‘메타물질’ 미래 스텔스 소재 주목

투명망토 개념, 레이더 전파 물체주면 돌아 진행

금속·유전물질 주기적 배열, 대량생산·내구성 한계

■ 자성 전파 스텔스 재료

자성 전파 스텔스 재료는 주로 강자성(ferromagnetic)을 가진 금속 계열의 손실재료를 사용하여 임피던스를 제어함으로써 전파 흡수 성능을 발현한다. 고투자율의 자성소재는 단순 임피던스 매칭뿐만 아니라 자기이력곡선(hysteresis), 도메인 벽 공명(domain wall resonance), 와전류(Eddy current), 강자성공명(natural ferromagnetic resonance) 등에 의한 추가적인 전파의 손실을 기대할 수 있는 장점이 있다. 다만 X-Band와 같은 고주파 대역에서는 강자성공명이 중요한 역할을 수행하는 것으로 알려져 있다.

자성 전파 스텔스 재료의 개발에서 가장 어려운 부분은 고주파 대역에서 자성을 발현하는 물질이 드물다는 것이다. 대부분의 자성재료는 1GHz 이하에서 자성을 잃기 때문에 10GHz 이상에서는 효과적인 전파흡수성능을 발현하지 못한다.

이에 따라 고주파에서도 자성을 유지하는 물질의 개발 또한 하나의 중요한 연구 분야로 각광받고 있다. 일반적으로 카보닐철과 산화철이 자성 전파 스텔스 재료에 널리 활용되는 것으로 알려져 있다.

이러한 자성 재료들을 분말화하여 분산시킨 도료를 전투기 표면에 도포하거나 타일 형태로 만드는 것이 일반적인 적용방법이다. 높은 투자율로 우수한 전파흡수성능과 얇은 두께를 구현할 수 있지만 자성 전파 스텔스 재료의 가장 큰 한계는 그 무게이다.

무거운 금속 재료 기반으로 제작되기에 자연스럽게 무게가 상승하게 되고 이는 전투기 성능에 제약을 줄 수밖에 없다. 또한, 단순히 자성재료만을 사용할 경우 특정 주파수에서는 매우 우수한(99% 이상) 흡수성능을 보이지만 흡수대역이 협대역에 그치고 광대역화가 어려운 한계가 있다.

1) 국내 동향

자성 전파 스텔스 재료를 설계하기 위해 고주파에서도 자성이 발현되는 다양한 자성소재에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다. 일반적으로 자성소재의 형상이방성이 커질수록(판상형, 선형 등) 고주파 대역에서도 자성이 발현됨이 보고되어 있는 만큼 형상이방성이 큰 자성소재를 개발하는 연구가 이루어지고 있다.

재료연구원에서는 유리섬유에 FeCoNi를 코팅하여 12GHz에서도 투자율이 발현되는 소재를 개발하였으며, 이를 이용해 10GHz에서 95%의 전파를 흡수할 수 있음을 보였다.

한양대학교에서는 폴리에스테르 섬유에 FeCo를 코팅한 후 열처리를 통해 내부 폴리에스테르를 제거함으로써 속이 빈 형태의 섬유형 자성소재(중공사)를 개발한 바 있다. KAIST에서는 유리섬유 직물에 Ni와 Ni-Co를 각각 코팅한 직물들을 적층하여 6.32GHz부터 18GHz까지 넓은 대역에 대한 흡수능을 보고했다.

또한 재료연구원에서는 최근 각형비 6 이상이면서 두께가 1㎛ 이하인 FeCo 나노체인 분말을 개발하는 데 성공하였으며, 상용 자성 분말에 비해 X-Band에서의 투자율이 10% 이상 높음을 확인하였다.

2) 해외 동향

가. 미국

최초의 스텔스 전투기라 할 수 있는 F-117에 적용된 것으로 알려져 있다. F-117의 알루미늄 동체 전체가 자성 전파 스텔스 재료로 코팅되어 있었다는 보고가 있는데, 산화철을 고분자 수지에 다량 함침시켜 리놀륨과 같은 형태의 시트로 만들어 사용하였다.

전투기의 각 위치마다 요구되는 성능이 다르기에 다른 두께로 부착되었으며, 볼트/너트나 공차/단차의 보정 등에는 자성 분말이 들어간 도료형의 자성 전파 스텔스 재료가 사용되었다. 다만 도료형 소재의 사용은 최소화되었는데 이는 도포시에 두께를 정확하게 제어하기가 힘들 뿐만 아니라 독성 용매의 사용으로 작업성이 떨어지고 유해성이 높았기 때문이다.

미국 코네티컷 대학에서는 기존 자성 전파 스텔스 재료의 높은 밀도 문제를 해결하기 위해 직물 기반의 유연한 스텔스 재료를 보고한 바 있다.

이는 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN) 직물에 니켈과 코발트를 코팅하여 만든 것으로, 해당 직물을 2mm 수준으로 적층하였을 때 16GHz에서 99% 흡수능을 보이는(대역폭 2GHz) 것이 확인되었다.

나. 아시아

중국 난창대학교(Nanchang University)에서는 스텔스 재료 개발을 위해 FeNi 나노분말을 활용하였는데, FeNi 합금의 조성을 변경해 가며 투자율과 흡수능을 측정해 Fe20Ni80 분말이 가장 우수한 성능을 보임을 보고하였다.

인도 CSIR-CSIO(Central Scienctific Instruments Organization)의 연구진에서는 BaFe12O19/NiFe2O4 나노분말 합성과 열처리를 통해 12GHz에서 99% 흡수능을 보이는 흡수체를 개발하였다.

역시 인도의 IIT(Indian Institutes of Technology)에서는 nickel ferrite(NF) 및 nickel zinc ferrite(NZF)를 나노분말로 만들어 두께 2.5mm의 시편을 측정 시 10GHz에서 99.9% 흡수능을 보이는(90% 흡수능 대역 3GHz) 흡수체를 개발하였으며, nickel ferrite(NF)에 비해 nickel zinc ferrite(NZF)가 더 우수한 흡수성능을 보이고 있음을 보고하였다.

■ 유전-자성 하이브리드 전파 스텔스 재료

이와 같이 유전성 재료, 또는 자성 재료 각각만을 활용할 때에는 제각기의 한계점을 가지고 있다.

이를 극복하기 위해 유전율과 투자율을 적절히 조합하여 재료에서 원하는 임피던스를 구현하는 유전-자성 하이브리드 전파 스텔스 재료가 최근 활발하게 연구되고 있다. 다층형 하이브리드 소재의 구현은 추후 논하기로 하고, 일반적인 유전-자성 하이브리드 전파 스텔스 재료를 구현하는 데는 크게 두 가지 접근방법이 존재한다.

첫 번째 방법은 유전율과 투자율을 동시에 가지는 소재를 개발하는 것이다. 이 경우에는 소재 전체에서 원하는 유전율과 투자율을 균일하게 구현하는 데는 매우 용이하지만, 이러한 소재를 제작하는 공정이 매우 복잡할 뿐 아니라 설계 과정도 어려움을 가질 수 있다.

다른 방법은 유전성 소재와 자성 소재를 혼합하여 복합소재를 제작하는 것으로, 이 경우에는 이미 널리 알려진 다양한 유전성 소재와 자성 소재를 선택적으로 혼합함으로써 용이한 설계가 가능하다. 그러나 각 재료들간의 형상, 크기, 밀도 등의 차이로 인해 분산 문제에 대한 고려가 필요하고 제작 후 내부 구조의 균일성 등에 대한 검토가 요구된다.

1) 국내 동향

재료연구원에서는 열경화성 에폭시 수지에 자성 분말과 나노카본을 분산시킨 후 이를 필름 형태로 적층하여 경화함으로써 고내구성과 내열성을 가지는 복합소재를 개발한 바 있다. 해당 소재는 두께 1.5mm 수준으로 제작했을 때 8∼12GHz에서 90% 이상의 흡수능을 보이며, 특히 전투기 동체로 사용되는 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)와 동시경화가 가능하다는 큰 장점을 가지고 있다.

국방과학연구소(ADD)에서는 역시 자성 분말과 탄소섬유를 활용하여 도료형의 소재를 개발하고 있는 것으로 알려져 있다.

2) 해외 동향

가. 미국

특히 미국에서는 최근 개발된 최신예 스텔스 전투기인 F-35에 유전-자성 하이브리드 전파 스텔스 재료가 적용되었다는 정보가 확인된 바 있다.

이른바 ‘섬유 매트(Fiber Mat)’라고 명명된 이 재료는 기존 도료형 소재 등과 달리 복합재 표면에서 경화되어 매우 내구성이 높은 것으로 알려져 있다. 특히 전투기 제작 시 고온에서 경화되는 이 소재는 두께 제어가 매우 용이하다고 설명되었는데, 이를 고려할 때 열경화성 수지 기반의 패널형 복합소재인 것으로 분석되고 있다.

이 소재 내부에는 기존의 분말/입자형 유전성/자성 소재 대신 섬유형 소재가 활용되어 더 우수한 강도와 유전성을 가지게 된다. 이 내용은 F-35의 제작사인 록히드 마틴이 출원한 특허에서 확인되었는데, 여기에는 탄소/유리/세라믹/금속섬유 표면에서 CNT를 성장시키는 내용이 포함되어 있다.

이와 같은 CNT 성장 섬유를 철 또는 산화철과 함께 융합하여 높은 전파흡수성능을 보일 수 있다고 하는데, 이 CNT 성장 섬유는 전자기적 특성의 제어뿐만 아니라 일반적인 복합소재에서의 내부 보강섬유 역할을 함께 수행하는 것으로 보이고, 이를 통해 더욱 우수한 내구성을 확보하고자 하는 것으로 보인다.

이는 기존 F-22 등에 적용된 도료형 스텔스 소재가 낮은 내구성과 초음속비행에서의 마찰열에 의한 박리 문제를 겪으며 내구성/내열성에 대한 관심이 높아지고 있는 것으로 판단된다.

특허에서 명시된 바에 따르면 이와 같은 소재는 0.1MHz부터 60GHz까지 대응 가능하다고 하나, 모든 대역에 동시에 적용될 수는 없을 것으로 보인다. 그러나 이와 같은 개념을 적용할 때 포함되는 소재 물성의 제어를 통해 명시된 주파수 대역 내부의 특정 대역에 적용 가능할 것으로 보이며, 특히 최근 스텔스 전투기에 대응하기 위해 개발된 저주파 레이더의 작동 대역인 L-Band(1∼2GHz) 및 C-Band(4∼8)GHz 에도 적용 가능하다고 한 부분이 눈여겨볼 만하다.

나. 아시아

중국 서북공업대에서는 CVD 공정을 통해 Fe 나노와이어 표면에 CNT를 결합시킨 후 이를 다시 SiC로 캡슐화시킴으로써 자성과 유전성을 동시에 효과적으로 구현할 수 있는 물질을 개발하였다.

특히 이 논문에서 강조된 것은 최외각의 SiC 캡슐화를 통해 매우 우수한 열적 안정성을 확보했다는 것인데, 600℃에 달하는 고온에서도 성능 변화가 거의 없음을 보였다.

중국 길림화공대에서는 복잡한 공정 대신 CNT와 카보닐철의 밀링을 통해서도 탄소가 코팅된 카보닐철 분말을 만들 수 있다고 보고했으며, 특히 이 과정에서 구형 카보닐철 분말이 플레이크 형태로 변하면서 투자율 상승이 발생했다고 한다.

중국 하얼빈 공대에서는 코발트 분말 표면에 탄소가 결합된 Co@C 코어쉘 구조를 만드는 데 성공했으며, 1.65mm의 얇은 두께로도 2.7∼18GHz에 이르는 광대역에 대해 90% 이상의 흡수능을 기록했다.

길림대학에서는 기공이 많은 탄소 구조를 합성한 후 Co/Fe 입자를 함침해 스텔스 복합소재를 개발한 바 있다.

■ 다층형 스텔스 재료

단순히 특정한 전자기적 성질을 가지는 하나의 스텔스 재료를 사용하는 것이 아니라 다양한 성질을 가지는 재료들을 적절히 배열하면 더욱 우수한 전파 흡수 성능을 발현할 수 있다. 특히 다층의 스텔스 재료를 설계하고, 각 층의 임피던스가 점진적으로 변화하도록 구현하면 임피던스 매칭에 유리해 넓은 대역에 대해 스텔스 성능을 구현할 수 있다.

1) 국내 동향

재료연구원에서는 일반적인 유리섬유 복합재와 나노카본 재료가 포함된 유리섬유복합재의 2개 층으로 이루어진 다층형 스텔스 재료를 개발하였으며, 4.1mm 두께로 7.1∼14.8GHz 대역에서 90% 흡수능을 보고했다.

ADD에서도 이와 비슷한 형태의 3층형 스텔스 재료를 제작했는데, 특이할만한 점은 중간층은 두께를 무시할 만한 매우 얇은 전도성 필름이라는 것이다.

5.5mm 두께로 4.7∼13.7GHz 대역에서 90% 흡수능을 얻었다. 삼성전자의 경우 이와 같은 다층형 소재를 전자파 흡수체로 사용하는 특허를 보유하고 있다.

2) 해외 동향

가. 미국

미국에서는 유전성 스텔스 소재를 다층형으로 구현하는 연구가 진행 중이라는 보고가 있다.

탄소 소재의 투입량을 다르게 한 소재들을 층층이 쌓아 임피던스의 점진적인 변화를 구현하고, 이를 통해 20dB 이상의 우수한 흡수능을 얻을 수 있다. 그러나 이 때 가장 큰 문제는 다층화에 따른 두께로, 저주파 대역에 대응할수록 더욱 심각한 문제가 된다.

해당 소재의 경우 X-Band 대응을 위해서는 2.5cm 정도의 두께가 요구되고, 저주파 레이더 작동 대역인 500MHz 에서는 10cm 이상이 필요하다고 한다. 이를 해결하기 위해 자성 스텔스 소재를 다층형으로 구현하였는데 이는 2∼20GHz 대역에서 7.5mm로 대응 가능했다는 보고가 있다.

나. 아시아

중국 서북공업대에서는 독특한 방식으로 다층형 스텔스 재료를 구현했는데, 층별 소재를 다르게 구현하는 것이 아니라 하나의 소재를 위치별로 두께를 다르게 하여 소재를 제작했다.

이를 통해 다양한 주파수에 대응이 가능했고, 2.64∼40GHz 대역에 대해 90% 흡수능을 보였으며 전체 두께는 5.5mm 였다. 중국 중남대학교에서도 이와 비슷한 개념의 소재를 3D 프린팅으로 제작하는 데 성공하였으며, 3mm 수준의 얇은 두께로도 8∼18GHz 대역에서 90% 흡수능을 보였다. 인도 IIT에서는 nickel ferrite(NF) 및 nickel zinc ferrite(NZF)를 각각 포함하는 2층형 소재를 개발하여 1.7mm 두께로 8.2∼11GHz 대역에서 90% 흡수능을 보고했으며, 코발트 플레이크를 사용한 경우에는 2.66mm 두께로 4.17∼12.05GHz 대역에 대해 달성했다.

다. 기타

이탈리아 피사 대학교에서는 서로 다른 자성 스텔스 소재를 2층으로 구현해 7∼15GHz 대역에서 90% 흡수능을 보였다.

이탈리아 로마 사피엔자 대학교(Sapienza-Universita di Roma)에서는 MWCNT(Multi-Walled Carbon Nanotube) 함량이 다른 4개의 에폭시 층을 총 12.68mm 두께로 적층하여 7∼18GHz 대역에서 90% 흡수능을 나타냄을 보고했다.

로마 사피엔자 대학교의 다른 연구팀은 다층형 스텔스 재료와 능동소자를 결합한 형태의 스텔스 재료 또한 개발했는데, 그래핀 층이 포함된 다층형의 스텔스 재료를 만든 후 그래핀 층에 전압을 가해 표면저항을 변화시킴으로써 임피던스와 대응 주파수를 필요에 따라 제어할 수 있게 했다.

■ 메타물질 기반 스텔스 재료

지금까지 언급된 스텔스 재료들은 임피던스 매칭을 통해 레이더 전파의 반사를 최소화하고, 내부 유전성/자성 재료와 전파의 상호작용을 통해 전파 에너지를 열에너지로 변환시킴으로써 스텔스 기능을 구현한다. 그런데 만약 레이더 전파가 물체에 도달했을 때 반사가 일어나는 것이 아니라 물체 주변을 돌아 계속 진행하게 된다면 완벽한 스텔스 성능을 구현할 수 있을 것이다. 이것이 최근 ‘투명망토’ 등의 개념으로 익숙해진 메타물질이다.

메타물질은 자연계에 원래 존재하는 물질과는 달리 음의 굴절률을 가지고 있다. 2006년 미국 듀크대학교(Duke University)의 David Smith 교수가 최초로 마이크로파에 적용 가능한 메타물질을 개발 한 이후 이 분야에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 가시광선, 적외선, 전파 등 다양한 주파수 대역에서 미래의 스텔스 기술로 주목받고 있다.

일반적으로 메타물질은 특정 형상을 가지는 금속과 유전물질을 주기적으로 배열함으로써 구현 가능하다. 현재는 기초기술 개발 단계로 대량생산과 내구성 등 다양한 부분에서 한계를 가지고 있지만, 미래의 스텔스 기술이 나아갈 방향이라는 데에는 많은 이들이 공감하고 있다.

1) 국내 동향

중앙대학교에서는 8개의 살을 가지는 수레바퀴 모양의 금속 패턴이 반복되는 메타물질 스텔스 시트를 개발하였는데, 8.2∼13.4GHz 대역에서 90% 흡수능을 보이면서 최대 65°에 달하는 광각입사에도 대응할 수 있다는 결과를 보고했다.

한양대학교에서는 전도성 섬유를 이용해 패턴을 구현한 1mm 이하 두께의 유연한 메타물질을 개발해 0.97∼6.12GHz 대역에서 97% 흡수능을 보였다.

한양대학교의 또 다른 연구진은 메타물질 구현을 통해 8.2GHz와 12GHz 주파수 대역에 동시 대응 가능한 이중밴드 메타물질 흡수체를 개발했다.

2) 해외 동향

가. 미국

미국은 메타물질 기반 스텔스 재료를 미래 소재로 평가하고 관련 연구를 진행하고 있는 것으로 알려져 있다.

파장보다 작은 크기의 구조체를 이용하거나 분자 수준에서 전자기특성을 제어할 수 있는 신소재 개발을 통해 메타물질을 구현하려 하고 있으며, 이를 통해 30MHz부터 18GHz에 이르는 광대역의 레이더 전파에 대응할 수 있을 것으로 보인다.

나. 아시아

중국 CETC(China Electronics Technology Group Corporation)에서는 L자의 금속 구조를 반복함으로써 11.07∼23.36GHz 대역에서 90% 흡수능을 보이는 2mm 두께의 메타물질 스텔스 시트를 개발하였다.

이란의 투시공과대학교(K. N. Toosi University of Technology)에서는 서로 다른 패턴을 가지는 3종류의 시트를 적층하여 90% 흡수대역이 15.5GHz에 달하는 메타물질 스텔스 재료를 보고한 바 있으며, 중국전자과학기술대학에서도 이와 유사한 다층형 메타물질 스텔스 재료를 개발한 바 있다.

인도 IIT에서 개발한 메타물질은 6∼12GHz 대역에서 90% 흡수능을 보이며, 실제 레이더흡수면적 측정도 함께 이루어졌다.

다. 기타

이탈리아 피사대학교(University of Pisa)에서는 단순 흡수 성능이 아니라 메타물질이 표면에 적용된 L자형 금속 시편의 레이더흡수면적을 실제로 측정하였으며, 메타물질 적용을 통해 RCS가 크게
감소함을 확인할 수 있었다.

▲ <그림 10>재료연구원 개발 곡면형 스텔스 복합소재

▲ <그림 11>Fiber Mat의 도식도

▲ <그림 12>SiC 캡슐화된 Fe@CNT

▲ <그림 13>Co@C 코어쉘 구조

▲ <그림 15>국내 개발 메타물질 스텔스 소재의 예시

▲ <그림 14>다층형 스텔스 재료 예시

▲ <표 1>국내 선도 연구기관

▲ <표 2>해외 선도 연구기관