KR20030086059A - 섬유강화 복합 전파흡수체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 섬유강화 복합 전파흡수체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 투자율을 증가시키는 페라이트 분체를 첨가하고 유리섬유, 케블라 섬유, 석영 섬유, 폴리에틸렌계 섬유와 같은 저유전율 섬유로 강화시킨 복합재료로 임피던스 변성층을 구성하고, 손실계수가 큰 도전성 섬유강화 복합재료를 손실계수의 크기 순서로 층열 조합하여 전파감쇠층 및/또는 전파반사층을 구성한 다층형 전파흡수체에 대한 것이다.

Description

섬유강화 복합 전파흡수체 및 그 제조방법 {Electromagnetic wave absorbing composite and preparation process for the same}

본 발명은 섬유강화 복합 전파흡수체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 투자율을 증가시키는 페라이트 분체를 첨가하고 유리섬유, 케블라 섬유, 석영 섬유, 폴리에틸렌계 섬유와 같은 저유전율 섬유로 강화시킨 복합재료로 임피던스 변성층을 구성하고, 손실계수가 큰 도전성 섬유강화 복합재료를 손실계수의 크기 순서로 층열 조합하여 전파감쇠층 및/또는 전파반사층을 구성한 다층형 전파흡수체에 대한 것이다.

일반적으로 전파흡수체는 전파누설 또는 전파반사를 억제하기 위해 구성재료의 고주파 손실특성을 이용하여 전파에너지를 감쇠시키거나 반사파를 기준치 이하로 줄이는 기능소재로 각종 전자기기의 전자파장해 방지 수단으로 이용되고 있다.

이러한 전파흡수체를 제조하는 방법으로는 페라이트 또는 탄소 분말과 같은 전파 흡수 물질을 도료 또는 고무와 혼합하여 피막 또는 판재 형태로 가공하는 방법이 널리 사용되고 있다. 이러한 방법은 페라이트의 자기손실 또는 탄소분말의 도전손실 특성을 이용하여 전자파를 흡수하는 방식으로 3mm정도의 두께로 제조된 전파흡수체가 GHz 이상의 특정 주파수 대역에서 90%이상의 전파흡수 특성을 나타낼 수 있다.

그러나, 피막 또는 판재 형태의 가공방식은 기계적 강도와 구조재료의 두께면에서 한계가 있어서, 이러한 종래 기술의 문제점을 개량하기 위해 많은 연구들이 시도되어 왔다(대한민국 특허 제 144802호 및 제144803호, 대한민국 특허출원 제10-2000-20712호).

대한민국 특허 제144802호에 의하면, 반사판 상에 페라이트 자성체를 일정 간격으로 격자모양으로 반복해서 배치하고, 페라이트 자성체에 높이 방향을 따라 슬로트를 형성시켜 전파흡수체를 제조한다. 또한, 상기 발명에서는 페라이트 자성체의 두께와 반사판으로부터 전파도래방향으로 측정한 페라이트 자성체의 높이 사이에 일정 관계를 만족하도록 하여 페라이트 자성체의 두께를 가공공정상 문제가 비교적 적은 두께로 하면서, 등가유전율 및 등가투자율을 원하는 값으로 제어하여 광대역인 격자형 전파흡수체를 제조하는 방법을 개시하고 있다.

나아가, 대한민국 특허 제144803호에서는 반사판위에 일정 높이의 타일상 페라이트 자성체를 배치하고, 상기 타일상 페라이트 자성체 위에 일정 간격의 종횡으로 높이 방향을 따라 +형 슬로트를 형성한 페라이트 자성체를 일정 높이로 적층함과 동시에 상기 +형 슬로트의 폭, 길이, 높이 간에 일정 관계를 만족하도록 광대역 페라이트 전파흡수체를 구성하는 방법을 개시하고 있다.

또한, 대한민국 특허출원 제10-2000-20712호에서는 자기손실이 큰 페라이트 (Ni-Zn 페라이트, Co2Z를 포함하는 육방정계 페라이트)분말과 순철 분말을 흡수 충진제로 사용하고, 상기 분말을 성형성이 우수한 결합재 또는 플라스틱 지지재에 혼입시킨 복합재료를 이용하여 소형 또는 간이 전파암실에 적합한 피라미드 형상의 광대역 전파흡수체로 사용함으로써, 종래의 전파흡수체에 비해 그 두께를 줄이고자시도하였다.

그러나, 이러한 노력들에도 불구하고 기존의 도료 또는 고무판재형 전파흡수체는 기계적 강도가 떨어져 외부의 충격이나 마찰에 의해 파손이 우려되는 경우에 사용되기 어렵고, 구조물로써의 사용이 불가능하여 기존의 금속 구조물 위에 도포되는 방법으로 사용되어야 하는 제약이 있어서 구조물의 무게와 부피를 증가시키는 단점이 있다.

이러함에도 불구하고, 전파흡수체가 각종 무기체계의 스텔스 소재, 통신장비의 하우징 소재 등에 사용되어야 하는 현실을 고려할 때, 당업계에서는 직접 구조물로 사용 가능한 경량 고강도의 전파흡수체의 개발이 시급히 요청되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 한계점들을 극복하기 위하여 저유전율의 섬유강화 복합재료로 구성된 임피던스 변성층과 도전성 섬유강화 복합재료로 구성된 전파감쇠층 및/또는 전파반사층으로 이루어진 다층형 섬유강화 전파흡수체를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 저유전율 섬유로 강화시킨 복합재료로 임피던스 변성층을 구성하는 단계; 구성된 임피던스 변성층에 도전성 섬유강화 복합재료를 손실계수의 크기 순서로 층열 조합하여 전파감쇠층 및/또는 전파반사층을 구성하는 단계를 포함하는 다층형 섬유강화 전파흡수체의 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 전파흡수체를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 보강재로 E-유리섬유(E-glass fabric)을 사용하고 지지재로는 에폭시 수지를 사용하여 제작한 복합재료의 복소유전율 및 복소투자율을 도시한 도면이다.

도 3은 도 2의 유리섬유 복합재료에 충진재로 페라이트 분체를 함침시킨 시료의 복소투자율 및 복소유전율을 도시한 도면이다.

도 4는 직조(fabric) 배열의 탄소섬유 복합재료의 복소유전율 및 복소투자율을 도시한 도면이다.

도 5는 0°/45°적층배열의 탄소섬유 복합재료의 복소유전율 및 복소투자율을 도시한 도면이다.

도 6은 임피던스변성층, 전파감쇠층, 전파반사층으로 구성되는 3층형 전파흡수체의 전파흡수특성도이다.

도 7은 임피던스 변성층과 전파반사층으로 구성된 2층형 전파흡수체에서 변성층의 두께변화에 따른 전파흡수특성도이다.

도 8은 임피던스 변성층과 전파반사층 사이에 폼 코어(foam core) 또는 허니콤 코어(honeycomb core)로 구성되는 공기층을 삽입한 3층형 전파흡수체의 전파흡수특성도이다.

본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 저유전율의 섬유강화 복합재료로 구성된 임피던스 변성층과 도전성 섬유강화 복합재료로 구성된 전파감쇠층 및/또는 전파반사층으로 이루어진 다층형 섬유강화 전파흡수체를 제공함으로써 달성된다.

도 1에 본 발명의 전파흡수체의 구성을 개략적으로 도시하였다.

본 발명의 임피던스 변성층의 보강재로는 투자율과 유전율이 크지 않은 재료가 사용되며, 바람직하게는 유리 섬유, 케블라 섬유, 석영 섬유, 폴리에틸렌계 섬유가 보강재로 사용될 수 있다. 지지재로는 열가소성 또는 열경화성 고분자 수지가 모두 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 임피던스 변성층의 투자율을 증가시키기 위해 페라이트 분체가 충진재로 사용될 수 있다.

본 발명의 전파감쇠층 및 전파반사층은 손실계수가 큰 재료로 구성되며, 바람직하게는 탄소섬유 복합재료가 사용될 수 있다. 탄소 섬유의 전기전도도는 10³mho/cm 정도로 매우 커서 섬유 장축을 통한 도전 손실에 따른 전파의 감쇠 기능이 우수하므로 전파감쇠층 및 전파반사층의 재료로서 특히 적합하다.

본 발명의 또 다른 목적은 저유전율 섬유로 강화시킨 복합재료로 임피던스 변성층을 구성하는 단계; 구성된 임피던스 변성층에 도전성 섬유강화 복합재료를 손실계수의 크기 순서로 층열 조합하여 전파감쇠층 및/또는 전파반사층을 구성하는 단계를 포함하는 다층형 섬유강화 전파흡수체의 제조방법을 제공함으로써 달성된다.

본 발명에서 상기 탄소섬유의 도전손실은 섬유의 배향변화에 의해 조절될 수 있다. 입사전파의 전계벡터가 섬유와 직교하는 경우에는 섬유간의 공간전하 분극이 커져 커패시턴스가 최대가 되고, 반대로 평행인 경우에는 섬유의 길이 방향으로 유기전류가 커져 도전손실이 최대가 된다. 따라서, 섬유배열의 이방성이 심해질수록, 즉 일축 배열에 가까울수록, 도전손실이 크게 증가하기 때문에, 배면으로 갈수록 이방성이 큰 탄소섬유 복합재료를 사용하여 본 발명의 전파흡수체의 전파흡수특성을 향상시킬 수 있다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 태양을 설명하지만, 본 발명의 전파흡수체가 하기의 실시 태양에 한정되는 것은 아니다.

도 2에 보강재로 E-glass fabric을 사용하고 지지재로는 에폭시 수지를 사용하여 제작한 복합재료의 복소유전율( ε_r=ε_r′- ε_r″) 및 복소투자율(μ_r= μ_r′- jμ_r″)을 도시하였다. 상기 복합재료의 유전율의 실수(ε_r′)는 약 4.0, 투자율의 실수(μ_r′)는 약 1.1 정도로 임피던스 변성층에 적합한 전자기적 성질을 나타내었다.

도 3에 도 2의 유리섬유 복합재료에 충진재로 페라이트 분체를 함침시킨 시료의 복소투자율 및 복소유전율을 도시하였다. 페라이트 자성체의 첨가에 따른 자기손실(μ_r″)을 볼 때, 페라이트 충진재의 사용으로 투자율을 증가시킬 수 있음을 알 수 있었다.

도 4에 직조(fabric) 배열(등방성)의 탄소섬유 복합재료의 복소유전율 및 복소투자율을 도시하였다. 복소유전율의 실수(ε_r′)는 4 GHz에서 23정도의 값으로부터 서서히 감소하여 12 GHz에서 15의 값을 보이고, 도전손실에 해당하는 복소유전율의 허수( ε_r″)는 주파수 증가에 따라 약간 증가하는 경향을 보이나 대략 7 정도의 값을 나타내었다. 따라서, 등방성의 탄소섬유 복합재료가 전파감쇠층에 적당한 도전손실특성을 보임을 알 수 있었다.

도 5에 0°/45°적층배열(이방성)의 탄소섬유 복합재료의 복소유전율 및 복소투자율을 도시하였다. 복소유전율의 실수(ε_r′)는 20 정도의 거의 일정한 값을 갖는 반면, 허수( ε_r″)는 4GHz에서 65정도의 매우 큰 값을 갖고 전 주파수 대역에서 실수보다 컸다. 따라서, 이방성의 탄소섬유 복합재료의 도전손실 특성이 매우 크므로, 높은 전파 감쇠능 및 차폐능이 요구되는 전파반사층에 적합함을 확인할 수 있었다.

도 6은 임피던스 변성층, 전파감쇠층 및 전파반사층으로 구성되는 3층형 전파흡수체의 전파흡수특성이다. 임피던스 변성층에는 유리섬유 복합재료, 전파감쇠층에는 직조배열의 탄소섬유 복합재료, 전파반사층에는 0°/45°적층배열의 탄소섬유 복합재료를 사용하였다. 임피던스 변성층의 두께를 5 mm, 전파감쇠층의 두께를 2 mm, 전파반사층의 두께를 4 mm로 제작하였을 때 4-12GHz 전대역에 걸쳐 -10 dB 이하의 반사감쇠량을 갖는 광대역 흡수특성을 보였다.

도 7에 페라이트가 함침된 유리섬유 복합재료로 구성된 임피던스 변성층과 0°/45° 적층배열의 탄소섬유 복합재료로 구성된 전파반사층을 조합한 2층형 전파흡수체의 전파흡수특성을 나타내었다.

전파반사층의 두께를 5 mm로 고정하고 변성층의 두께를 3-5 mm로 변화시켰을 때, 4-12 GHz 주파수 범위에서 우수한 전파흡수특성을 보였다. 최대흡수 주파수는 변성층의 두께가 커짐에 따라 저주파 대역으로 이동하고, 그 주파수에서 반사감쇠량도 -25 dB 이하가 되었다.

변성층의 두께가 4 mm일 때 8 GHz 부근에서 -30 dB의 반사감쇠량을 보이고, -10 dB를 기준으로 한 흡수 대역도 5-10G Hz 범위에 걸쳐 있어 비대역폭도 비교적 컸다. 두께가 3 mm인 경우 X-band (8-12 GHz) 주파수 대역에서 전파흡수특성이 좋고, 두께를 5 mm로 증가시키면 C-band(4-8 GHz) 주파수 대역에서 흡수능이 뛰어났다. 따라서, 변성층의 두께를 변화시켜 사용 주파수를 조절할 수 있다.

도 8에 유리섬유 복합재료로 구성된 임피던스 변성층과 탄소섬유 복합재료로 구성된 전파반사층 사이에 폼 코어(foam core) 또는 허니콤 코어(honeycomb core)로 구성된 공기층을 삽입한 3층형 전파흡수체의 전파흡수특성을 도시하였다.

전파반사층의 두께를 2mm, 공기층의 두께를 2mm, 임피던스 변성층의 두께를 2mm로 전파흡수체를 제작하였을 때 6-9 GHz 주파수 범위에서 -20dB의 전파흡수특성을 보였다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 저유전율의 복합재료를 임피던스 변성층에 사용하고, 손실계수가 큰 도전성 섬유강화 복합재료를 손실크기 순으로 전파감쇠층 및 전파반사층에 층열 조합함으로써 기존의 도료 또는 판재 방식의 전파흡수체가갖는 구조물의 무게 증가, 기계적 특성의 저하 등의 종래 기술의 문제점을 해소하였다.

본 발명의 전파흡수체는 연속섬유의 사용으로 기존의 방식보다 기계적 특성이 향상되었고, 특히 비강도가 큰 탄소섬유 복합재료를 반사층 재질로 사용함으로써 구조물의 경량화를 이룰 수 있다. 또한, 저밀도의 폼 코어(foam core)나 허니콤 코어(honeycomb core)를 사용함으로써 전파흡수특성을 개선시키고, 전파흡수체의 경량화를 이룰 수 있는 장점이 있다.

따라서, 본 발명의 전파흡수체는 각종 무기체계의 스텔스 재료, 통신장비의 전파누설 방지용 하우징 소재 등에 효과적으로 사용될 수 있다.

Claims (12)

1. 저유전율의 섬유강화 복합재료로 구성된 임피던스 변성층과 도전성 섬유강화 복합재료로 구성된 전파감쇠층 및/또는 전파반사층으로 이루어진 다층형 섬유강화 전파흡수체.
2. 제1항에 있어서, 상기 저유전율 섬유가 연속섬유인 것을 특징으로 하는 전파흡수체.
3. 제1항에 있어서, 상기 저유전율 섬유가 유리섬유, 석면섬유, 케블라섬유 및 폴리에틸렌섬유로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 전파흡수체.
4. 제1항 내지 제3항에 있어서, 상기 임피던스 변성층에 페라이트 충진재가 추가로 첨가된 것임을 특징으로 하는 전파흡수체.
5. 제1항에 있어서, 상기 도전성 섬유강화 복합재료가 탄소섬유 복합재료인 것을 특징으로 하는 전파흡수체.
6. 제5항에 있어서, 상기 탄소섬유 복합재료가 전파감쇠층에서는 직조(fabric) 형태의 탄소섬유 복합재료이고, 전파반사층에서는 0°/45°적층배열의 탄소섬유 복합재료임을 특징으로 하는 3층형 전파흡수체.
7. 제5항에 있어서, 상기 탄소섬유 복합재료가 0°/45°적층배열의 탄소섬유 복합재료임을 특징으로 하는 2층형 전파흡수체.
8. 제1항에 있어서, 임피던스 변성층과 전파반사층 사이에 존재하는 공기층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전파흡수체.
9. 제8항에 있어서, 상기 공기층의 구성이 폼 코어(foam core), 허니콤 코어(honeycomb core)로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 전파흡수체.
10. 저유전율 섬유로 강화시킨 복합재료로 임피던스 변성층을 구성하는 단계; 구성된 임피던스 변성층에 도전성 섬유강화 복합재료를 손실계수의 크기 순서로 층열 조합하여 전파감쇠층 및/또는 전파반사층을 구성하는 단계를 포함하는 다층형 섬유강화 전파흡수체의 제조방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 도전성 섬유강화 복합재료의 손실계수의 크기를 도전성 섬유의 배향을 변화시켜 조절하는 것을 특징으로 하는 다층형 섬유강화 전파흡수체의 제조방법.
12. 제10항에 있어서, 상기 임피던스 변성층, 전파감쇠층 및/또는 전파반사층의 두께를 변화시켜 반사감쇠량 및 흡수 주파수 대역을 조절하는 것을 특징으로 하는 다층형 섬유강화 전파흡수체의 제조방법.