국내연구진이 해외연구진과 공동으로 ‘광대역 스텔스 구현’을 위한 ‘가상화 메타물질’ 기술 개발에 성공했다.
* 가상화 메타물질(Virtualized meta material)
기존 메타물질 설계가 가지고 있는 물리적 구조의 한계를 극복하기 위해, 물리적 구조를 가상화된 디지털 회로 프로그램으로 대체 하는 개념
서울대학교 박남규 교수, 조춘래 연구원 연구팀이 홍콩과기대학(HKUST) Jensen Li 교수, Xinhua Wen 연구원과 공동으로, 음향 파동 물성을 자유자재로 구현할 수 있는 ‘가상화 음향 메타물질’ 기술을 개발하였다고 과학기술정보통신부(이하 ‘과기 정통부’)는 밝혔다.
이는 기존 메타물질의 한계를 뛰어 넘어 여러 주파수에서 스텔스 기능을 구현하는 연구성과로, 세계적인 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ (Nature Communications, IF=11.880) 온라인판에 1월 14일 게재되었다.
※ 논문명: Digitally virtualized atoms for acoustic metamaterials
※ 저자정보: 조춘래, 박남규(서울대), Jensen Li(HKUST) 포함 총 4명
메타물질은 자연에 존재하는 원자를 모사한 인공구조물로서 기존의 물질이 제공하지 못하는 특이한 물리적 성질을 가능하게 하는데, 고해상도 이미징, 투명망토 스텔스, 무반사 태양전지 등 다양한 기능을 구현할 수 있게 될것으로 기대 된다.
한편, 메타물질이 제공하는 성질은 제작에 사용된 자연물질과 구조체의 특성에 의해 결정되므로 모든 물성을 구현하는 데는 어려움이 있으며, 특히 주파수에 대한 응답을 제어하거나 설계하는데 큰 제약이 따른다.
연구진은 디지털 회로와 신호 처리 기술을 이용, 자연물질의 분극 현상을 모사하여, 실제 구조체 없이 원하는 파동 물성과 주파수 분산 특성을 자유자재로 구현하고 변경할 수 있는 ‘가상화 음향 메타물질’ 기술을 개발하는데 성공하였다.
* 분극 현상 (Polarization): 어떤 매질이 전자기장의 영향에 있을 때 매질을 구성하는 분자 내부의 전하가 재배치되어 해당 분자가 전자기적인 극성을 띄게 되는 현상
* 주파수 분산 (Frequency Dispersion): 주파수에 따른 매질의 파동물성 변화
특히, 공진 강도나 공진 주파수, 대역폭과 같은 주파수 분산 특성의 완전한 제어를 실험적으로 검증하였는데, 이는 세계 최초로 주파수 분산 특성의 설계가 가능한 메타물질을 개발 한 것이다.
* 공진 (Resonance): 물체의 고유 진동수와 일치하는 외부의 힘에 의해 진동이 증폭되는 현상
아울러, 본 연구는 가상적인 메타물질을 통해 빛이나 소리의 반사, 산란같은 파동 현상들을 광대역으로 제어 할 수 있게 함으로서, ‘레이더’나 ‘소나’로부터 탐지되지 않는 ‘스텔스 기술’ 이나, ‘방음 및 흡음 설계 기술’ 등과 같은 새로운 메타물질 연구의 전기로서 더욱 의미가 크다.
본 연구성과는 전자기·역학분야 메타물질 핵심원천기술확보와 실용화 연구를 추진중인 과기정통부 글로벌프런티어사업(파동에너지 극한제어 연구단)의 지원을 받아 수행되었다.
< 연구 이야기 >
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
기존 메타물질 연구는 단일 주파수에서 원하는 파동 물성을 제공하는 메타물질 구조체를 설계하기 위하여, 파동 물성에 영향을 주는 구조체를 먼저 설계하고 원하는 파동 물성이 나타날 때까지 해당 구조체를 조금씩 변경하는 상향식 (Bottom-up) 설계기법이 일반적이었다.
본 연구팀은 하향식 (Top-down) 설계기법, 즉 원하는 파동 물성을 얻을 수 있는 메타물질 구조를 계산하는 연구를 진행해왔다. 본 연구는 단일 주파수에서의 메타물질 하향식 설계 연구를 확장된 연구로서, 주파수 분산 특성의 하향 설계를 위해 자체적인 주파수 응답 특성을 갖는 실제 구조체를 이용하는 대신 디지털 신호처리를 통해 메타물질을 구현하고자 하였다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
본 연구팀의 기존 연구 주제는 실제 구조체의 모양과 크기를 계산하여 메타물질을 설계했으나, 본 연구는 실제 구조체가 아닌 디지털 회로가 자연물질의 분산 과정을 모사하는 것이 핵심이다.
일반적으로 많은 연구들이 단일 주파수 영역에서 문제를 해석하는 반면, 본 연구 주제는 실시간으로 동작하는 디지털 회로를 시간 영역에서 설계해야 하므로 수치해석적인 검증이 간접적으로만 가능했다.
또한 마이크로프로세서를 이용해 컨버터 및 소자가 통신하도록 하는 하드웨어 설계 부분과 마이크로프로세서의 연산 속도를 높이기 위한 프로그램 코드를 작성하는 부분이 익숙하지 않았다.
처음 설계했던 구조를 해체해서 가장 낮은 단계에서부터 동작을 검증해가는 방식으로 가상화 메타물질을 실험적으로 구현할 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
메타물질 연구는 상당부분 진행되어왔으나, 매질의 주파수 응답특성을 제어하는 것은 극히 제한적으로만 가능했다.
본 연구에서 검증한 가상화 메타물질의 파동 물성 설계 기술은 기존 메타물질에서 구현할 수 없는 광대역 파동 물성을 제공함으로써, 광대역 투명망토 스텔스, 파동에너지 집속, 여러 주파수대역에서 동작하는 메타표면 설계 등으로 응용될 수 있다.
또한 최근 메타물질 연구 트렌드가 비상호성(Non-Reciprocity), 비선형성, 시간 메타물질 등 선형 시스템으로부터 벗어나고 있으나, 실험적으로 구현하기 어려워 이론 연구가 주를 이루고 있다.
가상화 메타물질은 매질의 특성을 문자 그대로 “프로그램” 함으로써 인과관계(Causality)와 안정성을 만족하는 범위에서 비선형, 주파수 분산, 시간 메타물질, 패리티-시간 대칭성(PT-Symmetry) 등 거의 모든 특성을 제공할 수 있다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
가상화 메타물질이 대부분의 음향 물성을 구현할 수 있을 것으로 보여, 메타물질의 다양한 응용분야에 가상화 메타물질을 적용해보고자 한다.
단기적으로는 음향 쌍이방성 (Bianisotropy)을 포함한 파동물성의 주파수 분산특성 하향설계와, 비상호성 메타표면 연구를 진행하고 있다.
이를 확장하여 가상화 메타물질의 시간차원 해석을 기반으로 인과관계, 시간메타물질 등을 연구하고, 최종적으로 광대역 동작이 가능한 음향 투명망토 스텔스 기술을 실험적으로 구현하고자 한다.
출처: 과학기술정보통신부
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