[논문]주기패턴 레이더 흡수 구조의 저속충격 후 흡수 성능 평가

곽병수; 신준형

doi:10.7234/composres.2022.35.6.469

주기패턴 레이더 흡수 구조의 저속충격 후 흡수 성능 평가
Evaluation of the Absorbing Performance of Radar-absorbing Structure with Periodic Pattern after the Low-velocity Impact 원문보기

Composites research = 복합재료, v.35 no.6, 2022년, pp.469 - 476

곽병수 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University) , 신준형 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 주기패턴 레이더 흡수 구조(RAS)에 다양한 손상을 모사하기 위한 저속충격시험을 수행하고 파손모드에 따른 전자기파 흡수 성능 특성 변화를 평가하였다. 주기패턴 레이더 흡수 구조는 주기패턴시트(PPS) 및 유리섬유강화플라스틱(GFRP)으로 구성되며 설계 및 제작된 구조는 X-band(8.2-12.4 GHz)에서 효과적으로 전자기파를 흡수하였다. 제작된 레이더 흡수 구조에 다양한 손상을 유도하기 위해 충격에너지에 따른 저속충격시험을 수행하였으며, 육안검사, 비파괴 검사 및 이미지 프로세싱을 이용하여 발생한 손상모드 확인 및 손상영역을 정량화하였다. 충격 전, 후 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능은 자유공간 측정 시스템을 이용하여 평가하였다. 시험결과, 15 J의 낮은 충격에너지로 인해 발생한 크기가 작은 층간분리는 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수성능 변화에 큰 영향을 미치지 않았다. 그러나 충격에너지를 40 J 또는 60 J로 증가시켜 상대적으로 넓은 영역의 섬유파손 또는 관통파손이 발생한 구조에서는 전자기파 흡수 성능이 크게 저하되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the microwave absorbing characteristics after the impact of the radar-absorbing structure (RAS) consisting of periodic pattern sheet (PPS) and glass fiber-reinforced plastic (GFRP) were experimentally investigated. The fabricated RAS effectively absorbed the microwave in the X-band (8.2-12.4 GHz). In order to induce the damage to the RAS, a low-velocity impact test with various impact energy of 15, 40, and 60 J was conducted. Afterward, the impact damage was observed by using visual inspection, non-destructive test, and image processing method. Moreover, the absorbing performance of intact and damaged RAS was measured by the free-space measurement system. The experiment results revealed that the delamination damage from the impact energy of 15 J did not considerably affect the microwave absorbing performance of the RAS. However, fiber breakage and penetration damage with a relatively large damaged area were occuured when the impact energy was increased up to 40 J and 60 J, and these failures significantly degraded the microwave absorbing characteristics of the RAS.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Conceptual diagram of the RAS with periodic pattern sheet (PPS)
그림 Fig. 2. Equivalent circuit model of the proposed RAS with periodic pattern sheet (PPS)
표 Table 1. Optimized parameters obtained from the simulation
그림 Fig. 3. Unit-cell model of the RAS for the simulation
그림 Fig. 4. Simulated return loss of the designed RAS in the X-band
그림 Fig. 5. Manufacturing process of RAS using periodic pattern sheet and glass/epoxy prepregs
그림 Fig. 6. Experimental setup of a low-velocity impact test for the fabricated RAS
그림 Fig. 7. Free-space measurement system consisting of two horn antennas with focusing lens
그림 Fig. 8. Experimental and numerical return loss of RASs in the X-band
그림 Fig. 9. Evaluation of the damages occurred in the RAS after the low-velocity impact test
표 Table 2. Summary of the damage mode and damaged area
그림 Fig. 10. Microwave absorption performance of intact and damaged RASs in the X-band
그림 Fig. 11. Variation of resonance peak frequency and frequency range with 90% of microwave absorption
표 Table 3. Summary of the measured return loss of intact and damaged RASs

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 레이더 흡수 구조에 충격에 의한 다양한 손상이 발생하였을 때 손상모드에 따른 전자기파 흡수 성능의 변화를 평가하는 것이 주요 목표이다. 따라서, 제작된 레이더 흡수 구조의 시험을 수행하기 전 충격에너지에 따른 손상모드를 확인하기 위한 시험을 수행하였다. 20 장의 프리프레그로 제작된 GFRP에 다양한 충격에너지를 인가하는 시험을 수행하였고 시험 결과 층간분리, 층간분리 및 섬유 파손, 관통파손을 발생시키는 충격에너지는 각각 15, 40 및 60 J인 것을 확인하였다.
시뮬레이션 결과와 측정결과가 정확히 일치하지는 않지만 그 경향은 유사하였고, 목표로 하는 X-band 대역에서의 흡수 성능은 우수하였다. 또한 본 연구에서는 레이더 흡수 구조의 성능 저하를 평가하는 것이 주요 목표이기 때문에 발생한 오차를 용인하고 계속해서 연구를 진행하였다.
모든 시험은 관련 시험규격인 ASTM D7136을 준수하여 수행하였다. 본 연구에서는 레이더 흡수 구조에 충격에 의한 다양한 손상이 발생하였을 때 손상모드에 따른 전자기파 흡수 성능의 변화를 평가하는 것이 주요 목표이다. 따라서, 제작된 레이더 흡수 구조의 시험을 수행하기 전 충격에너지에 따른 손상모드를 확인하기 위한 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 손상이 발생한 레이더 흡수 구조의 수리 기술을 개발하기 위한 사전연구로 손상모드에 따른 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능 특성을 평가하였다. 주기패턴시트(PPS; Periodic pattern sheet)를 기반으로 X-band에서 전자기파를 효과적으로 흡수하는 레이더 흡수 구조를 설계하고 제작하였다.

제안 방법

20 장의 프리프레그로 제작된 GFRP에 다양한 충격에너지를 인가하는 시험을 수행하였고 시험 결과 층간분리, 층간분리 및 섬유 파손, 관통파손을 발생시키는 충격에너지는 각각 15, 40 및 60 J인 것을 확인하였다. 결과적으로 이와 같은 3가지 충격에너지 조건으로 제작된 레이더 흡수 구조의 저속충격시험을 수행하였다.
다양한 형태의 손상이 발생한 주기패턴 레이더 흡수 구조의 충격 후 전자기파 흡수 성능을 평가하기 위해 저속충격시험을 수행하였다. 저속충격시험은 경남테크노파크 항공우주센터에서 보유하고 있는 자유낙하시험기(HIT600F, Zwick Roell)를 활용하였으며, 저속충격시험의 셋업은 Fig.
본 연구에서는 제작된 주기패턴 레이더 흡수 구조에 충격에너지를 인가하는 저속충격시험을 수행하였고 충격 후 전자기파 흡수 성능의 특성변화를 확인하였다. 충격시험 전 제작된 레이더 흡수 구조는 8.
손상 모드에 따른 주기패턴 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능의 특성 변화를 명확하게 평가하기 위하여 15, 40 및 60 J의 충격에너지로 자유낙하시험을 수행하였으며 그 결과를 Fig. 9에 제시하였다.
손상이 발생한 주기패턴 레이더 흡수 구조의 성능평가를 위한 기준지표를 획득하기 위해 손상이 발생하지 않은 온전한 구조의 전자기파 흡수 성능을 먼저 확인하였다. Fig.
9에 제시하였다. 시험결과에는 시험 후 구조에 발생한 손상모드, 외부에서 확인이 힘든 내부 손상을 관찰하기 위한 비파괴검사(C-scan) 결과 및 손상면적 확인을 위한 이미지 프로세싱 결과를 함께 제시하였다. 15 J의 충격 에너지를 가한 경우 충격이 가해진 면에 Dent가 발생하였으나 섬유 파손 없이 구조 내부에 층간분리가 발생하였다.
자유낙하시험은 장비 상단부의 가이드를 따라 충격체가 자유낙하하여 구조에 충격에너지를 가한다. 자유낙하시험은 시편에 가하고자 하는 충격 에너지를 낙하 높이 또는 충격체의 중량을 변경하여 결정할 수 있으나, 본 연구에서는 충격체의 중량은 고정하고 낙하높이를 조절하는 방식을 채택하였다.
주기패턴시트(PPS; Periodic pattern sheet)를 기반으로 X-band에서 전자기파를 효과적으로 흡수하는 레이더 흡수 구조를 설계하고 제작하였다. 제작된 구조에 다양한 손상을 모사하기 위해 충격에너지를 변수로 하는 저속충격시험을 수행하였으며, 충격 전, 후 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능을 측정하고 그 결과를 분석하였다.
본 연구에서는 손상이 발생한 레이더 흡수 구조의 수리 기술을 개발하기 위한 사전연구로 손상모드에 따른 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능 특성을 평가하였다. 주기패턴시트(PPS; Periodic pattern sheet)를 기반으로 X-band에서 전자기파를 효과적으로 흡수하는 레이더 흡수 구조를 설계하고 제작하였다. 제작된 구조에 다양한 손상을 모사하기 위해 충격에너지를 변수로 하는 저속충격시험을 수행하였으며, 충격 전, 후 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능을 측정하고 그 결과를 분석하였다.

대상 데이터

PPS 제작에는 75 μm 두께의 PI 필름과 Loctite 社의 M2012RS 전도성 잉크를 사용하였다.
5는 설계된 주기패턴 레이더 흡수 구조의 제작 과정을 보여주고 있다. PPS는 패턴이 가공되어 있는 얇은 금속 시트인 메탈마스크와 Bar-coater 장비를 이용하여 제작하였다. PPS 제작에는 75 μm 두께의 PI 필름과 Loctite 社의 M2012RS 전도성 잉크를 사용하였다.
레이더 흡수 구조를 제작하기 위해 사용된 유리섬유/에폭시 프리프레그는 SK chemical 社의 GEP 224이다. 프리프레그를 적층하기 전에 GEP 224의 경화 후 1장 당 두께를 확인할 필요가 있었다.
본 연구에서 제작된 레이더 흡수 구조는 유리섬유를 바탕으로 제작이 되었기 때문에 내부에 발생한 손상은 외부에서도 육안으로 확인이 되었다. 실제로 비파괴 검사를 수행한 결과 Fig.
다양한 형태의 손상이 발생한 주기패턴 레이더 흡수 구조의 충격 후 전자기파 흡수 성능을 평가하기 위해 저속충격시험을 수행하였다. 저속충격시험은 경남테크노파크 항공우주센터에서 보유하고 있는 자유낙하시험기(HIT600F, Zwick Roell)를 활용하였으며, 저속충격시험의 셋업은 Fig. 6에 나타내었다.
총 3개 샘플의 측정을 수행한 결과 모두 유사한 전자기파 흡수 성능을 보였다. 측정에 사용된 3개의 레이더 흡수 구조 샘플은 8.28-12.13 GHz 주파수 대역에서 -10 dB 이상의 반사손실을 보였으며, 9.7 GHz 부근에서 반사손실의 Peak를 나타냈다. 시뮬레이션 결과와 측정결과를 비교했을 때 반사손실의 경향은 유사하게 나타났으나 전자기파를 90% 이상 흡수하는 주파수 대역 및 공진 주파수가 소폭 감소하였다.

데이터처리

7은 전자기파 흡수 성능을 평가하기 위한 시험 셋업이다. 그림에서와 같이 두 개의 혼 안테나 사이에 위치하는 시편 홀더에 제작한 레이더 흡수 구조를 거치하고 네트워크 분석기를 통해 반사손실을 측정하였다.

이론/모형

모든 시험은 관련 시험규격인 ASTM D7136을 준수하여 수행하였다. 본 연구에서는 레이더 흡수 구조에 충격에 의한 다양한 손상이 발생하였을 때 손상모드에 따른 전자기파 흡수 성능의 변화를 평가하는 것이 주요 목표이다.

성능/효과

Table 내의 Intact는 손상이 없는 구조를, Damaged는 손상이 발생한 경우를 뜻한다. 15 J의 충격 에너지를 가하여 층간분리가 발생한 레이더 흡수 구조의 경우, 충격 후 공진 주파수와 -10 dB 주파수 대역이 각각 9.69 GHz, 8.20-12.06 GHz로 손상 전과 비교하여 소폭 감소되는 것으로 나타났는데 이는 구조 내부에 발생한 층간분리로 인한 미세한 공기층 형성에 의한 것으로 판단된다. 이와 같은 결과로부터 상대적으로 크기가 작은 영역의 층간분리는 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
그러나, 충격에너지를 증가시킴에 따라 발생한 섬유파손(40 J) 및 섬유파손을 동반한 관통파손(60 J)은 레이더 흡수 구조의 성능을 크게 저하시키는 것으로 확인되었다. 15, 40 및 60 J의 충격에너지가 인가된 레이더 흡수 구조의 공진주파수는 각각 0.02, 0.40 및 0.42 GHz 만큼 저주파 대역으로 이동하는 결과를 보였다. 손상이 발생한 레이더 흡수 구조의 90% 전자기파 흡수 주파수 대역 너비의 경우 충격 전 구조의 96.
따라서, 제작된 레이더 흡수 구조의 시험을 수행하기 전 충격에너지에 따른 손상모드를 확인하기 위한 시험을 수행하였다. 20 장의 프리프레그로 제작된 GFRP에 다양한 충격에너지를 인가하는 시험을 수행하였고 시험 결과 층간분리, 층간분리 및 섬유 파손, 관통파손을 발생시키는 충격에너지는 각각 15, 40 및 60 J인 것을 확인하였다. 결과적으로 이와 같은 3가지 충격에너지 조건으로 제작된 레이더 흡수 구조의 저속충격시험을 수행하였다.
반면에 섬유 파손(40 J), 섬유 및 관통 파손(60 J)이 동반된 경우에는 공진 주파수 및 반사손실로 표현되는 전자기파 흡수 성능이 크게 저하되었다. 40 J의 충격에너지로 시험한 구조의 경우, 충격 전 대비 공진주파수가 9.78 GHz에서 9.38 GHz로 변화하였고, 60 J의 충격에너지를 가한 레이더 흡수 구조의 공진주파수는 9.73 GHz에서 9.31 GHz로 더 큰 변화를 보였다. 더욱 악화된 수치는 반사손실이다.
더욱 악화된 수치는 반사손실이다. 40 및 60 J의 충격에너지가 인가된 레이더 흡수 구조의 반사손실 Peak는 각각 -24.0 dB에서 -19.8 dB 및 -23.7 dB에서 -15.8 dB로 감소하였다. -10 dB 주파수 대역은 40 J의 경우 8.
손상이 발생한 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능을 분석한 결과 상대적으로 작은 충격에너지(15 J)는 레이더 흡수 구조의 흡수 성능에 큰 영향을 미치지 않았다. 그러나, 충격에너지를 증가시킴에 따라 발생한 섬유파손(40 J) 및 섬유파손을 동반한 관통파손(60 J)은 레이더 흡수 구조의 성능을 크게 저하시키는 것으로 확인되었다. 15, 40 및 60 J의 충격에너지가 인가된 레이더 흡수 구조의 공진주파수는 각각 0.
프리프레그를 적층하기 전에 GEP 224의 경화 후 1장 당 두께를 확인할 필요가 있었다. 따라서 5, 10, 20 및 30장의 프리프레그로 구성된 복합재 적층판을 제작하여 1장 당 평균 두께를 확인하였으며, 그 두께는 0.13 mm로 확인되었다.
이와 같은 결과로부터 상대적으로 크기가 작은 영역의 층간분리는 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 반면에 섬유 파손(40 J), 섬유 및 관통 파손(60 J)이 동반된 경우에는 공진 주파수 및 반사손실로 표현되는 전자기파 흡수 성능이 크게 저하되었다. 40 J의 충격에너지로 시험한 구조의 경우, 충격 전 대비 공진주파수가 9.
이로부터 충격에너지의 크기가 증가할수록 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능이 저하된다는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구는 손상이 발생한 레이더 흡수 구조의 수리기술 개발을 위한 사전연구이며, 본 연구를 통해 레이더 흡수 구조에 발생한 손상은 흡수 성능 특성에 크게 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 따라서, 본 연구결과를 바탕으로 손상이 발생한 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 및 기계적 하중 지지 성능을 동시에 회복시킬 수 있는 수리 기술 개발 연구를 수행할 계획이다.
42 GHz 만큼 저주파 대역으로 이동하는 결과를 보였다. 손상이 발생한 레이더 흡수 구조의 90% 전자기파 흡수 주파수 대역 너비의 경우 충격 전 구조의 96.8%(15 J), 77.8%(40 J) 및 74.9%(60 J) 수준으로 큰 폭의 성능저하가 나타났다. 이로부터 충격에너지의 크기가 증가할수록 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능이 저하된다는 것을 확인할 수 있었다.
13 GHz 주파수 대역에서 -10 dB 이상의 반사손실을 나타내었다. 손상이 발생한 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능을 분석한 결과 상대적으로 작은 충격에너지(15 J)는 레이더 흡수 구조의 흡수 성능에 큰 영향을 미치지 않았다. 그러나, 충격에너지를 증가시킴에 따라 발생한 섬유파손(40 J) 및 섬유파손을 동반한 관통파손(60 J)은 레이더 흡수 구조의 성능을 크게 저하시키는 것으로 확인되었다.
오차 요인은 설계 과정에서 고려되지 않기 때문에 일정 수준의 오차를 갖게 된 것으로 보인다. 시뮬레이션 결과와 측정결과가 정확히 일치하지는 않지만 그 경향은 유사하였고, 목표로 하는 X-band 대역에서의 흡수 성능은 우수하였다. 또한 본 연구에서는 레이더 흡수 구조의 성능 저하를 평가하는 것이 주요 목표이기 때문에 발생한 오차를 용인하고 계속해서 연구를 진행하였다.
7 GHz 부근에서 반사손실의 Peak를 나타냈다. 시뮬레이션 결과와 측정결과를 비교했을 때 반사손실의 경향은 유사하게 나타났으나 전자기파를 90% 이상 흡수하는 주파수 대역 및 공진 주파수가 소폭 감소하였다. 이는 레이더 흡수 구조의 설계로 획득한 두께와 실제 제작된 구조의 두께의 차이와 각 패턴에서의 면저항이 정확히 일치하지 않음에 의해 발생한 오차로 판단된다.
1% 변화하였다. 이로부터 레이더 흡수 구조에 가해진 충격에너지가 클수록 전자기파 흡수 성능의 저하가 크다는 것이 확인되었다.
9%(60 J) 수준으로 큰 폭의 성능저하가 나타났다. 이로부터 충격에너지의 크기가 증가할수록 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능이 저하된다는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구는 손상이 발생한 레이더 흡수 구조의 수리기술 개발을 위한 사전연구이며, 본 연구를 통해 레이더 흡수 구조에 발생한 손상은 흡수 성능 특성에 크게 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
06 GHz로 손상 전과 비교하여 소폭 감소되는 것으로 나타났는데 이는 구조 내부에 발생한 층간분리로 인한 미세한 공기층 형성에 의한 것으로 판단된다. 이와 같은 결과로부터 상대적으로 크기가 작은 영역의 층간분리는 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 반면에 섬유 파손(40 J), 섬유 및 관통 파손(60 J)이 동반된 경우에는 공진 주파수 및 반사손실로 표현되는 전자기파 흡수 성능이 크게 저하되었다.
저속충격 및 전자기파 흡수 성능 평가 시험을 고려하여 190 mm × 180 mm 크기의 샘플 3개를 제작하였으며 제작된 샘플의 두께 측정결과 평균 두께는 약 2.89 mm였다.
8은 시뮬레이션 및 실제 측정을 통해 획득한 반사손실을 나타낸다. 총 3개 샘플의 측정을 수행한 결과 모두 유사한 전자기파 흡수 성능을 보였다. 측정에 사용된 3개의 레이더 흡수 구조 샘플은 8.
08 GHz로 큰 폭으로 감소하였다. 충격시험을 수행하기 전 제작된 레이더 흡수 구조는 대부분의 X-band 대역의 전자기파를 효과적으로 흡수하였으나, 40 및 60 J의 충격에너지를 인가한 후에는 제 성능을 나타내지 못하는 것으로 확인되었다. 이러한 전자기파 흡수 성능 저하는 충격에너지로 인해 발생한 구조 내부의 공극에 의한 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구는 손상이 발생한 레이더 흡수 구조의 수리기술 개발을 위한 사전연구이며, 본 연구를 통해 레이더 흡수 구조에 발생한 손상은 흡수 성능 특성에 크게 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 따라서, 본 연구결과를 바탕으로 손상이 발생한 레이더 흡수 구조의 전자기파 흡수 및 기계적 하중 지지 성능을 동시에 회복시킬 수 있는 수리 기술 개발 연구를 수행할 계획이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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