어떤 주파수에도 맞춤형으로 대응할 수 있는 가상 메타물질 구현 기술이 나왔다. 메타물질은 전파나 음파의 파동을 왜곡하는 투명망토 등 스텔스 기능에 사용되는 인공 물질이다.

과학기술정보통신부는 박남규 서울대학교 전기정보공학과 교수와 조춘래 연구원 연구팀이 해외 연구진과 공동으로 음향 파동 물성을 자유자재로 구현할 수 있는 ‘가상화 음향 메타물질’ 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

가상화 메타물질의 원리. 강철 파이프 위에 마이크로프로세서(칩)와 마이크로폰(원형 은색부분), 스피커(직사각형 부분)가 연결돼 있다. 마이크로프로세서는 마이크로폰을 통해 입사되는 신호 ‘M’을 실시간으로 감지해 미리 설계된 특성 ‘Y’에 따라 산란파 ‘S’를 발생한다. /과기정통부 제공

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연구팀이 개발한 가상화 메타물질 프로그램은 디지털회로와 신호처리 기술로 여러 개의 메타물질을 대체할 수 있는 것이 특징이다. 메타물질은 물렁물렁한 성질을 가진 돌과 같이 자연 물질에는 없는 물성을 구현한 인공 구조물이라고 보면 된다.

현재 메타물질이 대표적으로 이용되는 사례로는 투명망토 스텔스 기술이다. 특정 주파수를 흘려보내거나 왜곡하는 메타물질을 제작해 비행기나 잠수함 등 표면에 탑재하면 반사되는 음파로 적을 탐지하는 ‘소나(Sonar·수중음파탐지기)’를 속이는 것이다.

이번에 개발된 프로그램은 이러한 메타물질을 인위적으로 만들지 않아도 원하는 파동과 주파수 분산을 자유자재로 구현하고 변경할 수 있다. 이에 따라 설계된 마이크로프로세서가 담긴 직사각형 모양의 칩을 탑재한 장비는 넓은 대역의 주파수에 대응한다.

원하는 매질의 특성이 갖는 수식을 이 프로그램에 집어 넣으면 기존의 개별 메타물질이 갖고 있었던 모든 특성을 제공한다. 연구팀은 물체의 고유 진동수를 뜻하는 공진 강도나 공진 주파수, 대역폭과 같은 주파수 분산 특성의 완전한 제어를 실험적으로 검증했다.

박남규 교수는 "가상화 메타물질이 대부분의 음향 물성을 구현할 수 있을 것으로 보인다"며 "최종적으로 광대역 동작이 가능한 음향 투명망토 스텔스 기술을 실험적으로 구현하고자 한다"고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ (Nature Communications, IF=11.880) 온라인판에 1월 14일로 실렸다.

스펙트럼의 선폭 제어(왼쪽), 공진 주파수 제어(오른쪽). 가상화 메타물질은 기존 메타물질과는 달리 공진의 주파수 응답 특성을 자유롭게 프로그램 할 수 있다. /과기정통부 제공

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김태환 기자(topen@chosunbiz.com)

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