사진. 한국재료연구원

한국재료연구원(이하 KIMS) 융·복합재료연구본부 이호림 박사 연구팀이 원하는 주파수와 흡수 성능을 입력하면 이에 적합한 전자파 흡수 소재의 조성과 두께를 찾아주는 ‘맞춤형 전자파 흡수 소재 설계기술’을 개발했다. 기존 전자파 흡수 소재 개발이 다양한 조성과 두께의 소재를 직접 제작하고 성능을 평가하는 과정을 반복하는 방식이었다면, 이번 기술은 계측과 최적화를 기반으로 목표 성능에 적합한 소재를 역으로 설계하는 방식이다.

전자파 흡수 소재는 레이더와 위성통신 등에서 불필요한 전자파를 흡수해 간섭이나 반사를 줄이는 데 활용된다. 같은 소재라도 구성 성분의 비율과 두께에 따라 흡수하는 주파수가 달라지기 때문에 원하는 성능을 구현하려면 다양한 조건을 시험해야 했다. 특히 하나의 물성을 조절하면 다른 물성까지 함께 변할 수 있어 최적의 조성과 두께를 찾는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 전자파 흡수에 영향을 미치는 소재의 자기 특성과 유전 특성을 각각 독립적으로 조절하고, 물리적 인과관계를 반영한 예측·최적화 기술을 결합했다. 이를 통해 목표 성능에 필요한 전자기 물성을 예측한 뒤 해당 물성을 구현할 수 있는 소재의 조성과 두께를 역으로 찾아내도록 설계했다.

구체적으로 페라이트 내 코발트(Co) 함량을 조절해 전자파의 자기장에 반응하는 자기 특성을 변화시키고, 소량의 탄소나노튜브(CNT)를 첨가해 전기장에 반응하는 유전 특성을 독립적으로 제어했다. 이어 조성에 따른 두 특성의 변화를 물리 기반 모델로 예측하고, 최적 조건을 탐색하는 ‘차분진화 알고리즘(Differential Evolution)’을 적용해 목표 성능에 적합한 소재의 조성과 두께를 도출했다.

연구팀은 서로 다른 주파수와 흡수 성능을 목표로 설정해 설계기술의 정확성을 검증했다. 레이더 등에 활용되는 X-대역(8.2~12.4㎓)에서는 넓은 주파수 영역을 흡수할 수 있는 조건을 도출했으며, 위성통신 등에 활용되는 Ku-대역(12.4~18㎓)에서는 특정 주파수를 집중적으로 흡수하는 조건을 각각 찾아냈다. 이후 실제 흡수체를 제작해 평가한 결과 예측한 성능이 구현되는 것을 확인했다.

이번 기술은 목표 성능에 필요한 전자기 물성과 실제 소재 조성을 역으로 찾아가는 소재 개발 체계를 제시했다는 점에서 의미가 있다. 반복적인 소재 제작과 성능평가에 따른 시행착오를 줄일 수 있어 개발 효율을 높일 수 있다. 향후 다양한 자성·유전 소재와 구조로 적용 범위를 확대하면 전자파 흡수 소재 개발을 예측·최적화 중심으로 전환하는 데 기여할 것으로 기대된다.

연구책임자인 KIMS 이호림 선임연구원은 “이번 연구는 하나의 고성능 전자파 흡수 소재 개발을 넘어, 원하는 주파수와 성능을 먼저 정한 뒤 이에 적합한 소재의 조성과 두께를 찾아가는 효율적인 설계 방법을 제시했다는 데 의미가 있다”라며 “앞으로 축적된 전자기 물성 데이터를 적극 활용해 설계기술의 정확도와 활용성을 지속해서 높이겠다”라고 말했다.

본 연구성과는 과학기술정보통신부 지원으로 KIMS 기본사업과 한국연구재단 나노·소재기술개발사업을 통해 수행됐다. 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 12.5)’에 지난 8월 온라인 게재됐으며, 연구팀은 관련 특허 출원을 완료했다. 향후 다양한 자성·유전 소재의 전자기 물성 데이터를 활용해 설계 가능한 주파수 영역을 확대하고 다양한 사용 목적과 요구 성능에 대응할 수 있도록 기술을 고도화할 계획이다.