Absorption and shielding of electromagnetic energy from radio detecting and ranging (RADAR) systems or electronic devices have been recognized as a significant issue in stealth technology for both commercial and military applications. Radar stealth implies the technology that can make radar cross section (RCS) of an object smaller by absorbing, scattering or shielding electromagnetic wave through radar absorbing materials (RAMs), radar absorbing structure (RAS), radio frequency (RF) shielding materials or stealthy design and shaping. Dielectric and conducting materials such as carbon black, graphite and magnetic materials such as ferrite and carbonyl iron have been conventionally used as a filler for radar absorbing materials. Carbon Nanotubes (CNTs) have the potential for substitution of conventional conducting or magnetic fillers due to their intrinsic characteristics such as high electric conductivity, low percolation threshold, and dielectric loss peculiarity.
In this thesis, the carbon nano-materials based polymer composites were designed and fabricated for shielding and absorbing electromagnetic wave. Multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) and reduced graphene oxide (r-GO) were introduced as a conductive filler for the reflection or absorption of the incident electromagnetic wave owing to their structural and conductive properties. A new triple-layered electromagnetic wave absorbing materials were developed for broad-band from S to Ku-band (2 ~ 18 GHz) absorbers. MWNTs having high aspect ratio were dispersed into the epoxy resin and the mixture was impregnated on each plies of glass fabric. The final dimension of the prepared materials was 300mm x 300mm. And a single ply of the fabric coated with the MWNT dispersed mixture was prepared and characterized for the electromagnetic interference (EMI) shielding effectiveness (SE) in the range of X-band (8.2 ~ 12.4 GHz). The EMI shielding composite films were fabricated with dimension of 300 mm x 300 mm.
We investigated dielectric characteristics of the electromagnetic wave absorbing composite materials and electromagnetic interference shielding composite films by using free space measurement system. Electromagnetic wave absorption properties of the composite materials were measured by the reflection mode. Reflection scattering parameter (S11) was extracted from the measured data, and then calculated to the complex permittivity. The complex permittivity of the materials was finally introduced as a design parameter for electromagnetic wave absorption. Transmission loss of the composite films was measured by the transmission mode. Transmission scattering parameter (S21) was also extracted from the raw data and converted to the electromagnetic interference shielding effectiveness.
The prepared all carbonaceous triple-layered microwave absorbing composite materials exhibited more than 90% of attenuating performance from 4.7 GHz to 13.7 GHz. The fabricated EMI shielding composite film showed -15.9 dB of EMI SE at 10 GHz. And 5 wt. % reduced graphene oxide/nickel core/shell dispersed epoxy composite showed -37.3 dB of reflection loss at 11.6 GHz. We believe that these materials can be useful in potential radar absorbing/shielding materials in stealth technology.
본 논문은 탄소나노튜브 및 그래핀 등 탄소나노소재를 기반으로 한 고분자 복합재료의 전자기 특성 연구와 이를 이용한 스텔스 재료에의 응용에 관한 연구이다.
첫 번째 연구는 다중벽 탄소나노튜브만을 전도성 필러로 적용하여 다층구조의 광대역 전자파 흡수 복합재료를 개발하는 것이다. 이를 위해 2 ~ 18 GHz 대역에서 전자파를 ㅎㅜㅂ수 할 수 있는 새로운 형태의 다층구조 복합재료를 제안하였다. 본 연구를 통해 제안된 복합재료는 흡수층(Layer 1) / 저항막(Layer 2) / 흡수층(Lauer 3) / 전도층(Perfect Electric Conductor, PEC)의 3층 구조로 구성되어 있으며, 흡수층 1, 2의 임피던스 차로부터 비롯되는 경계면에서의 전저기파 반사를 저감할 수 있는 저항막을 적용한 것이 가장 큰 특징이다. 또한 제안된 다층구조 광대역 전자기파 흡수 복합재료의 모든 층들은 유전 손실 재료로 다중벽 탄소나노튜브만이 사용되었다는 점 또한 특징이다. 제안된 복합재료는 4.7 ~ 13.7 GHz 대역에서 90 % 이상의 전자파를 흡수하였으며, 11.8 GHz에서는 99 % 이상의 전자기파를 흡수하는 우수한 특성을 나타내었다.
두 번째 연구에서는 첫 번째 연구로부터 파생된 저항막의 전자기파 간섭 차폐 (Electromagnetic Interference Shielding, EMI) 특성을 고찰하였다. 300 mm × 300 mm 크기의 대면적 MWNT 복합재료 필름을 제작하였으며, 전작파 차폐 특성을 측정한 결과 7 wt. %의 MWNT가 분산된 필름의 경우 X-band (8.2 ~ 12.4 GHz) 주파수 대역에서 최대 16.2 dB의 차폐 효율을 보였다. 또한 상온에서 200 °C의 대기온도범위에서 MWNT 복합재 필름의 전파차폐 특성 변화를 고찰하였다. 그 결과 주변 온도가 증가함에 따라 전파차폐 특성 또한 증가하였으며, 이는 온도 증가에 따라 전도성 채널 사이의 자유전자 확산 및 이동이 더 촉진된 것에 기인한다고 판단되며 전기전도도의 온도 의존적 특성을 확인하였다. 따라서 다층구조 광대역 전자기파 흡수 복합재료의 한 구성층인 저항막을 이용하여 대면적의 전파차폐 특성 구현 가능성을 입증하였다.
끝으로 그래핀/니켈 및 그래핀/니켈 코어/쉘 구조가 분산된 고분자 복합재료의 유전 특성을 고찰하였다. 그래파이트 분말로부터 화학적 박리를 통해 그래핀 옥사이드를 형성하였으며, 이를 환원하여 전도성을 가지는 그래핀/니켈 (니켈 입자가 그래핀 쉬트 위에 분산된 상태)을 제조하였다. 또한 화학기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition, CVD)으로 700 °C의 온도에서 니켈 입자 주변으로 다층의 그래핀이 코팅된 그래핀/니켈 코어/쉘 구조 (다층의 그래핀으로 코팅된 니켈 입자가 그래핀 쉬트 위에 분산된 상태)를 고안하였다. 최종적으로 이들 그래핀/니켈 기반 고분자 복합재료를 제조하여 유전 특성을 관찰한 결과, 5 wt. %의 그래핀/니켈 코어/쉘이 분산된 복합재료의 경우 11.6 GHz의 주파수에서 -37.3 dB의 우수한 반사 손실율이 측정되었다. 이는 같은 함량의 그래핀/니켈 기반 복합재료에 비해 코어/쉘 구조를 통한 그래핀 π-밴드와 니켈의 3d 밸런스 밴드의 강한 혼성화로부터, 그래핀-니켈 계면에서의 전하 이동이 촉진되었기 때문으로 해석될 수 있다.
상기의 연구 결과로부터 제안된 탄소나노튜브 분산 다층구조 복합재료와 그래핀/니켈코어/쉘 구조 기반 고분자 복합재료는 매우 효과적인 전파흡수구조 및 전파흡수재료로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
