"부실 시공 잡아라!" 건물 내부 결함 잡아내는 '마법의 물질'

연구팀이 실제 제작한 메타물질의 모습. 넓은 면적의 알루미늄 금속 위에 구멍 여러 개를 연속적으로 낸 구조다. /사진=한국기계연구원

신축 아파트에서 물이 줄줄 새는 등 아파트 부실 시공 신고가 줄잇는 가운데 국내 연구진이 건물 내 균열이나 결함을 한번에 찾을 수 있는 방법을 찾았다. 초음파를 생성해 구조물의 내부 영역을 조사하는 메타물질을 최초로 개발했다.

한국기계연구원(기계연)은 권민우 나노융합장비연구부 나노디스플레이연구실 선임연구원 연구팀이 김윤영 서울대 기계공학부 석좌교수 연구팀과 함께 원형 편광 초음파를 생성하는 메타물질을 개발해 지난 12일 저명 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션'에 발표했다고 14일 밝혔다.

'마법의 물질'이라고도 불리는 메타물질은 자연계에는 존재하지 않는, 특정한 특성을 갖도록 인공적으로 설계한 물질이다.

공동연구팀이 개발한 메타물질은 넓은 면적의 알루미늄 금속에 구멍 여러 개를 낸 모양이다. 메타물질의 구멍 모양과 간격을 조절해 직선 형태의 초음파가 메타물질을 거치면 원형 진동 초음파로 변환되도록 했다.

물체의 내부 균열과 결함을 물체 파괴없이 외부에서 검사하는 방법인 비파괴검사는 보통 직선 형태로 진동하는 초음파를 활용한다. 초음파를 구조물로 보내 구조물의 결함을 발견하는 방식이다. 이 경우 구조물 내부의 모든 영역을 조사하는 데 최소 2번 이상의 검사가 필요하다. 그만큼 검사 시간이 오래 걸리는데다 결과물에 대한 정확도가 낮은 점이 한계로 지적됐다.

연구팀이 메타물질을 이용해 생성한 원형 초음파는 단 한 번의 검사만으로 건축물의 내부를 확인할 수 있다. 여러 방향으로 발생한 결함을 발견하기 어려웠던 직선형 초음파와는 달리 원형으로 뻗어나가기 때문에 다각도에서 결함을 확인할 수 있다는 설명이다. 정확도도 직선형 초음파 대비 12배 높였다.

권 선임연구원은 "기존 초음파 검사 기술의 결함 탐지 성능 수준을 높일 수 있는 신개념 기술"이라며 "영상진단에 활용할 수 있을 뿐만 아니라 디스플레이나 약물의 미세 입자 제어 등 산업용 비파괴 검사를 넘어 의료용 초음파 기술의 패러다임을 바꿀 것"이라고 전망했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 글로벌프론티어사업의 지원을 받아 수행됐다.

직선형 초음파가 연구팀이 개발한 메타물질을 지나면서 원형 전단 초음파로 변환되고 있다. 영상=한국기계연구원

박건희 기자 wissen@mt.co.kr