상어를 만져본 적이 있으신가요? 촉감 면에서 매우 거친 경험일 것입니다. 그 이유는 특이한 홈이 파인 미세한 상어 비늘들이 스팽글 드레스처럼 온몸을 감싸고 있기 때문입니다. 이러한 모습이 반드시 화려해 보이지는 않지만, 상어에게 유체역학적으로 분명한 이점을 제공합니다. 비늘의 홈은 상어의 몸 표면을 미세 구조로 덮어, 몸을 따라 발생하는 에너지 소모적인 물의 와류를 눈에 띄게 줄여 줍니다. 이 미세 구조 덕분에 이 포식자는 시속 70km가 넘는 속도로 물속을 가를 수 있습니다. 저항과 에너지 소비는 줄어들고, 속도는 더 빨라집니다.
도장면에 직접
Michiel Top은 아직 상어 피부를 직접 만져본 적이 없습니다. 하지만 조만간 비행기 부품에 이러한 구조를 적용하고자 합니다. 레이저 설비 제조사인 4Jet에서 동료들과 함께 그는 제품 개발자(Product Developer)로 일하며, 이른바 LEAF 프로젝트에 참여하고 있습니다. 목표는 비행기의 표면을 상어 피부처럼 만드는 것입니다. 물속에서 통하는 원리는 공기 중에서도 통하기 때문입니다. 하늘에서도 미세 구조를 통해 에너지 소비, 즉 항공유 소비를 줄일 수 있습니다. 이 때문에 일부 항공사들은 이미 부착형 구조물을 사용하고 있습니다. 4Jet 기업 역시 이러한 필름을 개발하고 있지만, 장기적으로 더 나은 방법을 지향합니다. Michiel Top은 다음과 같이 설명합니다: "우리는 리블렛(Riblets)이라고 불리는 미세한 V자 모양의 홈을 도장면에 직접 새겨 넣습니다. 이를 통해 마찰 저항을 최대 10%까지 줄일 수 있습니다. 이 마찰 저항은 비행기 전체 저항의 약 50%를 차지합니다. 즉, 비행기 전체에 이 구조를 적용하면 매 비행마다 3~4%의 연료 절감 효과를 거둘 수 있습니다." 비행기는 평균적으로 약 20년 동안 운항되며, 보통 7년마다 재도장을 해야 합니다. 따라서 전체 수명을 기준으로 계산하면, 연료 절감과 CO2 배출 감축 효과는 엄청납니다.
두 개의 레이저 빔이 간섭을 일으켜 표면에 육안으로는 거의 보이지 않는 미세한 V자 모양의 홈을 만들어 냅니다.
완전히 평평하지 않은 비행기 표면에서도 안정적으로 구조화될 수 있도록 4Jet 기업은 이례적으로 높은 초점심도를 선택합니다.
V자 모양의 홈, 이른바 리블렛이 도장면에 직접 적용됩니다. 이는 전체 저항을 50% 줄일 수 있어 엄청난 연료 절감 효과로 이어집니다.
줄무늬 형태의 미세한 리블렛
그렇다면 왜 비행기에 중량을 더하고 쓰레기가 되는 필름을 사용하는 걸까요? 수백 제곱미터에 달하는 비행기 도장면에 완벽하게 기능적인 미세 구조를 매우 짧은 시간 내에 새겨 넣을 방법이 지금까지는 없기 때문입니다. 불가능합니다. 그런 기술은 존재하지 않습니다. 마침표. 하지만 4Jet 기업에서 LEAF 팀의 강조점은 다릅니다: 불가능하다고요? 그런 건 없습니다! 느낌표. LEAF는 레이저로 향상된 공기 흐름(Laser Enhanced Air Flow)을 지향합니다. 이 프로젝트는 10년 전부터 시작되었으며 야심 찬 아이디어를 추구하고 있습니다. 이 공정은 표면 구조화를 위해 레이저 간섭이라는 물리학적 현상을 이용합니다. 4Jet 기업은 특수 광학장치를 통해 레이저 빔을 분할한 후, 두 빔이 서로 중첩되어 상호작용하도록 다시 결합합니다. 이러한 상호작용은 서로 다른 강도를 가진 특유의 패턴을 만들어냅니다. 이를 통해 마이크로미터 단위의 미세한 규모로 표면을 변형할 수 있습니다.
Lukas May는 4Jet 기업에서 LEAF 설비를 담당하고 있습니다. 그는 다음과 같이 설명합니다: "우리는 100마이크로미터 폭과 50마이크로미터 리블렛으로 이루어진 질감을 만들어냅니다. 이 매우 섬세한 마이크로 구조를 약 400제곱미터에 달하는 비행기 날개 표면에 균일하게 적용합니다." 따라서 도장면 가공은 점 단위가 아니라 더 넓은 트랙 단위로 이루어집니다. 설비는 레이저를 이용해 약 15~20센티미터 폭의 스트립을 구조화합니다. 이른바 라인이라 불리는 이 구간 내부에는 완전히 균질한 리블렛 구조가 형성됩니다.
이음새 부분에는 밀리미터 단위의 오차가 발생하지만, 넓은 면적을 감안할 때 기능적으로는 문제가 되지 않다고 May는 설명합니다: "그렇지 않으면 하나의 리블렛 구간을 두 번 가공해야 하는데, 이 경우 재료 내부로 너무 깊이 구조화되어 파고들 위험이 있습니다. 그렇기 때문에 우리는 안전한 방법을 선택합니다. 그럼에도 불구하고 우리는 실제로 거의 2,000개에 달하는 리블렛을 나란히 배치할 수 있으며, 이때 다소 완벽하지 않은 이음새가 하나 발생하게 됩니다." 기존의 레이저 구조화 방식과 비교해 20밀리미터에 달하는 매우 깊은 초점심도 덕분에, 완전히 평평하지 않은 비행기 표면에서도 분당 최대 1제곱미터의 속도로 확실하게 구조화 작업이 이루어집니다.
CO2 레이저 vs. CO2 소비
이 방식이 격납고에 있는 대형 비행기에도 적용되려면, 레이저를 비행기 동체 위로 유도하는 유연한 설비가 필요합니다. 이를 위해 4Jet 기업은 이른바 포털(Portal)을 제작했습니다. 그 크기는 실로 엄청납니다. 알스도르프(Alsdorf) 본사 홀에 설치된 이 실증 장비는 10미터 높이, 20미터 폭에 달합니다. Airbus A330 또는 Boeing 777의 주날개를 가공할 수 있도록 설계되었습니다. 이 설비는 이동 시스템, 레이저, 미러, 간섭 광학장치를 비롯해 센서 시스템과 소프트웨어로 구성되어 있습니다. 빔 소스로는 CO2 레이저 TruFlow 5000이 사용됩니다. 이 레이저가 해당 공정의 물리학적 요구사항을 가장 잘 충족하기 때문입니다.
Michiel Top은 다음과 같이 설명합니다: "파장이 중요합니다. CO2 레이저는 비행기 도장면에 특히 잘 흡수되어 정밀하면서도 재료에 손상을 주지 않는 구조화 가공을 가능하게 합니다." 동시에, 중첩되는 레이저 빔에 의해 생성되는 필수적인 간섭 패턴이 안정적으로 형성되려면 레이저가 높은 코히어런스를 유지해야 합니다. 그래서 TRUMPF는 특별한 격자를 사용해 빔의 스펙트럼 폭을 좁히는 방식 등으로 TruFlow를 4Jet 기업의 사용에 맞게 조정했습니다. "다만 CO2 레이저의 경우에는 광케이블을 사용할 수 없습니다"라고 May는 설명합니다.
포털의 거대한 크기 때문에 비행기 표면까지 레이저 빔이 이동하는 경로가 깁니다. 특별히 개발된 미러 시스템이 빔을 그곳까지 전달합니다. "설비 자체가 비틀릴 수 있기 때문에, 우리는 액티브 트래킹을 사용합니다. 이는 상황에 맞게 각도가 조정되는 움직이는 미러입니다." 거대한 크기에도 불구하고 이 시스템은 자유롭게 이동할 수 있습니다. 레이저 스캐너가 비행기와 설비의 정확한 위치를 인식합니다.
이론적으로는 리블렛 구조를 비행기 전체에 적용할 수도 있습니다. 하지만 4Jet 기업은 실무에서 공기역학적으로 특히 중요한 부분에만 집중적으로 적용합니다. 계산 결과에 따르면, 무엇보다로 공기 마찰력의 영향이 특히 무시할 수 없을 정도로 크게 작용하는 주날개 부분에서 그 효과가 가장 큰 것으로 나타났습니다. 항공사와 같은 잠재 고객들은 이 공정에 열광하고 있다고 Top은 설명합니다. 하지만 LEAF 팀이 그들의 항공기에 상어 피부 기술을 실제로 입히기까지는 아마도 시간이 조금 더 걸릴 것입니다. "우리는 현재 이 서비스를 우리와 함께 공동으로 제공할 항공 분야의 파트너를 찾고 있습니다"라고 May는 설명합니다. 그 이후에는 관계 항공 당국의 필수 인증 절차도 거쳐야 합니다. 이는 많은 시간이 소요되는 작업입니다. 그럼에도 불구하고 May와 Top은 확신에 차 있습니다: "우리는 이것이 상용화되어 실제 비행기에 적용되기까지 앞으로 3~4년은 더 걸릴 것이라는 점을 잘 알고 있습니다. 하지만 우리는 우리의 공정이 제대로 작동한다는 점을 보여주었습니다. 이제 우리는 다음 단계로 나아갈 준비가 되었습니다."
