1. 서 론

스텔스 기술이란 광학(optical), 음향(sound), 전자기(electromagnetic) 등 타겟에서 발생할 수 있는 신호를 최소화하여 적에게 탐지될 가능성을 감소시키는 기술이다[1]. 현대 무기 체계는 전자 장비가 접목되어 전자화됨에 따라, 적의 레이더에 탐지될 가능성을 줄이는 스텔스(stealth) 기술 개발이 중요해지고 있다[2]. 그 중에서 전자기파에 의한 탐지 방법이 원거리에서 효과적으로 탐지가 가능하기 때문에, 전자기파에 의한 탐지 가능성을 최소화하는 것은 매우 중요하다[3]. 이러한 탐지 가능성을 낮추기 위해서는 레이더에서 송출된 전자기파가 대상체에 맞고 되돌아가는 에너지의 양을 면적으로 나타낸 레이더 탐지 면적(radar cross section, RCS)을 감소시켜야 한다. 대표적인 스텔스 기술에는 비행체에 입사된 전자기파가 원래의 위치로 돌아가지 않도록 반사각을 제어하는 형상 설계(shaping design) 방법이 있다. 그러나 이러한 방법은 비행체의 비행 성능과 설계상의 제약 조건에 의해 레이더 탐지 면적을 일정 크기 이하로 감소시키는데 한계가 있다. 그렇기에 현재에는 비행체의 구조적인 하중을 지지하고, 동시에 입사되는 전자기파를 흡수하는 기능을 가진 전파 흡수 구조(radar absorbing structure, RAS)와 전파 흡수 성능을 가진 재료를 표면에 도포하여 스텔스 성능을 구현하는 전파 흡수 재료(radar absorbing material, RAM)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[4].

일반적으로 많이 사용되는 전파 흡수 구조는 낮은 내열성으로 인해 비행체 배기구 영역 및 주변부 등의 고온 환경 영역 적용에 어렵다. 하지만 레이더 탐지 기술이 발전함에 따라 비행체의 생존성 향상 및 임무 효율 극대화를 위해서는 고온 환경에서도 사용 가능한 전파 흡수 기능 개발이 요구되고 있으며, 이에 최근에는 고온 환경에 적용될 수 있는 세라믹 기반의 전파 흡수 재료에 대한 연구가 많이 진행되고 있다[5,6,7].

고온 환경에서 사용 가능한 전파 흡수 소재 개발을 위해서는 전파 흡수 소재의 온도에　따른 전자기 성능 데이터를 정량적으로 측정하는 방법이 중요하다. Choi 등과 Jang 등은 퍼니스(furnace)를 이용하여 고온 환경을 모사하였으며, 자유 공간 측정 방법을 통해 전파 흡수 소재의 온도에 따른 전자기 성능을 측정하였다[8,9]. 이러한 고온 환경 모사 장치는 목표 온도 도달 후, 장시간 온도 유지가 가능하여 온도에 의한 오차를 감소시킬 수 있다. 그러나 온도 상승률이 최대 수십 ℃/min 으로 낮은 승온 속도를 가지며, 안테나와 측정 시편 사이에 공기 이외의 매질이 존재하여 별도의 데이터 보정 작업이 필요하다. 따라서 이 연구에서는 실제 급속 가열되는 고온 환경을 모사할 수 있는 가열 장치를 개발하고, 개발된 장치와 전자기 측정 시스템을 접목하여 가열 및 측정이 별도의 데이터 보정 작업 없이 원활하게 이루어질 수 있는 고온 환경 전자기 성능 평가 시설을 구축하려 한다.

2. 플라즈마를 활용한 고온 전자기 평가 장치 개발

2.1 고온 환경 전자기 성능 평가 장치 개발

고온 환경 구현을 위한 급속 고온 가열 방식 중에서 일반적으로 많이 사용되는 방식은 가스 토치(gas torch)를 활용한 연소 가열 방식이다. 가스 토치 방식은 연소 과정에서 다양한 오염 물질이 발생하고, 폭발의 위험성이 있어 실험실 규모에서 사용하기에 어려움이 있다. 이러한 단점을 극복하고 실제 급속 고온 환경을 모사하기 위해 고온 가열 방식의 플라즈마 가열 방식을 선정하였다. 실험 장치에 사용된 플라즈마는 열 플라즈마 종류 중에서 상대적으로 간소화된 시스템으로 높은 열효율을 가지는 아크 플라즈마를 사용하였다.

아크 플라즈마는 아크의 방전 형태에 따라 이송식(transferred) 아크 플라즈마와 비이송식(non-tramsferred) 아크 플라즈마로 구분된다. 이송식 아크 플라즈마의 특징은 Fig. 1(a)와 같이 반응기 내부 전극과 반응기 외부에 위치한 가열 시편 사이에서 아크가 형성된다. 가열 시편을 전극으로 사용하기 때문에 시편 재질이 금속으로 제한된다는 단점이 있다. 반면, 비이송식 아크 플라즈마는 Fig. 1(b)와 같이 반응기 내부의 두 전극 사이에서 아크가 생성되며, 제트 형태로 플룸(plume)이 분출된다. 따라서 이 연구에서는 금속 및 비금속 재료의 시편에 대해 균일하게 가열하기 위해 비이송식 아크 플라즈마 개념을 적용하여 반응기를 설계하였다.

Fig. 1.

(a) Transferred arc torch, (b) non-transferred arc torch.

비이송식 아크 플라즈마는 전극의 형상에 따라 원추형 전극(conical electrode)과 공동형 전극(hollow electrode)으로 구분된다. 원추형 전극은 Fig. 2(a)와 같이 반응기 중심부에 위치한 원추형 전극과 반응기 외벽에서 최초 아크가 형성된다. 이러한 전극 형상은 원추형 끝단에 아크점이 고정되어 전극의 마모가 상승하여 반응기의 수명이 감소된다. 공동형 전극 형상은 Fig. 2(b)와 같이 원통형 모양의 두 전극 사이에서 최초 아크가 형성되며, 스월(swirl) 형태로 공급되는 방전 기체를 통해 아크점 양쪽을 회전시켜 전극의 마모를 최소화할 수 있다. 반응기의 내구성 향상과 장시간 안정적인 가열을 위해 공동형 형태의 전극이 적용된 반응기를 제작하였다.

Fig. 2.

(a) Conical electrode, (b) hollow electrode.

Fig. 3은 제작된 비이송식 공동형 아크 플라즈마 반응기이다. 방전 기체는 질소(N2)를 사용하며, 1차 방전 기체 공급부와 2차 방전 기체 공급부로 나누어 스월 형태로 공급되도록 제작하였다.

Fig. 3.

Non-transferred hollow arc plasma reactor.

1차 방전 기체 공급부는 높은 전력에서 안정적으로 반응기가 작동할 수 있도록 아크의 길이를 반응기 상하류로 신장시키며, 동시에 아크 방전을 위한 방전 기체 역할을 한다. 2차 방전 기체 공급부는 반응기 상류에 위치한 아크점의 스월 유동을 원활하게 하여 전극의 마모를 최소화하는 목적으로 사용된다. Fig. 4는 고온 환경 전자기 성능 평가 장치에서 고온 환경 모사 장치 부분의 개념도이다. 이 장치는 외부로의 열 발산을 억제하고 사용자의 안전을 위해 후드 내부에 반응기가 탑재되어 시편 가열이 진행된다. 장치의 외부는 투명창이 존재하여 내부에서 가열되는 시편의 상태를 육안으로 확인할 수 있다. 또한, 시편 가열 위치에서 전자기 성능 평가 위치로 이동이 용이하도록 시편홀더 하단에 레일을 설치하였으며, 가열 후드 측면이 개방되는 형태로 제작하였다. 아크 플라즈마 반응기를 고정하는 지그와 시편 홀더는 2축 위치 조절 기능을 적용하여 위치를 쉽게 조절할 수 있게 제작하였다.

Fig. 4.

Experimental set-up for high temperature test.

전자기 성능 측정 시스템은 측정 시편의 가공 및 온도에 따른 측정이 용이한 자유 공간 측정 방법을 사용하였다. 자유 공간 측정 방법은 전파가 자유 공간 경로를 통과하면서 얻어지는 신호를 네트워크 분석기를 통해 분석하여 시편의 전자기적 특성을 측정하는 방법이다. 전자기 성능 측정 시스템은 Fig. 5와 같이 듀얼 포트 신호를 통해 소재의 전자기 특성 및 반사 손실을 반복적으로 측정할 수 있도록 제작하였다. 안테나는 ANTERAL사의 LHA-F 계열의 포커싱 혼 렌즈 안테나를 사용하였으며, 시편의 표면에서 평면파(plane wave)가 구현되도록 하였다.

Fig. 5.

Free space measurement system.

Fig. 6은 제작된 고온 환경 모사 실험 장치와 전자기 성능 측정 시스템을 통합한 고온 환경 전자기 성능 평가 장치의 개략도이다. 아크 플라즈마 반응기에 공급되는 방전 기체는 질량 유량 컨트롤러를 사용하여 유량을 균일하게 공급 및 제어할 수 있다. 실험자의 안전을 위해 원거리 제어장치를 이용하여 아크 방전 및 장치 가동 제어가 가능하도록 장치를 구성하였다. 또한, 아크 플라즈마 반응기의 과열을 방지하기 위해 반응기에서 배출되는 냉각수의 온도를 실시간으로 측정할 수 있게 제작되었다. 전파 흡수 재료는 플라즈마를 이용하여 가열 후, 레일을 통해 전자기 성능 측정 위치로 이동되어 상온에서 냉각되는 동안 온도에 따른 전자기 성능을 측정하는 단계로 진행된다.

Fig. 6.

High temperature electromagnetic perfor mance evaluation facility.

2.2 가열 시편 온도 측정 방법

제작된 고온 환경 전자기 성능 평가 장치를 통해 시편 가열 시, 시편의 재질에 따라 열전대(thermocouple) 및 적외선 카메라를 사용하여 시편의 온도를 측정하였다. 사용된 열전대는 고온에서 장시간 사용에 안정적이고, 산화에 우수한 저항력을 가진 N-Type 열전대를 사용하였다. 열전대를 통한 시편의 가열 데이터는 GRAPHTEC사의 GL840 data logger를 통해 기록하였다. 적외선 카메라는 FLIR사의 A700 적외선 카메라를 사용하였다. 시편의 재질이 금속인 시편의 경우, 시편 내부에 홀 가공을 하여 시편 내부로 열전대를 삽입하여 가열 시편의 온도를 측정하였다. 홀 가공이 어려운 세라믹 또는 복합재 등의 시편의 경우, 적외선 카메라를 통해 시편의 온도를 측정하였다.

3. 고온 환경 전자기 성능 평가

3.1 가열 특성 평가

제작된 고온 환경 전자기 성능 평가 장치의 가열 특성을 파악하기 위해 아크 플라즈마 반응기와 가열 시편 사이의 거리에 따른 온도 측정 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 시편은 SUS304 재질에 가로, 세로, 두께가 각각 170 × 170 × 8 mm 크기의 시편이 사용되었다. 실험은 아크 플라즈마 반응기와 가열 시편 사이의 거리를 7, 14, 20 cm에서 2분간 가열하였다.

Fig. 7과 같이 아크 플라즈마 반응기와 가열 시편 사이 거리 7 cm에서 약 1100℃ 이상으로 가열 되었다. 아크 플라즈마 반응기와 가열 시편 사이 거리가 감소할수록 플라즈마 플룸과 외부 공기와의 접촉이 줄어들어 시편의 최대 온도가 증가한 것으로 판단된다. 시편의 분당 승온 속도는 약 500℃/min 으로 급속 가열되었다. 평가 결과, 아크 플라즈마 반응기와 가열 시편 사이 거리 및 가열 시간 조절을 통해 가열 온도 조절이 가능한 것을 확인하였다.

Fig. 7.

Temperature of the specimen at 2 minutes according to the distance from the plasma reactor.

3.2 전파 흡수 재료의 고온 환경 전자기 성능 평가

온도에 따른 전자기 성능 평가에 사용된 시편은 SUS304 재질의 기판에 세라믹 재질의 전파 흡수 재료가 코팅된 단층형 구조의 평판 시편이 사용되었다. 시편을 목표 온도까지 가열하기 전, 안테나와 네트워크 분석기를 연결하는 동축 케이블에 대해 보정 작업을 먼저 진행하였다. 이후, 제작된 고온 환경 전자기 성능 평가 장치를 통해 Fig. 8과 같이 전파 흡수 재료에 대한 온도에 따른 전자기 성능 평가를 진행하였다. Fig. 8(a)과 같이 시편을 가열 위치에 고정시킨 후, 목표 온도 도달을 위해 아크 플라즈마 반응기와 가열 시편 사이의 거리를 조절하였다. Fig. 8(b)과 같이 시편을 목표 온도까지 급속 가열시킨 후, 2축 위치 조절 기능이 적용된 시편 홀더를 Fig. 8(d)과 같이 전자기 성능 측정 위치로 이동시켰다. 이후, 가열 시편을 상온에서 냉각시키면서 400℃, 300℃, 200℃, 100℃, 25℃의 온도에서 전자기 성능을 측정하였다. 급속 가열 직후, 적외선 카메라를 통해 특정 주파수의 안테나 빔 초점 영역 내에서의 온도 구배를 확인하였다. 최대 온도 420℃, 최소 온도 400℃로 측정되었으며, 급속 가열로 인한 온도 구배는 약 20℃로 크지 않음을 확인하였다.

Fig. 8.

High temperature electromagnetic perfor mance evaluation method.

Fig. 9는 전파 흡수 재료의 온도에 따른 반사 손실 결과이며, 이 때 동시에 측정된 온도에 따른 특정 주파수에서의 유전율을 Fig. 10에 나타내었다. 또한, Fig. 10의 검정색 선은 특정 주파수에서 반사 손실이 최대가 되도록 하는 이상적인 유전율 값을 계산하여 나타낸 무반사 곡선이다. Fig. 9와 Fig. 10에서의 측정 결과를 Table 1에 정리하였다. Fig. 9의 반사 손실 측정 결과, 400℃에서 100℃까지 온도가 감소할수록 반사 손실이 증가하였으며, 100℃에서 상온으로 갈수록 반사 손실이 감소하였다. Fig. 10의 유전율 결과는 400℃에서 상온으로 냉각될수록 특정 주파수에서 유전율의 실수부 및 허수부가 감소하였다. 온도가 높을수록 유전율이 증가하는 이유는 선행 논문 사례를 통해 고온에서 전자의 이동이 촉진되어 전도 손실 증가로 인한 유전율 상승으로 판단된다[10]. 이러한 유전율의 상승으로 인해 Fig. 9에서 전파 흡수 재료의 공진 주파수가 저주파 쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 100℃에서 최대 반사 손실이 측정된 이유는 전파 흡수 재료의 온도가 400℃에서 100℃에 가까워질수록 Fig. 10의 온도에 따른 유전율 값이 이상적인 반사 손실을 지니는 무반사 곡선에 근접하였고, 이로 인해 최대 반사 손실이 100℃에서 측정된 것이라 판단하였다. 이후 100℃이하로 온도가 떨어질수록 유전율 값이 무반사 곡선에서 멀어지게 되면서 다시 반사 손실이 감소한 것이라 판단된다.

Fig. 9.

Reflection loss according to temperature.

Fig. 10.

Cole-cole plot of complex permittivity according to temperature.

전파 흡수 재료의 온도에 따른 전자기 성능에 대한 히스테리시스를 평가하기 위해 동일한 코팅 시편에 대해 총 4회 반복 가열 실험을 진행하였다. Fig. 11은 초기 가열 및 4회 반복 가열 후, 온도에 따른 공진 주파수에서의 반사 손실을 비교한 그래프이다. 반사 손실 결과를 비교하였을 때, 유사하게 측정된 것을 확인하였다. 이 실험을 통해 반복 가열에 따른 전파 흡수 재료의 전자기 성능이 유지되는 것을 확인하였고, 지속적으로 사용 가능할 것이라 판단된다.

Fig. 11.

Reflection loss at resonant frequency according to heating cycle.

4. 결 론

레이더 탐지 기술이 점점 고도화됨에 따라 고온 환경에서 전파 흡수 성능 구현이 필수적으로 요구되고 있다. 이에 따라 실제 환경을 모사한 고온 환경에서 전파 흡수 성능을 평가하는 방법을 정립하는 것이 중요하다. 이 연구에서는 실제 급속 고온 가열을 모사하기 위해 아크 플라즈마 반응기를 개발하였다. 개발된 아크 플라즈마 반응기를 자유 공간 측정 방법을 활용한 전자기 성능 측정 시스템과 결합하여 고온 환경 전자기 성능 평가 장치를 구축하였다. 아크 플라즈마 반응기와 가열 시편 사이의 거리가 감소할수록 시편의 온도가 상승하였다. 시편의 승온 속도는 약 500℃/min 으로 실제 급속 가열되는 비행체의 고온 환경을 모사하였다고 판단하였다. 전파 흡수 재료가 코팅된 시편의 온도에 따른 전자기 성능은 400℃에서 100℃까지 온도가 감소할수록 반사 손실이 증가하였으나, 100℃에서 상온으로 갈수록 반사 손실이 감소하였다. 이는 전파 흡수 재료의 온도에 따른 유전율 값이 무반사 곡선에 근접할수록 높은 반사 손실이 측정된 것이라 판단된다. 전파 흡수 재료의 온도에 따른 전자기 성능에 대한 히스테리시스 평가를 통해 전자기 성능이 유지되는 것을 확인하였고, 지속적으로 사용 가능할 것이라 판단하였다.

이 결과를 통해 실제로 급속 가열되는 비행체 배기구 등과 같이 급속 고온 환경을 모사한 실험 장치를 사용하여 온도에 따른 전자기 성능 평가 방법을 제시할 수 있으며, 향후 유사 소재 개발 시 제안한 방법을 적용할 수 있을 것이라 판단된다.