[과학동아]여재익 교수, ‘빵’ 터뜨려 새로운 기계 만든다

(내용본문)
주사 바늘은 무섭다. 바늘이 살갗을 깊숙이 뚫는 장면도, 그때의 통증도 즐겁지 않다. 여재익 서울대 기계항공공학부 교수는 바늘 없는 무통 주사기를 개발해 주사기의 공포에서 벗어나는 길을 열었다.
여 교수는 “이 주사기의 원리는 주사기 안에서 레이저로 작은 폭발을 일으켜 약물이 주사기 노즐을 통해 몸안에 주입되도록 하는 것”이라고 말했다. 일반 주사기 안에는 약물만 들어 있지만 이 주사기는 위쪽에 물이 있고, 아래쪽에는 약물이 있다. 물과 약물 사이에는 고무막이 있다. 위쪽의 물에 레이저를 쏘면 순간적으로 강한 폭발이 일어나 대기압의 1만 배나 되는 압력이 생겨 고무막을 민다. 고무막이 밀어낸 약물은 초속 100~200m의 빠른 속도로 피부를 뚫고 원하는 위치에 주입된다.
통증은 피부 아래 그물처럼 촘촘히 깔린 신경망으로 느낀다. 이번에 개발한 주사기는 피부 밑 원하는 위치까지 약물을 주사할 수 있다. 신경망 직전까지 약물을 넣으면 통증이 없다. 신경망 너머까지 약물을 전달한다 해도 노즐의 크기가 100μm(마이크로미터, 1μm=100만 분의 1m) 정도로 아주 가늘어 신경망을 피할 수 있다. 신경망을 건드린다 해도 약물이 유입되는 속도가 아주 빨라 통증을 느낄 새가 없다.
“지금도 대부분의 피부과 병원에 레이저 치료기가 있습니다. 여기에 우리가 개발한 주사기를 끼우면 바로 사용할 수 있습니다. 피부에 발라 흡수되는 약에 비해 원하는 대로 정확하게 투약할 수 있다는 장점이 있습니다.”


로켓 본딴 무통 주사기

여 교수가 개발하기 전에 바늘 없는 주사기가 없었던 것은 아니었다. 하지만 주사기 노즐에서 나오는 물줄기가 신경망 사이의 간격보다 커 통증을 없애진 못했다.
“노즐의 크기가 작을수록 아주 강한 힘이 필요합니다. 표면장력의 저항을 뚫고 약물을 빠른 속도로 밀어내야 하기 때문이죠. 이번에 개발한 무통 주사기는 기존 주사기보다 큰 힘으로 밀어내 아주 빠르게 주입할 수 있습니다. 레이저로 일으킨 폭발이 강한 힘의 원천입니다. 로켓을 쏘는 추진제에서 아이디어를 얻었죠.”
레이저를 가공용이 아닌 동력원으로 사용하는 발상의 전환이 만든 결과다. 지금껏 레이저는 주로 반도체 제작과 같이 정교한 가공이 필요할 때 사용했다. 하지만 여 교수는 레이저로 강한 힘을 내는 동력을 얻었다.
무통 주사기는 폭발로 인해 비정상적으로 높아진 압력을 에너지원으로 삼는다. 물에 레이저를 쏘면 방울이 생기는데, 이 방울은 순간적으로 수축했다 팽창한다. 일종의 폭발이 일어나 강한 에너지가 발생한다.
여 교수는 원래 로켓이나 화약의 ‘비정상 연소’를 연구했다. 비정상 연소는 연료나 폭발물이 비정상적으로 타거나 터져 갑자기 제어할 수 없는 고온, 고압 상태가 되는 것을 말한다. 보통 비정상 연소가 일어나면 로켓이 제대로 된 궤도로 가지 않거나, 원하지 않을 때 폭탄이 터져 큰 피해가 생긴다.
기계공학을 공부하며 제일 잘하고, 재미를 느꼈던 분야를 선택하다 보니 여 교수는 자연스럽게 이를 전공으로 선택했다. 로켓이나 화약을 가장 많이 다루는 군대에서 이 분야에 관심이 많다. 그는 박사 학위를 받은 뒤 미국의 주요 군사 연구소인 로렌스 리버모어 국립연구소에 취직했다. 하지만 한국에 돌아온 뒤 그는 비정상 연소를 군대만이 아닌 생활에서 활용하는 방법을 고민하기 시작했다.
“우리 곁에서도 비정상 연소를 볼 수 있습니다. 자동차 엔진 일어나는 ‘노킹’이라는 현상입
니다. 자동차 엔진 안에서 휘발유가 비정상적으로 타거나 폭발해 소음과 진동을 일으킵니다. 이 현상이 계속되면 엔진에 치명적인 손상이 일어나기도 하죠.”
여재익 교수가 이끄는 익스트림 에너지 연구실에서는 비정상 연소 연구를 통해 미래에 사용할 수소엔진의 노킹 현상을 연구하고 있다.
달의 자원을 탐사하는 데도 폭발을 이용한다. 고출력의 레이저로 달의 표면을 쏘면 일시적으로 작은 폭발이 생겨 표면의 일부가 이온화된다. 이온화된 물질은 시간이 지나면 에너지를 방출하며 원래 상태로 돌아간다. 이 때 방출되는 에너지는 원소의 종류와 상태에 따라 고유의 파장을 갖는다. 이 파장을 읽으면 지표면에 있는 자원을 파악할 수 있다.
“먼 거리에서 지표면의 물질을 알 수 있기 때문에 우리나라가 달 탐사를 시작한다면 꼭 필요한 연구입니다.”


새로운 물리현상 알아가는 재미가 있어

자동차와 비행기, 미사일이 정상적으로 작동하는 상황, 바로 정상 연소를 기본으로 생각하고 비정상 연소를 예외적이라 생각해 관심이 많지 않다. 대부분 비정상 연소 현상 자체를 없애려고 노력한다. 하지만 이를 적극적으로 이용한다는 발상의 전환은 흔치 않다.
“폭발과 같은 비정상 연소는 많이 연구되지 않았습니다. 예측할 수 없을 것 같은 이런 현상도 물리학과 응용수학으로 해석하고 분석할 수 있습니다. 기초가 충실하고 물리학과 응용수학에 재미를 느낀다면 누구나 연구할 수 있습니다. 고에너지 연구에서는 큰 온도와 압력 때문에 지금껏 밝혀지지 않은 현상을 관찰할 수 있고, 새로운 방식의 기계를 만들 수 있습니다.”
이미 연구된 것에서 눈을 돌리면 새롭게 활용할 수 있는 분야가 많다. 여 교수는 이런 분야에 더 많은 학생들의 도전을 바란다.
“항공기나 자동차 안에는 아직 연구되지 않은 재미나고 독특한 물리 현상이 가득합니다. 이런 현상 중 하나에 집중해 연구하고 응용한다면 새로운 이론을 발견하고, 색다른 기계를 만들 수 있습니다.”


첨부파일:
1. ‘빵’ 터뜨려 새로운 기계 만든다_익스트림에너지연구실_여재익 교수님.pdf
2. 익스트림에너지공학.pdf