This study focuses on the development of electromagnetic wave absorbing composites containing both dielectric and magnetic lossy materials for wider absorption bandwidth with thinner thickness.
Firstly, the experimental studies on single-layered RAMs (radar absorbing materials) were performed. Carbon nanofibers (CNFs) were used as dielectric lossy materials. The optimally designed CNFs/epoxy composites using Cole-Cole plot and CNFs contents variation had 10 dB absorbing bandwidth of 2.8 GHz (8.8 ~ 11.6) in the X-band with the contents of 3.0 wt% and thickness of 2.30 mm. For the improvement of the magnetic characteristics of CNFs, Ni-Fe coated CNFs have been prepared by electroless plating three times. Observations by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS) showed uniform coating of Ni-Fe over CNFs and the Fe plating layers over 90 wt%. The typical thickness of deposited layers was about 200 ~ 300 nm. Using the prepared hybrid nano fillers, optimally designed Ni-Fe coated CNFs/epoxy composites had 10 dB absorbing bandwidth of 3.7 GHz (8.3 ~ 12.0) in the X-band with the contents of 40.0 wt% and thickness of 2.40 mm. As anther approach method to enhance the magnetic properties, the experimental studies on mixed type RAMs through the direct dispersion of two different fillers were conducted. Submicron NiFe particles were used as magnetic lossy materials. These submicron ferromagnetic particles have the advantages including the reduction of loss terms by eddy current and skin depth effect. Several kinds of mixed RAMs containing NiFe particles of 40, 50, 60 wt% and CNFs less than about 1.0 wt% were fabricated. From the SEM images of cross section of composites, the dispersion states of CNFs and NiFe particles were observed. The optimal design of mixed composites was performed using Cole-Cole plot and CNFs contents variation. The mixed RAM showing the best broadband absorption among the three groups had the composition of CNFs 0.25 wt% for fixed NiFe particles 60 wt%. It had 10 dB absorbing bandwidth of 4.6 GHz (8.1 ~ 12.7) in the X-band with the thickness of 2.00 mm.
Secondly, the experimental studies on multi-layered RASs (radar absorbing structures) were conducted. E-glass/epoxy plain weave composites containing CNFs and submicron NiFe particles were fabricated and their electromagnetic properties were measured. In this research approach, there are several merits including the multi-peak absorption characteristics and efficient design through the control of lay-up sequence and thickness. The surface and absorbing layers of two-layered RASs consisted of the low lossy materials and high lossy materials, respectively. The four kinds of two-layered RASs designed through the parametric studies, and on which the performance evaluations were conducted, had broad 10 dB absorbing bandwidth of 7.5 ~ 9.7 GHz in the X-band and Ku-band with the thickness of 3.15 ~ 3.87 mm.
본 연구는 기존의 유전성 손실재료 혹은 자성 손실재료가 독립적으로 사용된 전자기파 흡수체들의 단점을 극복하고, 장점을 접목하고자 유전성 및 자성 손실재료가 함께 포함된 얇은 두께로 광대역의 흡수 성능을 가지는 전자기파 흡수체의 개발을 목적으로 진행되었다.
유전성 손실재인 CNFs 기지에 강자성의 금속을 submicron 두께로 코팅함으로써 유전성 및 자성 손실을 띄는 하이브리드 손실재료를 개발하였다. 3회의 연속된 무전해 도금을 통해 약 200 ~ 300 nm 두께의 Ni-Fe층이 형성된 Ni-Fe coated CNFs라는 하이브리드 손실재를 제조할 수 있는 공정을 확립하였다. Ni-Fe-CNFs 40 wt% 복합재료는 2.40 mm의 두께로 약 3.7 GHz (8.3 ~ 12.0)의 10 dB 흡수 대역폭을 나타내었다. 단위 두께당 10 dB 흡수대역폭은 약 1.54 [GHz/mm]의 결과로 유전성 손실재를 함유한 CNFs 복합재료에 비해서 약 26%의 향상된 결과를 보였다. 유전성 손실재인 CNFs와 자성 손실재인 submicron $Ni_{52}Fe_{48}$ particles을 함께 분산된 단층형 혼합 흡수체에 대한 제작 및 설계 기법을 확립하였다. 세 가지 (40, 50, 60 wt%)의 NiFe 자성 분말의 함량에 따른 1.0 wt% 이하의 CNFs가 포함된 혼합형 복합재료 그룹을 설정하였고, 각 그룹별로 2 ~ 3 종류의 자성 및 혼합형 복합재료를 제작하였다. 각 그룹별 투자율의 평균값을 적용하여 단층형 혼합 RAM에 대한 최적의 유전율 조합을 갖는 해를 도식화 (Cole-Cole plot) 하였다. 또한 CNFs 함량에 따른 유전율 변화 곡선을 적용하여 최적의 CNFs 함량을 도출하였다. 60 wt%의 NiFe 자성 분말의 함량을 갖는 복합재료 그룹의 경우, 최적의 CNFs 함량이 약 0.25 wt%였으며, 2.00 mm의 두께로 약 4.6 (8.1~12.7) GHz의 10 dB 흡수대역폭을 나타내었으며, 단위 두께당 10 dB 흡수대역폭은 2.30 [GHz/mm]의 우수한 결과를 나타내었다. 마지막으로, 다층형 전자파 흡수체는 다중 정점의 반사손실 특성을 가질 수 있으므로 단층형 흡수체의 성능보다 광대역화를 이룰 수 있는 장점이 있다. CNFs와 submicron NiFe 자성분말이 첨가된 유리/에폭시 평직 프리프레그 복합재료로 이루어진 2층형 RAS에 대한 제작 및 성능평가를 수행하였다. 2층형 흡수체는 표면층과 흡수층으로 구성된 고유의 임피던스가 증가하는 순차적인 적층 방법으로 배열하였다. 적용된 표면층의 경우에는 유전율의 손실 탄젠트가 0.1 이하의 값을 갖는 3 종류의 복합재료를 사용하였다. 흡수층은 유전율 특성이 가장 우수한 D06 (CNF 6.0 wt%) 복합재료와 유전율 및 투자율이 혼합된 DM60 (CNF 6.0 wt% / NiFe 60 wt%) 복합재료를 선택하였다. 이들을 적용하여 6 가지 조합의 2층형 RAS에 대한 10 dB 흡수대역폭이 넓은 모델을 제시하였다. 이들 중 상대적으로 우수한 성능을 나타낸 결과들은 약 3.50 mm 이하의 정합 두께를 가지며, 약한 dual-peak의 흡수 경향을 띄면서 10 dB 흡수대역폭은 8.7 ~ 10.0 GHz를 나타내는 것으로 예측되었다. 성능평가 결과 단위 두께당 10 dB 흡수대역폭은 약 2.72 ~ 2.83 [GHz/mm]으로, 앞선 단층형 흡수체의 결과보다 향상된 높은 값을 나타내었다.
