재료 과학
실크에서 탄생한 침묵: 소음 문제와 싸우는 새로운 지평이 열리다
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침묵은 소중합니다. 미국 스트레스 연구소에 따르면, 미국인 77%가 일상 생활에서 신체적 스트레스 징후를 보이며, 매일 짧은 침묵 시간을 갖는 것이 이들을 이완시키고 스트레스 수준을 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다.
침묵은 혈압을 낮추고, 집중력과 주의력을 향상시키며, 불면증을 개선하고, 마음챙김을 장려하는 등 다양한 이점을 제공합니다.
하지만 오늘날 우리가 살아가는 도시 생활에서 침묵을 얻는 것이 쉬울까요? 예를 들어 인도의 상업 수도 뭄바이를 살펴보면, 소음 수준이 124데시벨에 육박하는 것을 목격했습니다. 이러한 높은 소음 수준은 전기톱(120 dB)과 군용 제트기 이륙 사이 어딘가에 해당합니다.
뉴욕시에서는 뉴욕시 건축부가 연간 3,700건의 소음 민원을 접수했으며, 여기에는 건설 소음, 교통 혼잡(75 dB~80 dB), 끽끽거리는 지하철(80 dB~100 dB), 그리고 잭해머(110 dB) 소리가 포함됩니다.
문제는, 이렇게 시끄러운 일상 속에서 어떻게 조용한 공간을 찾을 수 있느냐는 것입니다.
연구자들은 오랫동안 해결책을 고민해 왔습니다. MIT와 다른 기관의 연구자들이 협업하여 해결책을 개발했는데, 바로 소음을 억제하는 실크 직물입니다.
소음 억제 실크 직물로 조용한 공간 만들기
실크에 사용된 직물은 인간 머리카락보다 두께가 거의 없습니다. 전압을 가하면 이 섬유가 진동하게 되며, 이러한 진동이 소리를 억제하는 데 도움을 줍니다.
기본적이고 예측 가능한 수준에서, 진동하는 직물이 생성하는 음파는 원치 않는 소음과 간섭하여 이를 상쇄합니다. 이 기술은 작은 공간에 적용될 때만 효과적입니다. 소음 차단 헤드폰이 귀라는 제한된 공간에서만 작동하는 것처럼, 이 원리를 활용합니다.
하지만 이 직물은 기존 소음 차단을 한 단계 넘어, 소리 전파에 근본적인 진동을 억제함으로써 거실과 같은 넓은 공간에서도 소음을 감소시킬 수 있습니다.
연구진은 두 가지 소음 억제 방법의 효과를 테스트했습니다. 직접 억제 모드에서는 실크 직물이 소리를 최대 65데시벨까지 감소시켰으며, 진동 억제가 핵심인 두 번째 모드에서는 소음 전파를 최대 75%까지 감소시켰습니다.
또 다른 중요한 점은 이 발명이 실크, 캔버스, 무슬린과 같이 쉽게 구할 수 있는 재료를 사용했다는 것입니다. 이는 개방형 작업 공간에서 파티션을 만들거나 얇은 직물 벽을 설치해 소음이 통과하지 못하도록 하는 등 실생활 적용 가능성이 높습니다.
이 소음 억제 실크의 성공에 대해 이야기하면서, 재료 과학 및 공학과 전기·컴퓨터 공학 부문의 교수인 요엘 핑크는 다음과 같이 말했습니다:
“소음은 조용함보다 만들기 훨씬 쉽습니다. 소음을 차단하려면 두꺼운 벽에 많은 공간을 할애합니다. [첫 번째 저자] 그레이스의 연구는 얇은 직물 한 장으로 조용한 공간을 만드는 새로운 메커니즘을 제공합니다.”
하지만 이번이 연구팀이 소음을 억제하기 위해 새로운 접근 방식을 시도한 첫 사례는 아닙니다. 이들은 피에조전기 섬유 한 가닥을 직물에 꿰어 직물 마이크를 만들려 시도했습니다. 피에조전기 물질은 압축이나 굽힘에 따라 전기 신호를 생성했으며, 소리 진동을 신호로 변환하기도 했습니다. 이 방법은 잠재력이 있었지만 제한된 공간을 넘어서는 데는 한계가 있었습니다.
현재 진행 중인 소음 억제 실크 섬유 연구를 통해, 연구진은 앞으로 다양한 주파수의 소리를 차단할 수 있는 방안을 모색하고자 합니다.
그레이스 양에 따르면:
“이 소음 억제 직물을 효과적으로 만들기 위해 조정할 수 있는 요소가 많이 있습니다. 우리는 구조적 진동을 제어해 소음을 억제하는 것에 대해 사람들의 생각을 촉구하고 싶습니다. 이것은 시작에 불과합니다.”
원치 않는 소음을 없애려는 욕구는 우리 시대의 증상입니다. 연구자들은 이 분야에서 해결책을 개발하기 위해 영감을 받았습니다. 몇 년 전, 연구진은 음향 메타물질을 활용해 소리를 차단하려는 시도를 했습니다.
음향 메타물질을 통한 침묵 달성
핵심 과학적 용어로, 메타물질은 “인위적으로 구조화된 물질로, 전자기파 혹은 기타 물리적 파동의 흐름을 제어하고 형태를 바꿀 수 있습니다.”
보스턴 대학교 기계공학 교수인 신 장은 공기 흐름을 유지하면서 소음을 차단하는 음향 메타물질 기반의 침묵 억제 솔루션을 개발했습니다.
장 교수는 박사과정 학생 레자 가파리바다와 팀을 꾸려 메타물질, 수학적 계산, 개방형 링 구조 설계를 활용해 효율적인 환기를 유지하면서 원치 않는 음향 파동을 최대 94%까지 감소시킬 수 있는 개방형 소음 차단기를 만들었습니다.
이 듀오가 설계한 소음 차단 장치는 “초개방형 음향 메타물질 소음 차단기”라고 부를 수 있으며, 중앙에 60% 공기 흐름을 허용하는 큰 구멍이 있습니다. 중앙 포트는 여섯 개의 나선형 채널로 둘러싸여 있어, 송신 측에서 위상 차이가 있는 파동을 생성합니다. 중앙과 나선형 채널을 통과하는 음파가 서로 상쇄되어 전송이 실질적으로 차단되고 침묵이 만들어집니다.
실제 적용을 위해 연구진은 PVC 파이프 한쪽 끝에 스피커를 고정하고, 반대쪽 끝에 음향 메타물질 소음 차단기를 부착했습니다. 파이프 폐쇄쪽에서 큰 볼륨으로 재생된 소리는 소음 차단기가 없을 경우 열린 쪽에서도 들렸지만, 차단기를 설치하면 소리가 전혀 들리지 않았습니다.
다양한 산업 분야의 대기업들로부터 관심을 받고 있는 이 솔루션에 대해 장 교수는 다음과 같이 말했습니다:
“초개방형 메타물질 소음 차단기는 다양한 소음원을 완화할 잠재력을 가지고 있습니다. 우리는 이 설계가 사람들, 환경, 그리고 작업 환경에 도움이 될 새로운 기회를 탐색하게 되어 기쁩니다.”
이제 이러한 솔루션은 설계가 간단해 보이더라도 목적을 효과적으로 수행한다는 것이 명확해졌습니다. 분명히 소리와 음향 분야의 기업들은 이러한 해결책을 심도 있게 검토할 것입니다. 아래에서는 소음 억제에 새로운 방식을 찾기 위해 연구와 자원을 투자한 몇몇 기업을 소개합니다.
#1. Silentium
Silentium은 독자적인 액티브 노이즈 컨트롤(ANC) 기술로 알려져 있습니다. 이 기술은 독점 알고리즘을 활용해 전체 스펙트럼에 걸친 소음 관리 솔루션을 제공하며, 소음 스펙트럼 변화에 적응해 거의 10 dB(A) 수준의 소음 감소를 달성합니다.
소음 억제 실크와 마찬가지로 Silentium의 솔루션도 자동차 내부와 같이 비교적 넓은 공간에서 작동합니다. ‘Quiet Bubble’ 기술은 원하는 조용한 구역에서 원치 않는 소음 필드를 물리적 특성으로 합성해 소음을 감소시킵니다. 이 방법은 다채널 알고리즘을 기반으로 하며, 다수의 스피커 배열이 만든 소음 필드를 제어할 수 있습니다.
Silentium Quiet Bubble 솔루션은 소음이 많은 가전제품, 자동차에서 풍압·타이어·엔진·HVAC 소음 감소, 산업 현장에서 조용한 작업 환경 조성, 그리고 기차·공항·역 등 교통 수단에서도 활용될 수 있습니다.
Silentium이 제공하는 Quiet Bubble 엔드‑투‑엔드 솔루션은 소프트웨어와 하드웨어 요소를 모두 포함한 완전 턴키 제품입니다.
최근 소식에 따르면 Silentium은 확장된 Series D 라운드를 마감했으며, 총 6,300만 달러를 유치했습니다. 이 라운드는 이스라엘 기관 투자자인 Menora Mivtachim과 Meitav Dash가 주도했습니다.
또한 글로벌 전자 부품 리더인 Molex가 투자사 중 하나로 참여하고 있습니다. Silentium의 미래 비전을 제시하며, CEO 요엘 나오르는 다음과 같이 말했습니다:
“우리는 음향에 대한 열정을 공유하고 개인 음향 공간을 통해 프라이버시와 웰빙을 향상시키는 가치를 인식하는 새로운 파트너를 환영합니다. 이번 투자를 통해 차량 제조업체와 자동차 부품 공급업체를 위한 액티브 어쿠스틱스 소프트웨어 솔루션 개발 및 출시를 확대할 것이며, 특히 전기·자율 주행 시대에 NVH 요구사항이 진화함에 따라 그 효과가 커질 것입니다.”
#2. Zero Sound
이 회사는 소음이 많은 택시 내부부터 대형 야외 경기장까지 다양한 활용 사례에 고품질 액티브 노이즈 캔슬레이션을 제공한다고 약속합니다. 핵심 솔루션이 패널 형태이기 때문에 확장이 용이하며, 패널 수를 증가시켜 적용 분야에 맞게 소음을 차단할 수 있습니다. Zero Sound은 솔루션이 최대 92%까지 소음을 적극적으로 감소시킬 수 있다고 주장합니다.
10개 이상의 ZS 액티브 디지털 소음 억제 패널을 함께 배치하면 산업 단지, 건설 현장, 경기장, 철도·도로 교차점 등에서 소음 차단 요구를 충족할 수 있습니다.
1~9개의 패널만으로도 발전기, 산업 장비, 시추 및 건설 현장의 소음 억제 네트워크를 구축할 수 있습니다.
5개 이상의 패널이면 사무실 내부, 병원, 서버룸, 호텔 등 밀폐된 공간에 충분합니다. 그리고 1~4개의 패널이면 응급 차량, 중장비, 농업 장비의 캐빈에 충분합니다.
사용 가능한 데이터에 따르면 Zero Sound은 2018년 5월에 CA$880,000을 모금했습니다.
소음 대응: 교차 한계의 만연한 위험
유럽 연합은 소음 공해를 인간 건강과 환경 모두에 큰 문제로 명확히 인식하고 있습니다. 장기적인 소음 노출은 불쾌감, 수면 방해, 심장 및 대사 시스템에 부정적인 영향을 미치며, 환경 소음은 인지 발달에 영향을 받은 아동을 초래할 수 있습니다.
EEA 추정에 따르면, 환경 소음은 매년 48,000건의 허혈성 심장 질환 신규 사례와 12,000건의 조기 사망을 유발하는 주요 원인입니다. 또한 2,200만 명에게 만성적인 고수준 불쾌감을, 650만 명에게 만성적인 고수준 수면 방해를 초래합니다. 항공 소음만으로도 12,000명 이상의 학생이 읽기 능력 저하를 겪고 있습니다.
따라서 소음 위험을 해결하는 일은 전방위적인 대응이 필요합니다. 특히 많은 인구가 좁은 공간에 집중되는 산업 현장은 가장 취약한 영역 중 하나입니다.
통계에 따르면 미국 내 2,200만 명의 근로자가 작업 중 위험 수준의 소음에 노출될 가능성이 있습니다. 이를 통제하기 위해 다양한 새로운 전략이 도입되었습니다.
제한층 감쇠(Constrained layer damping)는 두 금속 판 사이에 감쇠 재료를 배치하는 방식으로, 기계가 발생시키는 진동을 감소시키는 데 유용한 방법으로 입증되었습니다.
가정용으로는 싱가포르 연구팀이 혁신적인 소음 차단 창문 아이디어를 제시했습니다. 이 시스템을 창문 그릴에 설치하면 외부 소리를 50%까지 감소시킬 수 있습니다.
센서는 이 방법의 성공에 핵심적인 역할을 합니다. 센서는 들어오는 소음을 감지하고, 반대 위상의 파형을 가진 소리를 재생해 상쇄시켜 소음이 더 이상 전파되지 않도록 합니다.
최근 몇 년간 등장한 가장 정교하고 흥미로운 솔루션 중 하나는 나노기술 방음 폼입니다. 이 폼은 나노기술을 이용해 음파를 열로 전환합니다. 기존에 시중에 판매되는 방음 폼을 기반으로 하여 손쉽게 접근하고 규모 확대가 가능하며, 나노 파우더를 주입해 미세한 채널을 형성합니다. 이러한 채널이나 튜브는 음향 진동을 열로 변환해 소리를 소멸시킵니다.
소음이라는 위협에 맞서기 위해서는 더 많은 혁신적인 솔루션과 대형 제조업체·산업 플레이어가 소음 억제 솔루션에 신중히 투자하려는 의지가 필요합니다. 소음은 눈에 보이지 않아 위협이 레이더에 잡히지 않기 쉽습니다. 우리의 몸과 내면에 끼친 피해를 깨달을 때 비로소 그 위험성이 드러납니다. 확실히 더 많은 인식이 필요합니다!
