서울대 김윤영 교수팀, 세계 최초로
초음파 파형 변환 공진현상 규명

- 진단용 초고성능 초음파 영상화 새 지평 열어

 ▲ 서울대 기계항공공학부 김윤영 교수

 
질병 진단이나 구조물 탐지에 쓰이는 초음파를 더욱 정밀하게 고효율로 생성할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 규명됐다.
 
서울대 공대(학장 이건우)는 기계항공공학부 김윤영 교수팀이 초음파를 고효율로 생성할 수 있는 '초음파 파형 변환 공진현상'을 발견하고, 그 현상을 메타물질로 구현한 연구결과를 물리학 분야 최고 권위의 논문집인 PRL(Physical Review Letter, 118, 205901 (2017))에 5월 20일자로 발표했다고 밝혔다.
 
가청 주파수 이상의 소리를 의미하는 초음파는 파형 유형에 따라 종파(압력파)와 횡파(전단파)로 나뉜다. 횡파가 정밀한 진단에 더 유용하지만, 고출력 횡파를 만드는 데 기술적 한계에 부딪혀 기존 장비들은 종파에 의존해 왔다.
 
이를 해결하기 위해 연구팀은 지금까지 단일 파형에만 사용되던 '파브리-페로 공진'이라는 물리적 파동현상이 두 가지 파형이 동시에 존재할 때에도 발생하는 경우를 찾아냈다. 더불어 이 현상을 이용해 쉽게 만들 수 있는 종파를 높은 효율의 횡파로 바꿀 수 있는 필터를 제안했다.
 
연구팀은 일정한 각도로 배열된 약 2mm의 평행한 슬릿이 배치된 메타물질 필터를 알루미늄 평판에 제작했다. 평판을 따라 들어오는 종파는 메타물질 필터 내부에서 간섭현상을 일으킨다. 연구팀의 예상대로 메타물질 필터를 통과한 횡파의 출력은 들어오는 종파의 주파수에 따라 주기적으로 변화하였다.
 
이번 연구는 세계적으로도 주목받아 미국물리학회의 온라인 뉴스 매체인 '피직스(Physics)'에서 집중 조명됐다. 이 기사에서 프랑스 국립과학연구센터의 재료학자 바드레딘 아수아(Badreddine Assouar) 교수와 영국 버밍험 대학의 물리학자 젠슨 리(Jensen Li) 교수는 대단한 잠재력을 지닌 공진현상을 발견한 연구팀을 극찬했다.
 
이들은 "이 연구에서 생성된 횡파는 먼 거리를 전파해도 많은 왜곡을 겪지 않으며 곡면 구조물에 널리 적용 가능하다"며 "교량이나 비행기 날개의 비파괴 검사나 유독가스 누출을 막는 가스배관 모니터링 등 다양한 분야에 활용될 것"이라고 내다봤다.
 
본 연구는 2016년 미래창조과학부의 글로벌프런티어사업 파동에너지극한제어연구단의 지원을 받아 수행했다.
 

▲ 음파(탄성파)의 파형 변환. 종파(압력파)가 입사하여, 비스듬한 슬릿(구멍)으로 만들어진 메타물질 필터를 통해 횡파(전단파)로 변환하는 현상. 횡파가 초음파 이미징에 더 유용할 수 있지만 지금까지 고출력 횡파를 만들기 쉽지 않았다. 하지만 김윤영 교수팀이 밝혀낸 초음파 파형변환 공진현상을 이용하여 횡파를 만들면, 초고성능 초음파 영상화가 가능할 것으로 기대된다.