The need for the development of radar absorbing technology is emphasized as the expansion into various fields even in economical and industrial perspectives, as well as military purposes. The objective of this paper is to develop a thin and lightweight radar absorbing structure for various applications where radar absorbing characteristics are required but the system performance and efficiency is closely related to the weight increase of the structure. Radar absorber with periodic structure using resistive materials can make lightweight absorber, and a thin absorber is also realizable through the various impedance control of periodic structure. Therefore, study on the radar absorbing structure with periodic pattern surface using conductive paste was conducted.
The electromagnetic wave theory, radar absorber principle, and design methodology were investigated to study radar absorber. Also, the methods to evaluate the electromagnetic characteristics of radar absorber were organized. First, the reflection and transmission characteristics of normal incidence and oblique incidence at the planar boundary were understood. Next, the radar absorber was converted to the transmission line model and an equivalent input impedance to define the zero-reflection condition of impedance matching for radar absorber design. Lastly, the experimental methods to evaluate the electromagnetic characteristics of composite materials and radar absorbers were organized.
A study to develop resistive lossy material using conducting polymer for radar absorber with periodic structure was conducted. First, the conductive paste was developed using a PEDOT:PSS polymer with high con-ductivity and polyurethane binder with excellent mechanical property. Next, the experiments using various addi-tives were conducted to improve mechanical and electrical properties of the synthesized paste. Also, the function and effect of each solvent were verified and an optimum fabrication process was derived. Finally, the chemical and morphological analyses were conducted to identify the conductivity enhancement in the PEDOT:PSS film by DMSO solvent and the mechanism of conductivity increase were explained and suggested.
A Salisbury screen absorber was designed, fabricated and its radar absorbing characteristics was meas-ured in order to evaluate the applicability of the developed PEDOT:PSS based conductive paste. The fabricated radar absorber had outstanding radar absorbing performance and the applicability of the conductive paste was sufficiently verified. Next, environment tests of temperature and UV radiation were conducted in order to assess the environmental stability of the paste. According to the results, the surface resistance had no significant changes and remained almost constant up to the maximum surface temperature of $130^\circ C$. However, the surface resistance continued to increase with the increase in time duration of the exposure to UV-A.
A study to design a thin and lightweight radar absorbing structure using periodic pattern surface was conducted. First, the principle and design method of radar absorber with periodic structure was organized and design parameters were defined to satisfy the zero-reflection condition of impedance matching. Next, radar ab-sorbing performance difference between various pattern shapes was analyzed and oblique angle stability between various pattern shapes was investigated using the optimization function of the CST-MWS program. Lastly, a thin and lightweight radar absorbing structure using square PPS was designed, which had a substrate thickness of 1.6 mm, a resonance frequency of 10.0 GHz, and - 10 dB bandwidth of 2.5 GHz between 9.0 and 11.5 GHz.
The concept of radar absorbing wind turbine blade that can solve the problem of radar signal interference was proposed. First, radar absorbing structure with PPS was designed and fabricated, and the reflection loss was measured to assess the performance. The fabricated RAS had a resonance frequency of 10.1 GHz, a reflection loss of - 34.6 dB, and - 10 dB bandwidth of 4.2 GHz within the X-band. Next, radar absorbing wind turbine blade with PPS using conductive paste was manufactured and radar cross section was measured. The RCS of fabricated stealth wind blade was reduced over 90 % for the whole azimuth angle range. Moreover, the RCS reduction of the suction part at $78^\circ$ and the pressure part at $280^\circ$ was more than 94 % and 83 % in the whole X-band, respectively. Therefore, the wind turbine blade with periodic pattern surface minimizing radar signal interference was developed.
전자파 감소기술은 국가간의 정보교류가 제한될 정도로 군사적 목적에서 중요한 응용기술이며, 산업적 측면에서도 다양한 분야로의 확장 가능성이 크기 때문에 개발의 중요성이 더욱 강조된다. 본 논문의 목적은 무인전투기나 풍력 블레이드와 같이 전자파 흡수특성이 요구되지만, 시스템의 성능과 효율이 무게증가와 밀접한 관계에 있는 다양한 분야에 적용할 수 있는 얇고 가벼운 전자파 흡수구조를 개발하는 것이다. 일반적인 나노입자의 유전성 및 자성 손실재료를 사용하는 전자파 흡수체의 경우 첨가량에 따라서 전자기적 물성의 조절이 어렵고, 첨가량의 한계로 구현 가능한 전자파 흡수체의 설계와 성능의 범위가 한정되는 문제를 갖는다. 반면 저항성 재료를 이용한 주기구조를 갖는 전자파 흡수체는 주기구조를 구성하는 재료의 전기적 물성과 단위격자의 설계에 따라 다양한 임피던스의 조절이 가능하다. 따라서 본 논문에서는 PEDOT:PSS 기반의 전도성 페이스트로 제작된 주기패턴표면을 갖는 얇고 가벼운 전자파 흡수구조에 대한 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 PEDOT:PSS 고분자를 이용하여 주기구조를 갖는 전자파 흡수체에 활용하기 위한 전도성 페이스트 개발에 대한 연구를 수행하였다. 특히 전도성 고분자의 장점을 최대한 활용하면서 단점을 보완할 수 있도록, 우수한 기계적 특성을 갖는 수용성 폴리우레탄 바인더와 다양한 이차첨가제를 합성하여 전도성 페이스트의 기계적 물성을 개선하고 전기적 물성을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 또한 각각의 유기용매의 특성을 검증하여 데이터 베이스를 구축하였으며, 실험결과를 바탕으로 최적의 제조공정을 도출 하였다. 뿐만 아니라 DMSO 유기용매의 합성에 따른 PEDOT:PSS 필름의 전기전도도 향상 메커니즘을 규명하기 위해서 화학적 분석과 형태학적 분석을 수행하였다. 다음으로 합성된 전도성 페이스트의 전자파 흡수체 적용 가능성을 평가하기 위해서 Salisbury screen 흡수체를 제작하여 성능을 측정하였다. 실험결과에 따르면 9.7 GHz에서 공진하며, 반사손실이 - 38.6 dB, 90 % 흡수대역이 8.2 ~ 11.6 GHz로 우수한 성능을 발휘하였다. 또한 실제 적용대상의 운용환경을 고려한 내환경성 실험을 수행하고 전기적 물성 변화를 평가하였다. 온도 실험결과 상온에서 $130^\circ C$ 까지는 표면저항이 거의 일정하게 유지됨을 확인하였고, 자외선 실험결과 UV-B에서는 큰 변화가 없지만 UV-A의 경우 노출시간이 누적됨에 따라서 표면저항이 계속 증가하였다.
저항성의 주기구조를 이용한 얇고 가벼운 전자파 흡수구조를 설계하기 위한 연구를 수행하였다. 먼저 단위격자가 주기적으로 배열된 표면의 전자기적 특성을 살펴보고, 주기구조가 적용된 전자파 흡수체의 원리 및 설계 방법을 연구하였다. 또한 이를 바탕으로 전자파 흡수체의 무반사조건인 자유공간과의 임피던스 정합을 구현하기 위한 설계변수를 정의 하였다. 다음으로 CST-MWS 프로그램을 이용하여 최적화 기법인 유전자 알고리즘과 개체군집 최적확 알고리즘을 통해서 다양한 모양의 패턴 형상에 대한 전자파 흡수특성의 변화를 분석하고, 전자기파의 경사입사에 대한 성능 안정성을 평가하였다. 이상의 연구를 통해서 상대적으로 넓은 흡수대역과 입사각 안정성을 갖는 정사각형 패턴을 선정하여 X-band의 10 GHz 주파수에서 최소 - 20 dB의 반사손실을 갖는 주기패턴표면을 이용한 얇고 가벼운 전자파 흡수구조를 설계하였다. 설계된 전자파 흡수체는 유전층의 두께가 1.6 mm이고 목표 주파수에서의 반사손실은 - 26.5 dB이며, 90% 흡수대역이 2.5 GHz (9.0 ~ 11.5 GHz)를 만족하였다. 또한 설계된 전자파 흡수구조의 성능을 바탕으로 최근 10 년동안 발표된 전자파 흡수체 관련 논문들과 비교를 통해서 얇은 두께의 가벼운 전자파 흡수구조가 설계되었음을 확인 하였다.
앞선 연구들을 바탕으로 무게증가를 최소화하면서 레이더와의 신호간섭 문제를 해결할 수 있는 전자파 흡수 풍력 블레이드의 개념을 제안하고 연구를 수행하였다. 먼저 PEDOT:PSS 기반의 전도성 페이스트를 이용한 주기패턴표면을 갖는 전자파 흡수구조를 제작하고 성능을 평가하였다. 실험결과 10.1 GHz의 주파수에서 공진이 발생하고 반사손실이 - 34.6 dB이며, 90 % 흡수대역은 4.2 GHz로 X-band 전체영역을 만족하였다. 또한 레이더 반사면적의 경우 가장 큰 RCS를 갖는 정면에서 23.4 dB 감소하며, X-band 전체에서 주파수에 따라 레이더 반사면적이 최소 94 % 이상 감소됨을 확인 하였다. 다음으로 스크린 프린팅 공정과 수지충전 공정을 통해서 성능이 검증된 전자파 흡수체가 적용된 스텔스 풍력 블레이드를 제작하였다. 제작된 전자파 흡수 풍력 블레이드의 성능을 평가하기 위해서 레이더 반사면적을 측정하였으며, 앞전을 제외한 전체 방위각에서 레이더 반사면적이 90 % 이상 감소됨을 확인 하였다. 또한 가장 큰 RCS를 갖는 Suction 영역과 Pressure 영역의 $78^\circ$ 와 $280^\circ$ 에서 주파수 변화에 따른 레이더 반사면적을 측정하였으며, X-band 전체 주파수 대역에서 각각 94 %와 83 % 이상 감소하는 결과를 확인하였다. 결과적으로 레이더와의 신호간섭이 최소화된 주기패턴표면을 갖는 풍력 블레이드가 개발되었음을 결론 내릴 수 있다.
