College Of Engineering
서울공대 이야기
 

돛새치에서 저항의 비밀을 푼다


난류제어연구실 기계항공공학부 최해천 교수


난류제어연구단은?


난류제어연구단은 97년 창의연구단에 선정돼 지금까지 저항을 줄이는 연구에 전념하고 있다. 박사후연구원 3명을 비롯해 학생 20여명이 최 교수와 함께 연구실에 있다. 저항 연구를 통해 최 교수는 지금까지 국제 학술지에 60여편, 국내 학술지에 30여편의 논문을 발표했으며 8건의 특허를 등록했다.

  

  

  




풍동 장치 앞에서 학생들과 잠깐 사진 한장.연구실을 방문하면 가장 먼저 눈에 띠는 것 중 하나가 배구공만한 골프공이다. 그 앞에는 바람을 일으키는 작은 풍동이 있다. 300만원을 주고 산 이 공은 실제 골프공처럼 표면에 많은 딤플(작고 둥그런 구멍)을 갖고 있다. 연구팀은 이 딤플이 저항을 줄이는 구체적인 메커니즘을 찾고 있다.


연구팀은 초기에 유선형 물체가 받는 마찰저항을 제어하고 뭉툭한 물체가 받는 형상저항을 줄이기 위한 연구를 많이 했다. ‘미소 공동’(micro cavity)으로 유선형 물체가 공기나 물에서 운행할 때 받는 마찰 저항을 10% 줄이고 후류 교란자(wake disrupter)를 개발해 이차원 운송체에서 저항을 20%나 줄인 것이 대표적 성과다.


최 교수는 이와 함께 최근에는 생명체를 응용한 ‘생체모방공학’에 열중하고 있다. 최 교수의 과거 전공이 ‘상어 비늘’이었으니 과거로 돌아간 셈이다. 그러나 한단계 업그레이드됐다. 그는 상어보다 훨씬 더 빠른 돛새치, 하늘을 400m나 나는 날치 등에서 저항을 극한으로 줄이는 비밀을 풀고 있다.


최 교수는 학생들에게 “보편성과 독창성을 동시에 지닌 연구를 수행할 때 그 연구결과가 세상을 놀라게 한다. 연구를 행하면서 각자의 연구가 보편성과 독창성을 동시에 지니고 있는지 항상 생각하라”고 강조한다.



상어를 뛰어 넘어 돛새치 혁명이 일어날 겁니다.

제어연구단을 이끌고 있는 서울대 최해천 교수(기계항공공학부)는 지난 아테네 올림픽 수영 경기에서 화제를 일으킨 상어 수영복 을 넘어 돛새치 혁명 을 예고한다. 바다 속에서 시속 110km라는, 공학자로서는 상상도 할 수 없는 속도로 헤엄치는 돛새치라는 물고기에서 저항의 한계를 극복할 수 있는 비밀을 캐겠다는 것이다. 3~4m 길이의 돛새치는 헤밍웨이의 소설 노인과 바다 에서 노인이 바다에 나가 잡은 뒤 상어에게 다 뜯겨버린 물고기다.


돛새치.지난 아테네 올림픽 남자 자유형 200m 결선에서는 전신 수영복을 입은 이언 소프(호주)가 이 옷을 입지 않은 마이클 펠프스(미국)와 피터 판 덴 호헨반트(네덜란드)를 제치고 금메달을 따냈다. 전신 수영복은 상어 피부를 모방해 만든 특수 수영복. 4년전 시드니 올림픽에서 전신 수영복을 입은 선수가 33개 금메달 중 25개를 따 세상을 놀래켰다.


이 옷에는 상어 비늘에 달려 있는 리블렛 이라는 미세한 돌기를 본뜬 물체들이 붙어 있어 선수 주위에서 빙글빙글 맴도는 작은 소용돌이를 없애준다. 미국 뉴욕주립대 조지프 몰런도프 박사는 전신 수영복이 전통적인 수영복보다 저항을 10-15%까지 줄여준다 고 최근 발표했다.


인공 상어 비늘은 캐세이퍼시픽 등 항공회사의 비행기 날개에도 쓰이고 있다. 1992년 최 교수는 인공 상어 비늘을 비행기에 붙이면 최대 8%까지 저항을 줄일 수 있다는 사실을 슈퍼 컴퓨터를 이용해 처음으로 그 원리를 밝혀내 화제를 일으켰다. 일본의 한 타이어회사도 인공상어 비늘을 모방한 타이어를 개발하기도 했다.


돛새치 피부에는 저항 줄이는 특수 구조 존재할 수도

그러나 상어는 전체 바다 물고기중 수영 속도로 보면 8위 수준이다. 최 교수조차 얼마 전만 해도 상어가 가장 빨리 헤엄치는 물고기인줄 알았단다. 그러나 지난해 5살 난 딸을 재우려고 어린이 과학책을 읽어주다 돛새치가 가장 빠르고 속도도 무려 시속110km에 달한다는 글을 보고 깜짝 놀랐다. 바로 인터넷을 뒤져 보니 사실이었다. 황새치, 다랑어, 범고래 등도 상어보다 빨랐다.

상어를 들고 있는 최해천 교수. 돛새치 피부가 어떻게 생겼을까 너무 궁금해 바로 연구에 들어갔습니다. 돛새치를 구하려고 원양회사에 연락해 4달 만에 태평양에서 잡은 돛새치를 구할 수 있었죠.


짐작대로 돛새치 피부에는 특수한 구조의 물체들이 상어처럼 달려 있었다. 더구나 상어의 리블렛 구조물은 매우 작아 먼지가 자주 끼는 등 문제가 많았는데 돛새치에 달린 구조물은 매우 커 손으로 청소할 수 있을 정도였다. 최 교수는 현재 실험실 학생들과 과연 이 물체가 실제로 저항을 줄이는지 실험하고 있다. 실험 장치를 만드는데 꼬박 1년이 걸렸다고 한다.


아직 기뻐할 단계는 아닙니다. 역사상 물체 표면에 뭔가를 달아 실제 응용할 수 있을 정도로 마찰 저항을 줄인 사례는 거의 없습니다. 상어의 리블렛이 거의 유일한 사례입니다. 돛새치는 긴 주둥이를 가지고 있는데 이 주둥이가 저항을 많이 줄일 수도 있고 이 물고기의 엄청난 꼬리 힘이 가공할 속도의 근원일 수 있습니다. 앞으로 연구를 통해 돛새치 피부가 진짜 중요한지 알 수 있을 겁니다. 만일 돛새치 피부의 특수 구조가 저항의 5%만 줄여도 큰 성과가 됩니다.


최 교수가 요즘 연구하는 것은 돛새치만이 아니다. 기계공학자면서도 요즘 연구의 반은 생체모방공학 이다. 아내가 날치가 하늘을 400m나 난대요 라고 한 말을 듣고 그는 또 충격을 받았다. 그는 바로 날치를 일본 도쿄 어시장에서 사와 날개의 비밀을 캐기 시작했다. 날치 역시 꼬리 힘이 엄청난 것이 첫번째 이유지만 다른 물고기와 달리 좁고 긴 날개(실제는 가슴지느러미)가 하늘을 날 때 쫙 펴지면서 양력(하늘로 뜨게 하는 힘)을 최대한 키우는 것이 아닌가 하고 최 교수는 생각한다. 이 구조의 비밀을 밝혀내면 경비행기 등에 응용할 수 있다.


하늘을 400m나 나는 날치 등 생체모방공학 연구

미국 샌디에고에 있는 해양공원 씨월드 에서 본 범고래와 돌고래 등 수영 속도가 10위안에 드는 바다생물은 모두 피부를 벗기고 싶다고 그는 말한다. 이를 위해 실험실에 있는 학생들을 원양어선에 태워 주요 물고기들을 가져올 꿈도 꾸고 있다.

300만원짜리 골프공(왼쪽)과 진짜 골프공.연구 재료는 바다 속에만 있는 것이 아니다. 연구팀의 또 다른 테마는 잠자리다. 나비 등 다른 곤충과 달리 잠자리는 날개 두 쌍이 모두 따로따로 움직인다. 세계의 많은 과학자들이 잠자리의 비행 비밀에 대해 연구하고 있다. 연구팀도 잠자리 날개의 운동을 컴퓨터로 분석하고 있다. 결과가 성공적으로 나오면 초소형 비행체의 비행 기술에 응용할 수 있을 것이다. 잠자리처럼 초소형으로 나는 비행기가 적진도 다녀오고 산불 현장에 들어가 상황을 파악하는 것이다.


기계공학자에게 돛새치가 시속 110km로 헤엄치고 날치가 하늘을 400m나 난다고 말해 보십시오. 모두 깜짝 놀랄 겁니다. 저도 학생들에게 말해주면 모두 놀랍니다. 자연 속에 보물이 숨어 있는데 관심이 부족하다 보니 모르고 있는 것이지요. 요즘 저는 가끔 아이와 함께 곤충 전시회에 갑니다.


그의 관심의 다른 축은 자동차에 가 있다. 돛새치나 상어 연구가 움직이는 물체 표면의 마찰 저항을 줄이는 것이 목적이라면 자동차는 공기 저항을 줄이는 것이 가장 큰 목표다. 공기 저항을 10%만 줄여도 기름을 5% 이상 절약할 수 있다고 그는 강조한다. 요즘 같은 고유가 시대에 큰 혜택을 볼 수 있다.


미국에서는 트럭의 공기 저항을 줄이는 것이 매우 큰 연구입니다. 극단적으로 저항이 없다고 생각해 보세요. 서울에서 자동차를 한번 밀면 부산까지 그냥 갑니다. 미국 에너지부가 거액을 들여 트럭 뒤에 붙여 공기 저항을 줄일 수 있는 장치를 만들었는데 덩치가 너무 커서 운전사들이 꺼리지요. 그러나 저희 실험실에서 만든 후류 교란자 (Wake Disrupter)는 아주 작은 물체로 공기저항을 크게 줄일 수 있습니다.


맴돌이류 없애 트럭 공기 저항 줄인다

트럭이 고속도로를 달리면 뒤편에 수많은 맴돌이류(Vortex)가 생긴다. 맴돌이류가 생기면 그 부분에서 공기 압력이 낮아진다. 거꾸로 차의 앞부분에는 공기 압력이 높아진다. 이 때문에 속도가 빨라질수록 차가 뒤로 밀리며 공기 저항이 매우 커진다.

트럭이 받는 공기 저항을 줄이면 기름값을 크게 줄일 수 있다. 트럭의 경우 차량 뒷편에 생기는 맴돌이류를 최대한 없애는 것이 목표입니다. 많은 사람들이 연구하는데 우리 실험실의 기술을 쓴 곳은 한 군데도 없어요.


최 교수팀이 이용한 것은 직사각형 모양의 작은 판이었다. 실험실에서 이 판을 3차원 원통의 뒤편에 달았더니 맴돌이류가 빨리 사라지며 공기 저항이 20~30%나 줄었다. 겨우 이 정도로 작은 것이 할 정도로 놀라운 성과였다. 교란자가 맴돌이류를 줄이자 원통 뒷부분의 공기 압력이 높아졌고 차가 앞으로 나가도록 받쳐주는 것이다. 연구팀은 가장 최적화된 구조를 찾기 위해 71가지의 다른 모양과 크기의 판을 만들어 실험했다. 최 교수는 지난해 이 기술의 혁신성을 인정받아 특허를 받았다.


앞으로 남은 과제는 실제 차량에 달았을 때 어떤 결과가 나오느냐는 것이다. 실험실에서는 획기적인 성과를 내다가도 실제 현장에서는 조용할 때가 많다. 연구팀은 현재 진짜 트럭에 이 물체를 붙여 실험하고 있다.


국제 학술회의에 이런 내용을 발표하면 다들 놀랍니다. 너무 단순한 구조거든요. 그동안 학계에서 신뢰를 쌓은 덕분인지 외국 학자들은 제가 거짓말할 리는 없다며 믿더군요. 실제 차량에 달아 공기저항을 감소시키려면 더 많은 시간과 노력이 필요하지만, 현장 실험만 성공하면 앞으로 세상이 깜짝 놀랄 겁니다.

시속 110km로 헤엄치는 돛새치를 구하려고 말레이시아 해변을 뒤진 서울대 기계항공공학부 최해천 교수.


상어 비늘은 언뜻 매끄럽게 보이지만 눈에는 잘 보이지 않는 미세한 돌기가 있다. 이 돌기는 상어가 물 속에서 받는 저항을 줄이는 역할을 한다.


 

상어가 수영을 잘 하는 비결은 비늘에 나 있는 작은 돌기 덕분이다.


수영을 하면 흐르는 물이 피부에서 빙글빙글 맴도는 와류 현상을 일으킨다. 이 때문에 마찰저항이 늘어나 수영 속도가 느려진다. 그러나 상어 비늘의 작은 돌기는 맴돌이류를 상어 비늘에서 멀리 쫓아내 마찰을 줄이고, 수영 속도를 높여준다.


이같은 상어 비늘의 비밀은 자동차, 비행기, 잠수함, 수영복 등 공기나 물의 저항을 받는 운송 수단에서 활발하게 이용되고 있다.

일본의 타이어 회사인 브리지스톤 사는 최근 상어 비늘의 원리를 이용한 타이어를 선보였다. 이 회사는 타이어 홈에 상어 비늘처럼 미세한 돌기를 만들어 물이나 공기가 와류 현상을 일으키지 않고 빨리 빠져나가도록 만들었다.

비행기도 인공 상어 비늘을 겉에 붙인다. 미국의 3M사는 상어 비늘처럼 돌기가 나 있는 필름을 만들었고, 미국의 항공사인 캐세이퍼시픽 사는 이 필름을 비행기 표면에 붙였다.


최해천(기계항공공학부) 교수는 1992년 인공 상어 비늘을 비행기에 붙이면 최대 8%까지 공기 저항을 줄일 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 항공기는 조금만 공기 마찰을 줄여도 연료를 크게 줄일 수 있다. 상어 비늘의 원리는 잠수함을 만들 때도 이용됐다.

상어의 온몸을 뒤덮고 있는 미세 돌기


최근 수영 선수들도 인공 상어 비늘을 달고 물살을 헤치며 신기록을 경신하고 있다. 2000년 시드니 올림픽부터 등장한 전신 수영복이 바로 그것. 그전에도 상어 비늘을 붙인 요트가 대회에서 1등을 차지해 주목을 받기도 했다.


어느 날 잠자기 전 침대에 누워 다섯 살배기 딸에게 책을 읽어 주다가 우연히 ‘물속에서 가장 빠른 동물은 돛새치’라는 글을 보고 깜짝 놀랐다. 인터넷을 뒤져보니 돛새치는 무려 시속 110km로 헤엄친다고 한다. 상어는 겨우(?) 시속 60km밖에 되지 않는데 말이다.


이때부터 궁금증에 물밀 듯이 솟구쳐 왔다. ‘돛새치의 피부는 어떻게 생겼을까?’ ‘상어와 뭐가 다를까?’


그러나 인터넷을 아무리 뒤져도 돛새치의 피부 모양은 좀처럼 찾기 어려웠다. 태평양에 사는 것을 확인하고 한 참치 통조림 회사에 연락해 돛새치 한 마리를 잡아 달라고 부탁했다.


그로부터 석 달 뒤 부산항에서 꽁꽁 언 새끼 돛새치를 구경할 수 있었다. 트럭에 싣고 실험실에 가져온 뒤 피부구조를 찬찬히 살펴보면서 실험했다.


“이 피부가 정말 물의 저항을 줄일 수 있긴 한 거야?”


하지만 저항은 줄지 않았다. 그러다 불현듯 생각 하나가 떠올랐다.


“혹시 냉동될 때 사람처럼 소름 끼친 피부를 우리가 보는 것 아냐?”


살아 있는 돛새치를 보고 싶었다.


돛새치 전문가를 찾아 한국게임피쉬협회와 접촉했다. 말레이시아 앞바다에 가면 살아 있는 돛새치를 잡을 수 있다는 이야기를 듣고, 말레이시아 원정길에 따라나섰다. 뱃멀미를 겪으며 3일간 사투 끝에 겨우 돛새치 한 마리를 잡을 수 있었다.


배 위에 파라솔을 펼치고, 현미경으로 사진 찍고, 컴퓨터에 저장하고 한참을 호들갑을 떤 뒤 뭍으로 돌아왔을 때 우리를 반긴 것은 현지 어민들의 휘둥그레진 눈이었다. 연구를 한답시고 돛새치를 잡으러 우르르 몰려온 외지인들이 신기했을 것이다.


짐작한 대로 돛새치 피부에는 특이한 돌기가 있었다. 돛새치 피부를 모방해 물속 저항을 줄이는 실험은 지금도 계속되고 있다. “저항아 제발 줄어라”라고 기도하면서. 길이 2.1m의 돛새치는 멋있게 박제되어 이제는 우리 실험실에 진열되어 있다.


딸 덕분에 우리 실험실의 관심사는 생체모방공학으로 옮겨가고 있다. 돛새치, 날치, 나비, 잠자리, 돌고래 등 우리가 따라 배울 동물은 많다. 지금도 매일 밤 딸의 책 속에서 동물을 쫓는 모험은 계속된다. “자녀들에게 과학책을 읽어 줍시다. 뜻밖에 좋은 일이 생길 겁니다!”


최해천 서울대 공대 교수·기계항공공학부 choi@snu.ac.kr


최해천 교수의 약력

1985년 서울대 기계공학과 졸업(학사)

1992년 미국 스탠퍼드대 기계공학과 졸업(박사)

1993년 미국 Center for Turbulence Research 연구원

1995년 - 현재 서울대 기계항공공학부 교수

1997년 - 현재 창의적연구진흥사업 난류제어연구단장

1998년 제1회 젊은과학자상 수상(대통령상)

2000년 대한기계학회 남헌학술상

2002년 한국과학기술한림원 준회원

2004년 - 현재 대한기계학회 유체공학부문 운영위원회 위원


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