재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 11번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘미래국방소재’다. 미래 전장 환경 변화, 병력대상 인구의 감소, 해외 주요국의 국방력 강화 등 미래국방 관련 기술개발의 요인이 갈수록 증가하고 있고, 우리나라 또한 정부 국정과제 및 주요 국방 관련 정책 대응을 위한 기술현황 파악에 적극적으로 나서고 있다. 소재기술백서 2019는 이러한 ‘미래국방을 위한 소재기술’을 주제로, 내열 및 구조 소재, 생존 및 방호 소재, 첨단지능형 방산기능 소재와 관련한 기술동향을 분석하는데 집중했다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2019’를 연재한다.
■ 기술의 정의 및 분류
현대전의 방어체계인 킬 체인(Kill Chain)은 감시→탐지→표적 획득→추적→발사→유도 및 격파의 단계를 가지며, 이 순서에 따른 지속적인 연계와 유연한 다음 단계로의 전환이 필수적이다. 이를 위해 각국은 수많은 레이더 시스템을 운용하고 있으며 적의 전투기, 미사일 등 위험요소들로부터 나오는 전파신호를 포착함으로써 사전에 적의 움직임을 탐지하고 격파하여 아군의 생존성을 담보하고자 한다.
전파 스텔스, 또는 저피탐(低被探) 기술은 이 과정에서 적의 감시 레이더로부터 나오는 전파가 발신지로 되돌아가지 못하게 함으로써 킬 체인의 연결고리를 차단하는 것이 목적이다. 예를 들어 적 감시 레이더의 전파가 스텔스 전투기를 향하더라도 해당 전파는 레이더로 반사되지 않기에 탐지가 불가능하고, 이에 따라 표적 획득이 불가능해지기에 전투기를 향한 무장(대공 미사일 등) 발사가 원천적으로 봉쇄되는 것이 핵심이다.
레이더에서 인식되는 표적의 크기를 레이더 반사 면적(Radar Cross Section, RCS)이라 하는데, 일반 전투기인 F-15의 RCS가 25m2인 반면 최신예 스텔스 전투기인 F-35는 새나 벌레 수준인 0.005m2에 불과하다. 따라서 <그림 1>에서 볼 수 있듯이 F-15가 약 600km 거리에서 탐지되는 반면 F-22/F-35는 50km 이하 거리에서야 탐지가 가능해지고, 이에 따라 스텔스 전투기의 조종사는 자신이 탐지되기 전에 적기를 먼저 격파할 수 있다.
전파 스텔스 성능을 구현하기 위해서는 크게 세 가지 접근법이 존재한다. 먼저 형상을 제어하는 방법은 대상의 외형을 조절하여 입사된 레이더 전자기파를 다른 방향으로 산란시키는 기술로 고주파수일수록 효율이 뛰어난 것으로 알려져 있다. 반면에 스텔스 성능이 구현되어야 하는 대상(전투기, 함정 등)의 운용 시 공기역학적, 열 특성, 구조 설계 문제 등의 분야와 배치되므로 실제적인 적용에는 한계가 따르지만, 현재의 스텔스 전투기 설계 과정에서 필수적으로 고려되는 요소이다.
능동 소자를 이용하는 기술은 우리가 일상생활에서 널리 사용하는 노이즈 캔슬링(noise cancelling) 이어폰과 동일한 원리로, 적의 레이더로부터 도달한 전파와 똑같은 전파를 반 파장 차이 나도록 발사함으로써 상쇄간섭을 일으키는 것이다. 능동 소자를 이용한 기술은 이론적으로 최대의 흡수능을 나타낼 수 있지만, 매우 협소한 주파수 대역 및 방향성을 가질 뿐 아니라 정밀한 제어가 요구되는 문제점을 갖고 있다. 해당 기술은 프랑스 다소(Dassault)사의 라팔(Rafale)기에 일부 적용된 것으로 알려져 있다.
따라서 효율적으로 RCS를 줄이기 위해서는 입사된 레이저 전파를 실제로 흡수하여 되돌아가지 못하게 하는 전파흡수소재(Radar Absorbing Material, RAM) 및 전파흡수구조(Radar Absorbing Structure, RAS) 대한 연구가 반드시 병행되어야 한다. 전파흡수소재는 입사된 전파의 에너지를 흡수하여 열에너지 등 다른 형태로 전환시킴으로써 반사파를 최소화시키는 소재로, 최근에는 전파흡수성능과 구조기능을 함께 가지는 전파흡수구조에 관한 연구도 진행 중이다.
전파흡수소재는 유전성 흡수소재, 자성 흡수소재, 유전성-자성 하이브리드 흡수소재 등으로 분류될 수 있으며 최근에는 메타물질을 활용한 전파흡수소재 및 다층구조의 광대역 전파흡수소재 또한 활발히 연구되고 있다. 본고에서는 이와 같은 전파흡수소재의 연구동향 및 산업동향에 대해 알아보고 미래 연구방향 및 정책 진행방향 등에 대해 논해 보고자 한다.
■ 기술의 원리
최초의 전파흡수소재로 알려진 것은 솔즈베리 스크린(Salisbury screen)으로, 이는 현대에도 전파흡수소재의 기본 개념으로 널리 사용되고 있다. 솔즈베리 스크린의 역할은 입사한 전파와 반사되는 전파가 반 파장 차이 나도록 만들어 두 전파간의 상쇄 간섭을 일으키게 하는 것이다. 솔즈베리 스크린은 <그림 3>의 왼쪽 그림과 같이 매우 얇은 도체층과 중간의 유전구조체, 그리고 완전전도체(PEC)로 구성되어 있다.
적의 레이더로부터 전파가 입사하면 얇은 도체층에서 일부 전파는 반사되고 일부 전파는 투과된다. 투과된 전파는 아래의 완전전도체 층에서 모두 반사되는데, 이때 위의 도체층과 아래의 완전전도체 층 사이의 거리를 1/4 파장으로 하면 전파의 진행거리가 정확히 반 파장이 된다.
따라서 원래의 반사파와 추가 입사한 반사파 사이의 상쇄간섭이 일어나게 되고, 반사되는 전자파가 소멸되면서 전파흡수 성능을 발현할 수 있게 된다. 그러나 흡수되는 전파의 파장이 유전구조체의 두께에 따라 결정되기 때문에 특정 주파수에 대해서만 우수한 흡수성능을 발현할 수 있는 한계점을 지니고 있다.
이를 극복하기 위해 솔즈베리 스크린을 다층으로 구성하고 층별 두께를 다르게 해 다양한 주파수에 대응할 수 있도록 하는 자우만 흡수체(Jaumann absorber)도 제안된 바 있으나, 다층구조 구현에 따라 두께가 크게 증가하는 단점을 가지고 있다.
현재 더욱 널리 활용되고 있는 전파 스텔스 소재의 개념은 달렌바흐 레이어(Dallenbach layer)이다. 솔즈베리 스크린이 두 개의 층(도체층, 유전구조체)으로 구성되어 있는 반면, 달렌바흐 레이어는 하나의 층으로 구성되어 있다.
솔즈베리 스크린과 같이 소재 상단과 하단에서 반사되는 전파의 상쇄간섭으로 전파흡수성능을 발현하는 개념도 포함하고 있지만, 일반적으로 달렌바흐 레이어에서 활용되는 개념은 임피던스 매칭을 통해 전파의 반사를 최소화시키는 것이라 할 수 있다. 이는 RF(Radio Frequency)에서 사용되는 전송선로 이론(Transmission Line Theory)에서의 개념과 매우 흡사하다.
에너지원(그림 5의 왼쪽 부분)으로부터 전파가 전송선로(그림 5 가운데의 Z0)를 통해 부하(그림 5 오른쪽의 ZL)에 도달하게 되면 전송선로와 부하의 임피던스 차이에 의해 AA’단에서 전파의 반사가 발생하게 되며, 그 반사량은 전송선로와 부하의 임피던스 차이에 비례하여 증가한다.
따라서 전송선로에서는 1/4 파장의 길이를 갖는 적절한 소재(그림 5 가운데의 Z0)를 전송선로와 부하 사이에 삽입해 임피던스의 급격한 변화를 줄이고 매칭시켜 AA’단에서의 반사를 최소화하는데, 이를 임피던스 변환기(Quarter-wave impedance transformer)라 한다.
이를 전파 스텔스에 대입하여 생각해 보면 에너지원은 레이더, 전송선로는 공기, 부하는 전투기이며 임피던스 변환기는 달렌바흐 레이어 기반의 스텔스 소재라 할 수 있다. 따라서 적절한 스텔스 소재의 설계를 통해 전투기에서 발생하는 레이더 전파의 최소화가 가능하다. 이 때 최적의 스텔스 소재가 가져야 할 유전율(εr), 투자율(μr) 및 그 두께(l)는 다음과 같다.
이러한 물성은 흡수해야 할 주파수(f)에 따라 달라지는데, 따라서 구성 소재의 적절한 선정을 통해 주파수에 따라 유전율과 투자율이 변하도록 한다면 광대역 전파에 대응할 수 있는 광대역 흡수체를 설계하는 것 또한 가능하다.
특히 재료적 관점에서 단층형의 우수한 흡수소재를 만들기 위해서는 물질의 재료정수, 복수 비유전율 및 투자율의 역할이 매우 크다고 할 수 있다. 일반적으로 흡수체의 정합 두께는 복소 비유전율과 투자율의 실수항의 크기에 반비례한다.
복소 비유전율과 투자율의 허수항을 동시에 갖고 있는 재료의 경우 한쪽만 존재하는 경우보다 더 넓은 흡수대역을 갖는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 유전성 흡수소재와 자성 흡수소재의 경우에는 유전율 혹은 투자율 한쪽으로 편향되어 있는 특징이 있고, 이를 극복하기 위해 유전성-자성 하이브리드 흡수소재가 연구되고 있다.
유전성과 자성이 혼합된 흡수소재를 제작하는 방법은 크게 몇 가지 종류로 나뉠 수 있다.
첫째, 하나의 손실소재가 관심 주파수 대역에서 유전율과 투자율을 동시에 갖는 경우이다. 이러한 소재는 제작 시 균일성을 담보하는데 용이할 것이다. 하지만 이러한 하이브리드 소재의 경우 일련의 복잡하고 연속적인 화학공정을 거쳐야만 제작될 수 있다.
둘째, 유전성 및 자성의 이종 손실 재료들을 분산하여 흡수소재를 제작하는 방법이 있다. 이종 재료의 분산에는 각 재료들 간의 형상, 크기, 밀도 등의 문제가 해결이 되지 않는다면 직접적으로 분산하는데 한계가 있을 것이다. 또한, 이러한 손실재료들에 대한 연구가 선행되고 제작 후에는, 전자기적 특성, 미세 구조, 성분 분석 등을 통한 구체적인 고찰이 필요할 것이다.
마지막으로 유전성 혹은 자성 손실재료가 포함된 시트나 필름 형태의 소재를 다층 형태로 접근하는 방법이 있다. 각 손실재료들의 함량비와 적층 순서 및 두께 등의 설계 요소들을 잘 활용한다면 보다 쉽게 접근할 수 있을 것이다.
■ 미래 국방소재 관점에서 기술의 중요성 및 전망
2차 세계대전 이후 제공권(制空權)의 중요성에 대한 인식이 커지면서 각국은 공군력 강화에 집중적으로 투자했고, 전투기는 수적으로 급격히 확산되고 성능도 계속해서 향상되고 있다. 이에 따라 기존과 같이 단순히 한두 명의 뛰어난 파일럿이나 탁월한 공중전 전술, 체계적인 훈련만으로는 제공권의 확실한 우위를 확보하는 것이 어려워졌다.
이러한 측면에서 비대칭 전력으로의 전투기 성능, 특히 스텔스 기술의 중요성은 이견의 여지가 없으며, 스텔스 성능을 확보한 5세대 전투기는 기존의 4세대 전투기가 압도적인 수적 우위를 보이는 상황에서도 승리를 보장할 수 있다. 2006년 미국은 알래스카에서 스텔스기인 F-22와 일반 전투기인 F-15/16과의 모의전을 가졌으며, 144번의 모의전에서 F-22는 단 한 차례도 패배하지 않는 압도적인 모습을 보였다.
우리나라 또한 올해 초 F-35A를 공식적으로 전력화하면서 세계 9번째 스텔스 전투기 보유국이 되었다. 2014년 차세대 전투기 기종 선정 당시 사업번복을 하면서까지 경쟁기종인 F-15SE 및 유로파이터 대신 스텔스 전투기인 F-35A를 도입한 것은 북한 위협에 대한 억제 효과뿐만 아니라 일본·중국·러시아와의 영공에서 충돌 시 각국의 스텔스 전투기와 맞설 수 있는 전력이 요구되었기 때문이라고 할 수 있다.
그러나 도입되는 F-35A의 스텔스 기술은 기밀기술로 우리가 이전받을 수 있는 것이 아니기에 독자적 개발이 필수적으로 요구되는 상황이다.
향후 스텔스 전투기뿐만 아니라 스텔스 함정, 스텔스 장갑차 등 전파 스텔스 기술에 대한 수요는 갈수록 증가할 것으로 보이며, 특히 스텔스 전력을 탐지할 수 있는 새로운 레이더들도 개발되고 있는 만큼 광대역 전파흡수 소재가 요구될 것으로 예측된다. 또한 많은 위험이 존재하는 전장에 투입되는 만큼 전파흡수 소재의 경량·극박·고내구성화가 미래 국방소재로서 소재의 개발 방향으로 보인다.
■ 유전성 전파 스텔스 재료
유전성 전파 스텔스 재료는 주로 탄소계의 유전성 손실재료를 사용하여 임피던스를 제어함으로써 전파 흡수 성능을 발현한다. 유전성 손실재료는 줄 발열(Joule heating)을 통해 전자기파를 열에너지로 변환할 수 있는 것으로 알려져 있는데, 이 때 유전율의 실수부는 회로에서의 축전기(Capacitor), 허수부는 저항에 해당한다. 즉 유전율의 허수부가 높을수록 일반적으로 더 많은 전파흡수를 기대할 수 있으며, 이를 유전손실이라 일컫는다.
유전성 전파 스텔스 재료의 가장 큰 장점은 카본 블랙, 탄소단섬유, 탄소나노튜브 등 탄소계의 소재를 사용하기에 가볍고 저렴하게 구현할 수 있다는 점이다. 다만 이러한 재료를 고분자 수지에 혼합하여 도료 또는 시트와 같은 형태로 구현해야 하므로 소재 분산에 대한 고려가 특히 중요하다.
또한, 단순히 유전성 재료만을 사용할 경우 특정 주파수에서는 매우 우수한(99% 이상) 흡수성능을 보이지만, 흡수대역이 협대역에 그치고 두께가 매우 두꺼워지며 광대역화가 어려운 한계가 있었다. 하지만 최근에는 다양한 형태의 유전성 재료 개발을 통해 흡수대역 광대역화에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
1) 국내 동향
KAIST에서는 에폭시 수지에 카본 블랙, CNT, 고각형비 CNT를 투입하면서 각각의 함량에 따른 유전율과 흡수능, 그리고 기계적 강도를 측정하였다.
해당 스텔스 소재는 일반적인 유리섬유 복합재 제조공정과 흡사하게 유전성 소재가 분산된 수지 필름을 적층하는 방식으로 이루어졌으며, 이 때 투입되는 유전성 소재의 양이 많기 때문에(최대 3wt%) 3롤밀 공정을 통해 분산이 수행되었다.
또 다른 KAIST 연구진에서는 독특하게도 시멘트와 CNT를 혼합하여 전파 스텔스 성능을 발현했는데, 이는 시멘트의 고강도와 열·화학물질에 대한 저항성을 활용하여 전투기와 함정 등이 아닌 새로운 용도를 찾고자 하는 것으로 보인다.
해양과기원에서는 스텔스 함정 개발을 위해 고내열성 수지에 CNT를 분산시킨 고내열성 스텔스 도료를 개발하는 연구를 진행 중인 것으로 알려져 있다. KIST에서는 전이금속 카바이드를 2차원으로 만든 전도성 소재인 MXene을 활용한 연구로 주목받았는데, 최근에는 MXene 기반의 전파흡수소재를 개발하고 있는 것으로 보인다.
2) 해외 동향
가. 미국
경량·극박·광대역의 유전성 전파 스텔스 복합재료가 개발되고 있는 것으로 보이나, 공개된 자료를 통해 관련 연구를 파악하기는 어렵다.
나. 아시아
중국에서는 특히 유전성 전파 스텔스 재료에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있어 수많은 논문들이 발표되고 있다. 서북공업대학교(Northwestern Polytechnical University)의 Laifei Cheng 교수 팀에서 특히 주목할 만한 연구가 많이 보고되고 있다. 그래핀에 CNT를 성장시킨 소재를 개발하여 이를 PDMS에 함침시킴으로써 유연한 스텔스 소재를 개발하였는데, 해당 소재를 2.75mm 두께로 만들어 X-Band 전 대역에서 90% 이상의 흡수성능을 얻었다.
해당 연구진은 MXene을 활용해 두께 2mm 수준의 전파 스텔스 재료도 개발하여 2.2mm 두께에서 X-Band, 1.7mm 두께에서 Ku-Band에 대응했다.
가장 주목할 만한 연구는 내부가 비어있는 구형의 마이크로 탄소입자를 개발한 것인데, 2.15mm 두께로 제작하였을 때 10∼18GHz 주파수 대역에 대해 90% 흡수능을 보인다.
난카이대학교(Nankai University)에서는 밀도가 1.6mg/mL에 불과한 초경량의 그래핀 폼을 개발하는 데 성공하여 4GHz부터 18GHz에 이르는 광대역에 대해 90% 이상의 흡수능을 기록했는데, 실제 적용에는 강도 문제 등으로 활용이 어렵지만 눈여겨 볼만 하다.
이와 같이 내부에 공극이 있는 유전성 탄소소재들의 흡수성능이 특히 우수한 것으로 보인다. 북경공대(Beijing University of Technology)에서는 광중합성 고분자 수지에 CNT를 분산시켜 스텔스 소재를 3D 프린팅으로 제작한 바 있다.
다. 기타
브라질의 히우그란지두술 연방대학(Federal University of Rio Grande do sul)에서는 KAIST에서의 연구과 흡사하게 에폭시 수지에 CNT를 함침시켜 유리섬유 복합재를 제작하였으나, 그 성능은 KAIST의 결과에 미치지 못한다.
▲ <그림 1>스텔스 전투기와 일반 전투기의 탐지거리 비교
▲ <그림 2>다양한 전파 스텔스 기술
▲ <그림 3>전파 스텔스 소재의 기본 구성
▲ <그림 4>상쇄간섭에 따른 전파흡수성능 발현
▲ <그림 5>임피던스 변환기의 역할
▲ <그림 6>우리 공군의 F-35A 제원
▲ <그림 8>중공형 구형 마이크로 탄소입자
▲ <그림 7>MXene 기반의 전파 차폐/흡수소재 개념
▲ <그림 8>중공형 구형 마이크로 탄소입자
▲ <그림 9>초경량 그래핀 폼
