KR20230171767A - 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치 - Google Patents

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KR20230171767A
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김기현
김윤영
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서울대학교산학협력단
재단법인 파동에너지 극한제어 연구단
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Abstract

본 발명의 실시예는 단일 필터로 넓은 입사각 범위에서 높은 에너지 효율로 탄성파의 모드변환을 구현할 수 있는 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치는 종파와 횡파를 포함하는 탄성파가 미리 설정된 광각 범위로 경사지게 입사되는　입사 매질, 입사 매질을 통해 광각 범위로 입사된 탄성파가 투과되는 투과 매질, 그리고 입사 매질과 투과 매질 사이에 개재되어 광각 범위로 입사된 탄성파가 무반사로 완전하게 변환되어 투과되도록 광각 모드변환 완전투과 조건으로 형성되는 필터를 포함한다.

Description

탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치{FULL TRANSMISSION DEVICE FOR WIDE-ANGLE MODE CONVERSION OF ELASTIC WAVES}
본 발명은 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치에 관한 것이다.
파동이 어떤 계층(layer)을 통과할 때, 계층 내부에서 다중반사(multiple internal reflection)와 간섭(interference) 현상이 발생한다. 이때, 계층의 두께가 입사하는 파동의 반파장이 되는 주파수를 페브리-페로 공진주파수(Fabry-Pιrot resonance frequency)라고 하고, 공진주파수에서 계층에 입사한 파동은 계층을 완전히(100%) 투과한다.
탄성파의 파동 모드에는 종파(압축파)와 횡파(전단파)가 존재한다. 이때, 특수한 조건을 만족하는 물성을 갖는 이방성 계층(anisotropic layer)으로 입사한 종파(혹은 횡파)는 횡파(혹은 종파)로 모드변환 되어 완전투과될 수 있는데, 이러한 현상을 모드변환 페브리-페로 공진(transmodal Fabry-Pιrot resonance, TFPR)이라고 한다. 하지만, 탄성파의 모드변환 현상은 탄성파가 특정 입사각으로 이방성 계층에 입사할 때에만 구현된다는 한계를 갖는다.
이러한 종래의 모드변환용 필터의 한계점을 극복하기 위해, 단일 필터로 넓은 입사각 범위에서 높은 에너지 효율로 탄성파의 모드변환을 구현하는 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 단일 필터로 넓은 입사각 범위에서 높은 에너지 효율로 탄성파의 모드변환을 구현할 수 있는 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치는 종파와 횡파를 포함하는 탄성파가 미리 설정된 광각 범위로 경사지게 입사되는　입사 매질, 입사 매질을 통해 광각 범위로 입사된 탄성파가 투과되는 투과 매질, 그리고 입사 매질과 투과 매질 사이에 개재되어 광각 범위로 입사된 탄성파가 무반사로 완전하게 변환되어 투과되도록 광각 모드변환 완전투과 조건으로 형성되는 필터를 포함한다.
필터는 입사 매질로 입사되는 탄성파의 파장보다 작으며, 탄성파의 입사방향에 대하여 기울어지거나 탄성파의 입사축에 대해 비대칭적인 적어도 하나의 미소구조가 연속적인 배열을 갖고 형성되는 탄성 메타물질(elastic metamaterial)을 포함할 수 있다.
광각 모드변환 완전투과 조건은 복수의 설계변수를 포함하며, 복수의 설계변수를 통해 미리 설정된 형상으로 형성되는 복수의 미소구조가 파동의 진행방향에 대해 점진적으로 변화하도록 연속 배열되어 반복되는 단위 구조체(unit cell)를 형성할 수 있다.
미소구조는 슬릿 모양의 빈 공간을 가질 수 있다.
미소구조는 2차원 평면에서 미리 설정된 각도로 기울어진 형상으로 형성될 수 있다.
복수의 설계변수는 미소구조의 형상을 결정짓는 복수의 형상 설계변수와 미소구조의 위치를 결정짓는 복수의 위치 설계변수를 포함할 수 있다.
복수의 설계변수는 22개의 설계 변수(, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , )를 포함할 수 있다.
광각 범위는 0°~ 70°를 포함할 수 있다.
단위 구조체의 경계형상은 2차원 상에서 사각형, 평행사변형, 육각형 등의 다각형을 포함할 수 있다.
단위 구조체의 경계형상은 3차원 상에서 육면체, 각기둥 등의 다면체를 포함할 수 있다.
단위 구조체 내부에 있는 2개의 구멍은 형상을 결정짓는 6개의 설계 변수(, , , , , )와 위치를 결정짓는 4개의 설계 변수(, , ,)의 조합으로 형성될 수 있다.
단위 구조체 외부에 있는 3개의 구멍은 형상을 결정짓는 9개의 설계 변수(, , , , , , , , )와 위치를 결정짓는 1개의 설계 변수()의 조합으로 형성될 수 있다.
이방성을 이용하여 넓은 입사각 범위에서 반사파 없이 종파와 횡파 간의 자유로운 모드변환을 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1a와 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 종파-횡파 모드변환 완전투과와 횡파-종파 모드변환 완전투과를 반사파 없이 구현하는 필터의 개념도를 도시한 도면이다.
도 2a와 도 2b는 종래기술을 활용하여 종파-횡파 모드변환 완전투과를 구현하는 개념도를 도시한 도면이다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 종파-횡파 모드변환 완전투과를 구현하는 개념도를 도시한 도면이다.
도 2d는 입사각에 따른 모드변환 투과율을 비교하는 그래프를 도시한 도면이다.
도 3a, 도 3b, 도 3c는 단위 구조체의 미소 구조 예시를 도시한 도면이고, 도 3d, 도 3e, 도 3f는 단위 구조체의 경계형상 예시를 도시한 도면이다.
도 4a는 탄성 메타물질의 단위 구조체 형상을 활용하여 종파에서 횡파로의 광각 모드변환을 구현하는 상황을 도시한 도면이다.
도 4b는 필터의 종파-횡파 모드변환 투과율 그래프를 도시한 도면이다.
도 4c는 필터의 횡파-종파 모드변환 투과율 그래프를 도시한 도면이다.
도 5는 광각 모드변환용 필터에 종파가 입사했을 때의 발산장과 회전장 시뮬레이션 해석결과를 도시한 도면이다.
도 6은 광각 모드변환용 필터에 횡파가 입사했을 때의 발산장과 회전장 시뮬레이션 해석결과를 도시한 도면이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치는 입사 매질, 투과 매질, 필터를 포함하며, 단일 필터로 넓은 입사각 범위에서 높은 에너지 효율로 탄성파의 모드변환을 구현할 수 있다.
입사 매질은 종파와 횡파를 포함하는 탄성파가 미리 설정된 광각 범위로 경사지게 입사되는　매질을 포함할 수 있다. 광각 범위는 0°~ 70°를 포함할 수 있다.
투과 매질은 입사 매질을 통해 광각 범위로 입사된 탄성파가 투과되는 매질을 포함할 수 있다.
필터는 입사 매질과 투과 매질 사이에 개재되어 광각 범위로 입사된 탄성파가 무반사로 완전하게 변환되어 투과되도록 광각 모드변환 완전투과 조건으로 형성될 수 있다. 여기서, 필터는 입사 매질로 입사되는 탄성파의 파장보다 작으며, 탄성파의 입사방향에 대하여 기울어지거나 탄성파의 입사축에 대해 비대칭적인 적어도 하나의 미소구조가 연속적인 배열을 갖고 형성되는 탄성 메타물질(elastic metamaterial)을 포함할 수 있다.
광각 모드변환 완전투과 조건은 복수의 설계변수를 포함하며, 복수의 설계변수를 통해 미리 설정된 형상으로 형성되는 복수의 미소구조가 파동의 진행방향에 대해 점진적으로 변화하도록 연속 배열되어 반복되는 단위 구조체(unit cell)를 형성할 수 있다. 미소구조는 슬릿 모양의 빈 공간을 가질 수 있다. 미소구조는 2차원 평면에서 미리 설정된 각도로 기울어진 형상으로 형성될 수 있다. 복수의 설계변수는 미소구조의 형상을 결정짓는 복수의 형상 설계변수와 미소구조의 위치를 결정짓는 복수의 위치 설계변수를 포함할 수 있다.
단위 구조체의 경계형상은 2차원 상에서 사각형, 평행사변형, 육각형 등의 다각형을 포함할 수 있다. 그리고 단위 구조체의 경계형상은 3차원 상에서 육면체, 각기둥 등의 다면체를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치는 단일 필터로 넓은 입사각 범위(0°~ 70°)에 대하여 반사파 없이 종파(압축파)와 횡파(전단파) 간의 자유로운 모드변환을 구현할 수 있으며, 기존의 탄성파 모드변환용 필터가 단일 입사각에서만 국한되어 작동한다는 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치는 이방성을 활용하여 넓은 범위의 입사각에 대하여 100%에 가까운 에너지 효율로 탄성파의 모드변환 완전투과(full mode-converting transmission) 현상을 반사파 없이 구현할 수 있다. 본 발명의 실시예에에서 다루는 탄성파는 평면 변형(plane-strain) 또는 평면 응력(plane-stress) 조건의 등방성 탄성 매질에서 전파되는 면내 평면 조화 파동으로, 파동 모드에는 종파인 압축파(P파)와 횡파인 전단파(SV파)를 포함할 수 있다.
도 1a와 도 1b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 종파-횡파 모드변환 완전투과와 횡파-종파 모드변환 완전투과를 반사파 없이 구현하는 필터의 개념도를 각각 도시한 도면이다. 도 1a를 참고하면, 입사 매질(101)과 투과 매질(103) 사이에 필터(102)를 삽입했을 때, 필터(102)에 입사한 종파(104)가 횡파(105)로 무반사로 완전하게 변환되어 투과될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 필터(102)는 넓은 입사각 범위(0°≤θ inc <70°)에서 높은 에너지 효율(99% 이상)로 작동할 수 있다. 이때 투과되는 횡파의 굴절각은 종파의 입사각과 배경 매질의 물성에 따라 결정될 수 있다.
도 1b를 참고하면, 입사 매질(106)과 투과 매질(108) 사이에 도 1a에 제시된 필터(107)를 180°회전하여 삽입했을 때, 대칭성 원리에 의해 필터(107)에 입사한 횡파(109)가 종파(110)로 무반사로 완전하게 변환되어 투과될 수 있다. 이때 투과되는 종파의 굴절각은 횡파의 입사각과 배경 매질의 물성에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 필터는 단일 입사각이 아닌 넓은 입사각 범위에 대해서 반사파 없이 탄성파의 모드변환 완전투과 현상을 구현할 수 있으며, 단일 목표 입사각에만 국한되어 작동하는 종래기술의 한계를 극복할 수 있다. 도 2a와 도 2b는 종래기술을 활용하여 종파-횡파 모드변환 완전투과를 구현하는 개념도를 도시한 도면이고, 도 2c는 제안 기술을 활용하여 종파-횡파 모드변환 완전투과를 구현하는 개념도를 도시한 도면이다. 도 2d는 종래기술과 제안 기술의 입사각에 따른 모드변환 투과율을 비교하는 그래프를 도시한 도면이다.
도 2a는 입사 매질(201)과 투과 매질(203)의 경계에 필터(202)를 삽입했을 때 수직으로 입사(입사각 = 0°)한 탄성파(204)가 모드변환 되어 투과(205)되는 상황을 도시한 도면이다.
도 2b는 입사 매질(206)과 투과 매질(208)의 경계에 필터(207)를 삽입했을 때 목표 입사각(θ target)으로 경사 입사한 탄성파(209)가 모드변환 되어 투과(210)되는 상황을 도시한 도면이다.
도 2c는 입사 매질(211)과 투과 매질(213)의 경계에 본 발명의 실시예에 따른 필터(212)를 삽입했을 때 넓은 입사각 범위에서 입사한 탄성파(214)가 모드변환 되어 투과(215)되는 상황을 도시한 도면이다.
도 2d는 종래기술(점선)과 본 발명의 실시예에 따른 필터(실선)의 입사각에 따른 종파-횡파 모드변환 투과율 그래프를 도시한 도면이다. 종래기술 1(216)의 경우 입사각이 목표 입사각 θ target1 = 0° 근처일 때만 높은 모드변환 투과율을 보인다. 종래기술 2(217)의 경우 입사각이 목표 입사각 θ target2 = 60° 근처일 때만 높은 모드변환 투과율을 보인다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 필터를 사용할 경우(218)에는 넓은 입사각 범위(0°~70°)에서 거의 100%에 가까운 모드변환 투과율을 보인다.
본 발명의 실시예에 따른 필터는 자연계에 존재하는 이방성 물질(anisotropic material)이나, 파장보다 작은 미소구조의 연속적인 배열인 탄성 메타물질(elastic metamaterial)로써 구현될 수 있다. 이때, 연속적인 배열을 만드는 반복구조를 단위 구조체(unit cell)라고 한다. 필터에서 단위 구조체의 경계형상은 2차원 상에서 사각형, 평행사변형, 육각형 등의 다각형이 될 수 있고, 3차원 상에서 육면체, 각기둥 등의 다면체가 될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 탄성 메타물질의 단위 구조체 미소 구조와 단위 구조체의 경계형상의 예시를 제시한다. 도 3a, 도 3b, 도 3c는 단위 구조체의 미소 구조 예시를 도시한 도면이고, 도 3d, 도 3e, 도 3f는 단위 구조체의 경계형상 예시를 도시한 도면이다.
도 3a는 2차원 평면에서 임의의 각도(304)로 기울어진 슬릿(303) 모양의 미소구조(305)를 포함하는 단위 구조체(301)를 도시한 도면이다. 단위 구조체(301)를 구성하는 물질(302)과 미소구조(305)를 구성하는 물질은 제약이 없으며, 서로 다를 수 있다. 미소구조(305)는 빈 공간일 수 있다.
도 3b는 단위 구조체(306)를 구성하는 물질(307) 내에 불규칙한 형상의 미소구조(308)를 지닌 단위 구조체(306)의 예시를 도시한 도면이다. 미소구조(308)의 형상과 배치에는 제약이 없다.
도 3c는 여러 개의 미소구조(310, 311)를 지닌 단위 구조체(309)의 예시를 도시한 도면이다. 단위 구조체(309) 내부의 미소구조(310, 311)는 2개 이상 존재할 수 있으며, 각 미소구조(310, 311)들의 형상과 구성 재료가 서로 달라도 무방하다.
도 3d는 필터를 구성하는 2개의 서로 다른 미소구조(314, 315)를 가진 정사각형 형태의 단위 구조체(313)에 대한 2x2 배열(312)을 도시한 도면이다.
도 3e는 필터를 구성하는 3개의 서로 다른 미소구조(318, 319, 320)를 가진 육각형 형태의 단위 구조체(317)에 대한 2x3 배열(316)을 도시한 도면이다.
도 3f는 3차원 공간에서 임의의 두께를 가진 단위 구조체(321)를 도시한 도면이다. 단위 구조체(321)는 3차원상에서 주기적으로 배열(322)되어 필터를 구성할 수 있다. 3차원 형상의 단위 구조체(321) 내부의 미소구조(323, 324, 325)의 단면 형상은 두께 방향에 따라 변할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 광각 모드변환용으로 구비되는 필터의 작동 원리를 설명한다. 단일 목표 입사각에서 필터에 입사한 종파를 횡파로 모드변환하여 반사파 없이 완전투과 시키기 위해서는 필터가 일반화된 위상 및 임피던스 매칭 조건을 만족해야 한다. 이때 본 발명의 실시예에 따른 필터는 단일 목표 입사각이 아닌, 넓은 입사각 범위(0°-70°)에서 일반화된 위상 및 임피던스 매칭 조건을 만족할 수 있도록 탄성 메타물질의 형상을 정교하게 설계할 수 있다. 이렇게 설계된 필터를 활용하면 넓은 입사각 범위에 대해서 탄성파의 모드변환 완전투과 현상을 구현할 수 있다.
도 4a는 일 실시예에서 광각 모드변환을 구현하기 위해 사용한 탄성 메타물질의 단위 구조체 형상과, 이를 활용하여 종파에서 횡파로의 광각 모드변환을 구현하는 상황을 도시한 도면이다. 도 4a에 도시된 총 22개의 설계 변수( , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , )를 적절하게 조절하면 광각 모드변환용으로 구비되는 필터(404)를 설계할 수 있다.
도 4b와 도 4c는 본 발명의 실시예에 따라 광각 모드변환용으로 구비되는 필터(404)의 종파-횡파 모드변환 투과율과 횡파-종파 모드변환 투과율을 각각 도시한 도면이다. 본 발명은 임의의 주파수와 임의의 입사 및 투과 매질에 적용할 수 있지만, 일 실시예에서는 일반성을 잃지 않고 주파수를 100kHz, 입사 및 투과 매질을 알루미늄으로 가정하였다. 모드변환 투과율은 상용 수치해석 소프트웨어(COMSOL Multiphysics)를 활용한 시뮬레이션 해석결과를 바탕으로 계산하였다. 필터의 설계 변수는 , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , 로 설계하였다.
도 4a에 도시된 필터(404)는 단위 구조체(408)의 배열(405)을 포함할 수 있다. 단위 구조체(408)는 서로 다른 5개의 슬릿 형상의 빈 구멍을 뚫어 제작하며, 해당 단위 구조체의 가로 길이는 , 세로 길이는 이다. 단위 구조체 내부에 있는 2개의 구멍(409, 410)은 그 형상을 결정짓는 6개의 설계 변수(, , , , , )와 그 위치를 결정짓는 4개의 설계 변수(, , , )를 갖는다.
여기서, 형상을 결정짓는 6개의 설계 변수는 구멍의 회전 각(, ),구멍의 길이(, ), 구멍의 두께(, )를 포함할 수 있다. 그리고 위치를 결정짓는 4개의 설계 변수는 x 방향 위치(, ), y 방향 위치(, )를 포함할 수 있다.
단위 구조체 외부에 있는 3개의 구멍(411, 412, 413)은 그 형상을 결정짓는 9개의 설계 변수(, , , , , , , , )와 그 위치를 결정짓는 1개의 설계 변수()(413)를 갖는다. 여기서, 형상을 결정짓는 9개의 설계 변수는 구멍의 회전 각(, , ), 구멍의 길이(, , ), 구멍의 두께(, , )를 포함할 수 있다. 위치를 결정짓는 1개의 설계 변수는 y 방향 길이()(413)다.
제시된 필터(404)에 입사한 종파(401)는 넓은 입사각(402) 범위에서 반사 없이 99% 이상의 에너지 효율로 횡파(406)로 모드변환되어 투과될 수 있다. 이때의 투과되는 종파의 굴절각(407)은 파동의 입사각과 배경 매질의 물성에 따라 결정될 수 있다.
이렇게 파동의 진행방향으로 점진적으로 변화하는 미소구조는 기존의 모드변환 기술에서와 같이 특정 구조를 단순 반복함으로써 구현이 불가능했던 광각 모드변환을 가능하도록 한다.
도 4b는 필터의 종파-횡파 모드변환 투과율 그래프를 도시한 도면이다. 도 4b를 참고하면, 종파의 입사각이 0°에서 70°에 이르기까지 넓은 범위에서 100%에 가까운 에너지 효율로 탄성파의 모드변환 완전투과가 구현될 수 있다. 도 4c는 필터의 횡파-종파 모드변환 투과율 그래프를 도시한 도면이다. 도 4c를 참고하면, 마찬가지로, 넓은 횡파 입사각 범위에서 100%에 가까운 에너지 효율로 탄성파의 모드변환 완전투과가 구현될 수 있다. 다만 종파-횡파 모드변환과는 다르게, 횡파-종파 모드변환의 경우 스넬의 법칙에 의해 횡파의 입사각이 임계각()보다 작은 경우에 한해 유효함을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 설계된 필터의 성능을 검증할 수 있는 시뮬레이션 해석결과를 제시한다. 도 5는 앞서 설계한 필터(502, 508)가 알루미늄의 경계에 삽입됐을 때, 다양한 입사각(0°, 20°, 40°, 60°)으로 입사한 종파가 횡파로 모드변환되어 완전투과되는 시뮬레이션 해석결과를 도시한 도면이다. 도 6은 앞서 설계한 필터(602, 609)를 180도 회전시켜 알루미늄의 경계에 삽입했을 때, 다양한 입사각(0°, 10°, 20°, 30°)으로 입사한 횡파가 종파로 모드변환 되어 완전투과되는 시뮬레이션 해석결과를 도시한 도면이다.
도 5는 광각 모드변환용으로 구비되는 필터(502, 508)에 종파(504, 505, 506, 507)가 입사했을 때의 발산장(Divergence field, )과 회전장(Curl field, ) 시뮬레이션 해석결과를 도시한 도면이다. 발산장과 회전장은 각각 종파와 횡파의 변위 진폭에 비례한다. 발산장을 보면, 입사매질(501)에서 입사하는 종파가 관측되지만 투과매질(503)에서는 거의 관측되지 않는다. 반면 회전장을 보면, 입사매질(508)에서는 거의 관측되지 않지만 투과매질(510)에서는 모드변환되어 완전투과된 횡파(511, 512, 513, 514)가 관측될 수 있다. 즉, 필터(502, 508)에 입사한 종파가 횡파로 모드변환되어 완전투과되며, 반사는 일어나지 않음을 확인할 수 있다.
도 6은 광각 모드변환용으로 구비되는 필터(602, 609)에 횡파(604, 605, 606, 607)가 입사했을 때의 발산장과 회전장 시뮬레이션 해석결과를 도시한 도면이다. 회전장을 보면, 입사매질(601)에서 입사하는 횡파가 관측되지만 투과매질(603)에서는 거의 관측되지 않는다. 반면 발산장을 보면, 입사매질(608)에서는 거의 관측되지 않지만 투과매질(610)에서는 모드변환되어 완전투과된 종파(611, 612, 613, 614)가 관측될 수 있다. 즉, 필터(602, 609)에 입사한 횡파가 종파로 모드변환되어 완전투과되며, 반사는 일어나지 않음을 확인할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치는 이방성을 이용하여 넓은 입사각 범위에서 반사파 없이 종파와 횡파 간의 자유로운 모드변환을 구현할 수 있으며, 고효율 탄성파 장비개발에 적용될 수 있다. 예를 들어, 높은 모드변환율 또는 낮은 반사율을 필요로 하는 의료용 초음파 장비, 산업용 초음파 장비 등에 매우 중요하게 응용될 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 여기에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 다양하게 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이것도 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
211 ; 입사 매질 212 ; 필터
213 ; 투과 매질

Claims (9)

  1. 종파와 횡파를 포함하는 탄성파가 미리 설정된 광각 범위로 경사지게 입사되는　입사 매질,
    상기 입사 매질을 통해 광각 범위로 입사된 탄성파가 투과되는 투과 매질, 그리고
    상기 입사 매질과 상기 투과 매질 사이에 개재되어 광각 범위로 입사된 탄성파가 무반사로 완전하게 변환되어 투과되도록 광각 모드변환 완전투과 조건으로 형성되는 필터
    를 포함하는 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 필터는 상기 입사 매질로 입사되는 탄성파의 파장보다 작으며, 탄성파의 입사방향에 대하여 기울어지거나 탄성파의 입사축에 대해 비대칭적인 적어도 하나의 미소구조가 연속적인 배열을 갖고 형성되는 탄성 메타물질(elastic metamaterial)을 포함하는 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 광각 모드변환 완전투과 조건은 복수의 설계변수를 포함하며, 상기 복수의 설계변수를 통해 미리 설정된 형상으로 형성되는 복수의 미소구조가 파동의 진행방향에 대해 점진적으로 변화하도록 연속 배열되어 반복되는 단위 구조체(unit cell)를 형성하는 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 미소구조는 슬릿 모양의 빈 공간을 갖는 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치.
  5. 제4항에서,
    상기 미소구조는 2차원 평면에서 미리 설정된 각도로 기울어진 형상으로 형성되는 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치.
  6. 제3항에서,
    상기 복수의 설계변수는 상기 미소구조의 형상을 결정짓는 복수의 형상 설계변수와 상기 미소구조의 위치를 결정짓는 복수의 위치 설계변수를 포함하는 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치.
  7. 제4항에서,
    상기 복수의 설계변수는 22개의 설계 변수( , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , )를 포함하는 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치.
  8. 제7항에서,
    상기 단위 구조체 내부에 있는 2개의 구멍은 형상을 결정짓는 6개의 설계 변수( , , , , , )와 위치를 결정짓는 4개의 설계 변수( , , , )의 조합으로 형성되는 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 단위 구조체 외부에 있는 3개의 구멍은 형상을 결정짓는 9개의 설계 변수( , , , , , , , , )와 위치를 결정짓는 1개의 설계 변수()의 조합으로 형성되는 탄성파의 광각 모드변환용 완전투과 장치.
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