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미켈란젤로 ‘천지창조’의 고통 500년 만에 풀었다
500여 년 전, 미켈란젤로는 시스티나 성당 천장에 ‘천지창조’를 그리는 4년 동안 얼굴로 쏟아지는 물감과 싸우며 ‘그림이 아니라 고문에 가깝다’고 표현했다. 우리 대학 연구진이 이제 그 ‘떨어지는 물감’을 붙잡는 기술을 개발했다. 이 원리는 천장 그림을 넘어, 기울어진 표면에서 액체막이 무너지는 문제를 해결해 정밀 코팅, 전자회로 인쇄, 3D 프린팅, 우주 환경에서 유체 제어 등 다양한 산업 분야에 적용될 수 있다.
우리 대학은 기계공학과 김형수 교수 연구팀이 중력에 의해 아래로 쏟아지는 현상의 근본 원인인 ‘중력 불안정성’을 계면유체역학*적으로 재해석하고, 거꾸로 매달린 액체에 소량의 휘발성 액체를 혼합해 이를 제어하는 방법을 제시했다고 12일 밝혔다.
*계면유체역학: 액체 표면에서 작용하는 미세한 힘의 균형과 관련된 역학
왜 미켈란젤로는 그림을 쉽게 그리지 못했을까? 천장에 물감을 바르면 얇은 액체막이 형성되지만, 이 막은 중력 때문에 점차 불안정해지며 결국 떨어진다. 이러한 현상은 일상에서도 쉽게 볼 수 있다.
목욕탕 천장에서 수증기가 응결되면 얇은 물층이 생기고, 시간이 지나면 물방울로 모여 떨어진다. 냉장고 내부 천장에 맺히는 물방울 역시 처음에는 얇은 층으로 형성되지만 점차 커지며 아래로 쏟아지려 한다. 이처럼 위쪽 표면에 맺힌 액체가 중력에 의해 무너지는 현상을 ‘레일리–테일러 불안정성(Rayleigh–Taylor instability)’이라 하며, 그동안 중력이 존재하는 한 피할 수 없는 현상으로 여겨져 왔다.
연구팀은 거꾸로 매달린 액체에 소량의 휘발성 액체를 섞는 방법을 제안했다. 휘발성 성분이 증발하면 액체 표면의 농도 분포가 달라지고, 그 결과 표면장력에 차이가 생긴다. 표면장력은 액체 표면이 스스로를 안쪽으로 잡아당기는 힘으로 물방울이 둥근 형태를 유지하게 만드는 원리다.
표면장력에 차이가 생기면 장력이 큰 쪽이 작은 쪽을 끌어당기며 표면을 따라 흐름이 발생하는데, 이를 ‘마랑고니 효과(Marangoni effect)’라 한다. 연구팀은 이러한 표면 흐름이 아래로 떨어지려는 액체를 붙잡아 주며, 중력에 의한 불안정성을 억제한다는 사실을 실험과 이론을 통해 규명했다.
예를 들어, 물 위에 후추 가루를 고르게 뿌려 놓으면 가루는 그대로 떠 있다. 그런데 가운데에 세제를 한 방울 떨어뜨리면, 후추가 순식간에 가장자리로 밀려난다. 이는 세제가 닿은 부분의 표면장력이 주변보다 약해지면서, 장력이 더 강한 바깥쪽이 액체를 끌어당기기 때문이다. 그 결과 표면을 따라 흐름이 생기고, 후추 입자도 함께 이동한다.
이번 연구에서는 휘발성 액체가 증발하면서 이와 같은 표면장력 차이를 만들어냈다. 다만 이번에는 후추를 밀어내는 대신, 액체를 위쪽으로 끌어올려 아래로 떨어지려는 힘을 억제한 것이다.
그 결과, 특정 조건에서는 액체막이 중력에도 불구하고 끝까지 유지되었으며, 일부 조건에서는 액적이 떨어지지 않고 액막이 주기적으로 진동하는 새로운 거동도 관찰됐다. 이는 외부 에너지 공급 없이 액체의 조성과 증발이라는 자연적 과정만으로 중력 불안정성을 능동적으로 제어할 수 있음을 보여준다.
이 원리는 정밀 코팅, 인쇄, 적층 공정 등에서 더욱 얇고 균일한 액체막 구현을 가능하게 하며, 기울어진 표면에서도 안정적인 도포가 가능하도록 돕는다. 또한 3D 프린팅 공정이나 우주와 같은 특수 환경에서의 유체 제어 기술로도 확장될 수 있다. 미켈란젤로가 500년 전 겪었던 물리적 한계가 이제는 미래 산업 기술로 이어지고 있는 셈이다.
김형수 교수는 “그동안 레일리–테일러 불안정성은 중력이 존재하는 한 피할 수 없는 현상으로 여겨져 왔다”며 “이번 연구는 액체의 조성과 증발이라는 자연적 과정을 활용해 외부 에너지 없이 중력 불안정성을 능동적으로 제어할 수 있음을 보였다는 점에서 의미가 있다”고 말했다. 이어 “이 원리는 코팅·인쇄·적층 공정뿐 아니라 우주 환경에서의 유체 제어 기술로도 확장될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구는 기계공학과 최민우 석박통합과정 학생이 제1저자로 참여했으며, 유체역학의 불안정성 제어에 대한 새로운 발견임을 인정받아 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science, Wiley·와일리)’에 1월 29일 온라인 게재됐다. 또한 표지논문(Frontispiece)으로 선정됐다.
※ 논문명: Evaporation-Driven Solutal Marangoni Control of Rayleigh-Taylor Instability in Inverted Films, 주저자 정보: 제 1저자 최민우 석박통합과정, 공동저자 전혜준 박사과정, 교신저자 김형수 교수, DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202520343,
이번 연구는 한국연구재단 개인기초 중견 연구 (MSIT: 2021R1A2C2007835)의 지원을 받아 수행되었다.
2026.03.12 조회수 6649 -
플라즈마 제트 기초 기술 개발
우리 대학 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 기체를 이온화시킨 *플라즈마가 기체와 액체 사이 경계면의 유체역학적 안정성을 증가시키는 것을 최초로 발견하고 이를 규명하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.
☞ 플라즈마(Plasma): 기체가 높은 에너지로 가열돼 전하를 띄는 전자와 이온으로 분리된 상태를 말한다. 반도체와 디스플레이 제조공정에 핵심적인 역할을 하며, 형광등 내부나 네온사인, 공기청정기 등에서 접할 수 있다.
최 교수 연구팀은 헬륨 기체 제트를 고전압으로 이온화시켜 얻은 플라즈마를 물 표면에 분사시켰을 때, 일반적인 기체와 액체 사이의 경계면에서보다 경계면이 훨씬 안정적으로 유지되는 것을 발견했다. 이는 자연에 존재하는 약하게 이온화된 기체와 액체 사이의 상호작용에 관한 이해를 넓히고, 플라즈마 제트를 활용하는 기초과학․응용 분야에 크게 도움이 될 것으로 기대된다.
한국핵융합에너지연구원 박상후 박사(우리 대학 물리학과 박사졸업)가 제1 저자로, 최 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `네이처(Nature)' 4월 1일 字에 게재됐다. (논문명: Stabilization of liquid instabilities with ionized gas jets)
가정에서 사용하는 샤워기의 물줄기, 와인의 눈물, 갯벌 바닥의 물결무늬 등 불규칙한 패턴들에서 우리는 유체 경계면에서 나타나는 유체역학적 불안정성을 흔히 볼 수 있다.
컵에 담긴 주스의 표면 위에 빨대를 두고 숨을 약하게 불면 주스 표면이 보조개 형태로 오목하게 들어가는데, 이때 빨대를 더 강하게 불면 주스에 거품이 일고 물방울이 튀어 오르는 현상도 공기와 주스 사이 경계면의 불안정성 때문이다.
한편 제트 형태의 기체를 액체 표면에 분사시키는 구조는 여러 과학 및 산업 기술에서 활발히 쓰이고 있으며, 여러 흥미로운 물리화학적 현상이 발생해 학문적으로도 지속적인 관심을 받고 있다.
그러나 앞서 예를 든 것과 같이, 기체 제트가 분사되는 액체 표면에서 유체역학적 불안정성이 증가하는 현상과 이를 안정화하는 방법에 대한 이해가 부족해, 관심은 높은데도 불구하고 활용성을 높이는 데 한계가 있었다.
최원호 교수 연구팀은 기체 제트를 강한 전기장으로 이온화시켜 만든 플라즈마의 특성을 이용하면 기체와 액체 사이 경계면의 안정성을 향상시킬 수 있다는 것을 실험과 이론으로 밝혀냈다.
일반적으로, 번개구름인 뇌운(雷雲) 속의 빗방울처럼 강한 전기장 환경에 놓인 액체에서는 표면의 불안정성이 증가한다. 불안정화의 대표적인 예로 전기방사(electrospinning)에서 전기 유체역학적 불안정성(electrohydrodynamic instability)의 결과로 나타나는 테일러 원뿔(Taylor cone) 현상이 있다.
최 교수 연구팀이 이번 실험에 활용한 플라즈마 제트에서는 `플라즈마 총알(plasma bullet)'로 불리는 고속의 이온화 파동과 전기바람(electric wind)이 발생하는데, 연구팀은 이들의 특성을 이용해 물 표면의 불안정성을 줄일 수 있었다.
기체 제트 내에 플라즈마를 발생시키면 생성되는 1초당 수십 미터 속력의 전기바람으로 인해 물 표면에 가해지는 힘이 증가해서 물 표면이 더 깊이 파이게 되고, 이에 따라 물 표면이 불안정해져야 하는 조건임에도 불구하고 안정적으로 유지되는 것을 연구팀은 실험적으로 확인했다.
연구팀은 플라즈마-물 이론 모델을 정립해, 물의 표면을 따라 1초당 수십 킬로미터 속력으로 이동하는 플라즈마 총알이 물 표면에 나란한 방향으로 일으키는 강한 전기장으로 인해 물 표면이 안정적으로 유지됨을 최초로 규명했다.
연구팀이 활용한 플라즈마 제트는 최근 여러 학제간 연구 분야에 다양한 목적으로 활용되고 있다.
최원호 교수는 "이번 연구의 결과는 플라즈마에 대한 과학적 이해를 높이는 동시에, 경제적이고 산업적 활용이 가능한 플라즈마 유체 제어 분야를 확대할 것ˮ이라며, "플라즈마 의료, 생명, 농업, 식품, 화학 등 여러 분야의 기술 개발에 크게 기여할 것이다ˮ 라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 개인연구지원사업(우수신진연구)과 KAIST High-Risk and High-Return 프로젝트의 지원을 받아 수행됐다. 또한, 우리 대학 기계공학과 김형수 교수와 배충식 교수의 학술적인 지원을 받아 진행됐다.
2021.04.02 조회수 97266