초록 ▼

□연구개요
지난 수년 동안 개발한 오리피스 메타물질 단위 셀을 이용하여 2차원 구형의 음향 루네버그 렌즈를 구현하였다. 그리고 등형 사상을 통하여 물리적 특성은 유지하지만 모양은 필요에 맞게 변형시킴으로써 그 응용성을 높이고자 하였다. 정육면체 모양의 3차원 FCOC 단위 셀은 방향에 따라 오리피스 크기를 달리줌으로써 크기가 1보다 크고 방향성이 있는 음향 굴절률을 갖게 할 수 있다. 공간적으로 제곱근 형태의 굴절률 분포를 갖는 루네버그 렌즈는 수차가 없으며 입사되는 음파를 렌즈의 대척점 상에 최상의 효율로 집속시킬 수 있는

□연구개요
지난 수년 동안 개발한 오리피스 메타물질 단위 셀을 이용하여 2차원 구형의 음향 루네버그 렌즈를 구현하였다. 그리고 등형 사상을 통하여 물리적 특성은 유지하지만 모양은 필요에 맞게 변형시킴으로써 그 응용성을 높이고자 하였다. 정육면체 모양의 3차원 FCOC 단위 셀은 방향에 따라 오리피스 크기를 달리줌으로써 크기가 1보다 크고 방향성이 있는 음향 굴절률을 갖게 할 수 있다. 공간적으로 제곱근 형태의 굴절률 분포를 갖는 루네버그 렌즈는 수차가 없으며 입사되는 음파를 렌즈의 대척점 상에 최상의 효율로 집속시킬 수 있는 특징을 가지고 있다. 우리는 1차로 2차원 구형 음향 루네버그 렌즈를 성공적으로 구현하였고 다음 2차로는 여기에 등형 사상을 적용하여 구형에서 반구형으로 형 변환하여 구조물의 형태를 반구형으로 변환시킴으로서 모양은 다르지만 물리적 특성은 동일한 2차원 반구형 루네버그 렌즈를 성공적으로 구현하였다. 또한 3차로 멤브레인과 오픈 튜브를 포함한 단위 셀 그리고 일반 물질로 이루어진 구조를 갖는 메타 물질을 제작하여 오픈 튜브를 조절함으로써 이 메타 물질의 경계면에서의 반사율을 인위적으로 줄일 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 그리고 4차로 멤브레인을 집중 요소로 사용하여 밀도가 0에 가까운 메타 물질을 구성하였다. 입사 파장의 길이에 비해 매우 좁은 음향 터널을 만들어 일반 도파관 사이에 연결하였으며 이때 일반 도파관의 단면적 2.25 %에 불과한 좁은 터널에 입사 음향 에너지의 95.1 %를 위상 지연없이 전송할 수 있는 거의 완벽한 음향 슈퍼 커플러를 구현할 수 있었다.

□연구 목표대비 연구결과
1차 년도에는 음파에 대한 2차원 구형 루네버그 렌즈를 구현하였다. 이를 위해서 본 연구실에서 개발한 굴절률의 값이 1보다 큰 오리피스 메타물질 단위 셀을 이용하였다. 면 중심에 오리피스가 있고 내부가 비어있는 정육면체 구조의 이 메타물질 단위 셀은 오리피스의 직경과 단위 셀의 부피 비율을 달리 줌에 따라 음파에 대한 굴절률의 값을 1 보다 큰 값으로 조절할 수 있다. 뿐만 아니라 x, y, z 각 방향으로 굴절률을 달리 줄 수도 있다. 이와 같은 특징을 갖는 정육면체 형태의 단위 메타물질을 레고 블록 쌓듯이 하여, 중심에서 굴절률이 √2의 값을 가지며 바깥쪽으로 멀어질수록 점차 작아져 공기의 굴절률인 1에 접근하는 제곱근 형태의 굴절률 분포를 가지게 할 수 있다. 이렇게 구현한 음향 루네버그 렌즈는 일반 렌즈와는 달리 수차가 없으며 입사 경계면에서의 임피던스 정합에 의해 렌즈의 기하학적 구조가 가질 수 있는 최대한의 음파를 대척점 상에 집속시킬 수 있게 된다. - Appl. Phys. Lett., 112, 074101 (2018). 2차년도에는 구형이기 때문에 의한 루네버그 렌즈의 구조적 제약을 해소하기 위해 등형사상 (conformal mapping)을 적용하여 구형이 아닌 반구형으로 형 변환시키고 굴절률의 공간적 분포 역시 연속성 있게 대응-변환시킴으로써 원래의 물리적 특성은 변하지 않되 형태만 변형된 루네버그 렌즈를 구현하였다. 이렇게 변형된 모양을 갖는 루네버그 렌즈의 구현은 사실상 구형이라고 하는 형태의 제한이 없어지게 되므로 그 응용성이 획기적으로 증대될 것으로 생각된다. 뿐만 아니라 이 실험을 통하여 우리는 처음으로 음향 구스-한센 이동과 프레넬 효과를 관찰할 수 있었다. - Sci. Rep., 10, 18991 (2020). 3차 년도에는 메타물질과 공기 사이의 전 매질 사이에서 반사가 없는 균형 잡힌 음향 메타물질에 대해 이론적으로 연구였으며 이를 실험적으로 확인하기 위해 실험 장치를 제작하여 실험을 수행하였다. 그 결과 메타물질과 일반 물질 사이의 경계면에서 반사율이 10% 이내로 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다. - Sci. Rep., 9, 3372 (2019). 그리고 이와 같은 멤브레인을 이용한 실험을 바탕으로 입사 파장의 λ/40 정도인 좁은 음향 터널을 만들어 단면적이 넓은 일반 도파관 사이에 연결하였다. 이때 일반 도파관의 단면적 2.25 %에 불과한 좁은 터널에 입사 음향 에너지의 95.1%를 위상 지연 없이 전송할 수 있는 거의 완벽한 음향 슈퍼 커플러를 구현할 수 있었다. - J. Phys. D: Appl. Phys. 53 445105 (2020).

□연구개발결과의 중요성
개발된 오리피스 메타물질 단위 셀을 이용하면 음향 루네버그 렌즈의 공간적 굴절률 분포를 어렵지 않게 구현할 수 있다. 왜냐하면 이 단위 셀이 갖는 음향 굴절률의 크기가 1보다 크며 구조물을 만들기 편리한 정육면체 형태이므로 매질의 균질성 조건(homogeneous medium condition: 단위 셀의 길이 d < λ/4)에 의해 사용되는 파장의 범위에 따라 얼마든지 그 크기를 변화시키면서도 물리적 특성은 변하지 않게 만들 수 있기 때문이다. 따라서 이 메타물질 단위 셀은 음향 루네버그 렌즈와 같은 특별한 공간적 굴절률 분포를 갖는 디바이스의 구현에 있어 가장 앞서 있는 후보 물질 중 하나일 것이다. 그리고 등형 사상에 의한 형 변환 기술은 구형 형태가 갖는 운용상의 불편함을 해소시킬 수 있을 뿐 아니라 보다 편리하고 완성된 메타물질 시스템을 얻을 수 있다. 예를 들면 HIFU (High Intensity Focused Ultrasound)와 같은 초음파를 이용한 의료 장비의 소형화, 미세화 및 고집적화를 실현하는데 큰 기여를 할 수 있다. 또한 음의 굴절률에 의한 균형 잡힌 음향 메타 물질의 무반사 특징은 투명망토나 수퍼렌즈와 같은 전혀 새로운 음향 디바이스의 성능을 향상시키는데 기여할 수 있을 것이다. 일반 도파관의 단면적 수 %에 불과한 좁은 터널에 입사 음향 에너지의 95% 이상을 위상 지연없이 전송할 수 있는 음향 슈퍼 커플러는 소음 제어, 신호 처리 및 의료 영상과 같은 음파를 사용하는 분야에서 다양하게 응용될 수 있을 것이다.

(출처 : 요 약 문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 3
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 3
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 4
• 4. 참고문헌 ... 4
• 5. 연구성과 ... 6
• 끝페이지 ... 7