제3장 첨단지능형 방산기능소재-수중위험 탐지 소재기술(3)-황건태(재료연)신소재경제·재료연 공동기획 소재기술백서 2019

제3장 첨단지능형 방산기능소재-수중위험 탐지 소재기술(3)-황건태(재료연)신소재경제·재료연 공동기획 소재기술백서 2019 - 군사목적 外 해저지형·광물탐색·수난구조 등 민간연구 활발 - 미국, 압전 단결정 대량생산·물성향상·사용온도 범위 확대 - 영·프·독·러, 대학기관 트랜스듀서 연구개발·실전배치 활성

기사등록 2021-06-16 13:05:27
수정 2021-09-17 10:03:19

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.

군사목적 外 해저지형·광물탐색·수난구조 등 민간연구 활발

미국, 압전 단결정 대량생산·물성향상·사용온도 범위 확대

영·프·독·러, 대학기관 트랜스듀서 연구개발·실전배치 활성

■국내외 선도연구기관

국내 소나용 압전 트랜스듀서 개발은 국방과학연구소를 중심으로 진행되고 있다. 국방과학연구소에서는 1980년대 중반 미국의 소나 트랜스듀서를 모방하여 제작하는 것을 시작으로 현재까지 다양한 소나 체계 개발을 진행하며 국산 소나 트랜스듀서 개발의 중추적인 역할을 하고 있다.

최근에는 국방과학연구소와 방위사업청을 중심으로 컨소시엄(consortium)을 구성하여 장보고-III 잠수함 소나체계를 국산 개발하였다. 이 외에도 다양한 연구기관 및 학교에서도 소나 트랜스듀서 관련 연구를 진행 중이다. 과거에는 소나 트랜스듀서 개발에서 국외기술을 적극적으로 활용하였으나, 현재는 국내 설계 및 제작기술이 선진국의 80% 정도 수준에 도달한 상태이다.

이에 소나 트랜스듀서를 이용한 잠수함 및 어뢰탐지 등의 군사적 목적뿐만 아니라 해저지형 및 광물 탐색, 수난구조 등의 민간분야로 연구개발이 이어지고 있다. 한국전자통신연구원은 트랜스듀서 배열을 이용한 다중빔 측면주사 소나(side scan sonar)를 개발하여 수중에서 해저측정을 통해 고해상도의 이미지를 얻는 연구를 진행하고 있다. 그리고 한국해양과학기술원에서는 광대역 주파수 출력이 가능한 소나 트랜스듀서를 개발하여 수중 장애물의 형태 및 종류 등을 파악하였다.

미국은 세계적으로 소나 트랜스듀서의 개발을 선도하고 있으며, ONR과 DARPA 주도하에 소나 트랜스듀서를 개발하여 미 해군에 공급하고 있다. 특히 ONR의 경우 현재 Acoustic Transduction Materials and Devices 프로그램을 통해 압전 단결정을 이용한 차세대 소나 트랜스듀서 개발을 지원하고 있다(그림 13).

여기에는 압전 단결정의 대량생산화·물성향상·사용온도 범위 확대 및 신개념 트랜스듀서 디자인 등에 관한 연구가 포함되어 있다. 이처럼 압전 단결정은 차세대 소나 트랜스듀서의 핵심재료로써 실용화를 위한 포괄적인 연구가 이루어지고 있다.

이 밖에도 NUWC(Naval Undersea Warfare Center)와 펜실베니아 주립대학교에서는 기존의 PZT 세라믹 트랜스듀서보다 성능도 우수하고 크기도 소형화된 압전 단결정 소나 트랜스듀서를 개발하여 현재 시스템 적용 및 실용화를 준비하고 있다.

유럽에서 영국과 프랑스는 제 1차 및 2차 세계대전을 거치며 소나 트랜스듀서 발전에 큰 기여를 했으며 현재까지 지속적인 연구개발 및 실전배치를 수행하고 있다. 영국은 NPL(National Physical Laboratory), 버밍엄 대학교(University of Birmingham), 스트래스클라이드 대학교(University of Strathclyde), 사우스햄튼 대학교(University of Southampton) 등에서 소나용 압전 재료를 비롯해 트랜스듀서 설계, 신호처리 등의 다양한 연구를 진행하고 있다.

프랑스는 Ecole Navale(French Naval Academy), 릴 대학교(Universite de Lille) 등에서 관련 연구를 수행한다. 독일은 프라운호퍼, 뮌헨공과대학교(Technische Universitat Munchen) 등에서 연구를 진행하고 있다.

일본은 전통적으로 압전 재료 및 관련 디바이스 개발에 큰 강점을 가지고 있어 세라믹 압전체를 활용한 센서, 액추에이터, 트랜스듀서 등의 분야에서 세계 시장을 선도하고 있다. 소나 트랜스듀서 개발 관련으로 도쿄대학교, 도쿄공과대학교, 도호쿠대학교 등에서 연구를 진행하고 있다.

■국내 산업동향

우리 해군은 1970년대부터 수중·수상·공중 입체 전력을 건설하기 위해 잠수함 개발 사업을 지속적으로 추진해 왔다. 지난 30여 년간 장보고-I 장보고급(1,200톤) 잠수함 9척 및 장보고-II 손원일급(1,800톤) 잠수함 9척을 건조했으며, 현재는 3,000톤급 장보고-III 잠수함을 건조 중이다.

해군의 이러한 잠수함 중심의 수중전력 강화에 발맞추어 적의 잠수함 및 수중위협을 탐지하기 위한 소나 트랜스듀서의 중요성은 더욱더 커지고 있다. 수중의 잠수함, 잠수정, 어뢰, 기뢰 등의 탐지를 위해 방위사업청에서는 지금까지 다양한 소나 감시체계 사업을 진행하였으며, LIG넥스원, 한화, 한화시스템 등의 국내 방위산업체가 참여하여 소나시스템 개발을 진행하고 있다.

특히 지난 2009년부터 시작된 장보고-III 소나체계는 3,000톤급 잠수함에 탑재될 소나시스템의 독자개발 및 국산화를 목표로 진행이 되었고, 2017년에 전투용으로 적합판정을 받아 현재 양산과정에 있다. 또한, 해군 함정에 탑재하여 원거리에서 잠수함의 추진기관과 발전기에서 발생하는 저주파 기계 소음을 탐지하고 식별하기 위해 예인음파탐지기 개발이 진행되었는데, 천해인 서/남해와 심해인 동해가 공존하는 우리나라 해역의 대잠수함환경에서 최적 운용이 가능하도록 개발되었다.

미국의 9.11 테러 사건 이후 세계적으로 공항 및 항만에 대한 감시가 중요 이슈가 되었고, 우리나라 또한 천안함 사태로 수중 은밀 침투에 대한 탐지수단이 절실히 필요한 상태이다. 이에 국방과학연구소 주관으로 민간업체가 참여하여 항만감시체계를 구축하고 주요 항만 주변 및 해역에 소나를 비롯하여 다양한 센서를 해저에 설치해 수중 침투 세력을 24시간 탐지 및 식별하려는 시도가 진행 중이다.

민간분야에서의 소나 트랜스듀서는 해양탐사, 어군탐지, 지질조사, 해저통신, 광물탐사, 수심측정 등에 이용된다. 국내업체들도 다양한 기능 및 목적의 소나 트랜스듀서를 개발하여 시중에 공급하고 있다. 측면주사 소나(Side Scan Sonar)는 광범위한 수중탐색(수중지리·수로·연근해 탐색, 해저파이프·수중물체 조사)을 위해 해저면 이미지를 효과적으로 만들 수 있는 소나시스템이며, 싱글빔 또는 멀티빔을 지원하는 제품이 판매되고 있다.

음향측정기(Echo Sounder)는 음파를 이용하여 수심을 측정하는 장비로 단시간에 고정밀(최대 1cm의 정밀도)로 수로측심, 해양측심, 내수면측심, 퇴적물측심 등의 측정이 가능하다. <그림 14>에 나타난 천부지층탐사기(sub-bottom profiler)는 해양, 강, 호수 등의 지층을 탐사하는 장비로 직접적인 천공작업 없이도 해양 지층구조, 매몰된 기뢰·유물, 해저 케이블 등의 조사가 가능하다.

전방감시 소나(Forward Looking Sonar)는 고속정에 적합한 전방감시 소나로 해양에서 전방 장애물, 고래, 잠수함 등의 수중 물체를 회피할 목적으로 제작되었다. 수중방사소음측정시스템(underwater radiated noise measurement system)은 함정 기동 시 수중으로 방사되는 소음을 측정하는 장비로써 소음 수준 평가, 소음 원인분석 등을 수행하며 함정의 스텔스설계 및 조함(ship handling) 기술 향상에 이용될 수 있다. 그리고 어군탐지기는 수중에 있는 어군의 존재를 확인하기 위한 소나 트랜스듀서로 어선에 설치하여 물고기의 종류, 위치한 수심, 개체 수 등을 파악할 수 있다.

현재 소나 트랜스듀서는 압전 세라믹 대신 물성이 우수한 압전 단결정 기반의 재료로 대체하려는 추세이다. 국내에 압전 단결정을 상용화하여 판매하는 업체들이 있는데, 압전특성이 매우 우수하다고 알려진 PMN-PT계 압전 단결정에 첨가물 도핑 등으로 물성을 개선하여 우수한 압전상수, 전기기계 결합계수, 기계적 품질계수를 가지는 소나 트랜스듀서용 압전체를 개발하고 있다. 하지만 PMN-PT계 압전 단결정의 사용온도 범위가 비교적 낮아(PMN-PT계 단결정의 상전이온도: 100~200°C, 기존 PZT 세라믹: 300°C 이상) 안정적인 소나 트랜스듀서 구동을 위해서 상전이 온도의 향상이 필요하다.

■해외 산업동향

2017년의 세계 소나시스템 시장은 약 34억 달러였는데, 연평균 4.0%의 성장률로 증가하여 2025년에는 약 48억 달러까지 시장이 성장할 것으로 예상된다(그림 15 참고). 2016년 기준 소나시스템의 지역별 시장점유율은 북미지역이 약 37%로 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 유럽 약 29%, 아시아-태평양 지역이 약 34%를 차지하였다(그림 16).

세계적인 잠수함 등 수중 비대칭전력의 확대기조와 함께 이를 조기에 탐지하고 방어하기 위해 각국의 해군을 중심으로 소나시스템 관련 기술개발 투자가 활발히 이루어졌으며, 민간부문에서는 해상무역, 해양관광, 선박의 안전성 강화 등의 요인으로 소나의 수요는 증가하고 있다.

세계 소나시스템 시장의 주요 업체로는 Raytheon(미국), Lockheed Martin(미국), Thales(프랑스), Kongsberg Gruppen(노르웨이), Ultra Electronics(영국), L3(미국), Teledyne(미국), Sonardyne(영국), Atlas Elektronik(독일), Furuno(일본), Navico(노르웨이), Japan Radio Co. Ltd.(일본), DSIT(이스라엘), Edge Tech(미국), Aselsan(터키) 등이 있다.

미국의 Raytheon은 세계 최대 규모의 방위산업체로 미 해군의 표준 기뢰탐지 소나인 AN/AQS-20을 납품하고 있으며(그림 17), AN/AQS 시리즈는 수중의 광대한 영역에서 신속하고 정확하게 물체를 감지할 수 있다. 프랑스의 Thales는 Sonar 2189를 영국 해군에 납품하고 있으며, 대잠수함 헬리콥터에 장착되어 주로 러시아의 잠수함을 탐지하는 데 이용되고 있다.

네덜란드의 Kongsberg Gruppen은 스웨덴 해군에 초계함용 대잠수함 소나인 ST2400을 납품하였으며, 이는 가변 심도 소나로써 수중의 음향탐지 조건에 따라 탐지 깊이를 조절할 수 있다. 그리고 일본의 Furuno는 주로 민간분야에서 쓰이는 소나시스템을 제품화하였는데, F3D-S 소나는 수중 어군탐지, 해저지형 탐색 후 3차원으로 화면을 출력하여 더욱 현실적이고 직관적인 정보를 제공한다.

국외에도 압전 단결정을 전문적으로 생산하는 업체들이 있는데, 현재 소나 트랜스듀서에 적용하기 위해 압전 특성 등의 물성 향상 및 단결정의 부피 및 생산성을 키우기 위한 시도를 진행하고 있다. 또한, 소나 트랜스듀서를 제작하기 위해 다양한 형태로 압전 단결정을 성장 및 가공하여 제품을 공급하고 있고, 일부 업체는 품질경영시스템인 ISO9001:2008을 도입하여 압전 단결정 및 트랜스듀서 제품의 지속적인 품질 향상을 위해 노력 중이다.

■ 국내외 선도기업

국내외에 다양한 기업이 소나 시스템 및 소나 트랜스듀서용 압전 재료를 개발하여 판매하고 있으며 주요 기업의 현황은 다음의 표와 같다.

■미래 연구 방향

현재 전 세계적으로 수중 군사력의 확대와 함께 잠수함은 은밀성 향상을 위해 저소음화 되고 있는데, 이를 탐지하기 위한 고성능 소나 트랜스듀서와 다양한 플랫폼의 조합을 통해 수중 원거리 조기경보체계가 개발될 것으로 예상된다. 이를 위해서 소나 트랜스듀서의 송신출력증가, 수신감도향상, 대역폭 증가, 부피 감소가 필수적이다.

이러한 특성은 트랜스듀서의 핵심재료인 압전체의 물성 개선을 통해 달성이 가능한데, 특히 미래 소나 트랜스듀서에 물성이 우수한 압전 단결정이 널리 이용될 것으로 예상되기 때문에 관련 연구를 신속히 진행해야 할 것이다. 다행히 우리나라 압전 단결정 개발 및 응용기술은 선진국 수준으로 평가되고 있기에 미래가 밝다고 할 수 있다.

하지만 압전 단결정의 생산단가가 매우 높기 때문에 이를 민간분야의 소나시스템으로 확대하기 위해서는 대량생산 공정 확보 및 수요처 탐색을 통한 가격경쟁력 확보가 중요하다. 또한 국방 및 보안 분야에 널리 활용되는 소나 트랜스듀서의 특성상 극한의 안정성과 신뢰성이 요구되는데, 압전 단결정은 적용 온도 범위가 비교적 낮아 작동온도 상승 시 성능 저하가 우려되고, 단결정의 특성상 파단이 쉽게 발생할 수 있으므로 장기적인 안정성 및 신뢰성 확보에 대한 연구가 이루어져야 한다.

PZT등의 압전 세라믹은 저렴하게 대량생산이 가능하여 소나 트랜스듀서로 군수/민간분야에 널리 이용되고 있는데, 소나시스템의 성능향상 및 보급화를 위해 다양한 첨가물 도핑 등을 이용한 지속적인 물성 개선이 이루어져야 할 것이다.

■정책 제언

우리나라는 삼면이 바다로 이루어져 있고 적의 잠수함을 이용한 공격 및 도발은 가장 치명적인 피해로 이어질 확률이 높다. 이러한 특성으로 적은 쉽게 노출되지 않는 잠수함과 잠수정 전력을 지속해서 육성해 왔다. 최근에는 연근해에서 잠수함발사탄도미사일(SLBM)의 위협이 등장하여 적 잠수함 조기탐지에 대한 필요성이 크게 증가하였다.

이에 해군의 잠수함에 부착하는 소나시스템의 개발뿐만 아니라 주요 지역에 항만감시체계 및 수중 조기경보체계를 구축하여 적 잠수함의 비대칭적인 위협을 최소화해야 할 것이다. 이를 위해 국가에서 정책적으로 광범위한 영역을 탐지할 수 있는 소나시스템 및 체계에 대한 연구개발 및 저변 확대가 필요할 것이다.

민간분야에서는 소수의 국내업체가 관련 기술을 개발하고 다양한 제품을 출시하고 있는데, 소나시스템의 중요성이 강조되고 있고 세계시장이 성장하는 속도에 발맞추어 신제품 개발 및 성능 극대화를 위한 국가 차원의 지속적인 지원을 통해 수출경쟁력 확보가 필요하다.