▲ 조선호 교수

저주파 전달을 억제하는 삼차원 메타 구조 형상의 최적 설계 기법이 개발돼 선박, 자동차 등 수송체의 부품이나 건축물 및 도로의 방음벽으로 기술 활용이 기대된다.

서울대 공대(학장 차국헌)는 조선해양공학과 조선호 교수팀이 설계민감도를 이용한 최적화를 통해 가청 저 주파수 대역에서 극대화된 완전 밴드갭을 갖는 2차원 및 3차원 메타구조 설계에 성공했다고 15일 밝혔다. 이번 연구로 소음이나 진동의 차단과 저감 기술의 획기적인 발전을 기대할 수 있게 됐다.

저 주파수 대역의 탄성파 전달을 억제하는 메타구조는 최근 사회적 관심이 높아지고 있는 층간 소음의 억제뿐만 아니라 선박 및 자동차 부품에도 소음/진동의 차단이나 저감에 활용이 가능한 첨단 소재로 주목받고 있다.

새로 개발된 메타 구조는 저 주파수 대역에서 극대화된 흡음 성능을 보일 뿐만 아니라 오랜 시간 안정적으로 이용할 수 있기 때문에 해양플랜트 및 특수 선박에서 사용되던 스펀지형 흡음재와 소음기를 대체할 수 있을 것으로 보인다. 더 나아가 함정 스텔스 기능을 위한 복합 경량화 패널 개발에도 활용될 수 있을 전망이다.

연구팀은 이러한 메타구조 설계에 단일 물질의 밴드갭을 제시했다. 기존의 브래그형(Bragg-type) 밴드갭은 주파수 대역을 낮추기 위해 격자 구조의 크기를 증대해야 하고 국부 공진형(local resonance) 밴드갭은 저 주파수 대역에서 공진을 유발시키는 물질이나 장치를 추가해야 하는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 2차원 및 3차원 격자구조의 형상을 아이소지오메트릭 최적설계 기법으로 엄밀하게 조절함으로써 저 주파수 대역에서 밴드갭을 극대화했다.

이 연구에서 제시한 3차원 구조는 약 160∼1,000Hz의 영역의 외부 가진(excitation)에 대해 0에 가까운 전달율을 나타낸다. 형상 제어를 통해 극대화된 밴드갭 구조의 효용성과 범용성을 입증한 것이다.

조선호 교수는 “이번 연구를 통해 탄성 파동 제어를 위한 구조 설계의 원천 기술을 획득했다”며 “향후 소음과 진동의 차단 또는 저감을 위한 소재 및 장치 개발에 큰 파급 효과를 미칠 것”이라고 전했다.

이번 연구 성과는 세계적으로도 주목받아 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 7월10일 자에 온라인으로 게재됐다.

한편 이 연구는 미래창조과학부/한국연구재단의 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원으로 수행됐다.

▲ 그림 1. 단순입방 격자구조의 주파수 밴드 구조와 응답 특성