Coding Metasurfaces with Coral-like Graphene for Thin and Strong Microwave Absorption

당신이 거대하고 번쩍이는 금속 새를 모든 것에 튕겨 나가는 초민감한 손전등으로부터 숨기려 한다고 상상해 보세요. 이것이 바로 레이더 스텔스의 세계입니다. 수십 년 동안 과학자들은 레이저 파를 다시 튕겨내는 대신 삼켜버리는 특수 "마법의 검은" 코팅을 비행기에 칠함으로써 비행기를 레이더로부터 보이지 않게 만들려고 노력해 왔습니다. 하지만 문제가 하나 있습니다. 이 코팅은 종종 무겁고, 조각나며, 비행기가 빠르게 비행할 때 벗겨질 수 있다는 점입니다. 이는 마치 속도를 내는 자동차에 무겁고 젖은 담요를 테이프로 붙이려는 것과 같습니다. 잠시 동안은 효과가 있을지 모르지만, 오래 지속되도록 만들어진 것은 아닙니다.

이를 해결하기 위해, 엔지니어들은 이제 비행기 자체의 "피부"를 만드는 데 집중하고 있습니다. 그들은 비행기를 지탱할 만큼 강하면서도 레이더 파를 잡아먹을 만큼 똑똑한 재료를 원합니다. 여기서 핵심 아이디어는 "메타표면(metasurfaces)"입니다. 메타표면을 단단한 고체 블록이 아니라, 거대하고 하이테크한 픽셀화된 화면이라고 생각해보세요. 컴퓨터 화면이 작은 빨강, 초록, 파랑 점들을 사용하여 이미지를 만드는 것처럼, 메타표면은 파동이 튕겨 나가는 방식을 제어하기 위해 미세한 패턴을 사용합니다. 만약 이 패턴들을 아주 적절하게 배치할 수 있다면, 당신은 레이더를 속여 비행기가 그곳에 없는 것처럼 보이게 하거나, 적어도 실제보다 훨씬 작게 보이게 할 수 있습니다. 큰 과제는 이 패턴들을 얇고 강하게 만들면서도, 부서지지 않고 넓은 범위의 레이더 주파수를 흡수할 수 있게 만드는 것이었습니다.

코럴-그래핀 레시피

이 연구에서 북서공업대학교(Northwestern Polytechnical University)의 연구팀은 유리 섬유로 만든 직물 위에 특별한 종류의 "피부"를 배양하기로 결정했습니다. 그들은 튼튼하면서도 레이더로부터 숨기에 믿을 수 없을 정도로 뛰어난 재료를 만들고자 했습니다. 이를 위해 그들은 메탄올과 에탄올이라는 두 종류의 알코올을 사용하는 영리한 기술을 사용했습니다.

쿠키를 굽는다고 상상해 보세요. 만약 한 종류의 밀가루만 사용한다면 균일한 질감을 얻게 됩니다. 하지만 두 가지 다른 밀가루를 섞는다면, 특정 레시피에 완벽한 독특하고 바스락거리는 질감을 가진 쿠키를 얻을 수 있습니다. 연구원들은 탄소를 사용하여 이와 유사한 작업을 수행했습니다. 그들은 메탄올과 에탄올을 극한의 온도로 가열하여 유리 섬사를 따라 내려앉는 탄소 "가루"로 변환했습니다.

• 메탄올은 매끄럽고 평평한 밀가루 역할을 하여, 깔끔하고 평평한 그래핀(그래핀은 탄소의 매우 얇고 강한 형태입니다) 시트를 만들었습니다.
• 에탄올은 바스락거리는 밀가루 역할을 하여, 지저도하고 구불구불한 탄소 클러스터를 만들었습니다.

이 두 알코올을 적절한 비율로 섞었을 때, 탄소는 단순히 평평하게 놓이지 않았습니다. 대신, 그것은 **산호(coral)**와 같은 구조로 자라났습니다. 미세한 수직 그래핀 시트들이 섬유 표면에서 솟아올라, 울퉁불퉁한 3D 숲을 형성했습니다. 이 "산호" 모양은 게임 체인저였는데, 이는 빛과 에너지를 흡수하는 데 탁월했기 때문입니다. 그것은 에너지를 잡아내는 능력이 너무 뛰어나서, 레이저를 비추었을 때 레이저는 아래의 유리 섬사를 손상시키지 않고 탄소를 쉽게 "먹어 치울" 수 있었습니다.

레이저 에칭 게임

이 산호 형태의 탄소 피부를 갖춘 후, 그들은 이것을 "코딩 메타표면"으로 만들어야 했습니다. 이것은 거대한 "라이츠 아웃(Lights Out)" 게임이나 픽셀 아트 퍼즐과 같습니다. 목표는 어떤 사각형은 전도성(저항성)을 가지고, 다른 사각형은 완전히 비어 있는(개방 회로) 패턴을 만드는 것이며, 이를 통해 레이더 파가 통과할 수 있게 하는 것입니다.

연구원들은 탄소 피부의 일부를 "에칭(etching)"하거나 태워 없애기 위해 고정밀 레이저를 사용했습니다. 산호 구조가 레이저 에너지를 매우 잘 흡수했기 때문에, 그들은 탄소를 얼마나 제거할지 정확하게 제로 제어할 수 있었습니다.

• 탄소를 그대로 두면, 저항이 낮았습니다 (전기에게는 넓은 고속도로와 같습니다).
• 부분적으로 태우면, 저항이 높아졌습니다 (좁고 울퉁불퉁한 도로와 같습니다).
• 끝까지 다 태워 버리면, 섬사는 다시 맨 상태가 되어 레이더 파를 위한 열린 창문 역할을 했습니다.

레이저 출력과 속도를 세심하게 조정함으로써, 그들은 직물 위에 네 가지 다른 "저항 상태"를 만들 수 있었습니다. 이를 통해 그들은 재료 위에 복잡하고 보이지 않는 코드를 그려 넣을 수 있었습니다.

AI 브레인

이 코드에 대한 완벽한 패턴을 설계하는 것은 눈을 가리고 루빅스 큐브를 푸는 것과 같습니다. 수십억 개의 가능한 조합이 존재하며, 어떤 것이 가장 좋은지 추측하는 데는 영원히 걸릴 것입니다. 그래서 팀은 도움을 줄 "두뇌"를 사용했습니다. 즉, 유전 알고리즘(Genetic Algorithm)(최적의 해답을 찾기 위해 진화를 모방함)과 합성곱 신경망(Convolutional Neural Network)(결과를 예측하는 법을 배우는 일종의 AI)을 결합한 컴퓨터 프로그램입니다.

AI는 수천 번의 시뮬레이션을 통해 학습하며, 어떤 특정 저항 상태의 배열이 레이더 파를 가장 많이 삼킬 수 있는지 파악했습니다. AI는 복잡하고 대칭적인 모자이크 형태를 띤 "승리하는 패턴"을 빠르게 찾아냈습니다.

결과: 얇고, 강하며, 스텔스 기능이 뛰어남

최종 제품을 만들었을 때, 결과는 인상적이었습니다. 그들은 그래핀 코딩 메타표면을 3mm 두께의 폼(동전 몇 개를 쌓은 두께 정도)에 부착했습니다.

• 흡수율: 이 얇은 샌드위치는 매우 넓은 범위의 주파수에서 레이더 파를 흡수할 수 있었습니다. 구체적으로, 이들은 7.3 GHz의 유효 흡수 대역폭(9.6 ~ 16.9 GHz 범위)에서 **최소 96.8%**의 레이더 에너지를 흡수했습니다 (반사 손실 ≤ -15 dB). 간단히 말해, 이 특정 주파수 "스윗 스팟" 내에서, 이것은 부딪히는 레이더 에너지의 거의 대부분을 삼켜버려 레이더 화면에 거의 아무것도 나타나지 않게 만들었습니다.
• 날개의 스텔스: 실제 환경에서 테스트하기 위해, 그들은 이 재료를 모델 비행기 날개에 감쌌습니다. 레이더를 비추었을 때, 날개의 "시그니처"(레이더에 보이는 크기)는 최소 10 dB만큼 줄어들었습니다. 이것은 엄청난 감소이며, 일반적인 금속 날개에 비해 날개가 아주 작은 점처럼 보이게 만듭니다.
• 내구성: 벗겨지는 기존 코팅과 달리, 이 재료는 섬유 위에 직접 성장되었기 때문에 구조 자체의 일부가 되었습니다. 이것은 유연하여 부서지지 않고 날개와 함께 휘어질 수 있었습니다.

연구원들은 또한 이 방법이 유연하다는 것을 보여주었습니다. AI의 지침을 변경함으로써, 그들은 다양한 필요에 따라 서로 다른 패턴을 쉽게 설계할 수 있었으며, 이는 이 "코럴-그래핀" 접근 방식이 강력하고 보이지 않는 피부를 만드는 강력한 새로운 도구임을 입증했습니다. 비록 더 얇은 재료를 만들거나 더 많은 기능(예: 결빙을 방지하기 위해 날개를 가열하는 기능)을 추가하는 것이 향akan 과제라고 언급했지만, 이 연구는 알코올 혼합물, 레이저, 그리고 인공지능을 사용하여 강한 직구 위에 스마트하고 보이지 않는 피부를 배양할 수 있음을 성공적으로 증명했습니다.