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[국방과학 ②] 미래육군과학기술연구소, “미래전에 활용되는 첨단부품소재는?”- 첨단부품소재연구실, 세계적 경쟁력 갖춘 ‘국내 최고 연구진’으로 구성
- 차세대센서, 메타물질, 차세대배터리, 물리화학센서, 차세대광기술 연구
한국과학기술원(KAIST) 미래육군과학기술연구소 첨단부품소재연구실장을 맡고 있는 신소재공학과 김일두 교수는 지난 12월 미래육군과학기술연구소 설립 행사에서 서욱 육군참모총장 등 육군 관계자와 카이스트 관계자들에게 미래 국방 분야에서 신소재 기술의 중요성을 설명하고 있다./에이티엔뉴스=이기종 기자

4차 산업혁명의 첨단 과학기술에 의해 예견되는 미래지향적인 양상은 사회, 경제, 교육 분야에 이어 국방 분야에서도 기대되고 있다.
 
대한민국 육·해·공군은 이러한 4차 산업혁명의 과학(science)과 기술(technology)을 적용해 ‘첨단과학기술군’, ‘스마트 해군’, ‘스마트 비행단’ 등으로 발전전략을 세우고 있다.
 
본지에서는 ‘국방과학’이라는 연재를 통해 국내 과학기술의 연구개발(R&D) 현장에서 육군, 해군, 공군이 추구하는 미래 전력의 모습과 그에 연계된 정부출연연구기관(국방과학연구소 등), (특수)대학 연구소 등 협업기관의 연구개발 현황을 진단하고 향후 발전방향을 제시하려고 한다. 
 
최근 한국과학기술원(KAIST)은 국내 최초로 민·군이 추진하는 국방·과학기술 연구소인 ‘미래육군과학기술연구소’를 설립했다. 
 
이 ‘미래육군과학기술연구소’는 육군이 추진하고 있는 차세대 게임 체인저의 개발과 히말랴야 프로젝트의 ‘첨단과학기술군’과 연계가 되어 있고 여기에는 육군의 첨단과학기술화를 위한 4차 산업혁명 핵심 과학기술에 대한 교육, 연구, 자문 등 육군과 카이스트 간의 과학기술 협력 창구의 역할을 하게 된다. 
 
현재 미래육군과학기술연구소에는 첨단부품소재연구실과 뇌과학연구실 등이 조직이 돼 운영되고 있으며 첨단부품소재연구실과 연계된 부품·소재·장비 분야는 작년 국내 경제적 측면과 사회적 측면에서 ‘탈 일본화’ 현안이 대세였듯이 국방력 측면에서도 매우 중요한 영역을 차지하고 있다. 
 
이와 관련해 미래육군과학기술연구소 첨단부품소재연구실장을 맡고 있는 신소재공학과 김일두 교수를 만나 연구실 특성과 운영방향, 향후 연구과제 등을 살펴본다.<편집자 주>

- 첨단부품소재연구실이란? 
 
▷ 첨단부품소재연구실은 카이스트 미래육군과학기술연구소의 일부분이며 미래 국방소재 개발을 위한 첨단 국방소재 기술 로드맵 체계화를 지원하는 역할을 한다.
 
현재 미래육군과학기술연구소는 정책기획실, 첨단부품소재연구실, 인공지능연구실, 뇌과학연구실, 무인화연구실 등으로 조직되어 있고 사이버연구실이 추가될 계획이다.

한국과학기술원(KAIST) 미래육군과학기술연구소 첨단부품소재연구실의 비전./에이티엔뉴스=이기종 기자

- 첨단부품소재연구실의 연구개발 분야는? 
 
▷ 첨단부품소재연구실은 미래 국방소재와 관련해 연구개발(R&D)과 자문 역할을 담당한다. 
 
특히 차세대 센서, 메타 물질, 차세대 배터리, 물리화학 센서, 차세대 광기술 등을 포함해 미래 육군에서 필요로 하는 기초 R&D 지원과 육군 교육을 담당하게 된다.
 
작년 일본 수출 규제 사태를 계기로 국민적으로 신소재와 첨단 부품에 대한 관심이 크게 높아지고 있으며 유망 원천 소재를 발굴하고 전략산업으로 육성하고자 하는 노력들이 이루어지고 있다. 
 
이러한 경향은 국방 R&D에 있어서도 부품소재의 중요성이 높아지고 있으며 특히 미래지향형 국방기술에서도 신소재의 활용이 중요하다. 
 
이러한 최첨단 국방기술의 완성을 위해서는 기초·원천 부품소재 기술이 중요하다.
 
현재 무인화, 센싱, 스텔스와 같은 특수소재, 고신뢰성 다중 통신이 이루어지는 초연결, 오래 사용 가능한 드론 전원과 같은 미래동력, 뇌인지 컴퓨터와 같은 초지능, 군인의 생존성과 연결되는 국방기술, 에너지 무기 등이 8대 최첨단 미래 국방 기술로 알려져 있다.
 
이에 따라 차세대 첨단국방소재로 초경량·고강도 재료, 초내열 재료, 단열재료, 스텔스 재료, 기계화 재료, 정보전달 에너지 재료 등이 큰 주목을 받고 있다.
 
- 첨단부품소재연구실의 운영방향은? 
 
▷ 첨단부품소재연구실의 운영에 참여하는 교수들은 저를 포함해 신소재공학과 전석우 교수, 신종화 교수, 기계공학과 이정철 교수, 오일권 교수, 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 등이다. 
 
참여하는 교수들의 역할을 좀 더 소개하면 먼저 저는 미래 국방 소재 R&D의 연구 기획과 체계적인 국방소재 R&D 지원을 위해 첨단부품소재연구실의 실장을 맡고 있다.

복합 나노신소재 및 에너지 응용 기술을 연구하는 한국과학기술원(KAIST) 미래육군과학기술연구소 첨단부품소재연구실 김일두 교수(신소재공학과)./에이티엔뉴스=이기종 기자

현재 저는 복합 나노신소재 및 에너지 응용 기술에서도 폭넓은 연구를 수행하고 있으며 나노과학분야의 권위 학술지인 에이씨에스 나노(ACS Nano) 저널의 부편집장을 맡고 있다. 
 
또 전기방사 기술을 이용한 초고감도, 고선택성 가스센서 개발과 리튬-공기 전지 및 3D 프린팅 기술을 이용한 형상제어 가능한 이차전지 개발을 진행하고 있다.

신소재공학과 전석우 교수 연구실에서는 소재의 3차원상에서의 나노구조팩터를 적극적으로 제어함으로 새로운 물성을 창조하는 연구를 수행하고 있다.
 
세계적으로 무인화 지능화 되고 있는 미래 전장환경에서 새로운 무기와 전략자산이 개발되어야 하고 이는 새로운 극한물성 소재를 요구하게 된다.
 
흔히 나노소재가 그 사이즈의 제약성으로 인해 군 환경에 쓰이는 크기로 균일하게 만들기에는 굉장히 높은 비용적 부담이 있으나 전 교수 연구실은 빛의 간섭을 활용한 대면적 합성기술을 기반으로 눈에 보이고 손으로 느낄 수 있는 나노소재를 제작하고 있다.
 
전 교수는 “국내의 우수한 나노기술이 산업계를 넘어 국가를 지키는 기술로 발전하는데 이바지 하고 싶다”고 말했다. 

신소재공학과 신종화 교수 연구실은 메타물질 연구에 집중하고 있다.
 
메타물질이란 전자기파와 같은 파동의 파장(마루에서 다음 마루까지의 거리) 보다 작은 수준의 미세 구조가 반복적으로 내포되어 있는 복합물질로서 기존의 100 배 이상인 유전율을 만들어낼 수 있는 등 기존 소재의 한계를 크게 뛰어넘을 수 있기 때문에 최근 디스플레이, 이미지센서, 태양전지 등 여러 분야에서 많은 관심을 받고 있다.
 
신 교수는 “메타물질을 이용하면 기존의 전자파 흡수체 대비해 얼마나 두께를 줄일 수 있을 것인가라는 학문적 호기심과 함께 초박막 메타물질이 개발되면 국방 분야에서 장병들의 생존성 향상에 크게 기여할 수 있겠다는 믿음으로 흡수 메타물질 연구를 시작하게 됐다”고 말했다. 

또 기계공학과 이정철 교수 연구실은 화생방작용제 검출과 차세대 군복용 웨어러블 센서를 개발한다. 
 
이 교수는 미국 메사추세츠공과대학(MIT)에서 박사후연구원으로 재직하던 지난 2008~2010년 동안 메사추세츠주 네이틱(Natick)에 위치한 美 육군연구소와 긴밀한 협력관계를 유지하며 좋은 연구 성과를 도출한 경험이 있다.
 
최근 대기 중 부유한 미세먼지가 우리 건강을 위협하는 환경 오염물질로 우려와 관심의 대상이 되었는데 대기와 더불어 인류의 생존과 번영에 필수적인 자원은 물이다.
 
또 고도의 산업화와 소비재 플라스틱 사용의 오-남용 등의 원인으로 수자원 또한 급속도로 오염되어 생태계의 자정작용으로 해결될 수 없는 수준으로 치닫고 있다.
 
이로 인해 수자원의 오염원인 미세플라스틱 뿐만 아니라 음용수에 포함될 수 있는 병원체나 병원균을 정밀하게 측정-검출하는 기술은 미세먼지 측정-분석 기술에 버금가게 중요하다고 할 수 있다. 
 
이러한 액상 부유 미세입자를 측정-검출하는 주된 방법으로 빛과 물체의 상호작용에 의존하는 광학적인 방법과 물체의 무게가 기계공진 센서 시스템의 물성에 미치는 효과에 의존하는 기계적인 방법이 있다. 
 
이들 중 전자의 광학적인 방법은 대상 물체의 크기가 사용되는 빛의 파장에 가까워지거나 또는 더 작아지게 되면 빛의 회절 한계로 인해 적용이 어려운 반면 후자의 기계적인 방법은 기계공진 센서를 마이크로나 나노공정 기술로 작게 제작하면 바이러스나 엑소좀(exosome) 같이 일반 광학현미경으로 볼 수 없는 100 나노미터 이하의 미립자 측정에 적용 가능하다. 
 
이 교수는 “최근 삼성전자에서 시스템 반도체를 위해 세계 최초로 개발해 발표한 3나노 공정기술과 같은 신공정이 향후 나노센서 제작에도 활용될 수 있으므로 입자 단위를 뛰어넘어 분자(molecule) 단위의 직접적인 계측에도 충분히 활용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다. 

스마트 군복을 연구하는 한국과학기술원(KAIST) 미래육군과학기술연구소 첨단부품소재연구실 오일권 교수(기계공학과)./에이티엔뉴스=이기종 기자

기계공학과 오일권 교수 연구실은 스마트 군복 개발에 관심이 많다.
 
미래 육군의 국방기술의 하나로써 매우 중요한 기술은 인간의 오감을 극대화 해줄 수 있는 스마트 군복 기술이다. 
 
최근 웨어러블 일렉트로닉스 기술이 발전하면서 이런 기술들이 군복과 통합되어지는 것을 의미한다. 
 
다양한 센서들이 내장되어 인간의 오감을 증대시켜주고 여기에 필요한 전기를 자체 생산하며 군인의 근력보조 역할을 하는 파워 슈트는 스마트 군복의 핵심기술이 될 수 있다.
 
오 교수 연구실은 이런 미래형 스마트 군복은 체온조절 등의 의복으로서 필요한 기능들을 기본적으로 수행하여야 하며 세탁이 가능하고 다양한 극한환경에서도 작동이 되어야 한다는 요구조건을 가지게 된다. 
 
오 교수는 “이와 관련한 기술들은 성공한다면 다양한 분야에서 파급효과가 클 것으로 예측되며 조속히 연구개발이 진행되어야 한다”고 말했다.

생체모사 광학기술을 연구하는 한국과학기술원(KAIST) 미래육군과학기술연구소 첨단부품소재연구실 정기훈 교수(바이오및뇌공학과)./에이티엔뉴스=이기종 기자

바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구실은 MEMS기술을 이용한 생체모사광학기술을 개발해 오고 있다. 
 
카메라는 광학영상의 대표적인 핵심소자로서 모바일, 자동차, 머신비전 등 많은 분야에 크게 활용되고 있고 최근에는 영상 빅데이터 확보를 견인하며 딥러닝 등 인공지능기술과 접목하며 급속도로 발전하고 있다. 
 
특히 최근에 초박형 곤충 눈의 카메라 개발연구의 완성도가 높아지면서 모바일, 헬스케어, 로봇 관련 산업체와 공동으로 연구하는 기회가 높아지고 있다.
 
정 교수 연구실에서 개발한 ‘초박형 곤충눈 카메라’는 기존 카메라와 비교할 때 가격경쟁력은 물론이고 크기나 무게가 훨씬 작고 다양한 영상을 구현할 수 있다.
 
정 교수는 “차세대 카메라 소자와 영상처리기술을 통해 작전용 로봇이나 드론, 웨어러블 전략무기를 위한 핵심 국방소자기술을 확보하는데 큰 도움이 될 수 있기를 희망한다”고 말했다. 

한국과학기술원(KAIST) 미래육군과학기술연구소는 15일 대전 본원에서 첨단부품소재연구 워크숍을 개최한다.(자료제공=미래육군과학기술연구소)

- 향후 연구방향은? 
 
▷ 작년 12월에 연구소가 설립이 된 이후 육군과 구체적인 발전계획을 수립하기 위해 숨 가쁘게 준비해 왔다. 
 
그동안 육군교육사령부 관계자와 수차례 모임을 가져 발전방향 등을 논의해 왔고 다른 한편으로는 1월 15일에 있는 첨단부품소재연구 워크숍도 준비해 왔다.
 
이 첨단부품소재연구 워크숍을 통해 향후 연구개발 방향과 연구과제가 구체적으로 검토가 될 것으로 본다. 
 
워크숍에서 발표되는 내용을 소개하면 1부에서는 이승섭 미래육군과학기술연구소 소장의 투명전도성필름과 군 응용, 이정철 기계공학과 교수의 액상 미세물질 검출, 정기훈 바이오및뇌공학과 교수의 초박형 생체모사 카메라 기술, 김도경 신소재공학과 교수의 고기능성 극한세라믹스 응용기술, 오일권 기계공학과 교수의 스마트 액츄에이터 소재, 신종화 신소재공학과 교수의 메타물질 기반 스텔스 기술 등이다.
 
이어 2부에서는 전석우 신소재공학과 교수의 3차원 나노구조를 통한 초소형 가스센서와 능동형 위장막, 한승민 신소재공학과 교수의 고강도 초경량 나노복합소재, 배태현 생명화학공학과 교수의 나노다공성 소재를 이용한 유해물질과 기체의 포집 및 분리, 최벽파 신소재공학과 교수의 첨단 구조(금속) 재료개발과 금속 3D 프린팅 기술, 스티브 박 신소재공학과 교수의 육군 건강 모니터링 및 군용로봇을 위한 촉각·바이오 센서 소재 등이다.
 
여기에서 발표되는 내용들은 연구진행에 있어 국내외 최신 경향을 담고 있고 국제적으로 경쟁력을 갖춘 기술이라고 할 수 있다. 
 
- 마지막으로 하고 싶은 말은? 
 
▷ 2020년 국방예산은 국회 의결을 거쳐 전년 대비 7.4% 증가한 50조 1527억원으로 확정됐다. 
 
매년 막대한 예산이 국방 기술에 투자되고 있는 만큼 카이스트는 육군과의 상호 긴밀한 협력을 통해 미래기술을 선도할 국방신소재 및 최첨단 부품 개발에 앞장서고 국방 인재 교육을 통해 미래 지향적 국방기술을 선도하는데 크게 기여하고 싶다. 
 
이에 카이스트 미래육군과학기술연구소(첨단부품소재연구실 등)에 참여한 교수들과 연구자들은 미래국방소재를 개발하는데 있어서 열린 마음으로 육군과 협력할 것이다.
 
작년 미래육군과학기술연구소 설립 행사에서도 얘기했지만 국방 첨단부품소재 개발에 있어서 경쟁력 있는 대학과 군의 협력이 필요하며 다양한 학재 간 협력 연구를 기반으로 국내적 재원의 효과적인 활용을 이끌고 미래국방소재 분야에서 기초 연구를 튼튼하게 해 세계적인 국방 경쟁력을 갖추는 것이 중요하다. 
 
특히 첨단신소재 분야는 우수한 소재물성을 바탕으로 다양한 첨단부품에 적용이 가능하기 때문에 군사용 뿐만 아니라 민간용 기술로도 활용될 수 있다고 본다.

에이티엔뉴스 이기종 기자  atntv@naver.com

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