(MIT researchers have developed an ultrathin loudspeaker that can turn any rigid surface into a high-quality, active audio source. The straightforward fabrication process they introduced can enable the thin-film devices to be produced at scale. Credit: Felice Frankel)
MIT의 연구팀이 종이처럼 얇으면서도 에너지 효율이 우수한 스피커 기술을 개발했습니다. 현대적인 대부분의 스피커는 얇은 막을 진동시켜 음파를 만들어냅니다. 코일을 따라 전기가 흐르면 자기장이 형성되면서 막을 앞뒤로 진동시키는 원리입니다.
더 얇은 스피커를 만들기 위해 압전소자(piezoelectric element)의 얇은 막을 이용하는 경우도 있으나 이 경우 막 보호를 위한 별도의 케이스가 필요하고 소리도 작아서 실용적이지는 않았습니다. 반대로 다른 사물 표면에 진동막을 입히는 방식은 결국 진동을 줄여 소리를 작게 만드는 단점이 있습니다.
연구팀의 접근법은 매우 얇은 압전소재에 작은 돔 (dome)을 여러 개 만드는 것입니다. 제조 방법은 생각보다 간단합니다. 흔한 플라스틱 소재인 PET (polyethylene terephthalate) 필름 표면에 8 마이크로미터에 불과한 박막 압전소재를 코팅해 PVDF라는 필름을 만듭니다. 이 필름 표면에 작은 구멍을 낸 후 섭씨 80도에서 가열하면서 한쪽을 진공으로 빨아들이면 15 마이크로미터 크기의 균일하고 볼록한 돔이 형성됩니다. 이후 PET 필름으로 보호막을 만들면 아주 얇고 가벼운 필름 형태의 스피커를 만들 수 있는 것입니다.
(Credit: Massachusetts Institute of Technology)
이 박막 스피커는 매우 가벼울 뿐 아니라 얇고 종이처럼 구부려도 소리가 난다는 특징이 있습니다. 따라서 경량 포터블 스피커나 항공기나 자동차 내부처럼 공간 제약이 많거나 경량화가 중요한 장소에 사용할 수 있습니다. 또 스피커 특징을 생각하면 매우 독특한 디자인의 스피커도 나올 수 있다고 생각됩니다.
하지만 이런 특징도 소리가 너무 작거나 음질이 별로라면 크게 의미가 없을 수 있습니다. 그러나 연구팀은 음질과 음량 모두 자신하고 있습니다. 30cm 정도 크기의 필름 스피커 프로토타입은 충분히 들을 수 있는 소리를 낼 수 있을 뿐 아니라 음질도 우수하다고 합니다. 25V 전압에서 1KHz 주파수는 66데시벨, 10KHz는 86데시벨의 큰 소리를 만들 수 있으며 제곱 미터당 에너지도 100mW에 불과해 비슷한 소리를 내는 일반적인 스피커의 10%에 지나지 않습니다.
만약 실제로 상용화된다면 스피커 디자인을 상당 부분 바꿀 수 있을 정도로 획기적인 기술인데, 어떤 결과가 나올지 궁금합니다.
참고
https://techxplore.com/news/2022-04-paper-thin-loudspeaker.html
https://newatlas.com/electronics/ultra-thin-speakers-mit/
Jinchi Han et al, An Ultra-Thin Flexible Loudspeaker Based on a Piezoelectric Micro-Dome Array, IEEE Transactions on Industrial Electronics (2022). DOI: 10.1109/TIE.2022.3150082
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