캘리포니아대학(University of California, Berkeley) 물리학자들은 그래핀을 사용하여 경량 초음파 확성기 및 마이크를 제작하였으며, 이로써 인간이 박쥐나 돌고래처럼 의사소통을 위해 음파를 사용하고 주변 물체와의 거리 및 속도를 측정하는 것을 가능하게 할 것으로 기대된다.
더욱 실용적으로는, 무선 초음파 기기는 물 속과 같이 라디오파의 수신이 불가능한 지역에서 전자기파를 사용함으로써 표준 라디오 전송을 보완해 줄 수 있다. 이것은 현재의 초음파 혹은 소나(sonar) 기기보다 더 신뢰성이 있다. 또한 강철과 같이 전자기파가 투과할 수 없는 물체를 통과해 통신을 하는데 활용할 수도 있다.
해양 포유류 및 박쥐는 반향 위치측정(echolocation) 및 의사소통을 위해 고주파의 음파를 사용하지만, 인간은 이에 대해 충분히 밝혀내지 못했다고 버클리대학 물리학자인 Alex Zettl은 소개하였다. 지금까지 좋은 광대역 초음파 전송기 혹은 수신기를 개발하지 못했다. 본 연구에서 개발한 새로운 기기는 기술적 기회를 제공해 주게 될 것이다.
스피커 및 마이크 모두 소리를 발생시키거나 감지하기 위해 종이 혹은 플라스틱으로 만들어진 격막(diaphragm)을 사용한다. 새로운 기기에서 이 격막은 그래핀 시트로, 강직도, 강도 및 경량성을 모두 갖춘 원자 하나 두께의 물질이며 음속보다 느린(20 hertz 이하) 주파수에서 초음파(20 kilohertz 이상)에 이르기까지의 주파수에 반응한다. 반면 박쥐는 초음파 영역인 9∼200kilohertz 영역만 들을 수 있다. 그래핀 확성기 및 마이크는 20hertz 이하에서 500kilohertz 이상의 범위에서 작동할 수 있다.
그래핀은 육각형의 닭장 철망과 같은 배열을 갖는 탄소 원자로 이루어져 있으며, 지난 20년 동안 독특한 전자 특성을 가진 질기고 가벼운 시트로 많은 관심을 받아왔다.
전가기기 및 소형 나노크기의 기기에서 그래핀의 활용은 무궁무진하지만, 아직 실용화는 어렵다고 로렌스버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory) 과학자이자 버클리대학 교수인 Zettl은 밝혔다. 마이크와 확성기는 상업화의 가능성이 가장 큰 기기로, 연구팀은 그래핀을 제조하고 탑재하는 방법을 연구하였고 규모확대도 손쉽기 때문이다. Zettl 및 동대학의 박사후 연구원인 Qin Zhou 등이 연구한, 그래핀 마이크 및 초음파 라디오에 대한 내용이 Proceedings of the National Academy of Sciences지에 온라인으로 게재되어 있다.
2년 전 Zhou는 격막에 그래핀 시트를 사용한 확성기를 제작하였으며, 이 이후로 유사한 그래핀 격막을 가진 마이크를 제조하기 위한 전자회로를 개발해 왔다.
그래핀의 한 가지 큰 장점은 매우 가볍다는 점으로, 현재의 압전 마이크 및 스피커와는 달리 전자 펄스에 즉각적인 반응이 가능하다. 이것은 많은 다른 주파수 채널로 동시에 다량의 정보를 전송하기 위한 초음파 전송기 혹은 수신기에 사용할 때 특히 유용하다. 또는 거리를 측정하기 위해서도 활용할 수 있다.
그래핀 멤브레인은 매우 가볍기 때문에, 매우 넓은 주파수 범위에서 반응하며 뚜렷한 펄스를 생성할 수 있고 기존의 방법보다도 훨씬 정확하게 거리를 측정할 수도 있다고 Zhou는 소개하였다.
또한 그래핀 멤브레인은 매우 효율적이어서 에너지의 99% 이상을 소리로 전환할 수 있으며, 이는 오늘날의 확성기 및 헤드폰이 오직 8% 만을 소리로 전환할 수 있다는 것과는 크게 대조된다. 가까운 미래에, 휴대폰과 같은 통신기기는 전자기파뿐만 아니라 높은 방향성을 갖고 원거리 전송이 가능한 음파 혹은 초음파를 사용하게 될 것이다.
Zhou가 그의 아내에게 초음파 마이크에 대해 말했을 때, 그녀는 인간이 들을 수 없는 주파수로 의사소통하는 박쥐의 소리를 수신해 보라고 제안하였다. 이에 마이크를 공원으로 가지고 가서, 기록 속도를 정상 속도의 1/10로 낮추어 고주파수를 인간이 들을 수 있는 주파수로 전환하자, 박쥐의 발성(vocalization)을 명확해 감지할 수 있음을 확인하였다.
박쥐 전문가이자 버클리대학 바이오공학 조교수인 Michael Yartsev는, 이번에 개발된 마이크가 고주파 신호를 연구하는데 매우 큰 가치를 갖게 될 것이라고 평가하였다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
