전자파/적외선 다중파장 흡수체의 설계와 초고주파 특성에 관한 연구
A Study on Design and Microwave Characteristics of a RF/IR Multispectral Absorber
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Trans Abstract
In this paper, a design for a radio frequency(RF) and infrared(IR) absorber with metasurfaces is discussed in microwave frequency bands. The RF absorber includes double layers of metasurfaces to operate in S- and X-bands. Effects of sheet resistance of the metasurfaces and thicknesses of dielectric supporting layers on reflection responses are investigated. An IR stealth layer incorporates an array of conductive grids with slits to reflect IR signals but to transmit RF signals and visible rays. Periodicity of the grids and slits is studied for transmission responses in the X-band and a surface area ratio. Reflection responses of the RF/IR multispectral absorber are found to be lower than −10 dB and −16 dB in the S- and X-bands, respectively, from full-wave simulation. Finally, the RF/IR multispectral absorber is fabricated and its reflection responses are measured to verify designed performance.
1. 서 론
스텔스 기술은 전자파 신호, 적외선 신호, 음향 신호, 시각 신호와 같은 다양한 신호로부터 아군의 항공기, 함정 및 유도무기와 같은 무기체계의 생존성을 향상시키기 위해 적의 탐지를 회피하는 기술이다. 전자파 신호와 적외선 신호를 탐지에 사용하면 함정과 항공기의 위치, 속도, 영상 등 다양한 정보를 얻을 수 있다. 한편, 탐지 수단의 다양화와 고정밀화되는 전장 상황에 따라 각각의 파장 대역을 넘어 마이크로파와 적외선, 또는 밀리미터파와 적외선 등 동시에 회피하는 스텔스 기술이 요구되고 있다[1-3]. 전자파 스텔스 기술은 반사되는 신호를 저감시키는 기술로 레이다 반사 단면적(Radar Cross Section, RCS)을 저감시키는 것이 중요하며, 적외선 스텔스 기술은 적외선 방사율을 변화시킴으로써 주변과 유사하게 위장하는 것이 중요하다. 따라서 전자파 스텔스 기술은 낮은 반사율과 높은 흡수율이 필요한 반면, 적외선 스텔스 기술은 높은 반사율과 낮은 흡수율(방사율)을 필요로 한다[1].
최근 주목받고 있는 메타물질은 스텔스 기술 분야에 응용이 가능하다[4,5]. 메타물질은 주기적으로 배열된 특정 형상을 갖는 전도성 패턴과 유전체로 구성된다[6]. 전도성 패턴과 유전체의 형상을 통해 원하는 전자기적 특성을 얻을 수 있어 얇고 가벼운 전자파 흡수체를 구현할 수 있다. 또한, 적외선 방사율을 저감시키는 메타표면을 설계하여 전자파 흡수체와 결합시키면 전자파와 적외선 신호를 동시 감쇠하는 메타구조 설계가 가능하다[1-3].
본 논문에서는 전자파/적외선 탐지 신호에 동시 대응할 수 있는 전자파/적외선 다중파장 신호 동시 감쇠를 위한 메타구조의 설계와 초고주파 특성에 대해 설명한다. 전자파 스텔스에서는 메타표면을 활용하여 S-대역과 X-대역 레이다에 대응하는 반사 성능을 갖는 흡수체를 복합재로 설계하였으며, 적외선 스텔스에서는 외부로 방사되는 복사에너지를 줄이기 위해 방사율이 낮으면서 전자파 신호는 투과하는 필름을 설계하였다. 각각 설계된 전자파 흡수체와 적외선 스텔스 필름을 결합하여 전자파/적외선 동시 감쇠 복합 스텔스 메타구조체를 설계하였다. 상용 3차원 전자기 소프트웨어와 유전 알고리즘 기법을 이용하여 설계 최적화하였으며, S-와 X-대역에서의 전자파 반사 성능을 측정하여 검증하였다.
2. 전자파/적외선 다중파장 흡수체 설계
2.1 전자파 흡수체 설계
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, Rs의 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.
RF absorber
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.
Simulated reflection for the RF absorbers of different sheet resistances of metasurface patterns
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.
Simulated reflection for the RF absorbers of different thicknesses of dielectric layers
2.2 적외선 스텔스 필름 설계
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].
IR stealth film
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.
Performance of IR stealth film
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(Rm = 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(Reff = 1-ε eff)가 90 % 이상으로 나타난다. 한편 투명 전극 소재(ITO, OMO (Oxide-Metal-Oxide) 다층박막 등)처럼 반사도(Rm)가 1이 아닐 경우, 유효 반사도는 fRm으로 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.
2.3 전자파/적외선 다중파장 흡수체
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.
Schematics of the RF/IR multispectral absorber
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.
Simulated reflection for RF/IR multispectral absorber
3. 전자파/적외선 다중파장 흡수체의 제작과 측정
전자파/적외선 다중파장 흡수체 시편을 제작하기 위해서 먼저, VBO(Vacuum Bag Only) 공정으로 30 cm × 30 cm 크기의 전자파 흡수체 시편을 제작하였다. CFRP 및 GFRP는 오토 클레이브 공정을 통해 경화된 복합재 라미네이트를 사용하였으며, 유전체는 Diab divinycell 의 폼 코어를 사용하였다. 메타표면은 폴리이미드 필름(Polyimide, PI)에 카본 페이스트를 실크스크린 기법으로 인쇄하여 제작하였다[7]. 전자파 흡수체 시편 제작에 사용된 상부와 하부 메타표면의 평균 면저항은 각각 43, 45 Ω/□이다. 한편, 적외선 스텔스 필름은 전도성 표면의 면저항이 10 Ω/□인 30 cm × 30 cm 크기의 OMO 투명전극에 격자 주기가 400 μm인 슬릿을 제작하였고, 전자파 흡수체 상부에 부착하였다(Fig. 8). Fig. 8(a)는 적외선 스텔스 필름이 부착된 전자파/적외선 다중파장 흡수체 시편의 상부면을 보여주고, Fig. 8(b)는 CFRP 반사판이 있는 시편의 하부면을 보여준다. Fig. 8(c)는 제작된 시편의 측면 이미지로, 두께는 16 mm로 측정되었다. 적외선 스텔스 필름은 수백 마이크로미터 두께로 전체 두께에 큰 영향을 주지 않는다.
Pictures of RF/IR multispectral absorber
Fig. 9는 적외선 스텔스 필름의 적외선 반사와 투과 특성을 보여준다. OMO 투명전극에 사각 격자 패턴의 주기를 300, 400 μm로 제작하면, 3∼12 μm 파장에서 적외선 반사 특성이 각각 80 %, 76 % 수준으로 높게 유지되고, 적외선 투과 성능은 크게 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이를 적용할 경우, 내부 물체에서 방출된 적외선이 외부로 노출되지 않으며 적외선 스텔스 필름 고유의 적외선 특성만 외부로 드러날 수 있고, 따라서 적외선 대역에 대한 위장을 구현할 수 있다.
IR stealth film
제작된 전자파/적외선 다중파장 흡수체 시편의 전자파 반사 성능은 파동에너지극한제어연구단에서 보유 중인 NRL(Naval Research Laboratory) Arch 측정 시스템으로 측정하였다(Fig. 10(a)). NRL Arch 측정 시스템은 아치형 프레임에 2개의 광대역 혼 안테나가 설치되어 있는 구조로, 안테나 1에서 전자파를 송신하면 시편에서 반사되는 신호를 안테나 2에서 수신하여 전자파 반사 성능을 측정하였다. 안테나 1과 안테나 2의 간섭을 방지하기 위해 입사각과 반사각은 시편 수직선 기준 10°로 설정하였다.
(a) NRL Arch measurement system and (b) measured reflection responses for the RF absorber and the RF/IR multispectral absorber
Fig. 10(b)는 전자파 반사 성능을 측정한 결과를 보여준다. 먼저, 전자파 흡수체 시편은 S-와 X-대역에서 각각 −12.2 dB, −11.7 dB 이하로 측정되었다. 반사 성능이 최저가 되는 주파수는 각각 3 GHz, 10 GHz이며, 시뮬레이션 결과(Fig. 7)인 2.6 GHz, 9.8 GHz와 비교하면 각각 13 %, 2 %의 오차 범위에서 유사함을 확인하였다. 전자파/적외선 다중파장 흡수체 시편의 전자파 반사 성능은 전자파 흡수체 시편의 성능과 전체적으로 유사하게 측정되었으나, X-대역에서 전자파 반사 성능 차이가 존재한다. 그 이유는 실제 제작된 전도성 표면의 면저항 편차가 존재하고, 적외선 스텔스 필름과 전자파 흡수체 시편의 정렬 등 제작상의 오차에 의한 결과로 생각된다. 실례로, 제작된 메타표면 필름의 면저항 측정값은 약 ± 7 % 오차로 확인되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 전자파와 적외선 신호를 동시에 대응할 수 있는 전자파/적외선 다중파장 흡수체 설계와 초고주파 특성에 대해 설명하였다. 전자파 흡수체 설계를 위해 유전 알고리즘을 적용하여 최적화된 메타표면 패턴을 도출하였다. 그 후 메타표면의 면저항과 유전체의 두께에 따른 전자파 반사 성능을 확인하였고, 최적화된 전자파 흡수체 구조를 설계하였다. 그 결과 전자파 흡수체는 S-와 X-대역에서 각각 −10 dB, −16 dB 이하임을 확인하였다. 또한 적외선 반사 및 전자파 투과 성능을 갖도록 적외선 스텔스 필름을 설계하였고, 격자 주기가 400∼600 μm 범위일 때 최적의 적외선 반사 및 92 % 이상의 전자파 투과 성능을 구현하였다. 전자파/적외선 다중파장 흡수체를 구현하기 위해 전자파 흡수체 상부에 격자 주기가 400 μm인 적외선 스텔스 필름을 부착하여 시편을 제작한 후 전자파 반사 성능을 측정하였다. 전자파 흡수체 시편의 전자파 반사 성능과 전자파/적외선 다중파장 흡수체 시편의 전자파 반사 성능이 유사함을 확인하였다. 이를 통해 적외선 스텔스 필름은 전자파 투과 성능을 유지하며 전자파 성능에 미치는 영향이 적음을 검증하였다. 본 연구는 향후 함정이나 항공기 등에 적용하기 위해 운용환경을 고려한 내구성 강화 설계가 필요하며, 온도, 습도, 염수분무 등의 환경시험을 수행하여 추후 내구성 확인이 필요하다.
후 기
이 연구는 LIG NEX1 산학협력 과제 지원으로 연구되었습니다.