흐르는 물이나 바람 피할 메타 물질 제안
물·공기 저항 줄인 유동학적 망토(cloaking), 초고속 운송·건물방재 응용 기대
□ 국내 연구진이 흐르는 물이나 바람으로부터 숨을 수 있는 아이디어를 내놓았다. 마치 고요한 태풍의 눈처럼 공기나 물의 흐름에 의한 저항을 줄인 유동(流動)학적 은폐(stealth) 공간을 제안한 것이다.
ㅇ 메타물질로 둘러싸인 공간은 공기나 물의 저항에서 자유로워서 운송수단에 응용될 경우 마치 진공을 주행하는 것처럼 고속으로 달릴 수 있고 건물에 응용될 경우 바람이나 파도가 우회하도록 할 수 있다는 아이디어다.
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 송영석 교수(단국대)·윤재륜 교수(서울대) 연구팀이 새로운 개념의 유체역학적 메타물질을 개발하고, 이를 통해 사물을 은폐하고 항력을 제거할 수 있음을 입증했다.
※ 메타물질(metamaterials) : 자연계에 존재하지 않는 특성을 갖도록 설계된 인공물질롤 통상 반복적인 패턴의 구조를 가짐
ㅇ 기존에도 초공동(supercavitation)이나 아진공(near-vacuum)을 이용해 물이나 공기 중을 진행하는 물체의 항력을 저감시키려는 시도가 있었고 스폰지 같은 다공성 구조에서 항력이 제거된다는 이론적 결과도 있었지만 실제 실험적으로 항력이 ‘0’이 되는(drag-free) 공간을 구현한 것은 처음이다.
※ 항력 : 물체가 물이나 공기 등 유체 내에서 운동할 때 받는 저항력
□ 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.
ㅇ 공간의 수학적 설계와 변형을 통해 유체 흐름이 완전히 배제된 공간을 가상으로 구현함으로써 이 공간에 놓인 물체는 항력의 영향을 받지 않도록 한 것이다.
□ 설계된 메타물질은 마이크로 수준에서부터 거대 건축물까지 크기제한을 받지 않는다는 설명이다.
ㅇ 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 밝혔다.
ㅇ 과학기술정보통신부·한국연구재단 선도연구센터지원사업 및 교육부·한국연구재단 이공학 개인기초연구사업(기본연구)의 지원으로 수행된 이 연구의 결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 8월 13일자에 게재되었다.
※ 논문명 : Hydrodynamic Metamaterial Cloak for Drag-Free Flow
※ 주저자 : 박주혁(서울대, 1저자), 윤재륜(서울대, 공동교신저자), 송영석(단국대, 공동교신저자)
