디지털회로와 신호처리로 실제 구조체 없이 새 물질개발 성공

국내 연구진이 ‘광대역 스텔스 구현’을 위한 ‘가상화 메타물질’ 기술 개발에 성공했다.

서울대학교 박남규 교수, 조춘래 연구원 연구팀이 홍콩과기대학(HKUST) Jensen Li 교수, Xinhua Wen 연구원과 공동으로, 음향 파동 물성을 자유자재로 구현할 수 있는 ‘가상화 음향 메타물질’ 기술을 개발하였다고 과학기술정보통신부가 밝혔다.

가상화 메타물질(Virtualized meta material)이란 기존 메타물질 설계가 가지고 있는 물리적 구조의 한계를 극복하기 위해, 물리적 구조를 가상화된 디지털 회로 프로그램으로 대체 하는 개념이다.

관련 연구는 기존 메타물질의 한계를 뛰어 넘어 여러 주파수에서 스텔스 기능을 구현, 과학 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF=11.880) 온라인판에 1월 14일 게재됐다.

메타물질은 자연에 존재하는 원자를 모사한 인공구조물로서 기존의 물질이 제공하지 못하는 특이한 물리적 성질을 가능하게 하는데, 고해상도 이미징, 투명망토 스텔스, 무반사 태양전지 등 다양한 기능을 구현할 수 있게 될 것으로 기대 된다.

한편, 메타물질이 제공하는 성질은 제작에 사용된 자연물질과 구조체의 특성에 의해 결정되므로 모든 물성을 구현하는 데는 어려움이 있다. 특히 주파수에 대한 응답을 제어하거나 설계하는데 큰 제약이 따른다.

연구진은 디지털 회로와 신호 처리 기술을 이용, 자연물질의 분극 현상을 모사, 실제 구조체 없이 원하는 파동 물성과 주파수 분산 특성을 자유자재로 구현하고 변경할 수 있는 ‘가상화 음향 메타물질’ 기술을 개발하는데 성공했다.

분극 현상 (Polarization)은 어떤 매질이 전자기장의 영향에 있을 때 매질을 구성하는 분자 내부의 전하가 재배치되어 해당 분자가 전자기적인 극성을 띄게 되는 현상이다.

특히, 공진강도나 공진 주파수, 대역폭과 같은 주파수 분산 특성의 완전한 제어를 실험적으로 검증, 세계 최초로 주파수 분산 특성의 설계가 가능한 메타물질을 개발했다. 공진(Resonance)은 물체의 고유 진동수와 일치하는 외부의 힘에 의해 진동이 증폭되는 현상이다.

이번 연구는 가상적인 메타물질을 통해 빛이나 소리의 반사, 산란같은 파동 현상들을 광대역으로 제어, ‘레이더’나 ‘소나’로부터 탐지되지 않는 ‘스텔스 기술’ 이나, ‘방음 및 흡음 설계 기술’ 등과 같은 새로운 메타물질 연구의 전기로서 더욱 의미가 크다.

연구성과는 전자기·역학분야 메타물질 핵심원천기술확보와 실용화 연구를 추진중인 과기정통부 글로벌프런티어사업(파동에너지 극한제어 연구단)의 지원을 받아 수행됐다.

※ 논문명: Digitally virtualized atoms for acoustic metamaterials

※ 저자정보: 조춘래, 박남규(서울대), Jensen Li(HKUST) 포함 총 4명