비등방성 문서 원본 보기

[[파일:WMAP 2010.png|섬네일|위로=1.36|[[윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기|WMAP]]가 촬영한 [[우주 마이크로파 배경 복사]]의 미세한 비등방성 이미지]]
'''비등방성'''(非等方性, {{llang|en|anisotropy}}) 또는 '''이방성'''(異方性)은 [[등방성]]과 반대로 방향에 따라 비균일적인 구조적 특성을 말한다. 비등방성 물체나 패턴은 측정 방향에 따라 다른 특성을 갖는다. 예를 들어, 많은 재료는 서로 다른 축을 따라 측정될 때 [[흡광도]], [[굴절률]], [[전기 저항률과 전도도|전도도]], [[인장 강도]]와 같은 매우 다른 [[물리적 성질]] 또는 재료의 기계적 속성을 나타낸다.

비등방성의 한 예는 [[편광자]]를 통과하는 [[빛]]이다. 다른 예로는 [[목재]]가 있는데, 결의 방향 비균일성 때문에 결을 가로지르는 것보다 결을 따라 쪼개기가 더 쉽다(결은 한 방향으로는 같지만 모든 방향으로는 같지 않다).

== 관심 분야 ==

=== 컴퓨터 그래픽스 ===
[[컴퓨터 그래픽스]] 분야에서 비등방성 표면은 [[기하학적 법선 벡터|기하학적 법선]]을 중심으로 회전함에 따라 외형이 변하며, 이는 [[우단]]의 경우와 같다.

[[비등방성 필터링]](AF)은 멀리 떨어져 있고 얕은 각도로 보이는 표면의 질감 이미지 품질을 향상시키는 방법이다. [[양선형 필터링|양선형]] 및 [[삼선형 필터링]]과 같은 기존 기법은 표면이 보이는 각도를 고려하지 않아 질감에 [[에일리어싱]] 또는 흐릿함이 발생할 수 있다. 한 방향으로 다른 방향보다 세부 사항을 줄이면 이러한 효과를 쉽게 줄일 수 있다.

=== 화학 ===
입자 여과에 사용되는 화학 비등방성 [[여과]] 필터는 여과 방향으로 점점 더 작아지는 간극 공간을 가진 필터로서, [[위치에 대한 해부학 용어|근위부]] 영역은 더 큰 입자를 여과하고 [[위치에 대한 해부학 용어|원위부]] 영역은 점점 더 작은 입자를 제거하여 더 큰 통과 흐름과 더 효율적인 여과를 초래한다.

[[형광 분광법]]에서 편광된 빛으로 여기된 샘플의 형광 [[물리학의 편광|편광]] 특성으로부터 계산되는 [[형광 비등방성]]은 예를 들어 거대분자의 형태를 결정하는 데 사용된다. 비등방성 측정은 광자의 흡수와 후속 방출 사이에 발생하는 형광체의 평균 각 변위를 보여준다.

[[핵자기 공명 분광법|NMR 분광법]]에서 가해진 [[자기장]]에 대한 핵의 방향은 [[화학 이동]]을 결정한다. 이 맥락에서 비등방성 시스템은 [[벤젠]]의 파이 시스템처럼 비정상적으로 높은 전자 밀도를 가진 분자의 전자 분포를 말한다. 이 비정상적인 전자 밀도는 가해진 자기장에 영향을 미치고 관찰된 화학 이동을 변화시킨다.

=== 실제 이미지 ===
중력에 묶이거나 인공적인 환경의 이미지는 방향 영역에서 특히 비등방성을 나타내며, 중력 방향(수직 및 수평)과 평행하거나 직교하는 방향에 더 많은 이미지 구조가 위치한다.

=== 물리학 ===<!-- 이 섹션은 [[복굴절]]과 연결되어 있습니다. -->
[[파일:Plasma-lamp 2.jpg|섬네일|300px|오른쪽|[[플라스마 구]]는 [[플라스마 (물리학)|플라스마]]의 특성, 이 경우 "필라멘트 형성" 현상을 보여준다.]]

[[캘리포니아 대학교 버클리]]의 [[물리학자]]들은 1977년 [[우주 마이크로파 배경 복사]]에서 우주 비등방성을 발견했다고 보고했다. 그들의 실험은 방사선의 원천인 [[대폭발|초기 우주]] 물질에 대한 지구의 운동으로 인해 발생하는 [[도플러 효과]]를 입증했다.<ref>{{웹 인용|title=Detection of Anisotropy in the Cosmic Blackbody Radiation |publisher=[[로렌스 버클리 연구소]] 및 [[우주과학 연구소]], [[캘리포니아 대학교 버클리]] |author1=Smoot G. F. |author2=Gorenstein M. V. |author3-link=Richard A. Muller |author3=Muller R. A. |name-list-style=amp |date=5 October 1977 |url=https://muller.lbl.gov/COBE-early_history/anisotropy-PRL.pdf |access-date=15 September 2013 |url-status=live |archive-url=https://ghostarchive.org/archive/20221009/https://muller.lbl.gov/COBE-early_history/anisotropy-PRL.pdf |archive-date=2022-10-09}}</ref> 우주 비등방성은 은하의 회전축 정렬과 퀘이사의 편광각에서도 관찰되었다.

물리학자들은 비등방성이라는 용어를 재료의 방향 의존적 속성을 설명하는 데 사용한다. 예를 들어, [[플라스마 (물리학)|플라스마]]에서는 [[자기적 비등방성]]이 발생하여 자기장이 선호되는 방향으로 정렬될 수 있다. 플라스마는 또한 방향적인 "필라멘트 형성"을 보일 수 있다([[번개]] 또는 [[플라스마 구]]에서 볼 수 있는 것과 같은).

비등방성 액체는 일반 액체의 유동성을 가지지만, 분자의 구조적 순서가 전혀 없는 물이나 [[클로로폼]]과 달리 분자 축을 따라 서로에 대한 평균 구조적 순서를 갖는다. [[액정]]은 비등방성 액체의 예이다.

어떤 재료는 [[열전도|열을 전도]]하는 방식이 등방성, 즉 열원 주변의 공간 방향에 무관하다. 열전도는 비등방성인 경우가 더 흔하며, 이는 열적으로 관리되는 일반적으로 다양한 재료의 상세한 기하학적 모델링이 필요함을 의미한다. [[일렉트로닉스]]에서 열원에서 열을 전달하고 방출하는 데 사용되는 재료는 종종 비등방성이다.<ref name="Nature8April2013">{{서적 인용|last1=Tian |first1=Xiaojuan |last2=Itkis |first2=Mikhail E |last3=Bekyarova |first3=Elena B |last4=Haddon |first4=Robert C |title=그래핀 나노플레이트 기반 복합체의 얇은 열 인터페이스 층의 비등방성 열 및 전기 특성 |journal=과학 보고서 |volume=3 |pages=1710 |date=8 April 2013 |doi=10.1038/srep01710 |pmc=3632880 |bibcode=2013NatSR...3.1710T}}</ref>

많은 [[결정]]은 [[빛]]에 대해 비등방성("광학적 비등방성")이며, [[복굴절]]과 같은 속성을 나타낸다. [[결정광학]]은 이러한 매질에서의 빛의 전파를 설명한다. "비등방성 축"은 등방성이 깨지는 축(또는 결정층에 수직인 것과 같은 대칭 축)으로 정의된다. 어떤 재료는 이러한 [[결정의 광축|광학 축]]을 여러 개 가질 수 있다.

=== 지구물리학 및 지질학 ===
[[지진 비등방성]]은 방향에 따른 지진 파동 속도의 변화이다. 지진 비등방성은 지진 [[파장]]보다 작은 특징(예: 결정, 균열, 구멍, 층 또는 함유물)이 지배적인 정렬을 가질 때 재료의 장거리 질서를 나타내는 지표이다. 이 정렬은 [[탄성 (물리학)|탄성]] 파동 속도의 방향 변화를 초래한다. 지진 데이터에서 비등방성의 효과를 측정하면 지구의 과정과 광물학에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있다. 지구의 [[지각 (지질학)|지각]], [[맨틀 (지질학)|맨틀]], [[내핵]]에서 상당한 지진 비등방성이 감지되었다.

독립적인 [[퇴적물]] 층을 가진 [[지질학적]] 구조는 전기적 비등방성을 나타낼 수 있다. 한 방향(예: 층에 평행한 방향)에서의 [[전기 전도도]]는 다른 방향(예: 층에 수직인 방향)에서의 전도도와 다르다. 이 속성은 석유 및 [[유전 탐사]] 산업에서 [[모래]]와 [[셰일]] 시퀀스에서 [[탄화수소]]를 포함하는 모래를 식별하는 데 사용된다. 탄화수소를 포함하는 모래 자원은 높은 [[저항률]] (낮은 전도도)을 가지는 반면, 셰일은 낮은 저항률을 가진다. [[층 평가]] 도구는 이 전도도 또는 저항률을 측정하며, 결과는 유정에서 석유와 가스를 찾는 데 사용된다. 석탄 및 셰일과 같은 일부 퇴적암에 대해 측정된 기계적 비등방성은 석탄 및 셰일 저장소에서 가스가 생산될 때 흡착과 같은 표면 속성의 해당 변화에 따라 변경될 수 있다.<ref>{{서적 인용|last1=Saurabh |first1=Suman |last2=Harpalani |first2=Satya |title=다양한 규모의 석탄 비등방성 및 흡착에 따른 그 변화 |journal=석탄 지질학 국제 저널 |date=2 January 2019 |volume=201 |pages=14–25 |doi=10.1016/j.coal.2018.11.008 |bibcode=2019IJCG..201...14S |s2cid=133624963}}</ref>

[[대수층]]의 [[투수계수]]는 동일한 이유로 종종 비등방성이다. [[배수 (공학)|배수로]]<ref>{{웹 인용|url=https://www.waterlog.info/pdf/enerart.pdf|title=입구 저항이 있는 파이프 또는 도랑에 의한 비등방성 토양의 지하 배수에 적용된 지하수 흐름의 에너지 균형|author=Oosterbaan, R. J.|year=1997|archive-url=https://web.archive.org/web/20090219221547/http://www.waterlog.info/pdf/enerart.pdf|archive-date=2009-02-19|url-status=live}} 해당 무료 EnDrain 프로그램은 [https://www.waterlog.info/endrain.htm]에서 다운로드할 수 있습니다.</ref> 또는 [[우물]]<ref>{{웹 인용|url=https://www.waterlog.info/pdf/wellspac.pdf|title=지하 관정 배수|author=Oosterbaan, R. J.|year=2002}} 9 페이지. 해당 무료 WellDrain 프로그램은 [https://www.waterlog.info/weldrain.htm]에서 다운로드할 수 있습니다.</ref>로의 지하수 흐름을 계산할 때 수평 투수율과 수직 투수율의 차이를 고려해야 한다. 그렇지 않으면 결과에 오류가 발생할 수 있다.

[[석영]]과 [[장석]]을 포함하여 가장 흔한 조암 [[광물]]은 비등방성이다. 광물의 비등방성은 [[광학 광물학|광학적 특성]]에서 가장 확실하게 볼 수 있다. 등방성 광물의 예는 [[석류석]]이다.

화강암과 같은 화성암도 응고 과정 중 광물 방향에 따라 비등방성을 보인다.<ref>{{웹 인용|last=MAT |first=Mahmut |date=2018-04-19 |title=화강암 {{!}} 속성, 형성, 구성, 용도 » 지질학 과학 |url=https://geologyscience.com/rocks/granite/ |access-date=2024-02-16 |website=지질학 과학 |language=en-US}}</ref>

=== 의료 음향학 ===
비등방성은 [[의료 초음파]] 영상에서 잘 알려진 속성으로, [[트랜스듀서]]의 각도가 변경될 때 [[힘줄]]과 같은 연조직의 결과적인 [[에코 발생률]]이 다름을 설명한다. 트랜스듀서가 힘줄에 수직일 때 힘줄 섬유는 고에코(밝음)로 나타나지만, 트랜스듀서가 비스듬히 각을 이룰 때에는 저에코(어두움)로 나타날 수 있다. 이는 경험이 부족한 시술자에게 해석 오류의 원인이 될 수 있다.

=== 재료과학 및 공학 ===
[[재료과학]]에서 비등방성은 재료의 [[물리적 성질]]의 방향 의존성을 말한다. 이는 공학 응용 분야에서 [[재료 선택]]의 중요한 고려 사항이다. 등방성 평면에 수직인 축에 대해 [[물리적 성질]]이 대칭인 재료를 [[횡방향 등방성 재료]]라고 한다. 재료 속성의 [[텐서]] 표현을 사용하여 해당 속성의 방향 의존성을 결정할 수 있다. [[단결정]] 재료의 경우, 비등방성은 결정 대칭과 관련되어 있으며, 더 대칭적인 결정 유형은 주어진 속성의 텐서 표현에서 독립적인 계수가 더 적다.<ref>{{서적 인용|last1=Newnham |first1=Robert E. |title=재료의 속성: 비등방성, 대칭, 구조 |publisher=옥스포드 대학교 출판부 |isbn=978-0198520764 |edition=1st}}</ref><ref>{{서적 인용|last1=Nye |first1=J.F. |title=결정의 물리적 속성 |publisher=클라렌든 출판부 |edition=1st}}</ref> 재료가 [[다결정]]인 경우, 속성의 방향 의존성은 종종 거친 가공 기술과 관련된다. 무작위로 방향이 지정된 결정립을 가진 재료는 등방성일 것이지만, [[결정질 재료의 텍스처|텍스처]]를 가진 재료는 종종 비등방성일 것이다. 텍스처링된 재료는 종종 [[냉간 압연]], [[와이어 인발]], [[열처리]]와 같은 가공 기술의 결과이다.

[[영률]], [[연성]], [[항복 강도]], 고온 [[크리프 변형률]]과 같은 재료의 기계적 특성은 종종 측정 방향에 따라 달라진다.<ref>{{서적 인용|last1=Courtney |first1=Thomas H. |title=재료의 기계적 거동 |publisher=Waveland Pr Inc |isbn=978-1577664253 |edition=2nd |year=2005}}</ref> 4차 [[텐서]] 특성인 탄성 상수는 입방 대칭 재료에서도 비등방성이다. 영률은 등방성 재료가 탄성 변형될 때 응력과 변형률을 관련시키지만, 비등방성 재료의 탄성을 설명하기 위해 [[뻣뻣함]] (또는 유연성) 텐서가 대신 사용된다.

금속에서는 비등방성 탄성 거동이 예를 들어 입방 결정의 세 가지 독립적인 계수를 가진 모든 단결정에 나타난다. 니켈 및 구리와 같은 면심 입방 재료의 경우, 뻣뻣함은 밀집된 평면에 수직인 <111> 방향을 따라 가장 높고 <100>에 평행하게 가장 작다. 텅스텐은 실온에서 거의 등방성이므로 두 가지 뻣뻣함 계수만 갖는다고 간주할 수 있다. 알루미늄은 거의 등방성인 또 다른 금속이다.

등방성 재료의 경우, <math display="block">G = E/[2(1 + \nu)], </math> 여기서 <math> G </math>는 [[층밀림 탄성률]], <math> E </math>는 [[영률]], <math> \nu </math>는 재료의 [[푸아송 비]]이다. 따라서 입방 재료의 경우 비등방성 <math> a_r </math>를 입방 재료에 대해 경험적으로 결정된 전단 탄성률과 그 (등방성) 등가 값의 비로 생각할 수 있다.
<math display="block">a_r = \frac{G}{E/[2(1 + \nu)]} = \frac{2(1+\nu)G}{E} \equiv \frac{2 C_{44}}{C_{11} - C_{12}}.</math>

후자 표현은 [[제너 비율]], <math> a_r </math>로 알려져 있으며, 여기서 <math>C_{ij}</math>는 [[후크의 법칙|탄성 상수]]를 [[포크트 표기법|포크트(벡터-행렬) 표기법]]으로 나타낸다. 등방성 재료의 경우 비율은 1이다.

입방 재료에 대한 [[제너 비율]]의 한계는 완벽히 비등방성인 강성 텐서의 모든 27개 구성 요소를 고려하는 텐서 비등방성 지수 A<sup>T</sup><ref>{{서적 인용|last1=Sokołowski |first1=Damian |last2=Kamiński |first2=Marcin |date=2018-09-01 |title=입자의 비등방성 분포 및 확률적 계면 결함을 가진 탄소/고분자 복합재료 균질화 |journal=악타 메카니카 |language=en |volume=229 |issue=9 |pages=3727–3765 |doi=10.1007/s00707-018-2174-7 |s2cid=126198766 |issn=1619-6937 |doi-access=free}}</ref>에서 해소되며, <math>A^I</math>와 <math>A^A </math>의 두 가지 주요 부분으로 구성되며, 전자는 입방 텐서에 존재하는 구성 요소를 나타내고 후자는 비등방성 텐서에 존재하여 <math>A^T = A^I+A^A .</math> 이 첫 번째 구성 요소에는 수정된 제너 비율이 포함되며, 예를 들어 [[직교성 재료]]에 존재하는 재료의 방향 차이도 추가로 고려한다. 이 지수 <math>A^A </math>의 두 번째 구성 요소는 비입방 재료에서만 0이 아닌 강성 계수의 영향을 다루고 다른 경우에는 0으로 유지된다.

섬유 강화 또는 적층 [[복합 재료]]는 강화 재료의 방향으로 인해 비등방성 기계적 특성을 나타낸다. 탄소 섬유 또는 유리 섬유 기반 복합재료와 같은 많은 섬유 강화 복합재료에서 재료의 직조(예: 단방향 또는 평직)는 벌크 재료의 비등방성 정도를 결정할 수 있다.<ref>{{웹 인용|title=패브릭 직조 스타일 |url=https://compositeenvisions.com/fabric-weave-styles/ |website=복합재료 비전 |access-date=23 May 2019}}</ref> 섬유 방향의 조절 가능성은 재료에 가해지는 응력 방향에 따라 복합재료의 응용 기반 설계에 사용할 수 있다.

유리와 [[중합체]]와 같은 비정질 재료는 일반적으로 등방성이다. 고분자 재료에서 [[고분자]]의 고도로 무작위적인 방향 때문에 [[중합체]]는 일반적으로 등방성으로 기술된다. 그러나 [[기계적 구배 고분자]]는 가공 기술이나 비등방성 유도 요소의 도입을 통해 방향 의존적 특성을 갖도록 설계될 수 있다. 연구자들은 계층적으로 정렬된 생물학적 연질 물질을 모방하기 위해 정렬된 섬유와 공극을 가진 복합 재료를 만들어 비등방성 [[하이드로젤]]을 생성했다.<ref>{{서적 인용|last1=Sano |first1=Koki |last2=Ishida |first2=Yasuhiro |last3=Aida |first3=Tazuko |title=비등방성 하이드로젤 합성 및 응용 |journal=국제 에디션 앙게반테 화학 |date=16 October 2017 |volume=57 |issue=10 |pages=2532–2543 |doi=10.1002/anie.201708196 |pmid=29034553}}</ref> 3D 프린팅, 특히 열용착 모델링(FDM)은 인쇄된 부품에 비등방성을 도입할 수 있다. 이는 FDM이 열가소성 재료 층을 압출하고 인쇄하도록 설계되었기 때문이다.<ref>{{서적 인용|last1=Wang |first1=Xin |last2=Jiang |first2=Man |last3=Gou |first3=Jihua |last4=Hui |first4=David |title=폴리머 기지 복합재료 3D 프린팅: 검토 및 전망 |journal=복합재료 파트 B: 엔지니어링 |date=1 February 2017 |volume=110 |pages=442–458 |doi=10.1016/j.compositesb.2016.11.034}}</ref> 이는 인장 응력이 층에 평행하게 가해질 때 강하고 재료가 층에 수직일 때 약한 재료를 생성한다.

=== 미세 가공 ===

비등방성 식각 기술([[깊은 반응성 이온 식각]] 등)은 [[미세 가공]] 공정에서 높은 [[종횡비]]를 가진 잘 정의된 미세 특징을 생성하는 데 사용된다. 이러한 특징은 [[MEMS]] (미세전기기계 시스템) 및 [[미세유체]] 장치에서 흔히 사용되며, 여기서 특징의 비등방성이 장치에 원하는 광학, 전기 또는 물리적 특성을 부여하는 데 필요하다. 비등방성 식각은 특정 결정면에 대해 특정 재료를 우선적으로 식각하는 특정 화학적 식각제([[규소]] [100]의 KOH 식각은 피라미드 형 구조를 생성)를 지칭할 수도 있다.

=== 신경과학 ===

[[확산 텐서 영상]]은 뇌에서 물 분자의 무작위 운동([[브라운 운동]])의 분수 비등방성을 측정하는 [[자기공명영상|MRI]] 기술이다. [[백색질]] 섬유로에 위치한 물 분자는 움직임이 제한적이기 때문에 비등방성으로 움직일 가능성이 더 높다(섬유로에 직교하는 두 차원보다 섬유로에 평행한 차원으로 더 많이 움직인다). 반면에 뇌의 나머지 부분에 분산된 물 분자는 움직임이 덜 제한적이므로 더 많은 등방성을 나타낸다. 이 분수 비등방성의 차이는 개인의 뇌에 있는 섬유로의 지도를 만드는 데 활용된다.

=== 원격 탐사 및 복사 전달 모델링 ===
반사 표면으로부터의 [[방사휘도]] 필드([[양방향반사도분포함수|BRDF]] 참조)는 종종 본질적으로 등방성이 아니다. 이는 어떤 장면으로부터 반사되는 총 에너지를 계산하기 어렵게 만든다. [[원격탐사]] 응용 분야에서는 특정 장면에 대한 비등방성 함수를 도출할 수 있으며, 이는 장면의 순반사율 또는 (따라서) 순 [[복사조도]] 계산을 크게 단순화한다.
예를 들어, [[양방향반사도분포함수|BRDF]]를 <math>\gamma(\Omega_i, \Omega_v)</math>라고 하자. 여기서 'i'는 입사 방향을 나타내고 'v'는 시야 방향(위성 또는 기타 장치에서처럼)을 나타낸다. 그리고 P는 장면의 총 반사율을 나타내는 평면 [[반사율]]이라고 하자.
<math display="block">P(\Omega_i) = \int_{\Omega_v} \gamma(\Omega_i, \Omega_v)\hat{n} \cdot d\hat\Omega_v</math>
<math display="block">A(\Omega_i, \Omega_v) = \frac{\gamma(\Omega_i, \Omega_v)}{P(\Omega_i)}</math>

이는 정의된 비등방성 함수를 알면 단일 시야 방향(예: <math>\Omega_v</math>)에서 [[양방향반사도분포함수|BRDF]]를 측정하면 해당 특정 입사 형상(예: <math>\Omega_i</math>)에 대한 총 장면 반사율(평면 [[반사율]])을 측정할 수 있기 때문에 중요하다.

== 같이 보기 ==
* [[원형 대칭]]

== 각주 ==
{{각주}}

== 외부 링크 ==

* [https://web.archive.org/web/20100303080919/http://aluminium.matter.org.uk/content/html/eng/default.asp?catid=99&pageid=1028022659 "비등방성 개요"]
* [https://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/anisotropy/index.php DoITPoMS 교육 및 학습 패키지: "비등방성 소개"]
* [https://knitty.com/ISSUEsummer05/FEATsum05TBP.html "게이지 및 편직물은 일반적으로 비등방성 현상입니다"]

{{전거 통제}}
{{위키데이터 속성 추적}}

[[분류:방향]]
[[분류:비대칭]]
[[분류:재료역학]]