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진동은 항공우주·정밀기계·자동차 등 다양한 산업 분야에서 구조물에 피로 손상을 일으키고 장비 성능을 떨어뜨리는 주요 원인이다. 진동 감소 기술 중 하나인 탄성 메타물질은 작은 구조를 주기적으로 배열해 진동과 탄성파의 전달을 제어하는 인공 구조체다. 특정 주파수 영역에서 탄성파의 전파를 억제하는 ‘밴드갭’(bandgap)을 형성해 진동 전달을 줄일 수 있다.
그러나 기존 공진형 격자 구조는 진동 차단 대역을 넓히기 위해 별도의 질량체를 추가하거나 가느다란 연결부를 설계하는 경우가 많았다. 이 과정에서 구조적 강성이 낮아질 수 있어 진동 차단 성능과 하중을 견디는 능력을 동시에 확보하기 어려웠다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 격자를 구성하는 부재의 형상 자체를 조절하는 설계 방식을 제안했다. 베지어(Bezier) 곡선을 활용해 부재의 두께가 부드럽게 변화하는 연속적인 형상을 구현하고 머신러닝 기반 베이지안 최적화 기법을 적용해 진동 차단 대역을 넓히는 구조를 탐색했다. 별도의 질량체를 추가하는 대신 구조 내부의 질량과 강성 분포를 조절해 진동 차단 성능을 높이고 형상의 급격한 변화를 줄여 응력 집중을 완화할 수 있도록 했다.
그 결과 최적화된 격자 구조는 상대 밴드갭 폭 126%를 달성했다. 이는 기존의 균일한 원통형 격자 구조보다 123%포인트 높은 수치다. 또 연구팀은 3D 프린팅으로 제작한 구조물을 대상으로 진동 전달 실험과 압축 실험을 진행해 설계의 유효성을 검증했다. 실험 결과 기존 구조보다 더 넓은 주파수 범위에서 진동을 차단하면서도 최대 18.9배 높은 탄성계수를 확보했다.
이상륜 교수는 “이번 연구 성과는 향후 항공우주와 자동차, 정밀기계 등 경량화와 진동 제어, 구조적 안정성을 동시에 요구하는 다양한 공학 분야에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
