산업·국방·에너지·센싱분야 전반서 활용 가능
포스텍 연구팀이 하나의 얇은 금속판만으로 여러 주파수의 진동을 동시에 구분하고 각기 다른 위치로 전달하는 기술을 개발했다.
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| ▲ 포스텍 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수. [포스텍 제공] |
포스텍은 기계공학과·화학공학과·전자전기공학과·융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 통합과정 이건 씨, 한국표준과학연구원(KRISS) 최원재 박사 연구팀이 '주파수 다중화 탄성 메타표면' 기술을 세계 최초로 개발했다고 15일 밝혔다.
이 기술은 복잡한 구조 없이도 다양한 주파수 파동을 동시에 제어하는 데 성공해 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 게재됐다.
연구의 출발점은 '탄성파'였다. 탄성파는 구조물이 흔들릴 때 내부를 따라 전달되는 진동으로, 건물이나 기계의 이상을 미리 찾아내는 비파괴 검사에 널리 활용된다.
그러나 주파수가 조금만 달라져도 파동 속도와 형태가 크게 변해 정밀한 제어가 쉽지 않았다. 이 때문에 기존 기술은 하나의 구조물로 하나의 주파수만 처리할 수 있었다.
라디오가 한 번에 하나의 채널만 또렷하게 수신하듯 기계 시스템도 특정 주파수에 맞춰 설계됐다. 동일한 구조가 다른 주파수를 만나면 설계된 기능이 제대로 작동하지 않는 한계가 있었다.
이 문제를 연구팀은 '판의 두께'에서 풀어냈다. 탄성파는 얇은 판을 통과할 때 두께에 따라 파동의 위상, 즉 도달 시점이 달라진다. 연구팀은 두께를 정교하게 조절하면 주파수마다 전혀 다른 반응을 유도할 수 있다는 점에 주목했다.
연구팀은 각 주파수가 도달해야 할 위치를 미리 설계하고 이를 실제 금속판 구조로 구현했다. 그 결과, 하나의 메타표면이 40kHz(킬로헤르츠), 60kHz, 80kHz 등 서로 다른 주파수 탄성파를 각각 다른 위치로 정확히 집속하는 데 성공했다.
그리고 각 위치에 압전 소자를 배치해 진동을 전기 신호로 변환한 결과, 특정 주파수에서 신호 세기가 다른 주파수보다 최대 48배까지 증가했다. 얇은 금속판 하나로 주파수 정보를 구분하고 읽어낼 수 있음을 입증한 것이다.
이번에 연구팀이 개발한 기술은 그동안 여러 장치와 복잡한 측정 시스템이 필요했던 파동 제어·분리·신호 추출 과정을 하나의 구조물로 통합했다는 점에서 의미가 크다. 주파수별 파동 제어부터 공간 분리, 전기 신호 변환까지를 단일 메타표면으로 구현한 것이다.
노준석 교수는 "하나의 구조물은 하나의 기능만 수행한다는 기존 통념을 깨는 기술적 전환점"이라며 "고가 장비 없이도 구조물의 진동을 주파수 별로 감지하고 필요한 신호만 선택적으로 증폭할 수 있어 산업·국방·에너지·센싱 분야 전반에서 활용할 수 있는 핵심 플랫폼 기술이 될 것"이라고 밝혔다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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