사진=한국과학기술원(KAIST) 제공
500여 년 전 미켈란젤로는 시스티나 성당 천장에 천지창조를 그리는 약 4년 동안 얼굴로 떨어지는 물감과 싸워야 했다. 이러한 ‘떨어지는 물감’ 문제와 같은 현상을 제어할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 제시됐다.
지난 12일 한국과학기술원(KAIST)에 따르면 기계공학과 김형수 교수 연구팀은 중력으로 인해 액체가 아래로 떨어지는 근본 원인인 ‘중력 불안정성’을 소량의 휘발성 액체를 혼합하는 방식으로 제어하는 방법을 제안했다.
일상에서도 비슷한 현상을 쉽게 볼 수 있다. 목욕탕 천장에 수증기가 응결되면 얇은 물층이 형성되고 시간이 지나면서 물방울로 모여 아래로 떨어진다. 냉장고 내부 천장에 맺히는 물방울도 처음에는 얇은 층으로 형성되지만 점차 커지며 아래로 흘러내리게 된다. 이러한 현상은 중력이 존재하는 한 피하기 어려운 자연 현상으로 여겨져 왔다.
연구팀은 거꾸로 매달린 액체에 소량의 휘발성 액체를 혼합하는 방법을 제안했다. 휘발성 성분이 증발하면 액체 표면의 농도 분포가 달라지고 그 결과 표면장력 차이가 발생한다. 표면장력은 액체 표면이 스스로를 안쪽으로 끌어당기는 힘으로, 물방울이 둥근 형태를 유지하도록 만드는 원리다.
표면장력 차이가 생기면 장력이 큰 쪽이 작은 쪽을 끌어당기며 표면을 따라 흐름이 발생한다. 연구팀은 이러한 표면 흐름이 아래로 떨어지려는 액체를 붙잡아 중력에 의한 불안정성을 억제할 수 있다는 사실을 실험과 이론을 통해 확인했다.
이번 연구 결과는 정밀 코팅, 인쇄, 적층 공정 등에서 더욱 얇고 균일한 액체막을 형성하는 데 활용될 수 있으며, 기울어진 표면에서도 안정적인 도포가 가능하도록 하는 기술로 이어질 수 있다.
김형수 교수는 “이번 연구는 외부 에너지 없이도 중력 불안정성을 능동적으로 제어할 수 있음을 보여줬다는 점에서 의미가 있다”며 “코팅·인쇄·적층 공정뿐 아니라 우주 환경에서의 유체 제어 기술로도 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.
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