전기 없이 인공구조물로 소리 10배 키웠다

한국기계연구원, 관련 기술 개발

▲인공구조물로 소리를 10배 키우는 증폭기술이 개발됐다.[사진제공=한국기계연구원]

[아시아경제 정종오 기자] 전기 없이 소리를 10배 키우는 기술이 개발됐다. 인공구조물을 이용한 무전원 음향 신호 증폭기술이다. 인공구조물을 활용해 음파를 10배까지 증폭시켜 송신하거나 수신할 수 있기 때문에 초음파, 의료기기, 비파괴검사 등 다양한 분야에 활용가능하다.

연구팀은 소리의 파장보다 작은 초소형 인공구조물을 지그재그 형상으로 설계했다. 외부 음파 신호가 이 구조물을 통해 센서에 전달했다. 이 경우 구조물을 통과하는 음파의 진행 경로가 증가돼 기존 공기나 물 등 신호를 전달하는 자연계 매질이 가지지 못하는 고(高)굴절률(Refractive Index)과 고(高)임피던스(Impedance) 특성이 나타난다.

임피던스(Impedance)는 음파전달 매질의 고유한 물성으로 매질 내의 속도와 음압 사이의 비율을 말한다. 고굴절률과 고임피던스를 동시에 구현하면 음파의 진행속도를 줄여 소리를 작은 공간에 집중시킬 수 있다. 음압(音壓, Sound Pressure Level) 증폭이 가능한 것이다. 이를 통해 연구팀은 별도의 전원 없이 인공구조물만 활용해 음압을 증가시켰다. 기존의 음향 시스템의 송·수신 감도를 10배 향상시키고 감지가 불가능하였던 미세한 신호까지 감지하는 데 성공했다.

또 인공구조물의 형상을 변화시켜 신호의 증폭률과 공진주파수도 자유자재로 조절할 수 있었다. 여기에 인공구조물이 신호 파장의 10분의1인 구조물을 기반으로 제작되기 때문에 초음파 등 파장이 극히 짧은 송수신 시스템에는 기기장치의 초소형화가 가능하다.

이번 연구는 한국기계연구원(원장 임용택) 나노자연모사연구실 송경준·허신 박사팀이 맡았다. 부경대학교 기계공학과 김제도 교수팀과 공동으로 지그재그 형태의 인공구조물을 통해 음파(音波)의 경로를 제어함으로써 이 구조물을 통과하는 음향 신호를 무(無)전원으로 최대 10배까지 증폭하는데 성공했다.

송경준 박사는 "이번 기술은 송·수신 신호 파장의 10분의1인 구조물을 기반으로 제작돼 기존 음향기술인 헬름홀츠 공명기가 가졌던 크기의 한계를 소리의 파장보다 작은 구조물로 구현함으로써 극복한 것에 큰 의미가 있다"며 "앞으로 초음파, 의료기기, 비파괴검사를 비롯해 플랜트 안전진단 분야와 수중통신 분야에 활용이 가능할 것으로 예상된다"고 설명했다.

한편 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)는 공명현상을 이용해 복잡한 음(音) 가운데서 특정한 음을 증폭시키는 장치를 말한다. 연구결과는 네이처 자매지인 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 지에 2014년 12월11일(논문명 : Sound Pressure Level Gain in an Acoustic Metamaterial Cavity)에 실렸다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr