PEI(polyetherimide) 폼을 이용한 노우즈 레이돔의 성형 및

전자파 투과 특성 연구

황성덕, 장원영, 박창현*, 전흥재**, 박증규***, 남재도

성균관대학교 고분자공학과, LG 이노텍*, 연세대학교 기계공학과**, (주)오리엔탈공업 복합재료연구소***

The study of permittivities for nose radome application and thermoforming used PEI(polyetherimide) foam

Sung-Doc Hwang, Won-Young Chang, Chang-Hyun Park*, Hung-Jea Jung, Jung-Kue Park, Jea-Do Nam

Sung Kyun Kwan University, LG Innotek Co.,Ltd*, Yonsei University**, Oriental Industries Co.,Ltd***

서론

레이돔(radome)이라는 용어는 2차 세계대전을 전후로 하여 'radar'와 'dome'이라는 단어에서 출현하였다.  처음 고안된 레이돔은 레이더 안테나의 보호를 위하여 사용된 것으로 투명한 돔형태의 강화유리였다. 그러나 시간이 지나면서 레이돔이라는 말은 1000GHz한도의 전자기 복사에서 창문과 같은 역할을 수행하며, 레이더 안테나를 보호하는 대부분의 구조물을 일컫게 되었다. 유기 복합재료가 레이돔에 사용된 역사는 1942년이후로 plywood 레이돔의 수분 방지 외피로, 수지가 함침된 유리섬유가 사용되면서부터이다.[1]

군사용이나 상업용 비행기의 대부분은 안전한 비행을 위하여 기상레이더가 항상 운영될 수 있어야만 한다. 이를 위해서 안테나를 덮을 수 있고, 충분히 보호할 만큼 튼튼하고 그럼에도 불구하고 전파적으로 투명한 장치기 요구된다.

레이돔의 구조는 단일 구조와 샌드위치 구조로 나뉘는데 샌드위치 구조가 단일 구조의 레이돔보다 매우 가볍다.

샌드위치 구조는 다시 심재의 형태에 따라 크게 세 가지로 구분될 수 있다. 첫째는 하니콤을 사용한 것으로 무게가 가볍고 안정된 강도와 강성을 가지며   우수한 전파투과성과 생산이 비교적 용이한 장점을 가진다. 그러나 이것은 수분이 들어가기 쉽고, 상대적으로 충격특성이 크지 않다는 단점도 가진다. 둘째는 홈이 파인 심재(fluted core)를 사용하는 것으로 이것은 수분의 방출을 위해 유리섬유강화플라스틱에 세로 홈을 낸 것이다. 이것은 하니콤 코어보다 수분에 의한 영향이 감소되는 반면, 재료비용이 크고, 수리 및 보수가 어렵다. 세째로, 폼(foam)을 심재로 사용한 것이 있는데, 이것을 사용함으로써 수분에 의한 폼의 침식을 최소화시키는 효과를 얻을 수 있다.[2]

본 연구는 항공용 레이돔 구조재로 많은 장점을 내포하고 있는 폼코어 레이돔 의 샌드위치 구조를 구현하기 위한 과정으로 여러 가지 폼으로 전자파 투과특성을 실험하였고 샌드위치 구조물을 성형하기 위해 필요한 폼의 물성과 외피의 경화특성을 규명하고자 하였다.

이론

1. 전자파 투과 특성 평가

전자파 투과도는 유전율과 S parameter(scattering parameter)를 이용하여 측정하였다. S parameter는 항공기의 레이더와 같은 고주파의 투과특성을 나타내는 매개변수이다. 이것은 저주파 영역에서 사용되는 z, y, h, ABCD parameter와는 달리  short- & open-circuit test를 할 수 있기 때문에 1970년에 network analyzer 개발 이후, 매우 빈번하게 사용되는 parameter이다.

Port 1에서 입사하는 파장을 a1, 반사되는 파장을 b1이라 하고, port2에서 입사하는 파장을 a2, 반사되는 파장을 b2라 할 때, Network Analyzer에서의 S parameter 측정은 다음과 같다.([그림1])

[eqn: S=BMATRIX { {S_11 }& {S_12 } # {S_21 }& {S_22 } }]

[eqn: S_11 = { b_1 (l_1 )} over {a_1 (l_1 ) } RIGHT ㅣ_{a_2 (l-_2 )=0}],  [eqn: S_21 = { b_2 (l_2 )} over {a_1 (l_1 ) } RIGHT ㅣ_{a_2 (l-_2 )=0}]                             [eqn: S_22 = { b_2 (l_2 )} over {a_2 (l_2 ) } RIGHT ㅣ_{a_1 (l-_1 )=0}],  [eqn: S_12 = { b_1 (l_1 )} over {a_2 (l_2 ) } RIGHT ㅣ_{a_1 (l-_1 )=0}]

여기에서,

□ = propagation constant

는 시편이 없을 때의 값이다.[3]

2. Thermoforming 공정

샌드위치 구조를 위한 심재와 외피(core and skin)의 Thermoforming 공정은 심재의 thermoforming을 일차적으로 수행하여 레이돔의 형상을 만들고, 이를 프리프레그 외피와 경화·접합시키는 두 단계의 공정으로 이루어진다. 따라서 foam의 열변형 온도와 압력 등의 공정조건을 규명하고, 프리프레그의 경화온도 및 공정조건을 설정하는 것이 필요하다.

실험

실험에 사용된 주된 폼코어는 polyetherimide(PEI)폼(제품명 Airex R82.60 Airex R82.80, Airex R82.110)이다. 이 것과의 비교를 위하여 polymethacrylimide (PMI)폼(제품명 Rohacell 71A), PVC계 폼(제품명 Diviny Cell)등을 사용하였다. 그리고 폼코어의 외피로는 유리섬유 프리프레그(BMS8-79, Style 7781, CL IV, GR B)을 사용하였다.

전파투과성 실험은 2-Port Network Analyzer에 WR-62 wave guide를 사용하여 유전율과 loss tan□, 그리고 S-parameter를 측정하였다. 사용된 주파수 범위는 11~12GHz이며, 이 실험에 사용된 시편은 위에서 언급한 Airex R82.80 폼과 유리섬유 프리프레그이고 시편 두께는 4mm였다.

성형 조건을 알아보기 위하여 레이돔 샌드위치 구조의 심재로 쓰일 Airex R82.80과 Airex R82.60 그리고 Rohacell 71A의 세 가지 시편으로 TA Instrument社의 TMA(Thermomechanical Analyzer)를 사용하여 측정하였다. 측정조건은 각각의 시료마다 Macro Expansion Prove를 사용하여 두께 4mm의 시료에 5N의 힘을 가하여 5oC/min으로 승온하였다. 여기서 얻어진 TMA data를 기반으로, Foam에 열을 가한 후 구조변화를 보았고, 그 것을 OM을 통하여 관찰하였다. 또한 레이돔의 외피로 쓰일 유리섬유 프리프레그의 경화 조건을 검증하기 위하여 TA Instrument社의 DSC2910으로 10oC 등속도 가열하여 경화 반응온도를 살펴보았고 118, 124, 133, 138, 146, 148, 151, 158oC 등온조건에서 각각의 열적 거동에 대한 결과를 도출하였다.

이들 실험에서 얻어진 결과를 바탕으로 폼코어를 오토클레이브에서 205oC, 45psi로 가열·가압하여 곡면 지그 위에서 성형하였다. 사용한 지그의 곡률은 1/100, 1/200, 1/500, 1/1000 mm-1이고, 이에 성형된 foam을 광학 현미경으로 관찰하였다.

결과 및 토의

[그림2]는 Network Anlayzer를 사용하여 유전율과 loss tan□를 측정한 결과이다. PEI 폼의 유전율은 약 1.11, PVC 폼은 1.10, glass fiber composite은 4.22, PMI 폼은 1.07로 이들 폼코어들은 레이돔 심재로 쓰이기에 적합한 전파투과성을 보였다.

TMA 결과는 [그림3]에 나타낸 바와 같다. Airex R82.80은 182oC까지 점진적으로 팽창한 다음, 그 이후에 급속하게 부피가 감소한다. Airex R82.80보다 기포가 더욱 많이 포함된 Airex R82.60도 마찬가지로, 183oC까지 팽창 후, 215oC 부근에서 급격히 부피가 감소함을 볼 수 있다. 220oC부근의 이들 두 자료에서 부피가 빠르게 팽창하였다가 다시 감소하는 것은 Tg(=215oC) 이상의 온도가 되어 급격히 물질의 구조가 무너지다가 Airex R82 내부에 분포하는 수많은 기포가 벽을 깨고 순간적으로 공기를 방출하여 잠시동안 부피가 늘어나고 다시 그 기포들이 모두 분출하고 난 후 다시 급격히 부피가 줄어드는 과정으로 풀이할 수 있다.  Rohacell 71A는 열에 의한 변형이 예상보다 매우 심각하여  열을 가하는 시점부터 부피가 감소하기 시작한 폼은 140oC 이상의 온도에서는  상당히 심하게 부피 감소를 보였다.

이상의 결과에서 얻어진 실험을 바탕으로 세 개의 Airex R82.80의 시편에 TMA에서와 동일한 압력을 주면서, 175oC, 190oC, 225oC의 열을 가하였다. 상온에서의 기포의 직경은 평균하여 약 0.35mm였고 175oC, 190oC로 승온 할 때는 직경의 변화는 거의 없었다. 그러나 225oC로 가열한 foam의 구조를 보면 그 크기가 현저히 줄어드는 것을 볼 수 있다([그림4]). 특히, 폼의 표면에는 찌그러지거나 파괴된 cell이 많이 발견되는데 폼이 Tg를 지나면서 하중에 의한 변형을 받고, 기포 안에 공기가 팽창하여 방출되면서 폼의 표면과 내부에서 기포가 붕괴되는 것으로 사료된다. 한편, 오토클레이브에서 다양한 곡률 지그를 이용하여 성형한 Airex R82 폼의 단면을 관찰한 결과 1/200mm-1 이상의 곡률에서는 기포의 찌그러짐이 관찰되었다.

참고문헌

1. J.D.Walton,JR., "Radome Engineering Handbook-Design and Principles", Marcel Dekker, INC., 1970

2. DIPLOMA THESIS 1996/97 (performed at KAIAT)

3. Guillermo Gonzalez, "Microwave transistor amplifiers", Prentice Hall, 1997

[그림1] Two port network analyzer

[그림2] 유전률과 loss tan□

[그림3] TMA결과 : 왼쪽부터 Airex R82.80, Airex R82.60, Rohacell 71A

[그림4]광학현미경으로 관찰한 Airex foam의 단면:   왼쪽부터 변형전의 시편, 225oC로 가열한 시편,    1/200mm-1곡률로 성형한 시편