Construction of 0D/2D M/rGO@EuMOF Multiscale Heterostructures for Integrated High-Efficiency Microwave Absorption and Corrosion Protection

현대 국방 및 해양 공학의 복잡한 세계에서, 재료들은 동시에 해결하기 어려운 이중적인 위협에 직면해 있습니다. 한쪽에서는 첨단 레이더 시스템이 아주 먼 거리에서도 물체를 탐지할 수 있어, 선박과 항공기에 있어 스텔스 기능이 필수적인 요구 사항이 되었습니다. 은폐를 위해 이러한 선박들은 레이더 파를 반사하는 대신 흡수할 수 있는 코팅을 필요로 합니다. 다른 한쪽에서는 바다 자체가 끊임없는 적입니다. 소금물과 습기는 금속 표면을 지속적으로 공격하여 부식과 구조적 붕괴를 일으키며, 이는 결국 선박을 파괴할 수 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 전자기 에너지를 흡수하여 보이지 않게 만드는 동시에, 부식을 막기 위한 강력한 장벽을 형성하는 두 가지 작업을 모두 수행할 수 있는 단일 재료를 만들기 위해 고군분투해 왔습니다. 대개 한 가지 작업에는 뛰어나지만 다른 작업에는 실패하거나, 가혹한 환경에서 빠르게 퇴화하는 재료들이 일반적이었습니다.

AVIC 청두 항공기 산업 그룹(AVIC Chengdu Aircraft Industrial Group)과 서남교통대학교(Southwest Jiaotong University)의 연구진은 두 가지 서로 다른 유형의 구조를 결합한 복합 재료를 구축함으로써 이 문제에 대한 새로운 접근 방식을 개발했습니다. 그들은 작은 구형 입자들이 평평한 시트 형태의 층 위에 고정된 하이브리드 시스템을 만들었습니다. 이 설계는 재료가 레이더 파와 부식 요소 모두에 대한 정교한 방패 역할을 할 수 있게 해줍니다. 연구진은 이 입자들의 양을 세심하게 조절함으로써, 레이더 신호를 높은 효율로 흡수할 뿐만 아니라 염수가 있는 물속에서 몇 주 동안 강철을 녹슬지 않게 보호하는 코팅을 달성했으며, 이는 더 내구성이 높고 스텔스 성능이 뛰어난 해양 장비를 향한 유망한 길을 제시합니다.

연구진은 철, 알루미늄, 붕소로 이루어진 2차원 시트 형태의 재료인 MBene으로 시작했습니다. 이 시트들은 본래 자성을 띠며 전도성이 있는데, 이러한 특성은 전자기파와 상호 작용하는 데 유용합니다. 이를 더욱 효과적으로 만들기 위해 연구진은 MBene 시트 표면에 전도성 탄소 재료인 환원된 그래핀 옥사이드를 부착했습니다. 이를 통해 전도성 및 자성을 갖춘 기초를 만들었습니다. 다음 단계는 이 기초 위에 세 번째 구성 요소를 직접 성장시키는 것이었습니다. 유로퓸(europium)을 포함하는 금속-유기 골격체로 이루어진 작은 구체들을 사용했습니다. 이 구체들은 수열 합성 과정(hydrothermal process), 즉 가열된 수용액 내에서 형성되는 방식을 통해 제자리에서 성장되었습니다. 그 결과, 평평한 시트가 3차원 구체의 지지대 역할을 하는 구조가 만들어졌으며, 이는 두 재료가 만나는 다중 규모 계면을 형성했습니다.

연구진은 이러한 유로퓸 구체의 양이 재료의 성능에 어떤 영향을 미치는지 테스트했습니다. 그들은 구체의 양이 매우 중요하다는 것을 발견했습니다. 구체가 너무 적으면 재료가 레이더 파를 충분히 흡수하지 못했습니다. 반대로 구체가 너무 많으면 구체들이 서로 뭉쳐 전도 경로를 차단하고, 레이더 파를 흡수하는 대신 반사하게 만들었습니다. 최적의 균형은 MG@E3라고 명명된 특정 샘플에서 발견되었습니다. 이 샘플은 2.1mm 두께에서 -54.02 데시벨의 최소 반사 손실을 달성했습니다. 실질적인 의미에서, 이는 레이더 파가 이 코팅에 부딪힐 때 거의 모든 에너지가 레이더 수신기로 되돌아가는 대신 흡수되어 열로 소산됨을 의미합니다. 또한 이 재료는 단 1.4mm의 두께만으로도 4.5GHz의 대역폭에 걸쳐 파를 흡수하며 넓은 주파수 범위를 유지했습니다.

이러한 성공의 메커니즘은 평평한 시트와 구체 사이의 독특한 상호 작용에 기반합니다. 레이더 파가 재료로 들어오면, 시트의 전도성 네트워크와 MBene의 자성 특성이 파를 늦추고 가두는 데 도움을 줍니다. 평평한 시트와 구형 입자 사이의 계면은 전기 전하가 축적되고 진동하는 영역, 즉 계면 분극(interfacial polarization)이라 불리는 현상을 생성합니다. 이 진동은 레이더 파의 에너지를 열로 변환합니다. 또한, 구체 내부의 유기 분자들은 파를 더욱 교란하는 중심점 역할을 합니다. 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이 특정 배치가 파가 표면에서 반사되지 않고 재료 내부로 매끄럽게 진입하게 한 뒤, 내부에서 갇히고 파괴되도록 한다는 것을 확인했습니다.

레이더로부터 숨기는 능력 외에도, 이 재료는 부식에 대한 탁월한 보호 성능을 입증했습니다. 연구진은 강철판에 이 복합 재료를 코팅한 후 염수 용액에 21일 동안 담가 두었습니다. 그들은 전기 저항을 테스트하여 코팅이 강철의 부식을 얼마나 잘 방지하는지 측정했습니다. 이 범주에서 가장 우수한 성능을 보인 샘플인 MG@E2는 염수 속에서 3주 후에도 94.8%의 보호 효율을 유지했습니다. 이 높은 수준의 보호는 코팅의 물리적 구조에서 기인합니다. 평평한 시트들은 부식성 염분과 물이 아래의 금속에 도달하기 위해 통과해야 하는 길고 구불구불한 경로를 만드는데, 이는 흔히 미로 효과(maze effect)라고 불립니다. 구형 입자들은 시트 사이의 미세한 틈과 구멍을 채워 장벽을 더욱 촘촘하고 침투하기 어렵게 만듭니다.

연구진은 또한 레이더 가시성을 나타내는 척도인 레이더 단면적(radar cross-section)을 시뮬레이션하여 실제 상황에서 이 재료가 어떻게 작동할지 조사했습니다. 시뮬레이션 결과, 이 코팅은 표적의 레이더 신호를 약 31.85 데시벨 감소시킬 수 있는 것으로 나타났습니다. 이 상당한 감소는 이 재료로 코팅된 배나 항공기가 레이더 시스템에 훨씬 더 작게 보이게 하여, 탐지되는 것을 효과적으로 어렵게 만든다는 것을 의미합니다. 연구진은 재료의 성능이 구성 요소의 정밀한 균형에 크게 의존한다는 점에 주목했습니다. 구형 구성 요소가 너무 많으면 전도성 네트워크를 방해하고, 너무 적으면 파를 흡수할 충분한 분극 중심을 제공하지 못합니다.

이 연구는 하나의 재료를 설계함으로써 해양 방어의 가장 까당한 두 가지 문제인 스텔스와 내구성을 모두 해결할 수 있음을 보여줍니다. 전도성 자성 시트 위에 구형 입자를 직접 성장시킴으로써, 연구진은 전자기 흡수와 물리적 장벽 특성을 모두 향상시키는 안정적인 계면을 만들어냈습니다. 연구 결과는 재료의 조성을 정밀하게 제어한다면, 물체를 레이더로부터 숨기는 데 효과적일 뿐만 아니라 가혹한 해양 조건에서도 장기간 견딜 수 있을 만큼 견고한 코팅을 만들 수 있다는 것을 시사합니다. 이 연구는 한 가지 기능을 희생하지 않으면서도 복잡한 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는 미래의 보호 시스템을 설계하기 위한 명확한 실험적 근거를 제공합니다.