News Letter / 회원동정
김종형 회원 (부경대) 공동 연구팀, 초경량 나노구조체로 자가부상 비행체 개발
▲ (좌측부터) 국립부경대학교 재료공학전공 김종형 교수, 하버드대학교 Ben Schafer 박사, 하버드대학교 Joost Vlassak 교수
국립부경대학교 재료공학전공 김종형 교수 연구팀이 하버드대학교, 시카고대학교 공동연구진과 함께 태양광만으로 공중부양이 가능한 초경량 나노격자구조체를 설계·제작하고, 이를 이용해 지구 대기 중간권(고도 50~100km)에서의 비행 가능성을 세계 최초로 실험적으로 입증했다.
이번 연구 결과는 8월 14일 과학기술 분야 세계 최고 권위 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다.
■ 연구 배경
중간권(Mesosphere, 50~100km)은 기후 변화 예측과 대기 모델 정밀도를 높이는 데 핵심적인 데이터를 제공하는 영역이지만, 항공기·기상관측기구가 도달하기에는 너무 높고 인공위성이 관측하기에는 너무 낮아 사실상 기후 관측의 사각지대로 남아 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 개발된 본 연구의 초경량 자가부상 비행체는 연료 없이 태양광만으로 장시간 비행할 수 있어 기존 로켓이나 위성보다 훨씬 경제적이고 지속가능한 방식으로 중간권 탐사를 가능하게 한다.
특히 이번 연구에서 활용된 포토포레시스(Photophoresis) 원리는 극저압 환경에서 더욱 효과적으로 작동하기 때문에 지구 대기뿐 아니라 화성과 같은 희박 대기 환경에서도 유효하다. 화성은 지구의 약 1% 수준의 대기압을 가져 기존 비행체가 장시간 체공하기 어려우나, 본 기술은 기후 관측·표면 탐사·저지연 통신 플랫폼 구축 등 다양한 응용 가능성을 제시하며 차세대 행성 탐사 기술로 확장될 잠재력을 보여준다.
■ 연구 성과
이번 연구에서 김종형 교수팀은 초경량이면서도 기계적 안정성을 갖춘 극한의 나노격자구조체를 대면적으로 설계·제작하고, 포토포레시스 원리를 적용해 태양광 기반 자가부상을 구현하였으며, 실제 중간권 조건을 모사한 실험을 통해 세계 최초로 비행 가능성을 입증했따. 이러한 일련의 성과는 나노구조체의 실사용 가능성을 실험적으로 보여주며, 향후 대기 및 행성 탐사의 새로운 길을 열었다.
1. 대면적 나노격자구조 기반 설계·제작: 연구팀은 기계적 강도와 경량성을 동시에 만족하는 설계 기법을 고안하여, 기존에 수 mm 규모 제작에 머물던 나노격자구조를 cm급 대면적까지 확장하는 데 성공하였다. 이를 통해 초경량이면서도 안정적으로 하중을 지탱할 수 있는 구조체를 제작하여 나노격자구조의 실사용 가능성을 실험적으로 입증하였다.
2. 포토포레시스 원리 적용: 산화알루미늄(Al₂O₃) 기반의 나노격자구조체 하부에 크롬층을 증착하여 빛 흡수율을 크게 높였으며, 이로 인해 형성된 온도 차이가 포토포레시스 힘을 유도하여 구조체의 중량을 넘어서는 추진력을 확보하도록 설계하였다. 이러한 접근은 저압 환경에서 안정적인 부상 메커니즘을 제시하였다.
3. 중간권 조건 모사 실험: 직경 1cm, 두께 100μm 규모의 나노격자구조체를 100nm 박막으로 정밀 제작하여 하버드대학교 Vlassak 교수 연구실의 저압 챔버에서 실험을 진행하였다. 태양광 강도의 55%와 대기압 26.7Pa(고도 약 60km 조건)을 모사한 환경에서 구조체가 안정적으로 공중부양하는 것을 확인하였으며, 이는 중간권에서 장시간 비행이 가능함을 실험적으로 입증한 세계 최초의 사례로 기록되었다.
■ 기대 효과
이번 연구 성과는 기후 모델의 정확도를 높이는 중간권 관측부터 시작하여, 다수의 비행체를 활용한 대기 상층부 저지연 통신망 구축, 그리고 화성과 같은 희박 대기 환경에서의 행성 탐사까지 폭넓게 확장될 수 있다. 특히 연료를 사용하지 않고 태양광만으로 장시간 비행이 가능하다는 점은 기존 로켓이나 위성 대비 경제성과 지속가능성을 크게 향상시키며, 향후 지구 기후 관측 기술뿐 아니라 차세대 우주 탐사 플랫폼으로 발전할 잠재력이 크다.
■ 연구진 의견
김종형 교수는 “이번 연구는 나노격자구조를 실험실 수준을 넘어 실제 대기·우주 환경에서 활용 가능한 구조체로 발전시킨 사례”라며, “향후 통신 기능과 다양한 센서를 통합해 기후 관측과 행성 탐사 기술로 확장하겠다”고 밝혔다. 현재 연구팀은 구조체의 성능과 신뢰성 향상을 위한 후속 연구를 이어가고 있으며, 재료공학의 경계를 넘어서는 융합 연구와 창의적 인재 양성에도 주력하고 있다.
■ 연구 지원 및 상용화
본 연구는 하버드대 Star-Friedman Challenge와 미국 국립과학재단(NSF)의 지원을 받아 수행되었으며, 개발 기술은 하버드대 기술사업화센터를 통해 스타트업 Rarefied Technologies로 이전되어 상용화가 추진 중이다.
▲ 그림1. 제안된 비행 장치 주변의 공기 흐름을 나타낸 모식도.
▲ 그림2. 실제 구조체가 빛을 받았을 때 비행하는 모습을 담은 타임랩스 사진.
▲ 그림3. 장치의 활용 사례를 보여주는 모식도.
■ 논문 정보
* 저널명: Nature
* 논문명: Photophoretic flight of perforated structures in near-space conditions
* DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09281-8
- 출처: 국립부경대 보도자료, 동아일보, 조선비즈, 연합뉴스
김종형 회원 (부경대) 공동 연구팀, 초경량 나노구조체로 자가부상 비행체 개발
▲ (좌측부터) 국립부경대학교 재료공학전공 김종형 교수, 하버드대학교 Ben Schafer 박사, 하버드대학교 Joost Vlassak 교수
국립부경대학교 재료공학전공 김종형 교수 연구팀이 하버드대학교, 시카고대학교 공동연구진과 함께 태양광만으로 공중부양이 가능한 초경량 나노격자구조체를 설계·제작하고, 이를 이용해 지구 대기 중간권(고도 50~100km)에서의 비행 가능성을 세계 최초로 실험적으로 입증했다.
이번 연구 결과는 8월 14일 과학기술 분야 세계 최고 권위 학술지 네이처(Nature)에 게재됐다.
■ 연구 배경
중간권(Mesosphere, 50~100km)은 기후 변화 예측과 대기 모델 정밀도를 높이는 데 핵심적인 데이터를 제공하는 영역이지만, 항공기·기상관측기구가 도달하기에는 너무 높고 인공위성이 관측하기에는 너무 낮아 사실상 기후 관측의 사각지대로 남아 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 개발된 본 연구의 초경량 자가부상 비행체는 연료 없이 태양광만으로 장시간 비행할 수 있어 기존 로켓이나 위성보다 훨씬 경제적이고 지속가능한 방식으로 중간권 탐사를 가능하게 한다.
특히 이번 연구에서 활용된 포토포레시스(Photophoresis) 원리는 극저압 환경에서 더욱 효과적으로 작동하기 때문에 지구 대기뿐 아니라 화성과 같은 희박 대기 환경에서도 유효하다. 화성은 지구의 약 1% 수준의 대기압을 가져 기존 비행체가 장시간 체공하기 어려우나, 본 기술은 기후 관측·표면 탐사·저지연 통신 플랫폼 구축 등 다양한 응용 가능성을 제시하며 차세대 행성 탐사 기술로 확장될 잠재력을 보여준다.
■ 연구 성과
이번 연구에서 김종형 교수팀은 초경량이면서도 기계적 안정성을 갖춘 극한의 나노격자구조체를 대면적으로 설계·제작하고, 포토포레시스 원리를 적용해 태양광 기반 자가부상을 구현하였으며, 실제 중간권 조건을 모사한 실험을 통해 세계 최초로 비행 가능성을 입증했따. 이러한 일련의 성과는 나노구조체의 실사용 가능성을 실험적으로 보여주며, 향후 대기 및 행성 탐사의 새로운 길을 열었다.
1. 대면적 나노격자구조 기반 설계·제작: 연구팀은 기계적 강도와 경량성을 동시에 만족하는 설계 기법을 고안하여, 기존에 수 mm 규모 제작에 머물던 나노격자구조를 cm급 대면적까지 확장하는 데 성공하였다. 이를 통해 초경량이면서도 안정적으로 하중을 지탱할 수 있는 구조체를 제작하여 나노격자구조의 실사용 가능성을 실험적으로 입증하였다.
2. 포토포레시스 원리 적용: 산화알루미늄(Al₂O₃) 기반의 나노격자구조체 하부에 크롬층을 증착하여 빛 흡수율을 크게 높였으며, 이로 인해 형성된 온도 차이가 포토포레시스 힘을 유도하여 구조체의 중량을 넘어서는 추진력을 확보하도록 설계하였다. 이러한 접근은 저압 환경에서 안정적인 부상 메커니즘을 제시하였다.
3. 중간권 조건 모사 실험: 직경 1cm, 두께 100μm 규모의 나노격자구조체를 100nm 박막으로 정밀 제작하여 하버드대학교 Vlassak 교수 연구실의 저압 챔버에서 실험을 진행하였다. 태양광 강도의 55%와 대기압 26.7Pa(고도 약 60km 조건)을 모사한 환경에서 구조체가 안정적으로 공중부양하는 것을 확인하였으며, 이는 중간권에서 장시간 비행이 가능함을 실험적으로 입증한 세계 최초의 사례로 기록되었다.
■ 기대 효과
이번 연구 성과는 기후 모델의 정확도를 높이는 중간권 관측부터 시작하여, 다수의 비행체를 활용한 대기 상층부 저지연 통신망 구축, 그리고 화성과 같은 희박 대기 환경에서의 행성 탐사까지 폭넓게 확장될 수 있다. 특히 연료를 사용하지 않고 태양광만으로 장시간 비행이 가능하다는 점은 기존 로켓이나 위성 대비 경제성과 지속가능성을 크게 향상시키며, 향후 지구 기후 관측 기술뿐 아니라 차세대 우주 탐사 플랫폼으로 발전할 잠재력이 크다.
■ 연구진 의견
김종형 교수는 “이번 연구는 나노격자구조를 실험실 수준을 넘어 실제 대기·우주 환경에서 활용 가능한 구조체로 발전시킨 사례”라며, “향후 통신 기능과 다양한 센서를 통합해 기후 관측과 행성 탐사 기술로 확장하겠다”고 밝혔다. 현재 연구팀은 구조체의 성능과 신뢰성 향상을 위한 후속 연구를 이어가고 있으며, 재료공학의 경계를 넘어서는 융합 연구와 창의적 인재 양성에도 주력하고 있다.
■ 연구 지원 및 상용화
본 연구는 하버드대 Star-Friedman Challenge와 미국 국립과학재단(NSF)의 지원을 받아 수행되었으며, 개발 기술은 하버드대 기술사업화센터를 통해 스타트업 Rarefied Technologies로 이전되어 상용화가 추진 중이다.
▲ 그림1. 제안된 비행 장치 주변의 공기 흐름을 나타낸 모식도.
▲ 그림2. 실제 구조체가 빛을 받았을 때 비행하는 모습을 담은 타임랩스 사진.
▲ 그림3. 장치의 활용 사례를 보여주는 모식도.
■ 논문 정보
* 저널명: Nature
* 논문명: Photophoretic flight of perforated structures in near-space conditions
* DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09281-8
- 출처: 국립부경대 보도자료, 동아일보, 조선비즈, 연합뉴스