‘판 두께’만 바꿨을 뿐인데... 소리부터 초음파까지 모아 전기 만든다

노준석 포항공과대학교 기계공학과 교수. /포항공대 제공

포항공과대학교는 노준석 기계공학과 교수 연구팀이 소리부터 초음파까지 초광대역 파동을 한 지점에 모으고 이를 전기로 바꾸는 메타표면 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

과학자들은 사람들의 말소리, 발자국, 기계 진동까지 버려지는 파동 에너지를 모아서 다시 활용하는 방법을 연구해 왔다. 하지만 메타표면은 파동 흐름을 조절해 진동을 원하는 지점에 집중시킬 수 있지만 특정 주파수의 파동만 모을 수 있고, 정밀한 제작 기술이 필요해 실생활에 적용하기 어렵다는 문제가 있었다.

연구팀은 광학 분야에서만 사용되던 ‘분산 공학’ 개념을 탄성 메타표면에 적용해 사람이 들을 수 있는 소리(10kHz)부터 초음파(100kHz)까지 폭넓은 주파수 파동을 한 지점에 모으는 데 성공했다.

또 ‘키르히호프–러브 판 이론(Kirchhoff–Love plate theory)’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 변환시키는 데도 성공했다.

이 기술은 우리 주변에 항상 존재하는 다양한 진동 에너지(사람의 움직임과 자동차 진동, 기계 소음 등)를 전기로 바꾸는 자가발전 장치로도 기대를 모으고 있다. 

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

이번 연구는 국제 학술지 중 하나인 ‘PNAS(미국국립과학원회보)’에 게재됐다.

/단정민기자 [e-mail]