전자파 흡수 성능을 갖는 전자파 흡수체는 픽셀 기반의 메타표면을 설계하여 구현하였다. 수직 편파와 수평 편파의 균일한 성능을 갖도록 하기 위해 대칭구조의 메타표면 패턴을 설계하였고, 설계 형상을 최적화하기 위해 유전 알고리즘 기법을 이용하였다^[7,8]. 전자파 흡수체의 기본구조는 Fig. 1(a)와 같다. 이중대역(S-와 X-대역)에서 전자파 반사율이 낮아지도록 설계하기 위해 이중 층의 메타표면이 삽입된 구조로 설정하였다. 구체적으로 설명하면 가장 아래층에 두께 1 mm 의 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)를 반사판으로 사용하였고 CFRP 위에 두께 6 mm의 폼 코어 유전체 1, 하부 메타표면, 두께 6 mm의 폼 코어 유전체 2, 상부 메타표면과 두께 2 mm의 폼 코어 유전체 3을 순서대로 적층하고 가장 위에 보호층으로 두께 1 mm 의 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)가 위치한다. 전자파 흡수체의 전체 두께 초기치는 설계 최저 주파수(2 GHz)에서의 0.1 파장으로 하였으며, 각 유전체층의 두께 영향성을 최적화하여 위와 같은 결과를 도출하였다. 단, CFRP 반사판의 두께는 설계해석 시에는 완전도체를 가정하여 무시하였으나, 시편 제작 시에는 1 mm 소재를 선정하였다. 설계에 사용된 폼 코어와 GFRP의 유전율은 10 GHz에서 각각 1.09-j0.001와 4.5-j0.05이다. Fig. 1(b)는 설계하는 전자파 흡수체의 수치해석을 위한 모델 형상을 보여준다. 메타표면의 전도성 픽셀은 높은 저항 손실을 갖는 카본 페이스트를 적용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 카본 페이스트의 면저항, R_s의 설계 기준 값은 40 Ω/□로 설정하였다. 단위셀을 구성하는 픽셀의 크기는 1 mm × 1 mm 이며, 단위셀의 크기는 21 mm × 21 mm이다. 시뮬레이션은 유한요소법(Finite Element Method, FEM) 기반의 COMSOL을 사용하여 수행하였다. 맨 아랫면을 반사판(Perfect Electric Conductor, PEC)으로 설정하고, Fig. 1(a)와 같이 유전체/메타표면/유전체/메타표면/유전체/보호층 순으로 상부에 적층하였다. 경계조건으로는 단위셀이 x, y 방향으로 주기적으로 반복되는 주기 구조 경계조건으로 설정하였다.

유전 알고리즘을 통해 S-와 X-대역에서 메타표면 패턴을 최적화한 후, 메타표면의 면저항에 따른 전자파 반사 성능을 확인하였다(Fig. 2). 면저항은 30∼60 Ω/□에 대해서 해석을 수행하였다. 면저항이 증가할수록 S-대역에서 반사 성능이 최저가 되는 주파수는 2.2 GHz 에서 3.2 GHz로 이동하며, X-대역에서는 10.2 GHz에서 9.6 GHz로 이동한다. S-대역에서 면저항이 30 Ω/□인 경우에는 2∼3 GH에서, 50, 60 Ω/□인 경우에는 2.2∼4 GHz에서 전자파 반사 성능이 저감된다. 따라서, 면저항 40 Ω/□인 조건으로 S-와 X-대역에서 전자파 반사율이 낮은 것을 알 수 있다.

메타표면 패턴의 면저항을 40 Ω/□으로 고정한 후, 폼 코어 1과 폼 코어 2의 두께를 변화시켜 유전체인 폼 코어의 두께에 따른 전자파 반사 성능을 확인하였다(Fig. 3). 전자파 흡수체의 전체 두께를 유지하기 위해 폼 코어 1과 폼 코어 2의 두께의 합은 12 mm 로 동일하게 설정하였다. 폼 코어 2의 두께가 10 mm 에서 4 mm로 감소하고 폼 코어 1의 두께가 2 mm에서 8 mm로 증가할수록 반사 성능이 최저가 되는 주파수는 3.2 GHz에서 2.2 GHz로 이동하며, S-대역에서 전체적으로 반사 성능이 감소하는 반면, X-대역에서는 10 GHz 부근에서 반사 성능이 향상된다. 폼 코어 1과 폼 코어 2의 두께가 각각 6 mm, 6 mm 일 때 S-와 X-대역에서 성능이 우수하였고, 시편 제작성을 고려하여 두 폼 코어 층의 두께가 동일한 6 mm, 6 mm를 선정하였다.

적외선 신호의 세기는 온도와 방사율 같은 물체 표면 특성에 의해 결정되므로 적외선 스텔스 필름은 다중대역 전자파 흡수체의 최외곽에 위치한다. 구조적으로 하부에 놓인 전자파 흡수체의 기능을 방해하지 않으면서 적외선 스텔스 기능을 구현하기 위해, 적외선 스텔스 필름에는 적외선 반사 및 전자파 투과 특성이 요구된다(Fig. 4(a)). 이러한 저주파 투과(Low pass) 특성은 주파수 선택 표면(Frequency Selective Surface, FSS) 설계에 기반하여 전도성 패턴으로 구현할 수 있다^[9,10].

적외선 스텔스 필름 설계를 위해 전도성 표면의 사각 격자 패턴에 대한 FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 전자파 시뮬레이션을 수행하였다(Fig. 4(b)). 이때 슬릿 폭은 20 μm이고, 패턴 주기는 100∼1000 μm 로 설정했다. 구조 파라미터의 범위는 레이저 및 기계적 커팅 장비로 구현 가능한 수준으로 설정했으며, 동시에 저주파 투과 필터의 차단 주파수(cutoff frequency)가 목표 적외선 대역과 목표 RF 대역 사이에 위치하도록 설정했다. 유사 구조에 대한 선행연구^[11]를 통해 차단 주파수를 계산한 결과, 설정한 구조 범위에서 차단 주파수가 적외선과 RF 대역 사이에 놓이는 것으로 나타났다. 전도성 표면의 면저항은 10 Ω/□으로 설정했으며, 이는 ITO(Indium Tin Oxide) 기준 수백 나노미터의 유효 두께 또는 Ag 기준 수 나노미터의 유효 두께에 해당한다.

Fig. 5(a)의 FDTD 시뮬레이션 결과를 통해 적외선 스텔스 패턴의 높은 전자파 투과 성능을 확인하였다. 설정한 면저항(10 Ω/□) 및 슬릿 폭(20 μm) 기준, 격자 주기가 600 μm 이하일 때 X-대역 투과도가 98 % 이상으로 나타났다. 격자 주기가 1000 μm일 때도 X-대역 투과도는 92 % 이상으로 상당히 높은 것으로 확인되었다.

적외선 반사 성능의 경우, 표면 유효 방사율(ε _eff) 계산을 통해 확인할 수 있다. 패턴 크기가 적외선 파장보다 충분히 클 때, 표면 유효 방사율은 전도성 표면의 방사율(ε _m)과 면적 비율(f)에 의해 다음과 같이 정리된다^[9].

여기서 ε _d는 기판(또는 전도성 패턴 사이)의 방사율을 의미한다. 장파 적외선(Long Wave Infrared, LWIR) 대역에서 기판 물질(glass, quartz, polymer 등)의 방사율이 ε _d = 1일 때, 표면 유효 방사율은 ε _eff = 1-(1-ε _m) f 로 나타난다. 일반적인 금속(Ag, Al, Au 등)처럼 전도성 표면의 반사도(R_m = 1-ε _m)가 1인 경우, 표면 유효 방사율은 ε _eff = 1-f 로 간단히 정리된다. 이를 고려하여 Fig. 5(b)의 면적 비율 결과(막대그래프 내부의 숫자는 면적 비율 값을 의미)를 고려하면, 격자 주기가 400 μm 이상일 때 적외선 유효 반사도(R_eff = 1-ε _eff)가 90 % 이상으로 나타난다. 한편 투명 전극 소재(ITO, OMO (Oxide-Metal-Oxide) 다층박막 등)처럼 반사도(R_m)가 1이 아닐 경우, 유효 반사도는 fR_m으로 계산할 수 있다. 적외선 스텔스 설계에 사용된 OMO 투명전극은 IR 반사도가 0.9로 격자 주기가 400 μm 이상일 때 80 % 이상의 유효 반사도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

위 결과를 종합하면 격자 주기에 따라 적외선과 전자파 대역 스텔스 성능 사이 상충 관계가 존재하며, 격자 주기가 400∼600 μm 범위일 때 최적의 적외선 반사 및 전자파 투과 성능을 구현하는 것으로 나타났다. 격자 주기, 슬릿 폭, 전도성 물성에 따라 구체적인 수치는 달라질 수 있으며 목표 스텔스 성능에 따라 위 방법론을 통해 적절한 설계치를 구할 수 있다.

전자파/적외선 다중파장 흡수체는 전자파와 적외선 다중파장 신호에 대해 동시 감쇠 성능을 갖도록 전자파 흡수체 상부에 적외선 스텔스 필름을 위치하였다. 전자파 흡수체와 적외선 스텔스 필름은 각각 위에서 설계된 값을 사용하였다. 전자파/적외선 다중파장 흡수체의 구조는 Fig. 6과 같다. 전자파 흡수체의 메타표면 면저항은 앞서 선정한 40 Ω/□, 유전체의 두께는 폼 코어 1과 2 모두 6 mm로 설정하였다. 적외선 스텔스 필름의 격자 주기는 400 μm로 하였고 COMSOL을 이용하여 해석을 수행하였다.

전자파/적외선 다중파장 흡수체의 전자파 반사 성능 시뮬레이션 결과는 Fig. 7과 같다. 전자파/적외선 다중파장 흡수체의 시뮬레이션 결과와 전자파 흡수체의 시뮬레이션 결과 모두 S-와 X-대역에서 반사 성능이 −10 dB 이하임을 확인하였다. S-와 X-대역에서 전자파 흡수체의 전자파 반사 성능이 최저가 되는 주파수는 각각 2.6 GHz와 9.8 GHz (검은 네모)이고, 전자파/적외선 다중파장 흡수체의 전자파 반사 성능이 최저가 되는 주파수는 각각 2.6 GHz와 10 GHz (빨간 원)이므로 유사한 전자파 반사 성능이 해석되었다. 적외선 스텔스 필름이 전자파 투과 성능을 갖기 때문에 전자파 흡수체에 부착되었을 때 적외선 스텔스 필름의 유무가 전자파 반사 성능에 크게 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다.