“태풍·해일로부터 안전하게” … 유체역학적 메타물질 개발
“태풍·해일로부터 안전하게” … 유체역학적 메타물질 개발
송영석·윤재륜 교수 연구팀, 사물 은폐·항력 제거 과학적 입증
  • 박정식 기자
  • 승인 2019.08.18 12:00
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[헬스코리아뉴스 / 박정식 기자] 국내 연구진이 물·바람으로부터 사물을 은폐시킬 수 있는 원천기술을 확보하면서, 태풍과 해일 등의 피해로부터 안전한 건축물과 운송체 등의 설계가 가능해질 전망이다.

18일 한국연구재단에 따르면 단국대학교 송영석 교수와 서울대학교 윤재륜 교수 연구팀이 새로운 개념의 유체역학적 메타물질을 개발해 사물을 은폐하고 항력을 제거할 수 있음을 과학적으로 입증했다.

메타물질(metamaterials)은 자연계에 존재하지 않는 특성을 갖도록 설계된 인공물질을 말한다. 통상적으로 반복적인 패턴의 구조를 가지고 있다. 메타물질로 둘러싸인 공간은 고요한 태풍의 눈처럼 공기나 물의 흐름에 의한 저항을 줄인 유동(流動)학적 은폐(stealth) 공간을 제시하는 것으로 알려졌다.

이를 주목한 연구진은 투명망토(invisibility cloak)가 메타물질로 굴절률 분포를 변형시켜 물질을 광학적으로 은폐하듯이 물체 주변을 흐르는 유체의 점도(viscosity) 분포를 변형시켜 유동학적으로 은폐된 공간을 만들어 냈다. 공간의 수학적 설계와 변형을 통해 유체 흐름이 완전히 배제된 공간을 가상으로 구현함으로써 이 공간에 놓인 물체는 항력의 영향을 받지 않도록 한 것이다.

기존에도 초공동(supercavitation)이나 아진공(near-vacuum)을 이용해 물이나 공기 중을 진행하는 물체의 항력을 저감시키려는 시도와 스폰지 같은 다공성 구조에서 항력이 제거된다는 이론적 결과가 있었다. 그러나 실제 실험적으로 항력이 ‘0’이 되는(drag-free) 공간을 구현한 것은 이번이 처음이다.

 

유변 메타 개념도. (그림=한국연구재단)
유변 메타 개념도. (그림=한국연구재단)

연구진에 따르면 설계된 메타물질은 마이크로 수준에서부터 거대 건축물까지 크기제한을 받지 않는다. 공간 별로 점도를 자유롭게 제어할 수 있는 단위셀(~200 μm)을 이용한 마이크로유체시스템(microfluidic system)에서 검증한 결과 2차원 유체 흐름 하에서의 일반적인 점성유체와 비슷한 크기의 항력(110uN)을 5배 이하로 감소시켰다.

송영석 교수는 “제안하는 메타물질은 유동제어에 대해 도전적이고 독창적인 전략이자 재료설계의 새로운 패러다임을 제시한 것”이라며 “높은 연료효율을 달성하고 자연재해로부터 우회하는 재난방지 구조물을 연구할 계획”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 선도연구센터지원사업 및 교육부·한국연구재단 이공학 개인기초연구사업(기본연구)의 지원으로 수행됐으며 서울대 박주혁 박사가 제1저자로 참여했다. 연구결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters) 8월13일자에 게재됐다.

 

아래는 연구진(송영석 교수)과의 미니 인터뷰.

 

왼쪽부터 단국대 송영석 교수, 서울대 윤재륜 교수, 서울대 박주혁 박사. (사진=한국연구재단)
왼쪽부터 단국대 송영석 교수, 서울대 윤재륜 교수, 서울대 박주혁 박사. (사진=한국연구재단)

■ 연구를 시작한 계기나 배경은?

2010년부터 메타물질에 관심을 가지게 되어 연구를 시작하였습니다. 처음에는 광학분야를 공부하였고 전자파 메타물질을 연구하였습니다. 글로벌프론티어 과제 기획에 참여 하기도 하였습니다. 기본적으로 저희 연구실은 고분자 가공 및 유변학을 연구하므로 고체역학, 유체역학 및 이동현상 등에 관심이 있습니다. 따라서 열 및 물질의 흐름을 제어하고자 하였습니다. 본 연구에서는 전자기학에서 발전한 메타물질의 개념을 최초로 유체역학 및 유변학에 적용하였습니다.

 

■ 연구 전개 과정에 대한 소개

처음에는 수학적으로 흐름이 배제된 가상의 공간을 생성하였습니다. 좌표변환을 통해 이방성을 가지는 물성을 텐서형태로 공간에 매핑(mapping)하고 지배방정식에 적용하였습니다.

물성이 연속적으로 변하는 매질에서 이산(discrete)화되어 변하는 매질로 확대하였고 최종적으로 단위셀 기반의 평균 물성을 이용하였습니다. 수치적으로 유동장과 압력을 계산하고 이를 통해 유동학적 은폐와 항력 감소를 확인하였습니다. 또한 미세유체 시스템을 개발하여 실험적으로 유동 흐름을 측정하고 수치해석 결과와 비교 분석하였습니다.

 

■ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지?

유변 메타물질이라는 개념을 처음 제안하고 수치적, 실험적으로 보여주는 것은 흥미로운 연구주제였으나 동시에 매우 도전적인 연구주제이었습니다. 유변 메타물질은 복잡한 수학적 과정과 편미분 방정식의 계산이 필요합니다. 특히 미분방정식을 결정하고 수치 해석을 통해 계산하는 것은 쉬운 일이 아니었습니다. 더 나아가 이를 실험적으로 구현하기 위해 고민을 많이 하였고 그 결과 미세유체 시스템을 이용하여 유동장을 측정하기로 하였습니다.

연구내용 중 가장 고민한 부분은 이방성 점도 텐서를 구현하는 것이었습니다. 등방성 특징을 보이는 물성인 점도에 이방성 특징을 부여하기 위해 단위셀을 이용하여 유동 저항 기반의 평균점도를 계산하였고 미세유체에 적용하였습니다. 이를 통해 성공적으로 유변메타물질을 설계하고 제작하였습니다.

 

■ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구를 통해 유동제어의 새로운 패러다임을 제시하였습니다. 유동학적으로 사물을 은폐시킬 수 있는 기반기술을 확보하였고 운송체 및 건물에 대한 무 항력 기술을 보여주었습니다. 이를 바탕으로 무한대의 연료효율을 달성하고 더 나아가 태풍 및 해일 등의 재난을 방지할 수 있는 건축물 및 조경 설계 원천기술을 확보하였습니다.

 

■ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

크게 세 가지 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대합니다. 첫째, 차세대 운송수단에 적용할 수 있습니다. 본 연구에서 개발된 유변 메타물질이 운송수단에 적용된다면, 운송수단의 외형에 관계없이 아무런 항력도 받지 않게 되어 운송수단이 마치 진공을 주행하는 것처럼 움직일 수 있고, 이에 따라 엄청난 연료효율의 증가와 쾌적한 주행 안정성이 확보될 수 있습니다.

둘째, 군사, 항공우주 분야에 활용할 수 있습니다. 유변 메타물질이 전투기, 잠수함, 미사일, 우주선 등에 적용이 된다면 해당 물체가 날아가는 동안 받는 유체의 항력이 감소하므로 그 속도가 현저히 증가할 뿐만 아니라 공기 마찰음이 최소화되기 때문에 소리 및 유동에 통한 탐지가 되지 않는 장점 또한 구현될 수 있습니다.

마지막으로 재난 방재 구조물에 적용할 수 있습니다. 태풍 및 해일 등 자연재해 또한 유체 운동량의 이동이므로 유변 메타물질로 보호하고자 하는 구역을 감싸도록 건축물을 설계하면 메타물질 내부로 유체의 운동량이 전달되지 않으므로 자연 재해로부터 안전하게 보호될 수 있습니다.

 

■ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

이번 성과를 바탕으로 유변 메타물질에 대한 연구를 보다 확대할 계획입니다. 우선 유동에 대한 은폐(stealth) 뿐만 아니라 유동을 집중(concentation) 및 회전(rotation) 시킬 수 있는 유변 메타물질을 개발할 계획입니다. 특정 공간에 좌표계를 압축하면서 동시에 주위를 팽창하면, 전체 에너지양은 보존되면서 목표 공간에만 유체 에너지를 응집시킬 수 있습니다. 이를 이용하여 주위 흐름 대비 몇 배 가량의 유체 에너지를 응집시킬 수 있는 메타물질을 설계 및 제작할 것입니다.

또한 특정 공간 주위의 좌표계를 일정 각도로 뒤틀어주면 해당 공간 내부의 유체 흐름의 방향을 임의로 조종할 수 있으므로 주위 흐름 대비 특정 각도만큼 꺾여서 흐르도록 하는 메타물질을 연구할 계획입니다.


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