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. 한국과학기술원 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.

한국과학기술원은 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.

< 미켈란젤로가 천지창조를 그리는 가상의 연출 장면(AI 이미지) >

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)와 KAIST UP Program의 지원을 받아 수행되었다.