자성유체란? 자석에 붙은 액체, 자성유체의 성질과 원리

[자성유체란? 자석에 붙은 액체, 자성유체의 성질과 원리] 

지구에서 컵에 물을 따르는 것은 간단합니다. 중력 덕분에 옮겨지는 것이지요. 지구에서는 기계 사이에 윤활유를 바르는 것도 간단합니다. 중력 덕분에 기계를 타고 흘러주니까 복잡하지 않습니다. 그런데 중력이 없는 우주에서는 어떻게 해야 할까요? 자성유체란 그래서 발명된 것입니다. 하지만 자성유체의 성질과 원리를 이용하면 지구에서도 유용하게 사용할 수 있는 발명품이기도 합니다. 

[글의 순서]

1. 자석 같은 액체, 자성유체 성질

2. 아폴로 계획, 나사의 자성유체 발명

3. 자성유체의 원리와 성질

자석 같은 액체, 자성유체 성질 

진공이며 중력이 없는 우주에서 물을 쏟으면 커다란 물방울이 되어서 공중에 둥둥 떠 있습니다. 우주인이 물을 마실 때는 흡입해서 마시면 되지만, 무중력 상태에서 우주선에 기름을 주유해야 한다면 어떻게 해야 할까요? 아니 그 보다도... 원료가 일정한 방향으로 흐르게 하려면 어떻게 해야 하는지가 더 골칫거리입니다. 

(사진: 자성유체 원리를 이용해서 만들어낸 놀라운 모양. 기름에 철성분을 섞어서 자석으로 모양과 이동을 조절할 수 있는 것이 자성유체이다. [자석 같은 액체, 자성유체 성질] / ⓒ Andrew Magill)

지구에서야 중력 덕분에 액체가 자동으로 한 방향으로 흐르지만, 우주에서 엔진에 일정하게 연료가 들어가게 하는 것은 어려운 일입니다. 자성유체의 원리나 성질은 바로 이럴 때 필요합니다. 액체 분자끼리 자석처럼 끌려가게 해서 한 방향으로 흐르게 하는 것이 가능해집니다. 

(사진: 자성유체 발명은 1960년 나사가 우주개발을 하기 위해 시작되었다. 자성유체란, 우주선의 연료공급, 우주복의 밀폐 등에 사용되는 물질이다. [자석 같은 액체, 자성유체 성질] / ⓒ Free-Photos)

한 가지 더 생각해 봅시다. 우주인이 우주복을 입고 우주로 나갔을 때, 장비끼리의 이음새 부분은 어떻게 메워야 할까요? 우주는 진공이지만 우주복 내부는 1 기압으로 일정하기 때문에 공기가 새어나가면 우주인이 위험해집니다. 그렇다고 이음새를 완전히 고정시켜버리면 움직일 수가 없습니다. 

(사진: 자성유체란 원리를 이용하면서 인간은 기름마저도 자유자재로 조정할 수 있게 되었다. 나사 아폴로계획의 발명품이다. [자석 같은 액체, 자성유체 성질] / ⓒ Murphy Chen)

외부와 완전히 차단하면서도 부드럽게 이음새가 접합되게 하려면 어떻게 해야 할까요? 우주인의 목숨이 달린 것이니 이것은 매우 중요한 일입니다. 자성유체의 성질과 원리는 또한 이런 때 필요합니다. 이음새 부분에 자성유체란 것을 흐르게 하면 미세한 간격을 액체가 메우고 윤활유 역할까지 하게 됩니다.

아폴로 계획, 나사의 자성유체 발명 

자성유체란 1960년대의 미국과 소련이 치열하게 우주선 발사 경쟁을 하던 때에, 우주에서의 고민을 해결하기 위해서 NASA에서 발명한 것입니다. 자성유체의 성질과 원리를 이용하면 로켓의 연료가 무중력 상태에서도 원하는 대로 흐르게 됩니다. 액체를 자석처럼 끌려가게 하면 되는 것입니다. 

(사진: 아폴로 우주선. 미국 나사는 소련과 치열하게 우주선 발사 경재을 하던 중 액체의 제어라는 필요성에 의해 자성유체란 것을 발명하게 되었다. [아폴로 계획, 나사의 자성유체 발명] / ⓒ NASA)

더구나 우주인의 안전을 보장할 수 있고 효율적인 우주복도 만들 수 있으니 매우 획기적인 발명품이었습니다. 그리고 이것을 발명한 과학자는 '파펠(S. Papell)'이라는 사람입니다. 1965년, 미국의 '아폴로계획'을 위해 연구된 자성유체의 원리는 로켓을 우주로 날려 보낼 수 있는 중요한 기술이 되었습니다. 

(사진: 자성유체를 발명한 과학자 파펠이 실험을 하고 있는 모습. 자성유체의 성질을 이용할 수 있는 것은 그의 아이디어에 의해서였다. [아폴로 계획, 나사의 자성유체 발명] / ⓒ NASA)

그런데 우주개발계획이 주는 덤이 또 있는데, 그것은 신기술의 현실화입니다. 우리 주변만 해도 우주개발의 부산물로 인해 생활이 편리해진 것들이 많습니다. 당연하게 자성유체의 성질과 원리도 인간의 생활을 편리하게 만드는 역할을 하고 있습니다. 이미 의료 치료제, 화장품, 음향제품, 기계요소 등에 사용되고 있는 기술입니다. 

(사진: 자성유체의 성질. 혈관을 돌아다니다가 자기력에 의해 필요한 세포기관으로 이동시키는 개념을 설명하고 있다. 즉 나노기술의 설명이다. [아폴로 계획, 나사의 자성유체 발명] / ⓒ omicsonline.org)

의료용의 기술은 더욱 획기적입니다. 신체 일부에 암이 발생할 때 먹는 항암제는 온몸에 부작용을 만듭니다. 무해한 자성물질을 약물에 섞어 주입한 후 전자기를 이용해서 약물이 필요한 장기까지 이동시킬 수가 있기 때문에, 인체 깊숙한 곳까지 첨단기술로 치료할 수 있습니다. 이렇듯 자성유체란 뜻은 쉽게 말해서 자석의 성질을 가지게 만든 액체라는 의미입니다.

자성유체의 원리와 성질 

한때 자석처럼 끌려오는 액체나 물 위에 떠 있는 쇠구슬을 찍은 동영상이 자성유체의 원리와 함께 인기를 끈 적이 있었습니다. 이처럼 액체가 금속 같은 성질을 띄게 되는 것은, 액체에 섞인 자성물질 때문입니다. 마그네타이트, 산화철 등을 사용하는데, 자성유체의 원리에 사용되는 산화철은 머리카락 굵기의 10만 분의 1 단위인 '나노' 크기로 매우 작습니다. 

(사진: 자성유체란 결국 나노기술인 것이다. 나노는 머리카락 굵기의 10만 분의 1 정도인 크기를 말한다. 기름분자에 섞인 철성분이 자성유체의 정체이다. [자성유체의 원리와 성질] / ⓒ Nickynada)

자성유체란 이런 초미립자 분말이 섞인 물이나 기름을 말합니다. 나노 크기 산화철의 실제 크기는 0.01 미크론 정도가 됩니다. 액체와 섞을 때는 분말끼리 뭉치지 않도록 계면활성제도 들어갑니다. 아무리 작더라도 쇠가루끼리는 뭉쳐서 가라앉게 마련이지만, 계면활성제가 보강되면 원래 분자의 브라운운동과 함께 서로 밀어내는 성질이 생기며 골고루 분산되니 그냥 액체처럼 보이게 됩니다. 

(사진: 자성유체의 성질을 이용해서 만든 예술작품. 자성유체란 의외의 모습을 만들어내기 때문에 초등학생에게도 동영상 실험 등이 인기 있다. [자성유체의 원리와 성질] / ⓒ Ken Kennedy)

자성유체의 원리는 결국 눈에 안 보일 정도의 철가루를 설탕 녹이듯 섞었다고 할 수 있겠습니다. 설탕이 섞인 물에 단맛이 생기듯이 철을 녹인 액체에서는 그 자체가 자성에 반응하는 것처럼 됩니다. 여기에 자석이나 전기로 자기장을 만들어 주면 액체를 자유자재로 조정할 수 있게 되는 것입니다. 자성유체의 원리는 철가루가 자석에 끌리는 것이지만 너무 작아서 눈에 안 보이니까 액체가 자석처럼 보입니다. 

[저작권법 표시] 이 글의 원본: 키스세븐(www.kiss7.kr)

(사진: 자성유체 성질을 이용해서 만든 제품의 예. 마그네틱 테이프와 스피커는 그 중에서도 일상생활에 직접 적용되는 원리이다. [자성유체의 원리와 성질] / ⓒ Iain / PublicDomainPictures / Journey234 / www.kiss7.kr 편집)

보통은 기름 등의 액체에 섞어서 사용하며 처음에는 우주선의 안팎을 밀봉하는 데 사용하였습니다. 자성유체 원리를 이용하면 작은 틈새마다 기름으로 코팅하듯이 막아서 공기가 새는 먹을 막을 수가 있기 때문입니다. 최근에는 신용카드 같은 자기력 카드에도 활용되고, 기름에 섞어 물과 분리를 할 때나 고성능 스피커를 만들 때도 사용되고 있습니다. 액체에 철가루 성분을 섞었을 뿐인데, 현대의 기술은 어마어마한 활용을 하고 있는 것입니다. 그리고 거기에는 나노기술이 핵심이었습니다.