기계연구원, 원형 편광 초음파 생성 메타물질 세계 최초 개발
각종 구조물 등 산업용 검사·초음파 기술 원천기술 활용 기대
노후된 건물이나 항공기, 철제 다리 등 오래된 구조물에 발생하는 크랙(Crack)이나 결함을 한 번에 찾을 수 있도록 초음파를 생성하는 메타물질이 국내 연구진이 세계 최초로 개발해 화제가 되고 있다.
이 기술은 향후 산업용 비파괴 검사와 의료용 초음파 기술 등 다양한 분야의 원천기술로 활용될 것으로 기대된다.
비파괴 검사란 구조물의 결함, 두께 등 내부 상태를 검사하는 과정 중에 물리적 손상 없이 수행되는 검사. 구조물을 파괴하지 않고 문제를 식별할 수 있어 경제적이며, 비파괴 검사 기술 중 한 종류로 초음파 기술이 있다.
한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 나노융합장비연구부 나노디스플레이연구실 권민우 선임연구원 연구팀과 서울대학교 기계공학부 김윤영 석좌교수 연구팀은 노후된 건축물이나 항공기 균열 등 구조물의 결함을 한 번에 발견할 수 있는 원형 편광 초음파를 생성하는 메타물질을 개발하고, 관련 연구성과를 유수의 저널인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)(IF:16.6)*에 발표했다.
기계연과 서울대 공동연구팀이 개발한 메타물질은 대면적의 알루미늄 금속에 연속된 구멍을 내어 제작됐으며, 연구팀은 메타물질의 구멍 모양과 간격을 조절하여 직선 형태의 초음파를 메타물질에 통과시켜 원형 진동 초음파로 변환시켰다.
기존 비파괴 검사는 직선 형태로 진동하는 초음파를 구조물에 보내어 구조물의 결함을 발견하는 방식이었으나, 해당 검사는 구조물 내부의 모든 영역을 조사하기 어려워 최소 2번 이상의 검사가 필요하다. 이 기술은 검사 시간이 오래 소요되고, 결과물에 대한 정확도가 낮아 사용이 제한적이다.
연구진은 메타물질을 활용해 원형 초음파를 세계 최초로 생성하는 데 성공했다. 이 기술은 단 한 번의 검사와 기존 기술 대비 12배 높은 정확도로 검사 시간을 크게 단축시키고 구조물의 결함을 발견할 수 있어, 추후 비파괴 검사 등 산업생산성이 향상될 것으로 기대된다.
기계연 권민우 선임연구원은 “기존 초음파 검사 기술의 결함탐지 성능 수준을 높일 수 있는 신개념 기술”이라며 “향후 영상진단에 활용될 뿐만 아니라 디스플레이나 약물의 미세 입자 제어 등 산업용 비파괴 검사를 넘어 의료용 초음파 기술의 패러다임을 바꿀 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다.
용어해설
* 게재명: Perfect Circular Polarization of Elastic Waves in Solid Media(게재일: 2024.02.12.)