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진동 밴드갭 스위칭이 가능한 4D 형상기억 메타물질과 이를 이용한 웨이브 가이드
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작성자 관리자 게시일 2021.12.03 조회수 397

진동 밴드갭 스위칭이 가능한 4D 형상기억 메타물질과 이를 이용한 웨이브 가이드

 

단위구조를 배열하여 파동을 제어할 수 있는 탄성/음향 메타물질은 진동/소음 감소, 고해상도 의료 이미징, 에너지 저장/이주 등 다양한 분야에서 활용 가능하다. 하지만 공진 기반으로 원하는 성능을 구현하는 기존 메타구조들은 주파수 대역이 협소한 문제점이 있는데 이러한 문제점을 해결할 수 있는 성능 광대역화에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 온도, 압력 등의 환경 변화에 따라 물성 또는 형상이 바뀌는 튜너블 재료에 대한 최근 많은 연구가 진행중에 있는데 이러한 재료를 이용하여 조건에 따라 주파수 대역을 조절할 수 있다. 미국 애크런대학 연구팀은 온도에 따라 형상이 변화하는 형상 기억 이오너머를 이용하여 탄성파의 밴드갭을 튜닝할 수 있는 메타구조를 제안했다. 제안된 메타구조는 형상기억 폴리머를 기반으로 3D 프린팅을 통해 제작된 눈꽃 형상의 단위구조로 구성돼 있다. 단위구조는 온도에 따라 눈꽃 형상 내부의 꽃잎들이 접히거나 펴지며 서로 다른 공진 주파수를 갖는다. 이러한 서로 다른 공진주파수로 단위구조를 배열한 메타구조 역시 서로 다른 주파수 대역의 밴드갭을 갖게 된다. 연구팀은 제안된 메타구조의 이론모델을 매스-스프링 모델로 간소화하여 설계 파라미터인 꽃잎의 길이에 따른 공진주파수를 통해 원하는 주파수 대역에서 거동하는 메타구조를 제작하였다. 또한 수치해석과 실험을 통해 제작된 메타구조의 밴드갭을 확인하고 비슷한 결과를 확보하였다. 마지막으로 연구팀은 제안된 단위구조를 통해 평면 내 탄성파 가이드를 만들어 원하는 방향으로 탄성파가 전달되는 것을 수치해석을 통해 확인하였다. 제안된 연구는 탄성파의 지향성을 필요로 하는 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

 

출처: Li, B., Zhang, C., Peng, F., Wang, W., Vogt, B. D., & Tan, K. T. (2021). 4D printed shape memory metamaterial for vibration bandgap switching and active elastic-wave guiding. Journal of Materials Chemistry C, 9(4), 1164-1173.

[담당자: 이재화(jaehwalee@kimm.re.kr, 7462)]

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