글/ 고려대학교 주병권 교수 연구실

주병권(고려대학교 전기전자공학부 교수)
김태엽(한국전자통신연구원 실감소자연구본부 플렉시블전자소자팀)
박주현(고려대학교 전기전자공학과 석박통합과정)

1. 서론

현대 사회에서의 위장 기술은 매우 중요한 역할을 수행하고 있다. 위장 기술은 사람이나 물체를 다른 사람이나 센서에 탐지되지 않게 위장시키는 기술로서 보안, 군사 등 다양한 분야에서 활용될 가능성이 있다. 특히 군사작전에서는 적의 감시 회피를 가능하게 하여 주변 환경에 잘 어울리게 만들거나 적 인식에 혼란을 줘 적의 사전 정보 수집과 고경을 어렵게 만들어 군인들의 안전을 보장한다. 또한 정보 수집 및 정찰 작업의 효율성 향상과 군인들의 생존과 임무 수행에 큰 도움을 준다.

현재 가시광선 및 적외선 위장 기술은 광학 위장과 착시 위장을 이용하고 있으며 광학 위장은 주로 메타물질을 이용하여 가시광선 위장을 하지만 메타 물질 특성상 형태 변형에 의한 특성 저하가 일어난다. 착시 위장은 제한된 패턴형태 및 환경 변화에 따른 변색 한계점이 있어 다양한 색 변환과 다양한 형태의 패턴 구현이 가능한 위장을 필요로 하고 있다.

이 글에서는 물리적 위장 기술 중 가시광선과 적외선 위장 기술동향과 응용연구에 대해 다뤄보고자 한다.

2. 가시광선 위장 기술

가시광선 위장 기술에서는 색을 표현하는데 있어서 발광형 디스플레이로 표현하는 것은 열과 빛으로 인해 사실상 불가능하기 때문에 주로 반사형 디스플레이 기술을 이용하고 있다. 또한 단순히 색만 표현하는 것이 아닌 다른 색으로 바뀌어야 능동형으로 위장이 가능하기 때문에 이러한 부분에서 반사형 디스플레이 기술 중 하나인 전기 변색 기술이 많이 사용되고 있다. 전기 변색 기술은 외부 전압이나 전류가 가해질 때 물질의 구조 변화로 색상과 투과율과 같은 광학적 특성 조절 가능한 기술을 이야기한다. 1961년 Platt가 텅스텐 옥사이드(WO₃)로 외부 전압 조건에 따라 색상이 변하는 것을 보여준 것이 처음이다. 기본적으로 전기 변색 소자는 2개의 기판, 2개의 전도성 전극, 전기 변색 물질, 전해질 층 및 이온 저장층으로 구성되어 있으며 샌드위치 구조로 이루어져 있으며 전기 변색 층의 산화, 환원으로 인해 색이 가역적으로 변한다.

이온 저장층은 전해질을 통한 전하 균형을 유지하기 위해 전기 화학적으로 산화, 환원을 거치며, 이온 저장층을 전기 변색 물질로 대체해도 된다. 전해질은 전기 변색 물질과 이온 저장층을 분리하여 장치 내부의 직접적인 접촉을 방지하며 주로 리튬 기반 전해질 혹은 수소 기반 전해질을 이용한다. 전도성 전극은 주로 투명성을 유지하기 위해 투명전극인 인듐 산화 주석물(ITO, Indium Tin Oxide) 이용한다. 대표적인 특징으로는 낮은 구동 전압과 시야각이 적어 위장 기술에 적용하다는 장점이 있다.

Zhigang Zhao 교수 연구팀[1] 에서는 그림 2와 같이 텅스텐(W) 위에 WO₃ 구조를 사용하여 다양한 색을 표현하였다.

유연 전극 위에 W를 반사층 및 전극으로 동시에 이용하였으며 위에 WO₃를 쌓아 패브리-페로(Fabry Perot) 간섭을 일으켜서 WO₃두께 조절을 이용하여 다양한 색을 구현하였다. 패브리-페로 간섭현상은 주로 얇은 막을 가진 물체에서 관철되며 빛의 파동성과 상호 작용하여 다양한 색을 만들어낸다. 또한 WO₃는 산화, 환원 작용에 의해 투명색과 짙은 청색으로 바뀌는 전기 변색 물질로 인가 전압에 따라 다양한 색을 구현 가능함을 보고하였다.

Jianguo Mei 교수 연구 팀은 고분자 전기 변색 물질 이용하여 인공 피부와 같은 장치를 구현하였다.^[2]
다양한 색을 가지는 실리콘 옥사이드(SiO₂) 나노 입자를 제작하여 전해질에 교반하고 전기 변색 물질로 다양한 색을 가지는 고분자 전기변색 물질을 이용하였다. SiO₂가 교반된 전해질은 반사율이 높아 어두운 배경 앞에서는 선명한 색을 나타내지만 흰색 배경에서는 투명하게 나타난다.

전압이 가해지면 색을 가지는 고분자 전기 변색 물질은 색이 사라져 전기 변색 소자를 투명하게 보이게 만든다. 그림 3d는 검은색 고분자 전기 변색 물질이 투명해진 상태로 유지 될 때 파란색을 가지는 SiO₂ 나노 입자로 인하여 빛 반사가 낮은 대리석 바닥 위에서는 파랑색으로 보이지만 흰색 배경으로 이동하게 되면 투명하게 나타난다. 이를 통하여 능동 및 수동 위장이 가능하다고 보고하였다.




한양대 김도환 교수 연구 팀은 박막형 이온 펌프 소재 설계 및 제작을 하여 신축성 있는 소재를 이용하여 전기 변색 위장 소자를 제작하였다.^[3]

열가소성 폴리우레탄(TPU)에 [EMEI][TFSI]를 도핑하여 전기자극 개폐형 고신축성 고분자 이온펌프를 만들었다. 그 위에 음극 착생형 전기 변색형 고분자는 폴리티오펜 유도체(녹색), 유기 발광 다이오드의 발광층 주 재료인(붉은색) MEH-PPV와 자주색을 가지는P3HT를 이용하였다.

이온 저장층으로는 ITO 전극을 이용하였다. 구동 전압은 -3V에서 3V 사이이며 착색 시간과 탈색 시간은 각 1.75초와 1.5초이며 100% 인장 시에도 높은 광 변조율을 유지했다. 어레이 소자를 제작하여 대면적 애플리케이션을 통한 외부 환경 맞춤 변색까지 실시했다. 따라서 다색 패턴화, 소자의 유연성 및 신축성으로 물체를 위장할 수 있을 것이라고 보고했다.

4. 적외선 위장 기술

적외선 위장 기술은 특정 물체의 적외선 방츨을 감추거나 모방하여 감지를 어렵게 하는 기술이다. 파장에 따라 근적외선(0.8~3 um), 중적외선(3~5 um), 원적외선(8~15 um)으로 분류한다. 특히 중적외선 및 원적외선 영역은 대기 투과성이 우수하고 나머지 영역에서는 흡수되기에 중적외선과 원적외선 영역을 탐지 목적으로 사용하고 있다.

특히 다양한 무기체계에서 탐색 및 추적에 적외선 센서를 적용하고 있다. 또한 야간에서는 육안과 일반 카메라로는 식별이 어려워 적외선 감지 시스템을 사용하게 되는데, 적외선 위장은 군사 작전에서의 적의 탐지를 어렵게 만들어 작전의 안전성과 효율성을 향상시킬 수 있다. 주로 물체의 적외선을 차단하거나 흡수시키는 소재 및 장치를 사용하여 위장한다.




Mei Zu 교수 연구 팀은 가역 전착 방식을 이용하여 적외선 위장 소자를 제작하였다. 가역 전착은 액체에 분산되어 있는
콜로이드 상태 입자가 전기장에 의하여 전극 표면에 부착하는 현상을 이야기한다.^[4]

전해질에 은 콜로이드 상태 입자를 교반하였다. 유연 전극-은이 교반 되어 있는 젤 타입의 전해질-백금(Pt) 박막-바륨 플루오라이드(BaF₂) 구조로 이루어져 있다. Pt를 1~5 nm 수준으로 열증발진공증착 방식을 이용하여 증착하였다. 사용 된 BaF₂. 기판은 적외선 투과율이 매우 높고 Pt 두께가 수 나노 미터 수준이기 때문에 투과율은 2nm 기준 84.8% 정도이다. 전압을 인가하면 은콜로이드 상태 입자들이 Pt 쪽에 가역 전착되어 전착 된 은이 적외선을 반사 시켜 물체의 온도가 아닌 주변 환경 온도를 반사시키기 때문에 적외선 카메라에서 차갑게 보인다.

또한 전압을 반대 방향으로 인가하게 되면 증착된 은이 떨어져 다시 투과가 잘 되기 때문에 다시 물체의 온도 색깔이 보일 수 있게 된다. Debashis Chanda 교수 연구 팀은 열에 따른 물질의 상전이 현상을 위해 적외선에서 위장 가능한 소자를 제작하였다고 보고했다.^[5]

열 변색이 가능한 바나듐 옥사이드(VO₂)를 이용하였으며 상전이 온도를 지나가면 반도체 상태에서 금속 상태로 바뀌게 된다. 이를 이용해 패브릿 페롯 간섭 구조에서 공동 길이를 조절할 수 있다. 금-SiO₂-VO₂-Su 8 포토 레지스트-다공성 구조로 패터닝 된 금 구조를 만들었으며 VO₂가 반도체 상태일 때는 장파장 적외선 이상에서 흡수를 보이지만 금속 상태 일 때는 80% 이상의 빛을 반사한다.

또한 구멍의 직경이 증가함에 따라 흡수지점이 적색 편이가 일어나서 각 파장대역에 매핑하여 위장 가능하다. 이를 통해 Debashis Chanda 교수 연구 팀은 중파장 적외선 이상에서 효과적으로 온도에 따라 적응형으로 위장 가능하다고 보고 하였다.
 
Yao Li 교수 연구 팀은 전기 변색 기술을 이용하여 위장 소자를 제작하였다.^[6]

소자 구조는 유리 기판-ITO-WO₃-리튬 탄탈레이트(LiTaO₃)-산화 니켈(NiO)-ITO이다. 두 개의 ITO는 전도성 전극으로 LiTaO₃ 고체 전해질 층으로 전기 변색층은 WO₃ 와 NiO로 사용했다. WO₃ 는 양극 변색 물질로 환원 시 짙은 청색으로 색이 변하며 NiO 음극 변색 물질로 산화 될 때 갈색으로 색이 변해 두 가지 물질로 소자 구성을 하게 되면 색이 합쳐져 착색 시 검은색을 뛴다.

이때 WO₃는 착색시에 가시광선뿐만 아니라 적외선 영역을 차단시킨다. 이 점을 이용하여 WO₃ 에는 그림 7a처럼 탈색 시에는 적외선을 투과 시켜 뒤에 있는 발열체의 온도가 그대로 보이지만 착색 시에는 차단 시켜 뒤에 있는 발열체 온도가 아닌 주변 환경 온도가 보이게 된다.

전기 변색 물질 중 WO₃ 색 변화를 통하여 -2.5 V부터 2.5V 사이의 낮은 전압으로 구동하는 위장소자 보고하였다.
Coskun Kocabas 교수 연구 팀은 다층 그래핀을 이용하여 적응형 위장 소자를 제작하였다^[7]. 소자의 구조는 투명한 다층 그래핀 전극-상온 이온성 액체-다공성 폴리에틸렌 막-내열성 나일론-금 이다. 후면에 금을 코팅 하였으며 나일론 소제로 만들어 가볍고 유연하여 물체를 쉽게 감쌀 수 있다. 전압을 가하게 되면 이온성 액체 안에 있는 음이온들이 그래핀 층에 삽입되어 도핑된다.

도핑의 결과로 그래핀 전하 밀도 증가로 인해 페르미 준위가 더 높은 에너지로 이동하게 되고 적외선 흡수를 억제하여 그래핀 전극 방사율을 억제하기 때문에 후면에 있는 발열체의 온도가 아닌 주변 환경 온도로 보이게 된다. 그림 8 e 처럼 전극을 패턴화를 통해 개별 구동하여 패턴도 형성 가능할 수 있음을 보여줬다.
따라서 다층 그래핀과 내열성 나일론을 기판으로 이용함으로써 어디든 부착하여 열 방출을 효율적으로 전기 제어하고 4V 미만에서 작동하는 위장 소자를 제작하였다고 보고했다.

5. 기술 동향

5-1 국내 기술 동향

국내 기술 동향으로는 현재 한국전자통신연구원에서는 지능형 광대역 카멜레온 위장 기술을 개발 중에 있다.^[8]
주변 환경과 실시간으로 연동하여, 낮에는 가시광선 영역에서 위장을 하고 밤에는 적외선 영역의 방사율을 가변하는 위장 기술을 개발 중에 있다. 지능형 광대역 카멜레온 위장 기술을 통해 국군 운용장비 위장 및 아군의 기도비닉을 보장할 수 있다.



5-2 국외 기술동향

미국은 수중 무기부터 항공 무기체계에 이르기까지 무기체계의 생존성 향상을 위해 스텔스/위장 기술 연구를 진행하고 있으며, 스텔스 기술 분야를 MCTL(military critical technologies List)의 신호 관리 기술(signature control technologies) 분야로 분류하여, 관련 핵심 기술을 적극적으로 보호하고 있다.^[7] 

미 국방부 산하 국방고등연구기획국(DARPA)은 현재 ‘비대칭 시가전투용 방패 물질(AMUB)’ 개발 프로젝트를 진행하고 있으며 아군 병사를 적의 눈에 보이지 않게 하고 총알도 막아주는 투명 방패 또는 피복을 개발 중에 있다.^[9] 또한 Lockheed Martin을 필두로 하여 Fe-Cr-Ni-Al 입자를 활용한 도료 및 시멘트 등 군사용 레이더 흡수를 위한 기술 개발, 최신 스텔스 전투기, 구축함, 전차 등에 레이더 흡수/산란 기술을 적용 중이며, 핵심기술에 있어 대외 비밀을 유지하고 있다.^[9]

이스라엘 ELTICS 전자업체는 야간 작전용 투명 탱크 기술을 개발하였다. 탱크에 부착된 적외선 카메라가 주변을 촬영한 뒤 탱크 장갑의 특수 코팅막에 이 적외선 영상을 표시하며, 야간 투시 장비에 탱크의 뒷 배경만 보일 뿐 탱크는 투명하게 사라지게 하는 장비를 개발하였다.^[10]

미국 NSRDEC(Natick Soldier R&D, Engineering Center)에서는 사막, 도시, 숲 등 모든 환경에 적합한 단일 패턴의 위장색은 없으므로 주변 환경에 따라 능동적으로 변하는 위장 패턴과 색 가변 기술의 필요성을 실험적으로 증명하였다. 유럽의 NATO군은 목탄색 바탕 위에 가지처럼 뻗어 나온 검정색, 또는 그것을 감싸는 갈색과 녹색의 색상으로 구성된 위장무늬 패턴을 적용하고 있으며, 700-1100 nm의 적외선 반사율 범위를 설정한 전투복을 운용하고 있다.^[11] 결론

이 글에서는 현재 물리적 위장 기술의 발전 및 각 기술 동향에 대해서 소개해보았다.

현재 위장 기술은 국방 과학 기술의 발달로 더욱 정교해지고 다기능 다차원의 복합 센서로 이루어져 있기 때문에 아군의 개인 생존성 향상 및 적의 감시체계로부터 피하기 위해서는 적군의 레이더 위장 기술에만 국한되어 있는 것이 아니라 가시광선과 적외선으로부터 위장에 대한 연구가 필요하다.

또한 위장기술은 협대역으로 고정되어 있는 기술이 많기 때문에 추후 감시체계 회피를 위해서는 레이더 위장 기술뿐만 아니라 광대역으로 위장 가능하고 주변 환경을 감지하는 센서의 이미지로부터 실시간으로 최적의 위장과 패턴을 형성 가능한 능동형으로 위장기술이 필요할 것으로 보인다.


7. 참고문헌

[1] Wang, Zhen, et al. “Towards full-colour tunability of inorganic electrochromic devices using ultracompact fabry-perot nanocavities.” Nature communications 11.1 (2020): 302.
[2] Chen, Ke, et al. “Bioinspired dynamic camouflage from colloidal nanocrystals embedded electrochromics.” Nano Letters 21.10 (2021): 4500-4507.
[3] Koo, Jehyoung, et al. “Low-power, deformable, dynamic multicolor electrochromic skin.” Nano Energy 78 (2020): 105199.
[4] Li, Mingyang, et al. “Manipulating metals for adaptive thermal camouflage.” Science Advances 6.22 (2020): eaba3494.
[5] Chandra, Sayan, et al. “Adaptive multispectral infrared camouflage.” Acs Photonics 5.11 (2018): 4513-4519.Measurement, and Phenomena, 40(3), 032201.
[6] Zhang, Xiang, et al. “Preparation and performances of all-solid-state variable infrared emittance devices based on amorphous and crystalline WO₃electrochromic thin films.
” Solar Energy Materials and Solar Cells 200 (2019): 109916..
[7] Salihoglu, Omer, et al. “Graphene-based adaptive thermal camouflage.” Nano letters 18.7 (2018): 4541-4548.
[8] 박혜숙 외, ETRI 국방 기술 백서, 한국전자통신연구원, 2022.
[9] 김민구, “[스텔스 전쟁시대] [1] 보이지 않는 敵이 온다.”, 조선일보, 2010년 08월 02 일, https://www.chosun.com/site/data/html_dir/2010/08/02/2010080200082.html
[10] “Black Fox: Thermal Stealth Suite for Combat Vehicles.” Defense Update, 2012년 3월 15일, https://defense-update.com/20100515_black-fox.html. 2023년 06월 08일 접속.
[11] 김태엽, 고해상도 광대역 실감 입체 영상용 소재 및 소자 기술 최종보고서, 과학기술정보통신부 정보통신기술진흥센터, 2019.