포항공과대학교(POSTECH)·전북대·서울대 공동 연구팀이 진동·충격을 효과적으로 줄이는 탄성 메타물질 개발에 성공했다고 11일 밝혔다. 이 메타물질은 단순한 3D 구조로 진동과 충격을 흡수할 수 있어 산업 전반에 큰 변화를 가져올 것으로 보인다. 

자동차가 울퉁불퉁한 도로를 달릴 때나 스마트폰을 바닥에 떨어뜨릴 때에 충격이 발생한다. 뿐만 아니라 항공기, 건축물 등 충격과 진동은 내구성과 성능에 영향을 미치기에 높은 비용을 부담하면서 별도의 감쇠 장치를 사용하고 있다.

이번 연구에서 국내 공동 연구팀은 메타물질을 활용했다. 메타물질은 재료 자체 특성이 아닌 내부 구조를 인위적으로 설계해 기존의 재료로는 얻기 어려운 특성을 구현할 수 있다. 

연구팀은 단순하면서도 안정적인 3D 우드파일 적층 구조로 메타물질을 설계했다. 이 구조는 마치 여러 개의 나무토막을 쌓은 것처럼 보이며 긴 실린더 형태의 여러 빔으로 구성되어 있다. 연구팀은 이 빔들은 고유의 굽힘 공진 모드를 가지 진동이 내부를 통과하는 방식을 결정한다.

이 구조는 실린더가 가지는 고유의 굽힘 공진 모드를 활용하여 진동의 간섭 효과를 극대화해 실린더의 적층 방식에 따라 공진 모드 간 결합의 정도를 정교하게 조절할 수도 있다. 

진동에너지를 효과적으로 분산시키는 동시에 기존 메타물질 설계의 문제점인 불안정성을 극복했다. 별도의 감쇠 장치 없이도 넓은 주파수 대역에서 충격파를 차단할 수 있게 됐다. 이 연구는 기존 설계보다 그 구조가 단순하면서도 실용적인 해결책을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다.

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노준석 포스텍 교수(왼쪽), 김은호 전북대 교수

노준석 교수는 “이번 연구를 통해 탄성 메타물질 설계의 새로운 가능성을 제시했다”라며 “복잡한 장치 없이도 넓은 주파수 대역 진동과 충격을 효과적으로 제어할 수 있다"라고 했다.

김은호 교수는 "자동차나 항공기처럼 진동과 충격이 중요한 설계 요소로 작용하는 산업뿐만 아니라 전자기기 및 건축 분야에서도 실질적인 활용이 기대된다”라고 덧붙였다.

이번 연구는 POSTECH 기계공학과 · 화학공학과 · 전자전기공학과의 · 융합대학원 노준석 교수, 기계공학과 박사과정 장영태 씨, 전북대 김은호 교수, 서울대 양진규 교수가 공동으로 수행했으며, 기계 분야 최고 권위 학술지 ‘Mechanical Systems and Signal Processing’에 게재됐다.