박진우 교수팀, 자가발전 기반 소형 다채널 청각 인식 장치 개발

다이아프램 막 내 경계 조건 부여 방식 이용

청각 장애 극복을 위한 다양한 주파수 스펙트럼 감지

[사진. (왼쪽부터) 박진우 교수, 이소연 연구원]

공과대학 신소재공학과 박진우 교수 연구팀은 인간의 청각 기능을 모사한 자가발전 기반 소형 다채널 음향센서 어레이를 개발했다. 이 연구는 소형화된 사이즈로도 다양한 주파수 스펙트럼을 선별적으로 감지할 수 있고, 자가발전 형태로 개발돼 차후 인공와우를 대체할 수 있는 저전력 공명형 음향 센서의 플랫폼을 제시했다는 데 의의가 있다.

소리 정보는 주파수와 진폭 데이터로 이뤄져 있고, 인간 청각 시스템은 음향 정보를 고막 진동과 달팽이관 내부 액체 움직임을 통해 인식한다. 특히 달팽이관을 폈을 때, 각 위치별로 다른 강성과 크기의 기저막이 고유 공명 주파수를 가지기 때문에 우리는 소리를 듣고 주파수를 분별할 수 있다. 그러나 청각 기능이 불완전한 경우 인공와우를 사용해야 하는데, 이는 기계적 소리를 전기 신호로 변환하고 주파수 별로 분리하는 시스템으로, 전력 소모가 크고 복잡하다는 단점이 있다.

[그림 1. 인간의 청각기관에서 소리의 정보를 인식하는 과정에 대한 모식도, 인공와우로 소리를 인식하는 과정 및 공명형 음향 감지 원리]

이러한 인공와우의 단점을 보완하기 위한 에너지 효율적인 청각 인식 장치 개발의 일환으로 자가발전으로 구동되는 다채널 공명 음향 센서가 개발되고 있다. 그러나 대부분의 연구에서는 서로 다른 공명 주파수를 가진 개별적인 센서 요소를 단지 한 기판에 배열해 다양한 주파수에 대응하도록 설계된다. 이에 따라, 전체 소자 크기가 증가하고, 궁극적으로 인간의 청각기관에서처럼 제한된 공간 내에서 소리 수집을 모방하지 못하는 한계가 있었다.

박진우 교수 연구팀은 기존 연구의 한계를 돌파하고, 한정된 공간 내에서 넓은 밴드의 주파수 선택성을 얻기 위해 다이아프램 막 내부에 경계 조건(inner boundary conditions, iBC)을 달리해 막의 강성을 조절하는 새로운 방식으로 공명주파수를 설계하고, 이를 실험적으로 구현하기 위해 막을 나노파이버 매트(nanofiber mat) 형태로 제작 및 설계가 가능한 고무 탄성체 마이크로 서포트(u-support) 위에 고정하는 방식을 채택해 새로운 방식의 다채널 공명 음향 센서를 선보였다.

[그림 2. 경계 조건 부여를 통한 공명 주파수 변화를 나타내는 모식도 및 센서의 실제 구성 재료 요소]

특히, 나노파이버 매트 고유의 기공이 많은 성질을 이용해, 탄성체 위에 액체 접착제를 얇게 도포하고, 나노파이버 매트를 그 위에 전사해, 아래의 액체 접착제가 나노파이버 매트 내 두께 방향으로 확산돼 막을 고정할 수 있었고, 이로써 수학적인 iBC를 실험적으로 구현했다.

기계공학과 박노철 교수 연구실에서 기계적 변위 확인을 위한 레이저 장비(Laser vibrometer, LDV) 측정 및 분석의 도움을 받아, 이를 전기적 실험 결과와 함께 분석해 다양한 경계 조건을 갖는 센서 소자의 공명주파수 변화를 확인했다. 궁극적으로 23×23㎟의 총 장치 영역 내에 4개의 주파수 분리가 가능한 채널을 갖는 소형화된 음향센서 어레이를 제작해, 인공 인간 귀 모델에서 400~3,000Hz의 공명 주파수 밴드를 구현했다. 개발된 센서를 이용해 사람의 목소리, 음악 등 아날로그 소리 신호에서 특정 주파수만 증폭돼 분리된 형태로 인식해 실용성을 입증했다.

본 연구에서 개발된 센서는 소리에 의한 막의 떨림으로 발생하는 마찰 전하를 이용해 자체적으로 동력을 생산하는 마찰 발전형 자가 동력 센서이므로 외부 전원이 필요하지 않다는 점에서 큰 의의가 있다. 

또한, 인간의 청각기관처럼 집중된 영역에서 음향 파동을 감지할 수 있는 본 소자의 개발로, 기존 자가발전형 음향 센서의 응용 분야를 확장시켜 개인별 맞춤 음향 장치(예: 이어폰, 헤드셋)를 통해서도 소리 정보를 인식할 수 있다.

마지막으로, 청각 장애인이 모든 주파수 영역이 아닌 특정 주파수에 대한 감도가 떨어지는 점을 고려한다면, 본 연구에서 개발한 맞춤형 내부 경계 조건 부여로 인해 특정 주파수에 특화된 맞춤형 보조기를 제공해 인공와우 이식술의 경제적 부담을 완화시킬 수 있다는 장점을 가진다.

[그림 3. 23×23㎟의 총 장치 영역 내에 4채널의 iBC를 갖는 소형화된 음향센서 어레이로 측정한 공명 주파수 변화 및 사람 목소리에서 특정 주파수 스펙트럼이 증폭, 분리된 현상을 나타내는 스펙트로그램 데이터]

본 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업(과제명: 마찰발전원리를 이용한 자가동력형 인공 기저막 개발 연구)의 지원을 받아 진행됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 재료 및 나노소재 분야 세계 상위 5% 이내 저널인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19.924)’에 8월 24일 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Frequency Selectivity via Inner Boundary Conditions for A Self-Powered Multiresonant Acoustic Sensing Array with Broad Bandwidth

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/adfm.202306026

용어설명
● 공명 주파수: 모든 물질에는 고유의 주파수가 있는데, 외부에서 가해지는 주파수가 이 물질의 고유 주파수와 같거나 비슷하면 서로 동조화돼 진동이나 신호가 더욱 강해지는 것을 공진 혹은 공명이라고 하며, 이때 인가된 주파수를 공명 주파수라고 한다. 공명 주파수에서는 특정 주파수의 신호가 증폭되기 때문에 별도 신호처리 없이도 선택적인 주파수 변별이 가능해, 인체의 청각 기구에서는 중요한 역할을 한다.

● 자가발전 센서: 자가발전이란, 수동소자와 다르게 외부의 감지 신호 자체가 전력을 일으키면서 전원 없이도 센싱이 가능한 센서를 말한다. 기존에 저항, 캐패시터 등을 사용하는 수동소자에서는 전원을 인가하고, 외부의 온도, 압력 등에 반응해 변화하는 저항, 캐패시터를 통해 지나오는 전류/전압 값을 기록해 외부의 변화를 인식하지만, 자가발전 센서에서는 외부의 변화 자체가 소자 내에서 변화량에 비례하는 전력을 생산해 외부의 변화를 감지하는 것으로, 예를 들어 기계적 변화를 감지하는 압전 및 마찰 발전 기반의 소자가 있다.

● 다이아프램 막: 소리의 기계적 정보(음향압)를 전기적 신호로 바꿔 주기 위해 마이크 내에 기계적 신호에 비례해 흔들릴 수 있는 막이 존재해 그 막과 아래 기판의 거리 차이로 전기적 신호를 읽어 마이크가 작동하게 된다. 이때의 음향압에 의해 변위를 생성할 수 있는 얇은 막을 다이아프램 막이라고 한다.

● 경계 조건: 시스템의 제한된 공간 영역 내부에 수식을 적용해 변위, 속도 등을 구할 때, 방정식을 풀기 위해 순응하는 영역의 경계 상태를 정의하기 위한 조건으로, 처음 시간에의 변위(x(t=0)), 어떤 위치에서의 변위(x(r=a)) 등의 조건이 부여될 수 있다.