[논문 리뷰] Tailoring Structure-borne Sound Through Bandgap Engineering in Phononic Crystals and Metamaterials: A Comprehensive Review

Mourad Oudich, Nikhil JRK Gerard외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 12.

Acoustic Wave Phenomena Research인용 수 4

한 줄 요약

이 종합적 리뷰는 구조적 음파를 제어하기 위해 진동수대를 설계한 포논 결정 및 탄성 메타물질에서의 밴드 갭 공학을 탐구하며, 주기적인 마이크로구조와 위상 설계를 활용해 파동을 조작한다. 이는 맞춤형 밴드 갭을 통해 진동 차단, 파동 유도 및 에너지 봉쇄를 가능하게 하며, 최근 3D 아키텍처 메타물질과 위상 포논학의 발전으로 인해 강력하고 다기능적인 음향 제어가 실현되고 있음을 보여준다.

ABSTRACT

In solid state physics, a bandgap (BG) refers to a range of energies where no electronic states can exist. This concept was extended to classical waves, spawning the entire fields of photonic and phononic crystals where BGs are frequency (or wavelength) intervals where wave propagation is prohibited. For elastic waves, BGs are found in periodically alternating mechanical properties (i.e., stiffness and density). This gives birth to phononic crystals and later elastic metamaterials that have enabled unprecedented functionalities for a wide range of applications. Planar metamaterials are built for vibration shielding, while a myriad of works focus on integrating phononic crystals in microsystems for filtering, waveguiding, and dynamical strain energy confinement in optomechanical systems. Furthermore, the past decade has witnessed the rise of topological insulators, which leads to the creation of elastodynamic analogs of topological insulators for robust manipulation of mechanical waves. Meanwhile, additive manufacturing has enabled the realization of 3D architected elastic metamaterials, which extends their functionalities. This review aims to comprehensively delineate the rich physical background and the state-of-the art in elastic metamaterials and phononic crystals that possess engineered BGs for different functionalities and applications, and to provide a roadmap for future directions of these manmade materials.

연구 동기 및 목표

• 탄성파 전파를 제어하기 위해 밴드 갭을 갖춘 포논 결정 및 탄성 메타물질에 대한 종합적 개요 제공.
• 주기적 및 비주기적 탄성 마이크로구조에서 밴드 갭 형성의 물리적 원리 분석.
• 3D 아키텍처 메타물질과 위상 포논 시스템의 최근 발전을 통해 강력한 파동 제어를 위한 강력한 기여 강조.
• 밴드 갭 공학된 재료를 활용한 진동 차단, 센서 및 옵티omechanical 시스템 분야의 현재 응용 맵핑.
• 향후 연구 방향 개요: 향상된 功能성과 확장성으로 인한 차세대 음향 및 기계적 메타물질

제안 방법

• 밴드 갭을 갖춘 포논 결정 및 탄성 메타물질 분야에서의 이론적 및 실험적 진전에 대한 체계적 리뷰.
• 주기적 및 비주기적 마이크로구조에서 브라그 산란 및 국소 공진 메커니즘에 기반한 밴드 갭 메커니즘 분석.
• 위상 원리 통합을 통한 탄성 시스템에서의 강력하고 결함에 민감하지 않은 파동 유도 및 표면 상태 설계.
• 복잡한 3D 아키텍처 메타물질을 실현할 수 있는 적층 제조 기술 평가 및 동적 반응 조절.
• 진동 제어 및 에너지 봉쇄를 위한 평판형 및 마이크로스케일 장치에 밴드 갭 개념 통합.
• 옵티omechanics 및 구조 음향학을 포함한 다양한 적용 분야에서 최신 연구 결과 통합 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주기적 및 비주기적 마이크로구조는 어떻게 설계되어야 하며, 탄성파에 대해 넓고 강력한 밴드 갭을 생성할 수 있는가?
• RQ2 위상 불변량은 탄성 시스템에서 결함이나 무질서가 존재하더라도 강력한 표면 상태 및 반사 방지 파동 전파를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 적층 제조 기술은 어떻게 복잡한 밴드 갭 기능성을 갖춘 3D 아키텍처 메타물질의 실현을 가능하게 하는가?
• RQ4 밴드 갭 공학은 마이크로시스템 및 옵티omechanical 장치에서 진동 차단 및 에너지 봉쇄를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 실제 공학 응용 분야에 밴드 갭 공학된 재료를 규모화하고 통합하는 데 있어 핵심 과제와 향후 기회는 무엇인가?

주요 결과

• 포논 결정 및 메타물질에서의 밴드 갭 공학은 특정 주파수 범위 내에서 탄성파 전파를 완전히 억제할 수 있다.
• 위상 포논 시스템은 구조적 결함이나 무질서가 존재하더라도 표면을 따라 강력한 파동 전파를 보여준다.
• 적층 제조를 통해 제작된 3D 아키텍처 메타물질은 맞춤형 밴드 갭을 위한 동적 스태이프 및 질량 분포에 있어 사전에 없던 수준의 제어를 달성한다.
• 평판형 및 마이크로스케일 포논 장치는 옵티omechanical 시스템에서 효과적인 진동 차단 및 응력 에너지 봉쇄를 가능하게 한다.
• 국소 공진 및 브라그 산란 메커니즘의 통합은 응용 요구사항에 따라 좁거나 넓은 밴드 갭을 설계할 수 있도록 한다.
• 최근 발전은 다기능성, 재구성 가능하고 조절 가능한 밴드 갭 재료의 실현 가능성을 보여주며, 적응형 음향 제어를 위한 기반을 마련하고 있다.