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선박이나 항공기의 금속에 충격이 누적돼 발생하는 피로파괴는 육안으로는 확인하는 것이 불가능에 가깝기 때문에 비파괴검사기법이 주로 사용됩니다.

최근 비파괴진단법은 항공기나 선박의 크랙 탐지는 물론 반도체 기판의 결함 탐지 등으로 응용범위가 확대되고 있는데요.

하지만, 현재 비파괴진단 기술은 보다 선명한 화질 개선과 함께 넓은 영역을 빠른 시간에 분석하는 것이 요구되고 있습니다.

이런 비파괴진단 검사의 근본적인 요구사항을 해결하기 위해서는 기존 자연계 물질이 갖지 못하는 고 굴절률 및 고 임피던스를 갖는 음향메타물질을 구현해 음향신호가 감쇠되는 문제를 해결하고, 또 이를 뒷받침할 고성능 음향 송·수신 기술을 개발해야 합니다.

외부 전력 없이도 음향신호 10배 증폭하는 기술

한국기계연구원 나노자연모사연구실 송경준 박사와 허신 박사는 부경대 기계공학과 김제도 교수와 공동으로 전원 없이 음향신호를 최대 10배까지 증폭할 수 있는 기술이 개발해 주목받고 있습니다.

고성능 무전원 신호 증폭이 가능한 음향 증폭 구조물고성능 무전원 신호 증폭이 가능한 음향 증폭 구조물


공동 연구팀이 개발한 기술은 지그재그 형태의 인공구조물을 통해 음파의 경로를 제어함으로써,이 구조물을 통과하는 음향 신호를 증폭하는 것이 핵심인데요.

이를 응용할 경우 초음파, 의료기기, 비파괴검사 등 다양한 분야에서 획기적인 발전이 있을 것으로 전망됩니다.

연구팀은 작은 소리의 파장보다도작은 초소형 인공구조물을 지그재그 형상으로 설계하고, 외부 음파 신호가 이 구조물을 통해 센서에 전달되도록 했는데요.

이 경우 구조물을 통과하는 음파의 진행 경로가 증가돼 기존 공기나 물 등 신호를 전달하는 자연계 매질이 갖지 못하는 고 굴절률(Refractive Index)과 고 임피던스(Impedance)의 특성이 나타나는 것을 확인했습니다.

음향 증폭 구조물 실험 장치음향 증폭 구조물 실험 장치

고 굴절률과 고 임피던스를 동시에 구현하면 음파의 진행속도를 줄여 소리를 작은 공간에 집중시킬 수 있기 때문에 음압(Sound Pressure Level) 증폭이 가능해지 것에 주목한 연구팀은 별도의 전원 없이 인공구조물만 활용해 음압을 증가시켜 기존의 음향 시스템의 송·수신 감도를 10배 향상시키고, 기존에 감지가 불가능하였던 미세한 신호까지 감지하는 데 성공했습니다.

또 인공구조물의 형상을 변화시키는 방법으로 신호의 증폭률과 공진주파수도 자유자재로 조절할 수 있게 됐고요.

인공구조물이 신호 파장의 1/10인 구조물을 기반으로 제작되기 때문에 초음파 등 파장이 극히 짧은 송수신 시스템에는 기기장치의 초소형화도 가능해졌습니다.

이번 연구는 송수신 신호 파장의 1/10인 구조물을 기반으로 제작돼 기존 음향기술인 헬름홀츠 공명기가 가졌던 크기의 한계를 소리의 파장보다 작은 구조물로 구현한 것에 큰 의미가 있고요.

이는 향후 초음파, 의료기기, 비파괴검사를 비롯해 플랜트 안전진단 분야, 수중통신 분야 등에도 폭 넓게 활용될 것으로 기대됩니다.

이번 연구결과는 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’  2014년 12월 11일 게재됐습니다.
   ※ 논문명 : Sound Pressure Level Gain in an Acoustic Metamaterial Cavity. 

 용 어 설 명

임피던스(Impedance)
음파전달 매질의 고유한 물성으로 매질 내의 속도와 음압 사이의 비율

헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)
공명현상을 이용해 복잡한 음(音) 가운데서 특정한 음을 증폭시키는 장치

 

연 구  개 요

Sound Pressure Level Gain in an Acoustic Metamaterial Cavity
Kyungjun Song, Kiwon Kim, Shin Hur,Jun-Hyuk Kwak, Jihyun Park, Jong Rak Yoon & Jedo Kim


1. 연구배경

비파괴 검사를 적용한 IT 및 정밀 기계 생산 분야에서 초음파 이미징 기술은 결함 탐지에 이용된다.

이를 통해 항공기, 선박 등 크랙 탐지에 사용되었고 최근에는 반도체 기판 결함 탐지 등 응용범위가 확대되고 있다.

그러나 현재 비파괴 진단 기술의 문제점은 화질 개선이 필요하고 넓은 영역을 빠른 시간에 분석하는 것이 관건이다.

이러한 비파괴 검사의 근본적인 기술적 문제를 해결하기 위해서 본  연구에서는 기존 자연계 물질이 가지지 못하는 高 굴절률 및 高 임피던스를 가지는 음향메타물질 구현을 통해 음향 신호 감쇠 문제를 해결하고 이를 통해 고성능 음향 송·수신 기술에 대한 연구를 수행하였다.

본 연구는 최근 2014년 3월에 Scientific reports 논문 게재된 음향 메타물질 송신기술 (Emission Enhancement of Sound Emitters using an Acoustic Metamaterial Cavity)의 후속 연구로써, 동일한 구조체를 이용하여 음향 신호를 송신 감도 뿐만 아니라 수신 감도를 10배 이상의 이득을 얻을 수 있는 음향메타물질 원천기술에 대한 연구를 수행하였다.

2. 연구내용

본 연구에서는 알루미늄 재질로 만들어진 지그재그 형상 인공 구조체를 정교하게 설계하여 작동할 수 있는 초소형 음향 증폭 메타물질을 만들었다.

지그재그 형상을 사용한 이유는 음파의 경로를 증가시켜 기존 자연계 물질이 가지지 못하는 高굴절률과 高임피던스를 구현이 가능하기 때문이다.

음향 증폭률과 공진주파수도 메타물질 형상변화를 통해 자유자재로 조절되기 때문에 원하는 주파수에서 작동할 수 있는 음향증폭기가 설계가 가능하다.

예를 들어 실험적으로 메타물질을 이용하여 13dB 이상 음향 신호 증폭을 측정하였고, 이론적으로는 20dB 신호 이득도 가능함을 알 수 있었다.

본 구조체의 지그재그 형상은 高 굴절률을 기반으로 하기 때문에 현재 널리 사용되고 있는 헬름홀츠 공명기(Helmholtz Resonator)보다 매우 작게 설계가 가능하며 이로 인해 디바이스 초소형화가 가능하다.  

(a) 음향메타물질 구조체 (b) 3가지 메타물질 형상이 다른 샘플 (a) 음향메타물질 구조체 (b) 3가지 메타물질 형상이 다른 샘플 (c-d) 음향 증폭률 실험 및 해석 (e-f) 음향 증폭 시뮬레이션(공진주파수)


또한 연구진은 음향 증폭률이 공기에 국한되지 않고 수중에서도 음향 신호의 증폭을 증명하기 위해 수조 내에서 음향파가 발생 및 측정 하였으며 이를 통해 2배 이상의 음향 신호의 증폭을 확인하였다.

이 실험은 수중에서의 수많은 반사파에 의한 간섭현상을 극복하여 어디에서든지 음파를 이용한 수중통신을 가능하게 할 수 있는 핵심 기술이 될 수 있음을 보였다. 

(a-b) 수중실험 개략도 및 실험 (c-d) 음향 증폭률 실험 및 해석(a-b) 수중실험 개략도 및 실험 (c-d) 음향 증폭률 실험 및 해석


3. 기대효과
 

본 연구는 무전원 음향 증폭 디바이스 소형화뿐만 아니라 좋은 신호를 얻을 수 있는 음향 증폭 원천기술로써, 이를 통해 초음파 비파괴검사, 의료 이미징, 에너지 하베스팅(Energy Harvesting), 수중 통신 등의 다양한 응용분야에 크게 활용될 수 있다.

특히 초음파 비파괴 진단의 압전소자의 센싱 및 액츄에이팅 성능 향상을 통해 구체적으로 고속화 진단이 요구되는 항공기 부품 등의 크랙 탐지, 반도체 기판 결함 탐지에 활용 가능하다.

 

1문 1답

이번 성과가 기존과 다른 점은?(기존 기술과 차이 비교)

이번에 개발된 무전원 음향 증폭 메타물질은 기존의 음향 헬름홀츠 공명기보다 훨씬 작은 구조물을 이용하기 때문에 디바이스 초소형화가 가능하고, 10배 이상의 높은 증폭률을 얻을 수 있다.

어디에 쓸 수 있나?(활용 분야 및 제품)

무전원 음향 증폭이 필요한 고해상도 비파괴 초음파 진단, 고감도 수중통신, 고성능 음향 센서 등에 적용할 수 있다.

실용화를 위한 과제는?

초음파 영역에 적용하기 위해서는 마이크로미터 크기의 메타물질 구조체를 대면적으로 저렴하게 제작 할 수 있는 나노공정 기술과의 융합연구와 시작품 구현 및 성능평가 관련 연구가 필요하다.

실용화 가능 시기는?

현재 실용화 응용 가능성을 실험실 수준에서 규명한 상태이며, 대면적 제조 및 실용화 연구가 수행되면 고해상도 비파괴 초음파 진단 분야에서 향후 응용이 가능할 것으로 기대된다.

산업적, 경제적 파급효과는?

음향 엑츄에이팅/센싱의 원천기술과 밀접하게 연관된 플랜트 안전진단 및 수중 피탐지 구조체 관련 시장 규모는 2025년에 각 142억불, 176억불로 예상되고 있으며, 해당 기술개발 성과를 활용하면 관련 시장의 상당부분을 선점하고 새로운 시장을 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

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대전광역시 유성구 신성동
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posted by 글쓴이 과학이야기

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일반적으로 피부와 같이 내부 구조가 복잡한 매질은 들어오는 빛의 대부분을 그대로 반사시키고, 10% 이하의 극히 적은 빛만 투과시킵니다.

따라서 빛을 이용해 효과적으로 질병을 치료하기 위해서는 매질을 손상시키지 않고 빛 에너지를 원하는 깊이까지 그대로 전달해야 합니다.

■ 고려대 최원식 교수와 박규환 교수, 명지대 김재순 교수팀이 빛 에너지를 피부 속 깊은 곳까지 그대로 전달하는 방법을 개발해 빛을 이용한 질병치료의 효율을  높일 수 있는 가능성이 열었습니다.

연구팀은 우선 나노 입자로 구성된 복잡한 매질을 높은 투과도로 통과할 수 있는 특정한 빛의 패턴을 찾아냈습니다.

이어 액정을 이용한 디스플레이 장치로 특정한 패턴의 빛을 만든 후 복잡한 매질에 쏘여, 복잡한 매질 속을 투과하는 빛이 이론적으로 도달할 수 있는 최대까지(기존의 4배) 증폭시키는 실험에 처음으로 성공했습니다.

이번 성과는 물리적으로 복잡한 매질 내부에서 강한 보강간섭을 일으키는 공명모드를 찾아내고, 이 공명모드에 해당하는 빛을 쬐어 빛의 투과 에너지를 최대화시켰다는 것입니다.

또 이번 연구결과는 광열 치료와 광역학 치료 등 피부 손상 없이 높은 빛 에너지가 피부 속으로 전달되어야만 효율적으로 치료할 수 있는 광 치료기술에 모두 적용할 수 있기 때문에 향후 빛을 이용한 암세포치료 등의 효율성을 높이는데 크게 기여할 전망입니다.

이번 연구는 지난 30년간 물리학에서 이론적으로만 예측되었던 복잡 매질 속 공명모드의 존재를 가장 직접적으로 증명한 연구로 평가받고 있습니다.

연구결과는  광학 및 포토닉스 분야의 권위 있는 국제학술지인 'Nature Photonics (IF=29.278)'에 온라인으로(7월 22일) 발표되었습니다.
(논문명 : Maximal energy transport through disordered media with the implementation of transmission eigenchannels)

(오른쪽 위 그림)
연구팀은 선행연구로 간유리와 같은 복잡 매질 반대편에 있는 물체를 볼 수 있는 새로운 이미징 방법을 개발한 바 있으며 (Physical Review Letters, 107 023902 (2011)) 그 결과 일반적인 현미경에서는 간유리에 가려 볼 수 없던 물체(왼쪽 위 그림)를 선명하게 볼 수 있도록 하였다.
(오른쪽 아래 그림)
이번 결과는 이 이미징 방법을 한 단계 발전시켜, 복잡한 매질 내부에서 강한 보강간섭을 일으키는 공명모드를 찾아내고, 이 공명모드에 해당하는 빛의 패턴을 입사시킴으로써 빛의 투과 에너지를 최대화하였다. 이를 통해 일반적인 경우(왼쪽 아래 그림)보다 네 배나 많은 에너지를 전달할 수  있었다.

<연 구 개 요>

Maximal energy transport through disordered media
with the implementation of transmission eigenchannels

Moonseok Kim1, Youngwoon Choi1, Changhyeong Yoon1, Wonjun Choi1,
Jaisoon Kim2, Q-Han Park1and Wonshik Choi1*
1Department of Physics, Korea University, Seoul 136-701, Korea
2Department of Physics, Myongji University, Yongin 449-728, Korea
*Corresponding author: Wonshik Choi wonshik@korea.ac.kr


1. 연구 배경
최근 30여 년간 광학을 이용한 기술들이 질병 진단의 중요한 도구로 자리매김해 왔다.
생명공학에 광학 기술이 관심을 받아온 이유는 기존의 심층 영상 장비들 (MRI, PET, CT 및 초음파 영상 등)에 비해 해상도가 높아 대장암, 위암, 자궁암 및 피부암 등 각종 인체 질환의 초기 발병 시 수반되는 국지적인 생체 조직의 변화를 관측하는 것이 가능하기 때문이다. 그러나 광학을 이용한 기술들은 근본적인 한계를 안고 있는데, 그것은 바로 빛이 생체조직 깊이 투과하지 못한다는 점이다.
단백질, DNA 및 lipids 등 생체 세포를 구성하는 대부분의 분자들은 세포 내부에서 밀도에 따라 빛의 속도, 즉 굴절률을 변화시킨다. 복잡한 구조의 생체조직은 굴절률 분포가 불균일하여 빛을 다중 산란시키므로 빛이 피부 속으로 깊이 투과하지 못한다.

입사한 빛을 다중 산란시키는 이러한 복잡매질에서의 빛의 진행은 물리법칙으로 설명하기 어려운 무질서한 현상처럼 보인다.
그러나 내부구조가 아무리 복잡한 산란 매질이라 하더라도 그것은 여전히 선형시스템으로 해석할 수 있다. 즉, 두 개의 입사파가 매질을 통과할 때, 그 매질의 전체 투과파는 각각의 투과파의 선형 합과 같다. 따라서 무작위 매질에 대한 입사파와 투과파의 관계는 투과행렬(transmission matrix)로 설명할 수 있다.
80년대 초반 처음 제안된 무작위 매질 이론(random matrix theory)은 투과행렬을 이용하면 임의의 복잡매질에 대해 투과에너지가 최대가 되는 특정한 입사파가 존재함을 이론적으로 제시하였다.
투과 에너지가 최대가 되는 입사파는 수학적으로는 투과행렬의 eigenchannel 중 eigenvalue가 최대가 되는 것이고, 물리적으로는 복잡 매질을 통과한 빛의 보강간섭을 최대화하는 공명 모드를 의미한다.
지금까지 많은 사람들이 이러한 eigenchannel을 구현하고 투과에너지가 최대화 하기위해 노력해 왔지만 지금까지는 성공하지 못했었다.

2. 연구결과 및 기대효과
연구팀은 선행 연구로 개발한 3차원 위상현미경을 사용하여 무질서도가 매우 높은 복잡매질의 투과행렬을 측정하였고, 이로부터 복잡매질 통과 시 보강간섭을 이루는 공명모드, 즉 eigenvalue가 최대가 되는 eigenchannel을 실험적으로 생성시켜 투과에너지를 극대화하였다.
이번 연구는 그 결과의 중요성을 인정받아 Nature Photonics지에 게재되었다.
연구에서 구현한 공명모드는 이론적으로 도달할 수 있는 투과에너지가 최대인 상태이고, 이 때 투과에너지의 증가율은 거의 네 배에 가까워 지금까지 학계에 보고된 것 중 최대이다.

본 연구 결과는 다양한 분야에 응용가능성이 있으며, 특히 생체조직 속 광에너지 심층전파로 발전시켜 의학기술 전반에 적용될 수 있을 것으로 기대한다.
현재 기술들은 피부 속으로 빛을 많이 전달하고자 할수록 피부 표면을 더욱 손상시키기 때문에 진단 및 치료의 효율성이 크게 제한된다.
그러나 본 연구를 통해 개발한 기술을 응용하면 빛을 이용하여 피부 속 깊이 존재하는 질병 세포들을 효율적으로 진단할 수 있게 할 것이고, 표면의 손상 없이 질병세포 만을 선택적으로 제거할 수 있을 것으로 기대한다.

3. 기타사항
□ 연구팀 홈페이지
 ○ 고려대학교 물리학과 바이오 이미징 연구실 http://bioimaging.korea.ac.kr/
 ○ 고려대학교 물리학과 바이오 이미징 연구실 http://nol.korea.ac.kr/
 ○ 명지대학교 물리학과 첨단 광응용 연구실 http://nemo.mju.ac.kr/

 

 용  어  설  명

투과행렬(transmission matrix)
빛이 복잡매질을 통과할 때 입사-투과 관계를 보여주는 행렬이다. 여러 각도의 입사파에 대한 투과파의 측정을 통하여 복잡매질의 투과행렬을 얻는다.

Eigenchannel
측정한 투과 행렬을 singular value decomposition(선형대수학의 행렬 대각화 방법) (T = USV*)하여 얻은 eigenvector이다. 여기서 S는 양의 실수인 singular value를 대각 원소로 갖는 정사각행렬이다. V 와 U는 eigenchannel의 input과 output을 그 열로 갖는 unitary 행렬이다. eigenvalue는 singular value의 제곱으로 얻을 수 있고 이것의 물리적 의미는 각 eigenchannel의 투과율의 기댓값이다.

공명모드
일반적으로 알고 있는 선형 공진기는 거울 두 개가 마주보고 있는 단순한 구조로 공진기의 크기에 맞는 조건의 파장의 빛에 대하여 보강간섭을 이루는 공명모드를 형성한다. 본 연구에서는 선형 공진기가 아닌 임의의 복잡매질에서의 보강간섭이 최대가 되는 공명모드를 구현하였다. 이 상태는 eigenvalue가 최대값을 갖는 eigenchannel이다.

매질(媒質, medium)
파동을 전달시키는 물질로, 대부분 매질의 탄성에 의해 파동이 전달됨

보강간섭(constructive interference)
같은 위상의 두 파동이 중첩될 때 일어나는 간섭으로, 마루와 마루 또는 골과 골이 만나 합성파의 진폭이 2배로 커짐

Nature Photonics
광학 및 포토닉스 분야의 가장 획기적인 연구 논문을 출판하는 저널로, 피인용지수(Impact Factor)는 2011년 기준 29.278 이며, 이는 광학 및 포토닉스(Optics and Photonics) 분야에서 1위이다 (SJR 기준).

 

 

<최원식 교수>

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 최원식 (38세) 
 ○ 소 속 : 고려대학교 물리학과

2. 학력

 ○ 1993~1997  서울대학교 물리학과 학사
 ○ 1997~1999  서울대학교 물리학과 석사
 ○ 1999~2004  서울대학교 물리학과 박사

3. 주요경력
 ○ 2004~2005  서울대학교 물리학과 연구원
 ○ 2006~2009  Massachusetts Institute of Technology 연구원
 ○ 2009~현재  고려대학교 이과대학 물리학과 조교수
 ○ 2010~현재  Associate Editor, Biomedical Optics Express (SCI journal)

4. 주요업적
 ○ Nature Methods 논문 (2007년), The Economist, printed edition에 소개됨
 ○ Physical Review Letters 논문 (2011년), New Scientist 올해의 10대 뉴스에 선정됨
 ○ 연구 논문 40여 편

<박규환 교수>

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 박규환 (53세) 
 ○ 소 속 : 고려대학교 물리학과

2. 학력
 ○ 1978 - 1982  서울대학교 물리학과 학사
 ○ 1982 - 1987  미국 Brandeis University 물리학과 박사

3. 경력사항
 ○ 1987 ? 1988  미국 Brandeis University 박사후연구원
 ○ 1988 ? 1990  미국 University of Maryland 연구원
 ○ 1990 ? 1992  영국 University of cambridge 연구원
 ○ 1992 - 2001  경희대학교 물리학과 조교수, 부교수
 ○ 2002 - 현재  고려대학교 물리학과 교수

4. 수상 경력
 ○ 2010 올해의 성도광과학상

<김재순 교수>

1. 인적사항


 ○ 성 명 : 김재순 (56세) 
 ○ 소 속 : 명지대학교 이과대학 물리학과

2. 학력
 ○ 1975~1980  서울대학교 물리교육학과 학사
 ○ 1980~1987  서울대학교 물리교육학과 석사
 ○ 1995~1999  고려대학교 물리학과 박사

3. 주요경력
 ○ 1990~현재  EOSYSTEM(주) 연구소장
 ○ 1999~2000 부원광학(주) 연구소장
 ○ 2000~현재  제노시스(주) 기술이사
 ○ 1998~현재  산업자원부 기술기획평가단 위원
 ○ 2000~2002  인천대학교 겸임교수
 ○ 2002~현재  KIST 외부위촉연구원
 ○ 2004~2010 지식경제부 차세대 핵심요소 기술개발 나노프로젝트 단장
 ○ 2002~2009 서울대학교 부교수
 ○ 2010~현재 명지대학교 교수
 ○ 2012~현재 지식경제부 반도체 디스플레이 검사장치개발 총괄책임

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 축하드립니다 2012.08.01 02:12  Addr Edit/Del Reply

    제가 얼핏.. 잘 알아먹질 못해서, 잘은 모르면서도 뭔가 대단한 연구업적 같은데... ^^
    암튼, 정말 대단들 하세요! ^^
    왠지 제가 이 연구결과를 낸듯 뿌듯~해져오는 이윤 뭔지 참.. ^^

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