서울대 공대 고승환 교수 연구팀이 ‘공각기동대’ 같은 SF 영화에서 주로 볼 수 있었던 투명 슈트를 연상시키는 기술을 개발했다.
기계항공공학부 응용 나노 및 열공학 연구실 고승환 교수 연구팀은 가시광선 및 적외선 대역에서 능동적으로 위장이 가능한 전자 피부를 개발했다고 10일 밝혔다. 이 소자는 피부에 부착할 수 있고 낮이나 밤의 외부 환경에 순응하도록 전기적인 신호로 색깔이나 온도를 조절하여 사람의 눈이나 적외선 카메라에 보이지 않게 위장을 돕는다. 자연에서 몇몇 동물들은 능동적으로 외부환경에 알맞게 위장하여 포식자에게서 달아나거나 먹잇감을 속이는 식으로 생존 확률을 높인다. 오징어나 문어와 같은 두족류가 그 예이다. 두족류 피부의 나노미터 단위 색소 입자는 필요에 맞게 색소 입자간 거리를 재배열하여 가시광선이나 적외선 파장대의 빛을 반사시켜 외부환경에 완벽히 위장할 수 있다.
고승환 교수 연구팀은 이러한 두족류의 뛰어난 위장 능력에 주목하였다. 현재 국방 산업에서는 적에게 발견되지 않게 하는 위장 혹은 스텔스 기술에 대해 많은 연구가 이뤄지고 있지만 아직까지 널리 알려진 상용 위장 기술은 군복에 들어가는 카무플라주 패턴의 섬유가 보편적이다. 하지만 카무플라주 패턴 섬유는 능동적인 위장이 불가능하기 때문에 움직일 때나 복잡한 패턴의 환경에 있을 때는 눈에 띄기 쉽다. 연구진은 피부에 부착할 수 있도록 유연하고 부드러운 열전 소자를 개발해 착용감을 높였고 빠르게 냉각하거나 가열해 외부 환경에 알맞게 온도를 조절해 적외선 대역에서 열화상 카메라에 위장할 수 있도록 하였다. 그뿐만 아니라 온도에 따라 자유자재로 변색을 하는 감온(Thermochromic) 액정 잉크를 유연 열전 소자 위에 도포해 소자가 다양한 색상을 구현할 수 있도록 했다. 여기서 열전 소자는 펠티에 원리(Peltier Effect)를 이용해 전류의 방향에 따라 흡열 혹은 발열이 가능한 소자를 일컫는다. 열전 소자는 음전하와 양전하가 많은 반도체 물질이 직렬로 연결된 구조에 전압을 공급하면 전하 운반체가 한 방향으로 순간 정렬되어 소자의 한 면은 냉각되고 반대 면은 가열된다. 전류의 방향을 반대로 흘리면 냉각/가열 면이 바뀐다. 즉 전류 방향 및 전압 크기에 따라 냉각/가열을 미세 조절할 수 있게 된다. 이것이 펠티에 원리이며 이를 이용해 연구팀은 열전 소자의 표면 온도 및 색상을 자유자재로 바꿔 가시광선에서 적외선 대역까지 위장이 가능하게 했다. 낮과 밤에 구애받지 않고 위장할 수 있다는 의미다. 연구진은 이에 그치지 않고 위장 전자 피부 표면을 ‘픽셀화’해 국소적으로 몇몇 픽셀만 가열 및 냉각이 가능케 하였다. 따라서 독립적으로 열전 픽셀을 구동해 디스플레이처럼 정보 전달을 하거나 복잡한 패턴의 환경에서 움직이더라도 실시간으로 가시광선이나 적외선 대역 위장이 가능한 소자를 제작했다. 이러한 위장 전자 피부는 국방 산업에 유용하게 쓰일 수 있다. 연구진은 위장 전자 피부를 피부에 부착해서 직접 시연하였고 위 사진과 같이 낮과 밤, 주변 온도의 변화나 복잡한 수풀 환경에도 문제없이 위장이 가능한 것을 확인했다.
고승환 교수는 “위장 기술은 아군의 위치를 적에게 들키지 않게 해 아군의 생존율을 높이는, 군사적으로 굉장히 중요한 요소다. 이번 연구를 통해 우리 국방 산업에 직접 기여할 수 있기를 예상한다”고 밝혔다. 연구 결과는 세계적으로 큰 주목을 받아 올해 7월 14일 재료과학 분야에서 최상위 저널인 ‘Advanced Functional Materials’에 ‘Thermally Controlled, Active Imperceptible Arti?cial Skin in Visible-to-Infrared Range’라는 제목으로 게재됐다. 한편 이 연구는 한국연구재단의 기초지원사업 중견연구자지원사업 및 선도연구센터 사업의 지원을 받았다.
