새로운 설계로 한계 극복… 서울대 오주환 교수팀, 탄성 메타물질 플랫폼 개발

uapple 기자

등록 2026-07-15 10:24

진동·파동 정밀 제어하는 새로운 비국소 메타물질 설계 원리 제시

진동 저감, 초음파 진단, 의료 이미징, 차세대 센서 기술 응용 기대

세계적 권위 국제 학술지 Advanced Materials 논문 게재

왼쪽부터 서울대학교 기계공학부 김승한 석박통합과정생, 한국표준과학연구원 배명환 박사, 서울대학교 기계공학부 신예정 석박통합과정생, 서울대학교 기계공학부 오주환 교수

외부에서 가해지는 힘과 진동의 전달 방식을 자유롭게 설계할 수 있는 새로운 탄성 메타물질(Elastic Metamaterials) 플랫폼이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 메타물질의 치명적 약점이었던 좁은 주파수 대역 한계와 복잡한 설계 문제를 동시에 해결해 차세대 진동 제어 및 초음파 장치 개발에 속도가 붙을 전망이다.

서울대학교 공과대학은 기계공학부 오주환 교수 연구팀과 한국표준과학연구원 배명환 박사가 힘과 진동의 전달 방식을 정밀하게 제어할 수 있는 '비국소 메타물질(Nonlocal Metamaterials)' 설계 기술을 공동 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)'에 게재되며 학계의 주목을 받았다.

회전 배치로 공간 확보, 복잡성 걷어낸 '메타스파이어'

탄성 메타물질은 인공 구조를 규칙적으로 배열해 파동과 진동을 제어하는 신소재다. 최근 의료용 초음파나 수중 스텔스, 차량 소음 저감 등 다양한 분야에서 연구가 활발하다. 그러나 특정 주파수 대역에서만 파동 제어가 가능하다는 한계가 있었다.

이를 해결하기 위해 인접하지 않은 먼 영역과 상호작용하는 '비국소 메타물질'이 대안으로 제시됐으나, 실제 구현에는 어려움이 따랐다. 멀리 떨어진 구조끼리 연결하는 과정에서 설계가 극도로 복잡해지고, 서로 다른 진동이 간섭하면서 원치 않는 파동 왜곡이 발생했기 때문이다.

연구팀은 각 단위 구조를 일정한 규칙으로 회전 배치하는 '메타스파이어(Metaspire)' 구조 설계 방식을 제안했다. 회전을 통해 상호작용용 구조가 들어설 공간을 자연스럽게 확보함으로써 복잡함을 걷어내고 원치 않는 진동 간섭을 방지하는 데 성공했다.

1차원 넘어 2D·3D로 확장 가능… "실생활 응용 기술로 발전시킬 것"

연구팀은 수치 해석과 실제 제작 실험을 통해 메타스파이어 구조가 다양한 주파수 대역에서 파동을 효과적으로 전달하고 차단할 수 있음을 검증했다. 기존 연구가 이론적 접근에 머물렀던 것과 달리, 실제 구현 및 다양한 주파수 확장 가능성을 정밀하게 증명해낸 성과다.

이 기술은 1차원을 넘어 2차원과 3차원 구조에도 쉽게 적용할 수 있는 범용성을 지닌다. 이에 따라 넓은 주파수 대역에서 작동하는 고성능 진동 저감 장치, 초정밀 파동 제어 장치, 의료 초음파 장비 및 차세대 센서 등 기계 공학을 포함한 여러 응용 산업 분야에 즉각 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

오주환 교수는 "이번 연구는 탄성파와 진동을 활용하는 시스템의 설계 패러다임을 바꾼 성과"라며 "향후 초음파 이미징과 차세대 센서 등 실생활에 직접적인 도움을 주는 기술로 발전시켜 나갈 계획"이라고 강조했다.