[논문]적외선 피탐지를 위한 페이즈 필드법 기반의 적외선 반사층 설계

허남준; 유정훈

doi:10.7734/coseik.2015.28.1.63

적외선 피탐지를 위한 페이즈 필드법 기반의 적외선 반사층 설계
Infrared Reflector Design using the Phase Field Method for Infrared Stealth Effect 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.28 no.1, 2015년, pp.63 - 69

허남준 (연세대학교 대학원 기계공학과) , 유정훈 (연세대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 페이즈 필드법을 기반으로 하는 위상 최적설계 방법을 통하여 적외선 스텔스 효과를 위한 적외선 반사층의 설계를 진행하였다. 이를 위하여 수직으로 입사하는 적외선 파를 반사층에서 반사되어 원하는 방향으로 전파되도록 모델링을 하였다. 전파 방향에 측정 영역을 설정하여 해당 영역에서의 목적함수 값을 최대화하도록 설계가 진행되었으며, 이때 목적함수는 전자기파의 에너지 흐름을 나타내는 포인팅 벡터(Poynting vector)로 설정하였다. 페이즈 필드법 기반의 방법에서의 여러 파라미터 값들을 변경해 가며 설계 결과를 도출하였고, 목적함수 값을 최대화하는 모델을 최적 모델로 선정하였다. 선정된 최적 모델에서 gray scale을 cut-off 방법으로 제거한 경우 더 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 또한 중적외선 영역에서의 효과를 고려하기 위하여 입사되는 파장을 바꿔가며 얻은 해석결과를 검토하였다. 본 연구의 유한요소해석 및 최적화 과정은 상용 프로그램인 COMSOL과 Matlab을 연동하여 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, infrared reflector design targeting infrared stealth effect is presented using structural optimization based on the phase field method. The analysis model was determined to accomplish the design that an incident infrared wave was reflected to a desired direction. The design process was to maximize the objective value at the measuring domain located in a target region and the design objective was set to the Poynting vector value which represents the energy flux. Optimization results were obtained according to the variation of some parameter values related to the phase field method. The model with a maximum objective value was selected as the final optimal model. The optimal model was modified to eliminate the gray scale using the cut-off method and it confirmed improved performance. In addition, to check the desired effect in the middle wave infrared range(MWIR), the analysis was performed by changing the input wavelength. The finite element analysis and optimization process were performed by using the commercial package COMSOL combined with the Matlab programming.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 입사된 파가 반사되어 측정영역으로 진행하도록 하는 것을 목표로 하므로, 측정영역에서의 포인팅 벡터 값을 최대화하는 것을 설계 목적으로 할 수 있다. 이에 대한 위상 최적화 문제는 다음과 같이 정식화할 수 있다.
본 연구에서는 항공체로부터 방출되는 적외선 신호를 감소시킬 수 있는 IR 반사체(Reflector)를 설계하였다. 이는 일반적으로 항공체로부터 방사형으로 방출되는 적외선을 항공체 내·외부에 적외선 반사층을 위치시켜 일정한 방향으로 방출시키기 위한 구조물로써, 적외선 감소를 위한 피탐지 효과를 달성하기 위한 구조물로 응용될 수 있다.
이 중 적외선 신호 감소 기술은 비행체 생존성을 보장하는 핵심 기술 중의 하나로써 적외선 방출의 주요한 원인이 되는 항공기의 엔진에서의 열원과 엔진 배기가스 및 태양 반사 등으로부터 방출되는 적외선을 감소시키는 것을 주요 목적으로 삼고 있다. 이 기술들은 엔진과 노즐의 IR(Infrared) 신호감소 설계, 배기 Plume 온도 저하 및 외피 냉각 등으로 구분할 수 있다(Kang et al.

가설 설정

입사되는 적외선 파는 TM(Transverse Magnetic) 모드로 가정하며 해석 모델 상층부의 경계에서 자기장(Magnetic field)이 수직으로 입사된다. 파장이 3μm인 중적외선파를 기준으로 최적설계 과정이 진행되며, 최적 형상에 대한 파장대역 효과를 검증하였다.

제안 방법

광역 최적화에 근접한 결과를 얻기 위하여 부피 제약 조건은 설정하지 않았으며, 확산 계수값은 1.0×10-5을 기준으로 초기 형상 조건에 대한 영향을 확인하였다.
여기서, Ψ는 목적함수, Φ는 설계 변수인 페이즈 필드 파라미터를 의미하고 G(Φ)는 부피 제약 조건이다. 또한 최대화 문제를 음의 부호를 이용하여 최소화 문제로 변환하여 최적화 과정이 진행되었다.
64배의 증가된 목적함수 값을 보였다. 또한 최적 모델을 기준으로 입사 파장을 변경해가며 파장대역에서의 반사층으로서의 효과를 검토하였다.
파장이 3μm인 중적외선파를 기준으로 최적설계 과정이 진행되며, 최적 형상에 대한 파장대역 효과를 검증하였다. 목적함수의 측정영역은 대칭구조로서 두 부분으로 나누어져 반사되는 빛의 방향을 조절하기 위해 설정되어 있고, 해당 영역에서의 측정값으로는 에너지의 흐름을 나타내는 포인팅 벡터(Poynting vector) 값을 선정하였다.
본 연구에서는 설계의 진행 중의 민감도를 구하는 과정에서 DWP(Double Well Potential)이 결합된 형태의 페이즈 필드 방법을 사용함으로써, 설계 변수인 페이즈 필드 파라미터 값이 두 상(Phase)과 상 사이의 경계에서만 이루어지도록 한다. 이에 따라 형상의 변화는 경계에서만 이루어지므로 기존의 밀도법 기반의 위상 최적설계 결과에 비해 단순한 형상의 결과를 도출할 수 있다.
본 연구에서는 적외선 스텔스 구조에 대한 기초 개념 설계로서 적외선 반사층을 설계하였으며, 3µm의 중적외선 파를 입사조건으로 사용하여 최적 형상을 도출하였다.
부피 제약 조건에서는 초기 Φ값을 0.7로 균일하게 분포시키고 확산 계수 값이 1.0×10-5으로 고정된 상태에서 해석이 진행되었으며, 부피 제약 조건의 값으로 0.6과 0.7을 사용하여 제약 조건이 작용하지 않는 결과까지 총 3가지의 경우를 고려하였다.
1에 도식화하여 나타내었다. 수직으로 입사된 적외선 파는 일반적으로 수직으로 반사되어 나오지만, 유전체(Dielectric)로 구성되어 있는 반사층의 형상 설계를 통하여 반사되는 파의 방향을 특정한 방향으로 꺾여 나오도록 함으로써 방사형으로 방출되는 적외선을 특정 방향으로 방출되도록 조절하고자 하였다.
이 모델에 대하여 0과 1이 아닌 중간 값을 가지는 부분들을 제거한 실제 제작을 고려한 모델에 대한 해석과 입사 파장을 2µm부터 4µm까지 변화시켜 추가적인 해석을 수행하였다.
이는 일반적으로 항공체로부터 방사형으로 방출되는 적외선을 항공체 내·외부에 적외선 반사층을 위치시켜 일정한 방향으로 방출시키기 위한 구조물로써, 적외선 감소를 위한 피탐지 효과를 달성하기 위한 구조물로 응용될 수 있다. 이를 위하여 형상최적 설계의 한 방법인 페이즈 필드법(Phase field method) 기반의 구조설계법을 도입하여 IR Reflector의 최적 형상을 도출하였다. 본 연구의 해석 과정은 상용패키지 COMSOL의 (RF)Radio Frequency module을 이용하여 수행되었다.
본 연구에서는 적외선 스텔스 구조에 대한 기초 개념 설계로서 적외선 반사층을 설계하였으며, 3µm의 중적외선 파를 입사조건으로 사용하여 최적 형상을 도출하였다. 제시된 페이즈 필드법 기반의 구조최적설계 방법을 이용하여 초기 페이즈 필드 파라미터의 값 및 부피제약조건 그리고 확산 계수 값들을 변화시켜가며 해석을 진행하였다. 목적함수의 값은 측정영역에서 계산된 포인팅 벡터 값을 초기 모델의 결과 값에 대하여 정규화된 값으로 표현하였다.
초기 형상에 대한 영향은 Φ값을 0.5, 0.6, 0.7로 균일하게 분포시키고 해석을 시작하여 얻어진 최적 형상과 그에 따른 목적함수 값으로 비교를 수행하였다.
파장이 3μm인 중적외선파를 기준으로 최적설계 과정이 진행되며, 최적 형상에 대한 파장대역 효과를 검증하였다.
굴절률이 설계과정에서의 물성치로 사용되었으며, Table 1에 해당 적외선 파장 값에 따른 굴절률을 표기하였다. 해석 영역의 모든 외부 경계에서는 파의 재반사로 인한 증폭 현상을 막기 위해 PML(Perfectly Matched Layer)를 적용하였다.
확산 계수값의 변화에 따른 설계 결과를 판단하기 위해 앞선 경우들과 마찬가지로 파라미터 값들을 변화시켜 해석을 진행하였다. 초기 조건으로 Φ값을 0.

대상 데이터

3μm로 정의하였고, 이는 2000×30개의 사각형 요소로 구성된다. 설계 영역의 소재는 공기(Air) 및 Zinc Oxide(ZnO)를 이용하였으며, 금속 박막에는 은(Silver, Ag)이 사용되었다. 굴절률이 설계과정에서의 물성치로 사용되었으며, Table 1에 해당 적외선 파장 값에 따른 굴절률을 표기하였다.
설계 영역인 반사층의 크기는 폭 48μm, 높이 0.3μm로 정의하였고, 이는 2000×30개의 사각형 요소로 구성된다.

데이터처리

이 장에서는 다양한 파라미터 값들의 변화에 따른 설계 결과의 영향을 살펴보기 위해 초기 형상과 부피 제약조건 및 확산계수의 값을 조절한 결과들을 제시하였다. 이 때, 목적함수 값은 Fig. 3에 도시된 초기 모델에 대한 측정영역에서의 포인팅 벡터 값을 1로 정규화(Normalization)하여 결과값을 비교-분석하였다. 최소화 문제에서 정규화한 값을 비교하므로 목적함수 값이 작을수록 좋은 결과를 나타낸다 할 수 있다.

이론/모형

이를 위하여 형상최적 설계의 한 방법인 페이즈 필드법(Phase field method) 기반의 구조설계법을 도입하여 IR Reflector의 최적 형상을 도출하였다. 본 연구의 해석 과정은 상용패키지 COMSOL의 (RF)Radio Frequency module을 이용하여 수행되었다.
페이즈 필드법에서는 설계 변수의 갱신 단계에서 다음과 같은 Reaction-diffusion 방정식을 이용한다.

성능/효과

부피 제약 조건을 사용하는 경우, 최적화 과정은 반복횟수 150~200회 부근에서 수렴하는 경향을 보였고, 그 결과는 부피 제약 조건을 사용하지 않는 경우에 비하여 좋지 못함을 Table 3에 기술된 목적함수 값을 통해 알 수 있다. 따라서 본 연구에서 목적하는 IR 반사층의 설계에서는 부피 제약 조건을 고려하지 않을 때 더 좋은 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
목적함수 값을 기준으로 하여 가장 좋은 성능을 보여준 모델을 최적 결과로 선정하였으며, 이는 초기 모델에 비하여 7.43배 증가된 결과 값을 보여주고 있다. 최적 모델에 대하여 회색 밀도 부분을 페이즈 필드 파라미터 값 0.
본 연구의 결과를 통하여 페이즈 필드법 기반의 위상 최적 설계 방법이 중적외선 영역의 구조물의 설계에도 유용하게 적용 가능하며 해당 결과는 적외선 스텔스를 위한 기초 개념 설계로서 활용될 수 있음을 확인할 수 있다.
명확한 비교를 위해서 전체 설계 영역의 1/3 부분의 형상만을 나타내었다. 확산 계수가 클수록 형상이 좀 더 단순해지는 결과를 확인할 수 있으나 경계 부분에 약간의 회색 밀도(gray scale) 문제가 발생하고, 확산 계수의 값이 작아질수록 경계 부분은 명확해지지만 약간은 날카 로운 형태의 형상을 얻게 됨을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IR 반사체란 무엇인가?	본 연구에서는 항공체로부터 방출되는 적외선 신호를 감소시킬 수 있는 IR 반사체(Reflector)를 설계하였다. 이는 일반적으로 항공체로부터 방사형으로 방출되는 적외선을 항공체 내·외부에 적외선 반사층을 위치시켜 일정한 방향으로 방출시키기 위한 구조물로써, 적외선 감소를 위한 피탐지 효과를 달성하기 위한 구조물로 응용될 수 있다. 이를 위하여 형상최적 설계의 한 방법인 페이즈 필드법(Phase field method) 기반의 구조설계법을 도입하여 IR Reflector의 최적 형상을 도출하였다.
	적외선 신호 감소 기술은 어떻게 구분되는가?	이 중 적외선 신호 감소 기술은 비행체 생존성을 보장하는 핵심 기술 중의 하나로써 적외선 방출의 주요한 원인이 되는 항공기의 엔진에서의 열원과 엔진 배기가스 및 태양 반사 등으로부터 방출되는 적외선을 감소시키는 것을 주요 목적으로 삼고 있다. 이 기술들은 엔진과 노즐의 IR(Infrared) 신호감소 설계, 배기 Plume 온도 저하 및 외피 냉각 등으로 구분할 수 있다(Kang et al., 2014).
	적외선 신호 감소 기술의 주요 목적은?	이 중 적외선 신호 감소 기술은 비행체 생존성을 보장하는 핵심 기술 중의 하나로써 적외선 방출의 주요한 원인이 되는 항공기의 엔진에서의 열원과 엔진 배기가스 및 태양 반사 등으로부터 방출되는 적외선을 감소시키는 것을 주요 목적으로 삼고 있다. 이 기술들은 엔진과 노즐의 IR(Infrared) 신호감소 설계, 배기 Plume 온도 저하 및 외피 냉각 등으로 구분할 수 있다(Kang et al.

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원문보기 상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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