KR102427938B1 - 레이더 흡수 복합재료 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서로 적층되는 복수의 보강재; 및 보강재 사이에 개재되는 기지재를 포함하고, 보강재의 표면에는 제1 유전손실소재가 배치되는 레이더 흡수 복합재료 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

레이더 흡수 복합재료 구조체 및 그 제조 방법{RADAR ABSORBING STRUCTURE AND METHOD OF PRODUCING FOR THE SAME}

본 발명은 레이더 흡수 복합재료 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 공공 전기 및 전자 시설의 전자파 간섭 방지 대책으로 사용할 수 있는 레이더 흡수 복합재료 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 종래의 레이더 흡수 복합재료 구조체는, 에폭시 등의 열경화성수지에 분말 형태의 전도성 또는 자성 나노 입자들(Carbon NanoTube (CNT), Graphene, Carbon Black(CB), Nano-Ferrite)을 균질하게 분산시킨 나노 복합재료로 제작되는 경우가 많다. 이러한 나노복합재료는 기계성 물성이 낮아 구조 재료로 사용하기 위해, 섬유가 보강된 섬유강화복합재료(Fiber Reinforced Polymer, FRP)로 구성되는 경우가 많다.

예를 들어, 도 7에는 종래의 레이더 흡수 구조체(1000)와 확대 사진을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 종래의 레이더 흡수 구조체는 비전도성의 유리 또는 아라미드 섬유에 전도성 또는 자성 나노소재, 예를 들어, CNT가 분산된 고분자 폴리머를 함침시켜 섬유강화복합재료로 제조되고 있다.

일반적으로, 레이더 흡수 구조체는 기계적 성능과 레이더 흡수 성능을 동시에 가져야하기 때문에, 물성이 높은 섬유복합재료 소재에 전자기파의 투과 특성을 조절하여 상쇄간섭을 일으킬 수 있도록 유전손실재료 혹은 자성손실재료를 혼합하여 유전율 또는 투자율을 조절하고 있다.

구체적으로, 탄소 또는 금속 등의 전도성 섬유는 전자기파를 반사하여 사용이 불가하여 유리 또는 아라미드 섬유가 사용된다. 나노입자를 고분자 수지에 분산시키는 제조 방법은, 수지의 점도가 급격히 상승하여 복합재료로 제조하기 어렵고, 수지주입제조법(Resin transter molding, RTM), 프리그레그 (Prepreg) 중간재를 이용하는 등의 양산화 공정의 적용 역시 어렵다.

또한, 레이더 흡수 구조체는 나노입자 분산도에 따라 레이더 흡수 성능이 크게 영향을 받으며, 동일한 공정을 통해 제조되더라도 성능이 불균일하다. 복합재료 제조 공정의 특성상, 고온에서 수지 점도를 낮추어 섬유에 함침도를 높이는데, 낮아진 수지 점도로 인해 제조 공전 전에 균일하게 나노입자의 분산시키더라도 경화를 위한 고온 가열 공정 중, 분산도가 위치와 공정마다 무작위적으로 변하는 문제가 있다.

특히, 섬유복합재료 형상의 특성상 고분자 매트릭스의 부피 비율은 40~30%이고, 이중 레이더 흡수 성능 향상을 위해 혼합 가능한 나노소재의 비율은 고분자 매트릭스 무게의 최대 5 wt.%에 불과하다. 이를 실제로 섬유복합재료 내부 유전손실 소재의 무게 비율로 환산하면 불과 1.5 wt.%가 최대치이다.

한편, 특허문헌 1에는 X-Band 대역의 전자파흡수를 위한 구조체 설계를 위해 복수의 미소 단위 구조체를 활용한 3차원 형상의 구조체가 기재되어 있으며, 각각의 단위 구조체는 입사하는 전파의 에너지가 소산되도록 전파의 진행방향과 수직한 방향으로 적층되어 있으며, 이러한 특허문헌 1은 기존 기술의 경우 전파흡수체를 이용해 X-밴드 대역의 전반에 걸친 흡수를 위해 복수의 단위구조체를 조합하는 방식으로 설계가 이루어졌다.

그러나, 특허문헌 1은 각각의 단위 구조체가 적층물 내부 격벽과 입사 전파간의 각도에 따라 전자파 흡수가 발생하는 주파수 영역이 상이하다는 문제가 있다.

또한, 특허문헌 2에는 각기 다른 유전손실재료로 구성된 2개의 전파 흡수층을 점착제를 활용하여 전파 반사층에 부착한 단일 구조의 양면형 전파흡수체가 기재되어 있다.

그러나, 특허문헌 2는 전파 흡수층간의 접착을 위해 접착제를 이용하였고, 이 경우, 각각의 전파 흡수층을 따로 제조하는 공정과 부착 공정이 추가로 필요하다. 또한 접착제를 이용한 층간 접착의 경우 전파 흡수층간의 계면 접착력에 따른 구조체의 기계적 특성이 저하되는 문제가 있다.

또한, 특허문헌 3에는 복수의 층에 대해 각기 다른 금속 자성체를 활용함으로써 복수의 층이 각기 다른 임피던스를 갖도록 구성한 전자파 흡수체가 기재되어 있다.

그러나, 특허문헌 3은 유전손실재료의 적용이 고분자 재료에 직접적으로 분산시키는 방식으로 이루어져, 고분자 재료의 특성상 공정과정에서 고형 첨가물 (Filler)의 분산도가 변화하고, 층간 고분자가 혼합되어 전자파 흡수성능의 균일성이 보장되기 어려우며, 각층의 유전손실재료의 혼합비율을 명확히 구분하는 것이 불가능하다.

한국등록특허공보 10-1951429호 한국등록특허공보 10-2023397호 일본특허출원공개 2000-232296호

따라서, 전술한 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 유전손실소재를 보강재의 표면에 코팅하여, 효과적인 레이더 흡수 복합재료 구조체 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 서로 적층되는 복수의 보강재; 및 보강재 사이에 개재되는 기지재를 포함하고, 보강재의 표면에는 제1 유전손실소재가 배치되는 레이더 흡수 복합재료 구조체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 유전손실소재는, 카르복실화되어 보강재의 표면과 결합될 수 있으며, 이러한 제1 유전손실소재는 1㎛ 미만의 크기가 될 수 있다.

또한, 본 발명의 레이더 흡수 복합재료 구조체는, 서로 인접하는 보강재들이 서로 다른 비율의 제1 유전손실소재가 각각 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 보강재의 표면은 아민화, 실라놀화 및 옥시렌그룹화 중에서 선택된 하나 이상의 그룹화를 통해, 제1 유전손실소재와 결합될 수 있다.

또한, 기지재는 고분자 수지 또는 비전도성 세라믹 소재가 될 수 있으며, 이러한 기지재는 추가적으로 제2 유전손실소재를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 레이더 흡수 복합재료 구조체를 제조하는 방법으로서, 제1 유전손실소재가 포함된 수분산 용액을 준비하는 단계; 복수의 보강재를 수분산 용액에 함침하는 단계; 및 제1 유전손실소재가 결합된 복수의 보강재를 건조하는 단계를 포함하고, 제1 유전손실소재는 수분산 용액 내에서 카르복실화가 이루어져, 보강재의 표면에 결합될 수 있다.

본 발명은 X-밴드 대역의 전반에 걸쳐 전파흡수가 이루어질 수 있도록 다양한 농도의 나노물질이 적용된 직물의 적층법을 이용함으로써, 제조의 용이성과 단일 구조체로서 전파흡수가 이루어질 수 있는 레이더 흡수 복합재료 구조체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 전파흡수체의 보강재 표면에 유전손실소재를 물리, 화학적으로 다양한 농도로 코팅하는 방법을 제시하여, 다중 적층구조를 갖는 레이더 흡수 복합재료 구조체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 유전손실재료가 수분산된 용액을 보강재 표면에 코팅하는 공정을 도입하여, 유전손실재료와 보강재 표면의 물리적, 화학적 결합을 유도함으로써, 다층 형상을 갖는 단일 구조의 레이더 흡수 복합재료 구조체를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료 구조체를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료의 확대 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료를 제조함에 있어서, 유전손실소재의 카르복실화와 보강재 표면의 기능화를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료를 섬유 형태로 제조한 것과 그 확대 사진을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료의 성능을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료의 기능을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7은 종래의 레이더 흡수 복합재료를 개략적으로 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료 구조체와 그 제조 방법의 구체적인 실시예를 설명하기로 한다.

설명에 앞서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나, 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료 구조체(100)를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료 구조체(100)는 서로 적층되는 복수의 보강재(10) 사이에 기지재(20)가 배치되어 있다.

또한, 보강재(10)의 표면에는 제1 유전손실소재(11)가 부착되어 배치되어 있으며, 추가적으로 기지재(20)에도 제2 유전손실소재(21)가 포함될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 기지재(10)로서 고분자 수지를 사용하였으며, 고분자 수지 이외에도 비전도성 세라믹 소재가 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 보강재(10)의 표면에 제1 유전손실소재(11)가 배치되고, 추가적으로 기지재(20)에도 제2 유전손실소재(21)가 포함될 수 있기 때문에, 기지재(20)에만 유전손실소재가 과도하게 주입함에 따라, 기지재인 고분자 수지의 점도가 상승하는 것을 방지하면서도, 복합재료 구조체 전체적으로 충분한 양의 유전손실소재를 확보할 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서는, 전체 레이더 흡수 복합재료 구조체(100)에 대하여, 종래 기지재에만 나노 크기의 유전손실소재를 혼합할 경우 한계 혼합율이었던 고분자 매트릭스 대비 중량비 5wt% (복합소재 중량대비 1.5 wt%)로 포함될 수 있는 것에 비하여, 본 발명의 일 실시예에서는 5wt% 이상, 내지는 15 wt% (복합소재 중량대비 5 wt% 이상)까지 상기 제1 유전손실소재(11) 및 상기 제2 유전손실소재(21)의 전체 비율을 향상시킬 수 있었다.

한편, 본 발명의 레이더 흡수 복합재료 구조체는, 서로 인접하는 보강재(10)들이 서로 다른 비율로 제1 유전손실소재(11)가 각각 배치될 수 있다. 따라서, 복수의 보강재를 수장 내지 수십장 적층하여 구성되는 복합 재료의 각 층에 서로 다른 비율의 유전손실소재를 배치(코팅)하여, 다층구조(Multi-layer)의 레이더 흡수 복합재료 구조체를 제조하는 것이 가능하다.

또한, 기지재(20) 내부뿐만 아니라, 보강재(10) 표면에도 유전손실소재가 배치될 수 있기 때문에, 기지재(20)에 혼입되기 어려운 유전손실소재의 종류를 다양하게 변경시킬 수 있으며, 나노입자의 분산도와 공정 중 점도 저하에 의해 균일도가 저하되던 종래 레이더 흡수 복합재료에 비하여 균일한 레이더 흡수 성능을 구현할 수 있다.

한편, 제1 유전손실소재(11)와 제2 유전손실소재(21)는 그 크기가 최대 1μm 이하의 수십 내지 수백 나노 크기의 입자들을 사용하였다.

도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료 구조체(100)를 제조함에 있어서, 제1 유전손실소재(11)의 카르복실화와 보강재(10) 표면의 기능화를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 나노 크기의 제1 유전손실소재(11)를 수분산액에 분산시킴에 따라 제1 유전손실소재(11)는 카르복실화가 이루어지고, 제1 유전손실소재(11)가 배치될 보강재(10)의 표면은 아민화, 실라놀화 및 옥시렌그룹화 중에서 선택된 하나 이상의 그룹화를 통해, 제1 유전손실소재(11)가 보강재(10) 표면에 고정될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료 구조체(100)를 섬유 형태로 제조한 것과 그 확대 사진을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 보강재(10)로서 섬유 형태를 선택하는 경우, 보강재(10)의 표면은 전술한 그룹화를 통해 제1 유전손실소재(11)가 결합되는 고정제(10a) 역할을 할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료 구조체(100)의 제조 방법을 설명하기로 한다.

우선, 제1 유전손실소재(11)가 포함된 수분산 용액을 준비하고, 보강재(10)를 전술한 수분산 용액에 함침한다.

전술한 바와 같이, 제1 유전손실소재(11)가 수분산 용액에 분산됨에 따라, 제1 유전손실소재(11)는 카르복실화가 이루어져, 제1 유전손실소재(11) 표면에 친수성 화학관능기를 도입하는 것이 가능해진다.

따라서, 전파 흡수체에 유전손실소재를 혼합하고 분산시키는 공정을 간소화할 수 있으며, 제1 유전손실소재(11)를 수분산 용액에 분산시, 계면활성제의 조성 조절을 통해 다양한 농도의 수분산액 제조가 가능해진다.

또한, 보강재(10) 표면의 기능화를 통해, 보강재(10) 표면의 관능기와 제1 유전손실소재(11)의 화학 결합이 이루어져, 제1 유전손실소재(11)는 보강재(10) 표면에 확실하게 고정될 수 있다.

따라서, 예를 들어, 다층 형상의 단일 구조의 전파 흡수체를 제조하는 경우, 복수의 층이 갖는 제1 유전손실재료의 농도와 분산성을 제어하는 것이 가능해진다.

도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료 구조체(100)의 성능을 나타내는 그래프이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 종래의 레이더 흡수 복합재료와 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료 구조체의 성능을 비교하였을 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 흡수 복합재료 구조체가 보다 균일한 전파 흡수 성능이 나타나는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 레이더 흡수 복합재료 구조체와 그 제조 방법의 경우, 종래의 레이더 흡수 복합재료의 성능을 충분히 보완하여 이를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료 구조체(100)의 기능을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 레이더 흡수 복합재료 구조체(100)는, 종래의 레이더 흡수 구조체의 불규칙한 전자파 흡수 성능을 충분히 보와할 수 있기 때문에, 스텔스 소재가 적용될 수 있는 항공기 및 선박의 구조 재료의 핵심 소재로 사용될 수 있다.

전술한 설명들을 참고하여, 본 발명이 속하는 기술 분야의 종사자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 지금까지 전술한 실시 형태는 모든 면에서 예시적인 것으로서, 본 발명을 상기 실시 형태들에 한정하기 위한 것이 아님을 이해해야만 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구 범위에 의하여 나타내지며, 특허 청구 범위의 의미 및 범위 그리고 균등한 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

1. 레이더 흡수 복합재료 구조체를 제조하는 방법으로서,
   제1 유전손실소재가 포함된 수분산 용액을 준비하는 단계;
   서로 적층되는 복수의 보강재를 상기 수분산 용액에 함침하는 단계; 및
   상기 제1 유전손실소재가 결합된 복수의 보강재를 건조하는 단계를 포함하고,
   상기 제1 유전손실소재는 상기 수분산 용액 내에서 카르복실화가 이루어져, 상기 보강재의 표면에 결합되는 것을 특징으로 하는 레이더 흡수 복합재료 구조체의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 레이더 흡수 복합재료 구조체는
   상기 보강재 사이에 개재되는 기지재를 더 포함하고,
   상기 보강재의 표면에 상기 제1 유전손실소재가 배치되는 것을 특징으로 하는 레이더 흡수 복합재료 구조체의 제조방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   인접하는 보강재들은 서로 다른 비율의 제1 유전손실소재가 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 레이더 흡수 복합재료 구조체의 제조방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 유전손실소재는, 1㎛ 미만의 크기인 것을 특징으로 하는레이더 흡수 복합재료 구조체의 제조방법.
   
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 보강재의 표면은 아민화, 실라놀화 및 옥시렌그룹화 중에서 선택된 하나 이상의 그룹화를 통해, 상기 제1 유전손실소재와 결합되는 것을 특징으로 하는 레이더 흡수 복합재료 구조체의 제조방법.
   
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 기지재는, 고분자 수지 또는 비전도성 세라믹 소재인 것을 특징으로 하는 레이더 흡수 복합재료 구조체의 제조방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 기지재는, 제2 유전손실소재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 흡수 복합재료 구조체의 제조방법.
   
8. 삭제

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