노후된 건물·항공기 균열 등 구조물 결함, 한 번에 찾는다!

- 기계연, 원형 편광 초음파 생성하는 메타물질 세계 최초 개발

- 향후 산업용 검사·초음파 기술 등 원천기술로 활용될 것으로 기대

□ 노후된 건물이나 항공기, 철제 다리 등 오래된 구조물에 발생하는 크랙(Crack)이나 결함을 한 번에 찾을 수 있도록 초음파를 생성하는 메타물질이 세계 최초로 개발됐다. 이 기술은 향후 산업용 비파괴 검사*와 의료용 초음파 기술 등 다양한 분야의 원천기술로 활용될 것으로 기대된다. 

*비파괴 검사: 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) 나노융합연구부 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.

* 게재명: Perfect Circular Polarization of Elastic Waves in Solid Media(게재일: 2024.02.12.)

<실제 제작된 메타물질(왼쪽)과 직선형 초음파가 메타물질을 통과하여 변환되는 시뮬레이션(오른쪽)>

□ 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.

<기계연 권민우 선임연구원이 메타물질을 활용한 결함 검사를 진행하고 있다>

□ 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 수행되었다.