이번 연구는 글로벌프런티어사업(파동에너지극한제어연구단)과 선도연구센터사업(양자메타물질연구센터) 지원으로 이뤄졌다. 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 향상시켰다.

이번에 개발된 물-공기 경계 음향 초투과용 초박형 메타표면은 수중 음향 송·수신 장치 효율을 혁신적으로 개선할 것으로 기대된다.

물-공기 경계에서 입사된 음파 에너지는 0.2% 이하만 투과되고 나머지는 반사된다. 이는 물이 공기보다 매우 무겁고 단단하여, 물의 특성 임피던스가 공기의 특성 임피던스보다 약 3600배 크기 때문이다.

이에 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.

  

이에 반해 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.

수중 원거리 출력 전송 장치개발은 국방 및 과학기술 분야에 떠오르는 기술이다.  이번에 개발된 초박형 메타표면 설계 기술을 IoT 센서 네트워크, 국방용 수중 무인 드론, 그리고 해양생물 연구용 태그 등에 적용하면 음파를 이용한 고효율 수중 원거리 출력 전송이 가능할 것으로 기대된다.  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.