‘투명망토 현실화하나’ 스텔스 기능 구현 메타물질 개발

국내연구진이 해외연구진과 공동으로 ‘광대역 스텔스 구현’을 위한 ‘가상화 메타물질’ 기술 개발에 성공했다.

14일 과학기술정보통신부에 따르면 서울대학교 박남규 교수<사진>, 조춘래 연구원 연구팀은 홍콩과기대학(HKUST) 젠슨리(Jensen Li) 교수, 신화원(Xinhua Wen) 연구원과 공동 연구를 통해 음향 파동 물성을 자유자재로 구현할 수 있는 ‘가상화 음향 메타물질’ 기술을 개발했다.

가상화 메타물질은 기존 메타물질 설계가 가지고 있는 물리적 구조의 한계를 극복하기 위해 물리적 구조를 가상화된 디지털 회로 프로그램으로 대체하는 방식이다. 이는 기존 메타물질의 한계를 뛰어 넘어 여러 주파수에서 스텔스 기능을 구현하는 연구성과로, 세계적인 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈’(Nature Communications) 온라인판에 이날 게재됐다.

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 될 것으로 기대된다. 다만 메타물질이 제공하는 성질은 제작에 사용된 자연물질과 구조체의 특성에 의해 결정되므로 모든 물성을 구현하는 데 어려움이 있으며, 특히 주파수에 대한 응답을 제어하거나 설계하는 데 큰 제약이 따른다.

연구진은 디지털 회로와 신호 처리 기술을 이용, 자연물질의 분극 현상(Polarization)을 모사해 실제 구조체 없이 원하는 파동 물성과 주파수 분산(Frequency Dispersion) 특성을 자유자재로 구현하고 변경할 수 있는 ‘가상화 음향 메타물질’ 기술을 개발하는 데 성공했다. 분극 현상은 어떤 매질이 전자기장의 영향에 있을 때 매질을 구성하는 분자 내부의 전하가 재배치돼 해당 분자가 전자기적인 극성을 띄게 되는 현상이며, 주파수 분산은 주파수에 따른 매질의 파동물성 변화다.

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

아울러 이번 연구는 가상적인 메타물질을 통해 빛이나 소리의 반사·산란같은 파동 현상들을 광대역으로 제어할 수 있게 함으로써 ‘레이더’나 ‘소나’로부터 탐지되지 않는 ‘스텔스 기술’이나 ‘방음 및 흡음 설계 기술’ 등과 같은 새로운 메타물질 연구의 전기로서 더욱 의미가 크다고 과기부 측은 설명했다.

한편, 이번 연구성과는 전자기·역학분야 메타물질 핵심원천기술확보와 실용화 연구를 추진중인 과기정통부 글로벌프런티어사업(파동에너지 극한제어 연구단)의 지원을 받아 수행됐다.

스텔스 기능 구현 메타물질 설명그림./제공=과기부