국내 연구진이 해외 연구진과 공동으로 광대역 스텔스 기능을 갖춘 가상화 메타물질 개발에 성공했다.
향후 고해상도 이미징, 투명망토 스텔스, 무반사 태양전지 등 다양한 기능을 구현할 수 있게 될것으로 기대 된다.
과학기술정보통신부는 박남규 서울대학교 교수, 조춘래 연구원 등 연구팀이 홍콩과기대학과 공동으로 음향 파동 물성을 자유자재로 구현할 수 있는 '가상화 음향 메타물질' 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.
마이크로프로세서와 마이크로폰, 스피커가 연결되어 있는 가상화 메타물질의 모식도. 마이크로프로세서가 입사되는 신호(M)를 실시간으로 감지하여 미리 설계된 물리적 특성(Y)과 합성곱 연산을 수행하여 산란파(S)를 발생한다.(과기정통부 제공)
메타물질은 자연적인 물질들이 할 수 없는 방식으로 빛과 음파를 상호 작용하도록 설계한 인공 구조물을 말한다. 전자파·음파 등 일반적인 파동의 전파를 재단해 스텔스 기능을 갖추거나 빛을 제어해 투명망토·고성능 렌즈·효율적인 소형 안테나·초민감 감지기 등에 이용할 수 있다.
다만 메타물질의 성질은 제작에 사용된 자연물질과 구조체의 특성에 의해 결정된다. 모든 물성을 구현하는 것은 어렵다는 뜻이다. 특히 주파수에 대한 응답을 제어하거나 설계하는데 큰 제약이 따른다.
연구진은 이같은 메타물질의 물리적 한계를 극복한 가상화 메타물질을 개발했다. 기존 메타물질의 물질적 구조를 디지털로 구현해 여러 물성을 구현할 수 있도록 했다.
연구진이 만든 가상화 메타물질은 디지털 회로와 신호 처리 기술을 활용해 자연물질의 분극 현상을 모사한다. 실제 구조체 없이, 원하는 파동의 물성을 나타내거나 주파수를 분산하는 특성을 가졌다. 분극 현상은 어떤 매질이 전자기장의 영향을 받아, 전자기적인 극성을 띄는 현상을 말한다.
특히 이 가상화 메타물질은 필요에 맞게 주파수 분산 특성을 설계할 수 있다는 것이 강점이다. 연구진은 실험을 통해 공진 강도, 공진 주파수, 대역폭과 같은 주파수 분산 특성을 제어하는데 성공했다.
연구진은 "세계 최초로 광대역 주파수를 제어할 수 있는 메타물질을 개발했다는 점이 큰 의미"라며 "이를 통해 빛이나 소리의 반사, 산란같은 파동 현상들을 광대역으로 제어 할 수 있게 됐다"라고 밝혔다.
이번 연구는 과기정통부 글로벌프런티어사업(파동에너지 극한제어 연구단)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 네이처 커뮤니케이션즈 온라인판에 14일 실렸다.