Reconciling electrothermal de-icing and broadband electromagnetic transparency via a hexagonal honeycomb graphene glass fabric metasurface with impedance modulation and resonant coupling

항공기가 차갑고 습한 공기 속을 비행할 때, 항공기의 앞부분인 날개와 꼬리의 앞쪽 가장자리에 얼음이 쌓일 수 있습니다. 이 얼음은 날개의 모양을 변화시켜 비행기가 공중에 떠 있거나 제어하는 것을 더 어렵게 만듭니다. 이를 방-지하기 위해 현대의 비행기들은 종종 전기 가열식 제빙 시스템을 사용하는데, 이는 항공기 표면에 내장된 특수 가열 소자에 전기를 흘려보내 얼음을 녹이는 방식입니다. 그러나 이와 동시에 항공기의 표면은 레이더파에 투명해야 합니다. 항법과 안전에 필수적인 레이더 시스템은 외부의 물체를 탐지하고 비행기로 돌아오기 위해 무선 신호를 보냅니다. 만약 가열 소자가 금속으로 만들어진다면, 이들은 무선파에 대해 거울처럼 작용하여 레이더를 차단하고 위험한 사각지대를 만들어냅니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 레이더를 차단하는 효과적인 금속 가열기를 사용할 것인지, 아니면 얼음을 빠르게 녹이기에는 너무 약한 투명한 재료를 사용할 것인지에 대한 어려운 선택에 직면해 왔습니다.

한 연구팀이 두 가지를 모두 가질 수 있는 방법을 찾아냈습니다. 그들은 넓은 범위의 주파수 대역에서 레이더에 거의 보이지 않으면서도 얼음을 녹이기 위해 효율적으로 가열되는 새로운 재료를 개발했습니다. 이 해결책은 재료와 기하학적 구조의 영리한 조합에 달려 있습니다. 그들 발명의 핵심은 그래핀(전도성과 투명성을 모두 갖춘 것으로 알려진 탄소 형태)이 얇게 코팅된 유리 섬유로 만든 직물입니다. 연구진은 이 직물을 통째로 사용하는 대신, 레이저를 사용하여 특정 부분을 정교하게 지워내어 작은 육각형 구멍이 있는 패턴을 만들었습니다. 벌집을 닮은 이 패턴은 전류와 무선파가 보통 따라가는 연속적인 경로를 끊어줍니다. 이렇게 함으로써, 그들은 재료가 열을 발생시킬 만큼 충분히 전기를 전도하면서도, 무선파가 반사되지 않고 통과할 수 있도록 산란시키는 데 성공했습니다.

연구진은 적절한 균형을 찾기 위해 다양한 버전의 그래핀 코팅 직물을 테스트하며 시작했습니다. 그들은 재료의 전도성이 너무 높으면 무선파를 차단하고, 너무 낮으면 충분한 열을 생성할 수 없다는 것을 발견했습니다. 그들은 목표를 달 {수 있는 특정 수준의 전기 저항을 가진 버전을 결정했습니다. 프로그래밍 가능한 레이저를 사용하여 연구진은 직구에 정밀한 육각형 격자를 새겼습니다. 직접 레이저 제거(direct laser erasure)라고 불리는 이 과정은 패턴을 따라 그래핀을 선택적으로 제거하여, 빈 공간으로 분리된 전도성 가닥들의 네트워크를 남깁니다. 그 결과, 이 구조는 섬세한 망처럼 보이지만 에너지에 대해서는 정교한 필터 역할을 합니다.

연구팀이 이 새로운 망을 테스트했을 때, 그것은 매우 뛰어난 성능을 보였습니다. 정상적인 조건에서 이 구조는 현대 레이더 시스템에서 사용되는 매우 넓은 주파수 스펙트럼에 걸쳐 통과하는 무선파의 80% 이상을 반대편으로 통과시켰습니다. 이러한 투명성은 파동이 재료에 부딪히는 각도나 방향이 달라져도 유지되었습니다. 연구진은 파동이 재료를 통해 어떻게 이동하는지 분석했으며, 벌집 패턴이 무선파를 반사시키는 데 흔히 발생하는 크고 매끄러운 전류의 흐름을 끊어내는 방식으로 작동한다는 것을 발견했습니다. 단일하고 강력한 전류가 전체 표면을 가로질러 흐르는 대신, 전류는 망의 가는 가닥들을 따라 이동하며 육각형의 모서리에서 방향을 바꾸도록 강제됩니다. 이러한 세분화는 반사되는 에너지의 양을 줄여 파동이 통과할 수 있게 합니다.

이 재료는 무선파를 통과시키는 것 외에도 훌륭한 가열기임이 증명되었습니다. 연구진이 적은 양의 전력을 가했을 때, 표면 전체가 고르게 따뜻해졌습니다. 그들은 온도가 초당 0.04도 섭씨씩 일정하게 상승하는 것을 측정했습니다. 실제 능력을 테스트하기 위해, 그들은 재료에 물을 뿌려 얼음 층을 얼렸습니다. 전원을 켜자 얼음이 녹아 표면에서 미끄러져 내려갔으며, 이는 이 재료가 두껍거나 무겁지 않고도 표면의 제빙을 효과적으로 수행할 수 있음을 보여주었습니다. 가열은 전체 시트 전체에 걸쳐 균일하게 일어났으며, 이는 얼음이 남아 있을 수 있는 냉점이 없음을 의미합니다.

연구진은 또한 이 재료가 항공기를 탐지로부터 숨기기 위해 설계된 레이더 흡수 재료와 같은 다른 기술들과 어떻게 함께 작동할 수 있는지 탐구했습니다. 그들은 폴리머에 철 가루를 혼합하여 만든 레이더 흡수 재료 층을 새로운 그래핀 망 아래에 배치했습니다. 그들은 이 조합이 흡수재 단독보다 더 잘 작동한다는 것을 발견했습니다. 망은 레이더 흡수층이 제 역할을 하는 것을 방해하지 않았으며, 오히려 두 층이 함께 작동하여 9.2에서 15.2 기가헤르츠 사이의 더 넓은 범위의 주파수를 흡수했습니다. 더욱이, 망의 존재는 소스로부터 반사되는 레이더 에너지의 양을 증가시키지 않았습니다. 사실, 이 조합은 흡수재 단독일 때보다 물체의 레이더 신호(signature)를 더 많이 감소시켜, 항공기가 얼음을 떨궈내기 위해 표면을 따뜻하게 유지하면서도 탐지되기 어렵게 만들었습니다.

이 연구는 미래 항공기 설계의 실질적인 경로를 제시합니다. 엔지니어들은 레이더를 위한 창문이면서 동시에 가열기인 재료를 사용함으로써, 오랫동안 항공기 설계를 복잡하게 만들었던 상충 관계를 제거할 수 있습니다. 정밀한 레이저 절삭을 통해 만들어진 육각형 벌집 구조는 항공기가 주변 세계를 '보는' 능력을 손상시키지 않으면서도 얼음으로부터 비행기를 안전하게 보호할 수 있는 방법을 제공합니다. 이 연구는 이 두 가지 상충하는 요구를 조화시키는 것이 가능하다는 것을 확인해주며, 항공기를 요소들로부터 보호하면서도 레이더에 보이지 않게 유지할 수 있는 다기능성 표면의 청사진을 제공합니다.