KR102663391B1 - 전자파 흡수 구조체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 허니콤(honeycomb) 형상의 구조를 가지며, 자성재료 코팅층이 코팅된 것을 특징으로 하는 전자파 흡수 구조체로서, 본 발명에 의하면, 저주파를 활용한 안티 스텔스 기술로부터 스텔스 항공기를 보호할 수 있다.

Description

전자파 흡수 구조체{RADAR ABSORBING STRUCTURE}
본 발명은 전자파 흡수 물질을 이용한 전자파 흡수 구조체와 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
스텔스 기술은 전자기 신호, 음향 신호, 적외선 신호 등 탐지에 이용되는 신호를 조절하여 적의 탐지 기술로부터 아군의 무기를 보호하는 기술이다. 무기의 생존성은 성공적인 임무 수행을 위해 중요한 요인이기 때문에 이러한 스텔스 기술이 최근에 많이 개발되고 적용되고 있으며, 최근 개발되는 전투기, 한국의 KF-21 보라매 등 전투기에도 이러한 스텔스 기술을 포함하고 있다.
탐지에 사용되는 신호 중 특히 전자기 신호의 경우 타겟의 위치, 크기, 속도 뿐만 아니라 신호 분석을 통해 타겟의 종류까지 알 수 있다. 따라서 전자기 신호를 사용하는 레이다로부터 아군의 무기를 보호하는 것이 무엇보다 중요하다.
이러한 레이다로부터 무기를 보호하기 위한 방법은 크게 형상 조절, 전자파 흡수 물질 사용, 그리고 전자파 상쇄 세가지로 나눌 수 있다.
형상 설계 방법은 항공기 등의 무기를 전자파가 여러 방향으로 산란되거나 특정 방향으로만 반사되도록 형상을 설계하여 적의 레이다로부터 보호하는 방법이다. 전자파 흡수 물질을 사용하는 방식은 무기에 전자파를 흡수하는 도료를 이용하거나 전자파를 흡수하는 구조물을 적용하여 전자파를 흡수하여 레이다의 탐지를 피하는 방법이다. 마지막으로 전자파 상쇄는 전자파를 상쇄하는 전파를 방출하여 반사되는 전자파를 제거하는 방법이다.
현재 사용중인 전투기는 스텔스 성능을 가지기 위해 형상 설계 방법과 전 자파 흡수 도료를 많이 사용하고 있으나, 형상 설계의 경우 항공기의 비행 성능에 영향을 줄수 있고, 전자파 흡수 도료는 유지 보수를 위해 많은 비용과 시간이 들기 때문에 이를 대체하기 위해 전자파 흡수 구조 연구가 많이 진행 중에 있다.
최근 스텔스 전투기를 탐지하기 위한 안티 스텔스 기술이 개발되고 있으며, 이러한 방법 중 대표적인 방법이 저주파를 활용한 방법이다. 현재 전투기 등의 탐지하기 위해 주로 사용되는 레이다의 주파수 대역은 C-band(4-8 GHz), X-band(8-12 GHz) 그리고 Ku-band(12-18 GHz) 이다.
전자파는 주파수가 높아지면 직진성은 높아지나 탐지거리가 짧아지고, 주파수가 낮으면 직진성은 감소하는 대신 탐지거리가 길어지는 특성을 보인다. 주파수에 따라 탐지거리, 정확성, 안테나의 크기 등이 변화하기 때문에 여러가지 요인을 고려하여 위의 주파수를 많이 사용하고 있다. 스텔스 기술도 이러한 주파수에 집중하여 연구되어지고 있다. 이러한 이유로 안티 스텔스 기술은 스텔스 항공기에게 취약한 저주파 대역을 이용하게 된다.
이러한 안티 스텔스 기술 발전에 따라 스텔스 항공기 또한 새로운 연구가 필요하게 되었다.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
한국등록특허공보 제10-2199557호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 저주파를 활용한 안티 스텔스 기술로부터 스텔스 항공기를 보호하기 위한 전자파 흡수 구조체 및 그것의 제조 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 관점에 의한 전자파 흡수 구조체는, 허니콤(honeycomb) 형상의 구조를 가지며, 자성재료 코팅층이 코팅된 것을 특징으로 한다.
상기 허니콤 형상은 동일한 크기를 가진 복수 개의 단위 셀(cell)이 결합되어 형성되며, 상기 단위 셀은 중공이 형성된 육각 기둥 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 단위 셀은 이웃하는 단위 셀과 옆면이 접하여 결합된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 자성재료 코팅층은 상기 단위 셀의 옆면에 코팅된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 자성재료 코팅층의 자성재료는 센더스트(sendust)가 에폭시(epoxy)에 분산된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센더스트의 비율은 상기 에폭시 100 중량%를 기준으로 30 중량% 이상인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 자성재료 코팅층의 두께는 0.4mm±0.01mm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자파 흡수 구조체의 두께는 220mm~270mm인 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 전자파 흡수 구조체는 0.3~3GHz의 UHF(Ultra high frequency) 영역의 전자파 대역을 흡수하는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 전자파 흡수 구조체 제조 방법은, 중공이 형성된 육각 기둥 형상의 복수 개의 단위 셀(cell)을 제작하는 단계, 복수 개의 상기 단위 셀의 옆면에 자성재료를 코팅하는 단계 및 복수 개의 상기 단위 셀 각각이 이웃하는 단위 셀과 옆면이 접하하도록 결합하여 허니콤(honeycomb) 형상의 구조로 제작하는 단계를 포함하여, 0.3~3GHz의 UHF(Ultra high frequency) 영역의 전자파 대역을 흡수하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 자성재료 코팅층의 자성재료는 센더스트(sendust)가 에폭시(epoxy)에 분산된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센더스트의 비율은 상기 에폭시 100 중량%를 기준으로 30 중량% 이상인 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 자성재료를 코팅하는 단계에 의한 상기 자성재료 코팅층의 두께는 0.4mm±0.01mm인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 허니콤(honeycomb) 형상의 구조로 제작된 상기 전자파 흡수 구조체의 두께는 220mm~270mm인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전자파 흡수 구조체는 허니콤 구조와 자성 소재로 인해 두꺼운 두께와 높은 투자율을 확보하여 UHF 대역의 전자파를 흡수할 수 있어 안티 스텔스 기술로부터 스텔스 항공기를 보호할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전자파 흡수 구조체를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 전자파 흡수 구조체를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 본 발명의 전자파 흡수 구조체에 적용되는 자성재료 코팅층의 유전율 및 투자율 측정을 위한 시편 제작 과정을 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 도 2의 시편의 유전율 및 투자율 측정 결과이다.
도 5는 도 1의 전자파 흡수 구조체의 설계 모델을 나타낸 것이다.
도 6은 도 5의 전자파 흡수 구조체의 설계 모델에 의한 전자파 흡수 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 도 2의 전자파 흡수 구조체의 설계 모델을 나타낸 것이다.
도 8은 도 7의 전자파 흡수 구조체의 설계 모델에 의한 전자파 흡수 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 도 5에서 설계된 전자파 흡수 구조체의 밀도 및 흡수 주파수와 비교예들의 밀도 및 흡수 주파수를 나타낸 것이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전자파 흡수 구조체를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 전자파 흡수 구조체를 도시한 것이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 전자파 흡수 구조체 및 그것의 제조 방법을 설명하기로 한다.
본 발명은 기존 C, X, Ku-band 중심의 전자파 흡수 구조가 취약한 UHF 대역(Ultra High frequency, 0.3~3GHz)에서 흡수성능을 보이는 전자파 흡수 구조체이다.
낮은 주파수에서 흡수 성능을 가지기 위해서는 흡수구조의 두께가 두껍고 투자율을 보유하고 있어야 한다.
이에 착안하여, 본 발명은 자성 재료를 활용하여 투자율을 확보하였으며, 허니콤(honeycomb)을 활용하여 두꺼운 두께에도 가벼운 무게를 가지도록 구성된 구조체이다.
자성재료가 분산된 에폭시를 허니콤에 코팅하여 투자율을 높여주어 비교적 얇은 두께에서도 흡수성능을 가지도록 구성되며, 가벼운 무게를 위해 허니콤을 활용한 구조체로서, 검증된 기계적 성능으로 바로 항공기에 적용할 수 있는 구조체가 된다.
즉, 본 발명의 전자파 흡수 구조체는 도시와 같이 전체적으로 허니콤 형상을 가지며, 자성재료 코팅층이 코팅되어 형성된 것이다.
허니콤 형상은 복수 개의 단위 셀(cell)이 결합되어 구성되고, 단위 셀은 중공이 형성된 육각 기둥 형상으로 형성되어, 이웃하는 단위 셀과 옆면이 접하여 결합된 구성을 가진다.
그리고, 단위 셀의 옆면이 자성재료 코팅층으로 코팅된다.
이와 같은 구성을 가진 본 발명의 전자파 흡수 구조체는 먼저 단위 셀을 제작하고, 단위 셀의 옆면에 자성재료 코팅층을 코팅한 후, 복수 개의 단위 셀을 허니콤 구조로 결합하여 제조한다.
본 발명이 전자파를 흡수하는 방법은 투자율과 두께를 조절하여 전자파가 흡수구조 내부에서 상쇄되도록 하는 것이다. 기존 얇은 전자파 흡수 구조물은 구조물 표면에서 반사되는 전자파와 접지면에서 반사되는 전자파의 상쇄간섭을 이용하여 전자파를 흡수하며, 이 경우 작은 두께 변화에도 흡수 성능이 크게 변화하게 된다.
본 발명은 전자파 감쇄 특성이 있는 재료를 활용하여 전자파를 흡수하며, 이러한 흡수 구조는 두께 변화에 따른 흡수 성능 변화가 크지 않다. 이러한 특성으로 인해 전자파 흡수 구조를 도 1 및 도 2와 같이 다양한 방향으로 설계 및 응용할 수 있다.
본 발명의 자성재료 코팅층을 위한 자성재료는 센더스트(sendust)를 에폭시(epoxy)에 분산한 것일 수 있으며, 이러한 본 발명의 자성재료에 의한 전자파 흡수 성능을 확인하기 위해 다음과 같이 실험 및 시뮬레이션을 진행하였다.
실험을 통해 센더스트가 분산된 에폭시의 전자기 물성(유전율, 투자율)을 측정하였으며, 측정된 데이터를 바탕으로 저주파 전자파 흡수 구조를 설계하였다.
먼저 센더스트가 분산된 에폭시의 유전율 및 투자율을 구하는 방법은 다음과 같다. 도 3과 같이 쓰리롤밀(Three-roll-mil) 장비를 통해 센더스트를 에폭시에 분산시킨 후 오븐에서 경화시킨다. 경화된 시편을 외경 7 mm, 내경 3.04 mm인 도넛 형태로 가공한 뒤, 네트워크 분석기를 활용하여 투과되는 신호 및 반사되는 신호의 분석을 통해 유전율(permittivity) 및 투자율(permeabillity)을 측정하였으며, 도 4a 및 도 4b와 같은 유전율 및 투자율 측정 결과가 나타났다. 해당 결과는 센더스트의 입자 크기가 25㎛인 경우의 결과이다.
결과에서 센더스트의 비율이 에폭시 100 중량%를 기준으로 30중량% 이상인 경우에 높은 투자율이 나타나며, 측정 결과와 같이 높은 투자율을 나타냄을 확인할 수 있었으므로, 제조된 자성재료를 이용하여 전자파 흡수 구조체를 설계하였다.
도 5는 도 1과 같은 전자파 흡수 구조체(10)의 설계 모델을 나타낸 것으로서, 전자파와 허니콤의 두께 방향이 평행한 경우이다.
도 5의 설계 모델에서 설계에 사용된 설계 변수는 센더스트 비율, 센더스트/에폭시 코팅 두께(Coating thickness), 전자파 흡수 구조체의 두께(Depth)로 설정하였다.
도 5의 전자파 흡수 구조체의 설계 모델에 의하면 도 6과 같은 전자파 흡수 결과를 나타내었다.
결과에서 알 수 있듯이, 전자파 흡수 구조체의 두께는 220mm~270mm에서, 그리고 코팅층의 코팅 두께는 0.4mm±0.01mm에서, UHF 영역에서 우수한 흡수 성능이 나타났다.
다음, 도 7은 도 2와 같은 전자파 흡수 구조체(20)의 설계 모델을 나타낸 것으로서, 허니콤의 두께 방향이 전자파에 수직한 경우이다.
도 7의 설계 모델에서 설계에 사용된 설계 변수는 센더스트 비율, 센더스트/에폭시 코팅 두께(Coating thickness), 전자파 흡수 구조체의 두께(Depth)로 설정하였다.
도 7의 전자파 흡수 구조체의 설계 모델에 의하면 도 8과 같이 UHF -10dB peak 설계 가능 영역을 포함한 UHF 영역에서 우수한 흡수 성능이 나타남을 확인할 수 있었다.
이상의 시뮬레이션을 통해 센더스트/에폭시가 코팅된 허니콤 구조물을 활용하여 UHF에서 전자파 흡수 성능을 보이는 흡수구조가 설계 가능한 것을 확인할 수 있었다. 본 발명은 전자파 입사 방향에 따라 다양한 전자파 흡수 구조를 설계할 수 있었으며, 허니콤 cell, 코팅 두께, 흡수 구조의 두께를 변화시켜 더 다양한 주파수에서 성능이 발휘될 수 있다.
도 9는 도 5에서 설계된 전자파 흡수 구조체의 밀도 및 흡수 주파수와 표시된 재질을 포함하는 비교예들의 흡수체의 밀도 및 흡수 주파수를 비교한 결과이다.
이와 같은 결과를 통해 본 발명에 의한 전자파 흡수 구조체는 기존 흡수체들 보다 가볍고 넓은 주파수에서 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다.
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
10, 20 : 전자파 흡수 구조체

Claims (14)

  1. 허니콤(honeycomb) 형상의 구조를 가지며,
    자성재료 코팅층이 코팅된 것을 특징으로 하고,
    상기 자성재료 코팅층의 자성재료는 에폭시(epoxy) 100 중량%에 30 중량% 이상 50 중량% 이하의 센더스트(sendust)가 분산된 것을 특징으로 하며,
    상기 자성재료 코팅층의 두께는 0.4mm±0.01mm이고, 전자파 흡수 구조체의 높이는 220mm~270mm인 것을 특징으로 하고,
    0.3~3GHz의 UHF(Ultra high frequency) 영역의 전자파 대역을 흡수하는 것을 특징으로 하는,
    전자파 흡수 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 허니콤 형상은 동일한 크기를 가진 복수 개의 단위 셀(cell)이 결합되어 형성되며,
    상기 단위 셀은 중공이 형성된 육각 기둥 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는,
    전자파 흡수 구조체.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 단위 셀은 이웃하는 단위 셀과 옆면이 접하여 결합된 것을 특징으로 하는,
    전자파 흡수 구조체.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 자성재료 코팅층은 상기 단위 셀의 옆면에 코팅된 것을 특징으로 하는,
    전자파 흡수 구조체.
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