재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 11번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘미래국방소재’다. 미래 전장 환경 변화, 병력대상 인구의 감소, 해외 주요국의 국방력 강화 등 미래국방 관련 기술개발의 요인이 갈수록 증가하고 있고, 우리나라 또한 정부 국정과제 및 주요 국방 관련 정책 대응을 위한 기술현황 파악에 적극적으로 나서고 있다. 소재기술백서 2019는 이러한 ‘미래국방을 위한 소재기술’을 주제로, 내열 및 구조 소재, 생존 및 방호 소재, 첨단지능형 방산기능 소재와 관련한 기술동향을 분석하는데 집중했다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2019’를 연재한다.
■기술의 정의 및 분류
군사작전 수행 중 적의 눈, 망원경, 야시장비와 같은 관측 장비로부터 전투원 및 전투장비의 보호를 위한 스텔스 기능을 위장(camouflage)이라고 한다. 여기서 ‘camouflage’는 프랑스어 ‘camoufler’에서 유래된 단어로 유기체의 몸 빛깔을 주변 환경과 식별하기 어렵게 하여, 적으로부터 몸을 숨기는 방법을 의미하는데, 사전적 정의로는 군대의 군인, 장비, 설치물을 페인팅이나 덮는 것으로 주변의 것과 혼합되게 만드는 의미로 사용된다.
이러한 위장의 개념은 제1차 세계 대전에서 처음 유래되었다. 개인, 무기, 시설 등을 주변의 자연환경에 적당하게 맞추기 위해 나뭇잎, 풀 등을 꽂거나 위장망을 씌워 자연의 일부로 보이게 하는 방법과 여러 가지 색을 불규칙하게 채색하는 방법 등이 있었다.
그러나 최근에는 카무플라주 패턴이 도입된 군복을 상징하는 의미로 일반화되었으며, 이는 제1차 세계대전 중 공중전의 도입으로 항공정찰을 위한 항공기의 패턴으로 처음 사용되었다. 영국 군함에 적용되었던 데즐 패턴(Dazzle Pattern)은 여러 가지 방향으로 표현된 기하학적 패턴을 사용함으로써 전투함의 모양이 부서진 듯이 보이는 효과를 나타내어 적의 잠수함이 전투함의 코스 파악을 어렵게 하는 데 사용되었다. 이처럼 카무플라주는 군함, 전투기, 탱크, 대포 등 전쟁용 장비를 감추기 위해 사용되고 있다.
특히 전투복에 주로 적용되고 있는 위장은, 육안으로 확인되는 가시광선(380∼700nm)영역의 주간위장과 야시경으로 관측되는 근적외선(700∼1,260nm) 영역의 위장을 고려하여 무늬, 색상, 근적외선 반사 특성 등을 고려하여 주변 전투 환경과 유사하게 발현하도록 하고 있다.
이때 가시광선 영역은 육안으로 식별되는 색상에 해당되는 것으로, 물질 고유의 속성에 따라 3차원의 Lab 값으로 표현된다. 또한, 근적외선 영역은 L값 만을 가지게 되면서 색상의 구별이 명암만 있는 영상으로 나타나게 된다.
국방 소재 중 주간과 야간위장을 적용할 수 있는 원단류가 대상인 전투지원 물자는 방탄복, 방탄헬멧 위장포, 전투복 및 방한복류 등이 있으며, 육해공 전투복류는 대부분 주간위장과 야간위장을 동시 발현하도록 하고 있다. 특히 최근 개발 중인 해군 함상복에는 새로운 위장무늬 패턴을 이용하여 위장성능을 부여하고 있다. 아래는 미군의 전투복으로, 주변 환경과 색상이 어우러져 좋은 위장이라 할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이 야시장비는 근적외선의 반사율을 감지하므로 다음의 그림과 같이 명암으로만 관측이 되므로, 주변에서 발산하는 근적외선 반사율과 위장무늬의 반사율이 어우러져야만 위장이 잘 된다는 것을 알 수 있다.
최근에는 전투 환경의 변화에 따라 주변 환경과 연동되는 능동형 스마트 위장 기술의 필요성이 증대되고 있다. 이를 통해 다음 그림과 같이 낮에는 주변 환경과 연동하여 가시광선의 가변이 가능하고 밤에는 근적외선 반사율의 가변이 가능한 기술을 통해 적의 관측 장비로부터 노출을 최소화할 수 있다.
■기술의 원리
주간 및 야간의 위장을 동시 발현하는 것이 적으로부터 전투원을 보호할 수 있는 최선의 방법이다. 이를 위해 주변 환경과 어우러지는 무늬와 색상, 그리고 근적외선 영역에서의 반사율을 발현하도록 하는 것이 가장 중요한 기술 요소가 된다. 그리고 이를 구현하기 위해서는 주변 환경과 조화될 수 있는 위장무늬, 색상을 조화시킬 수 있는 적정한 염료의 선정과 조합, 그리고 위장무늬를 나타낼 수 있는 염색 방법의 선정이 필요하다.
1)위장 디자인 개발
가. 위장 모티브 및 색상 개발
한국군은 2008년‘차세대 전투복 개발에 관한 연구’를 통해 픽셀 형태로 된 5도 색의 위장무늬를 개발하였는데, 이때 한국의 산지 95%를 차지하는 화강암 무늬와 바위 질감, 산림의 40%를 구성하는 소나무 등의 이미지로 모티브를 하였다.
색상은 봄, 여름, 가을, 겨울의 계절 변화에 따른 색상 변화와 지형별 색상을 고려하여, 1단계로는 4계절/북한 환경/소나무/바위 등의 이미지 중심으로 웹사이트 등을 통해 환경 사진을 수집하고, 2단계로는 수집된 이미지들에서 5단계 이하의 색상으로 단순화시켜 색상을 추출하고, 마지막 3단계에서는 전문가집단을 통해 중복되는 색상을 걸러내고 최종 5가지 색상을 선정하였다.
나. 위장 패턴 디자인 개발
위장 패턴은 항공사진, 인공위성 사진 등에서 보이는 형상을 픽셀화(pixelation)하여 바위 질감, 화강암, 소나무의 3가지 패턴으로 개발했는데, 최종적으로 화강암 패턴이 선정되었다. 이때 바위 질감은 그림자, 이끼, 활엽수, 산악지대, 오솔길 등을 패턴화했으며, 화강암은 산지의 화강암과 침엽수, 수풀, 흙, 돌, 그림자 등을 패턴화했다. 마지막으로 소나무는 소나무를 바탕으로 활엽수, 흙, 바위, 잡초, 항공사진, 오솔길 등을 패턴화했다.
다. 시제품 평가
주간위장의 경우개발된 패턴을 적용하여 전투복을 제작하고, 주간위장 효과 확인을 위해 산악에서 촬영하거나, 컴퓨터로 이미지를 합성하여 위장성을 확인했다.
야간위장은 ‘숲 연구소’ 및 서울대학교 ‘지반공학 연구실’에서 우리나라에 가장 많이 존재하는 자연환경 시료 23종을 선정한 후 그림 11과 같이 KS M 5506(분광 광도계 측정치에 의한 적외선 반사율 측정)에 의해 근적외선(700∼1,050nm) 반사율을 측정하여 기존의 얼룩무늬 전투복과 함께 분석을 진행하였다.
분석 결과 얼룩무늬 전투복의 근적외선 반사율 평균값과 비교할 때 800nm 이상에서 주변 자연환경과 차이를 보여 3세대 이상급 근적외선 카메라로 투시할 때(900nm 이상 투시)는 주변 환경보다 밝게 표현되어 위장효과가 현저하게 줄어드는 것을 알 수 있었다.
또한, 기존의 4도색 얼룩무늬는 반사율의 범위가 2도색 체제로만 되어있으므로, 다양한 반사율을 나타내는 자연환경에서 야간위장 성능을 발현하기에는 한계가 있다는 결론이 나왔다. 이로부터 야시장비에 대한 위장성능을 강화하기 위하여 IR 반사율의 적용 범위를 1,040nm까지 확대하게 되었으며, 반사율도 5도 체제를 적용하게 되었다.
또한, 무늬도 픽셀 형태로 변경되었는데, 이는 기존의 macro-pattern(무늬의 반복 단위가 큰 것)을 대신하여 micro-pattern(무늬의 반복 단위가 작은 것)으로 대체한 것이다. 이러한 무늬는 최초에 캐나다에서 개발되어 미군을 중심으로 사용되기 시작하였다. 기존의 macro-pattern은 윤곽선이 분명하여 눈에 쉽게 띄지만, micro-pattern은 윤곽선을 흐리게 고안함으로써 분별이나 식별을 어렵게 한다는 이론을 통해 적용되기 시작하였다.
2) 위장 성능 발현 소재 기술
가. 염료 및 염색 공정 기술
위장무늬를 피복류에 적용하기 위해서는 원단에 위장성능의 발현이 가능한 염료를 사용하여 날염을 진행해야 한다. 이를 통해 현재 보급되고 있는 전투복은 주·야간 위장 성능을 동시에 구현하고 있다.
한편 염료를 포함한 대부분의 유기물은 7,000nm 이하의 가시광선 영역과 860nm 이상의 근적외선에 대한 광 흡수 특성을 갖는다. 이때, 배트 염료(vat dye)는 근적외선 영역의 흡수 능력과 함께 우수한 염색 견뢰도로 전투복의 위장무늬 구현을 위해 가장 많이 사용되고 있다.
① 염료 선정
피복에 사용되는 원단에 따라 적용되는 염료는 달라지는데, 셀룰로오스계의 소재의 염색에는 근적외선 흡수 능력을 가지면서 높은 염색 견뢰도를 갖는 배트 염료를 이용하여 날염 공정을 통해 위장무늬를 부여하고 있다.
이때, 배트 염료는 염색할 때 환원 조작을 배팅(vatting, 건염), 환원욕을 배트(vat)라고 부르는 데에서 유래한다. 이는 BASF가 최초로 개발한 인단스렌(inthanthrene) 염료의 관칭명이며, 스렌 염료라고도 한다. 화학 구조의 특성으로 선명도가 떨어지는 단점이 있으나, 장기간 반복 사용에 대한 내구성이 우수하여 현재까지 가장 많이 사용되고 있다.
②날염(Printing)
위장무늬를 부여하기 위해서는 날염이라는 염색 방법이 적용되며, 일반적으로 디자인, 제판, 인발, 후처리의 공정을 거친다. 디자인은 섬유상에 구현하고자 하는 무늬를 그래픽 소프트웨어를 사용하여 무늬를 디자인한다.
디자인된 것은 날염 무늬를 나타낼 수 있는 스크린을 만드는 제판 공정을 거쳐, 평판 스크린(flat screen)이나 로터리 스크린(rotary screen)을 이용하여 염색하게 된다. 이때 스크린은 최종적으로 무늬가 찍힐 부분의 구멍을 통해 염료와 호제가 통과하게 된다.
나. 소재별 염가공 기술
①폴리에스터/셀룰로오스계 전투복(T/R 또는 T/C)
2019년부터 보급되고 있는 전투복은 폴리에스터와 레이온 혼방사를 사용한 직물을 사용하고 있으며, 그 이전의 전투복은 폴리에스터와 면의 혼방사를 사용하기도 하였다. 이 두 가지 소재는 모두 폴리에스터와 셀룰로오스계 소재를 혼방한 것으로 주간 및 야간 위장 성능을 모두 발현하고 있다.
② 아라미드 융복합 난연 항공 피복류
아라미드 융복합 난연 항공 피복류의 경우, 중량을 기준으로 FR 레이온 40∼60%, 메타 아라미드 35∼55%, 정전사 1∼5%로 구성된 소재로서, FR 레이온 섬유를 사용하여 난연성을 부여한 것이다. 이때 난연성과 강도를 높이기 위해 FR 레이온의 비율을 낮추게 되면 염색성이 떨어지는 문제가 있으며, 반대로 염색성을 높이기 위해 아라미드의 비율을 낮추면 난연성이 떨어지는 문제가 있다.
■미래 국방 소재 관점에서 기술의 중요성 및 전망
군사 과학기술의 발달로 더욱 정교해진 적의 탐지(다기능. 다차원 센서)로부터 아군의 기도비닉(아군의 작전을 적에게 들키지 않게 은밀히 수행하는 것)을 보장하고, 다양한 작전환경에서 개인 전투원의 생존성 향상을 위하여 주변 환경과 연동되는 능동형 카멜레온 위장기술의 필요성이 커지고 있다. 특히 계절 변화가 심하고 국지전이 빈번히 발생하는 전장을 고려할 때 낮에는 가시광선 영역의 색을 가변하고 밤에는 적외선 영역의 방사율 가변을 하는 미래 지능형 스텔스 위장 플랫폼이 필요로 할 것으로 생각된다.
따라서 주변 환경을 감지하여 영상 센서로부터 얻은 정보를 수집하고 이를 이용하여 실시간 최적의 위장 패턴과 색을 도출하여 표현하는 기술은 제4차 산업혁명을 위해 필요한 중요 기술 중 하나이며, 미래 지능형 스텔스 위장 기술도 이러한 트렌드로 발전할 것으로 전망된다.
이러한 능동위장 기술을 위해서는 가시광선의 파장을 가변시키는 소재 및 적외선 파장을 가변시키는 소재가 필요하며 또한 유연하면서도 전기전도도가 높은 유연 투명전극 소재가 필수적이다. 이러한 원천소재 연구는 민간분야뿐만 아니라 미래국방 분야에서도 중요할 역할을 할 것으로 보인다.
현재와 미래에 관계없이 전투피복류에는 위장이 필요하므로, 현재도 꾸준히 연구가 진행되고 있다. 이에 따라 2017년 11월에 전장에 최적화된 전투 실용성과 육군의 강인한 이미지를 상징하는 대표성을 동시 만족시키기 위한 정책연구로 ‘전투복 위장무늬, 디자인 및 적용 소재 연구용역’이 공고되었는데, 이는 2008년 현행 디지털 무늬의 연구용역 이후에 무늬와 디자인 개선을 위한 것이다.
이는 육군에서 추진하고 있는 ‘히말라야 프로젝트’의 14개 생태계 중‘워리어 플랫폼’과 연계되는 것으로서, 스텔스 위장성이 반드시 포함되어야 하는 중요한 기술인 것이다. 워리어 플랫폼(warrior platform)은 아래의 그림에서 보듯이 개인 전투원의 능력을 극대화하면서 생명 보존을 위한 플랫폼 구축이다.
▲ 근적외선 영역에서의 야간위장
▲ 낮과 밤에 따라 주변 환경과 연동되는 카멜레온 위장(좌), 근적외선 분광반사율 조절특성을 갖는 위장직물(우)
▲ 색상선정을 위한 방법
▲ 육군 희말라야 프로젝트
▲ 미래 지능형 광대역 위장 플랫폼 기술의 구성
▲ 염색성에 따른 섬유의 분류
