서울--(뉴스와이어)--서울대학교 공과대학은 기계공학부 오주환 교수 연구팀과 한국표준과학연구원 배명환 박사가 외부에서 가해지는 힘과 진동이 전달되는 방식을 자유롭게 설계할 수 있는 새로운 탄성 메타물질(Elastic Metamaterials) 플랫폼을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 힘이나 진동이 가해진 영역이 인접한 영역뿐 아니라 멀리 떨어진 영역과도 영향을 주고받을 수 있는 ‘비국소 메타물질(Nonlocal Metamaterials)’을 보다 쉽고 다양한 구조로 확장할 수 있는 설계 원리를 제시했다.

그리고 이 설계 방식이 기존의 비국소 메타물질에서 다양한 진동이 서로 간섭했던 문제를 해결하고, 탄성파(Elastic Wave)의 전달과 움직임을 더욱 정밀하게 제어할 수 있음을 실험적으로 입증했다.

따라서 이번에 개발된 기술은 향후 차세대 진동 제어 기술은 물론 고성능 센서와 초음파·기계 장치 개발을 위한 새로운 기반 기술로 응용될 전망이다.

이번 연구성과는 우수성을 인정받아 지난 6월 23일 세계적 권위의 국제 학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’에 게재됐다.

연구 배경

‘탄성 메타물질’은 인위적으로 설계한 작은 구조를 일정한 규칙으로 배열해 만든 인공 물질로, 파동과 진동의 전달 방식을 자유롭게 설계할 수 있는 차세대 탄성 소재로 주목받고 있다.

최근에는 탄성 메타물질의 파동 전달을 극대화해 의료 초음파의 정밀도를 높이거나 음향·수중음향 센서의 성능을 향상시키는 연구와 함께 파동 차단을 통해 차량의 소음과 진동을 줄이거나 잠수함의 수중 스텔스 성능을 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다.

그러나 지금까지 개발된 탄성 메타물질 기술은 파동을 강하게 전달하거나 차단하는 성능이 매우 좁은 주파수 대역에서만 나타나는 고질적 한계가 있었다.

따라서 그 해결책으로 힘이나 진동이 가해진 영역이 인접한 영역뿐 아니라 멀리 떨어진 영역과도 상호작용할 수 있도록 단위 구조가 설계된 ‘비국소 메타물질’이 새로운 기술로 각광받고 있다. 이 물질을 도입하면 보다 다양한 주파수 대역에서 파동 전달의 극대화 및 차단 성능을 확보할 수 있다는 개념이 최근 제시됐기 때문이다.

그러나 비국소 메타물질에 대한 연구는 이론적 접근이 대부분이었고, 이를 실제로 구현·응용하는 연구는 극히 일부에서만 시도됐다. 멀리 떨어진 영역끼리 상호작용하도록 만들려면 구조가 매우 복잡해졌고, 그 과정에서 설계가 어려워질 뿐 아니라 서로 다른 진동이 간섭해 원하지 않는 파동 현상이 발생했기 때문이다.

이 문제를 해결하기 위해서는 단순하고 작은 단위 구조를 바탕으로 다양한 형태로 쉽게 확장할 수 있으면서도 원하지 않는 파동 현상을 줄일 수 있는 새로운 구조 플랫폼이 필요한 실정이다.

연구 성과

이 난제의 해결에 나선 오주환 교수팀은 ‘메타스파이어(Metaspire)’라는 새로운 구조 설계 방식을 제안해 비국소 메타물질의 치명적인 한계를 극복하는 데 성공했다.

비국소 메타물질 연구의 가장 큰 난점은 멀리 떨어진 영역 간 상호작용에 필요한 별도의 구조를 기존의 단위 구조를 피해서 배치해야 한다는 점이었다. 이 과정에서 전체 구조가 매우 복잡해지고 실제 제작이 어려워질 뿐 아니라 원치 않는 파동 현상이 비일비재했다.

이에 연구팀은 각 단위 구조를 일정한 규칙으로 회전시켜 배치하는 독창적 아이디어를 제시했다. 이를 통해 멀리 떨어진 영역끼리의 상호작용을 구현하는 구조가 자리할 공간을 자연스럽게 확보할 수 있었다.

이 설계 방식을 적용한 결과, 복잡한 구조를 만들지 않고도 비국소 상호작용을 쉽게 구현할 수 있으며, 이러한 상호작용이 여러 개 필요한 경우에도 구조를 손쉽게 확장할 수 있음을 확인했다. 더 나아가 기존의 복잡한 구조에서 발생했던 여러 난해하고 원치 않는 파동 현상도 효과적으로 방지할 수 있었다.

연구진은 수치 해석과 실제 제작 실험을 통해 제안한 구조가 복잡한 비국소 메타물질을 효과적으로 구현할 수 있으며, 불필요하고 복잡한 파동 효과를 실제로 제거한다는 사실을 검증했다. 또한 이를 통해 기존에는 제한된 주파수 대역에서만 가능했던 파동 전달의 극대화 및 차단 특성을 보다 다양한 주파수 대역에서도 설계 목적에 맞게 손쉽게 구현할 수 있음을 입증했다.

기대 효과

이번 연구는 탄성파 분야에서 비국소 메타물질을 보다 쉽고 체계적으로 설계할 수 있는 새로운 범용 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 특히 이 설계 방식은 1차원 구조뿐 아니라 2차원과 3차원 구조에도 쉽게 적용할 수 있어 다양한 형태의 메타물질을 구현하는 후속 연구로도 확장될 예정이다.

학술적 측면에서는 지금까지 주로 이론적 접근에 머물렀던 비국소 메타물질 연구를 구현·응용 연구로 확대하는 중요한 발판이 될 것으로 기대된다. 또한 기존 비국소 메타물질이 제한된 주파수 대역에서만 높은 파동 제어 성능을 보였던 치명적 한계를 극복할 수 있는 현실적인 설계 방안을 제시했다는 점에서 기술적으로도 뜻깊은 성과다.

따라서 이번에 연구팀이 제안한 ‘메타스파이어’는 앞으로 메타물질을 활용한 응용 연구를 보다 활성화시킬 뿐 아니라 넓은 주파수 대역에서 높은 성능을 발휘하는 진동 저감 장치, 초정밀 파동 제어 장치, 의료 초음파 장비, 차세대 센서 등 다양한 기술의 개발에 활용될 전망이다.

연구책임자 의견

오주환 교수는 “이번 연구는 탄성파와 진동을 활용하는 다양한 시스템의 새로운 설계 방식을 제시하고, 탄성파 분야에서 나타나는 비국소 메타물질의 새로운 파동 현상을 실험적으로 구현하고 검증할 수 있게 됐다는 점에서 의미가 크다”며 “앞으로 이 기술을 공학적으로 응용해 초음파 이미징이나 차세대 센서 등 실생활에 도움이 되는 기술로 발전시켜 나갈 계획”이라고 밝혔다.

연구진 진로

이번 논문의 주저자인 김승한 서울대 기계공학부 석박사통합과정생은 현재 오주환 교수 연구팀에서 탄성 메타물질을 이용한 파동 제어 연구를 수행하고 있다. 향후 멀리 떨어진 구조 간 비국소 상호작용과 다양한 공진 현상을 결합한 새로운 파동 제어 원리를 발전시켜 다양한 공학 분야에 활용 가능한 후속 응용 연구를 수행할 예정이다.

한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF) STEAM연구사업(RS-2023-00251628), 우수신진연구(RS-2024-00343120), 기초연구실사업(RS-2024-00406514)의 지원을 받아 수행됐으며, 한국표준과학연구원 비파괴측정그룹의 실험 장비 지원을 통해 진행됐다.

※ 참고 자료

- 논문명/저널 : Nonlocal Metaspire: A Scalable Elastic Material Platform With Decoupled Mechanical Modes, Advanced Materials

- DOI : http://doi.org/10.1002/adma.73822