3D 격자가 열을 코어 둘레로 돌려 표면 온도 흔적을 줄였다

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University of Illinois Urbana-Champaign News Bureau가 2026년 10월 26일 소개한 연구는 열을 3차원 구조물 주위로 흐르게 해 내부 물체가 주변 온도 분포에 남기는 흔적을 줄입니다. 논문은 Weichen Li, Yibo Wang, Ole Sigmund, Xiaojia Shelly Zhang이 공동 작성했으며 2026년 5월 20일 Nature Communications에 실렸습니다.

선행문헌에는 3차원 열 은폐와 열 환영 장치, 복사 위장 연구가 있습니다. 이번 논문이 다루는 구체적인 과제는 복잡한 3차원 형상에 위치별·방향별 열전도 특성을 가진 연결 격자를 제작하고 전방향 은폐를 실험하는 일입니다. 논문은 앞선 일부 불규칙 3차원 설계가 제작 가능한 등방성 구조를 만들었지만 전방향 은폐는 달성하지 못했다고 설명합니다.

카메라가 보는 것은 시료 표면의 온도 분포이며, 은폐 대상은 고체 매질 안의 코어가 열전도 흐름에 남기는 흔적입니다. 이를 줄이려면 구조물의 열전도율이 위치에 따라 달라지고 방향별로도 달라져야 합니다. 연구진은 서로 직교하는 알루미늄 합금 막대 세 개로 격자 단위를 만들고 빈 공간을 열전도율이 낮은 PDMS로 채웠습니다. 각 위치에서 막대의 단면 폭을 조절해 열이 통과하는 정도를 바꾸고, 막대 방향도 필요한 열전도 방향에 맞췄습니다. 단위들을 이어 전체 구조를 만들면 열이 코어 둘레로 흐릅니다.

대표 시료는 사과 모양의 내부 코어를 배 모양 외곽 구조 안에 넣은 형태입니다. 알루미늄 격자는 금속 3D 프린팅으로 만들고 PDMS와 주변 매질은 주형으로 제작했습니다. 시료 양옆에는 열이 통하지 않는 경계를 만들도록 2mm 두께의 PDMS 층을 두고 위쪽은 40°C 열원에, 아래쪽은 얼음물에 연결했습니다. 60분간 가열해 정상상태에 도달한 뒤 적외선 카메라로 앞면과 뒷면의 온도 분포를 촬영했습니다.

논문은 전방향성 열 은폐를 실험에서 재현했다고 보고합니다. 본문에 상세히 제시한 온도 지도는 열을 수직과 수평 방향으로 가한 조건에서 얻었습니다. 두 조건에서 시료 주변의 같은 온도를 잇는 선은 대체로 곧고 간격이 일정했으며 내부 코어의 온도 기울기는 줄었습니다. 측정 결과는 연구진의 수치해석과도 일치했습니다. 하트형 3차원 구조의 실험 결과도 보충자료에서 추가로 분석합니다.

사람 얼굴 형상은 플라스틱 출력물로 제작했고, 열 은폐 성능은 Z·X·Y 세 방향에서 열이 흐를 때의 유한요소해석으로 평가했습니다. 계산에서는 배경의 온도 분포가 얼굴 모양 코어를 피해 흐르고 코어 내부의 온도 기울기가 작아졌습니다. 얼굴 형상은 적외선 카메라로 열을 촬영한 실험 사례와 구분됩니다.

주요 열화상 실험은 60분 가열 뒤 정상상태에서 온도 분포를 관찰했습니다. 논문은 실제 적용 조건으로 재료의 작동 온도 범위와 접합면의 열저항, 과도 상태의 성능과 특성 시간도 보충자료에서 다룹니다. 현재 구조가 다루는 것은 외부 열원이 만드는 전도 흐름입니다. 논문은 배경에 열원이 있는 조건도 수치해석으로 검토했지만 내부 코어 자체가 열을 내는 경우를 감추는 기능은 별도 과제로 남겼습니다. 연구진은 그런 물체를 숨기려면 내부 열을 능동적으로 모으거나 분배하고 흐름을 제어하는 재료가 필요하다고 설명했습니다. 시험은 고체 시료 안의 코어를 대상으로 했으며 공기 중 사람이나 장비의 적외선 복사열을 가리는 조건은 다루지 않았습니다.

논문은 설계와 재료 정보를 Zenodo에 공개했습니다. 계산 코드는 논문 제출 당시 추가 개발 중이어서 요청 시 제공한다고 기재했습니다.

자료: ScienceDaily, Nature Communications / 정리·해설: Trawling