한국기계연구원, 전기 없이 소리 10배 키운다.

인공구조물 이용 무전원 음향 신호 증폭기술 개발

고성능 무전원 신호 증폭이 가능한 음향 증폭 구조물 [사진=한국기계연구원 제공]

아주경제 모석봉 기자 = 인공구조물을 활용해 음파를 10배까지 증폭시켜 송신하거나 수신할 수 있는 기술이 개발돼 초음파, 의료기기, 비파괴검사 등 다양한 분야에 활용될 것으로 보인다.

한국기계연구원(원장 임용택) 나노자연모사연구실 송경준․ 허신 박사팀과 부경대 기계공학과 김제도 교수팀 공동으로, 지그재그 형태의 인공구조물을 통해 음파(音波)의 경로를 제어함으로써 이 구조물을 통과하는 음향 신호를 무(無)전원으로 최대 10배까지 증폭하는데 성공했다.

이번 연구는 미래창조과학부 글로벌프론티어사업 ‘파동에너지 극한제어 연구단(단장 이학주)’의 지원으로 이뤄졌다.

연구진은 소리의 파장보다 작은 초소형 인공구조물을 지그재그 형상으로 설계하고 외부 음파 신호가 이 구조물을 통해 센서에 전달되게 했다.

이 경우 구조물을 통과하는 음파의 진행 경로가 증가되어 기존 공기나 물 등 신호를 전달하는 자연계 매질이 가지지 못하는 고(高)굴절률(Refractive Index)과 고(高)임피던스(Impedance)의 특성이 나타나게 된다.

고굴절률과 고임피던스를 동시에 구현하면 음파의 진행속도를 줄여 소리를 작은 공간에 집중시킬 수 있어 음압(音壓, Sound Pressure Level) 증폭이 가능하다.

이를 통해 연구진은 별도의 전원 없이 인공구조물만 활용해 음압을 증가시켜, 기존의 음향 시스템의 송·수신 감도를 10배 향상시키고, 기존에 감지가 불가능하였던 미세한 신호까지 감지하는 데 성공했다.

또한, 인공구조물의 형상을 변화시켜 신호의 증폭률과 공진주파수도 자유자재로 조절할 수 있을 뿐 아니라, 인공구조물이 신호 파장의 1/10인 구조물을 기반으로 제작되기 때문에 초음파 등 파장이 극히 짧은 송수신 시스템에는 기기장치의 초소형화가 가능하다.

연구책임자인 송경준 박사는 “본 기술은 송‧수신 신호 파장의 1/10인 구조물을 기반으로 제작돼 기존 음향기술인 ‘헬름홀츠 공명기’가 가졌던 크기의 한계를 소리의 파장보다 작은 구조물로 구현함으로써 극복한 것에 큰 의미가 있다”며 “향후 초음파, 의료기기, 비파괴검사를 비롯해 플랜트 안전진단 분야와 수중통신 분야에도 활용이 가능할 것으로 예상된다”고 밝혔다.

한편, 연구결과는 네이처 자매지인‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 지에 지난해 12월 11일 게재됐다.