신소재: MIT 연구진, 진동으로 소리 억제하는 견직물 개발

MIT 연구진은 사람의 머리카락보다 두께가 조금 더 굵을 뿐 불필요한 소음을 억제하고 큰 방 안에서 소음이 퍼지는 것을 줄일 수 있는 견직물을 개발했다.사진 출처: MIT 뉴스;iStock

우리는 지속적인 소음으로 가득 찬 세계에서 산다.밖에서 차들이 윙윙거리는 소리부터 이웃이 떠들썩하게 떠드는 텔레비전 소리, 동료 칸막이에서 나는 잔소리, 끊임없는 소음은 줄곧 우리가 직면한 도전이다.

이 문제를 해결하기 위해 MIT와 다른 기관의 학제 간 연구팀은 소리를 억제하고 더 조용한 공간을 만들기 위해 혁신적인 견직물을 개발했다.

이 직물은 머리카락처럼 가늘고 특수한 섬유를 가지고 있어 전압을 가할 때 진동을 일으킨다.연구진은 이 진동을 이용해 두 가지 다른 방식으로 소리를 억제했다.

첫 번째 방법은 직물을 이용하여 음파를 발생시키고, 소음을 낮추는 이어폰처럼 불필요한 소음을 방해하고 제거하는 것이다.그러나 이런 기술은 작은 범위에서는 효과가 있지만 방이나 비행기 등 큰 공간에서는 실용적이지 않다.

두 번째로 놀라운 기술은 직물을 정지시켜 소리 전파의 진동을 차단하는 것이다.이 직물은 소리의 전파를 막아 비교적 큰 지역의 소음을 현저하게 줄일 수 있어 방이나 차량 등 공간에 사용하기에 적합하다.

직물은 음파를 발생시켜 소리를 억제할 수 있다. 음파는 원하지 않는 소음을 방해하여 이를 제거하거나 (그림 C와 같이) 정지부동으로 진동을 억제할 수 있다. 진동은 소리 전파의 관건이다 (그림 D와 같이)참조).사진 출처: 연구자 제공

연구진은 실크, 캔버스, 아사 등 흔한 소재를 사용함으로써 현실 공간에서 실제로 응용할 수 있는 소음 억제 직물을 만들었다.예를 들어, 사람들은 이 직물로 개방형 작업 공간의 칸막이나 소리가 뚫리지 않도록 하는 얇은 직물 벽을 만들 수 있다.

"소음은 조용함보다 만들기 쉽습니다. 사실 소음을 차단하기 위해 두꺼운 벽을 만드는 데 많은 공간을 사용합니다."재료과학 및 공학과, 전자공학 및 컴퓨터과학과 교수, 전자연구실험실 수석연구원, 직물에 관한 논문의 베테랑 저자 유엘 핑크 (YoelFink)는"[제1저자] 그레이스의 연구는 얇은 직물로 조용한 공간을 만드는 새로운 메커니즘을 제공한다"고 말했다.

이 연구의 제1저자는 SM 21학번, 박사 그레이스 (Noel) Yang 24학번이다.공동 저자에는 MIT 대학원생 Taigyu가 포함됩니다.Joo, Hyunhee Lee, Henry Cheung 및 Yongyi Zhao;MIT 로버트 노이스 화학 공학 직업 개발 교수 ZacharySmith;케이스 웨스턴 리저브 대학 대학원생 Guanchun Rui와 교수 Lei Zhu;위스콘신 대학교 매디슨 캠퍼스 대학원생 Jinuan Lin과 조교수 ChuMa; 그리고 로드아일랜드디자인대학 대학원생 Latika Balachander.이 연구에 관한 오픈 액세스 논문은 《 선진 자료 》 에 발표되었다.

이런 소리 억제 실크는 이 팀이 이전에 직물 마이크를 제조한 기초에서 발전한 것이다.

이 연구에서, 그들은 한 가닥의 압전 섬유를 직물에 꿰맸다.압전 재료는 압출되거나 구부러질 때 전기 신호가 발생한다.부근의 소음이 직물의 진동을 일으키면 압전섬유는 이런 진동을 전신호로 전환시켜 소리를 포착한다.

이 새로운 연구에서 연구자들은 이 생각을 뒤엎고 일종의 직물스피커를 창조하여 음파를 상쇄하는데 사용할수 있다.

"우리는 직물로 소리를 만들 수 있지만, 우리 세상에는 이미 너무 많은 소음이 있다.우리는 조용함을 만드는 것이 더 가치가 있을 수 있다고 생각한다"고 양은 말했다.

전압 섬유에 전기 신호를 가하면 그것이 진동하여 소리를 낼 수 있다.연구진은 원형 프레임에 설치된 130㎛ 길이의 실크 얇은 조각을 이용해 바흐의'에어'를 연주해 이를 증명했다.

연구진은 직접 소리 억제를 위해 실크 직물 스피커를 이용해 음파를 발사해 필요 없는 음파를 파괴적으로 방해했다.그들은 압전섬유의 진동을 통제하여 직물이 내는 음파가 직물에 부딪치는 불필요한 음파와 상반되여 소음을 상쇄한다.그러나이 기술은 작은 범위에서만 유효합니다.이에 따라 연구진은 이 아이디어를 바탕으로 직물 진동을 이용해 침실과 같은 더 넓은 범위의 소리를 억제하는 기술을 개발했다.

네 옆집 이웃이 한밤중에 탁자 위에서 축구를 한다고 가정해 봐.당신은 침실에서 소음을 들을 것이다. 왜냐하면 그들의 아파트에서의 소리는 당신들이 공용하는 벽의 진동을 일으켜 당신 쪽에 음파를 형성하기 때문이다.이런 소리를 억제하기 위해 연구원들은 비단직물을 공용벽의 당신쪽에 놓고 섬유의 진동을 통제하여 직물이 정지되도록 할수 있다.이런 진동을 매개로 하는 억제 작용은 직물을 통해 소리가 전파되는 것을 방지할 수 있다.

얀은"우리가 이런 진동을 통제하고 이를 막을 수 있다면 소음이 발생하는 것을 막을 수 있을 것"이라고 말했다.

놀랍게도 연구진은 직물을 정지시키면 직물에 의해 소리가 반사되어 얇은 비단이 거울에 빛을 반사하는 것처럼 소리를 반사한다는 것을 발견했다.그들의 실험은 또한 직물의 기계적 특성과 모공 크기가 발성 효율에 영향을 미친다는 것을 발견했다.실크와 아사는 기계적인 특성이 비슷하지만 실크의 구멍이 더 작아 더 좋은 직물 스피커다.그러나 유효한 구멍 크기는 음파의 주파수에 따라 달라집니다.양은 주파수가 충분히 낮으면 공극이 상대적으로 큰 직물이라도 효과적으로 작용할 수 있다고 말했다.

실크 직물의 직접적인 억제 패턴을 테스트했을 때, 연구원들은 그것이 소리의 볼륨을 현저하게 낮출 수 있다는 것을 발견했다. 최고 65데시벨 (인간과 열정적으로 이야기하는 소리는 거의 차이가 없다).진동을 매개로 하는 억제 모드에서 직물은 소리 전파를 75% 낮출 수 있다.

핀커는 이러한 성과의 성과는 한 무리의 강력한 협력자 덕분이라고 말했다.로드아일랜드 디자인 대학의 대학원생들은 연구원들이 직물의 구조 세부 사항을 이해하는 것을 도왔다;위스콘신 대학 매디슨 캠퍼스의 과학자들이 시뮬레이션했습니다.케이스시저대학의 연구원들은 재료에 대해 표징을 진행하였다.MIT 스미스 팀의 화학 엔지니어는 가스막 분리에 대한 전문 지식을 이용하여 직물을 통과하는 기류를 측정했습니다.

미래를 내다보면 연구원들은 그들의 직물을 어떻게 리용하여 여러가지 주파수의 소리를 차단할것인가를 모색하기를 희망한다.복잡한 신호 처리 및 추가 전자 장치가 필요할 수 있습니다.또 직물의 구조를 더 연구해 압전섬유의 수, 봉합 방향을 바꾸거나 가하는 전압 등이 어떻게 성능을 높일 수 있는지 알아보고 싶어 한다.

"우리는 많은 다이얼을 돌려 이런 소음직물을 진정으로 효과적으로 할수 있다.우리는 사람들이 어떻게 구조진동을 통제하여 소리를 억제할것인가를 사고하게 하기를 바란다.이것은 단지 시작에 불과하다."라고 양이 말했다.