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

이삼현 교수(물리학과 메타물질 연구실) 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 설계했으며, 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 ‘미국물리학회지(Physcial Review Letters)’에 1월 26일자로 게재되었다.

초투과(Extraordinary Transmission)
  ○  파동의 진행에 있어서, 일반적으로 투과가 일어나지 않는 경계에서, 매우 큰 투과가 일어날 경우를 지칭한다.

임피던스(Impedance)
  ○  음향학에서 임피던스는 어떤 위치에서 유체 입자 속도(fluid particle velocity)에 대한 음압(Sound pressure)의 비율로서 정의된다. 파동이 한쪽 방향으로만 진행하는 매질에서의 값은 특성 임피던스와 같은 값을 가진다. 

메타물질(Metamaterial)
  ○  파장보다 매우 작은 크기의 인공 구조물을 3차원으로 배열함으로서 이뤄진 인공 물질을 말한다. 파동 현상을 좌우하는 매질의 구조변수(Constitutive Parameter)를 유효적(effectively)으로 조정할 수 있다. 이를 통해서, 자연계에서는 관찰이 쉽지 않던 파동 현상을 구현할 수 있는 것으로 알려져 있다.

그림 1. 물-공기 음향 초투과를 위해 설계된 메타표면의 개념도, 메타표면을 이루고 있는 메타원자의 단면도.

메타원자는 6개의 얇은 막과 공기로 채워진 공동으로 이뤄져 있으며, 그 크기는 (가로) 30mm X (세로) 30mm X (두께) 4.8mm 이다.

그림 2. 물-공기 음향 초투과를 위해 설계된 메타표면을 이루는 메타원자 구조의 개념도.

메타원자는 “유효 질량 요소”와 “공기로 채워진 공동 요소”로 이뤄져 있다. “유효 질량 요소”는 5개의 얇은 막이 붙어 있는데 이들의 상호 작용으로 유효 질량의 변화를 일으킬 수 있으며, 이 요소에서 반사되는 음파의 위상을 조정할 수 있다. 그래서 물-공기 경계에서 반사된 음파와 간섭을 일으켜 반사파를 상쇄시킬 수 있다.