적외선 카메라는 물체가 내뿜는 열을 읽어 형상을 그려낸다. 그래서 전자기기든 사람이든, 주변과 온도가 다른 것은 어둠 속에서도 열 신호로 드러난다. 미국 일리노이대 어배너-섐페인(UIUC)과 덴마크공대(DTU) 연구진이 이 열 신호 자체를 교란하는 3차원 '열 투명 망토'를 실제로 제작해 검증했다. 핵심 발상은 열을 막는 것이 아니라 물체 주위로 '우회'시키는 데 있다. 열이 물체를 피해 흐르도록 유도하면, 적외선 영상에는 마치 그 자리에 아무것도 없는 것처럼 주변과 동일한 온도 분포가 나타난다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션스에 실렸다.
2차원의 한계를 넘은 설계
열을 특정 방향으로 돌리는 '열 투명 망토' 개념 자체는 새롭지 않다. 다만 기존 실험 장치들은 평평한 표면 위에서만, 혹은 열이 특정 한 방향으로 흐를 때만 작동했다. 현실의 열은 사방에서 다가오기 때문에 이런 제약은 실용성을 크게 떨어뜨린다. 연구를 이끈 셸리 장(Shelly Zhang) 교수는 "진짜 열 망토라면 열이 어디서 오든 작동해야 한다"며, 이번 장치가 복잡한 3차원 물체를 사실상 무한한 방향에서 가릴 수 있으면서 내부 온도도 안정적으로 유지한다고 설명했다.
연구진은 열을 설계된 재료로 돌리는 '변환 열역학(transformation thermotics)'의 기본 원리로 돌아가, 완전한 망토에 필요한 열적 특성을 거의 모두 구현할 수 있는 재료 구조가 무엇인지를 파고들었다. 그 답은 세 방향으로 각각 독립적으로 조정할 수 있는 격자(lattice) 구조였다. 부위마다 열이 통과하는 효율을 다르게 제어할 수 있어, 기존 설계보다 훨씬 넓은 범위의 열전도율을 확보했고 이상적인 망토에 필요하다고 예측된 특성에 근접했다.
시뮬레이션을 넘어 실물로
이번 성과의 무게는 계산에 그치지 않고 작동하는 실물을 만들었다는 데 있다. 연구진은 3D 금속 프린팅으로 정교한 알루미늄 격자를 출력해 열이 잘 통하는 경로를 만들고, 몰드 주조로 나머지 빈 공간을 열을 잘 전달하지 않는 고무 같은 소재로 채웠다. 서로 대비되는 두 소재가 맞물리며 열의 이동을 섬세하게 통제하는 구조가 완성됐다.
검증은 장치를 뜨거운 영역과 차가운 영역 사이에 놓아 온도 차를 만들고, 그로 인해 흐르는 열의 분포를 적외선 카메라로 관찰하는 방식으로 이뤄졌다. 실험에서 장치는 숨겨진 영역 주위로 열을 우회시키면서 주변 온도 패턴을 그대로 보존했고, 적외선 영상에는 물체가 없는 것처럼 보였다. 동시에 망토 내부 온도는 균일하게 유지돼 바깥의 극한 조건으로부터 보호됐다. 연구진은 사람 머리를 닮은 형태를 포함한 복잡한 3차원 기하 구조까지 성공적으로 은폐했으며, 기존 실험 장치들은 이 정도의 형상 복잡성과 은폐 성능을 함께 보여준 적이 없다고 밝혔다.
실무적으로 어디에 쓰이나
열을 3차원에서 정밀하게 제어한다는 점은 전자 분야에 직접적인 함의를 지닌다. 민감한 부품에서 열을 원하는 방향으로 빼내고, 마이크로칩의 열 관리를 개선하며, 가혹한 환경에서 작동하는 기기를 보호하는 데 활용될 수 있다. 칩 집적도가 올라갈수록 발열 처리는 설계의 병목이 되는데, 열의 경로 자체를 재단할 수 있다면 냉각 설계의 선택지가 넓어진다. 보안·국방 영역에서는 장비나 사람을 열 탐지 시스템으로부터 가리거나, 가치 있는 자산을 극한 온도에서 지키는 응용이 거론된다. 장 교수는 "열이 담고 있는 정보를 숨기고 보호하는 일"이라는 더 넓은 관점으로 이 기술을 바라본다고 말했다.
다만 실무자라면 현재 성과의 경계를 분명히 읽어야 한다. 이번 망토는 바깥에서 들어오는 열로부터 물체를 가리고 보호하는 것으로, 스스로 열을 내는 물체는 아직 다루지 못한다. 거의 모든 전자기기가 작동 중 열을 발생시킨다는 점을 생각하면, 실제 칩 냉각이나 스텔스 응용으로 가는 길에는 결정적인 관문이 남아 있는 셈이다. 또한 3D 금속 프린팅과 몰드 주조로 만든 정교한 격자 구조를 대량·소형화하는 과제, 특정 온도 조건에서 검증된 성능이 다양한 실환경에서 어떻게 유지되는지도 추가로 확인해야 할 부분이다.
연구진이 다음 목표로 꼽는 것이 바로 스스로 열을 내는 물체를 숨기는 능력이다. 이를 위해서는 들어오는 열을 단순히 우회시키는 데서 나아가, 숨겨진 영역 안에서 열을 모으고 분산하고 유도하는 능동적 제어가 필요하다. 장 교수는 "진정한 3D 전방향 열 망토가 가능하다는 것을 보였다"며 "다음 단계는 단지 숨기고 보호하는 데 그치지 않고 열을 유용하게 능동적으로 조작하는 망토"라고 말했다. 이번 연구는 미국 국립과학재단, 빌룸 재단, 공군과학연구국의 지원을 받았다.