Research Highlight

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- 탄화규소 섬유 네트워크 기반의 자가 감지 및 전자파 흡수 복합재 구조 (국방과학연구소) -

   

   이번 리서치 하이라이트에서는 2021년 2월에 공과대학 우수 박사학위 논문상을 받은 권현석 박사의 (김천곤 교수님 연구실 졸업, 현재 국방과학연구소 재직 중) “탄화규소 섬유 네트워크 기반의 자가 감지 및 전자파 흡수 복합재 구조”를 소개하도록 하겠습니다.

   

   기존의 고전적인 시스템에서 구조의 역할은 시스템에 물리적으로 가해지는 하중을 지지하는 것이었다. 하지만 시스템이 고도화되어감에 따라 구조에 대한 요구도는 기존의 하중 지지역할뿐만 아니라 다양한 기능들을 동시에 수행할 수 있는 다기능 시스템으로 변모되었다.

 

   서로 다른 두 개 이상의 재료들의 물리적 결합으로 이루어진 복합재료는 물리적 결합 이후에도 각 재료의 고유 성질이 유지될 수 있어, 각 재료의 고유 성질을 구조에 추가적인 성능을 구현하는데 활용할 수 있다. 더욱이, 복합재료는 무게 대비 매우 우수한 기계적 성질을 갖기 때문에, 구조에 추가적인 기능을 구현하는 데 구조 경량화도 함께 고려되어야 하는 항공우주 시스템에서 다기능 구조 구현을 위한 매우 적합한 재료이다.

 

   이전의 다기능 복합재료 연구에서는 탄소 나노 튜브와 같은 기능성 나노 입자들이 우수한 다기능성을 바탕으로 많이 활용되어왔다. 하지만, 나노 입자들을 복합재료 내에 일정하게 분산시키는 데 어려움이 있어, 최근에는 상대적으로 균일한 성능 구현이 용이한 기능성 섬유를 이용한 다기능 복합재료에 관한 연구가 관심을 받고 있다. 기능성 섬유로는 대표적으로 우수한 기계적 성질과 전기적 성질을 갖는 탄소 섬유가 있다. 하지만 보다 우수한 다기능성을 갖는 기능성 섬유에 대한 요구가 지속되고 있다. 최근에는, 우수한 열저항성을 가져 고온에서 운용되는 구조 적용을 위해 연구개발되고 있는 탄화규소 섬유가 반도체 성질에 기인한 매우 우수한 다기능성을 가질 것으로 예상되고 있어, 기능성 섬유로서의 탄화규소 섬유에 관한 연구가 관심을 받고 있다.

 

<그림 1> 섬유 방향 인장 하중에 따른 탄화규소 섬유의 저항 변화

 

<그림 2> 탄화규소 섬유 네트워크를 이용한 복합재 구조 충격 신호 취득 및 충격 위치 검출

 

   

   탄화규소 섬유는 우수한 압저항 성질뿐만 아니라, 우수한 기계적 성질과 전자파 손실특성을 갖는다. 따라서, 본 연구에서는 탄화규소 섬유 네트워크를 제안하여 탄화규소 섬유의 우수한 다기능 특성을 동시에 활용한 자가 감지 및 전자파 흡수 복합재를 제안하였다. <그림 3>은 본 연구에서 제안하는 탄화규소 섬유 네트워크 기반의 자가 감지 및 전자파 흡수 복합재 구조의 개념도이다. 비전도성 복합재료 내에서 비접촉식으로 일정한 패턴으로 배열된 탄화규소 섬유 네트워크는 탄화규소 섬유의 압저항 성질과 전자파 손실특성을 기반으로 복합재 구조에 자가 감지 및 전자파 흡수 성능을 부여한다. 독립적으로 배열된 탄화규소 섬유들은 압저항 성질을 기반으로 변형률 센서로 역할 하여 복합재 구조의 변형 및 충격 등을 감지하여 복합재의 구조 건전성을 감시한다. 또한, 탄화규소 섬유들이 이루는 네트워크는 복합재 구조에 전자파 손실특성을 부여하여, 복합재 구조가 전자파 흡수 성능을 갖게 한다. 따라서 탄화규소 섬유 네트워크 기반의 복합재 구조는 하중 지지뿐만 아니라 구조 감시 능력과 전자파 흡수 능력을 동시에 구현할 수 있다.

 

<그림 3> 탄화규소 섬유 네트워크 기반의 자가 감지 및 전자파 흡수 복합재 구조 개념도

   제안된 탄화규소 섬유 네트워크 기반의 자가 감지 및 전자파 흡수 복합재 구조의 설계 변수는 복합재료 내 네트워크를 이루는 탄화규소 섬유의 배열 패턴이다. 탄화규소 섬유 네트워크는 복합재 구조의 전자파 손실특성을 결정하기 때문에, 전자파 시뮬레이션을 통해 탄화규소 섬유의 배열 패턴에 따른 복합재 구조의 전자파 손실특성 변화를 확인하였다. <그림 4>는 복합재료 내 탄화규소 섬유의 배열 변화에 따른 유전율 변화를 보여준다. 탄화규소 섬유의 배열에 따라 유전율 제어가 가능함을 확인하였으며, 이 결과를 이용하여 X band (8.2 GHz ~ 12.4 GHz)에서 전자파 흡수 성능을 갖도록 탄화규소 섬유 네트워크를 설계하였다.

<그림 4> 탄화규소 섬유 배열에 따른 복합재 유전율 변화

   설계된 탄화규소 섬유 네트워크 기반의 자가 감지 및 전자파 흡수 복합재 구조를 제작하였으며, 자가 감지 및 전자파 흡수 성능을 평가하였다. 자유 공간 측정 장비를 이용하여 제작된 복합재 구조의 X band에서의 전자파 흡수 성능을 평가하였으며, 복합재 구조 내 탄화규소 섬유 네트워크를 구성하는 탄화규소 섬유를 센서로 활용하여 복합재 구조의 충격 신호를 취득하였다. 그 결과 설계된 전자파 흡수 성능이 성공적으로 구현됨을 확인하였으며, 외부 충격에 대한 충격 신호를 성공적으로 취득하였다.

 

<그림 5> 제작된 탄화규소 섬유 네트워크 복합재 구조의 다기능 성능 평가

   본 연구에서는 탄화규소 섬유의 압저항 성능 평가와 복합재 구조 건전성 감시용 센서 응용, 그리고 탄화규소 섬유 네트워크 기반의 자가 감지 및 전자파 흡수 구조에 관한 연구를 성공적으로 수행하였다. 최근 무인 비행체를 이용한 다양한 임무 수행에 관한 관심이 높아지고 있는데, 제안된 구조를 적용한다면 구조 건전성 감시를 통한 구조 신뢰성 확보와 저피탐 능력을 통한 생존성 향상을 동시에 확보할 수 있을 것으로 기대된다.

 

원고        권현석[khskr2000@kaist.ac.kr]

편집         박진우[jinpark57@kaist.ac.kr]