초록 ▼

본 과제에서는 기존의 한 가지 기능에만 초점을 맞추었던 한계점을 극복하여 복잡한 미래 전장 환경에서도 적용 가능한 가변형 메타물질을 개발하고자 하였다. 본 과제에서 제안하는 가변형 메타물질은 군사용 탐지 기술에 응용하기 위한 기술로, 전자파 환경에 따라 흡수 모드와 반사 모드를 능동적으로 선택할 수 있는 다기능 메타물질이다. 즉, 적군의 레이더 신호로 부터 피탐지를 위해서 흡수 모드, 아군과의 통신을 위한 반사 모드로 전환이 가능하다.
이를 위해, 1차 년도에는 제안된 목표의 달성 가능성 확인을 위해, Split Ring Re

본 과제에서는 기존의 한 가지 기능에만 초점을 맞추었던 한계점을 극복하여 복잡한 미래 전장 환경에서도 적용 가능한 가변형 메타물질을 개발하고자 하였다. 본 과제에서 제안하는 가변형 메타물질은 군사용 탐지 기술에 응용하기 위한 기술로, 전자파 환경에 따라 흡수 모드와 반사 모드를 능동적으로 선택할 수 있는 다기능 메타물질이다. 즉, 적군의 레이더 신호로 부터 피탐지를 위해서 흡수 모드, 아군과의 통신을 위한 반사 모드로 전환이 가능하다.
이를 위해, 1차 년도에는 제안된 목표의 달성 가능성 확인을 위해, Split Ring Resonator (SRR)을 이용한 메타물질 흡수체를 설계하였다. 설계된 흡수체는 전류 흐름이 가장 센 중앙 도선을 단절시킴으로써 전류의 흐름을 차단하고, 그로 인해 실제로 반사체로써 모드 변화가 가능함을 확인하였다. 제안된 메타물질흡수체는 10.06GHz에서 -30dB 이상의 반사 계수를 가지며, 도선 단절 시 거의 0dB에 가까운 반사 계수를 가짐으로써 효과적으로 모드 가변이 발생함을 확인하였다. 다만 불안정한 측정 환경으로 인해 측정 결과와 시뮬레이션 사이에 큰 오차가 발생하여, 안정적인 측정 환경의 필요성이 대두되었다. 그 외에도 저항성 Frequency Selective surface (FSS)와 Electromagnetic Gradient Surface (EGS)를 결합한 2차원 메타물질 구조에 대한 연구가 진행되었다.
2차 년도에는 1차 년도의 메타물질 흡수체의 구조를 조금 더 해석이 용이하며 개량이 쉬운 단순한 형태의 SRR 구조로 변경하였고, 이상적인 도선 스위치를 이용하여 가변성을 확인하였다. 새로이 설계된 메타물질 구조체는 10.54GHz에서 스위치 On시 -19.3dB의 반사계수를 가지며, 스위치 Off시 -0.15dB의 반사계수를 가지며, 이는 각각 98.8%의 높은 흡수율과 공기 중의 감쇠를 제외하면 100%에 가까운 반사율을 보인다. 또한, 1차 년도에 비해 측정 환경을 개선하여 시뮬레이션과 거의 완벽하게 일치하는 측정결과를 얻을 수 있었다. 다음은 이상적인 도선 스위치를 실제 Pin Diode로 대체하기 위하여, Pin Diode를 RLC 성분으로 모델링하였고, 안정적인 전압인가와 원치 않는 성능 변화를 막기 위한 바이어스 회로를 설계하였다. 제안된 메타물질 구조체는 Pin Diode의 스위치가 On일 때, 9.27GHz에서 -22.6dB의 반사계수를 가지며, 약 99.5%의 흡수율을 갖는 흡수체 모드로 동작 가능함을 확인하였다. 하지만 바이어스 회로제작 시 사용된 납과 은의 기생성분으로 인해 주파수 가변이 발생한다는 문제점을 발견하였다. 그 외에도 High Impedance Surface를 이용한 높은 격리도를 갖는 송수신 안테나 연구와 주파수 재구성 Eighth-Mode Substrate Integrated Waveguide (EMSIW) 안테나 연구가 진행되었다.
마지막으로 3차 년도에는, 2차 년도에서 제안된 메타물질 구조체를 최적화하여 Pin Diode의 스위치가 Off일 때, 우수한 반사율을 갖는 반사 모드를 구현하고자 하였다. 또한 제작 시 발생되는 기생성분을 최소화하기 위해 바이어스 회로를 더욱 간소하게 수정하였다. 제안된 메타물질 구조체의 흡수 및 반사 특성 분석을 위해 Full-wave EM 해석을 수행하였고, 실제 제작 및 측정을 통해 그 성능을 검증하였다. 제안된 메타물질 구조체는 Pin Diode의 전기적인 스위치 On/Off를 통해 빠른 모드 변경이 가능하며, 스위치가가 On일 때 10.972GHz에서 흡수율 99.4%의 흡수 모드, Off일 때 반사율 93.8%의 반사 모드로 동작한다. 또한 실제 레이더 환경을 고려하여, 입사 각도와 편파 변화에 따른 성능 변화를 측정하였다. 제안된 메타물질 구조체는 입사각이 50도까지 변화할 때, 94.2% 이상의 흡수율 그리고 86.7% 이상의 반사율을 유지하며, 또한 입사 편파 45도까지 90% 이상의 흡수율, 편파 변화와 상관없이 80% 이상의 반사율을 유지한다.
결과적으로 다기능 가변능력을 갖는 메타물질 구조체는 복잡한 레이더 작전 환경에서 운용되는 다양한 군사 장비에 적용 가능하며, 특히 레이더 피탐지와 아군과의 통신이 모두 필요한 스텔스 전투기에 응용가능하다.