반복 중심 실험에서 계측·최적화 설계로
한국재료연구원(KIMS·원장 최철진)은 이호림 융·복합재료연구본부 박사팀이 원하는 주파수와 흡수 성능을 입력하면 이에 적합한 전자파 흡수 소재의 조성과 두께를 찾아주는 '맞춤형 전자파 흡수 소재 설계기술'을 개발했다고 26일 밝혔다.
전자파 흡수 소재 개발에 있어 기존 반복 중심의 실험을 계측·최적화 기반 맞춤 설계 방식으로 전환시킨 성과로 향후 레이더·위성통신 등 다양한 고주파 전자기 시스템에 요구되는 소재 개발에 기여할 전망이다.
레이더와 위성통신 등에서 불필요한 전자파를 흡수해 간섭이나 반사를 줄이는 데 활용되는 전자파 흡수 소재는 구성 성분의 비율과 두께에 따라 흡수하는 주파수가 다르다. 그동안 원하는 성능을 얻기 위해서는 다양한 조성과 두께의 소재를 직접 제작하고 성능을 측정하는 과정을 반복해야 했다.
연구팀은 목표 주파수와 흡수 성능에 적합한 전자파 흡수 소재의 조성과 두께를 찾는 맞춤형 설계기술을 개발했다.
핵심은 전자파 흡수에 영향을 미치는 소재의 자기 특성과 유전 특성을 각각 독립적으로 조절하고 여기에 물리적 인과관계를 반영한 예측·최적화 기술을 결합한 것이다. 이를 통해 목표 성능에 필요한 전자기 물성을 예측하고 이에 적합한 소재의 레시피와 두께를 역으로 찾아낼 수 있다.
연구팀은 페라이트 내 코발트(Co) 함량을 조절해 전자파의 자기장에 반응하는 '자기 특성'을 변화시키고 여기에 소량의 탄소나노튜브(CNT)를 첨가해 전기장에 반응하는 '유전 특성'을 독립적으로 제어했다.
이어 조성에 따른 두 특성의 변화를 물리 기반 모델로 예측하고 최적의 조건을 탐색하는 '차분진화 알고리즘(Differential Evolution)'을 적용해 목표 성능에 적합한 소재의 조성과 두께를 찾아냈다. 이 알고리즘은 여러 후보 조건을 조금씩 바꾸고 서로 비교하는 과정을 반복하면서 목표에 가장 적합한 조건을 찾아가는 최적화 방법이다.
서로 다른 주파수와 흡수 성능을 목표로 설정해 설계기술의 정확성을 검증한 결과 레이더 등에 활용되는 X-대역(8.2~12.4㎓)에서는 넓은 주파수 영역을 흡수하는 조건을, 위성통신 등에 활용되는 Ku-대역(12.4~18㎓)에서는 특정 주파수를 집중적으로 흡수하는 조건을 각각 도출했다. 실제 흡수체 제작·평가에서도 예측한 성능이 구현됨을 확인했다.
연구팀은 이번 기술과 관련한 특허 출원을 완료했으며 향후 KIMS가 보유한 다양한 자성·유전 소재 전자기 물성 데이터를 활용해 설계 가능한 주파수 영역을 넓히고 다양한 사용 목적과 요구 성능에 대응할 수 있도록 기술을 고도화할 계획이다.
이호림 선임연구원은 “이번 연구는 하나의 고성능 전자파 흡수 소재 개발을 넘어 원하는 주파수와 성능을 먼저 정한 뒤 이에 적합한 소재의 조성과 두께를 찾아가는 효율적인 설계 방법을 제시했다는 데 의미가 있다”며 “앞으로 축적된 전자기 물성 데이터를 적극 활용해 설계기술의 정확도와 활용성을 지속해서 높이겠다”고 말했다.
창원=노동균 기자 defrost@etnews.com
