음향자 결정구조란 특정 형상이 주기적으로 배치된 구조를 의미합니다. 음향자 결정구조는 구조물에 주기적으로 구멍을 뚫는 것 만으로도 구현이 가능한 간단한 형상이지만, 그 주기적 특성으로 인하여 독특한 진동/음향 특성을 보입니다. 아래 그림에서 음향자 결정구조가 보이는 일부 독특한 특성을 볼 수 있습니다. 첫번째 그림은 음향자 결정구조의 주기적 특성으로 인하여, 특정 주파수 대역의 진동/소음이 거의 완벽히 차단되는 밴드갭 현상을 볼 수 있습니다. 두번째 그림에서는 음향자 결정구조를 통과한 진동/소음 에너지가 두 갈래로 나뉘어지는 다중 굴절 현상을 볼 수 있습니다 (Lee, Oh et al., 2014, Ultrasonics). 이러한 현상들은 일반적인 시스템에서는 볼 수 없는, 음향자 결정구조의 주기성에서부터 기인한 독특한 현상들입니다.

Phononic crystals are crystal structures consisting of periodic arrays of inclusions or holes. In fact, it is a simple structure that can be fabricated by drilling holes periodically on a plate. However, due to the periodic nature of phononic crystals, interesting vibration/acoustic phenomena occur within the phononic crystals. In the first figure, you can see vibration/noise is almost perfectly shielded due to the periodicity of the phononic crystal (bandgap phenomenon). The second figure illustrates bi-refraction, a phenomenon in which the vibration/noise transmitted through the phononic crystal prism is divided into two directions (Lee, Oh et al., 2014, Ultrasonics). These phenomena are extremely rare and impossible in general materials.

Fig. 1. (Left) Band-gap phenomenon in the phononic crystal (simulation from Seoul National University, http://idealab.snu.ac.kr), (Right) Bi-refraction from the phononic crystal (Lee, Oh et al., 2014, Ultrasonics)

이러한 독특한 특성을 진동/음향 시스템에 적용한다면 기존에는 상상하지 못한 새로운 진동/음향 시스템의 구현이 가능해집니다. 아래의 첫번째 그림은 음향자 결정구조를 통하여 내부의 진동/음향 에너지를 원하는 방향으로 흘러가게끔 하는 연구 결과입니다 (Oh et al., 2011, Appl. Phys. Lett.). 이와 같은 방식을 통하여 진동/음향 에너지가 특정 영역으로만 집중되게 하여 민감한 시스템이 진동/음향에 의한 손상이 오는 것을 방지할 수 있습니다. 두번째 그림은 음향자 결정구조 기반의 프리즘을 통해 한쪽 방향으로만 진동/음향 에너지가 통과 가능한 탄성/음향 다이오드를 구현한 연구로, 이러한 다이오드는 기존의 기술로는 구현이 불가능한 시스템입니다(Oh et al., 2012, Appl. Phys. Lett.). 이와 같이 음향자 결정구조는 흥미로운 특성을 보일 뿐만 아니라, 새로운 진동/음향 시스템의 혁신을 이루어 낼 수 있습니다.

With the extraordinary characteristics of phononic crystal, we can design novel vibration/acoustic devices previously unimaginable. For instance, the first figure below shows the result of vibration/acoustic energy guiding inside the phononic crystal (Oh et al., 2011, Appl. Phys. Lett.). The vibration/acoustic energy flow is tailored as we desire inside the phononic crystal. By this way, one can concentrate the vibration/acoustic energy flow along the designated directions and thus avoid any potential damage of sensitive devices due to external vibration or noise. The second figure below shows an elastic/acoustic diode in which vibration/acoustic energy can propagate in a strictly uni-directional manner (Oh et al., 2012, Appl. Phys. Lett.). As can be seen here, phononic crystals not only harbor interesting properties but also provide a new avenue for innovation in vibration/acoustic systems.

Fig. 2. (Left) Wave guiding inside the phononic crystal (Oh et al., 2011, Appl. Phys. Lett.), (Right) Elastic wave diode (Oh et al., 2012, Appl. Phys. Lett.)