2차원 나노소재의 국방분야 적용방안

가장 먼저 그래핀의 물리적 특성을 활용하여 방탄복을 적용하는 방안이다. 2014년도 연구에서 그래핀의 방탄성능은 케블라의 2배, 강철의 10배의 성능을 보여주었으며^[7] 2018년 국내 그래핀 업체에서 미군에 그래핀을 1,000~5,000층 쌓아 총알을 막는 방탄복을 납품한 뉴스도 소개되었다. 또한 국방과학연구소(ADD)에서도 2018년부터 2020년까지 그래핀 기반 보호직물 설계 기술을 선행핵심기술로 연구하였으며 2024년부터는 그래핀을 이용한 방탄소재 연구가 미래도전 국방기술과제로 진행될 예정이다. 이러한 연구를 통해 기존 방탄복보다 더 가볍지만 강도는 높은 착용성이 양호한 방탄복 개발이 이루어 질 것이다.

그래핀의 높은 전도성과 유연성, 투명성을 활용하여 스마트 콘택트 렌즈 개발이 가능하다. 2014년 미시간대 연구소에서 야간 투시용 적외선 콘택트 렌즈 개발에 성공하였으며^[8] 2017년 융합기술연구원에서도 전자기 간섭차폐 콘택트렌즈를 개발하여 이를 응용하여 표면에 LED 소자를 구현하여 디스플레이 기술 응용이 가능할 것으로 판단된다^[9]. 즉 그래핀을 전기화학적 색변화 기술을 활용하는 디스플레이인 EC(Electrochromic) 디스플레이의 투명전극으로 활용하는 방법이 적용될 수 있다. 이렇듯 그래핀은 스마트 콘택트 렌즈로 미래 전장에서 전투원이 손쉽게 정보를 이용할 수 있도록 하여 전투능력을 향상시켜 줄 수 있을 것으로 판단된다.

그래핀은 소수성을 가지고 있어 물을 밀어 내지만 좁은 구멍이 만들어지면 물이 빠른 속도로 침투하며 이를 이용하여 아주 미세한 구멍이 뚫린 그래핀 시트는 물 분자를 통과시키고 그 밖의 다른 오염물질을 통과시키지 않기 때문에^[10] 이를 이용하여 국내 그래핀 업체에서 수처리 소재를 개발하여 수처리 관련 인증기관인 NSF International 인증을 취득 하는 등 상용화도 눈앞에 두고 있다. 이렇듯 그래핀을 이용하여 해수를 담수로 만들 수 있으며, 북한지역의 수도시설이 불비한 지역에서 효율적인 급수를 가능하게 하는 휴대용 정수 장치 개발에 중요한 요소가 될 수 있어서 전투원의 생존성 증대에 기여할 수 있을 것이다.

인공근육은 실제 생물체의 근육을 모방한 인위적으로 만들어진 근육으로 전압, 전류, 온도, 압력 등의 변화에 따라서 팽창, 수축, 회전 등의 운동이 일어나는 물질 또는 기계 장치를 의미한다. 그래핀의 높은 인장강도와 뛰어난 열 전도성을 이용하여 액정복합섬유에 그래핀을 충진재로 도입하여 인간근육과 유사하면서도 최대 17배 강한 힘을 발휘할 수 있는 근육이 최근 개발되었다^[11]. 이러한 인공근육을 활용하여 다족보행로봇의 모터를 대체하는 동력장치를 만들 수 있으며 또는 인공근육을 엮어 직물로 만들어서 입으면 워리어플랫폼에 근력보조장치로도 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

전자기파 에너지는 반사, 흡수 및 다중반사의 메커니즘에 의해 차폐되는데 맥신은 전자기파를 흡수하여 차폐하는 특성을 가지고 있으며 이를 이용하여 다양한 분야에 적용 할 수 있을 것으로 판단된다. 2016년 Ti₃C₂Tx 맥신과 Mo₂TiC₂Tx 및 Mo₂Ti₂C₃Tx 맥신필름이 합성되어 탁월한 전자파 차폐 효과가 있음이 최초로 보고되었으며^[12] 2020년 연구에서는 전자파 차폐 소재 기술로써 자가조립기술을 활용하여 원자 수준의 두께 균일도를 가지는 초박막 맥신 필름을 제작하였다. 이 필름을 55nm 두께로 적층하면 99% 이상 전자파 차단이 가능했다. 이는 현재까지 보고된 어떤 전자파 차단 소재보다 우수한 성능(두께 대비 차단 효과)을 보여주는 것으로 나타났다(40µm에서 114db)^[13]. 이러한 특성을 국방분야에 적용하기 위한 노력으로 KIST(한국과학기술연구원)에서는 2021년 보안과제로 EMP 차폐 및 스텔스 기술 적용 맥신 2D소재 기술 개발 연구가 진행되었으며 성균관대학교에서는 2022년부터 2027년까지 광대역 다중밴드전자기파 차폐 흡수기술연구가 진행중이다.

이러한 맥신의 전파 차폐/흡수기능은 기존의 전도성이 높은 금속(예, Ag 및 Cu)의 차폐효율과 유사하며 전투기의 스텔스 기능에 적용될 수 있을 뿐만 아니라 육군에서 운영하고 있는 무인감시정찰기 및 드론봇에 적용되어 스텔스 기능을 향상시키고, 금속 스텔스 소재를 적용하는 것보다 중량을 감소시킬 수 있어 생존성 및 활용성을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한 시설물 EMP 차폐를 위한 최근 연구중인 콘크리트계 구조체 개발시 기존 차폐소재로 사용되는 나노탄소튜브 및 그래핀 복합소재의 효과성을 능가하는 차폐소재로 사용될 수 있을 것이다.

증기 기반 하베스팅은 식물이 뿌리에서 흡수한 물을 입의 기공을 통해 내보내는 증산작용 원리에서 착안한 에너지 하베스팅으로 기본원리는 전도성 물질이 도포되어 있는 섬유에 물을 비대칭적으로 떨어뜨리면 물의 부분적 흡착이 일어나고 이때 물의 부분적 흡착과 축전용량(C)과 전압(V)의 차이가 나타난다. 이렇게 되면 섬유의 증산작용에 의해 물이 반대쪽으로 움직이게 되고 이를 통해 전류(I)가 생성되는 원리이다.

이러한 증기기반 하베스팅 소재로서 맥신의 친수성과 높은 전도성은 기존 탄소나노입자가 적용된 결과보다 약 24배 높은 에너지 효율을 보였으며 맥신을 전도성 고분자와 복합하였을 때는 약 100배 더 높은 에너지 효율을 달성하였다^[14]. 이러한 증기기반 에너지 하베스팅 기술은 워리어플랫폼에 GPS와 같은 전자장비의 에너지원으로 사용될 수 있으며 군에서 독립적으로 운영되는 IoT 센서의 전원 공급에 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

최근 5G 통신, 사물인터넷(IoT), 무인기/드론, 워리어플랫폼 등 국방분야에서도 전자기기 도입이 증가함에 따라 유연하고 고성능을 가진 소형 에너지 저장장치의 소요가 지속 제기되고 있다. 특히 소형 에너지 저장장치 중 슈퍼캐패시터는 높은 출력, 빠른 충·방전과 우수한 사이클 특성으로 많은 연구가 이루어 지고 있으나 작은 에너지 저장용량, 유연성 부족 등으로 상용화가 어려운 사항이 있었다. 하지만 최근 국내 연구진에 의해 맥신의 높은 전도성과 유연성을 이용하여 마이크로 슈퍼 캐패시터가 개발되었으며 이는 웨어러블 에너지 소자로서 매우 높은 수준의 저장용량(1,730 F/cm3)과 10,000번의 벤딩 사이클 이후에도 저장용량 유지율이 우수한 특성을 보였다^[15]. 이러한 특성을 이용한다면 국방분야에서도 워리어플랫폼의 각종 센서 및 전자장치의 에너지 저장장치로 활용될 수 있을 뿐만 아니라 드론 및 무인기, 소규모 부대의 ESS, 주요 장비의 IoT센서의 에너지 저장장치로 활용 될 수 있을 것이다.

육방정계 질화붕소의 붕소는 단일원자로 다이아몬드 다음으로 단단한 것으로 알려진 준금속 원소이며 붕소의 열 중성자 흡수 단면적이 탄소의 100만배를 넘어 오래전부터 원자력 분야에 사용되고 있다. 이러한 특성은 육방정계 질화붕소가 높은 열전도도와 900도 고온에서 방사선 차폐에 뛰어난 특성을 가지게 하여 미래 우주환경에서 방사선 차폐에 다양하게 활용될 수 있다. KIST(한국과학기술연구원)에서는 2017년부터 1차원 소재인 BNNT(질화붕소나노튜브)로 우주복 개발 연구를 진행 중에 있는데 이러한 기술력이 성숙되면 육방정계 질화붕소는 차폐능력 및 유연성과 경량성을 갖추고 있어 국방위성 등 우주발사체에 적용하여 우주 방사선을 차폐할 수 있을 뿐 아니라 북한의 핵무기 제거 작전에 투입된 전투원의 생존성 보장을 위한 피복류 및 장비류에 적용 할 수 있을 것으로 판단된다.

압전소재는 웨어러블 센서나 로봇을 실현하기 위한 필수요소로서 소재에 압력을 가해 변형시키면 전기적 특성이 나타나는 소재이다. 최근 국내 연구진에서 육방정계 질화붕소의 압전성을 확인하였고 이를 응용하여 플렉시블 압전소자를 제작하여 발표하였다^[16]. 이 기술을 상용화하면 육방정계 질화붕소의 방열성과 방사능 차폐 등의 성질을 함께 이용하여 고온 방사선 극한 환경인 우주에서 스마트 센서 및 무선네트워크 구현을 위한 에너지 하베스팅 기술로 활용할 수 있으며 워리어플랫폼 및 드론 등에서도 압전하베스팅 소재로 전투력 발휘에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

전이금속 칼코겐화합물은 그래핀과 유사한 구조를 가진 나노소재로서 유연하고 투명한 특성과 함께 전기적으로 1∼2eV대 밴드갭이 존재하여 논리회로 제작이 가능하며 이를 통해 차세대 전자소자로 활용될 수 있다. 이러한 차세대 전자소재로 유연디스플레이, 터치스크린 패널에 사용할 수 있으며 실제 2022년 국내 연구진에 의해 전이금속 칼코겐화합물의 한 종류인 이황화몰리브덴과 양자점으로 고해상도 삼원색 아미크로 LED 디스플레이를 개발되었으며 이를 이용해 증강현실 및 가상현실 디스플레이 개발에 활용할 수 있다^[17]. 또한 미래 전투현장에서 유무인복합전투체계에서 전투원이 무인체계와 연동된 화면을 바라볼 수 있는 디스플레이 개발이 가능할 것으로 판단된다.

전이금속 칼코겐화합물의 한 종류인 아황화몰리브덴는 넓은 비표면적, 높은 전도성, 강한 표면활성과 높은 흡착계수로 최근 가스센서의 주 소재로 많은 연구가 이루어 지고 있다. 특히 2023년 국내 연구진에 의해 이산화질소를 낮은 전력소비로 기존의 60배 이상 높은 감도로 감지할 수 있는 센서가 개발되었다^[18].

이러한 가스센서는 소재 합성단계에서 원료물질에 포함된 탄소 함량을 조절해 소재의 전기화학적 특성을 변화시킬 수 있으며 이를 이용하여 다양한 다른 가스를 감지하는 센서 개발도 가능하다. 이를 통해 적이 화학공격을 하였을 때 드론이나 로봇에 가스센서를 부탁하여 대기중에 화학가스 존재 여부를 확인할 수 있으며 정비공장 및 탄약폐처리 공정에서 발생 할 수 있는 유독가스에 대한 검출을 통해 작업자의 안정성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.