제3장 첨단지능형 방산기능소재-수중위험 탐지 소재기술(1)-황건태(재료연)신소재경제·재료연 공동기획 소재기술백서 2019

제3장 첨단지능형 방산기능소재-수중위험 탐지 소재기술(1)-황건태(재료연)신소재경제·재료연 공동기획 소재기술백서 2019 - 핵심무기 잠수함 찾는 수중 음파 탐지기 ‘소나’ - 수동형 수신기 원거리, 정확성↓·능동형 송신기 단거리, 정확성↑ - 잠수함·어뢰 탐색 군수 작전 및 해양탐사 등 민간 활용多

기사등록 2021-05-26 09:52:22
수정 2021-09-17 10:07:21

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.

핵심무기 잠수함 찾는 수중 음파 탐지기 ‘소나’

수동형 수신기 원거리, 정확성↓·능동형 송신기 단거리, 정확성↑

잠수함·어뢰 탐색 군수 작전 및 해양탐사 등 민간 활용多

■기술의 정의 및 분류

해양에서 발생하는 적의 수중위협으로는 잠수함, 잠수정, 어뢰, 기뢰 등이 있다. 이 중에서 수중 잠행이 가능한 함정인 잠수함은 해군 전력의 핵심으로 평가받고 있으며, 은밀성을 이용하여 <그림 1>과 같이 공격 및 지상 병력/시설 타격 등 주요 임무를 수행할 수 있는 적군의 중요한 비대칭 전력(Asymmetric Force)이다.

역사적으로 잠수함은 20세기 초 해군의 정규 전력으로 편입되고, 제1차 세계대전을 치르면서 무기체계로서 큰 역할을 맡게 되었다. 현대에 이르러서는 기술발달을 통해 전술적 임무 수행은 물론 국가적 전략 임무를 수행하는 핵심무기 체계로 발전했다. 특히 현대전에서는 장거리 탄도미사일 및 어뢰 등의 치명적인 무기를 잠수함에서 발사할 수 있기 때문에 잠수함의 탐지실패는 아군전력에 막대한 피해를 초래할 수 있다.

잠수함을 탐지하기 위한 가장 기초적인 단계는 기지에 정박하고 있는 잠수함을 감지하는 것이다. 특정 항구에 정박해 있는 잠수함은 위성사진, 전자파 수집, 통신감청 등으로 파악할 수 있다. 하지만 일단 잠수함이 바닷속으로 잠항하고 나면 탐지가 쉽지 않아, ‘한강에서 바늘 찾기’만큼 어려운 일로 비견된다.

일반적으로 적군 전력 탐지에 많이 쓰이는 전자기파와 적외선은 물속에서 흡수되기 때문에 전달손실이 커서 제 역할을 하지 못한다. 이 때문에 세계 각국에서는 잠수함을 찾을 수 있는 확률을 높이기 위해 많은 연구개발 및 투자를 하고 있다. 잠수함을 탐지하기 위해서는 수중에서의 음파를 이용한 탐지가 주로 쓰이고 있다.

수중에서 음파를 이용한 잠수함을 탐지하는 장치를 소나(Sound Navigation And Ranging, Sonar)라고 하고 국어로는 음파탐지기, 음향탐지기, 음탐기라고 불린다. 공기 중에서는 전자기파가 음파보다 빠르고 멀리 전달되는데 이를 이용하여 공중, 지상, 해상의 적을 탐지할 수 있는 것이 레이다(Radar)이며 이에 대응되는 수중용 장비가 바로 소나이다.

소나는 수동적(passive)인 것과 능동적(active)인 것으로 나눌 수 있다. 수동소나는 수중에서 생성된 소리를 단순히 수신하기만 하는 것으로써, 음향신호는 하이드로폰(hydrophone)이라고 불리는 수중 수신기를 통해 수신하며 음향 발생원으로부터의 단방향 주행 시간만을 고려한다.

반면 능동소나는 트랜스듀서(transducer)를 이용해 인위적으로 음향을 생성시킨 후 이를 수중을 통하여 내보내고, 이 신호는 목표물에 반사되며 돌아오는 신호가 소나의 하이드로폰에서 수신된다. 수동소나는 탐지거리는 길지만 정확한 분석이 어렵고, 능동소나는 높은 탐지거리는 짧지만 정확한 분석이 가능하기에 목적에 따라 두 가지를 모두 운용하기도 한다. 적 잠수함 및 기타 수중위협을 감지하기 위해 <그림 2>와 같이 다양한 이동수단 및 부유체에 수동 및 능동소나를 부착하여 음파탐지를 한다.

여기에는 잠수함을 비롯하여 배, 비행기, 헬리콥터, 수중 부유체 등이 포함되며 인공위성 통신을 통해 정보를 주고받아 취합하고 적의 위치를 파악한다. 소나는 군수 분야의 잠수함, 잠수정, 어뢰, 기뢰 탐색 및 전자해도 기반 해저면 매핑(mapping)기술로 대잠작전 자료 구축에 쓰이기도 하고, 민간분야에서도 해양탐사, 지질조사, 해저 통신/케이블 설치, 해양 정화사업, 해저유물/광물 탐사 등에 사용될 수 있기 때문에 중요성이 갈수록 커지고 있다.

본고에서는 수중 물체탐지가 가능한 소나 시스템 및 트랜스듀서에 초점을 맞추어 과거부터 최근까지의 기술 동향을 파악하였다.

■기술의 원리

소리는 파동의 형태로 진행하는데 이를 파악하기 위해서는 파동의 형태를 관찰해야 한다. 물체를 수면에 떨어뜨리면 수면 위에서는 파동이 발생하여 바깥쪽으로 전파되고, 물체를 떨어뜨리는 동작을 반복하면 이 파동의 생성은 계속된다. 특정한 위치를 1초 동안 통과하는 파동의 개수를 그 파동의 주파수(frequency)라고 하며, 1초 동안에 1회 순환(cycle)하는 경우를 1헤르츠(Hz)로 표현한다.

각 파동의 동일 위상에서 측정되는 파동과 파동 사이의 거리는 파장(wavelength)이라 한다. 파동의 속도는 파동의 파장 및 주파수의 곱으로 나타내어지는데, 수중에서 소리의 속도는 통상적으로 1,500m/s로 알려져 있으며, 이는 소나의 표준속도로 채택되어 있다.

능동소나에 있어 파장과 주파수는 매우 중요한 요소인데, 음파의 속도는 고정된 상태에서 파장과 주파수 중 하나가 결정되면 다른 하나는 자동으로 결정되기 때문이다. 고주파 음향의 경우 에너지는 수중에서 급격하게 감소하지만, 저주파의 음향은 훨씬 낮은 비율로 감소한다. 예를 들어 100Hz의 음파는 2,000km 이상 전달되지만, 100kHz의 음파는 1.2km 정도를 진행할 뿐이다(표 1 참고). 이처럼 주파수와 전달 거리의 관계는 많은 의미를 내포하고 있다.

만약 능동소나 사용자가 먼 거리로 보내기/받기를 원한다면 저주파수의 음향을 사용해야 한다. 하지만 저주파수의 음파는 긴 폭(pulse width)과 긴 펄스 시간(pulse length)을 가지기 때문에 낮은 해상도의 정보를 줄 수 있다. 반면 고주파의 음향을 사용하면 높은 해상도의 정보를 얻을 수 있지만, 짧은 파장의 음파는 멀리 진행할 수 없어 사용범위가 제한적이다.

이 때문에 능동소나 응용에서는 유효거리와 해상도 사이의 상호 관계를 고려하여 목적에 적합한 주파수를 선정해야 한다. 대부분의 능동소나 시스템은 복수의 주파수로 운용이 되는데 고주파는 500kHz를 사용하고 중주파수는 100kHz를 사용하여 고해상도 및 광역탐색을 제공한다.

소나 시스템의 구성은 응용에 따라 복잡하게 구성되지만, 기본적인 구성은 능동 및 수동 소나에 대해 다음과 같은 구성을 가지고 있다. 수동 소나의 경우 <그림 3>과 같이 하이드로폰, 빔 형성 처리기, 광대역 출력장치, 주파수 분석기, 협대역(narrowband) 출력장치 등으로 구성되어 있다. 능동소나의 경우 <그림 4>와 같이 트랜스듀서, 빔 형성 처리기, 송수신 스위치, 송신기, 수신기, 싱크로나이저, 결과 표시장치 등으로 구성된다.

<그림 5>는 소나에 사용되는 트랜스듀서의 기본적 구조이다. 소나 트랜스듀서의 주요 구성요소로는 압전체, 지지층(backing layer), 하우징(housing), 신호 케이블 등이 있다. 이러한 기본적인 소나 트랜스듀서 구조를 바탕으로 응용에 따라 다수의 압전체를 사용하거나 트랜스듀서의 주파수 및 출력 크기를 조절하기 위해 다양한 구조가 이용되기도 한다.

소나의 수중 물체탐지 및 거리를 측정하기 위해 수행하는 일련의 운용은 수중에서의 음파 동작을 이용하여 이루어진다. 능동소나의 경우 싱크로나이저-송신기를 통해 원하는 에너지와 주파수의 전기신호를 트랜스듀서에 인가하면 음파가 발생하여 수중으로 발사한다.

그 후 매우 짧은 시간 동안(1/1000초~1초) 목표 물체로부터 반사되어 되돌아오는 회귀파가 다시 트랜스듀서로 수신되며, 이 신호는 수신기를 통해 증폭되고 결과표시 장치를 통해 신호 처리되어 픽셀 단위로 화면에 출력된다. 수중에서 음파를 발생시키기거나 감지하기 위해서는 보편적으로 압전체를 트랜스듀서로 이용하여 음파 빔을 형성하여 전달되도록 설계되어 있다.

압전 트랜스듀서를 이용하여 영상을 만드는 개념은 <그림 6>과 같이 음파 송수신을 통해 획득한 각각의 점을 연결하면 선이 되고 여러 개의 선을 병렬로 조밀하게 나열하면 면이 만들어진다.

소나 시스템에는 많은 수의 압전 트랜스듀서(또는 하이드로폰) 배열이 사용되는데, 압전체는 전기장이 인가되면 역압전효과로 인해 팽창하거나 수축하게 된다. 압전체의 반복적인 수축‧팽창에 의한 진동은 트랜스듀서와 접촉하고 있는 물에 압력을 제공하여 음파가 발생하게 된다. 몇 번의 사이클 이후 압전체 배열의 진동을 정지시키고, 수중물체에 반사된 음파는 저진폭의 모양을 가지고 돌아와 트랜스듀서에 부딪힌다.

이때 압전체는 압전효과를 이용해 반대로 진동을 전기신호로 변환하여 기록 장치로 전달한다. 능동소나의 경우 트랜스듀서를 활용한 음파 출력 및 반사파 탐지의 과정이 적용되고, 수동소나의 경우 하이드로폰을 활용하여 물체에서 발생한 음파를 탐지하는 과정이 적용된다.

압전특성은 1880년 퀴리 형제(Jacques and Pierre Curie)에 의해 최초로 발견되었는데, 압전재료는 기계에너지를 전기에너지로 변환하거나(정압전 효과), 전기에너지를 기계에너지로 변환(역압전 효과) 할 수 있다(그림 7). 정압전 효과에서는 압전체에 응력(T)을 인가하면 내부에 분극(P)이 발생하고 P=DT(D: 압전상수)로 표시된다.

반면 역압전 효과에서는 압전체의 전극에 전기장(E)을 가하면 재료에 변형(S)이 발생하는데 S=DT로 표시된다. 압전체의 정압전 효과를 이용하면 에너지 하베스터(harvester), 기계‧진동‧음파센서로 이용 가능하며, 역압전 효과를 이용하면 액추에이터(actuator) 및 트랜스듀서로 이용 가능하다. 능동소나는 음파의 출력 및 반사파 탐지를 위해 정압전 및 역압전 효과를 모두 이용해야 하지만, 수동소나의 경우 물체에서 발생하는 음파만 탐지하면 되기에 정압전 효과만 이용한다.

수중에서 트랜스듀서가 전기신호를 음향신호로 변환하거나 음향신호를 전기신호로 효과적으로 변환하기 위해서 압전체는 높은 압전상수(dij), 높은 전기기계 결합계수(kij), 높은 기계적 품질계수(Qm)를 가져야 하며, 물과의 임피던스(impedance) 정합을 위해 낮은 비유전율(εr)을, 구동 과정에서 온도상승을 최소화하기 위해 낮은 유전손실(tanδ)을 가져야 한다.(표 2).

음파발생용 트랜스듀서는 가해지는 전기장의 크기가 바뀔 때 유전상수 및 유전손실의 변화가 작아야 하는데, 예를 들어 세라믹 압전체는 2kV/cm의 전기장 분위기에서 0.02 이하로 유전손실을 유지하는 경우 과열로 인한 성능 저하를 막을 수 있다.

만약 압전체의 온도가 상전이가 발생하는 퀴리(curie, 상전이)온도 근처로 상승하여 압전체의 쌍극자 정렬이 무질서(depoling)해지면 압전특성이 감소하여 트랜스듀서의 성능이 크게 떨어진다. 따라서 일반적으로 트랜스듀서가 구동 중인 압전체의 온도는 상전이 온도의 75%를 넘지 않을 것을 권고하고 있다.

또한, 인가전압에 따른 변위의 선형적인 변화가 중요한데, 만약 압전체의 구동 선형성이 좋지 않으면 출력되는 음파의 형태가 변형되어 효율이 떨어지고 열이 발생하는 문제가 생긴다.