작품번호

341

제31회 전국학생과학발명품경진대회

모든 현악기를 전자현악기로

출품분야 학생작품 출품부문 생활과학Ⅱ

2009. 06. 15

출품학생 채 영 현

지도교사 최 상 만

목 차

1. 발명 동기 및 목적 ···············································································1

가. 발명 동기 ·································································································1

나. 금속선이 아닌 현악기의 문제점 ······················································1

2. 발명품 제작을 위한 기존 제품 조사(특허 검색) ···············2

가. 국립중앙과학관 전국학생과학 발명품경진대회 검색결과 ····· 2

나. 특허청(KIPRIS) 검색 ···········································································2

다. 인터넷 검색 ·····························································································3

3. 제작 계획 및 추진 절차 ···································································4

가. 제작 계획 ·······························································································4

나. 발명품에 관계된 과학지식 조사 ······················································5

4. 발명품 제작 과정 ················································································8

가. 발명품에 적용되는 과학원리 ·····························································8

나. 발명 아이디어 구상 ··············································································8

다. 작품 제작 ·······························································································9

라. 소리분석 결과 ·······················································································12

마. 작품 제작 과정 및 활동사진 ·····························································13

1) 최초 발명 아이디어 착안 ·································································13

2) 발명 교육1 ·····························································································13

3) 작품 제작과정 ······················································································14

5) 작품 활동사진 ·························································································16

5. 제작 결과 및 활용 방안 ·······························································18

- 1 -

1. 발명 동기 및 목적

가. 발명 동기

학교 과학선생님이 클래식 기타나 해금과 같은 현악기는 줄이 금속이 아니라서 전자기

유도 현상이 일어날 수 없으므로 전자기타와 같이 전자적으로 소리증폭이 어렵다고 말씀

하셨다. 나의 경험을 돌이켜봐도 음악회에 가보면 연주가 앞에 마이크를 꽂은 스탠드를

가져와서 연주음악을 앰프로 확대하는 것을 본 기억이 났다. 며칠 후 비금속 줄에 금속코

팅을 하면 기존의 전자 기타처럼 만들 수 있어 대중 콘서트와 같은 큰 무대에서 모든 사

람이 들을 수도 있겠다는 생각을 하였다.

나. 금속선이 아닌 현악기의 문제점

해금과 같은 금속선이 아닌 현악기나 관악기 타악기들은 전자적으로 소리를 증폭할 수

없다. 아래 사진을 보더라도 대부분 독주나 합주를 할 때는 마이크를 가까이 대면서 소리

를 증폭을 하므로 몇 가지 문제점이 있다.

그림 1 해금 연주할 때 옆에 마이크 설치 그림 2 클래식 기타연주시 마이크 설치

첫째, 연주자가 한 장소에서 움직이지 않고 연주해야 하는 불편함이 있다. 움직이면 마이

크(마이크로폰)에서 멀어지면서 앰프로 소리를 증폭하기 힘들다.

둘째, 마이크를 대면서 연주하므로 정적인 음악회가 된다. 그룹사운드의 전자기타리스트

처럼 동적인 행동을 하기 어려워 관객과 호흡을 같이 하기 어렵다.

셋째, 마이크를 대면 연주소리 뿐만 아니라 기타 소리잡음이 들어가는 문제점이 있다.

넷째, 인터넷 등을 통하여 전자악기로 나온 것들은 모두 작은 핀마이크를 악기내부에 넣

어서 앰프로 소리를 증폭하는 방식으로 기존의 마이크를 들이댄 방식과 별반 차이가

없다.

- 2 -

2. 발명품 제작을 위한 기존 제품 조사(특허 검색)

가. 국립중앙과학관 전국학생과학 발명품경진대회 검색 결과

전국학생과학발명품경진대회 생활과학Ⅰ,Ⅱ 과학완구 등 여러 출품분야에“ 전자악기”

이라는 용어로 검색을 한 결과, 아래와 같이 출품된 것이 없다는 것을 확인할 수 있었

다.

나. 특허청(KIPRIS) 검색

특허청 홈페이지(http://kipo.go.kr/)의 특허정보 검색 서비스를 이용하여 현악기”전자악기”

의 용어로 유사한 특허가 있는지 내용을 검색하였으나 나의 아이디어와 같은 방식으로

된 전자악기는 없었다.

- 3 -

☞검색결과

작품 모습 출품자 내용 및 문제점

출원번호 :

제 2005-0065539

출원인 : 채의현

∙금속현악기만 소리 증폭

이 가능하다.

∙포크기타에 외부 픽업을

탈부착하여 전자기타화 하

는 특허품이다.

금속현 현악기용 픽업

출원번호 :

1019970059633

국제특허분류 :

G10D3/00

최종처분 : 소멸

출원인 : 김태훈

∙다수의 현을 지지하는

안쪽이나 현침에 삽입되는

소형 마이크와 이 마이크

에서 출력되는 신호를 가

야금 또는 거문고의 음향

을 전기적으로 증폭한다.특허실용 : 가야금 및

거문고의 음향증폭장치

출원번호 :

1019890005927

국제특허분류 :

G10H1/26

최종처분 : 소멸

출원인 : 가시오게산키

가부시키가이샤

∙현의 픽킹에 대한 반응

이 양호하며, 또 픽킹 후의

음고제어는 현의 진동에

충실하게 할 수가 있어서,

풍부한 연주 표현을 가능

하게 한다.

특허실용 :전자기타

다. 인터넷 검색

인터넷 검색을 해보니 최근 해금을 전자악기로 만들어 연주한다는 그룹의 악기들은 아

래 오른쪽 그림과 같이 핀마이크를 해금 밑에 장착하여 전자악기로 만들었다. 그러나 기

존의 방법과 마찬가지로 연주하는 악기 앞에 마이크를 가까이 댄 방식과 같다.

그림 3 인터넷에서 검색한 전자해금 그림 4 전자해금 내부에 장착 장치들

- 4 -

3. 제작 계획 및 추진 절차

가. 제작 계획

본 발명품을 제작하기 위해 제작 단계를 정하여 기간별 제작 계획을 세웠다.

학교 과학선생님의 발명 지도, 여러 전문가의 조언과 직접 제작을 통해서 계속적으로 작

품을 발전시켰다.

1) 제작 구상

선행 연구 고찰 및 작품 아이디어 탐구 ⇒ 제작 순서 정하기 ⇒ 작품 제작 ⇒ 작품 평가

2) 제작 일정표

단계 기 간

내 용

09.3월 4월 5월 6월 7월8

～16

17

～23

24

～31

1

～7

8

～16

17

～23

24

～28

1

～7

8

～16

17

～23

24

～28

1

～7

8

～16

17

～23

24

～28

1

～7

8

～12

계획

발명 아이디어실현 가능 조사선행연구 분석 및 문제점 도출실행 계획 수립

실천

제작 계획 수립1차 작품 제작

1차 작품 문제점 및 보완 계획2차 작품 제작

2차 작품 문제점 및 보완 계획3차 작품 제작4차 작품 제작

정리 작품 설명서 작성작품 발표 준비

- 5 -

나. 발명품에 관계된 과학지식 조사

질문1) 전자기 유도 현상이 무엇일까?

조사) 패러데이의 전자기 유도법칙(Faraday's law of electromagnetic induction)이라고

도 한다. 변하는 자기장과 이로 인해 생기는 전기장 사이의 양을 결정하는 관계 법칙으로

1831년 영국의 과학자 마이클 패러데이가 실험을 통해 전개했다. 패러데이는 전자기 유도

현상을 처음으로 깨닫고 연구했으며, 유도법칙을 이용해 이 현상을 정량적으로 표현했다.

전기 회로를 열거나 닫으면 회로에 연결된 전자석 주위의 자기장이 커지거나 사라지며,

이때 가까이 있는 도체에 전류가 흐른다. 영구 자석을 코일에 넣었다 뺐다 해도 코일 도

선에 전류가 유도되며, 영구 자석을 고정시키고 도체를 움직여도 도체에 전류가 흐른다.

패러데이는 자기장이 많은 유도선(誘導線)으로 이루어져 있고, 나침반의 바늘이 이 유도

선의 방향을 가리킬 것이라고 생각했다. 이러한 면적을 통과하는 유도선 다발을 자기력선

속이라 한다. 패러데이는 자기력선속이 변하기 때문에 전기 효과가 생긴다고 생각했다.

몇 년 후 영국의 물리학자 제임스 클럭 맥스웰은 자기력선속이 변하면 도체 안에서뿐만

아니라 전하가 없는 공간에서도 전기장이 생긴다고 발표했다. 도체 안에서는 유도된 전기

장이 전하를 움직여서 도체에 전류가 흐르게 된다. 맥스웰은 자기장의 변화와 유도 기전

력 사이의 관계를 수식으로 나타냈다.

질문2) 마이크의 동작 원리는 무엇일까?조사) 마이크가 소리를 수음하는 방법과 그것을 전기적 신호로 전환하는 마이크의 변환

장치는 소리에너지를 전기적인 에너지로 바꿔준다. 마이크의 작동원리는 마이크의 기본성

능을 결정한다. 변환장치의 가장 보편적인 형태로는 다이내믹과 콘덴서타입이 있다.

가) 다이내믹 마이크 원리

다이내믹 마이크는 진동판 음성코일, 자석으로 구성

되어 소리를 유도한다. 음파는 얇은 플라스틱 진동판

을 치게 되며 여기에 대한 반응으로 진동이 생긴다.

음성코일은 진동판 뒷면에 부착되어 있고 진동판과

함께 진동한다. 음성코일 그 자체는 영구자석에 의한

자기장에 둘러쌓여 있다. 음성코일에 의해서 다이내

믹 마이크에 수음 되는 소리에 반응하여 전기적 신

호가 생성된다.

다이내믹 마이크는 상대적으로 단순한 구조를 지니며 그래서 경제적이며 내구적이다. 다

이내믹 마이크는 뛰어난 사운드의 질과 특성을 제공한다. 특히 다이내믹 마이크는 극도로

- 6 -

높은 소리 레벨을 처리할 수 있으며. 또한 과부하가 거의 걸리지 않는다. 또한 다이내믹

마이크는 상대적으로 급격한 압력과 습기에 상대적으로 강하다. 다이내믹 마이크는 일반

적으로 사운드강화에 폭 넓게 사용되고 있다.

나) 콘덴서 마이크 원리

도전성을 가진 매우 얇은 막이 진동관과 고정 전극을 평행으로 배치하여 콘덴서를 만들

고, 음의 진동에 의한 용량의 변화로부터 전기적 출력을 얻는 것. 다른 마이크로폰에 비

해 주파수 특성이 좋으며 수십 Hz~10kHz까지 균일한 특성의 것을 만들 수 있다. 라디오,

텔레비전의 방송용이나 음향 표준용으로 쓰인다.

콘덴서 마이크는 전기적으로 충전된 진동판, 뒷판으로 구성되어 있고 이것이 소리를 감

지하는 커패시터를 만든다. 여기서 음파는 매우

얇은 금속은 금속으로 쌓인 플라스틱 진동판을

진동 시킨다. 진동판은 견고한 금속 혹은 금속 세

라믹 뒷판 앞에 장착 되어 있다. 전기적 용어로

이런 구성체 혹은 요소들을 커패시터 혹은 콘덴

서라고 부른다. 커패시터 혹은 콘덴서는 전류나

전압을 저장한다. 이런 요소들이 충전 될 때 전기

장은 이 요소들 사이의 공간에 비례하여 진동판

과 뒷판 사이에서 만들어진다.

뒷판과 연결된 진동판의 동작으로 인해 콘덴서마이크로 수음 된 소리에 반응하여 전기적

신호를 만들어 내는 것은 바로 이 공간의 변화이다.

질문3) 전자기타에 사용하는 픽업의 구조는 어떻게 될까?

조사) 자석 둘레에 코일을 감으면 됩니다. 이것이 픽업의 사운드를 어떻게 좌우하냐면,

코일의 감김 수가 늘어날수록 출력이 강해지고 중음대가 강해지고, 감김수가 약해질수록

고음, 저음대가 강해지면서 출력은 떨어지게 된다. 하지만 마냥 단순하게만 보이는 픽업

의 원리에도 불구하고 자석의 재질, 코일의 재질, 코일의 굵기, 보빈의 재질, 코일이 자석

둘레에 감기는 회수 등등 여러 가지 변수들이 상호 작용을 하면서 독특한 사운드를 창조

하게 됩니다.

질문4) 전자 기타가 소리를 증폭하는 원리는 무엇일까?

전자 기타는 통기타와 달리 사운드 홀(공명통)이 없기 때문에 줄의 진동을 픽업이 감지

해서 전기적인 신호로 만들어 픽업이 울림을 받아 엠프로 보내 소리를 내게 해준다. 쉽게

말해서 마이크와 구조는 다르지만 픽업을 마이크역할과 비슷한 것이라고 보면 된다.

질문5) 실험을 통해서 볼 때 모든 금속선이 소리 증폭이 되지 않는 이유

는?

조사) 인터넷을 통하여 전자기타에 쓰는 금속은 니켈이었다.

- 7 -

가) 강자성

하전(荷電)되지 않은 물질들이 서로 강하게 끌어당기는 현상으로 강자성 물질의 자성(磁

性)은 전자석과 같은 역할을 하는 성분원소의 원자배열에 따라 다르게 나타난다. 강자성

이라는 말은 어떤 종류의 원자들이 자기 모멘트를 갖는다는 개념에서 유래되었다. 즉 이

원자들은 원자핵에 대한 전자의 운동과 전자 자신을 축으로 하는 스핀 때문에 전자석(電

磁石)이 된다. 퀴리 온도 이하의 강자성 물질은 마치 조그만 자석처럼 원자들이 모두 한

방향을 향해서 자기장을 더욱 강화시킨다.

․강자성 금속 : 철·코발트·니켈, 이들의 합금이나 화합물

․퀴리 온도 : 자성체들의 자성이 급격히 변화하는 온도.

나)반자성

불균일한 자기장에 직각으로 정렬하거나 자기장 내에서 그 물질의 내부로부터 부분적으

로 자기장을 방출하려는 물질의 자기적 현상으로 약한 자기인력(상자성)이나 강한 자기인

력(강자성)에 의해 상쇄된다(→ 상자성, 강자성). 그러므로 반자성은 전자의 구조가 대칭

적(이온 결정이나 비활성 기체에서와 같이)이고 영구 자기 모멘트를 갖지 않는 물체에서

발견된다.

․반자성 금속 : 구리, 비스무트, 안티몬

․자화율 : 주어진 자기장에 대해서 어떤 물질이 자화하는 정도를 나타내는 값

다)상자성

강한 자석에 약하게 끌리는 물체가 갖고 있는 자기 특성으로 자기의 형태로 외부에서 인

가된 자기장이 있을 때 발생한다. 상자성 물질은 자기장에 끌리며 그리하여 상대적인 자

기 투자율이 1보다 크다. (또는 자화율이 양이다.)

인가된 자장에 의해 발생한 인력은 장의 세기가 약할 때는 선형이다. 그것은 전형적으로

효과를 검출하기 위해 민감한 분석적 균형을 요구한다. 강자성과는 다르게, 상자성은 외

부에서 인가된 자기장의 부재 시에 임의의 자계를 지니지 않는다. 왜냐하면 열적인 움직

임이 외부 자기장이 없을 때에는 스핀이 임의적으로 배향되게 유발하기 때문이다. 그리하

여 전체 자계는 인가된 자기장이 제거되면 0으로 하락한다. 자기장이 있을지라도 단지 작

은 자화만이 생기는데 그것은 단지 스핀의 작은 부분만이 자기장에 의해 배향될 것이기

때문이다.

․상자성 금속 : 알루미늄, 크롬, 백금

※쉽게 강자성 금속을 찾는 방법 - 자석에 가장 잘 끌리는 금속이다.

4. 발명품 제작 과정

- 8 -

가. 발명품에 적용되는 과학원리

발명품에 적용되는 과학원리 패러데이의 전자기 유도현상이다.

그림 5 픽업이 정착된 실제 전자기타 그림 6 전자기타 픽업

위 사진은 고등학교 교과서에 나오는 전자기타의 픽업 원리이다. 기타줄 밑에 자석과 코

일이 있어 기타줄이 움직이면 자석 주위의 자기장이 변하여 자석을 감싸고 있는 코일에

유도전류가 생기게 되고, 그 전류가 앰프(증폭기)로 흘러가 전자악기 소리가 발생된다.

나. 발명 아이디어 구상

이제까지의 비금속선 현악기는 줄 자체가 금속선이 아니므로 전자기유도 현상에 의한

유도전류로 소리를 증폭시키지 못했다. 그러나 비금속선을 금속선화(化)시키면 세상의

모든 금속선이 아닌 현악기도 전자악기를 만들 수 있을 거라 생각하여 아래 그림과 같

은 아이디어를 착안하였다. 즉 비금속선에 금속성분을 코팅하는 방식으로 입히면 되겠다

는 생각을 하여 큰 아빠께 여쭈어보니 그것이 가능할 것이라고 말씀하셨다.

금속 코팅혹은

금속 삽입

☞ 클래식 기타의 플라스틱 줄이나 가야금 같은 비금속 현에 금속코팅을 하거나 작은 금속성분

을 줄 속에 삽입하면 기존의 금속 기타줄 전자기타의 증폭방식과 같은 원리가 적용된다.

다. 작품 제작

- 9 -

교과서와

관련된

나의 궁금증

☞ 고등학교 물리1 교과서(교학사-162쪽)의 ‘전자기타는 울림통이

없이도 어떻게 큰 소리를 낼까?’를 학습 하면서 전자기 유도 현상으

로 전자기타가 만들어진다는 사실을 알게 되었다. 그러면 금속 현이

아닌 비(非)금속줄의 현악기도 이러한 방법으로 소리를 증폭시킬 수

있지 않을까? 하는 의문이 들었다.

나의

발명아이디

어 설계

설계 내용

및 결과

1. 비금속 줄에 금속 코팅을 하는 방법은 어떨까?

여러 선생님께 금속코팅을 할 수 있는 방법을 여쭈어보고 인터넷

으로 찾아보았으나 현재까지는 방법과 기술을 찾을 수 없었다.

2.금속선을 삽입하면? →학생과 학교에서는 기술적으로 할 수 없었다.

3.비금속선의 일부를 금속선 위에 부착 - 가능하다.

1차 작품

(실험1)

소리 증폭이

가능한 금속

찾기

실험과정

·에나멜선(코팅구리)-소리증폭 미흡

·알루미늄 테이프-소리증폭 미흡

·기타줄(니켈이 주성분)- 소리증폭 잘됨

※ 에나멜선과 알루미늄 테이프는 왜 안 될까?

※ 왜 금속 기타줄은 잘 될까?

- 10 -

조사 및

결론 도출

☞ 금속의 성질이 강자성, 반자성, 상자성으로 나뉘는데 강자성으

로 된 니켈만 소리 증폭이 잘 된다. 그러면 강자성체인 철이나 강

자성체가 포함된 합금도 가능할 것 같다.(금속선택은 실험3에서)

2차 작품

(실험2)

금속선의 두께와

원음 구현의

정도

실험 결론

[실험결과] 포크기타의 여섯 줄을 똑같은 길이로 잘라 소리를 증

폭시킨 결과, 소리증폭은 모두 되었으나, 원음에 가장 가까운 줄

은 가장 가는 줄이었다. ⇒ 두께가 가장 가는 선을 사용해야 함

3차 작품

(실험3)

금속선을

붙이는 방법

차이 비교 및

금속선 선택

실험결과 및

결론

·금속선을 붙이는 방법으로 아래와 같은 4가지를 사용하였다.

1. 비금속현에 금속선을 평행하게 일자선으로 부착,

2. 비금속현에 2.5mm 정도의 금속선을 여러 개 부착,

3. 비금속현에 금속선을 위 사진처럼 듬성하게 감음

4. 비금속현에 금속선을 위 사진처럼 조밀하게 감음

[실험결과]

1. 4가지 모두 소리 증폭에 차이가 없어 쉽게 만들 수 있는

number1으로 결정하였다.

2. 니켈선과 철선이 소리가 맑았고 니크롬선은 약간 음색이 떨어

졌다.

3. 철선은 녹이 슬기 쉬우므로 니켈선으로 선택함

※ 금속선의 길이가 원음에 미치는 영향은 없을까? (실험 4)

- 11 -

4차 작품

(실험4)

선의 길이에

따른 음색의

변화 정도 조사 비금속선에 2mm의

금속선을 붙이는 사진

실험결과 및

결론 도출

․비금속선에 붙이는 금속선의 길이를 20mm, 15mm, 10mm

5mm와 2.5 mm 를 해보았는데 모두 소리 증폭의 정도가 차

이가 없었다.

․길이가 짧을수록 줄의 진동에 영향을 주지 않아 음색의 변화가

적다..

[실험결과]

․아주 짧은 길이의 금속선(2.5mm)을 선택하여 발명품에 사용

함

⇒ 세계 여러 나라 비금속 현악기에도 실험 적용할 수 있다.

최종 작품으로

연주하는 모습

오실로스코프를

통하여 소리분

석 하는 모습

- 12 -

라. 소리분석 결과

플라스틱 기타줄에 붙인 금속 줄의 길이

파형 분석(오실로스코프 화면)

오실로스코프 눈금(2ms = 0.002s)

금속 줄을 붙이지 않음 2.1ms = 0.0021s

2.5 mm 2.2ms = 0.0022s

5.0 mm 2.3ms = 0.0023s

10 mm 2.35ms = 0.00235s

15 mm 2.37ms = 0.00237s

20 mm 2.40ms = 0.00240s

실험내용: 비금속선에 금속 조각을 붙였을 때 음색이 변하지 않을까?

실험결과: 금속선 조각을 다양한 길이로 붙였을 때 길이가 길어질수록 소리

의 주기가 약간씩 증가하였다. 그러므로 금속선 조각이 작을수록 금속선

조각을 붙이지 않을 때와 같은 주기를 가까워진다는 것을 알게 되었다.

- 13 -

마. 작품 제작 과정 및 활동사진

1) 최초 발명 아이디어 착안

아래와 같은 실제 전자기타와 시범장치로 만든 전자기타를 보고 왜 비금속선 현악기는

같은 방법으로 증폭할 수 없을까 생각

그림 7 실제 전자기타의 픽업그림 8 전자기타의 픽업과 나무막대로

전자기타를 만들었다.

2) 발명교육1

브레인스토밍 기법 - 순간적으로 떠오르는 아이디어를 놓치지 않도록 선생님으로부터

발명지도를 받았다.

- 14 -

3) 작품 제작과정

가) 포트폴리오 예1

- 15 -

나) 포트폴리오 예2

- 16 -

다) 포트폴리오 예3

2) 작품 활동 사진

☞ 나무막대에 낚시줄을 기타줄처럼 걸고서 알루미늄 호일을 그림처럼 붙임.

- 17 -

그림 9 앰프와 연결선 그림 10 자석과 코일 그림 11 현악기 부착 장치

☞ 기존의 전자기타의 픽업(기타줄의 진동을 전류로 전환함)을 만들기 위한 부품

그림 12 전자기타 픽업

을 제작하여 시험해 봄그림 13 일반기타에 전

자기타의 원리 적용

그림 14 전자기타 픽업을

직접 제작함

☞ 픽업을 만들고 기타에 정착하고 좀 더 세련되게 만듬.

- 18 -

그림 15 전자화된 발명품으로 연주 그림 16 가야금 전자악기 실험

5. 제작 결과 및 활용 방안

가. 세계의 모든 나라마다 그 나라의 고유의 현악기들이 많이 있다. 이러한

현악기들은 금속줄이 아닌 관계로 대중 앞에서 연주할 때 소리 증폭이 어려

웠는데 이 발명품은 이러한 모든 문제를 해결할 수 있다.

나. 전통 비금속줄 현악기도 본 발명품으로 전자악기가 됨으로 악기를 자유

롭게 움직이면서 연주할 수 있다.

다. 전통 비금속줄 현악기도 콘서트장에서 전자음으로 즐길 수 있다.

라. 마이크를 대면 연주소리 뿐만 아니라 기타 소리잡음이 들어가는 문제점이

있지만 본 발명품이 전자기유도 현상을 이용하므로 오직 줄의 진동 소리만 증

폭하게 된다.

마. 현재 학교와 학생의 연구하는 수준에서는 연구소 수준이 되지 못하여 비금

속줄 속에 작은 금속을 삽입하거나 금속코팅을 하지 못했지만 특허를 통해 전

문업체의 도움을 받으면 괄목하게 발전할 수 있을 것이다.