The radar (radio detection and ranging) is a system that transmits EM (electromagnetic) waves in a given direction, and then detects the same waves reflected back by an obstacle in its path. The radar technology has been improved drastically with the use of high-powered large bandwidth transmitters since the World War II, which makes the stealth technology very important for the survival of the weapon systems, such as aircrafts, warships, and missiles in the modern war.
The stealth technology is a sub-discipline of ECM (electronic countermeasures) which covers a range of techniques for weapon systems in order to make them less visible or ideally invisible to the radar. For the stealth performance, the RCS (radar cross section) of weapon systems should be minimized because the distance detected by the radar is inversely proportional to the fourth root of the RCS. RCS is a measurement of the strength of the radar signal backscattered from a target object for a given incident EM wave power to describe the extent to which an object reflects an incident EM wave. There are two methods to achieve the stealth function, that is, to reduce the RCS of weapon systems. One is to absorb the EM wave incident on the fuselage of the weapon system and the other is to transmit some of them through the radome or reflect the rest at the radome surface selectively.
In this study, the RAS (radar absorbing structure) absorbing EM waves and the low-observable radome having frequency selectivity were developed using composite materials. The RAS was manufactured by nanocomposite materials having conductive nanoparticles like CNT (carbon nanotube) and its absorption rate of the incident EM waves was more than about 90% in the X-band frequency range (8.2 ~ 12.4 GHz). The low-observable radome was fabricated with composite sandwich constructions composed of FSS (frequency selective surface) and composite materials. The role of FSS composed of a copper foil and a polyimide film is to give the frequency selectivity to the low-observable radome. The EM characteristics of the RAS and the low-observable radome were measured by the free space measurement system and, the structural reliability was also investigated.
레이더를 이용해서 상대방의 위치를 파악하는 것을 탐지기술 (observing technology)라고 하면, 이에 반하여 상대방의 레이더에 의해서 자신의 위치가 탐지되지 않도록 하는 기술을 스텔스 기술 (stealth technology) 이라고 한다. 스텔스 기술 분야는 RCS (radar cross section), 적외선/열 형상 (infrared/heat signature), 배연가스 (smoke emission), 비행운 (contrail), 음향 (acoustic), 육안식별 (visual appearance)로 분류될 수 있다. 이 중에서 무기체계의 RCS를 줄이는 것이 스텔스 기술의 핵심이다. RCS는 무기체계가 레이더에 탐지되는 정도를 나타내고, 무기체계가 레이더로부터 탐지되는 거리는 RCS의 4승근에 비례하여 감소한다. RCS를 줄이는 기술은 무기체계의 몸체 (body)와 레이돔 (radome)에 적용될 수 있다. 몸체에 적용된 기술은 몸체에 상대방의 레이더에서 입사된 전자기파가 다시 되돌아가는 것을 방지하는 것으로, 형상설계 (shaping the target), RAM (radar absorbing material), RAS (radar absorbing structure) 등이 있다. 레이돔은 내부에 있는 레이더 안테나를 보호하는 구조물로서, 레이더 안테나의 운용 주파수의 전자기파를 손실 없이 잘 투과시켜야 한다. 이러한 목적을 만족시키기 위해서 비강도와 비강성이 우수하고 전자기파 손실이 적은 유리섬유강화 복합재료가 레이돔의 재료로 많이 사용된다. 하지만, 레이돔 내부에 있는 레이더 안테나는 금속으로 제작되고, 이는 무기체계의 RCS를 증가시키는 큰 요인으로 작용하기 때문에 레이돔에 스텔스 기술이 적용되어야 한다. 레이돔의 스텔스 기술은 크게 두 가지가 있다. 첫 번째 기술은 상대방의 레이더로부터 입사된 전자기파를 진행방향으로 반사시켜 되돌아가는 것을 방지하여 자신의 위치가 탐지되지 않도록 하고, 레이돔 내부에 있는 레이더에서 송수신하는 전자기파를 자유롭게 투과시켜 상대방의 위치를 탐지하는 전자기파에 대한 선택적 투과/반사 특성이고, 이는 FSS에 의해서 달성될 수 있다. 두 번째 기술은 레이돔 내부에 있는 레이더 안테나에서 송수신하는 이외의 전자기파를 흡수하는 것이다.
본 연구에서는 유리섬유 복합재료, FSS, PVC 폼으로 구성된 샌드위치 구조로서 X-band 주파수 영역에서 특정 주파수에 대한 전자기파 선택성을 지니는 저탐지 레이돔을 개발하였으며, 또한 CNT가 분산된 나노복합재료, 탄소섬유 복합재료, PVC 폼으로 구성된 샌드위치 구조로서 X-band 주파수 영역의 전자기파를 90% 이상 흡수할 수 있는 전자기파 흡수 구조체를 개발하였다. 2장에서는 FPCB (flexible printed circuit board)의 재료로 사용되고 있는 구리박판과 폴리이미드 필름의 적층필름인 FCCL (flexible copper clad laminate)을 이용하여 에칭공정으로 FSS를 제작하였다. 유리섬유 복합재료, PVC 폼, FSS로 구성된 샌드위치 구조로 저탐지 레이돔을 제작하였으며, 유리섬유 복합재료의 두께, PVC 폼의 밀도의 변화에 따른 전자기파 투과 특성을 분석하였다. 또한, 전자기파 해석 프로그램인 CST Microwave Studio$\reg$를 이용하여 저탐지 레이돔의 투과특성을 분석하는 방법을 제시하였다. 3장에서는 FSS와 유리섬유 복합재료가 접합될 때, 구리박판의 표면에 있는 산화층 때문에 유리섬유 복합재료와 접합력이 약한 문제점을 해결하기 위하여 구리표면에 질산용액을 이용한 표면처리를 수행하였다. 그 결과, 접합강도가 향상하였고, 또한 FSS의 전자기파 투과특성에 영향을 미치지 않았다. 4장에서는 수분이 저탐지 레이돔의 전자기파 투과 특성에 영향을 미치므로, 이를 방지하기 위하여 Nanoclay, 유리섬유, 에폭시 수지로 구성된 나노복합재료를 이용하여 저탐지 레이돔을 개발하였다. 5장에서는 입사각과 편파각에 안정한 저탐지 레이돔을 개발하기 위하여 FSS의 기본 요소 형상에 따른 전자기파 투과특성을 분석하였다. 6장에서는 X-band 주파수 대역의 전자기파를 흡수할 수 있는 RAS를 CNT, 유리섬유, 에폭시 수지로 구성된 나노복합재료, PVC 폼, 탄소섬유 복합재료의 샌드위치 구조로 개발하였다.
