유전성 및 자성 손실재를 함유한 광대역 전자기파 흡수 복합재료의 실험적 연구

Abstract

본 연구는 기존의 유전성 손실재료 혹은 자성 손실재료가 독립적으로 사용된 전자기파 흡수체들의 단점을 극복하고, 장점을 접목하고자 유전성 및 자성 손실재료가 함께 포함된 얇은 두께로 광대역의 흡수 성능을 가지는 전자기파 흡수체의 개발을 목적으로 진행되었다. 유전성 손실재인 CNFs 기지에 강자성의 금속을 submicron 두께로 코팅함으로써 유전성 및 자성 손실을 띄는 하이브리드 손실재료를 개발하였다. 3회의 연속된 무전해 도금을 통해 약 200 ~ 300 nm 두께의 Ni-Fe층이 형성된 Ni-Fe coated CNFs라는 하이브리드 손실재를 제조할 수 있는 공정을 확립하였다. Ni-Fe-CNFs 40 wt% 복합재료는 2.40 mm의 두께로 약 3.7 GHz (8.3 ~ 12.0)의 10 dB 흡수 대역폭을 나타내었다. 단위 두께당 10 dB 흡수대역폭은 약 1.54 [GHz/mm]의 결과로 유전성 손실재를 함유한 CNFs 복합재료에 비해서 약 26%의 향상된 결과를 보였다. 유전성 손실재인 CNFs와 자성 손실재인 submicron $Ni_{52}Fe_{48}$ particles을 함께 분산된 단층형 혼합 흡수체에 대한 제작 및 설계 기법을 확립하였다. 세 가지 (40, 50, 60 wt%)의 NiFe 자성 분말의 함량에 따른 1.0 wt% 이하의 CNFs가 포함된 혼합형 복합재료 그룹을 설정하였고, 각 그룹별로 2 ~ 3 종류의 자성 및 혼합형 복합재료를 제작하였다. 각 그룹별 투자율의 평균값을 적용하여 단층형 혼합 RAM에 대한 최적의 유전율 조합을 갖는 해를 도식화 (Cole-Cole plot) 하였다. 또한 CNFs 함량에 따른 유전율 변화 곡선을 적용하여 최적의 CNFs 함량을 도출하였다. 60 wt%의 NiFe 자성 분말의 함량을 갖는 복합재료 그룹의 경우, 최적의 CNFs 함량이 약 0.25 wt%였으며, 2.00 mm의 두께로 약 4.6 (8.1~12.7) GHz의 10 dB 흡수대역폭을 나타내었으며, 단위 두께당 10 dB 흡수대역폭은 2.30 [GHz/mm]의 우수한 결과를 나타내었다. 마지막으로, 다층형 전자파 흡수체는 다중 정점의 반사손실 특성을 가질 수 있으므로 단층형 흡수체의 성능보다 광대역화를 이룰 수 있는 장점이 있다. CNFs와 submicron NiFe 자성분말이 첨가된 유리/에폭시 평직 프리프레그 복합재료로 이루어진 2층형 RAS에 대한 제작 및 성능평가를 수행하였다. 2층형 흡수체는 표면층과 흡수층으로 구성된 고유의 임피던스가 증가하는 순차적인 적층 방법으로 배열하였다. 적용된 표면층의 경우에는 유전율의 손실 탄젠트가 0.1 이하의 값을 갖는 3 종류의 복합재료를 사용하였다. 흡수층은 유전율 특성이 가장 우수한 D06 (CNF 6.0 wt%) 복합재료와 유전율 및 투자율이 혼합된 DM60 (CNF 6.0 wt% / NiFe 60 wt%) 복합재료를 선택하였다. 이들을 적용하여 6 가지 조합의 2층형 RAS에 대한 10 dB 흡수대역폭이 넓은 모델을 제시하였다. 이들 중 상대적으로 우수한 성능을 나타낸 결과들은 약 3.50 mm 이하의 정합 두께를 가지며, 약한 dual-peak의 흡수 경향을 띄면서 10 dB 흡수대역폭은 8.7 ~ 10.0 GHz를 나타내는 것으로 예측되었다. 성능평가 결과 단위 두께당 10 dB 흡수대역폭은 약 2.72 ~ 2.83 [GHz/mm]으로, 앞선 단층형 흡수체의 결과보다 향상된 높은 값을 나타내었다.