KR101883471B1 - 열과 음파 차단용 메타물질 및 이를 이용한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열과 음파 차단용 메타물질 및 이를 이용한 장치에 대한 발명으로서, 매질별 체적탄성률을 고려하여 복수의 매질을 배치함으로써 열의 차단과 함께 음파를 차단하도록 하는 메타물질과 이를 이용한 장치에 대한 발명이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열과 음파 차단용 메타물질로서, 열을 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 열차단블록; 및 음파를 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 음파차단블록을 포함하며, 상기 열과 음파가 진행하는 방향을 기준으로 상기 열차단블록을 전방에, 상기 음파차단블록을 후방에 배치하는 것을 특징으로 하는 열과 음파 차단용 메타물질을 제공한다.

Description

열과 음파 차단용 메타물질 및 이를 이용한 장치{Metamaterial and Device for Blocking of Thermal and Sound Waves}

본 발명은 열과 음파 차단용 메타물질 및 이를 이용한 장치에 대한 발명으로서, 매질별 체적탄성률을 고려하여 복수의 매질을 배치함으로써 열의 차단과 함께 음파를 차단하도록 하는 메타물질과 이를 이용한 장치에 대한 발명이다.

일반적으로 메타물질은 자연적으로 존재하는 원자나 분자와 달리 유전율(Permittivity), 투자율(Permeability), 굴절율(Refractive Index), 전파특성(Scattering Parameter)등의 특성을 임의로 제어할 수 있기 때문에 새로운 물질 또는 구조로서 다양하게 활용된다. 최근에는 이러한 메타물질을 이용하여 목표 대상의 성능향상 및 최적설계에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 파동형태의 에너지를 제어하는 기술과 관련하여 메타물질은 매우 중요한 요소로 활용되고 있다.

한편, 탄성파는 매질 내에서 매질의 교란 상태 변화로 인해 에너지가 전달되는 파동으로서, 일반적으로는 매질을 통해 전달되는 모든 파동을 말한다. 탄성파의 에너지 전달은 파동방정식에 의해 표현될 수 있으며, 매질 내에서 다양한 주파수(파장) 형태로 존재하게 된다. 이러한 탄성파에는 대표적으로 지진파, 음파, 수면파 등이 있다.

고전역학에서 탄성에너지는 운동에너지의 일종으로서 일반적으로 열에너지와 달리 취급하기 때문에, 열은 비탄성의 개념인 것으로 인식되곤 한다. 그런데 양자역학에서 도출된 개념인 음향입자(phonon)는 고체 결정 격자의 양자화된 진동을 나타내는 유사 입자의 개념으로서, 물질의 열과 전기전도도를 포함하여 고체의 물리적 특성을 설명하게 되는데, 이에 따르면 미시적인 관점에서 보았을 때 원자나 분자 단위에서 열의 전달 또한 탄성파의 일 형태로 설명할 수 있게 된다.

종래에는 열과 음파를 고전역학에 기초하여 서로 다른 개념의 제어 대상으로 보아 열과 음파를 각각 효과적으로 차단하기 위한 기술과 연구가 주를 이루었을 뿐, 이를 복합적으로 고려하는 물질 및 이를 이용하는 차단장치에 대한 연구는 이루어지지 않았다.

본 발명에서는 상기한 메타물질과, 양자역학적 관점에서의 음향입자(phonon) 개념을 이용하여, 열도 음파와 같은 탄성파임을 전제로 열과 음파를 함께 차단하는 메타물질 및 이를 이용한 장치를 개시하고자 한다.

본 발명의 목적은 메타물질과, 양자역학적 관점에서의 음파입자(phonon) 개념을 이용하여, 열도 음파와 같은 탄성파임을 전제로 열과 음파를 함께 차단하는 메타물질 및 이를 이용한 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 열과 음파 차단용 메타물질로서, 열을 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 열차단블록; 및 음파를 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 음파차단블록을 포함하며, 상기 열과 음파가 진행하는 방향을 기준으로 상기 열차단블록을 전방에, 상기 음파차단블록을 후방에 배치하는 것을 특징으로 하는 열과 음파 차단용 메타물질을 제공한다.

일 실시예에 따르면, 상기 열차단블록은 소정의 체적탄성률을 가지며 상대적으로 저체적탄성률을 가지는 제1-1블록과, 상기 제1블록보다 상대적으로 고체적탄성률을 가지는 제1-2블록을 포함하며, 상기 제1-1블록과 제1-2블록을 적층함으로써 고주파의 열을 차단하도록 하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1-1블록 및 제1-2블록을 복수 개 구비하고, 이를 연속 적층하여 열의 차단율을 높일 수 있다.

나아가, 상기 제1-1블록과 제1-2블록을 포함하여 상대적으로 저체적탄성률을 가지도록 설정되는 제1블록과, 상대적으로 고체적탄성률을 가지도록 설정되는 제2블록을 적층함으로써 저주파의 열을 차단하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이때, 상기 제2블록은 소정의 체적탄성률을 가지는 제2-1블록 및 상기 제2-1블록보다 상대적으로 고체적탄성률을 가지는 제2-2블록을 포함할 수 있으며,

상기 제2-1블록은 상기 제1-1블록보다, 상기 제2-2블록은 상기 제1-2블록보다 상대적으로 고체적탄성률을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면 상기 음파차단블록은 상기 제1블록과 제2블록을 포함하여 상대적으로 저체적탄성률을 가지도록 설정되는 열차단블록과, 상기 열차단블록에 비해 상대적으로 고체적탄성률을 가지는 제3블록을 포함하여 음파를 차단하는 것을 특징으로 할 수 있다.

아울러, 상기 제3블록을 복수 개 구비하고, 이를 연속 적층하여 음파의 차단율을 높이는 것을 특징으로 할 수도 있다.

일 실시예에 따르면 상기 제3블록은 소정의 체적탄성률을 가지는 제3-1블록과, 상기 제3-1블록보다 상대적으로 고체적탄성률을 가지는 제3-2블록을 포함하고, 상기 제3-1블록보다 더 큰 체적탄성률을 가지는 제4-1블록과, 상기 제4-1블록보다 더 큰 체적탄성률을 가지는 제4-2블록을 더 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 고주파의 열을 차단하기 위한 단위 블록이 적층되어, 저주파의 열을 차단하는 단위 블록 중 상대적 저체적탄성률을 가지는 블록편을 이루며, 저주파의 열을 차단하는 단위 블록이 적층되어, 음파를 차단하는 단위 블록 중 상대적 저체적탄성률을 가지는 블록편이 되는 것을 특징으로 하는 열과 음파 차단용 메타물질로서,

고주파 열을 차단하기 위해 서로 다른 2개의 매질이 주파수 미스매칭되도록 구성되는 제1블록과; 저주파 열을 차단하기 위해 상기 제1블록이 상대적으로 저체적탄성률을 갖도록 형성되며, 상기 제1블록과 주파수 미스매칭되도록 상대적으로 고체적탄성률을 갖는 제2블록;을 포함하는 열차단블록 및

음파를 차단하기 위해 상기 열차단블록이 상대적으로 저체적탄성률을 갖도록 형성되며, 상기 열차단블록과 임피던스 미스매칭되도록 상대적으로 고체적탄성률을 갖는 제3블록을 포함하는 열과 음파 차단용 메타물질을 제공한다.

또 다른 실시예에 따르면 열을 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 열차단블록 및 음파를 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 음파차단블록을 포함하며, 상기 열과 음파가 진행하는 방향을 기준으로 상기 열차단블록이 전방에, 상기 음파차단블록이 후방에 배치되는 열과 음파 차단용 메타물질과; 상기 메타물질의 형상 고정용 프레임을 포함하는 열과 음파 차단용 메타물질을 이용한 장치를 제공한다.

여기서는, 상기 메타물질의 열차단블록 또는 음파차단블록에 소정의 체적탄성률을 가지는 블록을 추가함으로써 상기 열차단블록 또는 음파차단블록의 체적탄성률이 가변되도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 체적탄성률이 상이한 블록을 적층 배치하여 타겟파동으로서의 열과 음파를 함께 차단할 수 있는 메타물질을 제공하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 메타물질을 이용한 장치에 인입되는 다양한 파동에 더욱 능동적으로 대처하여 효과적인 열과 음파 차단성능을 확보할 수 있게 된다.

도 1은 서로 다른 매질 경계선을 통과하는 파동에 있어서, 파동에너지의 주파수에 따른 에너지의 변이를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로서, 매질의 체적탄성률에 따라 열을 차단하는 개념을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로서, 매질의 체적탄성률에 따라 음파를 차단하는 개념을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로서, 매질의 체적탄성률에 따라 음파를 차단하는 개념을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로서, 매질의 체적탄성률에 따라 열과 음파를 함께 차단하는 개념을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 열과 음파 차단용 메타물질을 이용한 장치에 대한 개념을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 xz-plane 상 단면을 나타내는 도면이다.

이하 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지는 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로서 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

본 발명의 여러 실시 예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.

그리고 여기서의 "연결"이란 일 부재와 타 부재의 직접적인 연결, 간접적인 연결을 포함하며, 접착, 부착, 체결, 접합, 결합 등 모든 물리적인 연결과 전기적인 연결을 의미할 수 있다. 여기서의 “차단”이란 에너지가 진행방향으로 나아가지 않도록 하는 것을 의미하는 것으로서, 에너지 굴절, 반사의 개념을 포함할 수 있다.

아울러, '제1, 제2, 제3' 또는 '제1-1, 제1-2, 제2-1, 제2-2'등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하기 위한 것으로, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들이 부가될 수 있는 것으로 해석될 수 있다.

먼저 본 발명 열과 음파의 차단에 대한 개념을 설명하기로 한다.

통상적으로 음파의 경우 사람의 가청주파수는 16Hz~20000Hz로서, 작게는 수Hz 내지 크게는 수십KHz까지의 범위에서 형성된다. 이는 음파가 수Hz 내지 수십KHz 범위에 형성된 가역범위의 매질 내에서 이동하여 사람에게 도달함을 의미한다. 한편, 열의 경우는 THz(테라헤르츠)의 범위를 갖는데, 이에 따르면 음파와 열의 물리적인 스케일은 매우 상이함을 알 수 있다.

본 발명의 핵심은 위와 같은 열과 음파의 스케일의 상이성을 이용하여 두 가지의 파동을 제어(차단)하고자 하는 것이다.

좀 더 구체적으로 살펴보면, 파동이 하나의 매질에서 다른 매질로 전달될 때에는 음파의 경우 임피던스(impedance matching) 매칭의 개념이 필요하다. 임피던스 매칭이란 어느 하나의 입력단과 출력단을 연결할 때, 서로 다른 두 연결단의 임피던스 차에 의한 반사를 줄이려는 방법을 의미하는 것으로서, 임피던스 차가 크면 클수록 어느 하나의 입력단에서 출력단을 향하는 음파는 대부분 반사하게 되며, 출력단을 통과하는 음파는 극소수만 남게 된다. 열의 경우도 주파수(frequency matching) 매칭의 개념이 필요한데, 주파수 매칭의 개념은 임피던스 매칭과 궤를 같이하는 개념이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기한 개념을 반대로 생각하면, 음파와 열의 차단을 위해서는 임피던스와 주파수의 미스매치가 필요함을 알 수 있다.

한편, 매질 내에서 이동하는 파동의 주파수는 주로 Bulk Modulus(체적탄성률)에 의해서 결정된다. 체적탄성률은 물체가 모든 면에서 압축될 때 부피의 변화에 저항하는 능력의 개념으로서, 체적탄성률이 낮으면 파동의 에너지는 주로 낮은 주파수 영역대로 존재하게 되며 체적탄성률이 높으면 높은 주파수 영역대로 치우쳐 존재하게 된다.

[식 1]

상기 [식 1]에서 보이는 바와 같이, 매질의 공기밀도(ρ)가 동일하다고 가정했을 때 체적탄성률(β)이 높을 수록 음파의 속도 V는 크게 되며, 음파의 속도는 파장과 진동수의 곱으로 나타내므로, 파장이 일정할 때 음파의 속도가 클수록 주파수는 더 커지게 된다. 따라서, 서로 다른 매질에서 다른 조건을 동일하다고 하였을 때 체적탄성률이 높은 경우 높은 주파수 영역을 가지도록 형성된다.

도 1은 서로 다른 매질 경계선을 통과하는 파동에 있어서, 파동에너지의 주파수에 따른 에너지의 전달 양상을 나타내는 도면이다. 구체적으로 여기서 도 1은 주파수에 따른 파동에너지의 크기를 나타내는 것으로서 도1(a)는 주로 낮은 주파수 영역대의 에너지 분포를 나타내며, 도 1(b)는 주로 높은 주파수 영역대의 에너지 분포를 나타낸다. 도 1(c)는 낮은 주파수 영역대의 에너지가 높은 주파수 영역대로 이동하였을 때 에너지가 전달된 결과를 나타내는 그래프이다.

도 1에 도시된 바와 같이 파동의 경우 서로 다른 매질 경계선을 넘나들 경우, 에너지의 전달에는 방향성이 있다는 열역학 제2법칙에 따라 높은 주파수(에너지)를 가지는 파동은 낮은 주파수로의 변형(에너지 전달)이 용이하나 낮은 주파수를 가지는 파동의 경우 높은 주파수로의 변형이 어렵다는 것을 알 수 있다. 즉, 최초 파동이 낮은 주파수를 가지는 경우 높은 주파수로의 변형 시에는 확률적으로 작은 에너지만이 전달된다.

본 발명에서는 상기한 바와 같이 파동이, 주파수가 낮은 매질(체적탄성률이 낮은)에서 주파수가 높은 매질(체적탄성률이 높은)로 전달될 때 상대적으로 낮은 주파수의 열은 대부분 반사되고 높은 주파수의 열만 전달되게 되는 특성을 이용하여, 열을 효과적으로 차단하고자 한다.

음파 또한 열과 마찬가지의 개념으로서 체적탄성률이 상이한 두 매질을 적층하여 체적탄성률이 낮은 매질에서 체적탄성률이 높은 매질로 음파가 전달되게 하면 대부분의 음파를 차단시킬 수 있게 된다.

하기 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 열과 음파 차단용 메타물질에 대해서 설명하기로 한다.

먼저 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로서, 매질의 체적탄성률에 따라 열을 차단하는 개념을 나타내는 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열과 음향 차단용 메타물질은, 열을 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 열차단블록; 및 음향을 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 음파차단블록을 포함하며 상기 열과 음파가 진행하는 방향을 기준으로 상기 열차단블록이 전방에, 상기 음파차단블록이 후방에 배치될 수 있다.

상기 열을 차단하는 열차단블록이 음파를 차단하는 음파차단블록의 전방에 배치되는 이유로서, 열은 전술한 것처럼 주로 THz(테라헤르츠) 영역의 주파수 형태로 전달되어 근거리에서 에너지 전달이 가능한데, 음파는 열에 비해 상대적으로 저주파이기 때문에 장거리 영역의 에너지 전달이 가능하고 투과성이 더욱 높아 열차단블록만으로는 음파를 차단하기 쉽지 않기 때문이다. 본 발명에서는 체적탄성률이 상대적으로 작은 블록을 적층해 나감으로써 각종 주파수 영역대의 파장을 차단하고자 하는데, 그에 따라 전방에는 체적탄성률이 상대적으로 작은 블록영역이, 후방으로 갈수록 상대적으로 큰 체적탄성률을 가지는 블록영역이 설정된다.

본 발명에서 상기의 열차단블록은 소정의 체적탄성률을 가지는 제1-1블록과, 상기 제1-1블록보다 상대적으로 고체적탄성률을 가지는 제1-2블록을 포함하여 고주파의 열을 차단하는 것을 특징으로 할 수 있다.

도 2는 상기의 열차단블록을 나타내며, 서로 다른 체적탄성률을 가지는 제1-1블록(A)과 제1-2블록(A’)으로 구성된다. 도 2(a)를 참조하면, 제1-1블록(A)과 제1-2블록(A’)은 고주파 열(w1)이 통과하지 못하도록 고주파 열(w1)의 진행방향을 기준으로 제1-1블록(A)이 제1-2블록(A’)보다 전방에 위치한다. 여기서 제1-1블록(A)과 제1-2블록(A’)은 각각 복수 개 마련되어 연속하여 적층할 수 있다. 복수 개의 동일한 블록을 적층하면 고주파 열(w1)의 차단(반사)확률이 높아진다. 따라서, 손쉽게 제1-1블록(A)와 제1-2블록(A’)의 개수를 조절하여 열의 차단성능을 조절할 수 있다.

본 명세서에서 미스매치는 서로 다른 체적탄성률을 가지는 블록들에 의해 이루어지는 것으로서, 후술하겠지만 체적탄성률은 블록의 두께의 파라미터에 의해 결정될 수 있으며, 블록 계면간의 거리가 타겟파동의 1/n(여기서 n은 정수)보다 작은 경우에 타겟파동이 차단(반사)된다고 볼 수 있다. 예컨대, 타겟파동으로서의 고주파 열이 본 발명 일 실시예에 따른 메타물질에 인입한다고 할 때, 제1-1블록(A)과 제1-2블록(A’)의 두께를 합한 계면간의 거리(d)가 고주파 열파동의 파장거리 람다(λ)에 비해 1/4보다 작다고 할 때, 타겟파동이 차단될 수 있다. 이와 같은 개념은 고주파 열뿐만 아니라 저주파 열 및 음파의 차단에도 유추 적용할 수 있으나, 이러한 예시는 타겟파동의 차단을 설명하기 위한 수많은 실시예 중 하나에 불과할 뿐 권리범위를 제한하는 것은 아님을 유의해야 한다. 아울러, 본 명세서에서의 일 실시예에 따른 “블록”은 내부에 단수 또는 복수의 종류의 매질 및 그의 조합으로 형성될 수 있다.

본 명세서에서 ‘연속’이라는 개념은 일 매질의 옆에 타 매질이 나란히 배치됨을 의미한다. 또한 여기서 ‘배치’라는 개념은 ‘위치’한다라는 의미와 동일하며, 반드시 일 매질의 옆에 타 매질이 접촉하고 있을 필요는 없고, 도면에 도시되지는 않았지만 기타 다른 물질(예컨대, 유전체 등)이 게재되어 있을 수 있음을 유의해야 한다.

한편, 도 2(b)를 참조하면, 고주파 열(w1)에 비해 투과성이 높은 저주파 열(w2)은 차단되지 아니하고 제1-1블록(A)과 제1-2블록(A’)로 형성된 열차단블록을 쉽게 통과한다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 열차단블록은 저주파의 열(w2)을 차단할 수 있도록, 상기 제1-1블록(A)과 제1-2블록(A’)을 포함하여 상대적으로 저체적탄성률을 가지도록 설정되는 제1블록(AA’)과, 상대적으로 고체적탄성률을 가지도록 설정되는 제2블록(BB’)을 적층함으로써 형성될 수 있다. 여기서 주목할 점은 종래 고주파의 열(w1)에 대한 주파수 미스매치를 위해 단위블록을 형성한 제1블록(AA’)이, 저주파의 열(w2) 파동에 대한 주파수 미스매치를 위해 형성되는 블록에서는, 상대적으로 저체적탄성률을 가지는 블록편으로서의 역할을 한다는 점이다. 즉, 본 발명의 메타물질에서는 상대적 저체적탄성률을 가지는 블록이 상대적 고체적탄성률을 가지는 블록보다 전방에 위치하도록 계층적으로 배치 및 적층함으로써, 이러한 구조적인 해결수단을 통해 고주파 열(w1)과 저주파 열(w2)을 동시에 제어(차단)할 수 있게 된다.

이어서 도 2(c)를 참조하면, 저주파 열(w2)이 도 2(b)에서와 달리 열차단블록을 통과하지 못하고 차단됨을 알 수 있다.

여기서, 상기한 제1-1블록(A)과 제1-2블록(A’)은 관념적으로 열차단블록 내에서 소정의 제1블록(AA’)을 형성한다고 할 수 있다. 제1블록(AA’)은 제2블록(BB’)에 비해 상대적으로 저체적탄성률을 갖게 되고, 제2블록(BB’)은 제1블록(AA’)에 비해 상대적으로 고체적탄성률을 갖게 된다. 이러한 구성에 따르면 저주파 열(w2)이 통과할 수 없도록 하는 적절한 주파수 미스매칭이 가능해진다.

상기 제2블록(BB’)은 소정의 체적탄성률을 가지는 제2-1블록(B) 및 상기 제2-1블록보다 상대적으로 고체적탄성률을 가지는 제2-2블록을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

주파수 미스매칭을 위한 일 실시예에 따르면, 본 발명의 메타물질을 상기 제1-1블록(A)과 제1-2블록(A’)의 체적탄성률 평균값이, 상기 제2-1블록(B)과 제2-2블록(B’)의 체적탄성률 평균값보다 작도록 형성함으로써 구현할 수 있다.

다른 실시예로서는, 상기 제2-1블록(B)은 상기 제1-1블록(A) 보다, 상기 제2-2블록(B’) 은 상기 제1-2블록(A’)보다 상대적으로 고체적탄성률을 가지도록 형성하면 위와 같은 주파수 미스매칭이 가능해진다.

다음으로 본 발명의 음파를 차단하기 위한 메타물질에 대해서 알아보기로 한다. 음파를 차단하기 위한 메타물질의 구성은 상기 열을 차단하기 위한 메타물질의 구성과 유사하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로서, 매질의 체적탄성률에 따라 음파를 차단하는 개념을 나타내는 도면이다.

도 3(a)와 도 3(b)에는 열을 차단하는 열차단블록과 음파를 차단하는 음파차단블록이 음파의 진행방향으로 나란히 배치되어 있으며, 여기에 음파(w3)가 진입하는 것이 도시된다.

여기서 열차단블록은 음파차단블록에 비해 상대적으로 작은 체적탄성률을 갖게 되는데, 열차단블록과 음파차단블록의 체적탄성률 차이가 임피던스 미스매칭을 이루는 범위로서, 음파(w3)의 진행을 차단할 수 있기에 충분하다면 열차단블록의 적층의 형태 및 개수는 다양하게 설정되어도 좋다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 열차단블록과 음파차단블록을 포함하는 메타물질에서 음파차단블록은 상기 제1블록(AA’)과 제2블록(BB’)을 포함하여 상대적으로 저체적탄성률을 가지도록 설정되는 열차단블록과, 상기 열차단블록에 비해 상대적으로 고체적탄성률을 가지는 제3블록을 포함하여 음파를 차단하는 것을 특징으로 할 수 있다.

고주파 열 및 저주파 열을 차단하기 위한 단위 구성인 열차단블록(AA’BB’, 제1블록과 제2블록을 포함하는 구성)이 상대적으로 저체적탄성률을 갖도록 설정되고, 새롭게 추가되는 제3블록(CC’DD’)이 상대적으로 고체적탄성률을 갖도록 설정됨으로써, 음파를 차단한다. 즉, 종래 저주파의 열(w2)에 대한 주파수 미스매치를 위해 단위블록을 형성한 열차단블록(AA’BB’)이, 음파의 파동에 대한 임피던스 미스매치를 위해 형성되는 블록에서는, 상대적으로 저체적탄성률을 가지는 블록편으로서 역할을 한다는 점이다. 즉, 본 발명의 메타물질에서는 상대적 저체적탄성률을 가지는 블록이 상대적 고체적탄성률을 가지는 블록보다 전방에 위치하도록 계층적으로 배치 및 적층함으로써, 이러한 구조적인 해결수단을 통해 열(w1, w2)과 음파를 동시에 제어(차단)할 수 있게 된다.

일 실시예에 따르면, 상기 제3블록을 복수 개 구비하고, 이를 연속 적층하여 음파의 차단율을 높일 수도 있다. 이는 앞서 제1블록 및 제2블록을 복수 개 구비하는 이유와 동일하다.

그리고 예를 들어 상기 제3블록은 소정의 체적탄성률을 가지는 제3-1블록(C), 상기 제3-1블록(C)보다 상대적으로 고체적탄성률을 가지는 제3-2(C’)블록을 포함하고, 상기 제3-1블록(C)보다 더 큰 체적탄성률을 가지는 제4-1블록(D)과, 상기 제3-2블록(C’)보다 더 큰 체적탄성률을 가지는 제4-2블록(D)을 더 포함하도록 형성할 수 있다. 여기서 상기 제3-1블록(C)의 체적탄성률이 제2-1블록(B) 내지 제2-2블록(B’)의 체적탄성률보다 크게 형성하면, 제3블록(CC’DD’)은 앞서 배치되는 열차단블록(AA’BB’)에 비해 더 큰 체적탄성률이 보장된다.

임피던스 미스매칭을 위한 다른 실시예로서는, 본 발명의 메타물질을 상기 제3-1블록(c)과 제3-2블록(C’)의 체적탄성률 평균값이, 상기 제4-1블록(D) 과 제4-2블록(D’)의 체적탄성률 평균값보다 작도록 형성함으로써 구현할 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 것으로서, 매질의 체적탄성률에 따라 음파를 차단하는 개념을 나타내는 도면이다.

도 4는 도 3에서와 마찬가지로서 음파(w3)가 차단되는 모습을 나타내는 것이지만, 상대적으로 고체적탄성률을 갖는 메타물질의 실시예가 도 3과 달리 형성된다. 음파(w4)가 열차단블록(AA’AA’BB’BB’)을 투과한 뒤 제3블록(CC’CC’DD’DD’)에서 진행이 차단되는 모습을 나타낸다. 도면을 참조하면, 열차단블록(AA’AA’BB’BB’)에 비해 제3블록(CC’CC’DD’DD’)가 이루는 체적탄성률이 더 크며, 음파(W3)가 임피던스 미스매칭을 이루기에 충분한 체적탄성률 차이를 이룬다.

상기한 실시예는 설명의 편의를 위한 일 실시예에 불과할 뿐이며, 더욱 다양한 실시예에 따라 각 블록을 이루는 두 개의 블록은 단수 개의 블록으로 대체가능하고, 이와 달리 세 개 이상의 블록으로도 대체가능함을 유의해야 한다.

다음으로 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 것으로서, 매질의 체적탄성률에 따라 열과 음파를 함께 차단하는 개념을 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면 고주파 열(w1), 저주파 열(w2)과 음파(w3)가 본 발명의 메타물질에 동시에 진행하는 것을 도시한다.

상기 고주파 열(w1), 저주파 열(w2), 음파(w3)의 진행을 차단하도록, 열차단블록과 음파차단블록을 진행방향에 대하여 연속적으로 적층하여 배치한다. 상기 열차단블록과 음파차단블록을 이루는 각 매질들을 메타물질에 진입하는 파동들이 각개 차단될 수 있도록, 상대적인 저체적탄성률 및 고체적탄성률의 조합에 따라 주파수 미스매치와 임피던스 미스매치가 일어날 수 있도록 배치함으로써 열과 음파를 함께 차단할 수 있게 된다.

다음으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 열과 음파 차단용 메타물질에 대해서 설명하기로 한다. 하기의 실시예는 전술했던 실시예들을 일반화한 실시예로서 중요한 의미를 가질 수 있다.

본 실시예에서는 고주파의 열을 차단하기 위한 단위 블록이 적층되어, 저주파의 열을 차단하는 단위 블록 중 상대적 저체적탄성률을 가지는 블록편을 이루며, 저주파의 열을 차단하는 단위 블록이 적층되어, 음파를 차단하는 단위 블록 중 상대적 저체적탄성률을 가지는 블록편이 되는 것을 특징으로 하여 열과 음파를 함께 차단할 수 있다.

여기서 블록’편’이란 하나의 단위 블록을 구성하는 일부 요소를 의미한다. 체적탄성률은 매질(블록)의 두께(또는 크기)에 따라 결정될 수 있는데, 본 실시예에서는 파동의 진행방향에 대하여, 고주파수의 파동은 작은 두께의 블록을 이용하여 미스매치 구조를 형성하고, 저주파수의 파동은 보다 큰 두께의 블록을 이용하여 미스매치 구조를 형성하도록, 고 주파수 파동의 차단을 위한 단위 블록들이 모여서 저 주파수 파동의 차단을 위한 단위 블록을 형성하는 방식의 계층 구조를 제안한다.

구체적으로, 고주파 열을 차단하기 위해 서로 다른 2개 이상의 매질이 주파수 미스매칭되도록 구성되는 제1블록과; 저주파 열을 차단하기 위해 상기 제1블록이 상대적으로 저체적탄성률을 갖도록 형성되며, 상기 제1블록과 주파수 미스매칭되도록 상대적으로 고체적탄성률을 갖는 제2블록;을 포함하는 열차단블록 및 음파를 차단하기 위해 상기 열차단블록이 상대적으로 저체적탄성률을 갖도록 형성되며, 상기 열차단블록과 임피던스 미스매칭되도록 상대적으로 고체적탄성률을 갖는 제3블록을 포함할 수 있다.

이는 전술한 실시예를 일반화한 것으로서 제1블록과 제2블록의 각각에 포함되는 매질의 종류와 그 개수는 제한하지 않는다. 예컨대, 상기 서로 다른 2개 이상의 매질이란 같은 종류의 물질에서 체적탄성률이 상이한 것을 의미할 수도 있다. 본 발명에서는 매질의 종류와 그 개수의 제한 없이 상대적인 저체적탄성률&고체적탄성률의 최적 조합을 이루도록 형성하여 열과 음파를 효과적으로 차단 가능하다.

다만, 제1블록이 제2블록보다 파동의 진행방향에 대하여 전방에 배치하는 것은 중요하다. 이는 음파가 열에 비해 상대적으로 저주파 형태의 파형을 갖기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 체적탄성률이 상이한 매질을 적층 배치하여 열과 음파를 함께 차단할 수 있는 메타물질을 제공하게 된다.

마지막으로 도 6과 도 7을 참조하여 본 발명의 열과 음향 차단용 메타물질을 이용한 장치에 대하여 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 열을 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 열차단블록 및 음향을 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 음파차단블록을 포함하며, 상기 열과 음향이 진행하는 방향을 기준으로 상기 열차단블록이 전방에, 상기 음파차단블록이 후방에 배치되는 열과 음향 차단용 메타물질(100)과; 상기 메타물질의 형상 고정용 프레임(101)을 포함하는 열과 음향 차단용 메타물질을 이용하는 장치가 제공된다.

여기서의 ‘장치’는 어떤 목적에 따라 기능하도록 하는 기계, 도구를 비롯하여 부재(element)와 수단(measurement)을 포함하는 개념이다. 구체적으로 건물외벽에 사용되는 건축자재와 방호자재 또는 생존성 향상을 위한 피탐방지목적의 무기체계 등에도 응용될 수 있을 것이다.

상기 프레임(101)은 메타물질(100)의 형상을 단순히 고정하는 구성요소로서 도면에 도시된 바에 한정되는 것은 아니다.

도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면 어떠한 장치에 본 발명의 메타물질이 포함되는경우, 상기 메타물질의 열차단블록 또는 음파차단블록 중 어느 하나의 블록을 선택하여, 선택된 블록에 소정의 체적탄성률을 가지는 매질(M, M’)을 추가함으로써 당해 블록의 체적탄성률을 가변시킬 수도 있다.

이에 따르면, 본 발명 메타물질을 이용한 장치에 인입되는 다양한 파동에 더욱 능동적으로 대처하여 효과적인 열과 음파 차단성능을 확보할 수 있게 된다.

상기한 내용을 정리하면, 본 발명에서는 서로 다른 스케일에서 파동에 매칭되는 유효 체적탄성률의 개념을 이용하여 열과 음파를 효과적으로 차단할 수 있다. 파동의 진행에 필요한 유효한 매질의 특성은 파장에 비례하기 때문에, 작은 스케일의 체적탄성률을 갖는 파동에서 유효한 주파수 또는 임피던스의 미스매치는 큰 스케일의 체적탄성률을 갖는 파동에서는 유효하지 않게 되고, 반대로 큰 스케일의 체적탄성률을 갖는 파동에서 유효한 주파수 또는 임피던스의 미스매치는 작은 스케일의 체적탄성률을 갖는 파동에서는 유효하지 않게 되기 때문이다.

위와 같은 미스매치의 개념을 이용하여 체적탄성률이 상이한 블록을 적층 배치하여 열과 음파를 함께 차단할 수 있는 메타물질을 제공하게 된다. 일 실시예에 따르면 적층되는 블록이 어떤 비율로 적층되느냐에 따라 체적탄성률이 가변될 수 있으며, 이로 인해 다양한 주파수 형태의 타겟파동을 효과적으로 차단할 수 있게 된다.

본 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 의해 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 따라서, 이상에서 기술한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 발명의 일 실시예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

즉, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지되, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 메타물질
101: 프레임

Claims (12)

1. 열과 음파 차단용 메타물질로서,
   열을 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 열차단블록; 및
   음파를 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 음파차단블록을 포함하며,
   상기 열과 음파가 진행하는 방향을 기준으로 상기 열차단블록을 전방에, 상기 음파차단블록을 후방에 배치하되, 상기 음파차단블록은 상기 열차단블록에 비해 상대적으로 고체적탄성률을 가지고,
   상기 열차단블록은 소정의 체적탄성률을 가지며 상대적으로 저체적탄성률을 가지는 제1-1블록과, 상기 제1-1블록보다 상대적으로 고체적탄성률을 가지는 제1-2블록을 포함하는 제1블록을 포함하며, 상기 제1-1블록에 대해 상기 제1-2블록을 후방에 적층함으로써 고주파의 열을 차단하도록 하는 것을 특징으로 하는 열과 음파 차단용 메타물질.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1-1블록 및 제1-2블록을 복수 개 구비하고, 이를 연속 적층하여 열의 차단율을 높이는 것을 특징으로 하는 열과 음파 차단용 메타물질.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1-1블록과 제1-2블록을 포함하여 상대적으로 저체적탄성률을 가지도록 설정되는 상기 제1블록과, 상기 제1블록에 비해 상대적으로 고체적탄성률을 가지도록 설정되는 제2블록을 상기 제1블록의 후방에 적층함으로써 저주파의 열까지 차단하는 것을 특징으로 하는 열과 음파 차단용 메타물질.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제2블록은 소정의 체적탄성률을 가지는 제2-1블록과, 상기 제2-1블록보다 상대적으로 고체적탄성률을 가지면서 상기 제2-1블록의 후방에 위치하는 제2-2블록을 포함하는 것을 특징으로 하는 열과 음파 차단용 메타물질.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 제2-1블록은 상기 제1-1블록보다, 그리고 상기 제2-2블록은 상기 제1-2블록보다 상대적으로 고체적탄성률을 가지는 것을 특징으로 하는 열과 음파 차단용 메타물질.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 음파차단블록은 상기 열차단블록에 비해 상대적으로 고체적탄성률을 가지면서 상기 열차단블록의 후방에 배치되는 제3블록을 포함하여 음파를 차단하는 것을 특징으로 하는 열과 음파 차단용 메타물질.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제3블록을 복수 개 구비하고, 이를 연속 적층하여 음파의 차단율을 높이는 것을 특징으로 하는 열과 음파 차단용 메타물질.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 제3블록은
   소정의 체적탄성률을 가지는 제3-1블록과, 상기 제3-1블록보다 상대적으로 고체적탄성률을 가지는 제3-2블록을 포함하고, 상기 제3-1블록보다 더 큰 체적탄성률을 가지는 제4-1블록과, 상기 제4-1블록보다 더 큰 체적탄성률을 가지는 제4-2블록을 더 포함하고,
   전방으로부터 상기 제3-1블록, 상기 제3-2블록, 상기 제4-1블록 및 상기 제4-2블록의 순서로 적층되는 것을 특징으로 하는 열과 음파 차단용 메타물질.
   
10. 고주파의 열을 차단하기 위한 단위 블록이 적층되어, 저주파의 열을 차단하는 단위 블록 중 상대적 저체적탄성률을 가지는 블록편을 이루며,
    저주파의 열을 차단하는 단위 블록이 적층되어, 음파를 차단하는 단위 블록 중 상대적 저체적탄성률을 가지는 블록편을 이루는 것을 특징으로 하는 열과 음파 차단용 메타물질로서,
    고주파 열을 차단하기 위해 서로 다른 2개 이상의 매질이 주파수 미스매칭되도록 구성되는 제1블록;과, 저주파 열을 차단하기 위해 상기 제1블록에 비해 상대적으로 저체적탄성률을 갖도록 상기 제1블록의 후방에 형성되며, 상기 제1블록과 주파수 미스매칭되도록 상대적으로 고체적탄성률을 갖는 제2블록;을 포함하는 열차단블록 및
    음파를 차단하기 위해 상기 열차단블록에 비해 상대적으로 저체적탄성률을 갖도록 상기 열차단블록의 후방에 형성되며, 상기 열차단블록과 임피던스 미스매칭되도록 상대적으로 고체적탄성률을 갖는 제3블록을 포함하는 열과 음파 차단용 메타물질.
    
11. 제1항, 제3항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 따른 열과 음파 차단용 메타물질을 이용한 장치로서,
    열을 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 열차단블록 및 음파를 차단하기 위한 메타물질로 구성되는 음파차단블록을 포함하며, 상기 열과 음파가 진행하는 방향을 기준으로 상기 열차단블록이 전방에, 상기 음파차단블록이 후방에 배치되는 열과 음파 차단용 메타물질과,
    상기 메타물질의 형상 고정용 프레임을 포함하는 열과 음파 차단용 메타물질을 이용한 장치.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 메타물질의 열차단블록 또는 음파차단블록에 소정의 체적탄성률을 가지는 블록을 추가함으로써 상기 열차단블록 또는 음파차단블록의 체적탄성률이 가변되도록 하는 것을 특징으로 하는 열과 음파 차단용 메타물질을 이용한 장치.
    

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