최근 스피커는 점점 얇아지고 있는 추세에 있다. 그 중 압전 스피커는 압전 소자의 기계적 움직임을 진동판에 의해 음향적으로 변환시켜, 원하는 주파수 대역의 음향을 발생시키는 음향 부품이다.
압전 필름 스피커
최근 교세라는 LG전자와 함께 곡면 OLED TV용으로 세계에서 가장 얇은 두께 1mm의 스피커를 개발했다(그림 1). 스피커는 교세라가 독자적으로 개발했으며, LG와 공동으로 OLED TV에 탑재하기 위한 커스터마이즈 작업을 했다.
▲ 그림 1. 교세라와 LG전자의 압전 필름 스피커
교세라는 이와 함께 경량, 초박형 스피커를 개발했다. ‘스마트 Sonic 사운드’ 라고 불리는 이 제품은 특수필름과 결합된 형태의 압전 액추에이터를 사용하고, 교세라의 독자적인 세라믹 소재기술과 적층기술과의 접목으로 탄생한 기술이다. 대형, 중형, 소형 등 3 종류의 제품을 개발했으며, TV 이외에 태블릿 단말이나 스마트폰 등의 용도로도 판매 중이다. 그림 2는 교세라에서 개발한 압전용 필름 스피커의 기본 구조를 나타낸 것이다.
▲ 그림 2. 압전용 필름 스피커 구조
압전 효과(Piezoelectric Effect)는 물체에 힘을 가하여 수축 및 팽창이 발생하는 순간에 전기 신호가 발생하는 것을 일컫는다. 이와는 반대로, 역압전 효과(Inverse Piezoelectric Effect)는 물체에 전압을 인가하면 수축 또는 팽창되는 성질을 말한다. 이러한 압전 효과 또는 역압전 효과의 대표적인 예로는 강유전체인 티탄산 지르코산연[Pb(Ti, Zr)O3] (PZT), 티탄산 바륨 (BaTiO3) 등이 있다. 압전 효과를 이용한 응용 분야에는 픽업, 마이크로폰, 인디케이터 등의 센서가 포함되며, 역압전 효과를 이용한 응용 분야는 수화기, 확성기, 초음파 발생기, 공진자, 스피커 등이 있다.
압전 세라믹은 전기적 에너지를 기계적 에너지로, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 차세대 스마트 물질이다. 이러한 압전 세라믹을 이용한 부품은 통신, 의료, 센서, 음향 부품 등 모든 산업 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 특히 서로 다른 종류의 에너지를 상호 변환할 때, 기존의 전자 장비에 비하여 변환 효율이 우수하고 정밀 제어가 가능하다는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 복잡한 회로가 불필요하고 구동 원리가 간단하여 부품의 소형화 또한 가능하다.
최근 스마트폰이나 태블릿 PC 같은 초소형, 다기능 전자 제품에 대한 관심이 커지면서 내장 부품의 소형화가 필요하게 됐고 그에 따라 기존의 복잡한 전자 부품을 압전 소재로 대체하려는 노력이 시도되고 있다.
특히 최근 압전 소자를 이용해 휴대 기기용 음향 부품을 개발하려는 노력이 활발히 진행되고 있다. 압전 스피커는 전압을 인가했을 때 압전체의 변형에 의해 진동판의 떨림을 이용한 부품으로, 기존의 음향 부품인 다이나믹 스피커를 압전 소자로 대체할 경우에도 소자의 부피(두께)를 혁신적으로 줄일 수 있다.
압전 스피커의 특성
압전 소자는 압전 세라믹에 가해지는 힘에 의해 전압이 발생되고, 그 힘의 세기에 따라 발생되는 전압의 양이 달라진다. 또한, 압전 스피커는 압전 소자와 그보다 크게 형성되어 상기 압전 소자의 일면에 접합돼 압전 소자에서 발생되는 진동을 증폭시키는 진동판을 포함한다.
이러한 압전 스피커의 음향 특성은 주파수별 음압으로 판단되고, 이는 진동판의 재질 및 물성에 따라 다양하게 변화할 수 있다. 특성이 좋은 압전 스피커는 높은 출력이 구현되고, 주파수별 음압이 높으며, 평탄한 형태로 넓은 음역을 가지는 것을 의미한다.
그림 3은 기존 스피커와 압전 스피커의 차이점을 나타낸다. 기존 스피커가 피스톤 운동을 응용한 것이라면 압전 스피커는 완전히 다른 개념을 사용한다. 피스톤 운동이 공명현상을 회피하는 개념이라면 압전 스피커는 공명현상을 적극적으로 이용하는 데서 출발한다.
▲ 그림 3. 기존 스피커와 압전 스피커의 차이
음압 레벨
물체가 진동하면 이 진동이 대기압을 변화시키고, 이 변화가 고막을 진동시켜 소리로 들리게 된다. 즉 소리는 대기압의 압력 변화이며, 이 변동 분을 음압(Sound Level)이라 하고 소리의 물리적인 크기를 나타낸다. 음압은 압력이므로 압력의 단위 Pa을 사용한다. 음의 진행 방향에 직각이고, 단위 면적(1m²)을 단위 시간(1초)에 통과하는 음의 에너지양을 파워로 나타낸 것을 음의 세기(Sound Intensity)라고 한다.
음의 세기는 음압의 제곱에 비례하고, 음압 레벨은 다음 식 1과 같이 구하며, 단위는 dB로 표현한다.
압전 스피커의 출력 음압 특성은 인가된 전기 신호를 소리로 바꾸는 스피커의 능률을 의미한다. 즉, 공기 중 소밀파의 음압 레벨(음의 크기)을 말하는 것이다. 출력 음압의 정도는 SPL(Sound Pressure Level)이라 하고 dB로 표시한다. 그림 4는 교세라에서 출시한 압전 필름 스피커의 음압 레벨 특성을 나타낸 것이다.
▲ 그림 4. 교세라 압전 필름 스피커 음압 레벨 특성
압전 스피커 음압 특성
압전 스피커의 음압 특성을 향상시키기 위해서는 압전 상수가 높아야 고변위 변형을 일으킬 수 있으며, 유사한 커패시턴스를 갖는 압전 소자 간에도 적층수가 높은 것이 음압 특성 향상에 기여하게 된다. 적층형 압전 스피커를 제작할 때, 기존 제품보다 소자 설계 시 적층수를 더 확보할 수 있기 때문에 음압 특성을 3∼5dB 정도 향상 시키는 결과를 확인 할 수 있다.
뿐만 아니라, 저온 소결이 가능하므로 고적층 제품을 양산할 때 원가 경쟁력도 확보할 수 있다.
주파수 응답 특성
스피커의 주파수 응답 특성은, 전압이 인가될 때 가청 주파수 대역(20Hz∼20KHz)에서의 출력 음압 또는 변위 특성을 말한다. 음향 진동판의 주파수에 따른 변위 특성은 압전 스피커의 출력 음압 특성에 비례하므로 본 표준에서의 주파수 응답 특성은 스피커의 출력 음압과 관련한 특성으로 정의한다.
압전 스피커의 가장 큰 문제는 저역 주파수 특성이 일반 스피커에 비해 현저히 떨어진다는 것이다. 향후 소형 및 슬림화로 제작되는 스피커도 저역 주파수 특성을 얼마나 향상시킬 수 있는지가 가장 큰 문제라고 할 수 있다. 스피커 지향성은 그림 5에서와 같이 상당히 개선되었다.
▲ 그림 5. 교세라 압전 스피커 지향성 평가
박종천 객원전문기자 (레이딕스텍 부사장)
