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국내 연구진, ‘스텔스 잠수함’ 핵심소재 개발… 수중서 음파 그대로 통과시켜

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2018년 06월 20일 12:00 프린트하기

표준硏-GIST 개발 음향양자결정 메타물질
음파 굴절률 ‘0’…수중에서 탐지 불가능
“층간소음 해결에도 활용 기대”

 

물 속에서는 음파를 쏜 뒤 물체에 반사된 파동을 통해 물체를 탐지한다. 그런데 국내 연구진이 수중에서 음파를 반사시키지 않고 그대로 통과시킬 수 있는 물질을 개발했다. 아무 것도 없는 것처럼 자취를 완전히 감출 수 있어 스텔스 잠수함 등에 활용할 수 있을 것으로 전망된다.

 

최원재 한국표준과학연구원 안전측정센터 책임연구원과 왕세명 광주과학기술원(GIST) 기계공학부 교수팀은 음파의 진행을 제어할 수 있는 ‘음향양자결정 메타물질’을 개발하고, 수중 실험에도 성공했다고 20일 밝혔다. 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현하기 위해 인공적으로 설계한 물질을 의미한다. 

 

한국표준과학연구원과 광주과학기술원(GIST)이 공동 개발한 음향양자결정 메타물질. 구리를 규칙적으로 배열한 형태다. 음파에 영향을 주지 않고 아무 것도 없는 것처럼 투과시킬 수 있어 스텔스 잠수함 등에 활용 가치가 높다. - 한국표준과학연구원 제공
한국표준과학연구원과 광주과학기술원(GIST)이 공동 개발한 음향양자결정 메타물질. 구리를 규칙적으로 배열한 형태다. 음파에 영향을 주지 않고 아무 것도 없는 것처럼 투과시킬 수 있어 스텔스 잠수함 등에 활용 가치가 높다. - 한국표준과학연구원 제공

모든 물질은 파동에 대한 고유의 굴절률을 갖고 있다. 굴절률은 서로 다른 매질에서 파동이 지나갈 때의 속도 비율이다. 수중에서 빛이나 소리가 어떤 물체에 부딪히면 일부는 반사되고 일부는 그 물체를 이루는 물질의 굴절률에 따라 꺾인다. 매질이 물에서 다른 물질로 바뀌었기 때문이다. 이에 따라 파동의 위상에도 변화가 생기게 된다.
 
연구진이 개발한 음향양자결정 메타물질은 굴절률이 0이다. 굴절률이 0이라는 것은 음파가 물을 통과할 때나 이 메타물질을 통과할 때나 똑같이 진행한다는 뜻이다. 연구진이 실험을 통해 확인한 결과, 이 메타물질을 통과한 음파에는 어떤 위상 변화도 나타나지 않았다. 음파를 통해서는 감지할 수 없는 셈이다. 이는 빛을 그대로 투과시키는 투명망토와 유사한 원리다.
 

음향양자결정 메타물질(가운데 부분)에 음파를 쏜 시뮬레이션 결과. 물질을 통과한 지점부터 평면파가 발생하는 것을 볼 수 있다. 평면파는 파면의 모양이 직선으로 진행하는 파동으로 파동의 위상에 변함이 없을 경우 생성된다. - 자료: 한국표준과학연구원
음향양자결정 메타물질(가운데 부분)에 음파를 쏜 시뮬레이션 결과. 물질을 통과한 지점부터 평면파가 발생하는 것을 볼 수 있다. 평면파는 파면의 모양이 직선으로 진행하는 파동으로 파동의 위상에 변함이 없을 경우 생성된다. - 자료: 한국표준과학연구원

연구진은 물에서보다 음파의 진행속도가 3배 이상 빠른 구리를 규칙적으로 배열해 이 같은 메타물질을 구현했다. 이는 “수중 스텔스 효과를 내는 메타물질은 물에서보다 음파의 진행속도가 느려야 한다”는 ‘느린 물질 가설’을 뒤집는 결과이기도 하다. 최 연구원은 “메타물질 결정 구조의 대칭성이 핵심 원리”라며 “메타물질의 끝단 형태를 달리 할 경우 음파를 모을 수도 있고, 퍼져 나가게 할 수도 있다”고 설명했다. 

 

이어 최 연구원은 “잠수함 표면을 메타물질로 설계한다면 음파 탐지 시스템으로는 절대 관측되지 않는 스텔스 잠수함을 만들 수 있다”고 밝혔다. 왕 교수도 “음향을 원하는 방향으로 제어할 수 있는 기술인만큼 기계, 의료, 건축 등 다양한 산업 분야는 물론 층간소음 문제를 근본적으로 해결하는 데도 활용할 수 있을 것”이라고 기대했다.

 

연구 결과는 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트’ 5월 8일자에 게재됐다.

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