- [2018.2.7] 물-공기 경계에서 ‘음향 초투과’ 세계 최초 구현 2018.02.23
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물-공기 경계에서 ‘음향 초투과’ 세계 최초 구현
- 특성 임피던스 극한 부정합 경계의 음향 초투과용 초박형 메타표면 개발 -
- 수중 음향 송·수신 장치의 혁신적 효율 개선 기대 -
연세대학교 메타물질 연구실(교수 이삼현) 연구팀이 세계 최초로 물과 공기 사이에 음향 초투과를 구현했다.
글로벌프런티어사업(파동에너지극한제어연구단)과 선도연구센터사업 (양자메타물질연구센터) 지원으로 이루어진 이번 연구를 통해 메타물질 연구실은 특성 임피던스 극한 부정경계에서 음향 초투과를 발생시킬 수 있는 초박형 메타표면 설계기술을 개발했다. 이를 활용하여 물-공기 경계에 적합한 1/100 파장 두께의 메타표면을 설계하였으며, 음파 투과율을 160배 향상하는 쾌거를 이뤘다.
이번에 개발된 물-공기 경계 음향 초투과용 초박형 메타표면은 수중 음향 송·수신 장치 효율을 혁신적으로 개선할 것으로 기대된다.
물-공기 경계에서 입사된 음파 에너지의 0.2% 이하만 투과되고 나머지는 반사된다. 이는 물이 공기보다 매우 무겁고 단단하여, 물의 특성 임피던스가 공기의 특성 임피던스보다 약 3600배 크기 때문이다. 따라서 공기의 특성 임피던스와 유사한 임피던스를 갖는 마이크로폰은 수중에서 사용할 수 없고, 상대적으로 물과 유사한 압전소자 기반 하이드로폰을 사용한다. 그러나 압전소자의 감도는 마이크로폰의 1/1000 수준이어서, 하이드로폰의 음향 수신 감도는 현저히 낮다.
하지만 물-공기 경계 음향 초투과용 초박형 메타표면을 범용 마이크로폰 앞에 부착할 경우 물속에서도 초감도 수신이 가능하다. 특히 음파 투과율이 30%인 메타표면을 적용할 경우, 현존 최고 수신 감도의 범용 하이드로폰보다 약 1000% 향상된 감도 구현이 가능하다.
단일 주파수에 대하여 연구되었으나, 학계에 알려진 메타표면 설계 기술을 적용하여 광범위 주파수 대역 장치구현 역시 가능하다. 이는 기존 범용 기술인 ‘무반사 코팅 기법’으로는 구현 불가능했던 것으로, 기원전 1세기경에 시작된 음향학의 역사에서 감히 상상할 수 없었던 혁신적 성과로 손꼽힌다.
수중 원거리 출력 전송 장치개발은 국방 및 과학기술 분야에 떠오르는 이슈이다. IoT 센서 네트워크, 국방용 수중 무인 드론, 그리고 해양생물 연구용 태그 등 각종 전기장치가 수중에서 사용되고 있지만, 배터리 교환 및 충전 과정이 까다로워 운용 효율성이 많이 떨어진다.
하지만 이번에 개발된 초박형 메타표면 설계 기술을 적용하면 음파를 이용한 고효율 수중 원거리 출력 전송이 가능할 것으로 예상된다. 이에 연세대학교 연구팀은 수년 내 고효율 수중 원거리 출력 전송 장치 구현을 목표로 하고 있다.
이번 연구결과는 물리학 분야 세계적 권위의 학술지 Physcial Review Letters (IF=8.46)에 2018년 1월 26일자로 게재되었다. (DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.044302) [논문명: Metasurface for Water-to-Air Sound Transmission, 저자 정보: 복은(제1저자, 연세대학교 자연과학연구소), 박종진(파동에너지극한제어 연구단), 최해진(연세대학교 자연과학연구소), 한충규(연세대학교 자연과학연구소), 올리버 라이트(홋카이도 대학교, 일본), 이삼현(교신저자, 연세대학교 자연과학연구소)]
또한 세계 과학 저널들의 주목을 받으며 Physics (Focus), Science Magazine (News), Nature (Research Highlight), Physics World (News), Phys.Org (News), 그리고 STERNE UND WELTRAUM 등에 관련기사가 게재되었다.
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