KR20170060348A - 포커싱 위치 조절이 가능한 포노닉 크리스탈 및 음향렌즈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 포커싱 위치 조절이 가능한 포노닉 크리스탈 및 음향렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 포노닉 크리스탈은 매트릭스, 및 상기 매트릭스 내에서 분산되며 주기적으로 반복되는 격자를 형성하는 복수의 인클루션을 포함하며, 상기 포노닉 크리스탈은 상기 매트릭스가 탄성을 가짐에 따라 벤딩 가능하고, 상기 포노닉 크리스탈이 벤딩됨에 따라 통과되는 파동의 포커싱 위치를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 포커싱 위치 조절이 가능한 포노닉 크리스탈 및 음향렌즈에 관한 것이다.

Description

포커싱 위치 조절이 가능한 포노닉 크리스탈 및 음향렌즈{PHONONIC CRYSTAL CAPABLE OF CONTROLLING FOCUSING POSITION AND ACOUSTIC LENS}

본 발명은 포노닉 크리스탈 및 음향렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 포노닉 크리스탈의 특성 중 하나인 음의 굴절률(negative refraction)을 이용하여 포커싱되는 위치를 조절할 수 있는 기술에 관한 것이다.

음향 메타물질은 물질 내부에 국부적인 공명기를 지닌 물질로서, 이를 통과하는 음파를 제어하기 위해 인위적으로 만들어진 구조체이다.

음향 메타물질은 입사되는 음파의 파장보다 작거나 비슷한 크기의 단위 구조체를 가지며, 이 물질을 구성하는 재료의 크기, 간격, 요소의 물성 등에 따라 다른 특성을 보인다.

음향 메타물질을 통과하는 음파는 물질 내부에서 간섭을 일으키며, 이는 벌크파(bulk wave)나 표면파(surface wave)의 진행 방향을 제어하는 목적으로 사용될 수 있다.

한편, 포노닉 크리스탈은 주기적인 구조체를 통해 이를 통과하는 음파의 산란 특성을 제어하는 구조체를 말한다.

포노닉 크리스탈은 음의 굴절률을 나타내는 특성을 가지며, 내부를 통과하는 음파의 밴드갭 현상을 일으켜 특정 주파수를 갖는 음파의 통과를 막는 등 음파를 제어하는데 이용될 수 있다.

그러나, 기존의 음의 굴절률 현상을 이용한 포노닉 크리스탈은 구성 물질과 격자구조 등에 따라 포커싱되는 위치가 결정되어 포커싱의 위치를 변화시키기 위해서는 다른 포노닉 크리스탈을 사용하여야 하는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 하나의 포노닉 크리스탈을 사용하더라도 구부리는 정도에 따라 포커싱 위치를 조절할 수 있는 포노닉 크리스탈 및 음향렌즈를 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 포노닉 크리스탈은 음의 굴절률을 가지는 포노닉 크리스탈로서, 상기 포노닉 크리스탈은 매트릭스 및 상기 매트릭스 내에서 분산되며 주기적으로 반복되는 격자를 형성하는 복수의 인클루션을 포함하며, 상기 포노닉 크리스탈은 상기 매트릭스가 탄성을 가짐에 따라 벤딩 가능하고, 상기 포노닉 크리스탈이 벤딩됨에 따라 통과되는 파동의 포커싱 위치를 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 매트릭스는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이소프렌, 클로로설포네이티드 폴리에틸렌, 폴리부타디엔, 러버 및 폴리우레탄 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 포노닉 크리스탈은 입사파와 반대 방향으로 벤딩되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 포노닉 크리스탈은 벤딩 정도가 커짐에 따라 상기 포커싱 위치가 상기 포노닉 크리스탈에 가까워지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 포노닉 크리스탈을 벤딩하기 위해 상기 매트릭스에 가압 수단이 장착되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 음향 렌즈는 전술한 포노닉 크리스탈을 가압하여 벤딩함으로써 포커싱 위치를 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 하나의 포노닉 크리스탈을 사용하여 포커싱 위치를 다양하게 조절할 수 있는 장점이 있다.

또한, 일반적인 음향렌즈와 달리 사용 시 발열이 거의 없으며, 이에 따라 장시간 사용가능한 장점이 있다.

또한, 포노닉 크리스탈이 탄성을 가짐에 따라 약간의 힘만으로 용이하게 벤딩하여 원하는 포커싱 위치를 구현할 수 있다.

또한, 포노닉 크리스탈이 변형되기 전의 포커싱 위치를 포노닉 크리스탈로부터 가능한 한 멀리 위치하도록 설계한다면 벤딩 각도에 따라 넓은 포커싱 위치 폭을 가질 수 있고 이를 통해 다양한 포커싱 위치가 필요한 음향 시스템에 활용할 수 있다.

도 1은 음의 굴절률을 이용한 포노닉 크리스탈의 개념도이다.
도 2는 음의 굴절률을 이용한 포노닉 크리스탈의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포노닉 크리스탈이 변형되기 전 파동을 포커싱하는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포노닉 크리스탈이 변형된 후 파동을 포커싱하는 개념도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 음의 굴절률을 이용한 포노닉 크리스탈의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 포노닉 크리스탈(100)을 기준으로 일방에서 파동(131)이 발생되는데, 이하에서는 파동(131)이 발생되는 지점을 파원(130)으로 지칭한다.

포노닉 크리스탈(phononic crystal, 100)은 매트릭스(matrix, 110)와, 매트릭스(110) 내에서 분산되며 주기적으로 반복되는 격자를 형성하는 복수의 인클루션(inclusion, 120)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 포노닉 크리스탈(100)은 포노닉 크리스탈(100)의 주요 특징 중 하나인 음의 굴절률을 가진다. 따라서, 특정 지점에서 발생하는 파동(131)은 포노닉 크리스탈(100)을 통과함으로써 반대편의 일정 지점에서 포커싱될 수 있으며, 이는 일반적인 음향렌즈와 유사하다.

파동(131)은 공간이나 물질의 한 부분에서 발생된 주기적인 진동이 시간의 흐름에 따라 주변으로 퍼져나가는 것을 의미하는 것으로 음향 장치에서 사용되는 음파 등을 포함하는 개념이다.

파원(130)에서 발생된 파동(131)은 외부 환경(10) 내에 위치한 포노닉 크리스탈(100)에 입사 후 이를 통과하게 되며 포노닉 크리스탈(100)을 기준으로 타방에서 포커싱이 되는데, 이하에서는 포커싱이 되는 지점을 포커싱 위치(140)로 지칭한다.

포노닉 크리스탈(100)은 외부 환경(10)과, 포노닉 크리스탈(100) 내부에 분산되는 인클루션(120)의 음향 임피던스 차이로 인해 그 특성이 발현될 수 있다. 일반적인 포노닉 크리스탈(100)의 경우, 물이나 공기 등의 외부 환경(10)에 고정된 인클루션(120)을 구비하여 포커싱이 구현될 수 있다.

포노닉 크리스탈(100)은 음파와 같은 파동(131)의 산란 특성을 제어하는 주기적인 구조체이며, 1차원, 2차원 및 3차원 구조를 가질 수 있다.

예를 들면, 1차원 구조의 포노닉 크리스탈(100)은 판이 교대로 겹쳐지는 형태로 구성될 수 있으며, 2차원 구조의 포노닉 크리스탈(100)은 매트릭스(110) 내에서 평행하게 분산된 실린더 형상의 인클루션(120)이 규칙적으로 배열된 형태로 구성될 수 있으며, 3차원 구조의 포노닉 크리스탈(100)은 호스트 매트릭스(host matrix) 내에 분포된 구형의 인클루션(120)이 다양한 배열로 분포될 수 있다.

격자가 2차원인 경우에는 인클루션(120)은 원통형인 것이 바람직하며, 격자가 3차원인 경우에는 인클루션(120)은 구형인 것이 바람직하나, 이외에도 당해 기술분야에서 통상적으로 알려진 다양한 형상을 가질 수 있다.

도 2는 음의 굴절률을 이용한 포노닉 크리스탈의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.

일반적으로 음의 굴절률을 이용한 포노닉 크리스탈(100)은 포노닉 크리스탈(100)의 구성 물질이나 크기, 격자 구조 등에 따라 포커싱 위치(140)가 결정된다.

도 2의 시뮬레이션 결과를 통해서도 알 수 있듯이, 포노닉 크리스탈(100)의 일방에 위치하는 파원(130)에서 포노닉 크리스탈(100)에 적합한 주파수의 원형파를 방출하고, 이 원형파가 포노닉 크리스탈(100)을 통과하게 되면 포노닉 크리스탈(100)의 타방에서 포커싱 위치(140)가 고정된다. 이때, 고정되어 있는 포커싱 위치(140)를 이동시키기 위해서는 인클루션(120)의 종류나 크기 등을 변화시킬 필요가 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 포노닉 크리스탈이 변형되기 전 파동을 포커싱하는 개념도이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 포노닉 크리스탈(100)은 음의 굴절률을 가지며, 포노닉 크리스탈(100)의 일방에 위치한 파원(130)에서 발생되는 파동(131)은 포노닉 크리스탈(100)의 일면에서 파동(131)의 진행 방향과 반대 방향으로 굴절하며, 포노닉 크리스탈(100)의 타면에서 다시 파동(131)의 진행 방향과 반대 방향으로 굴절하여 포커싱 위치(140)를 형성하게 된다. 물론, 포노닉 크리스탈(100)과 수직으로 진행하는 파동(131)은 굴절 없이 통과하게 된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 포노닉 크리스탈이 변형된 후 파동을 포커싱하는 개념도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 포노닉 크리스탈(100)은 매트릭스(110)와, 매트릭스(110) 내에서 분산되어 주기적으로 반복되는 격자를 형성하는 복수의 인클루션(120)을 포함할 수 있다.

매트릭스(110)는 외부 환경(10)과 맞는 임피던스를 가지는 것이 바람직하며, 탄성을 가지는 탄성중합체(elastomer)인 것을 특징으로 한다.

매트릭스(110)가 탄성을 가짐에 따라 포노닉 크리스탈(100)은 벤딩이 가능하며, 이에 따라 포노닉 크리스탈(100)을 통과하는 파동(131)의 포커싱 위치(140)를 조절할 수 있는 것이다.

매트릭스(110)의 재질은 당해 기술 분야에서 통상적으로 사용될 수 있는 탄성중합체일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니지만 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이소프렌, 클로로설포네이티드 폴리에틸렌, 폴리부타디엔, 러버 및 폴리우레탄 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 천연 고무, 폴리이소프렌, 스티렌?부타디엔?고무, 클로로프렌 고무, 폴리 부타디엔, 니트릴 고무, 부틸 고무, 에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌 프로필렌 디엔고무, 클로로설포네이티드 폴리에틸렌, 다황화 고무, 규소 함유 탄성중합체, 폴리우레탄, 이들의 독립 기포 또는 연속 기포 발포체 등을 포함할 수 있다.

인클루션(120)은 매트릭스(110) 내에서 일정한 패턴을 가지는 격자를 형성하게 되며, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 절연체, 폴리머, 금속 등을 포함할 수 있으며, 바람직하게 산화물, 실리카, 폴리스티렌, 폴리메타크릴레이트 등을 포함할 수 있다. 또한, 인클루션(120)은 빈 공간에 해당되는 캐비티(cavity)일 수도 있다.

예를 들어, 포노닉 크리스탈(100)의 외부 환경이 물인 경우, 물에서 원하는 주파수에 필요한 크기와 물질을 인클루션(120)으로 배열한 후, 물과 음향 임피던스가 맞는 폴리디메틸실록산(PDMS) 등을 투입하여 원하는 크기의 포노닉 크리스탈(100)로 경화시킨다.

이렇게 경화된 포노닉 크리스탈(100)은 PDMS의 유연함 때문에 양쪽 끝에 힘을 가할 경우 용이하게 구부러지며 이에 따라 인클루션(120)이 재배치되어 포커싱 위치(140)가 변하게 된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 포노닉 크리스탈(100)은 입사파의 진행 방향과 반대 방향 즉, 포커싱 위치(140)를 감싸는 방향으로 벤딩되는 것이 바람직하다.

포노닉 크리스탈(100)의 벤딩 정도가 커짐에 따라 포커싱 위치(140)는 포노닉 크리스탈(100)에 가까워지게 되는데, 포노닉 크리스탈(100)이 변형되기 전의 포커싱 위치(140)를 포노닉 크리스탈(100)로부터 가능한 한 멀리 위치하도록 설계한다면 벤딩 각도에 따라 넓은 포커싱 위치(140) 폭을 가질 수 있고 이를 통해 다양한 포커싱 위치(140)가 필요한 음향 시스템에 활용할 수 있다.

이때, 포노닉 크리스탈(100)을 벤딩하기 위해 매트릭스(110)에 별도의 가압 수단이 장착될 수 있으며, 이를 통해 포노닉 크리스탈(100)을 포커싱 위치(140) 방향으로 약간의 힘만 가하여 구부리면 원하는 포커싱 위치(140)를 구현할 수 있다.

가압 수단의 구조는 특별히 제한되는 것은 아니며, 포노닉 크리스탈(100)에 접촉하여 특정 방향으로 벤딩하기 위한 모든 수단을 포함할 수 있다. 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 포노닉 크리스탈(100)은 포커싱되는 위치가 고정되어 있는 장치 앞에 배치하여 포커싱 위치(140)를 원하는 위치로 조절할 수도 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향렌즈는 전술한 포노닉 크리스탈(100) 및 상기 포노닉 크리스탈(100)을 가압하기 위한 가압 수단을 더 포함할 수 있으며, 상기 가압 수단을 통해 포노닉 크리스탈(100)을 가압하여 벤딩함으로써 포커싱 위치(140)를 조절할 수 있다.

상기와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 외부 환경
100: 포노닉 크리스탈
110: 매트릭스
120: 인클루션
130: 파원
131: 파동
140: 포커싱 위치

Claims (6)

1. 음의 굴절률을 가지는 포노닉 크리스탈로서,
   상기 포노닉 크리스탈은 매트릭스; 및
   상기 매트릭스 내에서 분산되며 주기적으로 반복되는 격자를 형성하는 복수의 인클루션을 포함하며,
   상기 포노닉 크리스탈은 상기 매트릭스가 탄성을 가짐에 따라 벤딩 가능하고,
   상기 포노닉 크리스탈이 벤딩됨에 따라 통과되는 파동의 포커싱 위치를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 포커싱 위치 조절이 가능한 포노닉 크리스탈.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 매트릭스는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리이소프렌, 클로로설포네이티드 폴리에틸렌, 폴리부타디엔, 러버 및 폴리우레탄 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 포커싱 위치 조절이 가능한 포노닉 크리스탈.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 포노닉 크리스탈은 입사파와 반대 방향으로 벤딩되는 것을 특징으로 하는 포커싱 위치 조절이 가능한 포노닉 크리스탈.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 포노닉 크리스탈의 벤딩 정도가 커짐에 따라 상기 포커싱 위치가 상기 포노닉 크리스탈에 가까워지는 것을 특징으로 하는 포커싱 위치 조절이 가능한 포노닉 크리스탈.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 포노닉 크리스탈을 벤딩하기 위해 상기 매트릭스에 가압 수단이 장착되는 것을 특징으로 하는 포커싱 위치 조절이 가능한 포노닉 크리스탈.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 포노닉 크리스탈을 포함하는 음향 렌즈로서,
   상기 포노닉 크리스탈을 가압하여 벤딩함으로써 포커싱 위치를 조절하는 것을 특징으로 하는 음향 렌즈.

Images