3D 프린팅 레이더 및 적외선 저피탐 복합재 구조 = Radar-infrared compatible 3D-printed stealth thermoplastic composites

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 현대 무기체계의 생존성 향상을 위해, 레이더 및 적외선 피탐지 확률을 동시에 저감할 수 있는 3D 프린팅 기반의 LMPAEK/CNT 복합재 자이로이드 다기능 구조를 제안한다. FDM 3D 프린팅용 복합 필라멘트의 제조, 전자기 및 열전달 해석을 통한 구조 설계와 성능 분석을 통합적으로 수행하였다. 첫째, 고내열성 열가소성 고분자인 LMPAEK을 기지재로 전도성 입자인 CNT를 강화재로 활용하고 각 무게 분율 별로 혼합하여 전 자기파 흡수를 위한 FDM용 필라멘트를 제조하였다. 재료 분석 결 과, CNT의 분산을 통해 유전 특성이 개질됨을 확인할 수 있었고 순 수 고분자 대비 열전도도가 향상되어 전파 흡수 및 방열 성능 구현 을 위한 재료임을 확인하였다. 둘째, 자이로이드 구조의 기하학적 변수 제어를 통해 광대역 전파 흡수 성능을 확보하였다. 전자기장 해석을 통해 상대 밀도가 자유 공간과의 임피던스 정합을 결정하는 핵심 인자이며 단위 셀 크기가 공진 주파수 대역을 제어하는 변수임을 규명하였다. 이를 바탕으로 도출된 최적 설계안은 X 및 Ku대역 주파수 범위에서 –10 dB 이상 의 반사 손실 특성을 나타내어 레이더 저피탐 성능을 확보하였다. 셋째, 자이로이드 구조의 내부 유동 특성을 활용하여 강제 대류 방열 성능과 표면 온도 저감 효과를 분석하였다. 전산유체 해석 결 과, 자이로이드의 연속 곡면은 유동 혼합을 촉진하고 열경계층의 발 달을 억제하여 열전달 효율을 향상시켰다. 특히 유량 증가에 따라 구조체 표면 온도가 대기 온도 수준으로 수렴함으로써, 고온 노출에 의한 적외선 신호를 효과적으로 억제할 수 있음을 확인하였다. 종합적으로 본 연구는 3D 프린팅 기술을 통해 전자기파 흡수 및 방열 기능을 단일 구조체 내에 통합한 다기능 구조체를 구현하였다. 제안된 LMPAEK/CNT 자이로이드 구조는 차세대 스텔스 비행체의 생존성을 높이는 기술적 솔루션이 될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 문헌 조사 3
• 1.2.1 전도성 나노 입자 강화 필라멘트 연구 3
• 1.2.2 적층제조 기반 전파흡수 구조 연구 4
• 1.2.3 적층제조 기반 방열 구조 연구 6
• 1.3 연구 목적 및 범위 8
• 제2장 이론적 배경 10
• 2.1 자이로이드 구조 및 기하학적 특성 10
• 2.2 전자기파 흡수 및 감쇠 이론 13
• 2.2.1 전자기파 흡수 이론 13
• 2.2.2 유전 손실 및 감쇠 특성 14
• 2.3 적외선 및 열유동 해석 이론 16
• 2.3.1 적외선 및 복사 에너지 이론 16
• 2.3.2 열유동 해석 이론 및 성능 지표 17
• 제3장 3D 프린팅 필라멘트의 제조 및 물성 20
• 3.1 필라멘트 제조 공정 20
• 3.1.1 3D 프린팅용 고분자 기지재 및 전도성 강화재 선정 20
• 3.1.2 필라멘트 용융 압출 공정 23
• 3.1.3 미세 구조 분석 26
• 3.1.4 용융 흐름 지수 분석 30
• 3.2 열적 물성 분석 33
• 3.3 전자기적 물성 분석 39
• 제4장 3D 프린팅 자이로이드 전파흡수 구조 43
• 4.1 설계 변수에 따른 자이로이드 구조의 전파흡수 특성 분석 43
• 4.2 자이로이드 전파흡수 구조 설계 47
• 4.3 자이로이드 전파흡수 구조 기전 분석 50
• 4.4 결론 53
• 제5장 3D 프린팅 자이로이드 방열 구조 54
• 5.1 자이로이드 구조 단위 셀 선정 및 수치 해석 조건 54
• 5.1.1 자이로이드 전파흡수구조 기반 단위 셀 선정 54
• 5.1.2 전산유체 해석 영역, 경계조건 및 격자 생성 55
• 5.2 자이로이드 방열 구조 분석 59
• 5.2.1 방열 성능 분석 59
• 5.2.2 구조별 유동 특성 및 열전달 기전 분석 61
• 5.3 결론 66
• 제 6장 최종 결론 67
• 참 고 문 헌 68
• ABSTRACT 72