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‘투명망토’ ‘스텔스 잠수함’ 만드는 메타물질, 손쉽게 설계한다

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2016년 02월 25일 18:00 프린트하기

위키미디어 제공

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‘투명망토’나 ‘스텔스 잠수함’을 만들 수 있는 비결에는 자연 상태에 존재하지 않는 구조의 ‘메타물질’이 있다. 빛이나 전파에 대한 물리적인 성질을 자유자재로 조절할 수 있다는 점에서 관련 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근 국내 연구진이 메타물질을 손쉽게 설계할 수 있는 방법을 개발해 메타물질 상용화 가능성을 높였다.

 

김동철 서강대 기계공학과 교수팀은 문준혁 서강대 화공생명공학과 교수팀과 공동으로 메타물질의 기계적 특성을 쉽게 예측해, 메타물질 설계를 돕는 컴퓨터 시뮬레이션 모델을 개발했다고 25일 밝혔다.

 

연구팀은 고기능성 플라스틱인 ABS 수지를 이용해 앞뒤상하좌우 세 방향으로 같은 형태가 연속적으로 반복되는 ‘삼중주기적연속구조(아래 그림)’의 인공구조물을 만들었다. 여기에 다양한 방향에서 탄성파를 쏘아 각각의 전파속도와 강도를 측정했다. 이전까지 이런 구조의 물질이 빛의 간섭 효과 등을 이용해 두께나 모양을 쉽게 바꿀 수 있다고 알려졌지만, 형태가 바뀔 때 기계적 특성이 어떻게 변하는지는 알지 못했다.

 

x축, y축, z축의 세 방향에 대해 주기적으로 같은 형태가 연속적으로 반복되는 ‘삼중주기적연속구조’. 3가지 유형 중 프리미티브(Primitive) 구조가 방향에 따른 기계적 특성 변화가 뚜렷해 활용도가 높은 것으로 나타났다. - 서강대 제공
x축, y축, z축의 세 방향에 대해 주기적으로 같은 형태가 연속적으로 반복되는 ‘삼중주기적연속구조’. 3가지 유형 중 프리미티브(Primitive) 구조가 방향에 따른 기계적 특성 변화가 가장 뚜렷해 활용도가 높은 것으로 나타났다. - 서강대 제공

관측 결과 이 물질은 방향에 따라 기계적인 강도와 전파속도가 크게 다를 뿐만 아니라, 단위 구조의 부피와 가로세로 길이 비율에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 즉, 구조가 점점 얇아질 때 상대적으로 강도가 세진 것이다. 또 철이나 탄소 화합물 등 소재를 바꿔 가면서 같은 실험을 반복한 결과, 소재보다는 구조가 물질의 특성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 확인됐다.

 

연구팀은 이를 토대로 시뮬레이션 모델을 만들어 삼중주기적연속구조의 기계적 특성 변화를 정량적으로 예측하는 데 성공했다. 논문의 제1 저자인 이우주 서강대 기계공학과 박사과정 연구원은 “삼중주기적연속구조의 기계적 특성을 제어할 수 있는 가능성을 확인했다”며 “가벼우면서도 힘을 효과적으로 분산시키는 방탄복, 특정 방향의 파동만 빠르게 전파시켜 감청을 막는 스텔스 잠수함 등을 만드는 데 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

 

연구팀은 3D 프린팅을 이용해 메타물질 제작에도 직접 나설 계획이다. 김 교수는 “메타물질 제작에는 고도의 전문성과 기술력이 요구되는 만큼 시간과 비용이 많이 든다”며 “시뮬레이션 모델을 활용해 효과적인 후보물질을 제안하면 시행착오를 줄이고 다양한 메타물질의 실용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.

 

연구 결과는 ‘네이처’ 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 3일자에 실렸다.

 


송경은 기자

kyungeun@donga.com

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