College Of Engineering
서울공대 이야기
저주파 전달 억제하는 
삼차원 메타 구조 형상 최적 설계

- 극대화된 밴드갭을 갖는 격자 구조의 아이소지오메트릭 최적설계 기법 개발
- 선박, 자동차 등 수송체의 부품이나 건축물 및 도로의 방음벽으로 기술 활용 가능


 ▲ 서울대 조선해양공학과 조선호 교수
 
서울대 공대(학장 차국헌)는 조선해양공학과 조선호 교수팀이 설계민감도를 이용한 최적화를 통해 가청 저 주파수 대역에서 극대화된 완전 밴드갭을 갖는 2차원 및 3차원 메타구조 설계에 성공했다고 15일 밝혔다. 이번 연구로 소음이나 진동의 차단과 저감 기술의 획기적인 발전을 기대할 수 있게 됐다.
 
저 주파수 대역의 탄성파 전달을 억제하는 메타구조는 최근 사회적 관심이 높아지고 있는 층간 소음의 억제뿐만 아니라 선박 및 자동차 부품에도 소음/진동의 차단이나 저감에 활용이 가능한 첨단 소재로 주목받고 있다. 새로 개발된 메타 구조는 저 주파수 대역에서 극대화된 흡음 성능을 보일 뿐만 아니라 오랜 시간 안정적으로 이용할 수 있기 때문에 해양플랜트 및 특수 선박에서 사용되던 스펀지형 흡음재와 소음기를 대체할 수 있을 것으로 보인다. 더 나아가 함정 스텔스 기능을 위한 복합 경량화 패널 개발에도 활용될 수 있을 전망이다.
 
연구팀은 이러한 메타구조 설계에 단일 물질의 밴드갭을 제시했다. 기존의 브래그형(Bragg-type) 밴드갭은 주파수 대역을 낮추기 위해 격자 구조의 크기를 증대해야 하고 국부 공진형(local resonance) 밴드갭은 저 주파수 대역에서 공진을 유발시키는 물질이나 장치를 추가해야 하는 한계가 있었다.
 
연구팀은 이를 극복하기 위해 2차원 및 3차원 격자구조의 형상을 아이소지오메트릭 최적설계 기법으로 엄밀하게 조절함으로써 저 주파수 대역에서 밴드갭을 극대화했다. 이 연구에서 제시한 3차원 구조는 약 160~1,000Hz의 영역의 외부 가진(excitation)에 대해 0에 가까운 전달율을 나타낸다. 형상 제어를 통해 극대화된 밴드갭 구조의 효용성과 범용성을 입증한 것이다.
 
조선호 교수는 “이번 연구를 통해 탄성 파동 제어를 위한 구조 설계의 원천 기술을 획득했다”며, “향후 소음과 진동의 차단 또는 저감을 위한 소재 및 장치 개발에 큰 파급 효과를 미칠 것”고 전했다.
 
이번 연구 성과는 세계적으로도 주목받아 네이처(Nature) 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 7월 10일 자에 온라인으로 게재됐다.
 
한편 이 연구는 미래창조과학부/한국연구재단의 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원으로 수행됐다.
 

▲ 그림 1. 단순입방 격자구조의 주파수 밴드 구조와 응답 특성
단순입방 격자구조는 그림 a와 같이 단위격자의 기저벡터 방향(b1, b2, b3)으로의 반복을 통해 만들어지며, 본 모델의 격자구조 연결선(ligament) 직경은 2mm, 길이는 40mm이다. 단순입방 격자구조는 그 주기성과 대칭성에 의해 동특성 해석을 위한 최소 브릴루인(Brillouin) 영역은 적색으로 표시된 O-A-B-C 와 같이 사면체의 형태로 주어진다. 각 지점에서 주파수 특성은 그림 b 좌측과 같이 완전 밴드갭이 나타나지 않으며, 우측 그림에서와 같이 각 주파수 대역에서 전달율은 비슷하며 특이한 현상이 발견되지 않는다.



▲ 그림 2. 물결형 격자구조와 최적설계 구조의 주파수 밴드 구조와 응답 특성
단순입방 격자구조의 연결선을 그림 a의 물결형(undulated)으로 바꾸면 그림 b와 같이 약 3,200~ 3,600Hz 대역에서 녹색과 같이 완전 밴드갭이 생성되며, 해당 주파수 대역에서 전달율은 현저하게 저하된다. 개발된 아이소-지오메트릭 최적설계 기법을 이용하여 격자구조 연결선의 형상과 직경을 그림 c와 같이 결정하면, 그림 d에서와 같이 약 160~1,000Hz의 저주파수 대역에서 완전 밴드갭이 형성된다.
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