국립 부경대학교

과학기술 분야 최고 국제학술지 <Nature> 게재

국립부경대, 초경량 나노구조체 이용 자가부상 비행체 제시

- 김종형 교수, 하버드대·시카고대 공동연구팀 나노구조체 기반 태양광 추진 근우주 비행체 개발

△ 자가부상 비행체 이미지.

국립부경대학교 재료공학전공 김종형 교수와 하버드대학교·시카고대학교 공동연구팀이 태양광만으로 공중부양이 가능한 초경량 나노격자구조체를 설계·제작하고, 이를 이용해 지구 대기 중간권(고도 50~100km) 비행 가능성을 세계 최초로 실험적으로 입증했다. 이번 연구 성과는 국제학술지 <네이처(Nature)>에 8월 14일 게재됐다.

지상 50~100km 상공의 중간권(Mesosphere)은 항공기와 기상관측 기구가 도달하기엔 너무 높고, 인공위성이 관측하기엔 너무 낮아 기존 기술로는 접근이 어려운 대기권 영역이다. 이 구간은 기후 변화 예측과 기상 모델 정밀도를 높이기 위해 필수적인 데이터를 제공할 수 있지만, 그동안 관측 수단의 부재로 ‘기후 관측의 사각지대’로 남아있었다. 이번에 개발된 자가부상 비행체는 연료 소비 없이 태양광만으로 반영구적으로 공중부양이 가능해 향후 중간권 탐사에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

△ 연구팀 사진. 왼쪽부터 김종형 교수, Ben Schafer 박사, Joost Vlassak 교수

나노격자구조 기반 설계·제작 기술, cm급으로 확장

연구팀은 기계적 강도와 경량성을 동시에 확보할 수 있는 나노격자구조(Nanolattice) 기반의 설계 기법을 개발했다. 김종형 교수가 설계와 제작을 주도한 이번 구조체에는 기존 수 mm 규모 제작에 머물던 나노격자구조를 cm급 대면적으로 빠르게 제작할 수 있는 공정법을 새롭게 적용했다. 이를 통해 초경량이면서도 기계적 안정성을 유지하는 구조체를 대면적으로 구현, 나노격자구조의 실사용 가능성을 명확히 보였다.

빛으로 나는 ‘포토포레시스’ 원리 적용

연구진이 활용한 ‘포토포레시스(Photophoresis)’ 현상은 극저압 환경에서 물체의 한쪽 면이 가열되면, 더 강하게 반사되는 기체 분자가 추진력을 만들어내는 물리적 현상이다. 연구팀은 산화알루미늄(Aluminum Oxide) 기반 나노격자구조체 하부에 크롬층을 증착해 빛 흡수율을 높였으며, 표면 온도 차로 발생하는 포토포레틱 힘이 구조체 무게를 넘어설 수 있도록 설계했다.

실제 중간권 환경 모사 실험 성공

김종형 교수가 제작한 하버드대 Vlassak 교수 연구실에서 구조체는 직경 1cm, 두께 100 마이크로미터 수준이며, 내부는 100 나노미터 두께의 박막을 이용하여 정밀한 나노격자 형태로 구성돼 있다. 연구팀은 자체 제작한 저압 챔버에서 태양광 강도의 55% 조건, 대기압 26.7Pa(지상 약 60km 고도와 동일) 환경에서 구조체가 공중부양하는 것을 확인했다. 이는 중간권에서 지속 비행이 가능함을 실험적으로 입증한 최초 사례다.

기후 관측·통신·행성 탐사로 확장

이 기술은 초경량 센서를 탑재해 풍속·기압·온도 등 중간권의 실시간 환경 데이터를 수집함으로써 기후 모델 정밀도를 높이고, 복수의 자가부상 비행체를 활용해 대기 상층부 부유형 통신 플랫폼으로서 저지연 통신망 구축에도 활용할 수 있다. 또한 화성과 같이 대기가 희박한 행성에서도 적용 가능성이 높아, 차세대 행성 탐사 기술로 주목받고 있으며, NASA 등에서도 관심을 표하고 있다.

김종형 교수 “나노격자구조의 새로운 가능성”

김 교수는 “이번 연구는 나노격자구조를 단순한 실험실 소재가 아닌, 실제 대기·우주 환경에서 적용 가능한 구조체로 발전시킨 사례.”라면서, “향후 통신 기능과 다양한 센서를 통합해 실시간 관측 및 행성 탐사 기술로 확장하겠다.”라고 밝혔다. 김종형 교수는 해당 구조체의 성능 및 신뢰성 향상을 위한 후속 연구를 진행하고 있으며, 이를 성공적으로 수행하기 위해 재료공학전공에서 재료공학의 경계를 넘어 다양한 융합연구를 수행할 수 있는 창의적 인재 양성에도 힘쓰고 있다.

이번 연구는 하버드대 Star-Friedman Challenge, 미국 국립과학재단(NSF) 지원을 받아 수행됐으며, 개발 기술은 하버드대 기술사업화센터를 통해 스타트업 Rarefied Technologies로 이전돼 상용화가 진행 중이다. <부경투데이>

Published in Nature, the World’s Top Scientific Journal

PKNU Presents a Self-Levitating Aerial Vehicle Using Ultralight Nanostructures

-Professor Kim Jong-hyung Collaborates with Harvard and the University of Chicago on a Solar-Powered Near-Space Flyer Based on Nanostructures

Professor Kim Jong-hyung (Department of Materials Science and Engineering, Pukyong National University), in collaboration with research teams from Harvard University and the University of Chicago, has successfully designed and fabricated an ultralight nanolattice structure capable of solar-powered levitation. This innovative aerial platform experimentally demonstrates, for the first time in the world, the possibility of sustained flight within the Earth’s mesosphere (50~100 km altitude). The research was published in the prestigious international journal <Nature> on August 14.

The Mesosphere―located 50 to 100 kilometers above the Earth’s surface―is a region too high for conventional aircraft and weather balloons, yet too low for satellite-based observation. As such, it has long been considered a “blind spot” for climate monitoring, despite its potential to provide essential data for climate change prediction and weather modeling. The newly developed self-levitating aerial vehicle offers a breakthrough solution. Powered solely by sunlight and requiring no fuel, the vehicle is capable of sustained levitation, making it a promising platform for future mesosphere exploration and atmospheric data collection.

Scalable Nanolattice Design and Fabrication Extended to Centimeter Scale

The research team developed a novel design approach based on Nanolattice structures, which simultaneously offer exceptional mechanical strength and ultralightweight properties. Led by Professor Kim Jong-hyung, the team successfully scaled up nanolattice fabrication from the conventional millimeter-scale to centimeter-scale using a newly applied processing method. This innovation enabled the implementation of stable, lightweight structures, demonstrating the real-world applicability of nanolattice technology.

Solar-Driven Levitation Using the Principle of Photophoresis

The levitation mechanism is based on Photophoresis, a physical phenomenon in which, under extremely low-pressure conditions, gas molecules reflecting more strongly off a heated side of a structure generate net thrust. To enhance light absorption, the research team deposited a chromium layer on the underside of the aluminum oxide-based nanolattice. The structure was then precisely engineered to ensure that the photophoretic force―resulting from surface temperature differentials―could exceed the weight of the structure, enabling solar-powered levitation.

Successful Simulation of Mesospheric Flight Conditions

The structure fabricated by Professor Kim Jong-hyung and tested at Professor Vlassak’s laboratory at Harvard University measures approximately 1 cm in diameter and 100 μm in thickness. Its interior features a highly precise nanolattice design composed of ultra-thin 100 nm films. The team conducted tests inside a custom-built low-pressure chamber, replicating mesospheric conditions with 55% of standard solar irradiance and an atmospheric pressure of 26.7 Pa―equivalent to an altitude of approximately 60 km above sea level. Under these conditions, the structure successfully levitated, marking the world’s first experimental validation of sustained flight in the mesosphere.

Toward Climate Monitoring, Communications, and Planetary Exploration

Technology opens promising applications across multiple fields. By equipping the levitating structure with ultralight sensors, it could collect real-time mesospheric data―such as wind speed, pressure, and temperature―enhancing the precision of climate models. Moreover, deploying multiple such devices could enable low-latency communication networks in the upper atmosphere. Given its suitability for thin-atmosphere environments, the platform also holds potential for planetary exploration missions, including on Mars. This innovation has drawn interest from organizations such as NASA, recognizing its potential as a next-generation aerospace technology.

Professor Kim Jong-hyung: “Unlocking New Potential in Nanolattice Structures”

Professor Kim remarked, “This study transforms nanolattice structures from mere laboratory materials into viable platforms for real-world atmospheric and space applications.” He added, “We aim to integrate communication systems and a range of sensors into the structure, evolving it into a tool for real-time environmental monitoring and planetary exploration.” Currently, Professor Kim is conducting follow-up research to enhance the performance and reliability of the structure. In parallel, he is committed to nurturing creative talent in the field of Materials Science and Engineering, with a focus on interdisciplinary research that pushes the boundaries of conventional materials engineering.

This research was supported by the Star-Friedman Challenge at Harvard University and the U.S. National Science Foundation (NSF). The developed technology has already been transferred to a Harvard-affiliated startup, Rarefied Technologies, through the university’s Office of Technology Development, and is currently undergoing commercialization.