청각기관 고막의 진동 특성 연구

초록

인간의 청각 기관 (auditory systems)의 내구 구성 요소를 살펴보면 외이(outer ear), 외부로부터 전달된 음향 신호를 내이로 전달하는 중이 (middle ear), 그리고 전달된 청각 신호를 분석하여 뇌로 전달하는 내이 (inner ear) 세 부분으로 구성되어 있다. 특히 중이는 Fig. 1에 나타낸 구조와 같이 3개의 매우 작은 뼈인 이소골 (ossicles: malleus, incus, stapes)과 고막 (tympanic membrane, TM or eardrum)으로 구성되어 있으며 주 기능은 음향 에너지가 공기에서 달팽이관 (cochlea) 내부의 유체로 전달되는 과정에서 발생되는 전달 손실을 최소화하는 임피던스 매칭이다. 즉, 고막과 이소골이 달팽이관과 연결된 부분인 난원창 (oval window)의 면적비가 17배 (26 dB)에 달하는 압축 효과 (condensation effect)와 지렛대 작용 (lever action) 으로 인해 음향 에너지 손실을 감소 시켜 약 40 ~ 60 dB 의 증대 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 이러한 기능 이외에도 원추 모양의 고막 형상이 가지는 비선형 진동 특성을 연구하여 새로운 음향 기술 개발을 시도하였다. 이를 위해 먼저 Fig. 2에 나타낸 고막의 3D 모델과 탄성을 가진 유연바이오 소재 (PCL)를 이용한 3D 프린팅 기술로 실제 고막과 유사한 형상의 구조물을 제작한 후 강성 (stiffness or spring constant) 특성을 측정하였다.