국내연구진, 기계적 메타물질 설계기술 개발 3차원 미세구조 형상 독특한 성질로 변화 최근 투명망토에 사용될 수 있는 독특한 광학적 특성을 갖는 메타물질이 개발되는 등 다양한 분야에서 기존 재료의 특성을 뛰어넘는 메타물질이 개발돼 상상 속의 도구들이 현실화되고 있다. 특히 자연계에 존재하지 않는 독특한 기계적 특성을 갖는 메타물질 개발은 그 활용 가능성이 매우 높을 것으로 예상되지만 현재까지 심도 있는 연구가 시도되지 않았다.실험을 통해 새로운 기계적 특성을 갖는 메타물질을 개발하는 것은 고도의 전문성과 기술력이 요구되고 많은 시간과 비용이 필요하기 때문에 현실적으로 상당한 어려움이 있다. 따라서 다양한 구조의 기계적 특성을 예측할 수 있는 효율적인 메타물질 설계 방법이 필요하다. 최근 구조의 복잡한 내부 형상을 간단한 방법으로 변화시킬 수 있어 많은 관심을 받고 있는 삼중 주기적 연속체(三重週期的連續體)는 내부 형상이 변할 때 구조의 다양한 기계적 특성 변화가 예상되지만 아직 기계적 메타물질로써 활용할 수 있는 연구가 이뤄지지 못해왔다.메타물질의 제작 기법은 3차원 프린팅, 블록공중합체(block-copolymer)를 이용한 자기조립(self-assembly), 빔의 간섭을 이용한 리소그라피(lithography) 등의 다양한 공정이 적용되고 있다. 이러한 제작 기술들은 특성상 고도의 전문성과 기술력이 요구되고 많은 시간과 비용이 필요하기 때문에 완성된 구조의 기계적 특성을 사전에 예측하는 것이 효율적인 메타물질 설계에 필수적이다.전 세계 많은 연구자들이 다양한 구조의 메타물질의 기계적, 광학적 특성을 밝혀내기 위해 많은 시간과 노력을 들이고 있다. 삼중 주기적 연속체 구조(triply periodic bicontinuous structures)는 훌륭한 광학적 특성으로 인해 광결정 (photonic crystal) 분야에서 많은 연구가 진행됐고, 구조의 제작방법도 상당히 연구가 진행된 상태이다. 삼중 주기적 연속체가 갖는 마이크로 수준의 주기적 구조는 기계적 메타물질로서의 큰 가능성을 가지고 있음에도 불구하고, 구조의 형상이 미세한 변화가 기계적 특성에 미치는 영향에 관한 연구가 전무하다. 따라서 이 삼중 주기적 연속체의 메타물질로서의 가능성을 보여주기 위한 유한요소법 기반의 연구가 필요하다.미래창조과학부(장관 최양희)는 “3차원 미세구조의 형상을 조절해 자연계에 존재하지 않는 독특한 성질을 갖도록 인공적으로 설계된 재료인 메타물질 설계기술을 국내 연구진이 제시했다”고 밝혔다.김동철·문준혁 교수팀(서강대)은 미래창조과학부 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원으로 연구를 수행했으며, 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Report) 2월 3일자에 게재됐다. 다음은 김동철·문준혁 교수팀과의 일문일답.-. 연구를 시작한 계기나 배경은?메타물질 구현을 위한 미세구조 제작 및 실험에 필요한 금전적/시간적 비용을 절약할 수 있는 방법을 모색했고, 시뮬레이션 기반으로 재료의 기계적 특성을 예측하는 방법을 생각하게 됐다.-. 연구 전개 과정에 대한 소개미세구조 제작 공정을 통해 제작되는 삼중 주기적 연속체의 공정 조건에 따라 변하는 형상이 기계적 특성에 미치는 영향을 분석할 필요성이 있었다. 따라서, 삼중 주기적 연속체의 구조의 유한요소모델을 구성하고 시뮬레이션을 수행했다. 탄성파, 압축/전단 하중에 따른 구조의 기계적 강성을 계산해 삼중 주기적 연속체의 형상의 변화에 따른 영향을 분석했다.-. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)했는지?처음 연구를 시작했을 때 부피율과 종횡비가 기계적 강성에 미치는 영향에 대한 이유를 이해하는데 어려움이 많았다. 응력 분포 분석 등 다양한 방법을 시도하던 중 빔 형태로 단순화된 구조의 해석해(analytic solution)을 구함으로써 단위구조를 연결하는 부분의 형상이 중요 인자라는 것을 확인할 수 있었다.-. 이번 성과, 무엇이 다른가?실험을 통한 새로운 메타물질 개발은 고도의 전문성과 기술력이 요구되고 많은 시간과 비용이 필요하기 때문에 다양한 구조의 기계적 특성을 예측할 수 있는 효율적인 메타물질 설계 방법이 필요하다. 이번 연구를 통해 삼중 주기적 연속체의 방향에 따른 기계적 특성을 제어할 수 있는 방법을 새롭게 개발했다.-. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?이번 연구를 통해 개발된 방법을 이용한 메타물질을 개발해 음향탐지기에 대한 은폐장치, 높은 에너지 흡수율을 가진 경량화된 방탄소재 등을 개발하는 것이 꼭 이루고 싶은 목표이다.한편 김동철 교수는 “새롭게 개발된 메타물질은 향후 음향탐지기로 탐지되지 않는 은폐장치, 경량화된 방탄재료를 위한 높은 효율의 에너지 흡수제 등으로 활용돼 방위산업, 항공우주산업, 자동차산업 등 다양한 분야에 활용될 수 있다”고 연구의 의의를 설명했다.

국내연구진, 기계적 메타물질 설계기술 개발

3차원 미세구조 형상 독특한 성질로 변화

기사입력 2016-02-26 11:19:14

[산업일보]
최근 투명망토에 사용될 수 있는 독특한 광학적 특성을 갖는 메타물질이 개발되는 등 다양한 분야에서 기존 재료의 특성을 뛰어넘는 메타물질이 개발돼 상상 속의 도구들이 현실화되고 있다. 특히 자연계에 존재하지 않는 독특한 기계적 특성을 갖는 메타물질 개발은 그 활용 가능성이 매우 높을 것으로 예상되지만 현재까지 심도 있는 연구가 시도되지 않았다.
실험을 통해 새로운 기계적 특성을 갖는 메타물질을 개발하는 것은 고도의 전문성과 기술력이 요구되고 많은 시간과 비용이 필요하기 때문에 현실적으로 상당한 어려움이 있다. 따라서 다양한 구조의 기계적 특성을 예측할 수 있는 효율적인 메타물질 설계 방법이 필요하다. 최근 구조의 복잡한 내부 형상을 간단한 방법으로 변화시킬 수 있어 많은 관심을 받고 있는 삼중 주기적 연속체(三重週期的連續體)는 내부 형상이 변할 때 구조의 다양한 기계적 특성 변화가 예상되지만 아직 기계적 메타물질로써 활용할 수 있는 연구가 이뤄지지 못해왔다.

메타물질의 제작 기법은 3차원 프린팅, 블록공중합체(block-copolymer)를 이용한 자기조립(self-assembly), 빔의 간섭을 이용한 리소그라피(lithography) 등의 다양한 공정이 적용되고 있다. 이러한 제작 기술들은 특성상 고도의 전문성과 기술력이 요구되고 많은 시간과 비용이 필요하기 때문에 완성된 구조의 기계적 특성을 사전에 예측하는 것이 효율적인 메타물질 설계에 필수적이다.

전 세계 많은 연구자들이 다양한 구조의 메타물질의 기계적, 광학적 특성을 밝혀내기 위해 많은 시간과 노력을 들이고 있다. 삼중 주기적 연속체 구조(triply periodic bicontinuous structures)는 훌륭한 광학적 특성으로 인해 광결정 (photonic crystal) 분야에서 많은 연구가 진행됐고, 구조의 제작방법도 상당히 연구가 진행된 상태이다. 삼중 주기적 연속체가 갖는 마이크로 수준의 주기적 구조는 기계적 메타물질로서의 큰 가능성을 가지고 있음에도 불구하고, 구조의 형상이 미세한 변화가 기계적 특성에 미치는 영향에 관한 연구가 전무하다. 따라서 이 삼중 주기적 연속체의 메타물질로서의 가능성을 보여주기 위한 유한요소법 기반의 연구가 필요하다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 “3차원 미세구조의 형상을 조절해 자연계에 존재하지 않는 독특한 성질을 갖도록 인공적으로 설계된 재료인 메타물질 설계기술을 국내 연구진이 제시했다”고 밝혔다.

김동철·문준혁 교수팀(서강대)은 미래창조과학부 중견연구자지원사업(핵심연구)의 지원으로 연구를 수행했으며, 네이처 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Report) 2월 3일자에 게재됐다.

대표적인 삼중 주기적 연속체의 개념도/하단 좌측부터 김동철 교수, 문준혁 교수

다음은 김동철·문준혁 교수팀과의 일문일답.

-. 연구를 시작한 계기나 배경은?
메타물질 구현을 위한 미세구조 제작 및 실험에 필요한 금전적/시간적 비용을 절약할 수 있는 방법을 모색했고, 시뮬레이션 기반으로 재료의 기계적 특성을 예측하는 방법을 생각하게 됐다.

-. 연구 전개 과정에 대한 소개
미세구조 제작 공정을 통해 제작되는 삼중 주기적 연속체의 공정 조건에 따라 변하는 형상이 기계적 특성에 미치는 영향을 분석할 필요성이 있었다. 따라서, 삼중 주기적 연속체의 구조의 유한요소모델을 구성하고 시뮬레이션을 수행했다. 탄성파, 압축/전단 하중에 따른 구조의 기계적 강성을 계산해 삼중 주기적 연속체의 형상의 변화에 따른 영향을 분석했다.

-. 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)했는지?
처음 연구를 시작했을 때 부피율과 종횡비가 기계적 강성에 미치는 영향에 대한 이유를 이해하는데 어려움이 많았다. 응력 분포 분석 등 다양한 방법을 시도하던 중 빔 형태로 단순화된 구조의 해석해(analytic solution)을 구함으로써 단위구조를 연결하는 부분의 형상이 중요 인자라는 것을 확인할 수 있었다.

-. 이번 성과, 무엇이 다른가?
실험을 통한 새로운 메타물질 개발은 고도의 전문성과 기술력이 요구되고 많은 시간과 비용이 필요하기 때문에 다양한 구조의 기계적 특성을 예측할 수 있는 효율적인 메타물질 설계 방법이 필요하다. 이번 연구를 통해 삼중 주기적 연속체의 방향에 따른 기계적 특성을 제어할 수 있는 방법을 새롭게 개발했다.

-. 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?
이번 연구를 통해 개발된 방법을 이용한 메타물질을 개발해 음향탐지기에 대한 은폐장치, 높은 에너지 흡수율을 가진 경량화된 방탄소재 등을 개발하는 것이 꼭 이루고 싶은 목표이다.

한편 김동철 교수는 “새롭게 개발된 메타물질은 향후 음향탐지기로 탐지되지 않는 은폐장치, 경량화된 방탄재료를 위한 높은 효율의 에너지 흡수제 등으로 활용돼 방위산업, 항공우주산업, 자동차산업 등 다양한 분야에 활용될 수 있다”고 연구의 의의를 설명했다.