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[벽에 바르는 스피커] 연구원들은 종이처럼 얇은 스피커를 개발한다. 벽, 자동차 또는 항공기 내부를 덮는 벽지와 같이 대량으로 제작될 수 있다. 이 박막 스피커는 기존 스피커에 필요한 에너지의 일부만 사용하면서 최소한의 왜곡으로 사운드를 생성한다.

https://www.freethink.com/technology/paper-thin-loudspeaker

JM Kim | 기사입력 2022/05/12 [00:00]

[벽에 바르는 스피커] 연구원들은 종이처럼 얇은 스피커를 개발한다. 벽, 자동차 또는 항공기 내부를 덮는 벽지와 같이 대량으로 제작될 수 있다. 이 박막 스피커는 기존 스피커에 필요한 에너지의 일부만 사용하면서 최소한의 왜곡으로 사운드를 생성한다.

https://www.freethink.com/technology/paper-thin-loudspeaker

JM Kim | 입력 : 2022/05/12 [00:00]

MIT 엔지니어들은 모든 표면을 활성 오디오 소스로 바꿀 수 있는 종이처럼 얇은 스피커를 개발했다.

 

이 박막 스피커는 기존 스피커에 필요한 에너지의 일부만 사용하면서 최소한의 왜곡으로 사운드를 생성한다. 팀이 시연한 손 크기의 스피커는 거의 10센트 정도의 무게로 필름이 접착된 표면에 관계없이 고품질 사운드를 생성할 수 있다.

 

이러한 특성을 달성하기 위해 연구원들은 믿을 수 없을 정도로 단순한 제조 기술을 개척했다. 이 기술은 3가지 기본 단계만 필요로 하고 자동차 내부를 덮거나 방의 벽지를 덮을 수 있을 만큼 충분히 큰 초박형 스피커를 생산하도록 확장할 수 있다.

 

이 방법을 사용하면 박막 스피커는 같은 진폭이지만 반대 위상의 소리를 생성함으로써 비행기 조종석과 같은 시끄러운 환경에서 능동 소음 제거를 제공할 수 있다. 두 소리가 서로 상쇄된다유연한 장치는 극장이나 테마파크 놀이기구에서 3차원 오디오를 제공함으로써 몰입형 엔터테인먼트에도 사용될 수 있다. 그리고 가볍고 작동하는 데 적은 양의 전력이 필요하기 때문에 이 장치는 배터리 수명이 제한된 스마트 장치의 응용 프로그램에 매우 적합하다.

 

“가느다란 종이처럼 보이는 것을 클립 2개를 부착하고 컴퓨터의 헤드폰 포트에 꽂고 여기에서 나오는 소리를 듣기 시작하는 것은 놀라운 일이다. 어디서나 사용할 수 있다. 이를 실행하려면 약간의 전력만 있으면 된다.”라고 Fariborz Maseeh 이머징 기술의 의장이자 유기 및 나노구조 전자 연구소(ONE Lab)의 리더이자 MIT.nano의 이사이자 이 논문의 수석 저자인 Vladimir Bulović가 말했다.

 

Bulović는 수석 저자인 Jinchi Han(ONE Lab 박사후 연구원), 공동 선임 저자인 Jeffrey Lang(Vitesse 전기 공학 교수)과 함께 논문을 작성했다. 이 연구는 오늘 IEEE Transactions of Industrial Electronics에 게재되었다.

 

새로운 접근

 

헤드폰이나 오디오 시스템에서 볼 수 있는 일반적인 스피커는 와이어 코일을 통과하는 전류 입력을 사용하여 자기장을 생성하고, 이 코일은 스피커 멤브레인을 움직이고, 그 위의 공기를 이동시켜 우리가 듣는 소리를 만든다. 대조적으로, 새로운 라우드스피커는 전압이 가해질 때 움직이는 압전 재료의 얇은 필름을 사용하여 스피커 디자인을 단순화하여 그 위로 공기를 이동시키고 소리를 생성한다.

 

대부분의 박막 스피커는 소리를 생성하기 위해 필름이 자유롭게 구부러져야 하기 때문에 독립형으로 설계되었다. 이러한 라우드스피커를 표면에 장착하면 진동을 방해하고 소리를 생성하는 능력을 방해한다.

 

이 문제를 극복하기 위해 MIT 팀은 박막 스피커의 설계를 재고했다. 전체 재료가 진동하는 대신, 그들의 디자인은 각각 개별적으로 진동하는 압전 재료의 얇은 층에 있는 작은 돔에 의존한다. 각각 머리카락 너비가 몇 개에 불과한 이 돔은 필름의 상단과 하단에 있는 스페이서 층으로 둘러싸여 있어 장착 표면으로부터 보호하면서 자유롭게 진동할 수 있다. 동일한 스페이서 레이어가 일상적인 취급 중에 돔을 마모 및 충격으로부터 보호하여 라우드스피커의 내구성을 향상시킨다.

 

스피커를 만들기 위해 연구원들은 레이저를 사용하여 가벼운 플라스틱 유형인 PET의 얇은 시트에 작은 구멍을 잘라냈다. 그들은 천공된 PET 층의 밑면을 PVDF라고 하는 압전 재료의 매우 얇은 필름(8마이크론만큼 얇음)으로 적층했다그런 다음 그들은 접착 시트 위에 진공을 적용하고 그 아래에 섭씨 80도의 열원을 적용했다.

 

PVDF 층이 너무 얇기 때문에 진공과 열원에 의해 생성된 압력 차이로 인해 부풀어 오른다. PVDF PET 층을 통과할 수 없으므로 PET에 의해 차단되지 않는 영역에는 작은 돔이 돌출된다. 이 돌출부는 PET 층의 구멍과 자체 정렬된다. 그런 다음 연구원들은 PVDF의 다른 면을 다른 PET 층으로 적층하여 돔과 결합 표면 사이의 스페이서 역할을 한다.

 

“이것은 매우 간단하고 직접적인 과정이다. 미래에 롤투롤 프로세스와 통합하면 이러한 라우드스피커를 고처리량 방식으로 생산할 수 있다. , 자동차 또는 항공기 내부를 덮는 벽지와 같이 대량으로 제작될 수 있다.”라고 Han은 말한다.

 

 

고품질, 저전력

 

돔은 높이가 15미크론으로 사람 머리카락 굵기의 약 6분의 1이며, 진동할 때 약 0.5미크론 정도만 위아래로 움직인다. 각 돔은 단일 사운드 생성 장치이므로 가청 사운드를 생성하려면 수천 개의 작은 돔이 함께 진동해야 한다.

 

팀의 간단한 제조 프로세스의 추가 이점은 조정 가능성이다. 연구원은 PET의 구멍 크기를 변경하여 돔의 크기를 제어할 수 있다. 반경이 더 큰 돔은 더 많은 공기를 이동시키고 더 많은 소리를 생성하지만 더 큰 돔도 더 낮은 공진 주파수를 갖는다. 공진 주파수는 장치가 가장 효율적으로 작동하는 주파수이며 공진 주파수가 낮을수록 오디오 왜곡이 발생한다.

 

연구원들은 제조 기술을 완성한 후 최적의 조합에 도달하기 위해 다양한 돔 크기와 압전층 두께를 테스트했다.

 

그들은 데시벨로 기록된 음압 레벨을 측정하기 위해 마이크에서 30cm 떨어진 벽에 박막 스피커를 장착하여 테스트했다. 25볼트의 전기가 1킬로헤르츠(초당 1,000사이클의 속도)로 장치를 통과했을 때 스피커는 66데시벨의 대화 수준에서 고품질 사운드를 생성했다. 10킬로헤르츠에서 음압 레벨은 86데시벨로 증가했으며 이는 도시 교통량과 거의 같은 수준이다.

 

에너지 효율적인 장치는 스피커 면적 제곱미터당 약 100밀리와트의 전력만 필요로 한다. 대조적으로, 평균적인 가정용 스피커는 비슷한 거리에서 비슷한 음압을 생성하기 위해 1와트 이상의 전력을 소비할 수 있다.

 

전체 필름보다 작은 돔이 진동하기 때문에 라우드스피커는 충분히 높은 공명 주파수를 갖고 있어 이미징과 같은 초음파 응용 분야에 효과적으로 사용할 수 있다고 Han은 설명한다. 초음파 이미징은 이미지를 생성하기 위해 매우 높은 주파수의 음파를 사용하며 높은 주파수는 더 나은 이미지 해상도를 생성한다.

 

이 장치는 또한 박쥐가 반향정위를 사용하는 것처럼 초음파를 사용하여 방 안에 사람이 서 있는 위치를 감지한 다음 움직이는 사람을 따라가도록 음파를 형성할 수 있다고 Bulović는 말한다. 박막의 진동 돔이 반사 표면으로 덮여 있다면 미래 디스플레이 기술을 위한 빛의 패턴을 만드는 데 사용될 수 있다. 액체에 담그면 진동막은 화학 물질을 교반하는 새로운 방법을 제공하여 대규모 배치 처리 방법보다 에너지를 덜 사용할 수 있는 화학 처리 기술을 가능하게 한다.

 

“우리는 확장 가능한 물리적 표면을 활성화하여 공기의 기계적 운동을 정확하게 생성할 수 있는 능력이 있다. 이 기술을 사용하는 방법에 대한 옵션은 무한하다.”라고 Bulović는 말한다.

 

컬럼비아 대학의 전기 공학과 교수이자 전기 공학과의 학과장인 Ioannis (John) Kymissis "이것은 이러한 종류의 초박형 스피커를 만들기 위한 매우 창의적인 접근 방식이라고 생각한다."라고 말했다.  "포토리소그래피 패턴 템플릿을 사용하여 필름 스택을 도밍하는 전략은 매우 독특하며 스피커 및 마이크의 다양한 새로운 응용 프로그램으로 이어질 가능성이 있다."

 

 
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