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다기능 복합재료를 활용한 스마트 구조물

남영우(Young-Woo Nam)(경상국립대학교 기계항공공학부) / ywnam at gnu.ac.kr 2021-12-27

사업명: 산업수요기반 고효율 안전 항공핵심기술 연구센터
유형: ERC 선도연구센터
연구책임자: 명노신 센터장

1. 본인의 연구에 대해서 대략적인 소개를 부탁드립니다.

- 저는 다기능 복합재료에 관한 연구를 진행하고 있습니다. 이는 각기 다른 성질을 가진 소재에 장점만을 뽑아 또 다른 새로운 특성을 발휘할 수 있는 스마트 구조입니다. 현대 무기체계의 중요한 요소인 스텔스 기술 중, 하중을 지지하는 역할을 하는 동시에 전자기파를 흡수할 수 있는 전자파 흡수 복합재 구조물(Radar Absorbing Structure)과 결빙(Icing) 또는 낙뢰 충격(Lightning strike impact)에 대한 다양한 극한 환경에서 정상적으로 항공기 또는 유무인 비행체가 정상적으로 운용할 수 있도록 새로운 개념의 구조에 대한 실제 적용을 목표로 연구하고 있습니다.

2. 올해 2021년 10월 한국항공우주산업이 주관하는 항공 우주 논문상 공모전에 “니켈 무전해 도금된 유전체 섬유를 활용한 UHF 열가소성 폴디드 코어 전자파 흡수 구조” 로 장려상을 수상했다고 들었습니다. 어떤 논문인지 소개를 부탁드립니다.

- 기존 스텔스 기술들은 주로 높은 해상도를 가지고 있기 때문에 가장 많이 사용되는 X-band와 그 근처 대역의 레이더를 목표로 하여 연구되어 왔습니다. 그러나 최근 스텔스 기술이 발달함에 따라 카운터 스텔스 기술 또한 많은 연구가 진행되어 왔습니다. 그 중에서도 UHF (Ultra-high frequency)나 VHF (Very high frequency)대역의 저주파 레이더를 활용한 카운터 스텔스 기술은 그 파장의 길이가 항공기 구조물의 길이와 유사하여 반사파와 회절파의 공진 효과에 의해 증폭된 신호를 탐지하기 때문에 기존의 X-band 대역의 스텔스 기술을 무력화하기에 최적화 되어있습니다. 이처럼 저주파 레이더는 파장이 길어 두꺼운 두께의 전자파 흡수체가 요구되기 때문에 항공기의 무게나 부피 증가가 불가피합니다. 따라서 본 연구에서는 전자기적 손실 재료와 자성재료, 폴디드 코어를 활용하여 UHF 대역에서 우수한 전자기파 흡수 성능을 발휘하면서도 매우 낮은 밀도를 갖는 흡수체를 구현함으로써 저주파 레이더에 대한 스텔스 복합재료를 제안하였습니다. 일반 유전체 섬유인 유리섬유에 니켈 나노입자를 유전체 섬유에 무전해 도금하여 전자기 손실재료로 활용하였고 자성재료인 Sendust를 폴리우레탄 폼에 분산하여 사용함으로써 낮은 밀도로 충분한 투자율 값을 확보하였습니다. 또한 V자의 패턴으로 입사되는 전자기파를 흡수체 내부에 가두어 반복적인 다중 반사를 일으키는 폴디드 코어 샌드위치 구조물을 활용하여 입사되는 전자기파의 전계 강도를 효과적으로 감소시켰습니다. 최종적으로 각 재료들을 활용하여 폴디드 코어 샌드위치 구조물을 이루는 7가지의 형상 변수들에 대한 Parametric 연구와 최적 설계를 통해 UHF 대역의 흡수체를 구현한 연구입니다.

3. 현재 항공핵심기술 선도연구센터의 항공관련분야로 스텔스 기술, 낙뢰방지설계, 전자기 간섭 차폐등의 다기능 복합체 구조를 주로 연구하고 계신걸로 알고 있습니다. 현재 어떤 연구들이 진행중이며 성능은 어떤지 궁금합니다. 관련기술의 협업이나 실제 활용사례가 있는지요?

항공핵심기술 선도연구센터에서는 미래 비행체에 적용하고자 고효율·안전 항공핵심기술을 연구하고 있습니다. 이러한 흐름에 발맞춰 저희 연구실에서는 기존의 구조적 기능만을 수행하는 복합재 구조물에서 한 발짝 더 나아가 다양한 기능을 갖는 복합재 구조물에 관한 연구를 수행하고 있습니다. 대표적으로 스텔스 기능을 갖는 복합재 구조, 낙뢰 보호 기능이 포함된 복합재 구조, 초소수성 표면을 갖는 전기열 기반의 다기능 발열 복합재 구조에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 또한, 기존의 열경화성 복합재료 기반의 오토클레이브 성형공정에 수반되는 노동 집약적 제조환경과 복잡한 형상의 구조물 제작 시의 기술적 어려움을 해결하고자 열가소성 복합재료의 자동화 성형공정에 대한 원천기술을 항공핵심기술 선도연구센터에서 개발하였습니다. 다기능 복합재 구조물 및 열가소성 복합재 구조물에 관한 연구는 각 테마별로 간략하게 설명해 드리도록 하겠습니다.

(1) 스텔스 복합재 구조

복합재료는 두 가지 이상의 서로 다른 재료로 구성된 재료를 의미하며 하중을 지지하는 섬유(Fiber)와 하중 전달 및 섬유를 고정하는 수지로(Resin) 구성되어 있습니다. 전투기의 생존성을 높이기 위해 적의 레이더에 탐지되는 RCS(Radar cross section)를 줄이기 위한 방안으로 형상제어, RAM (Radar absorbing materials), RAS (Radar absorbing structures) 등이 있습니다. 이러한 방안들 중 저희 연구실에서는 섬유와 수지의 개질을 통한 전자파 흡수 구조(RAS)를 연구하는데 집중하고 있습니다. 최근 니켈 코팅된 유리섬유를 활용해 허니콤코어(Honeycomb core) 샌드위치 구조를 설계 및 제작하여 전파흡수성능과 기계적 성능을 평가하였고, 실제 항공기에 적용하기 위한 가능성을 확보하였습니다 [1-5]. 이러한 논문 성과뿐만 아니라 다양한 연구과제의 지원을 받아 형상 제어와 소재개발을 통해 전자파 흡수 구조체를 연구하고 있으며, 국내 유수 기관들과 협업하여 공동연구를 수행하고 있습니다.

(2) 초소수성 표면을 갖는 전기열 기반의 다기능 발열 복합재 구조

항공기가 구름과 같이 다습한 환경을 빠른 속도로 운행할 때 항공기 날개 및 조종면, 로터 블레이드 등에 결빙이 발생할 수 있습니다. 이러한 결빙을 제거하기 위해 기계적, 화학적, 열적, 전기열, 초소수성 방법을 항공기에 적용하고 있습니다.

이러한 방제빙 방법들은 항공기 무게 증가의 원인이 되기 때문에 구조물 자체가 발열되는 전기열 기반의 발열 복합재 구조물에 관한 연구를 수행하게 되었습니다. 일반 탄소섬유 기반의 복합재는 터보스트레틱 구조로 인해 전기전도도가 낮아 발열효율이 미미합니다. 이러한 점을 극복하기 위해 탄소섬유에 금속 무전해 도금을 수행하고, 수지에 전도성 나노입자를 분산시켜 복합재 구조물의 전기전도도 및 열전도도를 향상시켜 발열효율을 극대화한 전기열 기반의 발열 복합재 구조물을 구현하였습니다. 이러한 전기열 기반의 발열 복합재 구조물은 기존의 탄소섬유 복합재 보다 발열효율은 크게 향상되었지만, 실제 항공기 구조물에 적용할 경우 발열 복합재의 온도를 상승시켜 융해된 물방울이 항공기 날개 표면을 타고 흘러 발열 복합재가 포함되지 않는 부분에 다시 결빙을 형성하는 문제가 발생할 수 있습니다. 재결빙(Runback ice) 현상을 방지하고자 마이크로 수준의 SiO2/Ag 입자를 전기열 발열 복합재 표면에 코팅하여 방제빙 기능이 모두 포함된 초소수성 표면을 갖는 전기열 발열 복합재에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 해당 연구는 항공핵심기술 선도연구센터내의 CSL(Composite Structures Lab)과 ACML(Aerospace Computational Modeling Lab)에서 공동으로 연구를 수행하고 있으며, 추후 미국의 Iowa state university와 협업하여 구축된 결빙풍동장치를 활용해 초소수성 표면을 갖는 전기열 기반의 발열 복합재의 성능을 검증할 계획입니다.

(3) 낙뢰 보호 기능을 갖는 스텔스 복합재 구조물

보잉이나 에어버스 등 선진 항공기 제작사에서는 항공기에 비강도, 비강성이 우수한 복합재의 사용 비율을 높이고 있습니다. 하지만 복합재는 금속대비 전기전도성이 낮아, 항공기에 강한 전류와 전압을 전가하는 낙뢰에 의한 피해가 더 크게 나타납니다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구실에서는 복합재 기반의 구조물의 전기전도도를 높이기 위해 구조물 내부에 패턴을 가진 금속층을 삽입하여 그 영향을 관찰하는 연구를 수행하고 있습니다. 기존 낙뢰 보호 금속층은 전기전도도를 높일 순 있으나 RCS를 증가시켜 레이더에 쉽게 탐지되는 단점을 보였습니다. 이와 달리 본 연구팀에서 연구하고 있는 패턴을 가진 금속층은 전기전도도를 높여 낙뢰 보호 기능을 할 뿐만 아니라 RCS 증가도 방지하여 스텔스 기능도 구현할 수 있는 결과를 도출하였습니다. 추후 미시시피 주립대학교(Mississippi state university)와 공동 연구를 통해 더 우수한 성능을 지니는 낙뢰 보호 복합재 구조 개발을 목표로 하고 있습니다.

(4) 항공기용 열가소성 자동화 성형공정 원천기술 개발

열경화성 복합재료 기반의 오토클레이브 성형공정에 수반되는 노동 집약적 제조환경과 복잡한 형상의 구조물 제작 시의 기술적 어려움을 해결하고자 연구그룹에서는 열가소성 복합재료의 자동화 성형공정에 대한 원천기술을 개발하고 있습니다. 대표적인 열가소성 복합재의 경화 공정 중 고속 열성형 공정(Stamp forming process)은 열가소성 복합재의 재활용성을 활용한 제작 공법으로, 복잡한 형상의 복합재 성형이 가능하며 Heating, Transfer, Forming, Demolding 순으로 이루어집니다. 저희 연구그룹에서는 정부 지원을 받아 Stamp forming을 통한 항공기 동체 부분 구조물 개발에 참여하였습니다. 이 과정에서 개발 정확도를 높이기 위해 유한요소법을 활용한 공정 시뮬레이션과 실제 공정 결과를 Correlation하였고, 이를 통해 제작될 구조물의 응력 분포와 품질을 예측하여 우수한 품질의 결과물을 확보할 수 있었습니다. 일체형 열가소성 복합재 성형 공정기술 개발에 적용되는 개별기술들을 통해 자동화 장비 적용을 통한 조립시간 단축이 가능하고 대량생산이 가능하여 기존 항공산업에 적용된 복합재료의 패러다임을 바꾸는 획기적인 기술이 될 예정입니다.

Youtube link : 실제 Stamp forming 수행 영상

4. 소속된 Composite Structures Lab.에 대한 소개를 부탁드립니다.

저희 경상국립대학교 복합재 구조 연구실(Composite Structures Lab)에서는 복합재료(composite material) 및 구조(structure)에 대한 이론적 특성 분석, 해석/실험/제작 및 평가를 유기적으로 병행하여, 국방/산업 분야의 실제 적용을 목표로 연구를 진행하고 있습니다. 저를 포함한 세 분의 교수님이 계시고, 2명의 박사 후 연구원, 26명의 대학원생이 연구를 진행하고 있습니다. 국내 유수 연구기관과 공동연구를 통해 우수한 성과를 창출하고 있습니다.

5. 영향을 받은 연구자가 많으실거 같습니다. 어떤연구자 분들의 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

- 저의 지도교수님이신 KAIST 항공우주공학과의 김천곤 교수님이십니다. 부족한 저에게 성장할 수 있다는 용기와 지혜를 주셨기에 지금까지 감사한 마음으로 지금도 연구와 그 외 모든 일에 집중할 수 있는 것 같습니다.

6. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

- 연구실의 학생들과 밤을 지새우며 좋은 성과를 창출할 때가 자부심과 보람을 느끼는 것 같습니다. 또한 연구실 레벨에서 작은 결과가 조금이라도 누구에게 도움이 될 때 큰 영감을 받는 것 같습니다. 시작은 작지만, 그중 가장 높은 나무에 올라 넓고 아름다운 경관을 여러분들과 함께 하고싶습니다.

7. 이 분야로 진학(사업)하려는 후배들에게 조언해 주신다면?

- Expert 혹은 Professional이란 “어느 좁은 범위에서 발생할 수 있는 모든 오류를 경험한 사람”이라고 정의한다는 글귀가 생각납니다. 한 분야에서 전문가로 인정받기에는 정말 수많은 실패와 설렘, 그리고 두려움을 극복해야 한다고 생각합니다. 자기 자신에게는 한 없이 냉정하고 열정이 가득하다면 어떤 분야든 원하는 바를 모두 이루실 것이라고 확신합니다.

8. 다른 하시고 싶은 이야기들.

- 제가 무언가 집중하고 확신이라는 테두리 안에 저만의 에너지를 쏟아야 하는 순간이 있습니다. 그때 음악을 들으며 집중하곤 합니다. 가수 Nell의 “Dear Genovese”이라는 노래인데요. 노래 가사 중 “나에게 용기를 줘 고통스럽더라도 진실을 마주할 수 있는 그 힘을 내게 줘” 라는 문장은, 어떤 형태로든 가면의 뒤에 숨은 무언가를 찾기 위해 갈구하는 저에게 따끔한 충고와 때로는 칭찬으로 연구 성과를 이루는 과정에서 삶의 의미를 찾는 귀중한 도구가 되었던 것 같습니다. 노력이라는 결실은 어떤 형태로든 돌아온다는 확신이 있기에 지금 이 순간도 무언가에 집중할 수 있는 저만의 무기가 되는 듯합니다. 앞으로도 그 의미를 찾기 위해 제가 하는 일을 사랑하겠습니다.

* 남영우 교수의 최근 대표 논문

1.Nam Y-W, Choi J-H, Lee W-J, Kim C-G*. Fabrication of a thin and lightweight microwave absorber containing Ni-coated glass fibers by electroless plating. Composites Science and Technology 2017;145:165-172.

2.Nam Y-W, Choi J-H, Lee W-J, Kim C-G*. Thin and lightweight radar-absorbing structure containing glass fabric coated with silver by sputtering. Composite Structures 2017;160:1171-1177.

3. Choi W-H, Choe H-S, Nam Y-W*. Multifunctional microwave heating and absorbing honeycomb core using nickel-coated glass fabric. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2020;138:106070.

4. Kwak B-S, Choi W-H, Noh Y-H, Jeong G-W, Yook J-G, Kweon J-H*, Nam Y-W*. Nickel-coated glass/epoxy honeycomb sandwich composite for broadband RCS reduction. Composites Part B: Engineering 2020;191:107952.

5. Choi W-H, Choe H-S, Nam Y-W*. Space hypervelocity impact-shielding and microwave absorbing composite composed of cobalt-coated aramid fibers. Composite Structures 2021;266:113875.

Multi-functional composite structures
Stealth composite structures
Thermoplastic composite materials
Composite structure analysis & design
Nano composite (carbon nanotube/polymer composite)

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