우리얘기

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 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 파장보다도 더 작은 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 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

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)

 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