종이접기 원리를 이용한 다양한 구조 설계

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-16

종이 접기는 간단한 종이 한 장을 예쁜 종이 기중기로 만들 수 있다. 그러나 종이 접기의 예술 뒤에 숨은 원리는 혈액 시험을 하는 미세유체역학 장치(microfluidic device)를 만들거나 인공위성용 태양전지를 로켓의 화물칸에 저장하기 위한 장치를 만드는 데에도 적용될 수 있다. 미국 펜실베이니아 대(University of Pennsylvania)의 연구진은 접거나 절단하여 장식적인 형상으로 만드는 예술인 종이 접기를 이처럼 매우 다른 길이 규모를 가지는 구조물들에 동일하게 적용될 수 있는 기법으로 전환하고 있다. 새로운 연구에서 연구자들은 육방 격자를 접고 절단하여 다양한 형태의 유용한 3차원 형상으로 만들기 위한 규칙을 설계하였다. 이러한 규칙은 절단이나 접기가 이루어진 후에 육각형의 비율이 손상되지 않은 상태로 남아있기 때문에 임의의 크기를 가지는 시재료(starting material)에도 적용될 수 있다. 이러한 특성은 나노기술, 건축, 항공우주 등 분야에 무관하게 궁극적인 응용분야에 대한 관련성에 기초하여 재료가 선택되도록 한다. 이 연구는 펜실베이니아 대의 물리 및 천문학과 소속의 박사 후 연구자인 토엔 캐슬(Toen Castle), 재료과학 및 공학과 교수인 슈 양(Shu Yang), 물리 및 천문학과 교수인 랜달 카미엔(Randall Kamien) 등에 의하여 수행되었다. 학부생인 싱팅 공(Xingting Gong), 박사 후 연구자인 다니엘 서스만(Daniel Sussman), 대학원생인 유연 정(Euiyeon Jung), 박사 후 연구자인 이길 조(Yigil Cho) 등이 기여하였으며, 이들의 연구는 물리학과 관련된 한 국제 학술지(학술지명: Physical Review Letters)에 출판되었다. "만약 당신이 놀라운 종이 접기 작품을 보았다면, 그것은 임의의 형상을 가지는 작은 접기 부분들을 가질 것이다. 우리는 이보다 더 간단한 무엇인가를 만들고 싶었다. 만약 접기 및 절단의 크기에 대한 표준이 있다면, 우리는 임의의 길이에 대하여 수학을 적용할 수 있다. 우리는 시트의 크기에 대한 지식을 가질 필요 없이 채널, 문, 계단, 기타 3차원 형상 등을 만들고, 이러한 구성 요소들을 조합하여 더 복잡한 형상으로 만들 수 있다"고 랜달 카미엔 교수가 말했다. 육방 격자는 시작점으로 이상한 선택이라고 여길 수도 있지만, 이러한 패턴은 정사각형으로부터 만들어진 것처럼 외견상으로 더 간단한 쪽매맞춤(tessellation: 정삼각형•정사각형•정육각형과 같이 똑같은 모양의 도형을 이용해 어떠한 빈틈이나 겹침도 없이 공간을 가득 채우는 것을 일컫는 말)과 대비하여 장점을 가진다. "육각형들이 연결된 중심들은 삼각형을 형성한다. 그래서 하나의 육방 격자로 시작하면 무상으로 삼각형들을 얻을 수 있다. 이것은 마치 하나에서 2개의 격자를 얻는 것과 같은 것이다. 그러나 만약 정사각형으로 시작하면 단지 정사각형들만 얻을 수 있다"고 토엔 캐슬이 말했다. "더불어 육방 격자를 이용하면 공간을 채우고, 2차원에서 3차원으로 이동하는 것이 더 쉽다. 이것이 바로 벌집과 같은 육방 격자가 자연에서 발견되는 이유이다"라고 슈 양 교수가 말했다. 연구자들은 한 장의 종이 위에 있는 평평한 육각 격자로부터 시작하여 비록 재료 일부가 제거되더라도 결과로 얻은 형상이 초기 격자와 동일한 비율을 유지하도록 기본적인 절단 및 접기에 대한 윤곽을 잡았다. 이것은 종이에서 시작하여 실세계의 응용분야에서 사용될 수 있는 재료로 전환하기 위한 결정적인 특성이다. "당신은 종이 시트를 그 위에 쌓을 수 있는 막대로 이루어진 그물망을 위한 형판(template)으로 여길 수 있다. 양자택일로 당신은 이 종이를 비계(scaffold: 공사 시공 상 설치되는 가설물의 일종으로 작업 바닥이나 작업원의 통로로 이용됨.)에 부착되는 막(membrane)으로 여길 수도 있다. 이 두 개념은 처음부터 이론에 존재하는 것이다. 이것은 단지 당신이 막대를 만들기를 원하는지, 아니면 막대 사이에 있는 재료를 만들고자 하는지의 문제"라고 토엔 캐슬이 설명하였다. 일련의 규칙을 기본적인 수학적 원리에서 채택하였다는 것은 종이 접기 방식이 다양한 길이의 규모에 걸쳐, 거의 모든 재료에 대하여 동일하게 적용될 수 있음을 의미한다. "우리가 설계한 규칙은 당신에게 어떻게 절단할지를 알려주므로, 당신은 단지 직선 상에서 접기만 수행하면 된다. 그래서 당신이 직선들을 함께 접으면 막대는 같은 길이를 유지하며, 중심들은 같은 거리를 떨어져 있게 된다. 당신은 접기를 만들기 위하여 막대 일부를 구부려야 할 수도 있지만, 이들을 늘릴 필요는 없다. 이는 당신이 접기를 완료했을 때 전체 구조가 여전히 강성을 유지한다는 것을 의미한다"고 랜달 카미엔 교수가 말했다. "이것은 당신이 자신의 응용분야를 위하여 원하는 특성을 가지는 재료를 선택하는 문제에 불과하다는 것을 의미한다. 우리는 이 기술을 그라핀(graphene: 탄소원자들이 벌집 모양으로 얽혀 있는 얇은 막 형태의 나노 소재. 강도는 강철의 200배로 다이아몬드와 유사하며 열전도율은 구리의 13배, 전기 전도성은 실리콘의 100배에 달해 다양한 소재로 활용이 가능하다.)과 같은 나노미터 규모의 재료에서부터 의류를 만드는 재료, 국제 우주정거장이나 인공위성에서 볼 수 있는 재료에 이르기까지 다양한 재료에 적용할 수 있다"고 슈 양 교수가 말했다. 또한, 이 규칙은 유체의 유동을 안내할 수 있는 채널과 같은 기본적인 형상인 모듈이 좀 더 복잡한 모듈로 결합되는 것을 보장한다. 예를 들어 이러한 접기와 절단을 반복하면 서로 다른 점들에서 스스로 고정될 수 있는 라쳇팅(ratching: 한쪽 방향으로만 회전하게 되는 거동)의 경계면을 만들 수 있다. 이러한 구조적 특징은 채널의 부피를 변경할 수 있으며, 심지어 로봇을 위한 구동기로 역할을 수행할 수도 있다. 종이 접기는 특히 나노미터 규모의 응용분야에서 매력적이다. 왜냐하면 나노미터 규모의 경우 가장 간단하고 가장 공간적으로 효율적인 형상이 필요하며, 자체적으로 접기가 가능한 재료는 이처럼 미세 규모에서 동작하는 데에 있어 제작과 관련되어 내재된 난관의 일부를 피할 수 있을 것이다. 이 연구는 미국의 국립 과학 재단(National Science Foundation), 미국 철학회(American Philosophical Society), 사이먼 재단(Simons Foundation) 등에 의하여 연구자금을 지원받았다. [관련 논문의 서지 정보] F. P. An et al. Search for a Light Sterile Neutrino at Daya Bay. Physical Review Letters, 2014; 113 (14), 141802 DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.141802 2014-12-11_paper.jpg http://www.sciencedaily.com/releases/2014/12/141211142618.htm