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음파 흡수하는 신물질 개발… 스텔스 잠수함 만드나

POSTECH, 소리 제어 인공물질 개발
지진파 흡수해 건축물에도 적용 가능
음파 흡수하는 신물질 개발… 스텔스 잠수함 만드나
탄소계열의 고무(Rho C)와 철근으로 구성된 단일 메타 표면의 3차원 도식이며, 해수 및 선체에 둘러싸여 있다. POSTECH 제공


[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 음향파나 지진파까지 조절할 수 있는 자연에 존재하지 않는 '메타표면'을 만들었다. 이 메타물질은 음파탐지기로도 잡히지 않는 잠수함을 만들거나, 지진을 회피하는데 활용될 수 있다고 설명했다.

포항공과대학교(POSTECH)는 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 이동우씨 연구팀이 소리 영역까지 제어할 수 있는 메타물질을 개발했다고 29일 밝혔다.

연구진은 물속에서 음향 굴절률을 조절해 파동을 흡수하거나 통과시킴으로써 음파탐지기에도 잡히지 않는 '수중 스텔스 메타표면'을 제안했다. 뿐만 아니라 진동과 같은 판에서의 파동 흐름을 극단적으로 바꿀 수 있는 것을 확인했다.

연구진은 지금까지 메타물질 연구는 빛이나 전자기파에 집중됐지만, 음파나 지진파에도 적용될 수 있음을 확인했다. 노준석 교수는 "심해 환경 속에서 수중 음파 탐지기를 피할 수 있는 잠수함, 지진이 와도 멀쩡한 원자력발전소를 만드는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

자연에서 빛이 어떤 물질을 만났을 때, 일반적으로 양(+)의 방향으로 굴절되는 성질이 있다. 메타물질은 이런 빛의 굴절 특성을 음(-)의 방향, 완전 투과를 일으키는 제로 굴절률(0) 또는 완전 흡수체를 설계할 수 있다. 이 때문에 메타물질은 투명하게 보이게 만들수도 있다.

굴절률은 빛뿐만 아니라 소리도 제어할 수 있는데, 연구진은 음향의 굴절률을 제어해 음파가 반사하지 않고 흡수할 수 있는 메타표면을 이론적으로 확인했다.

또한, 연구진은 메타표면을 어떻게 설계하느냐에 따라 지진파와 같은 탄성 파동을 통과시키거나, 방향을 바꾸는 것이 가능하다는 것도 확인했다.

알베르트 아인슈타인의 '일반 상대성이론'인 질량으로 인한 중력장의 변화에 따른 시공간의 휨 속에서 빛의 경로가 바뀐다는 아이디어를 차용해 곡면 판에서 극단적인 탄성 파동을 제어할 수 있는 플랫폼을 제안했다.

그 예시로 굴절률 특이점 렌즈, 즉 두께가 거의 0에 수렴하는 메타표면 렌즈를 만들어 넓은 주파수 대역(15kHz~18kHz)에서 90도, 180도로 휘어질 수 있는 탄성파 이튼 렌즈를 만들어냈다.

연구진은 이외에도 이론상 존재해왔던 특이점이 존재하는 클로킹 현상을 실제로 만들어낼 수 있는 방법론을 제안했다. 이는 향후 블랙홀과 같은 현상들을 탄성파에서 테스트 베드로 활용 가능할 것이라고 전망했다.

이번 연구결과는 응용물리 분야 권위지 '저널 오브 어플라이드 피직스(Journal of Applied Physics)'와 '피지컬 리뷰 어플라이드(Physical Review Applied)'에 각각 게재됐다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자