빛, 소리 반사, 산란 제어…‘스텔스’ 기능 가상화 메타물질 개발
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빛, 소리 반사, 산란 제어…‘스텔스’ 기능 가상화 메타물질 개발
  • 정종오 기자
  • 승인 2020.01.14 19:00
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디지털회로와 신호처리 기술 활용, 실제 구조체 없이 새로운 물질개발 성공
마이크로프로세서와 마이크로폰, 스피커가 연결된 가상화 메타물질 모식도. 마이크로프로세서가 입사되는 신호(M)를 실시간으로 감지해 미리 설계된 물리적 특성(Y)과 합성곱 연산을 수행, 산란파(S)를 발생한다. [사진=과기정통부]
마이크로프로세서와 마이크로폰, 스피커가 연결된 가상화 메타물질 모식도. 마이크로프로세서가 입사되는 신호(M)를 실시간으로 감지해 미리 설계된 물리적 특성(Y)과 합성곱 연산을 수행, 산란파(S)를 발생한다. [사진=과기정통부]

빛과 소리 반사, 산란 등을 제어할 수 있는 가상화 메타물질이 개발됐다. 이를 응용하면 레이더에 포착되지 않는 스텔스는 물론 방음과 흡음 기능까지 갖출 수 있다. 빛을 투과시켜 눈에 보이지 않게 하는 ‘투명망토’가 메타물질의 대표적 예이다.

국내 연구팀이 해외 연구팀과 공동으로 ‘광대역 스텔스 구현’을 위한 ‘가상화 메타물질’ 기술 개발에 성공했다. 가상화 메타물질(Virtualized meta material)은 기존 메타물질 설계가 가지고 있는 물리적 구조의 한계를 극복하기 위해 물리적 구조를 가상화된 디지털회로 프로그램으로 대체하는 개념을 말한다.

이번 연구성과는 기존 메타물질 한계를 뛰어넘어 여러 주파수에서 스텔스 기능을 구현한 것이 특징이다. 메타물질은 자연에 존재하는 원자를 모사한 인공구조물이다. 기존의 물질이 제공하지 못하는 특이한 물리적 성질을 가능하게 한다. 고해상도 이미징, 투명망토 스텔스, 무반사 태양전지 등 다양한 기능이 구현 가능할 것으로 기대된다.

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

연구팀은 디지털회로와 신호처리 기술을 이용해 자연물질의 분극 현상(어떤 매질이 전자기장의 영향에 있을 때 매질을 구성하는 분자 내부의 전하가 재배치돼 해당 분자가 전자기적 극성을 띄게 되는 현상)을 모사했다. 실제 구조체 없이 원하는 파동 물성과 주파수 분산(주파수에 따른 매질의 파동 물성 변화) 특성을 자유자재로 구현하고 변경할 수 있는 ‘가상화 음향 메타물질’ 기술을 개발하는 데 성공했다.

특히 공진(물체의 고유 진동수와 일치하는 외부의 힘에 의해 진동이 증폭되는 현상) 강도나 공진 주파수, 대역폭과 같은 주파수 분산 특성의 완전한 제어를 실험적으로 검증했다. 이는 세계 최초로 주파수 분산 특성의 설계가 가능한 메타물질을 개발한 것이다.

이번 연구는 가상적 메타물질을 통해 빛이나 소리 반사, 산란 같은 파동 현상들을 광대역으로 제어할 수 있게 함으로써 ‘레이더’나 ‘소나’로부터 탐지되지 않는 ‘스텔스 기술’ 이나 ‘방음과 흡음 설계 기술’ 등과 같은 새로운 메타물질 연구여서 눈길을 끈다.

이번 연구는 박남규 서울대 교수, 조춘래 연구원 연구팀이 홍콩과기대학(HKUST) Jensen Li 교수, Xinhua Wen 연구원과 공동으로 수행했다. 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ (Nature Communications) 온라인판 1월 14일 자(논문명: Digitally virtualized atoms for acoustic metamaterials)에 실렸다.

정종오 기자  science@greened.kr

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