태풍 와도 안전한 건물 나오나…국내 연구팀 '유체 저항 0' 메타물질 개발

2019.08.19 07:48
연구팀이 개발한 메타물질의 개념을 표현했다. 맨 인쪽은 장애물이 없을 때 일반적인 유체의 흐름이다. 유체가 방해 없이 가지런히 흐른다(평행한 선으로 표현). 가운데는 보통 장애물이 있을 때의 유체 흐름 변화다. 저항 때문에 유체의 흐름이 변화한다. 이는 유체의 점도 때문에 발생하는 현상이다. 오른쪽은 점도 분포를 바꾼 경우다. 메타물질 주변의 유체 흐름이 장애물을 넣기 전과 똑같다. 유체의 흐름을 방해하지 않는다는 뜻이다. 피지컬 리뷰 레터스 제공
연구팀이 개발한 메타물질의 개념을 표현했다. 맨 인쪽은 장애물이 없을 때 일반적인 유체의 흐름이다. 유체가 방해 없이 가지런히 흐른다(평행한 선으로 표현). 가운데는 보통 장애물이 있을 때의 유체 흐름 변화다. 저항 때문에 유체의 흐름이 변화한다. 이는 유체의 점도 때문에 발생하는 현상이다. 오른쪽은 점도 분포를 바꾼 경우다. 메타물질 주변의 유체 흐름이 장애물을 넣기 전과 똑같다. 유체의 흐름을 방해하지 않는다는 뜻이다. 피지컬 리뷰 레터스 제공

주변에 큰 폭풍이 치고 있다. 파도도 거세다. 하지만 배는 전혀 흔들림이 없이 평온하다. 이런 일이 가능할까.

 

물과 바람 등 '유체'의 저항을 전혀 받지 않는 가상의 재료로 배를 만든다면 가능하다. 파도와 태풍이 아무리 배를 때려도 내부에는 그 힘이 전달되지 않기 때문이다. 국내 연구팀이 이런 물질을 만들 수 있는 독특한 물질을 개발하는 데 성공했다.

 

송영석 단국대 파이버시스템공학과 교수와 윤재륜 서울대 재료공학부 교수, 박주혁 미국 매사추세츠공대(MIT) 연구원팀은 바람과 공기나 물 등 유체의 저항을 줄일 수 있는 새로운 구조물을 개발하고 이를 실험을 통해 구현하는 데 처음 성공했다고 18일 밝혔다.


수조의 물을 손으로 휘저을 때를 생각해 보면, 손이 나아가는 방향에서 물이 손의 움직임을 막는 듯한 느낌을 받는다. 이것을 저항이라고 한다. 유체의 저항은 대부분 유체의 끈적이는 정도(점도)에 의해 결정된다. 꿀을 손으로 저을 때와 맹물을 저을 때를 비교해 보면, 점도가 높은 꿀을 젓기가 더 힘들다.


송 교수팀은 '메타물질'을 이용해 유체의 저항을 받지 않는 물질을 개발했다. 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특이한 특성을 지닌 물질이다. 영화에 등장해 유명해진 ‘투명망토’가 대표적으로, 빛이 소재에 부딪혔을 때 자연계 물질에서는 볼 수 없는 독특한 방법으로 반사 또는 굴절하도록 만들어 물체가 보이지 않게 한다.  

 

송 교수팀은 메타물질을 점도에 응용했다. 먼저 수학을 이용해 물체 주변에 물이나 공기 등 유체가 지나갈 때 이들과 물체 사이 접촉면의 점도 분포를 변화시킬 수 있도록 공간을 만들었다. 그 결과 유체가 완전히 비껴 흘러가 저항을 전혀 받지 않는 내부 공간을 가상으로 구현하는 데 성공했다. 


이어 연구팀은 이 같은 공간을 실제로 구현할 수 있도록 물질의 표면에 미세한 패턴을 설계해 메타물질을 만들었다. 마치 도시에 고층아파트 단지가 생기면 바람의 방향과 크기가 변하듯, 물질의 표면 패턴이 변하면 닿는 유체의 움직임이 변한다. 가로 세로 0.2mm 크기 단위로 공간별 점도를 자유롭게 제어할 수 있는 메타물질을 만든 뒤 미세 유체시스템을 이용해 이론을 실험으로 확인했다. 그 결과 마치 파도처럼 평면 상으로 퍼지는 유체일 경우 저항력을 5분의 1 수준으로 획기적으로 줄일 수 있다는 사실을 확인했다.


송 교수는 “선박과 비행체, 차량 등에 응용하면 연료효율을 높일 수 있다”며며 “특히 전투기, 미사일 등에 응용하면 날아가는 동안 속도를 높일 수 있을 뿐만 아니라, 공기마찰음이 최소화돼 탐지도 막을 수 있다”고 말했다. 또 “메타물질로 보호 구역을 감싸도록 건축물을 설계하면 태풍과 해일 등 자연재해를 피할 수 있는 재난방지 구조물을 만들 수 있다”며 “관련 내용을 추가로 연구할 계획”이라고 밝혔다. 


연구 결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 13일자에 발표됐다.
 

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