Phononic Crystals

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.

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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.

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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.)