▲ CNT 섬유·맥신 하이브리드 필름의 적외선 스텔스 성능을 보여주는 모습으로, 고온의 비행기 모형에 하이브리드 필름을 덮은 부분은 적외선 방출이 억제돼 배경과 유사하게 나타난다.

국내 연구진이 탄소나노튜브(CNT) 섬유와 맥신(MXene)을 결합해 전자파 차폐와 적외선 스텔스 기능을 동시에 구현한 초박막 복합소재 필름을 개발했다. 높은 기계적 강도까지 확보해 방산·항공우주부터 5G·6G 통신기기까지 활용 범위가 확대될 것으로 기대된다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 융·복합재료연구본부 김태훈 박사 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 김선준·김재우 박사 연구팀과 공동으로 CNT 섬유와 맥신을 건축물의 ‘벽돌-시멘트’ 구조처럼 결합한 하이브리드 필름을 개발했다고 19일 밝혔다.

현대 무기체계와 첨단 전자기기의 발전으로 적외선 탐지와 전자파 위협에 동시에 대응할 수 있는 가볍고 유연한 차폐 소재의 중요성이 커지고 있다. 기존 금속 소재는 무겁고 부식에 취약하며 유연성이 낮다는 한계가 있다.

CNT 섬유는 가볍고 강하면서 전자파 차폐 성능이 우수하지만 실 형태로 인해 넓은 면적의 필름 제작이 어렵고 적외선 방출이 높다. 반면 맥신은 적외선 방출이 낮아 스텔스 소재로 활용할 수 있지만 기계적 강도와 장기 안정성이 상대적으로 떨어진다.

연구팀은 두 소재의 장점을 결합하기 위해 CNT 섬유 표면에 맥신과 결합할 수 있는 아민 작용기를 형성한 뒤 섬유를 맥신 용액에 연속적으로 통과시키면서 나란히 감아 필름 형태로 제작했다. 이를 통해 정렬된 CNT 섬유가 ‘벽돌’, 섬유 사이를 채운 맥신이 전기가 통하는 ‘시멘트’ 역할을 하는 하이브리드 구조를 구현했다.

이 구조는 CNT 섬유 사이의 미끄러짐을 억제해 필름의 기계적 강도를 높이는 동시에 필름 전체에 끊김 없이 전기가 흐를 수 있는 통로를 형성해 전자파 차폐 성능을 향상시킨다. 또 필름 표면을 덮은 맥신이 적외선 방출을 억제해 열화상 카메라 등 적외선 탐지 장비에 대한 노출을 낮추는 역할을 한다.

개발된 필름의 두께는 17.5㎛로 머리카락 굵기의 약 1/5에 불과하다. 그럼에도 통신·레이더 대역에서 입사하는 전자파의 99.9999999% 이상을 차단하는 약 90dB 수준의 전자파 차폐 성능을 나타냈다.

인장강도는 1.02GPa를 확보해 고강도 강철에 버금가는 기계적 특성을 보였다. 이와 함께 적외선 방출을 억제하는 특성을 구현했으며 기존 맥신 필름과 비교해 고온·다습한 환경과 반복적인 변형에서도 안정적인 성능을 유지했다. 특히 연속 공정을 기반으로 필름을 제조할 수 있어 향후 대면적 생산으로 확장할 수 있다는 점도 강점이다.

이번 기술은 얇고 가벼우면서 전자파 차폐와 적외선 스텔스 기능을 동시에 구현할 수 있어 전투기, 무인기, 드론 등 무기체계의 생존성 향상과 항공우주 전자장비 보호 소재로 활용될 전망이다. 유연한 필름 형태를 활용해 5G·6G 통신기기와 웨어러블 기기, 폴더블·플렉서블 전자제품의 전자파 차폐 소재로도 적용이 기대된다.

연구팀은 현재 핵심 기술에 대한 특허 출원을 진행하고 있으며 향후 필름의 대면적화와 실제 부품 적용을 위한 후속 연구를 이어갈 계획이다. 이번 연구의 요소기술인 CNT 섬유 생산 기술은 현재 2건의 기술이전이 진행되고 있다.

김태훈 KIMS 박사는 “이번 기술의 핵심은 서로 다른 특성을 가진 나노소재를 벽돌과 시멘트처럼 결합해 각 소재의 장점은 살리고 단점은 보완한 것”이라며 “향후 미래 무기체계와 항공우주 분야는 물론 차세대 통신기기와 웨어러블 전자기기의 전자파 문제를 해결하는 다기능 소재로 폭넓게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 국가과학기술연구회(NST) 융합연구단 사업인 전자파솔루션융합연구단과 한국연구재단 국가전략기술소재개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 복합재료 분야 국제학술지 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials’에 8월 5일 온라인 게재됐다.