제2장 생존 및 방호소재-적외선 스텔스 소재기술(1)-정주연(기계연) 신소재경제 재료연 공동기획 소재기술백서2019

제2장 생존 및 방호소재-적외선 스텔스 소재기술(1)-정주연(기계연) 신소재경제 재료연 공동기획 소재기술백서2019 - 첨단 무기체계 구현, 적외선 스텔스 원천기술 必

기사등록 2021-05-07 10:58:06
수정 2021-09-17 10:10:16

재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 11번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘미래국방소재’다. 미래 전장 환경 변화, 병력대상 인구의 감소, 해외 주요국의 국방력 강화 등 미래국방 관련 기술개발의 요인이 갈수록 증가하고 있고, 우리나라 또한 정부 국정과제 및 주요 국방 관련 정책 대응을 위한 기술현황 파악에 적극적으로 나서고 있다. 소재기술백서 2019는 이러한 ‘미래국방을 위한 소재기술’을 주제로, 내열 및 구조 소재, 생존 및 방호 소재, 첨단지능형 방산기능 소재와 관련한 기술동향을 분석하는데 집중했다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2019’를 연재한다.

첨단 무기체계 구현, 적외선 스텔스 원천기술 必

메타물질 흡수체, 모든 적외선 파장대역 흡수율 제어

능동형 특성 조절 가능, 이동체 능동 위장 기술 적용

■ 기술의 정의 및 분류

스텔스(stealth) 기술은 상대방의 레이더(radar), 적외선 추적기, 음파 탐지기 등의 감지 무기체계에 대응하여 아군의 무기체계에서 발생하는 각종 신호들을 효율적으로 축소, 왜곡, 제어 및 통제하는 기술이다. 스텔스 기술을 적용하여 아군의 무기체계가 상대방에게 쉽게 노출되지 않으며, 탐지 신호의 축소 또는 왜곡으로 인해 상대방이 정확한 상황판단을 어렵게 하는 효과를 얻을 수 있고, 이를 통해 아군의 전쟁 생존율을 현저히 증가시킬 수 있다.

기존 스텔스 연구는 RAM(Radar Absorbing Material), RAS(Radar Absorbing Structure) 등 전자기파의 특성만을 고려한 연구들로 이루어졌으나, 최근 들어 고성능 적외선 이미지 센서를 활용하여 탐지 및 추적하고 있으며, 절대온도 0K 이상인 모든 물체가 방사하는 적외선 파장 정보로 인해 모든 무기체계는 적외선 미사일의 위협에 노출되어 있다.

방사 에너지란 열에너지가 전자기파의 형태로 전달되는 것을 말하며 적외선(infrared, IR)이 이에 해당한다. 물체가 단위면적당 내보내는 방사에너지는 Stefan-Boltzmann의 법칙에 의해 다음의 식과 같이 기술된다.

여기서 J는 단위 면적당 방사에너지(W/㎡), ε는 표면의 방사율, σ는 슈테판-볼츠만(Stephan-Boltzmann) 상수이며, Ts는 표면의 절대온도이다. 적외선은 파장 0.7-100μm 이내의 전자기파를 말하며, 파장의 길이에 따라 근적외선(Near Infrared(NIR): 0.7-3μm), 중적외선(Mid-Wave Infrared(MWIR): 3-5μm), 원적외선(Long-Wave Infrared(LWIR): 8-14μm)으로 분류되며, 3-5μm/8-14μm 영역은 대기 중의 미세입자나 수증기 또는 이산화탄소 분자에 의한 산란 및 흡수가 적어 우수한 대기 투과 특성을 보인다(대기 투과창, 그림 1 참조).

이외의 적외선 대역에서 방사된 에너지는 적외선 탐지기에 탐지되기 전에 대기 중의 흡수분자(CO2, H2O 등)에 흡수되므로, 3-5㎛, 8-12㎛ 이외 대역의 적외선 에너지는 탐지되지 않는다.

최근 들어 다양한 무기체계에서 탐지 및 추적에 적외선 레이저(1.54μm Nd:YAG 레이저)를 조사하여 적외선 센서를 무기체계에 적용하고 있다. 표적 반사 신호를 이용한 레이저 유도 미사일(그림 2b, 2C)과 표적에서 방출되는 적외선을 미사일이 탐지하여 요격하는 적외선 탐지 및 추적(IRST: Infrared Search and Track, 3-5μm/8-14μm 파장영역 탐지, 그림 2a)장치 등이 있다.

따라서 적외선 스텔스 기술은 아군의 무기체계에서 반사(reflection) 또는 복사(thermal radiation)되는 적외선 신호들을 최대한 주변의 적외선 배경 복사와 동일하게 조정 및 통제해야만 하는 기술이다.

■ 기술의 원리

1) 적외선 스텔스

적외선 영상 센서에 포착되지 않도록 하기 위해 단순 적외선 방사율 감소가 아닌 적외선 파장에 따른 방사율 제어를 통한 적외선 스텔스 개념은 다음의 그림과 같다. 적외선 영상 센서의 표적이 되는 발열부는 1차적으로 단열을 통해 열확산을 방지할 수 있지만, 연속적인 발열체가 있으면 궁극적으로는 내부에 열이 쌓이게 되어 오히려 표적의 절대온도가 상승하여 더욱 큰 적외선 신호를 내보내게 된다.

표적으로부터 방사되는 적외선 에너지 자체를 제거하는 것은 물리적으로 불가능하다. 그러므로 표적으로부터 방사되는 적외선 에너지를 적외선 파장별로 제어하는 것이며, 적외선 대기 투과창에 해당하는 파장대역의 방사율은 억제하고 적외선 대기 흡수창 파장대역으로 방출할 수 있는 제어기술이다.

적외선 대기 흡수창 대역에서 방사된 대부분의 에너지는 적외선 탐지기에 탐지되기 전에 대기 중의 흡수분자(CO2, H2O)에 흡수되므로, 적외선 파장 3∼5μm 및 8∼12μm 대역을 주로 탐지하는 적외선 탐지기는 적외선 에너지를 탐지할 수가 없다.

또한, 적외선 레이저(1.54μm Nd:YAG 레이저)를 조사하여 표적 반사 신호를 이용한 레이저 유도 미사일을 회피하기 위해서는 적외선 파장 1.54μm의 에너지를 완전히 흡수하여 반사되는 적외선 에너지를 최소화해야 한다.

2) 메타물질 흡수체

자연계에 존재하는 물질로 적외선 스텔스 구현에 필요한 적외선 파장대역에 따른 방사율 및 흡수율 제어가 불가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 적외선 파장보다 작은 마이크로 및 나노 크기의 주기적인 구조를 가진 메타물질을 적용하여 적외선 열에너지를 제어할 수 있다.

메타물질이란 파동과 매질의 관계에서 자연계에 존재하지 않는 물성을 가지는 가공된 인공적 물질로 전자기 파장보다 작은 구조의 배열로 구성되어 있고, 구조, 형상, 배열 조절 통하여 물질의 특성을 원하는 대로 구현할 수 있다. 음의 유전율과 음의 투자율을 갖는 매질에서의 파동 현상은 이미 1968년에 러시아의 물리학자 빅토르 베셀라고(Victor Veselago)에 의해 이론적으로 연구된 바 있었으나, 실제로 구현할 수 없는 이론적인 연구로만 여겨져 왔다.

그러나 2000년도에 발표된 John B. Pendry 교수와 David R. Smith 교수의 논문은 화학적·물리적 과정이 아닌, 인위적인 전자기파 파장보다 작은 구조의 배열을 통하여 기존의 자연계에 존재하는 물질이 가질 수 없는 물성을 가지는 메타물질을 실험적으로 증명하였다.

이러한 메타물질은 전자파, 통신, 운송, 위성, 국방 등의 다양한 산업에 활용이 가능하여 매우 파급효과가 크고 이에 전 세계 메타물질 응용시장 규모는 2020년 10억 달러, 연평균 27.1%로 급격하게 성장할 것으로 예상된다.

특히 메타물질 흡수체는 소재의 종류나 금속구조 및 배열을 조절하여 빛, 음파, 복사열, 전자파를 파장 선택적으로 완전히 흡수할 수 있다. 2008년 최초로 제안된 이후 thermal emitter, energy harvesting, sensor and spatial light modulator 등의 응용에 많은 잠재력이 있으며 현재까지 다양한 정보통신기술(ICT) 응용 연구가 진행되고 있다.

기존 흡수체 보다 소형화, 경량화가 가능하기 때문에 다양한 분야에 응용이 가능하다(그림4). 예를 들어 고효율 태양광, 태양열 발전 에너지 분야, 고민감도 센서 분야, 홀로그램·디스플레이 분야 등이 있으며, 이외에도 기존 소재를 소형화시켜 초박형 유연 태양전지, 웨어러블(wearable) 헬스케어용 초소형 안테나, 웨어러블 열전소자 등 다양한 ICT 분야에 적용할 수 있다.

특히, 적외선 스텔스 분야에 적용 가능한 적외선 메타물질 흡수체(그림 5)는 적외선 파장 대역에서 특정 파장의 적외선 에너지를 완전히 흡수할 수 있다. 키르히호프 법칙(Kirchhoff’s law)에 따라 물체에서 방사되는 적외선 에너지의 방사율은 물체가 흡수하는 적외선 에너지의 흡수율과 동일하므로 적외선 메타물질 흡수체는 우수한 적외선 방사체가 된다.

이러한 적외선 메타물질 흡수체는 두 층의 금속층과 그 사이에 있는 유전체층으로 이루어진 금속/유전체/금속(MIM: Metal-Insulator-Metal) 구조로 되어 있다. 동작 메커니즘은 맨 위층인 금속층은 나노 패턴이 형성되어 안테나처럼 선택적인 파장영역에서 입사되는 전자기파나 빛을 우선 흡수하게 되며, 흡수된 전자기파는 맨 아래층의 금속층과 강한 전자기적 커플링(coupling)을 형성하여 두 금속층과 유전층 영역에 완전히 가둬지게 된다.

이때, 대부분의 흡수된 전자기파 에너지는 금속층, 유전층의 손실 부분에 의해 열 등으로 바뀌어 사라지게 된다. 적외선 메타물질 흡수체의 형상, 유전체 두께, 소재 등을 조절하여 원하는 파장 영역에서 입사파를 완전히 흡수하거나 방사할 수 있도록 설계가 가능하다.

■ 미래 국방 소재 관점에서 기술의 중요성

미래 국방 소재 관점에서 메타물질 흡수체는 마이크로파 스텔스에도 적용 할 수 있다. 메타물질 흡수체를 이용하여 기존의 마이크로파 흡수체보다 훨씬 얇은 두께로 마이크로파 흡수체를 구현할 수 있는데, 기존 소재를 사용하는 것에 비해 훨씬 얇고 가볍게 제작할 수 있기 때문에 다양한 이동체의 레이더 탐지용 스텔스 소재로 적용이 가능하다.

근본적으로 적외선 메타물질 흡수체는 모든 적외선 파장대역에서 적외선 에너지를 파장 선택적으로 방사/흡수율을 제어할 수 있는데, 전투기 또는 레이저 유도 미사일 등에 사용되는 적외선 파장의 에너지를 흡수해 적외선 탐지기에 탐지되지 않게 설계할 수 있기 때문이다.

또한, 능동형 메타물질 흡수체 기술을 통해 실시간 능동형 특성 조절이 가능하여 군용 이동체의 능동 위장 기술에 적용이 가능하다. 이러한 메타물질 흡수체 기반 적외선 스텔스 원천 기술은 해외 기술선진국으로부터 기술이전이 엄격히 통제되어있는 기술이다.

특히 적외선 스텔스 기술은 선진국 또한 기술개발을 활발히 하고 있는 분야로써, 국내 전문 인력을 조직화하여 선진국 수준으로 해당 기술을 발전시켜야 한다. 적외선 스텔스 원천기술을 연구한다면 차기 최첨단 무기 체계 구현에 필요한 기반기술을 선진국 수준으로 발전시킬 수 있을 것으로 예상한다.

■ 적외선 메타물질 흡수체를 이용한 적외선 스텔스

1) 국내 동향

국내에서는 적외선 메타물질 흡수체를 응용하여 고성능 센서, 파장 선택적 열 방출기, 열화상 이미지 센서, 적외선 스텔스에 대한 연구를 수행하고 있다. 특히 연세대학교 조형희 교수팀과 한재원 교수팀이 적외선 메타물질 흡수체를 이용하여 적외선 대기흡수창으로 열에너지를 방사하는 연구를 수행하였다. 한재원 교수팀은 이론적으로 적외선 스텔스 기술에 사용하기 위해 금속 절연체 금속 구조를 갖는 이중대역 메타물질 흡수체를(그림 6) 제안하였다.

두 가지 모양을 가진 상부 나노 금속 패턴을 주기적으로 배열하여 나노 디스크 모양의 나노 금속 패턴은 미사일에 사용되는 적외선 레이저 파장인 1.54μm의 적외선 에너지를 90% 이상 흡수하고, 나노 링(ring) 모양의 나노 금속 패턴은 적외선 대기흡수창 파장영역에서 적외선 에너지를 방사할 수 있도록 6.2μm 파장의 적외선 에너지를 90% 이상 흡수하도록 설계하였다.

또한, 표면에서 입사각에 대한 이중 대역 메타물질 완전 흡수체의 성능의 의존성을 평가하였고, 제안된 흡수체는 1.54μm 적외선 레이저광의 산란을 90% 이상 줄이고 MWIR 및 LWIR를 92% 이상 억제할 뿐만 아니라 MWIR 및 LWIR 신호 감소율을 90% 이상 유지할 수 있다.

또한, 연세대학교 조형희 교수팀은 나노디스크 모양의 금속-절연체-금속 구조를 가지는 적외선 메타물질 흡수체를 이용하여 적외선 대기흡수창인 5∼8μm 대역에서 파장 선택적으로 흡수 및 방사하도록 설계 및 제작하였다.

이러한 메타물질 흡수체는 기존의 금 박막이 방사하는 열에너지 대비 9.6배, 흑체(black body) 대비 19.6배의 적외선 위장효과를 구현하였다. 또한, 온도에 따른 흡수/방사율은 메타물질 흡수체의 구조 및 배열에 대한 변수들을 최적화하여 적외선 위장기술을 구현하였다.

한국기계연구원 나노공정연구실에서는 적외선 메타물질 흡수체를 적용하여 고성능 분자센서 및 적외선 열화상 카메라에 적용되는 비냉각 마이크로 볼로미터(microbolometer)의 성능을 향상시킨 결과를 보고하였다.

이러한 적외선 메타물질 흡수체 설계 및 나노임프린트 리소그래피(nanoimprint lithography), 나노전사 공정 기반 제작기술을 바탕으로 유연 대면적 적외선 스텔스 필름 개발 연구를 진행하고 있다.

2) 해외 동향

가. 미국

메타물질 흡수체가 2008년 최초로 제안된 이후 미국에서는 메타물질 흡수체의 원천기술에 대한 연구를 중점으로 진행하였고, 다양한 분야의 응용에 메타물질 흡수체를 이용한 연구를 진행하고 있다. 그 적용 파장 영역에 따라 크게 마이크로파, 테라헤르츠(THz : Terahertz), 적외선, 가시광 파장 영역으로 나눌 수 있다.

마이크로파 메타물질 흡수체는 기존의 흡수체보다 훨씬 얇은 두께로 마이크로파를 흡수하기 때문에 주로 안테나, 스텔스, 전자파 저감 등에 응용하는 연구가 보고되고 있다. 테라헤르츠 메타물질 흡수체는 0.1∼10THz 대역에서 작동하는 메타물질로서 향후 기대가 되는 초고속 무선통신, 이미징, 능동 스위치, 변조기 등 다양한 분야에 응용하는 연구가 보고되고 있다.

가시광 파장 메타물질 흡수체는 높은 흡수율이 필요한 태양에너지, 홀로그램 등 고해상도 차세대 디스플레이, 광센서 등 다양한 분야에 응용하는 연구가 보고되고 있다. 특히 미래국방기술인 적외선 스텔스에 대한 연구는 군, 산, 학에서 연구가 수행 중이나 정보의 공개가 매우 제한적이다.

미국의 University of Central Florida의 Debashis Chanda 교수팀은 온도에 따라 물질의 위상이 바뀌는 VO2를 적외선 메타물질 흡수체에 적용하여 주위 환경의 온도변화에 따라 적외선 카메라에 포착되는 영상이 사라지는 적외선 위장 연구에 대한 결과를 제시하였다.

적외선 흡수체의 유전체를 SiO2, VO2, SU-8의 3중층으로 구성하여 VO2가 반도체일 때와 금속일 때에 따라 유전체의 광학 cavity 길이가 바뀌어 흡수파장이 능동적으로 변화한다. 반도체 상태에서 VO2는 적외선에서 투명하여 입사광이 전체광이지만, 금속상태에서는 거울처럼 동작하고 시스템에서 SiO2층을 분리하여 광학 cavity 길이에 연결돼 cavity 길이를 단축시킨다.

광학 cavity에서 구성층의 상대적인 두께는 바나듐옥사이드의 두 상태 사이에서 시스템의 적외선 응답을 맞추기 위해 최적화될 수 있다. 다양한 기하학적 매개변수들을 적절히 선택하여 MWIR에서 LWIR까지 모든 영역에서 작동할 수 있게 해주므로 수많은 응용 분야에 적용가능하다.

나. 중국

중국은 정부의 집중 지원을 통해 메타물질 관련 연구기반을 확립해 나가고 있다. 2010년 7월 심천에 설립한 광치연구소(7,000만불 투자, 연구원 300명)는 메타물질 전문 연구기관으로 기존의 파생적 연구에서 벗어나 현재는 많은 수의 독창적인 연구 결과를 발표하는 등 가파른 성장세를 보인다. 특히, 메타물질 분야의 특허출원에 있어서 최근에 상당한 성과를 창출하고 있다.

또한, 저장대, 칭화대, 베이징 이공대, 시안교통대, 중국과학원 등 주요 대학들과 연구소 등이 관련 기술개발에 참여하고 있다. 이러한 메타물질 원천기술을 바탕으로 미국의 최첨단 국방기술을 따라잡기 위하여 최근에는 국방 분야에 메타물질을 응용하여 연구를 진행하고 있다.

특히, 적외선 스텔스 연구를 위하여 적외선 메타물질 흡수체를 응용한 연구가 다른 나라들보다 많이 진행되고 있는 특색을 보인다. National University of Defense Technology의 Liu 교수팀에서는 단순한 Ge-Ag-Ge-Ag로 구성된 다층박막 기반 적외선 흡수체를 바탕으로 적외선 대기흡수창인 5∼8μm 대역에서 파장 선택적으로 흡수 및 방사하도록 설계 및 제작하였다.

Ge층의 두께 조절을 통해 적외선 특정 파장의 임피던스를 공기와 같게 설계하여 적외선 파장 ∼6μm에서 적외선 에너지가 95% 이상 방사되고 그 외의 파장에서는 20∼30% 정도의 낮은 적외선 에너지가 방사된다. 이렇게 되면 물체의 온도가 200℃까지 적외선 파장 선택적인 방사 특성을 유지할 수 있다.

중국의 Air Force Engineering University 에서는 적외선 이중대역 흡수체를 이론적으로 제안하였고 또한 마이크로 영역에서의 반사와 적외선 영역에서의 방사율을 동시에 줄일 수 있는 hybrid 메타물질 흡수체를 제안하였다.

적외선 이중대역에서 에너지를 흡수할 수 있는 두 개의 메타물질 흡수체가 적층으로 구성되어 금속/유전체/금속/유전체/금속의 5개 층으로 구성된 이중대역 메타물질 흡수체(그림13)는 아래쪽으로부터 금속/유전체/정사각형 금속 나노 안테나가 첫 번째 메타물질 흡수체로 적외선 대기흡수창 파장영역 5∼8μm 대역에서 적외선을 방사할 수 있도록 하는 역할을 하고, 또한 동시에 정사각형 금속 나노 안테나는 두 번째 위쪽의 메타물질 흡수체에서 거울 반사판 역할이다. 제일 위쪽의 크기가 더 작은 정사각형 금속 나노 안테나는 미사일에 사용되는 적외선 레이저 파장인 1.54μm의 적외선 에너지를 흡수할 수 있도록 설계되었다.

또한, hybrid 메타물질 흡수체는 정사각형 금속 안테나/유전체/직사각형 금속 안테나/유전체/금속의 5층으로 구성되어 마이크로파 영역에서 전자기파의 위상을 제어하여 대부분의 전자기파를 흡수 대신 반사를 감소시키며 동시에 적외선 방사율을 줄인다. 마이크로파에서 10dB보다 큰 효율의 광대역 감소 성능은 시뮬레이션 및 실험 결과로 입증했는데, 적외선 3∼14μm 대역에서 27% 미만의 낮은 방사율을 구현하였다.