층간소음 줄이는 신소재 개발 가능성 열렸다

KIST 연구팀, 준결정 구조에서 '빛의 정지현상' 발견

▲결정구조(왼쪽)에서는 소리와 파동이 회전과 병진하는데 준결정구조(오른쪽)에서는 소리와 파동의 국부화 현상이 일어나면서 정지한다.[사진제공=KIST]

[아시아경제 정종오 기자] 층간소음을 줄일 수 있는 신소재가 나올 것으로 기대된다. 빠르고 정확한 광통신에도 응용할 수 있어 주목된다.

한국과학기술연구원(KIST) 연구팀이 준결정 구조 내에서 '빛의 정지현상'을 발견했다. 소리나 파동이 이 소재를 만나면 정지하기 때문에 층간소음 해결과 빠르고 정확한 광통신을 위한 광섬유 개발 등에 응용할 수 있다.

준결정(Quasicrystal)이란 결정(Crystal)과 비정질 소재의 특성을 동시에 지니는 새로운 형태의 소재를 말한다. 산란체들이 일정하게 병진과 회전 배열이 대 있는 결정구조와 달리 부분적으로 회전 배열만 돼 있는 특징이 있다.

그동안 물질 내 산란체가 무질서하게 배열된 비정질 소재에 파동을 통과시켜 파동의 국부화 현상을 관찰한 적은 있다. 이러한 현상이 발생하는 비정질 소재에 대한 구조를 정의하고 재현하기 어려워 파동의 국부화 현상을 안정적이고 일관되게 관찰할 수 없었다.
파동의 국부화 현상(Wave Localization)란 빛과 소리 등의 파동이 소재를 통과할 때 소재 내에 존재하는 산란체에 충돌하고 다중산란을 일으켜 물질 내부에서 파동이 정지하는 현상을 말한다.

연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 산란체들이 공간적으로 일정하게 배열돼 있는 결정질 소재와 산란체들이 무질서하게 흩어져 있는 비정질 소재의 중간적 성격을 지니는 준결정 소재로부터 파동의 국부화 현상이 나타나는 것을 발견하고 그 메커니즘을 밝혔다.

이번 연구를 바탕으로 산란체 위치가 정확하게 결정돼 있는 준결정 구조를 이용해 파동의 국부화 현상을 일관되고 안정적으로 제어할 수 있게 됐다. 이번 연구결과를 광섬유에 응용하면 기존의 정보와 신호전달 체계를 획기적으로 개선해 빠르고 정확한 통신망을 구축할 수 있다. 다중산란에 의해 파동이 증폭되는 레이저 시스템에 적용할 경우 특정 주파수의 빛을 강하게 방출할 수 있어 지금보다 훨씬 강력한 레이저의 개발이 가능할 것으로 기대된다.

준결정 구조를 방음벽에 이용할 경우 최근 사회적으로 이슈가 되고 있는 층간소음을 획기적으로 줄일 수 있는 가능성을 보여주고 있다.

이번 연구는 허가현 KIST 박사 연구팀이 수행했다. 국제 학술지 네이쳐 피직스(Nature Physics) 1월9일자(논문명: Intrinsic photonic wave localization in a three-dimensional icosahedral quasicrystal)에 실렸다.

허가현 박사는 "기존의 통제하기 어려운 무질서한 구조에서만 관찰되던 파동의 국부화 현상을 구조 제어가 가능한 준결정 구조에서 발견했다"며 "이 현상을 능동적으로 조절 할 수 있게 돼 광섬유나 레이저 외에 다양한 분야에서도 파동의 국부화 현상을 활용한 응용 연구에 앞으로 더 주력할 계획"이라고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr