종이처럼…얇게 벽에 붙일 수 있는 스피커

MIT 나노스케일 엔지니어링 연구 시설인 MIT.나노 연구팀이 종이처럼 얇고 경량으로 에너지 효율이 높아 자동차나 방 벽에 붙일 수 있는 초박형 스피커를 개발했다.

헤드폰이나 오디오 시스템에서 사용되는 스피커는 소리 신호를 가진 전류를 코일에 흘려 자기장을 발생시키고 이 자기장이 스피커 진동판을 움직여 공기에 진동이 전해져 소리가 닿는 구조다. 한편 초박형 스피커 타입은 전압을 힘으로 변환해 공기를 진동시키는 압전소자를 이용해 이 구조를 간소화하고 있다. 하지만 대부분 초박형 스피커는 진동판이 자유롭게 움직일 수 없으면 소리가 나지 않기 때문에 자립하도록 설계되어 있어 벽 등 표면에 붙이면 소리가 나오지 않게 된다는 것.

따라서 연구팀은 초바경 스피커 설계를 재검토해 전체를 진동시키는 게 아니라 압전소자 얇은 층상 작은 돔을 복수 진동시키는 구조를 개발했다. 연구팀은 먼저 얇은 폴리에틸렌테레프탈레이트, PET에 레이저로 작은 구멍을 뚫고 PET 아래쪽 면에 압전소자인 폴리불화비닐리덴 PVDF를 적층하고 적층한 시트를 진공으로 덮어 아래쪽 면에 열원을 배치했다. PVDF 층은 얇기 때문에 전류가 열원을 데우면 진공과의 압력차에 의해 팽창해 PET 구멍에서 작은 얇은 돔으로 돌출한다.

PVDF 돔은 높이가 불과 15미크론 정도로 전기 시노에 따라 0.5미크론 정도 폭으로 상하 진동한다. 돔 하나로 전달되는 소리는 작지만 수천 개 돔을 배열해 인간 귀에 들리는 정도 소리를 생성할 수 있다. 또 돔은 공간을 확보하는 스페이서층으로 보호되고 있어 설치면에 관계없이 자유롭게 진동하기 때문에 벽에 붙은 상태에서도 소리를 울리는 게 가능하다.

이 스피커가 1m² 공간에 소리를 울릴 경우 필요한 전력은 불과 100밀리와트다. 홈 스피커 평균적으로 같은 소리를 울릴 때 필요한 전력은 1와트 이상이어서 에너지 효율이 높다는 걸 알 수 있다. 이런 점에서 방이나 자동차 벽에 붙여서 소리를 울리거나 극장이나 테마파크에서 입체 음향을 실현하고 배터리 수명이 한정된 스마트 기기에도 최적일 수 있다.

연구팀은 얇은 스피커 제조에 대해 간단한 절차라고 밝혀 앞으로 대량 생산도 가능하다는 견해를 보이고 있다. 또 진동을 생성하는 구조를 응용해 초음파를 이용한 인간 위치 검출 기술이나 액체 중 화학물질 처리 기술, 일정한 빛 패턴을 생성하는 디스플레이 기술 등에 전용하는 것도 가능하다고 한다. 연구팀은 확장 가능한 물리적 표면을 활성화해 공기의 기계적 움직임을 정밀하게 생성할 수 있게 됐다며 이 기술 사용법은 무한하다고 밝혔다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.