포스텍, 초광대역 파동 모아 에너지 만드는 메타표면 개발

포스텍(POSTECH)은 노준석 기계공학과·화학공학과·전기전자공학과·융합대학원 교수와 기계공학과 통합과정 이건 씨 연구팀이 소리부터 초음파까지 초광대역 파동을 한 지점에 모으고, 이를 전기로 바꾸는 메타표면 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 이번 연구는 최근 국제 학술지 중 하나인 'PNAS(미국국립과학원회보)'에 게재됐다.

우리 일상은 눈에 보이지 않는 파동으로 가득하다. 사람들의 말소리, 발자국, 기계 진동까지 모두 에너지를 품고 있지만 대부분은 그냥 사라진다. 과학자들은 이렇게 버려지는 파동 에너지를 모아서 다시 활용하는 방법을 연구해 왔다.

노준석 교수(왼쪽)와 통합과정 이건 씨

최근에는 '메타표면'을 이용해 파동을 정밀하게 조절하고, 소자의 크기를 줄이려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데 메타표면은 파동 흐름을 조절해 진동을 원하는 지점에 집중시킬 수 있지만 특정 주파수의 파동만 모을 수 있고, 정밀한 제작 기술이 필요해 실생활에 적용하기 어려웠다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 광학 분야에서만 사용되던 '분산 공학' 개념을 탄성 메타표면에 최초로 적용해 사람이 들을 수 있는 소리(10㎑)부터 초음파(100㎑)까지 폭넓은 주파수 파동을 한 지점에 동시에 모으는 데 성공했다.

놀라운 점은 복잡한 장치 없이 단순히 판 두께를 조절하는 것만으로 이 효과를 얻을 수 있다는 것이다. 연구팀은 '키르히호프-러브 판 이론'을 기반으로 판 두께를 섬세하게 조절해 여러 주파수 파동이 특정 위치에 모이도록 설계하고, 메타표면에 압전 소자(압력을 받으면 전기를 만드는 장치)를 부착해 파동 에너지를 전기로 변환하는 데 성공했다.

초-광대역 무색수차 초점 집중 및 에너지 수확을 위한 탄성 메타표면.

이 기술은 우리 주변에 항상 존재하는 다양한 진동 에너지(사람의 움직임과 자동차 진동, 기계 소음 등)를 전기로 바꾸는 자가발전 장치로도 기대를 모으고 있다. 또, 배터리 교체가 번거로운 IoT 센서, 웨어러블 기기에 활용될 수 있으며, 건물이나 교량 안전 상태를 감시하는 센서나 의료용 초음파 장비 등에도 폭넓게 활용될 수 있다.

노준석 교수는 “단순히 구조 설계만으로도 다양한 주파수의 파동을 정확히 제어할 수 있다는 것을 세계 최초로 입증했다”라며 “이 기술이 에너지 수확, 의료기기, 구조 안전 모니터링 등 다양한 분야에 활용되어 우리 생활을 더 편리하고 안전하게 만들 것”이라고 전망했다.

한편, 이번 연구는 포스코홀딩스(N.EX.T IMPACT) 메타표면 기반 평면광학기술 연구소, 한국연구재단 우수연구-중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com