김종형 국립부경대학교 재료공학전공 교수가 하버드대·시카고대 공동 연구팀과 함께 태양광만으로 공중부양하는 초경량 나노격자구조체를 개발해 세계 최초로 지구 대기 중간권 비행 가능성을 실험적으로 입증했다. 이번 연구 성과는 국제학술지 네이처에 지난 14일 게재됐다.

지상 50~100㎞ 상공의 중간권은 항공기와 기상관측 기구가 도달하기엔 너무 높고, 인공위성이 관측하기엔 너무 낮아 기존 기술로는 접근이 어려운 영역이다. 기후 변화 예측과 기상 모델 정밀도를 높이기 위해 필수적인 데이터를 제공할 수 있지만, 그동안 관측 수단의 부재로 '기후 관측의 사각지대'로 남아있었다.

이번에 개발된 자가부상 비행체는 연료 소비 없이 태양광만으로 반영구적으로 공중 부양이 가능해 앞으로 중간권 탐사에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

연구팀은 기계적 강도와 경량성을 동시에 확보할 수 있는 나노 격자구조 기반의 설계 기법을 개발했다. 김종형 교수가 설계와 제작을 주도한 이번 구조체에는 기존 수㎜ 규모 제작에 머물던 나노 격자구조를 ㎝급 대면적으로 빠르게 제작할 수 있는 공정법을 새롭게 적용했다.

연구진이 활용한 '포토포레시스' 현상은 극저압 환경에서 물체의 한쪽 면이 가열되면, 더 강하게 반사되는 기체 분자가 추진력을 만들어내는 물리적 현상이다.

연구팀은 산화알루미늄 기반 나노격자구조체 하부에 크롬층을 증착해 빛 흡수율을 높였으며 표면 온도 차로 발생하는 포토포레틱 힘이 구조체 무게를 넘어설 수 있도록 설계했다.

김종형 교수가 제작한 구조체는 하버드대 Vlassak 교수 연구실에서 직경 1㎝, 두께 100마이크로미터 수준으로 구성됐으며 내부는 100나노미터 두께의 박막을 이용해 정밀한 나노격자 형태로 만들어졌다.

연구팀은 자체 제작한 저압 챔버에서 태양광 강도의 55% 조건, 대기압 26.7Pa 환경에서 구조체가 공중부양하는 것을 확인했다. 이는 중간권에서 지속 비행이 가능함을 실험적으로 입증한 최초 사례다.

이 기술은 초경량 센서를 탑재해 풍속·기압·온도 등 중간권의 실시간 환경 데이터를 수집함으로써 기후 모델 정밀도를 높일 수 있다. 복수의 자가부상 비행체를 활용해 대기 상층부 부유형 통신 플랫폼으로서 저지연 통신망 구축에도 활용할 수 있다. 화성과 같이 대기가 희박한 행성에서도 적용 가능성이 높아 차세대 행성 탐사 기술로 주목받고 있으며 NASA 등에서도 관심을 표하고 있다.

김종형 교수는 "이번 연구는 나노 격자구조를 단순한 실험실 소재가 아닌, 실제 대기·우주 환경에서 적용 가능한 구조체로 발전시킨 사례"라면서 "앞으로 통신 기능과 다양한 센서를 통합해 실시간 관측 및 행성 탐사 기술로 확장하겠다"고 밝혔다.

김종형 교수는 해당 구조체의 성능 및 신뢰성 향상을 위한 후속 연구를 진행하고 있으며 재료공학전공에서 재료공학의 경계를 넘어 다양한 융합 연구를 수행할 수 있는 창의적 인재 양성에도 힘쓰고 있다.

이번 연구는 하버드대 Star-Friedman Challenge, 미국 국립과학재단 지원을 받아 수행됐으며, 개발 기술은 하버드대 기술사업화센터를 통해 스타트업 Rarefied Technologies로 이전돼 상용화가 진행되고 있다.