영화 해리포터에 나오는 투명망토의 모습. 투명망토는 자연계에는 존재하지 않는 메타물질로 만들 수 있다.IMDb 제공

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영화 ‘해리포터’를 비롯해 많은 판타지 영화나 SF에서는 다른 사람이 볼 수 없도록 만들어주는 투명 망토가 등장한다. 실제로 ‘메타물질’로 투명 망토를 만들 수 있다는 사실이 확인되기도 했다. 보통 반복적 패턴을 갖는 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특성을 갖도록 설계된 인공물질이다.

국내 연구진이 무한 속도로 움직이면서 적에게 탐지되지 않을 수 있는 전투기나 미사일을 만들 수 있는 신개념 유체역학적 메타물질의 개념을 제시해 주목받고 있다.

단국대학교 파이버시스템공학과와 서울대 재료공학부 공동연구팀이 공기나 물의 흐름에 의한 저항을 줄일 수 있는 메타물질을 만드는데 성공했다. 이번 연구결과는 물리학 분야 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’ 최신호(13일자)에 실렸다.

기존에도 진공에 가까운 상태를 만들어 물이나 공기를 지나가는 물체의 저항력을 줄이려는 시도가 있었다. 스폰지처럼 다공성 구조에서 저항력이 줄일 수 있다는 이론적 결과도 있었다.

연구팀은 투명망토가 굴절률 분포를 변형시켜 광학적으로 은폐하듯 물체 주변을 지나는 유체의 점도 분포를 변형시키는 메타물질을 만들었다. 공간의 수학적 설계와 변형을 통해 유체 흐름이 완전히 사라진 공간을 가상으로 만들어 내 이런 공간에 있는 물체는 저항력 영향을 받지 않도록 한 것이다. 더군다나 이번에 개발된 메타물질은 마이크로미터 수준에서 거대 건축물까지 크기 제한을 받지 않을 것으로 연구팀은 설명했다.

유변 메타 개념도 - 가. 일반적인 유체흐름. 위에서 아래로 유동이 흐르고 있음. 나. 유체 내에 장애물이 있는 경우 유동이 흐트러지는 유체 흐름의 모습다. 유변 메타물질을 구현한 후 유동을 보여줌. 장애물 이후의 유동은 장애물이 없는 경우(그림 가)와 동일함. 장애물이 받는 항력이 사라짐. 결국 장애물은 유동학적으로 은폐됨.라. 그림 다에서 장애물을 제거하면 유동학적으로 은폐된 공간을 만들 수 있게 됨

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연구팀은 실제로 마이크로유체시스템을 만들어 실험한 결과 2차원 유체 흐름 속에서 일반 점성 유체와 비슷한 저항력을 5배 이하로 감소시킬 수 있다는 것을 확인했다.

이번 개념을 실용화해 자동차, 선박, 비행기에 적용하면 공기로 인한 저항력을 최소화해 진공 속을 주행하는 것처럼 움직일 수 있어 연료효율을 높이고 주행안정성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 또 전투기, 잠수함, 미사일 같은 전략무기에 적용하면 공기 마찰이 최소화돼 속도가 현저하게 증가할 뿐만 아니라 소리에 의한 탐지가 거의 되지 않을 수 있다는 장점이 있다. 또 건축물에 적용할 경우 해안 재난방지 시스템으로 활용할 수도 있을 것으로 보인다.

송영석 단국대 교수는 “이번에 제시한 개념의 메타물질은 유동제어에 대해 도전적이고 독창적이면서 새로운 패러다임을 제시한 것으로 이번 개념으로 높은 연료효율을 달성하고 자연재해로부터 우회하는 재난방지 구조물을 만드는 방법을 추가 연구할 것”이라고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

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