[논문]탄성 메타물질의 구현과 응용

이형진; 오주환; 김윤영

탄성 메타물질의 구현과 응용 원문보기

소음진동 = Journal of KSNVE, v.24 no.5, 2014년, pp.7 - 19

이형진 (서울대학교) , 오주환 (서울대학교) , 김윤영 (서울대학교)

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문제 정의

이 글에서는 현재까지 구현된 탄성 메타물질을 간단히 소개하고 적용 가능한 응용 분야에 대해서 설명하고자 한다.
해당 연구에서는 4 kHz 대역의 음향 파동에 대하여 포노닉 크리스털 내의 공진 현상을 통해 약 30 mV의 전압을 출력해 내었다⁽³⁷⁾. 해당 연구에서는 비록 고주파 대역의 음향 파동에 기반하고 있지만 메타물질을 통한 파동 에너지 집속을 에너지 수확 기술로 연결할 수 있는 가능성을 제시하였다. 또한 이러한 기법을 바탕으로 얇은 탄성 판에서의 파동 에너지 집속을 통한 에너지 수확 기술이 개발된 바 있으며, 보다 다양한 방식을 이용하여 에너지 수확 기술의 효율을 높이고자 하는 연구가 지속적으로 수행되고 있다.

제안 방법

보다 낮은 주파수 대역에서 더 높은 에너지 소산율을 얻기 위한 방식으로 음향 분야에서 제안된, 공진형 에너지 감쇠 메타물질이 제안된 바 있다⁽³⁴⁾. 제안된 메타물질은 구성 요소의 공진 현상에 기인한 내부의 큰 변위를 이용하여 매우 낮은 주파수에서 극히 높은 에너지 소산율을 실험적으로 구현하였다. 비록 이러한 공진형 메타물질 기법은 특정 주파수에서만 높은 에너지 소산율을 보이는 단점이 있고, 이러한 단점을 극복하기 위하여 다양한 공진형 메타물질을 배열하여 광대역에서의 진동에너지 소산율을 높이는 방식이 제안되었으며⁽³⁵⁾, 향후 다양한 진동저감 시스템으로의 발전이 기대된다.
진동에너지를 집속하여 에너지 수확 장치의 효율을 높이는 기술로는 메타물질 내부의 결함에서 공진 현상을 통해 파동 에너지를 집중시켜 에너지 수확 효율을 높인 연구가 대표적이다. 해당 연구에서는 4 kHz 대역의 음향 파동에 대하여 포노닉 크리스털 내의 공진 현상을 통해 약 30 mV의 전압을 출력해 내었다⁽³⁷⁾. 해당 연구에서는 비록 고주파 대역의 음향 파동에 기반하고 있지만 메타물질을 통한 파동 에너지 집속을 에너지 수확 기술로 연결할 수 있는 가능성을 제시하였다.

성능/효과

탄성파가 탄성 슈퍼렌즈를 통과할 때 음의 굴절 현상에 의해 진행파(propagating wave)의 경우 특정 지점에 다시 모이게 되며, 감쇠파(evanescent wave)의 경우는 진폭이 감쇠되지 않고 다시 증폭, 특정 지점에서 가진 시와 동일한 진폭을 가지게 된다. 결과적으로 특정 지점에서 파동은 가진 시의 그것과 완벽히 동일한 현상을 보이게 되며 해당 지점에서는 회절 한계의 완벽한 극복이 가능하다. 비록 탄성 하이퍼렌즈와 같이 장거리 영역에서 초고해상도를 구현하는 것은 불가능하기에 실질적인 응용 가능성에는 한계가 있을 것으로 예상한다.
이를 통하여 하이퍼렌즈 내부 원에 위치한 가진원에서 방사된 파동이 원주 방향으로 퍼지는 현상을 크게 줄일 수 있으며 궁극적으로는 장거리 영역에서 반파장 이상의 높은 해상도를 얻는 것이 가능했다(그림 9(b)). 해당 하이퍼렌즈는 두 가진원 간의 최소 거리가 파장의 약 0.21배로 매우 좁은 두 가진원을 장거리 영역에서 성공적으로 분리할 수 있었다.
이러한 단점을 해결하고 기존의 탄성 하이퍼렌즈보다 더 뛰어난 성능을 보이는 새로운 탄성 하이퍼렌즈가 최근 제안된 바 있다(그림 10)⁽²³⁾. 해당 하이퍼렌즈는 인위적으로 설계된 메타물질을 통하여 원주 방향으로의 파동 전파를 완벽하게 차단하였으며, 이를 통하여 두 가진원 간의 최소 거리가 파장의 약 0.01배인, 극히 좁은 두 가진원에서 생성된 파동을 장거리 영역에서 성공적으로 분리하였다. 이를 통해 그림 10(b)와 같이 구분이 불가능한 두 가진원을 그림 10(c)와 같이 구분해 낼 수 있는 높은 해상도를 얻을 수 있음을 확인하였다.

후속연구

이로 인하여 탄성 메타물질의 실질적인 응용은 아직 이루어지지 않고 있다. 그러나 탄성 메타물질의 응용 가능성에 대한 연구는 일부 수행이 되고 있으며 이로 인하여 매우 높은 주파수의 초음파 영역에서부터 낮은 주파수의 진동에 이르기까지 탄성파동 전 영역에서 다양한 응용이 가능할 것으로 예측한다.
비록 탄성 하이퍼렌즈와 같이 장거리 영역에서 초고해상도를 구현하는 것은 불가능하기에 실질적인 응용 가능성에는 한계가 있을 것으로 예상한다. 그러나 탄성 슈퍼렌즈를 통한 파동 집속 영역의 크기는 파동의 주파수가 아닌 파동을 가진한 가진기의 크기에 비례하기에 기존에는 불가능한, 반파장 이상의 더 정밀한 영역에서의 탄성파의 집속이 가능하며, 이를 통하여 HIFU 의료초음파 수술 기법 등의 분야에 널리 응용이 될 수 있을 것으로 예상한다.
특히 탄성 분야에 있어 메타물질은 기존 초음파 기반 영상화 기술의 회절한계를 극복하고 초고해상도 이미징을 가능케 할 수 있으며 초음파 기기의 전달효율을 극대화하는데 사용될 수 있다. 또한 진동 저감 분야에 활용되어 층간 소음과 같은 이슈를 해결하는데 일조할 수 있을 것이며, 진동에너지 수확 장치에 적용되어 에너지 수확 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 탄성 메타물질은 향후 다양한 탄성 파동 기반의 기술에 적용되어, 기술적 혁신을 이뤄낼 것으로 기대한다.
제안된 메타물질은 구성 요소의 공진 현상에 기인한 내부의 큰 변위를 이용하여 매우 낮은 주파수에서 극히 높은 에너지 소산율을 실험적으로 구현하였다. 비록 이러한 공진형 메타물질 기법은 특정 주파수에서만 높은 에너지 소산율을 보이는 단점이 있고, 이러한 단점을 극복하기 위하여 다양한 공진형 메타물질을 배열하여 광대역에서의 진동에너지 소산율을 높이는 방식이 제안되었으며⁽³⁵⁾, 향후 다양한 진동저감 시스템으로의 발전이 기대된다.
결과적으로 특정 지점에서 파동은 가진 시의 그것과 완벽히 동일한 현상을 보이게 되며 해당 지점에서는 회절 한계의 완벽한 극복이 가능하다. 비록 탄성 하이퍼렌즈와 같이 장거리 영역에서 초고해상도를 구현하는 것은 불가능하기에 실질적인 응용 가능성에는 한계가 있을 것으로 예상한다. 그러나 탄성 슈퍼렌즈를 통한 파동 집속 영역의 크기는 파동의 주파수가 아닌 파동을 가진한 가진기의 크기에 비례하기에 기존에는 불가능한, 반파장 이상의 더 정밀한 영역에서의 탄성파의 집속이 가능하며, 이를 통하여 HIFU 의료초음파 수술 기법 등의 분야에 널리 응용이 될 수 있을 것으로 예상한다.
또한 진동 저감 분야에 활용되어 층간 소음과 같은 이슈를 해결하는데 일조할 수 있을 것이며, 진동에너지 수확 장치에 적용되어 에너지 수확 효율을 획기적으로 높일 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 탄성 메타물질은 향후 다양한 탄성 파동 기반의 기술에 적용되어, 기술적 혁신을 이뤄낼 것으로 기대한다.
그러나 매우 얇은 판에서의 굽힘 진동에 대해서, 탄성 영역과 음향/전자기 영역의 식 간의 오차가 크지 않아 제한적으로는 클로킹 기술이 적용 가능함이 확인되었다⁽³⁶⁾. 이러한 클로킹 시스템을 이용할 경우 파동이 특정 영역을 우회하여 전파하도록 만들 수 있기에 새로운 진동 회피 기술로 응용될 수 있을 것으로 예상한다.
탄성 메타물질의 독특한 특성을 이용하여 기존의 진동 저감/제어 시스템보다 더욱 뛰어난 효율을 보이는 새로운 탄성 시스템을 구현하고자 하는 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히 고질적인 문제가 되고 있는 저주파 대역에서의 진동 저감 분야에서 탄성 메타물질 기반 시스템은 높은 효율을 보이고 있으며 해당 분야의 새로운 진동저감 대책을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비공진 구성 요소를 사용하는 탄성 메타물질이 많은 관심을 받는 이유는 무엇인가?	공진에 기반한 탄성 메타물질은 음의 물성을 구현할 수 있다는 점에서 매우 획기적인 파동 전파 특성을 보이지만, 그 형상이 다소 복잡하여 실제 설계와 제작이 어렵고 음의 물성을 보이는 주파수 대역이 협소하다는 단점이 있다. 때문에 비공진 구성 요소를 사용하는 탄성 메타물질 역시 많은 관심을 받고 있다.
	메타물질이란 무엇인가?	메타물질(metamaterials)이란 자연계에 존재하는 물질이 일반적으로 가질 수 없는 특성을 가질 수 있는, 인공적으로 설계한 물질을 의미한다. 일반적으로 둘 이상의 요소를 결합하여 하나의 메타물질 기본 격자(unit cell)를 구성하고, 그 기본 격자를 주기적 혹은 준주기적으로 배열하여 메타물질을 구성한다.
	메타물질이 포노닉 크리스털과 비교 및 구분되는 점에는 어떠한 것이 있는가?	메타물질은 (준)주기적인 구조체라는 점과 자연계에 존재하는 물질이 쉽게 가질 수 없는 획기적인 파동 전파 특성을 갖는다는 점에서 종종 포노닉 크리스털(phononic crystal)과 비교∙구분되기도 한다. 메타물질은 일반적으로 낮은 주파수대역에서 활용되기 때문에 파동의 전파 특성이 메타물질의 균질화 물성(homogenized material property)에 기인한 굴절(refractive) 특성에 의해 결정되는 반면, 포노닉 크리스털은 격자의 크기가 파장과 비슷한, 비교적 높은 주파수 대역에서 활용되기 때문에 파동의 전파 특성이 격자에서의 회절(diffraction)과 산란(scattering) 특성에 의해서 결정되게 된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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