
2.1.1 전자기 성능 평가 방법
투명 전도막이 코팅된 코팅체의 전파 투과/흡수 특성은 자유공간측정법(FSM, Free-Space Measurement)을 이용하였으며, 두 개의 독립적인 혼 안테나, 벡터 네트워크 분석기(VNA, Vector Network Analyzer)와 회절 등의 시편의 모서리 효과를 축소하기 위해 전파 흡수체가 부착된 기구와 함께 구성하여, 송신 안테나로부터 인가되는 입력 전력 대비, 시편을 통해 수신되는 수신 전력과의 전달 특성을 측정하는 방식으로 성능을 평가하였다.
투명 전도성 코팅체의 제작 및 성능 분석
3.1 투명 코팅체 제작 및 전자기적, 광학적 특성 측정
앞서의 해석 결과를 바탕으로, 투명 전도성 코팅체의 전자기 성능과 광학적 성능과의 관계를 측정 실험을 통해 분석하기 위해 투명 전도막이 코팅된 평판 시편을 제작하였다.
투명 전도성 코팅체의 전도막은 제작 환경을 고려하여 저저항면의 면저항 특성은 50 Ω/sq 이하로, 고저항면의 면저항은 100∼600 Ω/sq 범위 내 구현을 목표로 진공증착 공정인 DC-pulse 마그네트론 스퍼터링 공법을 적용하였다. 투명 전도막 코팅에서 투명산화물은 배치형 스퍼터링 시스템을 이용, 장입되는 아르곤과 산소 가스 비율, 스퍼터링 파워, 증착시간 등을 최적화하였으며, 스퍼터링 시스템을 Fig. 5에 나타내었다.
평판형 단면/양면 투명 전도성 코팅체는 제작 및 전자기 성능 측정 환경을 고려하여 크기 150 mm × 150 mm으로 제작되었으며, 제작된 코팅체의 외형을 Fig. 6에, 두께, 표면저항(Rs), 광투과율(T.T) 및 Haze 등의 제원을 Table 1에 나타내었다.
Table 1.
Electrical, optical characteristics of the fabricated ITO coated structures
코팅된 전도막의 표면저항은 4-point probe 표면 저항 측정기기기를 이용하였으며, ASTM F1711-9a 평가 방법을 기반으로 측정 프로브를 시편의 중심을 기점으로 5회 측정하였으며, 모서리효과에 의한 측정 오차를 축소하기 위해, 모서리로부터 2 cm 이격된 위치에서 측정 후, 평균값을 도출하였다. 코팅된 ITO 층의 두께는 저저항 박막의 경우 130 nm ∼ 170 nm 정도이며, 고저항 코팅층의 두께는 70 nm ∼ 80 nm의 정도이다. 코팅층의 광투과율과 Haze는 Fig. 4에 제시된 Hazemeter를 이용하였으며, 해당기기는 ASTM D1003 평가법에 기반하여 400 nm ∼ 700 nm의 영역에서의 평균값을 제시한다.
제작된 투명 전도성 코팅체에 대하여 입사파의 편파(TE, TM), 입사각(0-30°) 변화에 따라 8-12 GHz 대역에 대하여 전파 투과/흡수 특성을 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 7(a)-(f)에 나타내었다.
측정 결과로부터, 전파 투과율은 단면/양면 코팅 구조 모두 수직 입사 조건에서 최대 2.01 % 이하로, 경사 입사조건에서는 최대 2.59 % 이하의 투과율을 보임을 확인하였으며, 전파 흡수특성의 경우, 수직 입사 조건에서 단면 코팅 구조는 최대 32.3 %(12 GHz), 양면 코팅 구조는 최대 98.1 %(10.1 GHz), 경사 입사 조건에서 단면 코팅 구조는 최대 30.4 %(12 GHz)를, 양면 코팅 구조는 최대 98.3 %(10.6 GHz)를 가짐을 확인하였다.
Dallenbach 흡수체 구조와 유사한 구성의 단면 코팅 구조의 경우, 양면 코팅 구조 대비 낮은 흡수성능을 보이는데, 이는 높은 유전율(εr = 10)을 갖는 유전체를 통해 약 90 %의 흡수성능 구현이 가능하나 두께 2-3 mm의 얇은 두께가 요구되며 물리적 내구성을 보장할 수 없다. 따라서 충분한 두께를 통해 내구성을 확보하고 개선된 흡수성능을 갖는 구조를 설계하기 위해선 Salisbury 흡수체 구조인 양면 전도성 코팅 도입이 필요함을 알 수 있다.
3.2 투명 코팅체의 전자기적, 광학적 특성 분석
제작된 투명 전도성 코팅체의 전자기적, 광학적 특성을 함께 복합적으로 평가하기 위해, 투명 코팅체의 광투과율과 코팅 층의 면저항으로 구성되어 정량적 성능을 평가하는 지표로 잘 알려진 Iles and Soclof 기반 성능지수(FOM, Figure of Merit) 계산법으로부터[13], 가시광 투과율(Toptic) 특성이 높은 가중치를 갖고, 전파 투과율 특성(Trf)을 반영하도록 수정된 식 (6)을 통해 성능을 비교 하고 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다.
Fig. 8.
FOM of an electromagnetic and optical characteristics in ITO single, double side coated structures
Fig. 8은 제작한 투명 코팅체들의 전자기적, 광학적 특성 결과에 대한 성능지수(FOM)을 나타낸 것으로, 광투과율이 높을수록 그리고 전파 투과율이 낮을수록 커지는 성능지수의 특성을 확인할 수 있다. 측정 결과로부터 단면 보다 다층의 ITO 층이 코팅된 양면 코팅 구조의 광투과율 낮아짐에 따라 성능지수가 낮게 나타남을 확인할 수 있다. 이를 통해 전자기 성능과 광학적 성능은 반비례 관계에 있으며, 적용하고자 하는 대상과 환경을 고려하여 RCS 저감 성능, 가시광 투과율 및 Haze 특성 간의 트레이드오프(trade-off) 설계가 필요함을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 임의의 방향으로부터 입사하는 전자기파에 의해 탐지확률을 높이는 군함의 함교, 항공기의 조종석 등 구조적 공진(cavity)을 억제하고, 내부로부터의 전자파 누설을 저감시키기 위해 X-band에 대하여 전파를 차단/흡수하는 등의 RCS 저감 기능을 갖는 투명 전도성 코팅체를 설계, 제작하고, 측정 실험을 통해 전자기적, 광학적 성능을 분석하였다. 투명성만을 강조하는 선행 연구들과 달리, 단면/양면 코팅 구조의 전파 반사, 투과, 흡수 등의 전자기 성능과 가시성을 확보하기 위한 광투과율과의 관계를 분석하고, 성능지수(FOM, Figure of Merit)을 통해 정량적 성능을 평가하였다.
본 연구를 통해 투명성이 요구되는 소재의 피탐지 대책에 대응이 가능하며, 투명 전도성 코팅체의 설계 결과를 바탕으로 반사파 감소 형상 설계를 통한 구조적 형상에 코팅 기술 적용함으로써 저피탐 성능을 극대화하는 데 기여할 수 있을 것으로 예상된다.
추후, 탐지 레이다 신호로부터 반사를 최소화하기 위한 형상 설계에 코팅 기술을 적용하고, 개선된 성능 설계 및 효과에 대한 분석 연구를 수행할 예정이다.
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