"잠수함을 찾지 못한다?"…음향 투명망토 현실화

국내 연구팀, 음향 투명망토 구현할 만능형 메타원자 개발

▲국내 연구팀이 제작한 만능형 음향 메타원자.[사진제공=서울대]

[아시아경제 정종오 기자] 바다 아래 잠수함이 있다. 이를 탐지하기 위해서는 음파를 이용한다. 이 잠수함에 음향 투명망토 구조를 덧입히면 음파가 통과해 버린다. 잠수함을 찾을 수 없는 셈이다.

국내 연구팀이 이 같은 현상을 가능하게 하는 새로운 기술을 선보였다. 음향 투명망토를 구현할 수 있는 만능형 메타원자를 개발했다. 이번 기술을 응용하면 소리를 집적시켜 체내의 특정 종양을 찾아내는 음향 박막렌즈에도 사용이 가능하다.

박남규 서울대 교수팀은 4일 음향 투명망토를 구현할 만능형 메타원자를 개발했다고 발표했다. 음파 경로상의 장애물을 사라지게 하는 음향 투명망토를 만들 수 있는 꿈의 기술을 확보했다는 것이다.

연구팀은 메타원자를 이용해 음(-)굴절, 영(0)굴절, 고(高)굴절, 클로킹(cloaking: 은폐) 등 특이한 파동전파를 전(全) 영역에서 자유자재로 가능하게 하는 기술을 내놓았다. 메타물질은 자연의 원자를 본뜬 인공구조물(메타원자)을 배열해서 만든 물질이다. 자연물질이 제공하지 못하는 특이한 물리적 성질을 띠기 때문에 전자기파뿐 아니라 소리, 지진파와 같은 다양한 파동 영역에서 에너지의 집속, 고해상도 이미징, 클로킹, 스텔스 등의 다양한 응용 연구가 진행되고 있다.

이 같은 메타물질의 여러 가지 물리적 성질을 원하는 값으로 독립적이고 자유자재로 제어할 수 있는 기술은 지난 수십 년 동안 숙제로 남아있었다. 연구팀은 파동 특성들 간의 상호 작용을 제어할 수 있는 원리를 찾았다. 이를 조절함으로써 탄성값과 밀도, 쌍이방 특성을 완전히 분리해 자유롭게 제어할 수 있는 메타원자를 제작했다.

이번 연구에서 개발된 하향설 계식 메타원자는 메타물질 응용에 필요한 광범위한 범위의 물질특성 값을 목표에 맞춰 설계하는 데 이용할 수 있다. 예컨대 이 메타원자로 구성된 메타물질을 음향실의 기둥이나 벽에 부착할 경우 소리가 기둥·벽을 투과하는 것처럼 전달되도록 하는 음향 투명망토를 만들 수 있다.

연구팀은 지금까지 시도되지 않았던 응용 사례들도 함께 선보였다. 파동이 공간상의 거리를 0으로 인지하는 영(0)굴절률 특성과 파동 특성들 사이의 상호작용을 조절하는 쌍이방성 특성을 동시에 이용해 넓게 퍼져서 전달되는 파동 에너지를 10분의1 이하의 영역에 반사 없이 모이게 했다.

또 매질의 경계에서 발생되는 반사파 에너지와 투과파 에너지의 세기와 진행 방향을 독립적으로 조절할 수 있는 쌍이방성 메타 표면을 처음으로 제안했다.

박남규 교수는 "이번 연구를 통해 메타물질의 물리적 특성 분리제어와 하향식 메타원자 설계가 특성 값 전 영역에 걸쳐서 구현 가능함을 증명했다"며 "소리의 진행방향과 초점을 조절하는 음향 박막렌즈, 약한 파도를 좁은 공간에 모아 증폭시켜 터빈을 돌리는 조력발전, 약한 전자파와 태양에너지 집속 등 다양한 분야에 응용 가능할 것"이라고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr