레이더 (radar: radio detection and raging)는 3 MHz ~ 300 GHz의 주파수를 갖는 전자기파를 이용하여 원거리의 물체를 감지하는 장비로서, 최근의 레이더 관련 기술의 현저한 발달은 필연적으로 레이더 탐지를 회피하기 위한 스텔스 기술 (stealth technology)의 개발로 이어졌다. 이러한 스텔스 성능을 극대화하기 위해서는 대상물의 RCS (radar cross section)를 최소화해야 하며, RCS 감소를 위한 기술은 크게 반사파 감소 형상화 (shaping), 레이더 흡수 재료 (RAM: radar absorbing material), 레이더 흡수 구조체 (RAS: radar absorbing structure) 등으로 나뉜다. 이중 RAS는 기본적으로 하중을 지지하는 구조체의 역할과 함께 전자기파를 흡수하는 성능을 가지며, 최근 섬유강화 고분자 복합재료를 이용한 RAS의 개발이 활발히 진행되고 있다. 섬유강화 복합재료는 그 기지인 고분자 수지에 카본 블랙, 페라이트, 은 분말 등의 다양한 전자기 분체를 첨가하거나 적층 순서를 제어함으로써 그 전자기 물성을 효과적으로 조절할 수 있으므로, 원하는 성능의 복합재료 RAS 개발에 적합한 소재이다.
본 연구에서는 전도성 카본 블랙과 유리섬유 강화 폴리에스터 복합재료를 이용하여, 최소한의 두께로 X-밴드 (8.2 ~ 12.4 GHz)의 주파수 대역에서 최적의 전자기파 흡수성능을 갖는 단층형 복합재료 RAS를 설계하고 개발하였다. 이를 위해, 전도성 카본 블랙 나노 분체를 함유하는 고분자 재료의 X-밴드 대역에서의 유전물성을 자유 공간 기법을 이용하여 측정하고, 카본 블랙 함량에 따른 고분자 재료의 유전거동을 정량 분석하였다. SEM을 통한 파괴면 관찰을 통해 전도성 입자를 함유하는 고분자 재료의 전도성 증가 원인을 규명하였으며, 저항과 축전기로 구성되는 등가회로를 제안하여 이러한 비균질 혼합물의 유전물성을 예측할 수 있는 실용적인 방법을 개발하였다. 또한, 나노 분체의 함량에 따른 고분자 재료의 기계적 물성을 측정하고, 나노 분체의 특성과 함량이 재료의 기계적 특성에 미치는
4장에서는 항공기 등의 레이돔 (radome) 제작에 널리 쓰이고 있는 저손실 유리섬유 강화 고분자 복합재료의 유전물성을 측정하고, 섬유의 배향 방향과 입사전기장의 각도 변화에 따른 유전물성의 변화로부터 복합재료의 유전 이방성 (dielectric anisotropy) 거동을 발견하였다. 유전 이방성 거동을 모사하기 위해 이차원 공간에서의 텐서 변환 공식을 제안하였고, 섬유강화 고분자 복합재료의 등가 회로 모델링을 통해 섬유 부피 분율에 따른 복합재료의 유전물성을 모사할 수 있는 혼합물 법칙과 적층 순서에 따른 복합재료의 유전물성을 예측할 수 있는 적층판 법칙을 이론적으로 제시하였으며, 실험을 통해 이들을 검증하였다.
5장에서는 이상의 결과를 이용하여 10 GHz의 중심 주파수를 가지며 X-밴드에서 최적의 성능을 갖는 단층형 복합재료 RAS를 개발하였다. 전도설 카본 블랙을 함유하는 유리섬유 강화 폴리에스터 복합재료를 제작하고, 카본 블랙 함량에 따른 X-밴드에서의 유전물성을 측정하였으며, 3 및 4장의 결과를 통해 손실재 함량에 따른 복합재료의 전자기파 반사손실을 수치적으로 해석하였다. 이로부터 복합재료 RAS의 제작기법 및 최적의 설계안을 도출하였으며, 2.93 mm의 두께를 갖는 단층형 복합재료 RAS를 제작하였다. 본 연구를 통해 개발된 복합재료 RAS는 약 - 55 dB의 최대 반사손실을 가지며, X-밴드 전 대역에 걸쳐 입사 전자기파의 90%이상을 흡수하는 성능을 보였다. 또한, 복합재료 RAS의 설계변수의 폭을 확장하기 위해 21총의 유리섬유 직물과 3종의 고분자 수지로 구성되는 63종의 유리섬유 강화 고분자 복합재료의 유전물성 및 기계적 물성을 측정하고, 그 결과를 토대로 데이터베이스를 구축하였다.
