KR101992545B1 - 레이돔용 팁 어셈블리 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR101992545B1
KR101992545B1 KR1020170180421A KR20170180421A KR101992545B1 KR 101992545 B1 KR101992545 B1 KR 101992545B1 KR 1020170180421 A KR1020170180421 A KR 1020170180421A KR 20170180421 A KR20170180421 A KR 20170180421A KR 101992545 B1 KR101992545 B1 KR 101992545B1
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radome
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신효순
최정식
이창현
김동철
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한국세라믹기술원
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Abstract

본 발명은 전면부의 팁 어셈블리와, 상기 팁 어셈블리의 후방에 위치하여 상기 팁 어셈블리와 결합되는 부싱 체결구와, 내벽에 상기 부싱 체결구가 부착되고 내부에 레이더 장치의 안테나 모듈을 수용하는 쉘을 포함하는 레이돔에서의 레이돔용 팁 어셈블리를 개시한다. 본 발명에 의한 레이돔용 팁 어셈블리는 세라믹스로 된 동체부와, 상기 세라믹스로 되고 상기 동체부와 중심축선이 서로 일치하도록 상기 동체부의 저면으로부터 하방 수직으로 길이연장되어 상기 동체부와 일체로 형성되고 상기 부싱 체결구의 내벽에 형성된 암나선부와 나사체결됨으로써 상기 레이돔용 팁 어셈블리를 상기 부싱 체결구와 결합시켜 상기 쉘에 고정시키도록 된 수나선부와, 상기 세라믹스의 열팽창계수(TCE)와 상기 쉘의 열팽창계수(TCE) 사이의 열팽창계수(TCE)를 갖는 세라믹 폴리머 복합체로 되고 상기 동체부의 저면에서 상기 중심축선을 중심으로 일정 두께로 상기 수나선부 주면을 둘러싸도록 삽입된 버퍼링을 포함할 수 있다. 이로써, 본 발명에 의한 레이돔용 팁 어셈블리는 레이더 장치의 안테나 모듈로부터 방사되는 고주파수대역의 전자파의 투과손실이 매우 작고 내마모성 및 고온 안정성이 월등히 우수할 뿐만 아니라, 상기 팁 어셈블리와 이를 고정하는 쉘 간의 열팽창 차이가 버퍼링되어 종래 열팽창 차이로 인해 발생하던 열 응력이 효과적으로 차단되어 연결부위의 어긋남이나 균열이 발생하지 않는다.

Description

레이돔용 팁 어셈블리 및 그 제조방법 {TIP ASSEMBLY FOR RADOME AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 레이돔용 팁 어셈블리에 관한 것으로, 특히 유무기 복합소재로 구성되어 고주파수대역의 전자파의 투과손실이 매우 작고 내마모성 및 고온 안정성이 우수한 레이돔용 팁 어셈블리에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 레이돔용 팁 어셈블리의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 레이돔(radome)은 항공기나 로켓, 미사일 등과 같은 고속 비행체의 전면부에 탑재되는 레이더 장치의 안테나 모듈을 내부에 수용하여 보호한다.
위와 같이 고속 비행체의 전면부에 장착되는 레이돔은 특히 고속 운항에 따라 초고속으로 부딪히는 공기로 인하여 고온(예컨대, 대략 1000℃ 내외)으로 쉽게 가열되고 또한 공기 중에 있는 여러 부유물질의 충돌에 최대한 노출되는 열악한 환경뿐만 아니라 기타 일광, 우천, 풍속이나 습도 등으로부터 내부 레이더 장치의 안테나 모듈 등을 보호한다.
따라서, 일반적으로 고속 비행체에 장착되는 레이돔은 공력 가열에 견딜 수 있는 내열성과 여러 부유물질의 충돌을 견딜 수 있는 내마모성(예컨대, 우수한 굴곡 강도와 높은 경도)이 요구되는 한편, 기본적으로 고주파수대의 전자기파의 투과성이 우수하여 레이더의 안테나 모듈로부터의 전자기파가 이를 잘 투과할 수 있어야 한다.
일반적인 레이돔의 구조는 도 1 내지 도 3과 같이 나타낼 수 있다. 도 1은 일반적인 레이돔의 구조로서 그의 측면도를 나타낸다. 도 2a~2b는 일반적인 레이돔의 일 구성요소인 팁(tip)의 구조로서 도 2a는 그의 사시도이고 도 2b는 그의 측면도이다. 또한, 도 3은 일반적인 레이돔의 다른 일 구성요소로서 도 2a~2b의 팁과 체결되어 이를 고정하는 체결구의 사시도이다.
도 1~3에 도시하듯이, 일반적으로 레이돔(1)은 공기역학을 위해 대략 절두 원추형상 내지는 원호형상으로 된 쉘(50)과, 상기 쉘(50)의 최상부인 절두면에 착설된 원추형상의 팁(10)과, 상기 쉘(50) 내부에서 이의 내벽에 부착 위치되고 상기 팁(10)이 이에 나사체결되어 고정 결합되도록 하는 부싱 체결구(30)로 구성된다.
도 2a~2b에 가장 잘 도시되어있듯이, 상기 팁(10)은 원추형 동체부(12)와 상기 동체부(12)의 저면에 하측으로 길이연장된 수나선부(16)로 이루어진다. 도 1과 도 3에 도시하듯이, 상기 수나선부(16)는 상기 부싱 체결구(30)에 삽입되고, 상기 부싱 체결구(30)의 중심을 관통하여 내벽에 형성된 암나선부(36)와 나사체결됨으로써 상기 팁(10)은 부싱 체결구(30) 그리고 쉘(50)의 내부에 고정 수납된다. 이때, 상기 팁(10)의 동체부(12)의 외면은 쉘(50) 외면과 연이어서 공기역학적으로 매끄러운 외면을 이루도록 정확한 단면치수를 갖는 것이 중요하다.
위와 같이 팁(10)이 쉘(50)과 별개로 형성되어 착설되는 이유는 재질이 다른 쉘(50)의 구축 도중에 상기 팁(10)을 이루는 물질이 수축하여 서로 간의 연결부위가 어긋나버리기 때문이다. 또한, 이렇게 별개로 형성함으로써 레이돔(1) 전면부 어느 한 국부지점에서 부유물질과의 충돌이 전체적인 파괴로 번지는 것을 미연에 방지할 수 있다.
특히, 상기 팁(10)은 내부 레이더 장치의 작동효율을 위하여 고주파 대역(예컨대, 대략 5~15 GHz)의 전자기파가 통과하기쉬워야하고 전술했듯이 내열성과 내마모성이 좋아야하므로, 전자기파를 반사 또는 산란하는 금속재질은 곤란하고 대신에 이러한 고주파 대역에서 매우 낮은 유전손실을 가져 전자기파의 투과손실이 낮고 내마모성과 내열성이 우수한 유전체가 일반적으로 사용된다. 이러한 유전체로는 일반적으로 GFRP(Glass Fiber Reinfored Plastic), 석영유리 파이버를 이용한 FRP(Fiber Reinfored Plastic) 및 유전체 폼(foam) 등이 사용된다. 관련된 종래기술로서는 미국특허 제4946736호(1990. 8. 7 등록) "Protective electromagnetically transparent window"와 일본 특허공개공보 제2012-109657호(2012. 6. 7 공개) "안테나 장치 및 안테나 시스템" 등이 개시되어있다.
그러나, 특히 고속 비행체에 고기능성 레이더 장치를 탑재하는 경우, 레이돔의 전자기 특성이 매우 중요할뿐만 아니라 운항속도가 매우 높기 때문에 공력 가열에 따른 온도 증가와 운항속도 증가에 따른 마모도 증가가 매우 높다.
이를 고려할 때, 레이돔의 팁(10)의 재질로서 현재 개발된 GFRP, 석영유리 파이버를 이용한 FRP 및 유전체 폼 등은 충분한 내마모성과 고온 안정성, 그리고 충분히 낮은 유전손실 특성을 갖추지못할 뿐만 아니라, 특히 쉘(30) 재질과의 열팽창 정도의 차이로 인하여 팁(10)과 쉘(30) 간의 접합부위에 큰 열 응력이 발생하여 연결부위가 어긋나거나 균열이 발생하는 구조적 문제를 갖는다.
따라서, 본 발명은 고주파수대역의 전자파의 투과손실이 매우 작고 내마모성 및 고온 안정성이 우수한 레이돔용 팁을 제공하기 위한 것이다.
위와 같은 과제를 달성하기 위한 일 측면에 의한 본 발명은 전면부에 위치한 팁 어셈블리와 상기 팁 어셈블리의 후방에 위치하여 상기 팁 어셈블리와 결합되는 부싱 체결구와 내벽에 상기 부싱 체결구가 부착되고 내부에 레이더 장치의 안테나 모듈을 수용하는 쉘을 포함하는 레이돔에서의 레이돔용 팁 어셈블리로서, 상기 레이돔용 팁 어셈블리는 세라믹스로 된 동체부와, 상기 세라믹스로 되고 상기 동체부와 중심축선이 서로 일치하도록 상기 동체부의 저면으로부터 하방 수직으로 길이연장되어 상기 동체부와 일체로 형성되고 상기 부싱 체결구의 내벽에 형성된 암나선부와 나사체결됨으로써 상기 레이돔용 팁 어셈블리를 상기 부싱 체결구와 결합시켜 상기 쉘에 고정시키도록 된 수나선부와, 상기 세라믹스의 열팽창계수(TCE)와 상기 쉘의 열팽창계수(TCE) 사이의 열팽창계수(TCE)를 갖는 세라믹 폴리머 복합체로 되고 상기 동체부의 저면에서 상기 중심축선을 중심으로 일정 두께로 상기 수나선부 주면을 둘러싸도록 삽입된 버퍼링을 포함할 수 있다.
이때, 상기 세라믹 폴리머 복합체는 상기 세라믹스 및 에폭시계 폴리머의 혼합물일 수 있다. 또한, 상기 세라믹 폴리머 복합체는 10~25×10-6 범위의 열팽창계수(TCE)를 가질 수 있다.
또한, 상기 세라믹스는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2) 및 마그네시아(MgO)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 또한, 상기 세라믹스는 0.001~0.002 범위의 유전손실과, 200~1000 MPa 범위의 3점 곡강도와, 3~10×10-6 범위의 열팽창계수(TCE) 중의 하나 이상을 가질 수 있다.
또한, 상기 수나선부는 상기 수나선부의 주면에 직경방향으로 대향되도록 형성된 제1반나사선을 갖고, 상기 암나선부는 상기 암나선부의 주면에 직경방향으로 대향되도록 형성되고 상기 제1반나사선과 나사체결되는 제2반나사선을 가지며, 이로써 상기 팁 어셈블리는 1/4 회전만으로 상기 부싱 체결구와 결합될 수 있다.
또한, 상기 레이돔용 팁 어셈블리는 상기 부싱 체결구와 결합되는 상기 팁 어셈블리의 접합면에 도포된 접착제 층을 더 포함할 수 있고, 상기 접착제 층은 상기 세라믹스 계의 접착제로 구성됨이 바람직하다.
또한, 상기 부싱 체결구의 재질은 상기 세라믹스로 됨이 바람직하다.
또한, 다른 일 측면에 의한 본 발명은 전술한 상기 레이돔용 팁 어셈블리의 제조방법으로서, 상기 세라믹스의 슬러리를 형성하고 상기 슬러리를 습식성형 또는 건식성형하여 성형체를 형성한 후 상기 성형체를 소결한 소결체로써 상기 동체부와 수나사부를 형성하는 단계와, 상기 세라믹스의 분말을 액상의 에폭시계 폴리머에 분산 및 혼합하여 상기 세라믹 폴리머 복합체의 혼합물을 제조하고 상기 혼합물을 성형한 후 경화시켜 상기 버퍼링을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 습식성형은 상기 슬러리를 슬립 캐스팅, 필터 캐스팅 및 사출성형 중의 하나 이상으로 수행할 수 있고, 상기 건식성형은 상기 슬러리를 건조시킨 분말을 프레스 성형, 열간등방압성형(HIP) 및 냉간등방압성형(CIP) 중의 하나 이상으로 수행할 수 있다.
또한, 상기 세라믹스는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2) 및 마그네시아(MgO)로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있고 이때 소결은 1350~1650℃에서 수행할 수 있다.
또한, 상기 동체부와 수나사부를 형성하는 단계는 상기 성형체 및 소결체 중의 하나 이상의 외면을 가공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 버퍼링을 형성하는 단계는 상기 세라믹 폴리머 복합체의 혼합물에서 상기 에폭시계 폴리머의 함량을 조절함으로써 상기 세라믹 폴리머 복합체의 열팽창계수(TCE)를 임의로 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 혼합은 쉐이커 밀(shaker mill), 유성밀(planetary mill) 및 어트리션밀(attrition mill) 중의 하나 이상으로 수행될 수 있다.
본 발명에 의한 레이돔용 팁 어셈블리는 내마모성과 고온 안정성 및 낮은 유전손실을 갖는 세라믹 소재와 상기 세라믹 소재에 접합된 세라믹 폴리머 복합체 버퍼링을 포함하여 구성됨으로써 전술한 종래 팁 어셈블리와 대비하여 레이더 장치의 안테나 모듈로부터 방사되는 고주파수대역의 전자파의 투과손실이 매우 작고 내마모성 및 고온 안정성이 월등히 우수하다.
아울러, 상기 세라믹 폴리머 복합체 버퍼링은 상기 팁 어셈블리와 이 팁 어셈블리가 고정되는 쉘 간의 열팽창 차이를 버퍼링함으로써 종래 열팽창 차이로 인해 발생하여 연결부위의 어긋남이나 균열을 야기하던 열 응력을 효과적으로 차단할 수 있다.
도 1은 일반적인 레이돔의 구조로서 그의 측면도이다.
도 2a~2b는 일반적인 레이돔의 일 구성요소인 팁의 구조로서, 도 2a는 그의 사시도이고 도 2b는 그의 측면도이다.
도 3은 일반적인 레이돔의 다른 일 구성요소로서 도 2a~2b의 팁과 체결되어 이를 고정하는 체결구의 사시도이다.
도 4a~4b는 본 발명에 의한 레이돔의 팁 어셈블리의 구조로서, 도 4a는 그의 사시도이고 도 4b는 그의 측면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 레이돔에 있어서 부싱 체결구의 구조를 보이는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 의한 레이돔의 구조로서 도 4a~4b의 팁 어셈블리가 도 5의 부싱 체결구와 결합되어 쉘 내부에 고정 수납된 레이돔의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 구현예들에 따른 제조공정을 종합하여 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 알루미나 재질의 팁 어셈블리의 미세구조를 보이는 전자현미경 사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 알루미나(Al2O3) 재질의 팁 어셈블리를 종래기술에 따른 GFRP(Glass Fiber Reinfored Plastic) 재질의 팁 어셈블리와 대비하여 내마모도를 평가한 그래프이다.
전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 레이돔의 팁을 구성함에 있어서 종래 시도한 바 없는 신규한 방식으로서 이종의 소재가 접합된 팁 어셈블리로서 구성한다.
즉, 본 발명에 의한 팁 어셈블리는 특징적으로 내마모성과 고온 안정성 및 낮은 유전손실을 갖는 세라믹 소재와 상기 세라믹 소재에 접합된 유무기 복합소재로 구성된다. 이러한 팁 어셈블리는 전술한 종래 소재들(예컨대, GRP, FRP 또는 유전체 폼)로 구성된 팁과 대비하여 레이더 장치의 안테나 모듈로부터 방사되는 고주파수대역의 전자파의 투과손실이 매우 작고 내마모성 및 고온 안정성이 월등히 우수하며, 또한 레이돔에서 팁 어셈블리가 고정 부착되는 쉘과의 열팽창 차이가 버퍼링됨으로써 종래처럼 팁과 쉘 간의 접합부위에 열팽창 차이로 인한 열 응력이 발생할 염려가 없어 연결부위의 어긋남이나 균열이 발생하지 않는다.
이하, 이러한 본 발명을 해당 도면들을 참조하며 상세히 설명한다.
도 4a~4b는 본 발명에 의한 레이돔의 팁 어셈블리의 구조로서, 도 4a는 그의 사시도이고 도 4b는 그의 측면도이다. 또한, 도 5는 본 발명에 의한 레이돔에 있어서 부싱 체결구의 구조를 보이는 사시도이다. 또한, 도 6은 본 발명에 의한 레이돔의 구조로서 도 4a~4b의 팁 어셈블리가 도 5의 부싱 체결구와 결합되어 쉘 내부에 고정 수납된 레이돔의 단면도이다.
먼저 도 6에 도시하듯이, 본 발명에 있어서 레이돔(1000)은 공기역학을 위해 대략 절두 원추형상 내지는 원호형상으로 된 쉘(500)과, 상기 쉘(500)의 최상부인 절두면에 착설된 원추형상의 팁 어셈블리(100)와, 상기 쉘(500) 내부에서 이의 내벽에 부착 위치되고 상기 팁 어셈블리(100)가 이에 나사체결되어 고정 결합되도록 하는 부싱 체결구(300)로 구성된다.
그리고 도 4a~4b를 참조하면, 본 발명에 의한 팁 어셈블리(100)는 하술하는 세라믹 재질로 되는 원추형상 내지는 원호형상의 동체부(120) 및 이의 저면에 하방수직으로 길이연장된 수나선부(160)와, 중공으로 형성되고 상기 동체부(120)의 저면에서 상기 동체부(120) 및 수나선부(160)의 중심축선을 중심으로 일정 두께로 상기 수나선부(160) 주위로 삽입된 버퍼링(140)으로 구성된다.
그리고, 도 5와 도 6에 도시하듯이, 상기 수나선부(160)는 쉘(500) 내벽에 부착된 부싱 체결구(300) 내로 삽입된 후 상기 부싱 체결구(300)의 중심을 관통하여 내벽에 형성된 암나선부(360)와 나사체결됨으로써 상기 팁 어셈블리(100)는 부싱 체결구(300), 그리고 종국적으로는 쉘(500)의 내벽에 고정되어 수납된다. 이때, 본 발명에서, 상기 팁 어셈블리(100)의 동체부(120)의 외면은 쉘(500) 외면과 연이어서 공기역학적으로 매끄러운 외면을 이루는 것이 바람직하다.
특히, 본 발명에 의한 팁 어셈블리(100)의 동체부(120)는 낮은 유전손실과 내마모성 및 고온 안정성을 갖는 세라믹스로 구성되며, 일 구현예로서 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2) 및 마그네시아(MgO)로 이루어진 세라믹스 군에서 선택된 하나 이상의 소결체로 구성될 수 있고, 예컨대 뮬라이트(mullite) 등과 같은 이들의 복합상으로도 구성될 수 있다.
본 발명에서 상기 세라믹스는 특히 레이돔이 통상적으로 사용되는 5~15 GHz 주파수 대역에서 유전손실값(tanδ)이 대략 0.001~0.002 정도로 매우 낮아 상기 고주파대역의 전자기파의 투과성이 매우 높다. 더구나, 이들 세라믹스는 대략 200~1000 MPa 범위의 3점 곡강도를 가지므로 내마모성이 매우 우수하고, 또한 대략 3~10×10-6 범위의 열팽창계수(TCE: Temperature Coefficient of Expansion)를 가지므로 온도 안정성이 좋다. 특히, 상기 세라믹스 군에서도, 상기 알루미나는 TCE가 대략 7.7×10-6으로 온도 안정성이 우수하고 3점 곡강도가 대략 400MPa에 이르러, 소재 가격이 비교적 저렴하고 소결체의 강도 및 내마모성이 매우 높으므로, 본 발명에서 상기 동체부(120)의 재질로서 가장 바람직하다.
또한, 본 발명에 의한 팁 어셈블리(100)에 있어서, 도 4a~4b에 도시하듯이 상기 수나선부(160)는 상기 동체부(120)와 동일 재질로 되는 것이 바람직하며, 일 실시예로서 상기 수나선부(160)는 상기 동체부(120)와 일체로 될 수 있다.
다만, 도 2a~2b 또는 도 4a~4b에 도시하듯이, 일반적으로 상기 팁(10) 또는 상기 팁 어셈블리(100)의 동체부(12, 120)는 상하가 비대칭이면서 여러 곡률이 반영된 원추형상 내지는 원호형상이므로, 종래기술처럼 수나선부(16)의 주면에 완전한 나사선을 형성할 경우(도 2a~2b), 상기 수나선부(16)를 부싱 체결구(30)의 암나선부(36)와 체결하기 위하여 나사선을 조이는 과정에서, 완전한 체결시에는 상기 팁 어셈블리(100)의 동체부(120)와 상기 부싱 체결구(30) 간에 외부 형상의 미세한 불일치가 발생하여 또 다시 미세한 조정이 불가피할 뿐만 아니라, 미진한 체결시에는 상기 팁 어셈블리(100)의 동체부(120)와 부싱 체결구(30)의 접합면 간에 미세한 틈이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 도 4a~4b와 도 5에 도시하듯이 팁 어셈블리(100)의 수나선부(160)와 부싱 체결구(300)의 암나선부(360)는 각각 직경방향으로 대향되게 반나사선을 갖도록 구성되고, 이로써 상기 팁 어셈블리(100)은 상기 부싱 체결구(30) 내로 삽입된 후 대략 90°회전함으로써 한번에 정위치로 정밀하게 체결될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 의하면, 상기 팁 어셈블리(100)의 수나선부(160)를 상기 부싱 체결구(300)에 삽입하여 상기 암나선부(360)와 체결시, 서로 결합될 수나선부(160)와 암나선부(360)의 표면과, 서로 결합될 상기 팁 어셈블리(100)와 부싱 체결구(300)의 접합면에는 접착제를 도포함으로써 더 확실한 접합을 이룰 수도 있다. 본 발명에서, 이러한 접착제로는 일반적으로 양호한 내열성과 고온 안정성을 갖는 소재가 사용될 수 있고, 일 구현예로서 상기 팁 어셈블리(100)를 이루는 세라믹스(예컨대, 알루미나, 실리카, 지르코니아 또는 마그네시아)를 기재로 한 세라믹스계 접착제를 사용함으로써 이러한 접착제층에서의 전자기파의 반사손실을 최대한 낮춤과 동시에 우수한 내열성과 고온 안정성을 얻는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 부싱 체결구(300)는 상기 팁 어셈블리(100)의 동체부(120)의 재질과 동일한 재질로 구성됨으로써 상호 TCE를 일치시켜 열팽창 차이를 없애는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 부싱 체결구(300)는 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2) 및 마그네시아(MgO)로 이루어진 세라믹스 군에서 선택된 하나 이상의 세라믹스의 소결체로 구성될 수 있다. 다만, BaTiO3, PZT 등의 강유전체와 TiO2 및 ZnO 등의 반도성 소재는 사용하지 않음이 바람직하다.
한편, 통상적으로 레이돔(1000)의 쉘(500)은 경량화와 경비의 측면에서 예컨대 알루미늄 합금이나 폴리이미드 등의 폴리머 복합체 등이 사용되며 대략 20~30×10-6 범위 내외의 TCE를 갖는다. 반면에, 본 발명에서 상기 쉘(500)에 고정 결합되는 팁 어셈블리(100)는 전술했듯이 대략 3~10×10-6 범위의 TCE를 가지므로, 이들 간에는 하나의 차수(order)에 이르는 열팽창계수값의 차이가 있다. 전술했듯이, 이러한 열팽창 차이는 열 응력을 발생시켜 연결부위가 어긋나게 하거나 균열을 발생시킬 수 있다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 팁 어셈블리(100)는 도 4a~4b에 가장 잘 도시하듯이 팁 어셈블리(100)와 쉘(500) 간에 기능하는 일종의 버퍼로서 상기 동체부(120)의 저면에서 상기 동체부(120) 및 수나선부(160)의 중심축선을 중심으로 일정 두께로 상기 수나선부(160) 주위를 둘러싸도록 중공의 버퍼링(140)을 삽입한 구조를 갖는다. 일 예로서, 이러한 세라믹 폴리머 복합체 버퍼링(140)의 두께는 동체부(120)의 직경과 높이가 각각 대략 20㎜ 수준일 경우 대략 0.1~5㎜ 범위로 될 수 있다.
본 발명에서 이러한 세라믹 폴리머 복합체는 세라믹 분말을 액상의 폴리머에 고충진으로 분산 및 혼합하고 성형한 후 경화시켜 형성될 수 있다. 상기 혼합은 일 실시예로서 쉐이커 밀(shaker mill), 유성밀(planetary mill) 또는 어트리션밀(attrition mill) 등의 기계화학적 밀링으로 수행될 수 있고, 유성밀로 수행함이 가장 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 구현예로서, 상기 세라믹 폴리머 복합체는 상기 팁 어셈블리(100)의 동체부(120)의 소재와 동일한 세라믹스, 즉 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2) 및 마그네시아(MgO)로 이루어진 세라믹스 군에서 선택된 하나 이상의 세라믹스의 분말을 에폭시계 폴리머에 분산 및 혼합하여 경화시킨 복합체로 구성될 수 있다. 특히, 이러한 세라믹 폴리머 복합체의 TCE는 상기 에폭시계 폴리머의 함량을 조절함으로써 임의로 조절가능하며, 대략 10~25×10-6 범위의 값으로 조절됨이 바람직하다. 이리하면, 상기 세라믹 폴리머 복합체는 팁 어셈블리(100)와 쉘(500) 간의 열팽창 차이를 버퍼링함으로써 종래 열팽창 차이로 야기되던 열 응력의 발생을 미연에 차단할 수 있다.
한편, 본 발명에 있어서, 상기 팁 어셈블리(100)는 통상의 산화물혼합법 등의 제조공정으로 제조될 수 있다.
본 발명의 일 구현예로서, 상기 팁 어셈블리(100)는 습식성형 방식으로 제조될 수 있다. 즉, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2) 및 마그네시아(MgO)로 이루어진 세라믹스 군에서 선택된 하나 이상의 세라믹스의 분말을 물 등에 분산제(예컨대 BYK-012 등) 및 바인더(예컨대 PVA) 등과 함께 분산한 슬러리를 제조한 후, 이를 석고주형에 흘려넣어 기판을 제조하는 슬립 캐스팅(slip casting)이나, 상기 석고 틀 대신에 필터를 사용하여 기판을 제조하는 필터 캐스팅(filter casting), 또는 사출성형(injection molding) 등의 통상적인 후막공정을 포함한 이 분야에 공지된 모든 제조방법을 사용하여 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예로서, 상기 팁 어셈블리(100)는 건식성형 방식으로도 제조될 수 있다. 즉, 상기 슬러리를 분무 건조기에 투입하여 분무건조(spray dry)를 실시함으로써 건조 분말을 제조하고 이에 바인더를 추가한 후, 이를 프레스성형(die pressing) 또는 열간등방압성형(HIP: hot isostatic press)이나 냉간등방압성형(CIP: isostatic press) 등 통상의 모든 제조방법으로 성형하고 소결함으로써 기판을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 일 구현예에서, 각 성형체 및/또는 소결체는 표면 등의 외형을 가공함으로써 정밀한 수치를 유지함이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 소결온도는 대략 1350~1650℃로 될 수 있고, 이는 선택된 세라믹스 조성에 따라 달라질 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예로서, 상기 소결온도는 알루미나인 경우는 1450~1650℃, 실리카인 경우는 1350~1650℃, 지르코니아(3YSZ)인 경우는 1400~1650℃, 그리고 마그네시아인 경우는 1400~1650℃로 됨이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 전술한 구현예들에 따른 제조공정의 일 예를 개략 예시하는 흐름도이며 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
이하, 본 발명에 의한 상기 제조공정의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 하술하는 실시예들은 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공되는 것이며, 본 발명은 하기 실시예들로만 한정되는 것은 물론 아니다.
실시예 1: 팁 어셈블리(100)의 제조(습식성형 방식)
입도 0.5㎛의 저-소다(low soda) 알루미나 분말을 이용하여 분산제(BYK-012)와 바인더(PVA)를 소량 추가하여 수계 분산 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 이용하여 직경 30㎜, 높이 50㎜의 원통상의 성형이 가능한 가압 필터 프레스 형틀에 슬러리를 주입하고 가압 습식 성형하였다. 성형체는 CNC에서 소성시 발생할 수 있는 임계치인 선 수축율 약 15%와 가공 마진을 감안하여 1차 가공하였다. 가공이 완료된 후 이를 600℃에서 탈지하고 1650℃에서 2시간 소결하였다. 소결된 시편은 2차 가공을 통하여 정밀한 외형을 제어하고 최종 팁으로 적용하였다.
실시예 2: 팁 어셈블리(100)의 제조(건식성형 방식)
입도 0.5㎛ 저-소다(low soda) 알루미나 분말을 이용하여 분산제(BYK-012)와 바인더(PVA)를 소량 추가하여 수계 분산 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 이용하여 분무건조를 실시하여 과립을 확보하였다. 얻어진 과립을 이용하여 직경 30㎜, 높이 50㎜의 원통상 성형체를 건식 프레스하여 성형하였다. 성형체의 균일성을 높이기 위하여 CIP를 실시하였다. 성형체는 CNC에서 소성시 발생할 수 있는 임계치인 선 수축율 약 15%와 가공 마진을 감안하여 1차 가공하였다. 가공이 완료된 후 이를 600℃에서 탈지하고 1650℃에서 2시간 소결하였다. 소결된 시편은 2차 가공을 통하여 정밀한 외형을 제어하고 최종 팁으로 적용하였다.
실시예 3: 세라믹 폴리머 복합체 버퍼링(140)의 제조
입도 0.5㎛의 알루미나 분말과 고온용 에폭시를 정량비로 평량하고, 알루미나 분말의 비율을 부피비로 40, 35, 30 및 25 vol%의 여러 조성비로 각각 변화시키면서 혼합 페이스트를 제조하였다. 균일한 혼합을 위하여 실란 결합제를 소량 첨가하여 분산성을 높임과 함께 유성밀을 사용하여 약 5분간 혼합하였다. 혼합된 상기 페이스트에 에폭시 당량에 따라 경화제를 소량 첨가하고 약 1분간 추가로 혼합하였다. 상기 페이스트는 감압 용기에서 기포를 제거하고 쉽게 탈형이 가능한 금형에 주입하여 175℃에서 1시간 경화시켰다. 경화된 소재는 체결부 구조에 따라 CNC에서 가공하여 최종 형상을 완성하였다. 각각의 조성비에 따라 해당 TCE는 각각 40vol%인 조성은 13×10-6, 35vol%인 조성은 17×10-6, 30vol%인 조성은 19×10-6, 그리고 25vol%인 조성은 20×10-6으로 나타났다.
도 8은 본 발명에 따른 알루미나 재질의 팁 어셈블리(100)의 미세구조를 보이는 전자현미경 사진이고, 도 9는 본 발명에 따른 알루미나(Al2O3) 재질의 팁 어셈블리(100)를 종래기술에 따른 GFRP(Glass Fiber Reinfored Plastic) 재질의 팁 어셈블리(10)와 대비하여 내마모도를 평가한 그래프이다. 특히, 도 9에 도시하듯이, 알루미나(Al2O3) 재질의 경우 마모 정도가 거의 미미하지만, GFRP 재질의 경우에는 변동폭이 매우 큰 것이 확인된다.
위와 같이, 본 발명에 의한 레이돔의 팁 어셈블리(100)는 내마모성과 고온 안정성 및 낮은 유전손실을 갖는 세라믹 소재와 상기 세라믹 소재에 접합된 유무기 복합소재로 구성됨으로써 전술한 종래 팁 어셈블리와 대비하여 레이더 장치의 안테나 모듈로부터 방사되는 고주파수대역의 전자파의 투과손실이 매우 작고 내마모성 및 고온 안정성이 월등히 우수하다.
상기 유무기 복합소재는 팁 어셈블리(100)의 동체부(120)의 저면에서 상기 동체부(120) 및 수나선부(160)의 중심축선을 중심으로 일정 두께로 상기 수나선부(160) 주위로 삽입된 중공의 버퍼링(140)으로 구성되며, 이로써 팁 어셈블리(100)와 쉘(500) 간의 열팽창 차이를 버퍼링함으로써 종래 열팽창 차이로 인해 발생하여 연결부위의 어긋남이나 균열을 야기하던 열 응력을 효과적으로 차단할 수 있다.
이상, 상술된 본 발명의 구현예 및 실시예에 있어서, 조성분말의 평균입도, 분포 및 비표면적과 같은 분말특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량 및 소결 조건에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연하다.
아울러 본 발명의 바람직한 구현예 및 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
1, 1000: 레이돔, 10, 100: 팁 어셈블리, 12, 120: 동체부, 16, 160: 수나선부, 140: 버퍼링, 30, 300: 부싱 체결구, 36, 360: 암나선부, 50, 500: 쉘

Claims (17)

  1. 전면부에 위치한 팁 어셈블리와, 상기 팁 어셈블리의 후방에 위치하여 상기 팁 어셈블리와 결합되는 부싱 체결구와, 내벽에 상기 부싱 체결구가 부착되고 내부에 레이더 장치의 안테나 모듈을 수용하는 쉘을 포함하는 레이돔에서의 레이돔용 팁 어셈블리에 있어서,
    알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2) 및 마그네시아(MgO)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 세라믹스로 구성된 동체부와;
    상기 세라믹스로 구성되고, 상기 동체부와 중심축선이 서로 일치하도록 상기 동체부의 저면으로부터 하방 수직으로 길이연장되어 상기 동체부와 일체로 형성되고, 상기 부싱 체결구의 내벽에 형성된 암나선부와 나사체결됨으로써 상기 레이돔용 팁 어셈블리를 상기 부싱 체결구와 결합시켜 상기 쉘에 고정시키도록 된 수나선부와;
    상기 동체부의 열팽창계수(TCE)와 상기 쉘의 열팽창계수(TCE) 사이의 열팽창계수(TCE)를 갖도록 상기 세라믹스 및 에폭시계 폴리머의 혼합물로 구성된 세라믹 폴리머 복합체로 되고, 상기 동체부의 저면에서 상기 중심축선을 중심으로 일정 두께로 상기 수나선부 주면을 둘러싸도록 삽입된 버퍼링을 포함하는 레이돔용 팁 어셈블리.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹스는 0.001~0.002 범위의 유전손실과, 200~1000 MPa 범위의 3점 곡강도와, 3~10×10-6 범위의 열팽창계수(TCE) 중의 하나 이상을 갖는 레이돔용 팁 어셈블리.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 세라믹 폴리머 복합체는 10~25×10-6 범위의 열팽창계수(TCE)를 갖는 레이돔용 팁 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수나선부는 상기 수나선부의 주면에 직경방향으로 대향되도록 형성된 제1반나사선을 갖고, 상기 암나선부는 상기 암나선부의 주면에 직경방향으로 대향되도록 형성되고 상기 제1반나사선과 나사체결되는 제2반나사선을 가지며, 상기 제1반나사선 및 제2반나사선의 나사체결에 의해 상기 팁 어셈블리는 1/4 회전으로 상기 부싱 체결구와 결합되는 레이돔용 팁 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 부싱 체결구와 결합되는 상기 팁 어셈블리의 접합면에 도포된 접착제 층을 더 포함하는 레이돔용 팁 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 접착제 층은 상기 세라믹스 계의 접착제로 구성된 레이돔용 팁 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 부싱 체결구의 재질은 상기 세라믹스로 된 레이돔용 팁 어셈블리.
  10. 제1항에 의한 레이돔용 팁 어셈블리의 제조방법에 있어서,
    상기 세라믹스의 슬러리를 형성하고, 상기 슬러리를 습식성형 또는 건식성형하여 성형체를 형성한 후, 상기 성형체를 소결한 소결체로써 상기 동체부와 수나사부를 형성하는 단계와;
    상기 세라믹스의 분말을 액상의 상기 에폭시계 폴리머에 분산 및 혼합하여 상기 세라믹 폴리머 복합체의 혼합물을 제조하고 상기 혼합물을 성형한 후, 경화시켜 상기 버퍼링을 형성하는 단계를 포함하는 레이돔용 팁 어셈블리의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 습식성형은 상기 슬러리를 슬립 캐스팅, 필터 캐스팅 및 사출성형 중의 하나 이상으로 수행하는 레이돔용 팁 어셈블리의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 건식성형은 상기 슬러리를 건조시킨 분말을 프레스 성형, 열간등방압성형(HIP) 및 냉간등방압성형(CIP) 중의 하나 이상으로 수행하는 레이돔용 팁 어셈블리의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 소결은 1350~1650℃에서 수행하는 레이돔용 팁 어셈블리의 제조방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 동체부와 수나사부를 형성하는 단계는 상기 성형체 및 소결체 중의 하나 이상의 외면을 가공하는 단계를 더 포함하는 레이돔용 팁 어셈블리의 제조방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 버퍼링을 형성하는 단계는 상기 세라믹 폴리머 복합체의 혼합물에서 상기 에폭시계 폴리머의 함량을 조절함으로써 상기 세라믹 폴리머 복합체의 열팽창계수(TCE)를 임의로 조절하는 단계를 더 포함하는 레이돔용 팁 어셈블리의 제조방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 혼합은 쉐이커 밀(shaker mill), 유성밀(planetary mill) 및 어트리션밀(attrition mill) 중의 하나 이상으로 수행되는 레이돔용 팁 어셈블리의 제조방법.
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