[사이테크+] "수십㎞ 상공서 햇빛만으로 작동하는 소형·경량 비행체 개발"

작성일 08-14

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 한미 연구팀 "광영동 원리 적용…기후관측·통신·화성탐사 등 활용 기대" 
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 (서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 지상 50~100㎞ 상공 중간권처럼 기압이 극히 낮은 환경에서 기후 관측 또는 통신 장비 등을 싣고 별도 연료 소비 없이 햇빛만으로 장기간 떠서 임무를 수행할 수 있는 비행체 기술이 개발됐다.
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 <img alt="햇빛만으로 장기간 비행 가능한 광영동 비행체 응용 사례 공기가 희박한 곳에 떠 있는 물체가 햇빛을 받으면 가열되면서 자연적으로 부양력이 생기는 광영동(photophoresis) 원리를 이용한 비행체는 별도 연료 없이 지상 50~100㎞ 상공에서 장기간 머물며 기후 데이터 수집, 차세대 통신망 구축, 위성 간 데이터 중계 등 임무를 수행할 수 있을 것으로 전망된다. [Nature, Ben Schafer and Jong-hyoung Kim et al. 제공. 재판매 및 DB 금지]" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202508/14/yonhap/20250814000221188bcrl.jpg" data-org-width="1199" dmcf-mid="PBufTfYc5v" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202508/14/yonhap/20250814000221188bcrl.jpg" width="658">
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 햇빛만으로 장기간 비행 가능한 광영동 비행체 응용 사례 공기가 희박한 곳에 떠 있는 물체가 햇빛을 받으면 가열되면서 자연적으로 부양력이 생기는 광영동(photophoresis) 원리를 이용한 비행체는 별도 연료 없이 지상 50~100㎞ 상공에서 장기간 머물며 기후 데이터 수집, 차세대 통신망 구축, 위성 간 데이터 중계 등 임무를 수행할 수 있을 것으로 전망된다. [Nature, Ben Schafer and Jong-hyoung Kim et al. 제공. 재판매 및 DB 금지]
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 미국 하버드대와 시카고대, 국립부경대 공동 연구팀은 14일 과학 저널 네이처(Nature)에서 공기가 희박한 곳에 떠 있는 물체가 햇빛을 받으면 가열되면서 자연적으로 부양력이 생기는 광영동(photophoresis) 원리를 이용, 중간권에서 햇빛만으로 떠 있을 수 있는 비행체를 제작하고 이를 실험으로 입증했다고 밝혔다.
 논문 공동 제1 저자인 국립부경대 재료공학전공 김종형 교수는 "산화알루미늄과 크롬 박막으로 구성된 나노격자구조 기반의 1㎠ 크기 광영동 비행체가 26.7㎩ 기압, 지상 55% 강도의 햇빛만으로 계속 떠 있을 수 있다는 것을 실험으로 확인했다"고 말했다.
 이어 "현재 비행체 크기를 늘리는 것과 함께 기후관측 또는 통신 장비 등 탑재체 경량화도 모색하고 있다"며 "미항공우주국(NASA)도 이 비행체 원리를 화성 탐사에 적용할 수 있을 것으로 보고 관심을 표하고 있다"고 덧붙였다.
 광영동(photophoresis)은 가스 분자가 물체의 차가운 쪽보다 따뜻한 쪽에서 더 강하게 튕겨 나가면서 추진력을 생성하는 물리적 현상으로, 극저압 환경에서만 발생하며 자연에서는 수십㎞ 상공 중간권이 이런 조건에 해당한다.
 연구팀은 광영동 현상은 한 세기 이상 알려져 있었지만, 정확한 원리는 아직도 완전히 밝혀지지 않았다며, 이를 실용적으로 활용하기 위한 연구는 최근에야 이뤄지기 시작했다고 말했다.
 이들은 이 연구에서 나노격자구조 기반의 패널 구조체를 설계하였으며, 나노 공정기술을 활용해 빛을 잘 투과하는 산화알루미늄으로 구멍 뚫린 박막(두께 100㎚) 2개 층이 수직 지지대로 연결된 2층 구조 비행체를 제작했다. 하층 산화알루미늄 박막에는 크롬층을 추가로 증착했다.
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 <img alt="광영동(photophoresis) 비행체 원리 연구팀은 빛을 잘 투과하는 산화알루미늄으로 구멍 뚫린 박막(두께 100㎚) 2개 층이 수직 지지대로 연결된 2층 구조 비행체를 설계, 제작했다. 하층 산화알루미늄 박막에는 크롬층을 증착했다. 비행체가 햇빛을 받으면 상층 박막을 통과한 햇빛이 하층 크롬-산화알루미늄 다층구조에 닿아 가열되면서 상층과 하층 간 열 차이가 생기고 비행체를 띄우는 광영동 부양력이 발생한다. [Ben Schafer and Jong-hyoung Kim 제공. 재판매 및 DB 금지]" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202508/14/yonhap/20250814000221370heot.jpg" data-org-width="585" dmcf-mid="QQfdtd0CtS" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202508/14/yonhap/20250814000221370heot.jpg" width="658">
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 광영동(photophoresis) 비행체 원리 연구팀은 빛을 잘 투과하는 산화알루미늄으로 구멍 뚫린 박막(두께 100㎚) 2개 층이 수직 지지대로 연결된 2층 구조 비행체를 설계, 제작했다. 하층 산화알루미늄 박막에는 크롬층을 증착했다. 비행체가 햇빛을 받으면 상층 박막을 통과한 햇빛이 하층 크롬-산화알루미늄 다층구조에 닿아 가열되면서 상층과 하층 간 열 차이가 생기고 비행체를 띄우는 광영동 부양력이 발생한다. [Ben Schafer and Jong-hyoung Kim 제공. 재판매 및 DB 금지]
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 비행체가 햇빛을 받으면 상층 박막을 통과한 햇빛이 하층 크롬에 닿아 가열되면서 상층과 하층 간 열 차이가 생기고 비행체를 띄우는 광영동 부양력이 발생한다.
 연구팀이 컴퓨터 모델과 지상 50~100㎞ 중간권 환경을 모사한 저압챔버 실험실에서 1㎝ 크기로 제작한 이 비행체를 실험한 결과, 실제 햇빛만으로 장기간 비행이 가능한 것으로 나타났다.
 또 비행체 크기를 직경 3㎝로 늘리면 10㎎ 물체를 싣고 떠 있을 수 있어 라디오 주파수 안테나와 태양전지, 집적회로가 포함된 소형 통신 시스템을 탑재하는 것이 가능할 것으로 분석됐다.
 장치 설계와 제작을 주도한 김 교수는 "실험에 적용한 기술로도 크기를 10㎝ 수준까지 늘릴 수 있다"며 "관측장비 등 탑재체 무게를 충분히 줄인다면 이 비행체를 기상관측용 풍선 등을 이용해 중간권에 배치하는 것도 가능하다"고 말했다.
 연구팀은 지표면에서 50~100㎞ 중간권은 비행기와 기상관측 기구에는 너무 높고 위성에는 너무 낮아 기존 기술로는 감시와 관측이 거의 불가능하다며 광영동 비행체 기술이 이런 대기 영역에서 관측과 통신에 사용될 수 있다고 말했다.
 특히 중간권 대기 환경이 화성과 비슷해 이 기술이 화성 탐사에 활용될 것으로 전망하고 있으며 NASA와 공동 연구도 추진 중인 것으로 알려졌다. 현재 화성까지 1㎏을 운송하는데 10만 달러 이상이 들기 때문에 크기, 무게, 전력을 줄인 광영동 비행체가 탐사·통신 임무에 활용되면 발사 비용 등을 크게 줄일 수 있다. 
 논문 공동 저자로 10여년 전 광영동 원리를 이용한 비행체를 처음 제안한 시카고대 데이비드 키스 교수는 "실제 대기에서 비행할 수 있는 광영동 비행체를 만든 것은 이번이 처음"이라며 "이 비행체는 햇빛으로 구동되고 상층 대기 탐사에 적합하며 나중에는 화성이나 다른 행성에서도 날 수 있을 것"이라고 말했다.
 ◆ 출처 : Nature, Ben Schafer and Jong-Hyoung Kim et al., 'Photophoretic flight of perforated structures in near-space conditions', https://www.nature.com/articles/s41586-025-09281-8
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