제3장 첨단지능형 방산기능소재-수중위험 탐지 소재기술(2)-황건태(재료연)신소재경제·재료연 공동기획 소재기술백서 2019

제3장 첨단지능형 방산기능소재-수중위험 탐지 소재기술(2)-황건태(재료연)신소재경제·재료연 공동기획 소재기술백서 2019 - 수중 유일 탐지수단, 음파 탐지 ‘소나’·송수신센서 ‘트랜스듀서’ 연구 - 1,2차 세계대전 활용 소나시스템, PTZ세라믹 10~100배 감도 압전복합체 - 2020년 전력화 목표 장보고-Ⅲ 소나체계 3000t급 탑재, 수중위협 표적 탐지

기사등록 2021-06-01 13:03:40
수정 2021-09-17 10:06:26

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.

수중 유일 탐지수단, 음파 탐지 ‘소나’

송수신센서 ‘트랜스듀서’ 연구

1,2차 세계대전 활용 소나시스템, PTZ세라믹 10~100배 감도 압전복합체

2020년 전력화 목표 장보고-Ⅲ 소나체계 3000t급 탑재, 수중위협 표적 탐지

■미래 국방 소재 관점에서 기술의 중요성 및 전망

현재 대부분의 선진국에서는 잠수함 탐지를 위해 연구개발에 막대한 예산을 투입하고 있다. 항공기 및 헬리콥터를 비롯하여 수상함, 잠수함 등 해군의 모든 전투전력이 대잠전에 동원되지만, 수중에서 움직이는 잠수함을 탐지하는 것은 아직도 어려워 잠수함의 은밀성은 여전히 유지되고 있다.

이 은밀성에 기대어 운용되는 잠수함의 잠대지 미사일 및 어뢰는 아군의 지상병력/시설 및 해군전력에 치명타를 안길 수 있다. 이와 함께 미래 잠수함은 선체의 크기를 키우는 대형화, 수중에서의 속도를 높이는 고속화, 컴퓨터의 발달에 따른 자동화, 무장체계의 다양화 등을 진행하며 위협성을 키우고 있다.

한 척의 잠수함은 다수의 함정을 상대할 수 있고, 지상의 많은 사람을 두려움에 빠뜨릴 수 있기 때문에 비대칭 전력으로 커다란 위협요인이 된다. 현재까지 다양한 기술을 이용해 잠수함을 탐지하려는 시도를 하고 있지만, 해양이라는 매질을 극복하지 못하여 음파 이외에 다른 적절한 수단은 없기에 소나의 탐지성능을 꾸준히 향상시켜야 한다.

또한, 해상 플랫폼, 연안 군사시설 및 주요 기반시설(항만, 발전소, 석유 시추 시설, 담수화 시설 등)은 테러 집단 및 비정규전 침투자들이 수중을 통해 비대칭 공격을 가할 시 매우 취약할 것으로 예상되는데, 소나를 이용한 조기탐지 및 자동추적이 가능하다면 이러한 문제를 해결하는 데 큰 도움이 될 것이다.

■해외 동향

인간이 수중에서 음파를 이용하기 시작한 것은 호수 또는 바다 등에서 어류 등의 물체를 찾기 위한 활동에서 비롯되었다. 학문적으로는 1490년 다빈치(Leonardo da vinci)의 ‘배를 정지시키고 물속에 튜브를 넣고 귀를 대면 아주 멀리에 있는 뱃소리를 들을 수 있다’라는 기록을 시초라고 보고 있다.

또한 17~19세기에는 수중에서 음파 속도를 측정하였으며, 19세기 말에 영국의 레일리경(J .W. Strutt Baron Rayleigh)이 유체와 고형 탄성체에서의 음파의 발생, 전달, 수신 등을 광범위하게 다루는 음향학의 고전인 ‘Theory of Sound’라는 책을 발간하였다. 1912년 타이타닉호가 빙산에 의해 침몰한 후 미국의 페센든(Reginald Fessenden)은 고출력의 능동소나를 세계 최초로 개발하여 약 2마일 거리의 빙산을 탐지하는 데 성공하였다.

페센든의 소나는 전자기 유도를 이용하여 원형의 판을 진동시켰으며 동작 주파수는 540Hz의 저주파 대역이다. 제1차 세계대전이 시작되면서 소나는 본격적으로 군사적인 목적으로 사용되었으며, 프랑스의 랑쥬뱅(Paul Langevin)은 단결정 쿼츠(quartz)의 압전효과를 이용하여 고주파(38kHz) 대역의 잠수함 탐지용 능동소나를 개발하였다(그림 8).

제2차 세계대전을 기점으로 거리와 방향 추정이 가능한 군사적 측면의 능동소나에 대한 연구개발이 증가하였으며, 운용 주파수를 조금씩 낮추어 탐지거리는 늘어났다. 이때 소나의 진동자 재료로써 압전효과를 가진 단결정 로셀염(Rochelle salt) 및 ADP(Ammonium Dihydrogen Phosphate) 등이 사용되었다.

수동소나는 저주파 잠수함의 소음을 탐지하기 위해 더 낮은 주파수를 사용하게 되었다. 제2차 세계대전이 끝날 무렵에는 레이다에 상응하는 개념으로 소나라는 단어를 처음으로 사용하였다. 1950년 이후에 BaTiO3(BT) 및 Pb(Zrx,Ti1-x)O3(PZT)와 같은 다결정(poly-crystal) 세라믹 압전재료가 사용되었는데, 특히 PZT는 PbZrO3와 PbTiO3 사이의 솔리드 솔루션을 이루는 물질로 소재의 물성, 신뢰성, 생산성이 뛰어나 현재까지도 널리 쓰이고 있다.

또한, PZT에 첨가물을 도핑(doping)하여 여러 가지 물성을 조절할 수 있는데, 미 해군에서는 표 3과 같이 다양한 첨가물이 도핑된 표준 PZT를 이용한 소나 트랜스듀서를 채택하여 실전에 적용하였다.

PZT 세라믹의 우수한 특성 때문에, PZT를 단결정으로 성장시켜 전기 기계적 물성을 향상하려는 시도가 있었다. 그러나 벌크 크기의 PZT 단결정을 안정적으로 성장시키는 것이 불가능하여 1982년 일본 동경공대에서 Pb가 함유된 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT) 압전 단결정을 개발해 주목을 받았다. 1990년 미국 펜실베니아 주립대학교(Penn State University)에서는 그림 9와 같이 고성능의 1세대 Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3(PMN-PT) 압전 단결정을 개발하였으며, 1994년 일본의 도시바는 PZN-PT를 활용한 초음파 트랜스듀서에 대한 특허를 출원하였다.

특히 단결정 PMN-PT는 릴렉서(relaxor)인 Pb(Mg,Nb)O3와 강유전체인 PbTiO3의 솔리드 솔루션으로, 표 4와 같이 기존 PZT 세라믹의 압전상수 d33와 전기기계 결합계수 k33가 각각 600pC/N, 0.75인데 반해 001배향의 PMN-PT 단결정은 1,500~2,500pC/N, >0.9를 가져 PZT 세라믹보다 획기적으로 우수한 압전 소재임이 증명되었다.

또한, 압전 단결정은 표 5와 같이 배향 방향에 따라 물성의 차이가 발생하여 다양한 결정학적 방향의 컷팅을 통해 물성 분석이 중점적으로 이루어졌다. 이는 기존 압전 세라믹에서 기대할 수 없는 효과로 압전 단결정이 매우 우수한 압전 특성을 가지는 이유 중 하나이다. 이후 미국 해군연구개발국(Office of Naval Research)과 방위고등연구계획국(Defence Advanced Research Projects Agency)은 PMN-PT 및 PZN-PT 단결정을 활용하여 미 해군의 소나용 트랜스듀서를 개발하려는 시도를 진행하였다. 1세대 압전 단결정은 압전상수는 매우 높지만 상전이 온도, 항전계(Ec), 기계적 품질계수가 낮은 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 첨가물 도핑을 통한 물성이 향상되고 있다. 2세대를 거쳐 현재는 3세대 압전 단결정이 개발되어 높은 압전상수, 전기기계 결합계수를 유지하면서 상전이 온도, 항전계, 기계적 품질계수 특성을 향상시켜 소나 트랜스듀서 응용에 유리한 방향으로 물성을 개선하고 있다.

조성 및 구조적으로 균일한 상태인 압전 세라믹 및 단결정을 폴리머(polymer) 물질과 섞으면 압전 복합체를 제작할 수 있다. 이런 압전 복합체는 기계적으로 유연하고 수중에서 음파매칭에 유리한 장점이 있다. 1978년 미국 펜실베니아 주립대학교에서는 이러한 압전 복합체를 소나 트랜스듀서에 이용하였으며, 이후 수중 저주파 하이드로폰 응용을 위한 많은 연구가 이루어졌다.

수중에서 음향을 감지하는 데 있어 압전 복합체는 기존의 PZT 세라믹과 비교해 보았을 때 10~100배의 우수한 감도를 가지고 있다. 압전 세라믹·단결정·복합체 외에도 압전 폴리머 재료도 소나 트랜스듀서로 이용이 되었다. 압전 폴리머는 낮은 압전특성, 낮은 유전상수, 높은 유전손실의 단점을 가지고 있지만, 수중에서 음파매칭 특성이 좋고 동작 대역폭(주파수 범위)이 매우 넓은 장점이 있다.

또한 가공성이 우수하여 대면적의 시트형태로 제작이 가능하고 다양한 표면에 코팅도 가능하다. 압전 폴리머의 대표적 물질로는 Polyvinylidene difluroide(PVDF)계열의 물질이 있는데 1970년대 후반부터 미국의 표준국(National Bureau of Standards, NBS)등에서 PVDF를 사용한 소나 트랜스듀서를 개발하였다.

■국내동향

국내의 소나용 트랜스듀서(및 하이드로폰) 개발은 우리 해군의 수중무기체계 개발 역사에 발맞추어 진행되었다. 1970년대 중반까지 우리 해군은 소나 트랜스듀서뿐만 아니라 각종 수중무기체계를 전량 국외수입에 의존하고 있었다.

1976년 진해기계창이 창설되고 BT 및 PZT계열 세라믹 압전소재의 국산 제조기술 개발에 성공함으로써 다양한 종류의 수중 음향센서를 국내 독자 개발할 여건을 갖출 수 있었다. 1980년대 초반 대잠전용 구축함 소나에 장착된 하이드로폰(모델명 TR-208)은 전량 미국에서 수입한 것으로 노후화로 인한 교체가 필요했지만, 수급 불안정 및 수리의 어려움 등의 이유로 적시사용이 불가능하였다.

이에 국방과학연구소는 TR-208을 3년간 역설계하여 모방 개발하였다. 1980년대 중반에는 수중 음향센서 개발을 위한 기초연구와 꾸준한 응용연구를 기반으로 기뢰 K721용 하이드로폰을 개발하였다. 1990년대 말 이후에는 수중 유도무기인 어뢰, 어뢰음향 대항체계, 대잠수함탐지 소나체계 등의 능동 및 수동 소나를 본격적으로 개발하여 고주파 트랜스듀서, 광대역 송신센서, 선배열 하이드로폰 등으로 이용하였다.

2005년에는 한국형 원거리 수중 조기경보체계를 위한 저주파 예인음탐기가 개발되었는데 이는 900m의 길이에 256채널을 가진 선배열 센서로 구현되었다. 2020년 전력화를 목표로 개발이 진행되고 있는 장보고-III 소나체계는 3,000t급 잠수함에 탑재되어 수상함, 잠수함, 어뢰, 기뢰 등 수상 및 수중 위협 표적에 대한 전방위 탐지, 추적 및 분석능력을 보유한 통합음탐기 체계이다. 선측배열센서 등을 포함하여 700여 채널의 능동-수동 배열 센서와 잠수함에서 예인되는 200여 채널의 선배열 센서로 구성되어 원거리 표적탐지 및 어뢰경보, 기뢰탐지 등의 기능을 수행한다(그림 10).

소나 트랜스듀서 제작을 위해 현재까지 PZT계 세라믹이 많이 쓰이고 있다. PZT는 ABO3(A: Pb, B: Ti 및 Zr)형태의 페로브스카이트(perovskite) 구조로 되어 있으며, 특히 능면정-정방정의 상경계(Morphotropic Phase Boundary, MPB) 조성에서 압전특성이 가장 우수하다. MPB PZT의 경우 전기기계 결합계수가 0.48 정도이며 기계적 품질계수는 100 정도로 낮아 고성능 트랜스듀서 구현을 위해 다양한 종류의 첨가물을 도핑하여 물성을 향상시키는 방향으로 연구가 진행되고 있다.

PZT 구성원소보다 원자가가 높은 양이온이 A 및 B 자리를 치환하여 기계적으로 연화(soft)시키는 첨가물에는 Nb5+(B자리), Ta5+(B자리), Sb5+(B자리), La3+(A자리), Bi3+(A자리)가 있고, 원자가가 낮은 양이온이 A 및 B 자리를 차지하여 기계적으로 경화(hard)시키는 첨가물에는 Fe3+(B자리), Sc3+(B자리), Na1+(A자리), K1+(A자리) 등이 있다.

연화 첨가물의 효과로는 Pb의 공공을 유도하고 전자의 도너(donor)로 정공(Hole)을 보상하여 전기저항이 증가하며, 강유전체 도메인(domain)의 움직임을 쉽게 하여 높은 비유전율 및 전기기계 결합계수를 유도하고, 높은 유전손실과 낮은 기계적 품질계수를 만든다.

이에 비해 경화 첨가물은 산소 공공을 유도하여 내부 공간전하를 형성 시켜 도메인의 움직임을 제한하기 때문에 낮은 비유전율 및 전기기계 결합계수가 유도되고, 낮은 유전손실과 높은 기계적 품질계수, 낮은 비저항 및 높은 항전계를 갖는 압전체가 만들어진다.

하지만 연화 또는 경화를 위한 단일 첨가제를 도핑하는 경우 소나 트랜스듀서가 요구하는 높은 전기기계 결합계수 및 기계적 품질계수, 낮은 비유전율을 모두 만족시키기 어려워진다.

2010년 한국해양대학교에서는 소나 응용에 유리한 압전 PZT 세라믹 제작을 목표로 높은 전기기계 결합계수 및 기계적 품질계수, 낮은 비유전율을 유도하기 위해 연화와 경화 첨가물을 동시에 PZT에 도핑하였다. 한국해양대학교 연구팀은 연화제인 La 및 경화제인 Fe를 PZT에 첨가하여 상호보상적인 효과를 이용하였다. A자리에 La3+와 B자리에 Fe3+를 성공적으로 치환하여 전기기계 결합계수와 기계적 품질계수가 향상되는 것을 관찰하였고, 비유전율은 감소하여 수중 트랜스듀서로 적합한 PZT 세라믹을 제조하였다.

음파발생용 트랜스듀서의 경우 기계 공진모드를 이용하여 높은 전기기계 변환효율을 가지며 좁은 주파수 대역에서 높은 음압을 발생시키는 것이 유리하지만, 음파감지용 하이드로폰의 경우 비공진 영역에서 음파를 탐지해야 하므로 낮은 전기기계 변환효율 및 넓은 주파수 대역폭을 가지는 것이 유리하다. 하나의 압전 트랜스듀서를 이용하여 음향을 송신 및 수신하는 경우 주파수 대역폭은 서로 상충하는 특성이 필요하기 때문에 성능이 우수한 송수신 트랜스듀서를 제작하는 데 많은 어려움이 있다.

이를 해결하기 위해 2008년 국방과학연구소에서는 1-3형 압전 복합체를 이용하여 주파수의 증가에 따라 송신감도가 선형적으로 증가하고, 수신감도는 주파수의 변화에 따라 일정한 크기를 가지는 비공진형 소나 트랜스듀서를 개발하였다. 압전 복합체는 압전체와 폴리머로 구성되는 구조로 결합 형태에 따라 그림 11과 같이 10종의 구조로 나누어지고, 이중 압전체가 하나의 연결도를 가지고, 폴리머가 세 방향의 연결도를 가지는 압전 복합체가 1-3형 압전 복합체이다.

이는 압전체 주위의 폴리머가 압전체 길이방향 변위에 따른 측방향 변위를 흡수하여 길이방향의 변형효율을 증가시키는 것으로 단일상 압전체보다 길이방향의 변형효율이 증대되며, 넓은 대역폭 확보 및 낮은 음향 임피던스를 가지고 있어 물과의 음향 매칭이 우수한 장점이 있다.

최근 소나의 성능향상과 함께 장거리 탐지가 요구됨에 따라 트랜스듀서의 저주파 운용에 대한 연구가 필요하다. 소나에 많이 사용되는 톤필츠(tonpilz)구조의 트랜스듀서의 경우 다층의 압전체가 전면추와 후면추 사이에 전응력 볼트로 조립되는 형태로 구성되는데, 트랜스듀서의 공진주파수가 저주파로 설계되기 위해서는 톤필츠 트랜스듀서의 길이가 길어져야 한다.

톤필츠 트랜스듀서의 길이를 증가시키면 중량 및 부피가 커져 소나 시스템에 적용하는데 큰 제약이 되므로 고출력을 유지하면서 소형화, 경량화된 톤필츠 트랜스듀서의 개발이 필요하다. 압전 단결정은 기존의 트랜스듀서 재료로 널리 이용된 PZT 세라믹보다 압전상수는 3~4배 우수하고, 전기기계 결합계수가 0.9 이상으로 톤필츠 트랜스듀서에 적용하면 저주파에서 출력은 유지하면서 부피 및 무게를 줄일 수 있는 장점이 있다.

이에 2016년 국방과학연구소에서는 그림 12와 같이 압전 단결정인 PMN-PT를 이용하여 톤필츠 트랜스듀서를 제작하여 PZT 세라믹을 사용하였을 경우와 성능 차이를 비교하였다. 제작된 두 종류의 톤필츠 트랜스듀서는 같은 공진 주파수를 가지는 경우, 압전 단결정을 이용한 트랜스듀서가 PZT를 이용한 경우보다 길이는 18% 짧았고, 중량은 21% 가벼웠다. 트랜스듀서의 성능은 압전 단결정을 이용한 경우 공진주파수에서 5dB 정도 수신감도가 우수했으며, 대역폭도 400Hz 정도 더 넓어 실제 사용에 유리하였다.