스텔스 기술(stealth technology)은 전장에서 적이 찾아내지 못하도록 자신과 무기를 숨기는 기술이다^[1]. 전장에서의 생존과 전쟁 승리의 기회를 높이려면 스텔스 기술의 개발과 활용이 긴요하다. 현대전의 스텔스 기술은 미국의 고성능 폭격기와 전투기에 적용된 스텔스 도료를 통해 일반인에게 알려졌다. 또한 최근 벌어진 우-러 전쟁은 미래의 전장에서 스텔스 기술이 공중은 물론 해상과 지상 무기 체계에도 적용될 것이며, 그 중요성도 더 커질 것임을 시사한다.

본 연구에서는 이러한 필요성을 인식하고, 전차 등의 지상무기 체계에 쓸 수 있는 유연한 메타 물질 스텔스 소재를 개발하였다^[2]. 스텔스 소재 표면은 금속 또는 indium tin oxide (ITO)로 경도가 낮아 어지간한 기계적 접촉만으로도 쉽게 긁히며, 긁힌 곳이 많아지면 성능이 심각하게 저하될 수 있다. 스텔스 소재를 사용한 전차가 평지는 물론 수풀 등 소재가 손상되기 쉬운 험준한 환경에서도 기동해야 함을 고려할 때, 소재의 표면에 보호층을 입혀 긁힘을 막으면서 동시에 스텔스 성능을 보존할 필요가 있다. 따라서 보호층 물질의 주재료로는 경도가 높은 물질을, 부재료는 스텔스 소재와의 접착 친화도가 높은 물질을 사용해야 한다.

보호층을 입힌 스텔스 소재의 실용성을 확인하려면 세 가지 평가가 필요하다. 첫 번째는 경도 평가이고, 두 번째는 한계 곡률 평가이다. 스텔스 소재는 제작 당시에는 평판 꼴이지만 전차 등에 입힐 때는 포신이나 모서리 부분에서 큰 곡률로 굽거나 꺾이는데, 그곳에 균열이 생기면 스텔스 성능 자체가 저하되거나 박리될 수도 있다. 따라서 스텔스 소재를 구부리거나 꺾을 때 균열이 생기는 한계 곡률을 알아야만 실제 적용에서 문제가 없는지 여부를 판단할 수 있다. 세 번째는 스텔스 소재와 보호층의 접착 강도 평가이다. 접착 강도가 부족하면 작전 기동 중에 층밀리기 변형력으로 인해 접착면이 분리되어 보호층이 박리되기 때문이다.

상기 세 가지 평가 방법은 대부분 보호층을 입힌 스텔스 소재에 평가 목적에 맞는 변형력을 주기 전후의 표면 모양을 비교하는 것이다. 종래에는 표면을 육안으로 현미경을 통해 관찰하여 판단했기 때문에 주관적이고 정성적 평가일 수밖에 없다는 한계가 있었다. 이와 비교해 현미경 영상을 디지털 영상 처리하여 수치화하면 판단의 근거 자료가 객관화, 정량화되고, 일관성과 신뢰성을 높일 수 있다.

2.1. 보호층 도포

본 연구에서 메타 물질 유연 스텔스 소재의 경도와 유연도를 높이고자 쓴 보호층의 주재료는 경도가 높은 미립자 SiO₂이고, 부재료는 CCM7675이다. 이 두 재료의 혼합물에 에틸 알코올로 현탁액을 만들고, 이를 스텔스 소재에 분무하여 입히는 나노 입자 분무법을 썼다^[3-5]. 이 방법은 단순하고, 경제적이며, 큰 면적에 사용하기 쉽다. 하지만 피복 두께를 아주 고르게 하기는 어려운데, 현탁액 농도를 낮추면 실용성 면에서는 큰 문제가 없다.

표면 경도는 어느 선까지는 보호층의 두께에 비례하므로, 경도 평가의 목표값에 이르려면 보호층이 일정 두께 이상이어야 한다. 반면 보호층을 입힌 소재를 구부리면 보호층 표면에 휨 변형력이 가해지며 표면이 갈라질 수 있어, 보호층을 입힐 소재가 유연할수록 보호층이 얇아야 한다. 경도와 유연도의 이러한 상충관계 때문에 보호층의 두께를 목적에 맞게 적절히 설정하여야 한다.

적절한 두께를 찾고자 보호층 두께에 비례한 long-wavelength infrared (LWIR) 대역(8–14 μm)에서의 스텔스 소자 흡수율 변화를 전산모사로 확인하였다. 이때 스텔스 소자의 표면은 ITO이고, 보호층의 주재료는 SiO₂이다. 그림 1에서 확인할 수 있듯 보호층이 없을 때의 방사율(흡수율)은 약 0.18%인데, 보호층의 두께를 100 nm 늘리면 방사율이 0.01% 증가하며, 이후로 보호층 두께에 비례하여 방사율이 증가한다. 따라서 낮은 방사율이 필요한 소자에는 보호층의 두께를 최소화해야 한다.

Figure 1. Variation of the absorptivity of indium tin oxide sheet with a SiO₂ protective layer with layer’s thickness in the long-wavelength infrared range (8–14 μm).

2.2. 경도 시험 및 결과

보호층을 입히기 전후의 스텔스 소재 경도를 ISO 15184 연필 경도 시험법으로 측정하였다^[6]. 시험 장치의 얼개는 그림 2와 같다. 우선 경도를 측정할 소자 표면에 연필을 대고 긁어 표면이 긁히는지 살펴본다. 연필은 경도가 가장 낮은 9B로 시작하여 긁힌 자국이 생길 때까지 경도를 한 단계씩 높여가며 최대 9H까지 시험을 반복한다. 이렇게 하여 소재가 긁히지 않는 최대 경도를 찾는다. 긁힌 자국을 남기지 않는 연필의 최대 경도가 소자의 등가 경도가 된다.

Figure 2. Schematic diagram of a pencil hardness test setup.

그림 3은 보호층이 없는 스텔스 소재 표본의 경도 시험 결과를 보여주는 현미경 영상이다. 그림 3(a)는 HB 연필로 시험한 뒤의 영상으로 긁힌 자국이 없고, 그림 3(b)는 1H 연필로 시험한 뒤의 영상으로 긁힌 자국이 위아래로 진한 선으로 보인다. 따라서 보호층이 없는 스텔스 소재의 등가 연필 경도는 HB이다. 그림 3(c)와 3(d)는 각각 그림 3(a)와 3(b)를 256 단계의 회색계조 영상으로 바꾼 것이다. 그림 3(b)와 3(d)에서 긁힌 자리에 하얀 선이 생긴 것을 볼 수 있다. 평균 회색계조의 값은 그림 3(c)가 4.26, 그림 3(d)가 8.58로, 긁힌 자국 때문에 평균 회색계조가 4.32 증가했음을 알 수 있다.

Figure 3. Microphotographs of indium tin oxide sheet without a protective layer. (a) After hardness test using a HB pencil. (b) After hardness test using a 1H pencil. (c,d) Gray level images converted from (a) and (b), respectively.

그림 4는 보호층을 입힌 스텔스 소재 표본의 경도 시험 결과로서 긁힘이 생기는 경계 영역인 3H와 4H에서의 회색계조 영상이다. 그림 4(a)는 3H 연필로 시험한 영상으로 긁힌 자국이 보이지 않는다. 그림 4(b)는 4H 연필로 시험한 영상이며, 긁힌 자국이 위아래로 진하게 뻗은 것을 볼 수 있다. 따라서 보호층을 입힌 스텔스 소재 표본의 등가 연필 경도는 4H이다. 평균 회색계조의 값은 그림 4(a)에서 3.83, 그림 4(b)에서 23.67로, 긁힌 자국 때문에 평균 회색계조가 29.84 증가했다.

Figure 4. Gray level microphotographs of indium tin oxide sheet with a protective layer. (a) After hardness test using a 3H pencil. (b) After hardness test using a 4H pencil.

측정 자료의 일관성을 확인하고자 같은 실험을 10번씩 반복한 뒤, 평균값과 표준 편차를 그림 5에 정리하였으며 평균값은 삼각형과 역삼각형, 표준 편차는 수직 막대로 표시했다. 이를 통해 스텔스 소자의 경도가 보호층을 입히기 전은 HB, 입힌 뒤에는 3H로 경도가 일관되게 3단계 높아졌음을 알 수 있다.

Figure 5. Mean gray level data of the images after pencil hardness test. Triangle marks: without a protective layer, inverted triangle marks: with a protective layer.

2.3. 굴곡 시험 및 결과

스텔스 소재를 구부릴 때 균열이 생기지 않는 한계 곡률을 측정하기 위해, 특정 직경의 원기둥 표면을 따라 소재를 구부린 뒤 표면에 균열이 생기는지 여부를 확인하는 ASTM-D522 구부림 시험법을 사용하였다^[7]. 그림 6은 ASTM-D522 측정 장치의 얼개이다.

Figure 6. Schematic of the ASTM-D522 test setup.

시험 절차는 다음과 같다. 우선 평가 기준이 되는 직경의 원기둥으로 소재를 누르면서 일정한 힘으로 당겨, 원기둥을 감싸면서 구부러지게 한다. 이때 원기둥의 반을 감싸면서 굽은 상태를 15초 유지한다. 그 뒤 원기둥에서 소재를 떼어내어 표면에 균열이 발생하였는지 확인한다. 균열이 생기지 않으면 직경이 한 단계 더 작은 원기둥을 사용해 같은 시험을 반복한다. 본 시험용으로 규격화된 직경은 1 inch, 3/4 inch, 1/2 inch, 3/8 inch, 1/4 inch, 1/8 inch 등으로, 균열이 생기기 직전의 원기둥의 직경이 ASTM-D522 시험법이 허용하는 최소 직경이다.

그림 7은 보호층이 없는 스텔스 소재를 ASTM-D522 시험법으로 시험한 뒤 표면의 회색계조 현미경 영상이다. 그림 7(a)는 직경 1/4 inch 원기둥으로 시험한 소재로 균열이 보이지 않고, 그림 7(b)는 1/8 inch 원기둥으로 시험한 소재이며 균열이 흰색 사선으로 뚜렷이 보인다. 따라서 보호층이 없는 소재를 구부릴 때 허용되는 원기둥의 최소 직경은 1/4 inch이다. 평균 회색계조는 균열이 없는 그림 7(a) 영상은 3.26, 균열이 있는 그림 7(b) 영상은 25.90으로 측정되었다.

Figure 7. Gray level microphotographs of indium tin oxide sheet without a protective layer. (a) After bending test with 1/4 inch diameter. (b) After bending test with 1/8 inch diameter.

그림 8은 보호층을 입힌 스텔스 소재의 ASTM-D522 시험 결과이다. 그림 8(a)는 직경 1/4 inch인 원기둥으로, 그림 8(b)는 직경 1/8 inch인 원기둥으로 시험한 뒤의 표면의 회색계조 현미경 영상이며 그림 8(b) 영상에서 수직 방향의 균열이 촘촘하게 생긴 것을 볼 수 있다. 이로써 보호층을 입힌 스텔스 소재를 구부릴 때 허용되는 최소 직경도 1/4 inch임을 알 수 있다. 평균 회색계조는 균열이 없는 그림 8(a)에서 2.47, 균열이 있는 그림 8(b)에서 70.61로 측정되었다.

Figure 8. Gray level microphotographs of indium tin oxide sheet with a protective layer. (a) After bending test with 1/4 inch diameter. (b) After bending test with 1/8 inch diameter.

그림 9는 측정의 일관성을 확인하고자 측정 직경 범위를 넓히고, 측정 횟수를 10회로 늘려 얻은 평균 회색계조 자료를 도표로 정리한 것이다. 삼각형은 보호층이 없는 소재, 역삼각형은 보호층을 입힌 소재의 시험 결과이다. 이를 통해 보호층이 있건, 없건 일관되게 구부림의 한계 직경은 1/4 inch임을 알 수 있다.

Figure 9. Mean gray level data of images after bending test. Triangle marks: samples without a protective layer, inverted triangle marks: samples with a protective layer.

본 연구에서 사용된 소재를 사용한 탱크 표면을 살펴보면, 곡률이 가장 큰 곳은 표면이 거의 직각에 가깝게 꺾이는 곳과 공축기관총의 총신이다. 기관총알의 직경이 7.62 mm (>1/4 inch _≅ 6.35 mm)이므로 총신의 직경은 한계 직경보다 훨씬 크다. 따라서 탱크의 장갑 철판 면에서 꺾이는 곳의 곡률을 한계 곡률 이상으로 유지하면, 소재를 붙일 때 균열이 생기지 않을 것을 예상할 수 있다.

2.4. 접착력 시험 및 결과

유연 스텔스 소재와 보호층은 역학적 물성이 다르므로 변형력을 받으면 접착층에 변형력이 집중되어 그곳에서 박리가 시작된다. 특히 보호층에 긁힘 또는 균열이 생기면, 그곳을 중심으로 보호층이 더 잘 벗겨질 수 있으므로 ASTM-D3359 접착 시험법을 통해 소재와 보호층의 접착력을 평가했다^[8].

시험 절차는 다음과 같다. 보호층을 입힌 소재에 길이 20 mm 이상, 깊이는 보호층 아래 ITO 소재까지 깊이 들어가는 수직 절단면을 1 mm 간격으로 배치하여 11 × 11의 바둑판 꼴로 만든다(그림 10).

Figure 10. 11 × 11 rectangular grids of incisions on the surface of the protected stealth sheet. The grid space is 1 mm, and the incisions penetrate through the protection layer down to the stealth sheet.

접착력 시험은 이 측정용 표본에 접착력이 7 N/cm인 접착 띠를 붙였다 떼어 그 결과를 확인하는 것이다. 접착 띠를 길이 75 mm로 자른 후 격자형으로 절단한 측정용 표본에 붙이고, 고무 롤러로 압착한다. 접착 띠가 측정용 표본에 완벽하게 붙으면 120초간 그 상태를 유지한 뒤, 접착 띠를 수평 방향(띠가 180도 접히는 방향)으로 빠르게 떼어낸다. 접착력은 박리된 면적의 비율에 따라 0B에서 5B까지 총 6단계로 나뉜다. 이때 면적 비율 65% 이상이면 0B, 35%–65%는 1B, 15%–35%는 2B, 5%–15%는 3B, 5% 미만은 4B, 0%는 5B이다. 군용 장비의 위장 칠의 접착력 평가 방법인 camouflage coating test (MIL-DTL64159)에서 요구하는 한계 접착력은 4B이다^[9].

그림 11은 수직과 수평 절단면의 교차점의 현미경 영상을 회색계조로 변환한 영상으로 그림 11(a)는 접착 띠를 붙이기 전, 그림 11(b)는 떼어낸 뒤의 모양이다. 평균 회색계조는 시험 전후인 그림 11(a)와 11(b)가 각각 104.971과 104.834로 변화가 거의 없었다. 즉 벗겨진 면적은 0% (5B)이며, 이를 통해 보호층의 접착력이 MIL-DTL64159에서 요구하는 성능인 5% 이하(4B)보다 더 좋음을 알 수 있다.

Figure 11. Microphotographs of samples for test adhesion at a cross point of vertical and horizontal incisions. (a) Before test. (b) After test.

본 측정 결과를 통해, 도포된 보호층의 두께가 광학적 성능 조건에 부합하는 크기로 형성됨을 확인하였다.

표면이 ITO인 메타 물질 유연 스텔스 소재의 실용성을 위해 표면 경도를 높이고자 SiO₂ 나노 입자를 분무하여 보호층을 입힌 뒤, 소재의 표면 경도, 유연도, 접착력을 평가하였다. 스텔스 소재의 표면 경도는 보호층을 입히기 전에는 HB였으나, 입힌 뒤에는 3H로 3단계 높아졌으며 경도 1H인 참나무 가지를 스쳐 지나갈 때 소재 표면이 긁히지 않을 것을 예상할 수 있다^[10,11]. 보호층을 입힌 스텔스 소재의 유연도를 시험한 결과 직경 1/4 inch의 원기둥에 감을 때까지는 균열이 생기지 않았으며, 이 값은 개발한 스텔스 소자의 주요 적용 대상인 전차에서 곡률이 가장 큰 공축 기관총의 총알 지름보다 작으므로 소재를 구부려 총신을 둘러싸도 표면에 균열이 생기지 않을 것이다. 큰 곡률이 발생하는 또다른 위치인 탱크 표면 장갑 강판의 꺾인 부분은 곡률 반경을 한계값 이상으로 유지할 시 균열이 생기지 않을 것이다. 끝으로 보호층과 소자의 접착력을 평가한 결과는 5B로 군용 위장 칠이 요구하는 접착력 성능(4B) 이상이므로 실제 적용에 문제가 없음을 시사한다.

과학기술정보통신부 씨앗과제 프로젝트(2022-JB-RD- 0106-01-101).

저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.

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