[논문]샌드위치 구조형 섬유강화 복합재료의 전파흡수특성

김상영; 김상수

doi:10.3740/mrsk.2002.12.6.442

문제 정의

다층 복합재료 구조물에서 전파흡수능 개선을 위한 Fig. 5와 같은 샌드위치 구조를 갖는 유리섬유 복합재료/공기층/탄소섬유 복합재료의 전파흡수특성에 관해 조사하였다. 중간의 공기층은 foam core나 honeycomb core로 대치시킬 수 있다.
따라서 전자파 흡수기능을 가진 섬유강화 복합재료의 개발이 이루어지기 위해서는 전파전송 이론에 근거한 전자기학적 측면의 재료 및 구조설계, 이를 충족하는 섬유 및 복합재료의 선정, 그리고 이들 재료의 전파흡수특성의 시험평가에 관한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 전자파 흡수기능을 가진 경량섬유강화 복합재료의 개발을 목표로 전자기학적 측면의 재료 및 구조설계, 이를 충족하는 섬유 및 복합재료의 선정, 그리고 이들 재료의 전파흡수특성에 관한 연구 결과를 제시하였다.
본 연구의 중요한 연구결과는 각종 복합재료 (유리섬유, 탄소섬유 및 그 배향)의 고주파 전자기 특성을 측정하고, 이들 데이터를 유리섬유-공기층-탄소섬유 복합재료로 구성되는 샌드위치 구조에 적용하여 경량 - 고강도 전파흡수체의 설계방법을 제시한 것이다. 유리섬유 복합재료의 경우 저유전율 특성을 보인 반면, 탄소섬유 복합재료는 섬유의 도전성에 의해 높은 유전상수 및 도전손실 특성을 보였다.
이러한 문제의 해결 방안으로 저유전율 특성을 갖는 유리섬유 복합재료와 공기층(실제로는 foam core 또는 honeycomb core)을 탄소섬유 복합재료 전면에 임피던스 변성층으로 사용함으로써 전파의 반사율을 줄일 수 있다. 이러한 원리에 근거하여 유리섬유 복합재료/공기층/탄소섬유 복합재료로 구성되는 다층형 섬유강화 복합재료를 제안하고, 이들 구조의 전파흡수특성에 관해 조사한다.

제안 방법

복합재료의 복소유전율 및 복소투자율은 HP 8722D Network Analyzer를 사용하여 투과/반사법으로 측정하였다. APC-7 beadless air line에 내경 3㎜, 외경 7㎜인 시편을 삽입한 다음 반사산란계수 (S_l1) 및 투과산란계수 (S_z1)를 측정하고, 이들 값으로부터 복소유전율 및 복소투자율을 계산하였다. 측정 주파수 대역은 4~12㎓이었다.
6은 식 (5)를 이용하여 계산한 GCF/공기층/CCF 복합층의 반사손실이다. CCF의 두께 (d₁) 는 2㎜, 공기층의 두께 (d₂)는 1㎜로 고정하고 GCF의 두께 (d₃)를 0.5 -2.0㎜로 변화시켰다. 7.
Table 1에 제시한 복합재료 평판을 cutter drill에 장착한 후 절삭하여 내경과 외경이 각각 3㎜, 7㎜인 시편을 얻고, 이를 다시 연삭하여 재료정수 (복소투자율 및 복소유전율) 측정용 시편으로 제조하였다. 복합재료의 복소유전율 및 복소투자율은 HP 8722D Network Analyzer를 사용하여 투과/반사법으로 측정하였다.
측정 주파수 대역은 4~12㎓이었다. 다층구조 복합재료의 전파흡수능은 각 층 재질의 복소투자율 및 복소유전율과 두께의 함수로 반사손실을 계산함으로써 구하였다.
특히 탄소섬유 배열의 이방성이 심해질수록 유전상수와 도전 손실 특성은 증가하였다. 따라서 유리섬유 복합재료는 표면의 임피던스 변성층으로 사용하였으며, 탄소섬유 복합재료는 배면의 전파 반사층으로 적합함을 제안하였다. 이들 두 복합재료 사이에 foam core나 honeycomb core로 구성되는 공기층을 삽입함으로써 4-12㎓ 대역에서 10㏈ (90% 흡수율) 이상의 전파흡수능을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

탄소섬유는 Toray T-300 이었고, 섬유의 배열방법은 woven fabric, 0°/45°, 0°/ 90° 이었다. 매트릭스 재료로는 에폭시 수지를 사용하였다.
본 연구에서 선정한 복합재료는 크게 유리섬유 복합재료와 탄소섬유 복합재료로 구분된다. 유리섬유 복합재료는 유전율이 그다지 크지 않아 임피던스 변성층으로 적합하다.
복합재료의 종류를나타낸 것이다. 유리섬유로는 E-glass(woven fabric)을 사용하였다. 탄소섬유는 Toray T-300 이었고, 섬유의 배열방법은 woven fabric, 0°/45°, 0°/ 90° 이었다.

이론/모형

Table 1에 제시한 복합재료의 고주파 특성 (복소유전율 (ε_r = ε_r' - jε_r") 및 복소투자율 (μ = μ' - jμ")을 회로망분석기를 이용한 투과/반사법에 의해 측정하였다. Fig.
측정용 시편으로 제조하였다. 복합재료의 복소유전율 및 복소투자율은 HP 8722D Network Analyzer를 사용하여 투과/반사법으로 측정하였다. APC-7 beadless air line에 내경 3㎜, 외경 7㎜인 시편을 삽입한 다음 반사산란계수 (S_l1) 및 투과산란계수 (S_z1)를 측정하고, 이들 값으로부터 복소유전율 및 복소투자율을 계산하였다.

성능/효과

전기전도도가 클수록 인접한 섬유간의 공간전하 분극(space charge polarization)에 의해 유전 상수는 커지고, 섬유장축을 통한 도전손실에 의해 손실계수가 커질 가능성이 높다.¹⁰⁾ 섬유의 배열에 따른 복소유전율의 차이는 공간전하 분극과 도전손실의 이방성으로 설명되어질 수 있다. 전계 벡터가 섬유와 직교하는 경우에는 섬유간의 공간전하 분극이 커져 ε_r'이 최대가 되고, 반대로 평행인 경우에는 섬유길이 방향으로 유기전류가 커져 ε_r"이 최대가 된다.
탄소섬유 복합재료는 비자성체이기 때문에이와 같은 전기적 특성을 나타낸 것으로 보인다. 반면 복소유전율은 상당히 큰 값을 나타내었고 주파수 분산특성은 섬유의 배열방법에 따라 현격한 차이를 보였다.
설계방법을 제시한 것이다. 유리섬유 복합재료의 경우 저유전율 특성을 보인 반면, 탄소섬유 복합재료는 섬유의 도전성에 의해 높은 유전상수 및 도전손실 특성을 보였다. 특히 탄소섬유 배열의 이방성이 심해질수록 유전상수와 도전 손실 특성은 증가하였다.
따라서 유리섬유 복합재료는 표면의 임피던스 변성층으로 사용하였으며, 탄소섬유 복합재료는 배면의 전파 반사층으로 적합함을 제안하였다. 이들 두 복합재료 사이에 foam core나 honeycomb core로 구성되는 공기층을 삽입함으로써 4-12㎓ 대역에서 10㏈ (90% 흡수율) 이상의 전파흡수능을 얻을 수 있었다. 이와 같은 전파흡수체의 구성방식은 기존의 페라이트 또는 탄소 분말계 피막형 흡수체에 비해 무게가 가볍고 기계적 강도가 우수하기 때문에 경량 구조물용 전파흡수체로서 그 활용도가 크게 기대된다.
그러나 탄소섬유 복합재료는 높은 유전율에 의해 표면에서의 전파 반사율이 커지는 문제점을 갖는다. 이러한 문제의 해결 방안으로 저유전율 특성을 갖는 유리섬유 복합재료와 공기층(실제로는 foam core 또는 honeycomb core)을 탄소섬유 복합재료 전면에 임피던스 변성층으로 사용함으로써 전파의 반사율을 줄일 수 있다. 이러한 원리에 근거하여 유리섬유 복합재료/공기층/탄소섬유 복합재료로 구성되는 다층형 섬유강화 복합재료를 제안하고, 이들 구조의 전파흡수특성에 관해 조사한다.

후속연구

⁹⁾ 그러나 그 구성재질 및 배열방법, 흡수체의 치수에 관한 자료는 전혀 공개되고 있지 않다. 따라서 전자파 흡수기능을 가진 섬유강화 복합재료의 개발이 이루어지기 위해서는 전파전송 이론에 근거한 전자기학적 측면의 재료 및 구조설계, 이를 충족하는 섬유 및 복합재료의 선정, 그리고 이들 재료의 전파흡수특성의 시험평가에 관한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 전자파 흡수기능을 가진 경량섬유강화 복합재료의 개발을 목표로 전자기학적 측면의 재료 및 구조설계, 이를 충족하는 섬유 및 복합재료의 선정, 그리고 이들 재료의 전파흡수특성에 관한 연구 결과를 제시하였다.
제한된다. 이러한 문제의 해결방안으로 무게가 가볍고, 전파흡수기능을 가진 섬유 및 이를 함침시킨 고분자 복합재료의 사용을 검토 할 수 있다.

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