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문제 정의
- 본 연구에서는 X-band (8.2-12.4 GHz)에서 수직 입사하는 전자파에 대한 다층형 RAS의 반사손실을 예측할 수 있는 프로그램을 구현하고 이를 유전자 알고리즘과 연계하여 다층형 전자파 흡수체를 설계하였다. 그리고 RAS를 제작하는데 있어 발생하는 층수와 손실재료의 첨가량의 따른 층당두께의 비선형적 거동을 고려할 수 있는 제작공정을 정립 제안하였고, 설계된 RAS 에이 공정을 적용함으로써 RAS를 효과적으로 제작할 수 있음을 확인하였다.
- 본 연구에서는 이런 측정 오차를 줄이기 위해 은 페이스트(silver paste)를 이용하여 그 공극을 완전히 매워 주었다.
가설 설정
- 5 mm로 제한조건을 주고 난수 발생 인수를 바꿔가며 최적설계를 10회 수행하였으며, 그 결과를 Table 4에 나타내 었다. 2층형 RAS의 배 면은 금속 박막이나 전도성 이 우수한 탄소 섬유 강화 복합재료로 되어 있어, 흡수체를 투과하는 전자파는 없는 것으로 가정 하였다.
제안 방법
- Fig. 10에서 보듯 두께 t1인 MWNT 0.4와 두께 t2인 MWNT 1.6으로 이루어져 총두께 tRAS인 RAS를 설계하였을 경우, 앞서 언급했던 층당두께의 비선형성으로 인해 각 재료의 층수를 결정하기가 어렵다(STEP 1. ) 이를 해결하기 위해 먼저 각 복합재료로 두께 Iras 로 RAS를 제작한 후 층당두께 TPP3와 TPP4를 계산하고(STEP 2), 이 값들로 설계된 두께 t1과 t2를 나누어서 각각의 적층수 nt과 t2를 계산하였다(STEP 3). 정확하게 정수로 나누어 떨어지지 않을 경우는 반올림 한 값을 사용하였다.
- 프리프레그이다. MWNT를 에폭시 수지 내에 균일하게 분산시켜직물에 도포하여 프리프레그를 제작하였다. 첨가한 MWNT의 함량은 Table 1에 나타내었다.
- MWNT의 함량이 다른 충의 계면에서의 모재와 MWNT의 이동이 발생하는 것을 확인하기 위해 MWNT 0.0이 포함되어 있는 Table 4의 10번째 RAS 를 정립된 제작 공정을 적용하여 제작하였다. 이 RAS는 두께 제한을 2.
- X-band용 22.86 x 10.16 mm 크기의 도파관 (waveguide)에 시료를 넣고 HP 8722ES 회로 분석기 (network analyzer)를 이용하여 산란계수 (S-parameter, scattering parameter) 중 S21 을 측정하고 측정주파수 내에서의 위상의 변화를 이용하여 유전율을 계산하였다 [10]. 각 재료의 유전율을 측정하기 위해 사용된 시편의 두께는 Table 7과 같다.
- 있다. [2, 3], 본 연구에서는 이런 조건을 만족시킬 뿐만 아니라[4, 5], 기계적 물성을 증가시킬 수 있는 보강재로서의 역할이 가능한 MWNT를 필러로서 선택하였다 [5].
- 그리고 난수 발생 인수(random number seed)를 변화 시켜 초기 설계점들의 분포를 바꿔가며 각 문제당 10번씩 최적설계를 수행한 뒤 그 설계점들 중에서 제일 적합성이 우수한 해를 최적해로 선택하였다.
- 그리고 적층수는 설계공간이 너무 넓어지지는 것을 막기 위해 설계를 하기 전에 입력 값으로 지정되도록 하였다.
- 각 재료의 유전율을 측정하기 위해 사용된 시편의 두께는 Table 7과 같다. 본 연구에서 산란계수 중 S21 만을 측정하여 유전율을 계산하는 방법을 이용하였으며, 이 방법은 시편 내에 90º의 위상차이가 나타나야 하므로, 저손실의 재료는 두꺼워야 한다. 그러나 너무 두꺼울 경우는 재료 내에서 손실이 많이 발생하게 되어 S21 이 오차범위 내에 들어갈 수가 있으므로 재료의 두께가 적절해야 한다.
- 본 연구에서는 반사손실 이 큰 전자파 흡수체 를 설계하는 것이므로, 남기 진 [6]의 목적 함수를 식 (3) ~ 식 (4)와 같이 수정 제안하였다. 식 (3)에서 #은특정 주파수에서 입사파의 전력과 반사파의 전력 사이 의 비 를 나타내 며 , NF는 주파수대 역 인 X-band를 분할한 개수를 나타낸다.
- 있다. 본 연구에서는 제작비용을 고려해 일체성형으로 RAS를 제 작하였다.
- 본 연구에서는 필러로서 적합한 전기전도도와 형상을 가지고 있는 다중벽 탄소나노튜브를 유리/에폭시 평직 복합재료에 혼합하여 전자파 흡수 재료를 제작하였다. 다중벽 탄소나노튜브는 주로 모재 과잉영역이나 경사와 위사의 계면에 분포되어 있음을 관찰하였으며, MWNT를 사용할 경우 기존의 카본블랙에 비해 훨씬 적은 양을 사용하더라도 높은 유전율을 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 따라서 본 연구에서는 설계된 RAS를 구성하는 각 재료의 층당 두께는 각각의 복합재료가 RAS의 전체 적층수로 적층 . 성형되었을 때의 층당 두께와동일하거나유사할 것이라는 가정하에 이런 문제를 고려한 제작공정을 제안하였다.
- 위의 유전자 알고리즘과 목적함수를 이용하여 2 층형의 RAS에 대해 최대 두께를 3.5 mm로 제한조건을 주고 난수 발생 인수를 바꿔가며 최적설계를 10회 수행하였으며, 그 결과를 Table 4에 나타내 었다. 2층형 RAS의 배 면은 금속 박막이나 전도성 이 우수한 탄소 섬유 강화 복합재료로 되어 있어, 흡수체를 투과하는 전자파는 없는 것으로 가정 하였다.
- 유전자 알고리즘과 반사손실 예측 프로그램을 연계하여 제작된 복합재료로 이루어진 RAS에 대한 최적 설계를 수행하였으며, 기존의 목적함수를 수정 . 적용하였다.
- 제작된 복합재료의 미세구조를 주사전자현미경 (SEM, scanning electron microscopy) 이용하여 관찰하였다. Fig.
- 총 적층수, 각 층의 두께, 각 층의 유전율 및 투자율 등이 설계변수로 선택될 수 있으나, 본 연구에서는 각 층의 두께와 그 층의 유전율을 설계변수로 선택하였다. 그리고 적층수는 설계공간이 너무 넓어지지는 것을 막기 위해 설계를 하기 전에 입력 값으로 지정되도록 하였다.
- 35 mm의 두께를 가지는 RAS 가 제작될 것으로 기대하였다. 최적설계는 0.1 mm 의 두께 단위로 행하여졌으나, 실제 복합재료의 층 당두께는 연속적인 값이 아닌 이산적인 값이므로, 가능한 한 동일한 두께를 가지도록 각 재료의 층수를 정하였다. 실제 제작된 시편은 3.
- 13과 Table 7에 나타내었다. 최적설계로부터 제안된 두께를 이용한 반사손실 계산치 (Simulation 1)와 층당 두께의 비선형성을 고려한 제작 후의 각 층의 예상 두께를 이용한 계산치 (Simulation2)를 실험치와 함께 나타내었다. 제안한 제작공정의 적용성을 파악하기 위해 계산치 2와 실험치를 비교했을 때 공진주파수가 0.
대상 데이터
- 4장에서 설계된 RAS를 이 공정을 적용하여 제작하였다. 먼저 설계된 총두께 3.
- 최적구조의 경우 각 층에 MWNT가 혼합되어 있어 이를 관찰하는데 어려움이 따랐다. Table 5 를 이용하여 6장으로 0.96 mm가 되는 MWNT 1.3과 10장으로 1.53 mm가 되는 MWNT 0.0으로 총 두께 2.49 mm로 제 작될 것으로 기대 하였으며, 실제 제작된 시편의 두께는 2.55 mm이 었다. 제작된 시편의 재료 경계면을 Fig.
- 4에 나타내었다. 각 혼합량에 대해 5개의 시편이 측정에 사용되었다. 복합재료 각각의 유전율은 주파수에 따라서는 큰 변화가 없었다.
- 먼저 설계된 총두께 3.3 mm로 MWNT 0.4 와 MWNT L6을 제작하였다, Table 5에서 보는 바와 같이 MWNT 04는 22장으로 층당두께 0.149 mm 로 제작되 었으며, MWNT L6은 20장으로 층당두께 0.169 mm 로 제작되었다. 설계된 RAS에서의 MWNT 0.
- 본 연구에서 사용된 MWNT는 화학기상증착법 (CVD, chemical vapor deposition) 에 의해 일진나노텍에서 제조된 직경이 10-20 nm, 세장비는 1000 이상이며, 순도는 95% 이상인 것으로 투과전자현미경 (TEM, transmission electron microscopy) 을 통하여 촬영한 모습을 Fig. 1에 나타내었다.
- 사용한 유리직물은 (주) 한국화이바에서 제작한 K618 유리섬유/에폭시 평직 프리프레그이다. MWNT를 에폭시 수지 내에 균일하게 분산시켜직물에 도포하여 프리프레그를 제작하였다.
- 169 mm 로 제작되었다. 설계된 RAS에서의 MWNT 0.4와 MWNT 1.6의 두께는 각각 1.9 mm와 1.4 mm이므로 구해 진 층당두께로는 각각 13장과 9 장으로 1.94 mm와 1.35 mm의 두께를 가지는 RAS 가 제작될 것으로 기대하였다. 최적설계는 0.
- 안테나 사이에 그 중심이 안테나 중심축 선상에 놓이도록 설치해 놓았다. 시편은 150 X 150 mm 의 크기로 제작되었다. 양단간의 안테나로부터의 신호는 동축선을 이용해서 회로분석기 (HP8510C)의 S-매개변수 측정단에 연결되어 받아들여지고 다시 범용 인터페이스 버스 (GPIB, general purpose interface bus)연결되어 컴퓨터로 전달된다[13].
이론/모형
- 그리고 다목적 함수에 응용될 경우 단 한 번만 수행되어도 여러 개의 최적해를 얻을 수 있으며, 설계 변수의 표현이 이진 문자열이기 때문에 이산적인 설계 변수의 표현이 매우 용이하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 이런 이유로 인해 최적 설계 알고리즘 중에서 유전자 알고리즘을 선택하였다[12].
성능/효과
- 3(a)와 Fig. 3(b)로부터 모재 과잉 영역이나 계면에 MWNT가 응집되어 있으나, 모재와 MWNT가 서로 잘 혼합되어 있음을 확인할 수 있었다.
- 최적 해로제안된 RAS 구조의 흡수 성능 계산치와 제작 후 각층의 예상 두께를 이용한흡수성능 계산치가 동일하였다. 30 dB 이상의 흡수대역은 입사파의 전력을 99.9% 흡수하는 것을 의미 하므로 30 dB 이상은 큰 의미가 없다고 볼 때, 최대 흡수 성능을 보이는 공진주파수(resonance frequency, fr)가 0.3 GHz 정도 고주파수로 이동한 것을 제외하고는 계산결과와 실험 결과가 잘 일치하였다.
- 원형의 수직 절단면은 warp 방향의 유리섬유이며, 세로방향으로 배열되어 있는 것이 fill 방향의 유리섬유이다. MWNT가 주로 모재 과잉 영역 (matrix rich region) 이나 warp와 fill 방향의 유리 섬유 얀(yarn)들의 계면에 분포하고 있음을 관찰하였다. 이런 재료 내의 불균일성 이전 자파의 다중 반사를 일으켜 높은 유전율을 유도할 수 있을 것으로 기대된다.
- 복합재료 각각의 유전율은 주파수에 따라서는 큰 변화가 없었다. 그리고 Fig. 5에 나타나듯 MWNT 의 무게비가 증가함에 따라 유전율의 실수 항과 허수 항이 지수적으로 증가하는 경향을 보임을 확인하였다. 이런 현상은 기존의 연구에서도 발견되어지며[1,11], 이는 MWNT의 함량이 증가함에 따라 도전성 조직 (conductive network)의 형성 정도가 급격히 증가하고 기공도 발생하기 때문으로 사료된다.
- 4 GHz)에서 수직 입사하는 전자파에 대한 다층형 RAS의 반사손실을 예측할 수 있는 프로그램을 구현하고 이를 유전자 알고리즘과 연계하여 다층형 전자파 흡수체를 설계하였다. 그리고 RAS를 제작하는데 있어 발생하는 층수와 손실재료의 첨가량의 따른 층당두께의 비선형적 거동을 고려할 수 있는 제작공정을 정립 제안하였고, 설계된 RAS 에이 공정을 적용함으로써 RAS를 효과적으로 제작할 수 있음을 확인하였다.
- 그리고 산란계수의 측정 시 MWNT의 함량이 증가할수록 투과되는 전자파의 양이 줄어들게 되어 시료와 도파관 사이의 공극으로 투과되는 전자파의 양이 측정에 상당한 영향을 줌을 확인하였다. 본 연구에서는 이런 측정 오차를 줄이기 위해 은 페이스트(silver paste)를 이용하여 그 공극을 완전히 매워 주었다.
- 적용하였다. 그리고 이를 통해서 X-band 전 대역의 전자파를 90% 이상 흡수하는 R* AS 설계할 수 있었다.
- 다중벽 탄소나노튜브는 주로 모재 과잉영역이나 경사와 위사의 계면에 분포되어 있음을 관찰하였으며, MWNT를 사용할 경우 기존의 카본블랙에 비해 훨씬 적은 양을 사용하더라도 높은 유전율을 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 본 연구에서는 각각의 유리/에폭시 평직 복합재료를 다양한 두께로 제작해본 결과, MWNT 함량이동일 한 경우에는 적 층수가증가함에 따라층당 두께 (TPP, thickness per ply) 가 감소하다가 점차적으로특정값으로 수렴하는 경향을 보였으며, 적층수가 동일한 경우는 MWNT 함량이 증가함에 따라 층당 두께가 증가하는 경향을 보였다. 전자는 두께가 증가함에 따라 유리섬유에 압축(compaction)이 일어나기 때문이며, 후자는 MWNT가 이런 압축효과를 방해하기 때문이다.
- 1 mm 의 두께 단위로 행하여졌으나, 실제 복합재료의 층 당두께는 연속적인 값이 아닌 이산적인 값이므로, 가능한 한 동일한 두께를 가지도록 각 재료의 층수를 정하였다. 실제 제작된 시편은 3.27mm의 두께로 제작되어 본 연구에서 제안하는 공정 이 잘 맞음을 확인하였다. Table 4에서 보듯 MWNT 0.
- 앞서 살펴본 원인들이 있더라도 RAS의 흡수성능은 약간의 주파수 이동만을 보이므로, 일체 성형을 통해 RAS를 제작하더라도 흡수성능이 크게 변하지 않음을 확인할 수 있었다.
- 최적설계로부터 제안된 두께를 이용한 반사손실 계산치 (Simulation 1)와 층당 두께의 비선형성을 고려한 제작 후의 각 층의 예상 두께를 이용한 계산치 (Simulation2)를 실험치와 함께 나타내었다. 제안한 제작공정의 적용성을 파악하기 위해 계산치 2와 실험치를 비교했을 때 공진주파수가 0.3 GHz 고주파수로 이동하였으며, 흡수 대역은 조금 더 증가하였으나 마찬가지로 이론치와 실험치가 잘 일치하였다.
- 11과 Table 6에 나타내었다. 최적 해로제안된 RAS 구조의 흡수 성능 계산치와 제작 후 각층의 예상 두께를 이용한흡수성능 계산치가 동일하였다. 30 dB 이상의 흡수대역은 입사파의 전력을 99.
- 필러를 첨가한 섬유강화 복합재료에 나타나는 층당 두께의 비선형성을 고려하여 RAS를 제작하였으며, 계산치와 실험치의 비교를 통해 일체 성형 공정에 잘 적용됨을 확인하였다. 충당두께의 비선형성을 고려하기 위해 5.
후속연구
- 2절에서 언급된 가정은 본 연구에서 사용된 성형조건이 아닌 경우에 대해서도 적용성이 높을 것으로 판단된다. 또한 층당두께의 비선형성에 대한 관찰을 통해, RAS를 제작함에 있어 층당 두께의 거동에 대한 선행 연구가 필요함을 확인할 수 있었다.
- MWNT가 주로 모재 과잉 영역 (matrix rich region) 이나 warp와 fill 방향의 유리 섬유 얀(yarn)들의 계면에 분포하고 있음을 관찰하였다. 이런 재료 내의 불균일성 이전 자파의 다중 반사를 일으켜 높은 유전율을 유도할 수 있을 것으로 기대된다.
- 향후에는 이렇게 제작된 RAS를 주파수 선택 표면 (FSS, frequency selective surface) 와 함께 적 충하여 흡수대역을 광대역화하는 연구를 수행할 예정이다.
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