매우 얇은 두께에 모양도 자유자재로 바꿀 수 있는 스피커가 개발됐습니다. 휴대용 오디오 시스템, 유연한 디스플레이 등에 사용 가능해 웨어러블 전자기기의 발전에 크게 기여가 될 것으로 예측됩니다.
상호작용 웨어러블 전자 장치(interactive wearable electronics)는 우리가 생활하고, 일하고, 소통하는 방식을 향상 시킬 수 있는 매우 중요한 도구입니다. 그 중, 소리 인식 및 생성은 중요한 핵심 기술 중 하나로 각광받고 있는데요. 이를 통해 사용자가 더욱 연결되고 건강하며 효율적인 삶을 영위할 수 있도록 지원하여 일상생활에 점점 더 필수적인 요소가 되고 있습니다.
이처럼 다양한 전자 장치의 표면에 손쉽게 부착 및 안정적으로 구현하는 것이 요구됩니다. 하지만 기존의 원뿔 모양의 진동판과 음성 코일을 기반으로 하는 스피커는 딱딱하고 큰 부피로 인해 웨어러블 전자 장치로의 적용이 매우 제한적인데요. 반면, 열음향 스피커는 기계적 진동이 없고, 진동판이 없는 특성, 가볍고 단순한 디자인 및 다양한 변형 안정성으로 인해 매우 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
따라서, 나노미터 단위의 초박막 열음향 스피커는 다양한 표면에도 매우 우수한 순응성, 조정 가능한 지향성 소리를 생성할 수 있다는 점에서 큰 장점을 가지고 있습니다. 현재 열음향 스피커의 경우 전도체의 단위 면적 당 열용량 및 기판 소재의 열효율과 같은 측면에서 깊이 있는 연구가 진행되지 않았고, 초박막으로 열음향 스피커를 제작할 때 가질 수 있는 다양한 특성 평가에 대한 연구가 부족했었습니다.
UNIST 에너지화학공학과 고현협 교수팀은 한국화학연구원 안기석 박사팀과 함께 ‘스피커 자체의 형태를 변화시켜 소리의 방향을 조절할 수 있는 맥신 초박막 스피커’를 개발했습니다. 초박막 스피커는 마이크로미터(0.001mm) 이하의 얇은 막 형태의 스피커인데요. 각종 표면에 쉽게 붙일 수 있고 모양도 자유자재로 바꿀 수 있습니다. 스피커 지지대의 모양에 따라 360° 혹은 선택적인 위치로 출력도 가능하죠.
고현협 교수는 “필름형 스피커는 다양한 표면에 쉽게 붙일 수 있고, 열음향 스피커는 진동판이 없는 유연하고 얇은 스피커인데 이 둘의 장점을 합친 스피커를 개발했다.”고 설명했습니다.
연구팀은 각종 센서나 반도체 등 활용도가 높은 평면구조 나노물질인 맥신(MXene)을 활용했습니다. 맥신 전도체의 면적당 열용량과 고분자 코팅 소재인 패럴린 기판의 열효율을 제어했습니다. 높은 음압 레벨(SPL) 출력(15kHz에서 74.5dB)이나 14일간의 소리 성능 테스트에서도 높은 안정성을 보였습니다.
연구팀이 제작한 스피커는 두께가 열이 침투되는 깊이보다 얇은 패럴린 기판을 사용함으로써 소리를 양방향으로 출력 가능하고, 굽히거나 비틀리는 등 모양을 변형시켜도 안정적인 소리를 만들어낼 수 있습니다. 또한, 20cm*20cm의 큰 면적으로 제작된 스피커는 포물선형이나 구형 형태로 제작 가능해 소리의 집중도를 높이거나 3차원의 전 방향 소리를 만들어낼 수 있었다고 전했습니다.
제 1저자 김진영 박사(현 조지아 공과대학, 박사 후 연구원)는 “2차원 전도성 소재인 맥신과 두께 조절이 용이한 패럴린은 열 흡수율이 낮고 주변으로의 열 방출성이 뛰어나 우수한 성능을 가진 열음향 스피커를 제작할 수 있다”며 “초박막 스피커 제작은 형태 변형에 따른 소리 조절뿐만 아니라, 나아가 다양한 웨어러블 소자 분야에 핵심 기술로 적용할 수 있다”고 설명했습니다.
공동 제1저자인 정건영 UNIST 에너지공학과 석⦁박사통합과정 연구원은 “맥신은 다양한 기판에 강한 접착이 가능하다”며 “개발된 스피커는 성능 안정성뿐 아니라 더 강한 뒤틀림과 접힘 상태에도 성능의 안정성을 가진다”고 설명했습니다.
고현협 에너지화학공학과 교수는 “새로운 형태의 열음향 스피커로 음원 시스템의 다양한 기능을 부여하고 이를 통해 맞춤형 소자 구조 설계가 가능하다”며 “다양한 모양 변형 및 지향성 조정 가능 스피커는 잠재적으로 휴대용/홈 오디오 시스템, 능동 소음 제어, 유연한 능동 디스플레이 및 몰입형 엔터테인먼트 시스템에 적용될 수 있다”고 설명했습니다.
개발된 새로운 형태의 열음향 스피커는 음원 시스템의 다양한 기능을 부여하고 이를 통해 맞춤형 소자 구조 설계가 가능하고, 잠재적으로 휴대용/홈 오디오 시스템, 능동 소음 제어, 유연한 능동 디스플레이 및 몰입형 엔터테인먼트 시스템에 적용될 수 있습니다. 더 나아가 현재 활발히 연구되고 있는 가상현실 (VR), 증강현실 (AR), 사물 인터넷 (IoT) 등의 분야에서 응용될 것이라고 하네요.
연구 결과는 Wiley에서 발행하는 재료 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 9월 22일자 온라인 게재됐고, 11월 16일 정식 출판됐습니다.
논문명: Shape‐Configurable MXene‐Based Thermoacoustic Loudspeakers with Tunable Sound Directivity
#용어설명
1. 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)
Advanced Materials는 세계에서 가장 권위 있는 저널 중 하나이자 Advanced 포트폴리오의 기초가 되는 곳으로 30년 이상 동급 최고의 재료 과학 분야에서 선택을 받아온 다학제 분야(Multidisciplinary)를 다루는 세계적인 권위지이다.
2. 열음향 스피커 (Thermoacoustic speaker)
열음향 스피커는 기존 스피커에서 흔히 볼 수 있는 진동판이나 움직이는 부품 없이 열 에너지를 사용하여 사운드를 생성하는 스피커 유형이다. 이는 소재의 온도 변화가 음파를 생성하는 열음향 효과의 원리에 따라 구동한다. 일반적으로 교류 전류를 적용하여 재료가 주기적으로 가열 및 냉각되면 기존 스피커와 유사한 방식으로 음파가 생성된다. 이러한 온도 변화에 따라 재료가 팽창 및 수축하여 주변 공기의 압력 변동이 발생하며 이를 소리로 인식된다.
3. 맥신 (MXene, Ti3C2Tx)
맥신은 2차원 평면구조를 가진 나노물질로 티타늄과 탄소 원자 등으로 이루어져 있는 신물질이다. 우수한 전기전도성과 높은 전자파 차폐성능으로 각종 센서 및 반도체 소재, 에너지 저장 소재 등으로 활용도가 높다.
4. 패럴린 (Parylene)
페럴린은 다양한 산업 분야에서 보호 및 절연 목적으로 사용되는 일종의 고분자 코팅 소재이다. 우수한 유전 특성, 수분 차단 기능 및 생체 적합성으로 잘 알려져 있다.
5. 인터랙티브 웨어러블 전자기기 (Interactive wearable electronics)
인터랙티브 웨어러블 전자기기는 신체에 편안하게 착용할 수 있는 장치로써 다양한 정보를 제공할 뿐만 아니라 사용자가 전자기기와 상호작용할 수 있도록 설계되어있다, 이를 통해, 피트니스 추적, 알림 수신, 전화 걸기 등의 작업을 수행할 수 있는 화면, 센서 및 연결과 같이 다양한 기능을 가진 전자기기이다.
