층간소음까지 해결해주는 투명망토물질 개발

서울대-홍콩과기대 공동연구팀, 가상 메타물질 개발 성공

층간소음까지 해결해주는 메타물질 개발 국내 연구진이 홍콩과기대 연구팀과 함께 소리를 막고 흡수해줄 수 있는 가상의 메타물질을 개발해 층간소음 문제도 해결하는데 도움이 될 것으로 기대되고 있다.

영화 ‘해리포터’와 ‘반지의 제왕’에서는 몸을 숨길 수 있는 망토가 등장한다. 현실에서도 레이더나 음파를 흡수해버리는 스텔스기나 스텔스함정, 스텔스 잠수함 등이 있다. 이렇게 스텔스 기능을 만들어 주는 것은 자연계에는 존재하지 않는 메타물질 때문이다. 국내 연구진이 음파 성질을 자유자재로 바꿔 투명망토나 스텔스 기능은 물론 소음까지 없애줄 수 있는 메타물질을 개발해 주목받고 있다.

서울대 전기전자공학부, 홍콩과학기술대 공동연구팀은 디지털 프로그램으로 폭넓은 영역에 스텔스 기능을 구현할 수 있는 가상 메타물질 기술 개발에 성공하고 기초과학 및 공학분야 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 14일자에 발표했다. 특히 이번 기술은 음향 파동이라는 물질적 특성을 자유자재로 구현할 수 있어 다양한 분야로 활용할 수 있다는 특징이 있다.

메타물질은 자연계에는 존재하지 않는 특이한 물리적 특성을 가진 물질로 고해상도 이미징, 투명망토, 스텔스 기능, 무반사 태양전지 등 다양하게 활용이 가능하다. 문제는 메타물질을 만드는데 사용된 자연물질과 구조체의 특성에 따라 메타물질의 성질과 기능이 결정되기 때문에 메타물질을 사용하려는 목적에 맞춰 모든 영역에 적용하기는 쉽지 않다. 이 때문에 기존에 메타물질을 설계할 때는 메타물질 구조체를 설계한 다음 원하는 특성을 가질 때까지 조금씩 변형하는 설계기법이 쓰였다.

가상화 메타물질의 원리 마이크로프로세서와 마이크로폰, 스피커가 연결되어 있는 가상화 메타물질의 모식도. 마이크로프로세서가 입사되는 신호(M)를 실시간으로 감지하여 미리 설계된 물리적 특성(Y)과 합성곱 연산을 수행하여 산란파(S)를 발생시켜 음파나 빛을 산란과 반사를 막아 스텔스 기능을 수행할 수 있게 해준다.

한국연구재단 제공

연구팀은 거꾸로 원하는 특성을 얻을 수 있는 메타물질 구조를 계산해 만드는 방식을 선택했다. 이를 위해 디지털 회로와 신호처리 기술을 이용해 자연물질의 분극현상을 흉내내 실제 구조체 없이도 원하는 파동물성과 주파수 분산 특성을 자유자재로 구현하는 가상화 음향 메타물질 기술을 개발했다. 스텔스기를 만든다고 할 때 기존에는 스텔스기 표면에 물리적으로 메타물질을 붙이거나 도색을 해야 했지만 이번 기술을 활용하면 기존 항공기도 스텔스 기능을 갖출 수 있게 되는 것이다.

연구팀은 이번에 개발한 가상의 메타물질을 이용해 빛, 소리 등 파장의 반사, 산란 같은 현상을 제어할 수 있게 됨에 따라 레이더나 소나로부터 탐지되지 않는 스텔스 기술이나 방음, 흡음설계도 가능하다고 설명하고 있다.



유용하 기자