[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

상호작용 웨어러블 전자 장치(interactive wearable electronics)는 우리가 생활하고, 일하고, 소통하는 방식을 향상 시킬 수 있는 매우 중요한 도구다. 그 중, 소리 인식 및 생성은 중요한 핵심 기술 중 하나로 각광받고 있고, 이를 통해 사용자가 더욱 연결되고 건강하며 효율적인 삶을 영위할 수 있도록 지원하여 일상생활에 점점 더 필수적인 요소가 되고 있다. 이처럼 다양한 전자 장치의 표면에 손쉽게 부착 및 안정적으로 구현하는 것이 요구된다. 하지만 기존의 원뿔 모양의 진동판과 음성 코일을 기반으로 하는 스피커는 딱딱하고 큰 부피로 인해 웨어러블 전자 장치로의 적용이 매우 제한적이다. 반면, 열음향 스피커는 기계적 진동이 없고, 진동판이 없는 특성, 가볍고 단순한 디자인 및 다양한 변형 안정성으로 인해 매우 큰 잠재력을 가지고 있다.

따라서, 나노미터 단위의 초박막 열음향 스피커는 다양한 표면에도 매우 우수한 순응성, 조정 가능한 지향성 소리를 생성할 수 있다는 점에서 큰 장점을 가지고 있다. 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 부족하였다.

본 연구에서는 2차원 멕신 나노 물질과 초박막 필름을 이용하여 높은 변형 안정성을 가진 열음향 스피커 기술을 개발하였으며, 다양한 형태 변형에 따른 소리를 측정하여 변형에 따른 성능을 평가하였다. 최종적으로 기존의 단방향적인 스피커 성능을 포물선 형태 및 원형으로의 변형을 통해 소리 집중 및 전방향적 특성을 가진 스피커로의 활용을 보여주었다.

2. 연구내용

본 연구에서는 2차원 전도성 소재인 멕신과 두께 조절이 용이한 패럴린을 사용하여 열음향 스피커의 성능을 높였고, 패럴린의 두께를 800나노미터 두께의 초박막으로 제작하여 다양한 기계적 변형 하에서 지향성 소리 조정 가능 및 높은 소리 성능을 가진 열음향 스피커를 구현하였다.

본 연구에서 개발한 맥신 초박막 열음향 스피커는 전기적으로 반대 전하를 띄는 맥신과 폴리리신(Poly-L-lysine)과의 전기적 결합으로 인해 맥신과 기판 사이의 결합력이 우수하다. 또한 얇은 두께의 패릴린 기판은 낮은 굽힘 강성을 가지고 있어 변형에 의한 맥신층의 깨짐이 적다. 이를 통해 15kHz 주파수 및 0.5W 입력 전력에서 74.5dB의 음압 레벨 출력 성능을 확인하였고, 패럴린 기판의 두께(800 나노미터)가 열 침투 깊이 (Thermal penetration depth)보다 낮아 초박형 MXene 기반 열음향 스피커는 가청 범위(최대 20kHz)에서 양방향으로 열음향 소리 성능 구현하였고, 다양한 구조(오목형, 볼록형, 접힘 및 비틀림)에서 지향성 조정 가능한 열음향 소리를 생성하였다.

특히, 2차원 및 3차원 모양으로 스피커를 구성할 수 있어, 원통형으로 열음향 스피커를 제작할 때 모든 방향에서 일정한 음압을 갖는 전방향 사운드 생성이 가능하였다. 또한, 신축성 키리가미 구조는 신축성 변형으로 설계하여 50% 신축, 굽힘 및 비틀림 변형 하에서 안정적인 열음향 출력을 제공하였다. 유연한 대면적(20cm × 20cm) 열음향 스피커의 3D 표면에 대한 높은 표면 순응성은 포물선형 및 구형으로 열음향 스피커를 구현하였고, 각각 소리 집중 및 3차원 전방향 소리 생성이 가능하다.

이처럼 본 연구에서 제작한 스피커는 다양한 역학 변형 등에서 자유로운 유연 소재임과 동시에 지향성 소리 조정이 가능하여 다양한 음원 시스템 및 웨어러블 전자 장치에 적용될 수 있다.

3. 기대효과

본 연구에서 소개된 초박형 MXene 기반 열음향 스피커는 간단한 필름 제작 형태로 스피커를 제작하면서도 구조 변형을 통해 소리 지향성을 부여, 다양한 형태로의 사운드 응용이 가능하게 하여 소리 집중 및 3차원 전방향 소리 생성 등 우수한 성능을 보여준다.

또한, 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 있다. 더 나아가 현재 활발히 연구되고 있는 가상현실 (VR), 증강현실 (AR), 사물 인터넷 (IoT) 등의 분야에서 응용될 것으로 기대된다.

[붙임] 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.

[붙임] 그림설명

그림1. 조정 가능한 소리 지향성을 갖춘 멕신기반 열음향 스피커

a는 유연한 멕신 기반 열음향 스피커의 구조 및 작동 메커니즘을 보여주는 모식도.

b는 두꺼운 기판(상단)의 단방향 소리 생성 및 초박형 기판(가운데)의 양방향 소리 생성의 개념적 음압/거리 및 사운드 지향성의 모식도. 다르게 구성된 초박형 열음향 스피커 (원통형, 신축 키리가미, 포물선 및 구형)의 3차원 소리 분포 모식도(아래).

c는 초박형 패럴린 기판을 갖춘 열음향 스피커를 보여주는 사진(왼쪽) 150마이크로미터의 선폭을 갖는 직물 전극 위에 변형 가능하고 등각적인 접촉 특성 평가(오른쪽).

그림2. 멕신 기반 열음향 스피커의 성능에 대한 기판 두께의 영향

a는 얇은 기판의 열 침투 및 해당 온도 특성에 대한 개념적 설명.

b는 멕신 면 (앞쪽)에서 서로 다른 두께를 갖는 패럴린 기판의 음압 레벨 성능 평가.

c는 패럴린 면 (뒷쪽)에서 서로 다른 두께를 갖는 패럴린 기판의 음압 레벨 성능 평가.

d는 서로 다른 두께를 갖는 패럴린 기반의 폴라 음압 레벨 맵핑 분석.

그림3. 다양한 모양 구성에서 기판 두께가 다양한 열음향 스피커의 소리 성능 비교.

a는 말아올린 원통형 멕신 기반 열음향 스피커 모식도.

b는 멕신 측(왼쪽)과 패럴린 측(오른쪽)에서 서로 다른 두께를 갖는 패럴린 기판을 갖는 말아올린 원통형 열음향 스피커 대한 음압 레벨 평가.

c는 신축, 굽힘 및 비틀림을 받은 신축 키리가미 구조의 열음향 스피커의 디지털(상단) 및 적외선(하단) 이미지.

d는 신축, 굽힘 및 비틀림 변형을 겪은 단축 키리가미 구조의 열음향 스피커의 음압 레벨 성능 분석.

그림4. 3차원 멕신 기반 열음향 스피커의 소리 집중 및 전방향 소리 생성 기능.

a는 XY 및 XZ 평면에서 음압 레벨 분포를 감지하기 위해 조사된 포물선형 열음향 스피커의 모식도(상단) 및 사진(하단).

b는 Y = 0cm일 때 XZ 평면 및 d는 Z = 3.0cm일 때 XY 평면에서의 폴라 음압 레벨 성능 평가.

c는 X 및 Y = 0cm일 때 Z축 및 e는 Z일 때 X 및 Y축에 대해 포물선형 열음향 스피커의 측정된 음압 레벨 신호(기호) 및 시뮬레이션된 음압 레벨 값(실선). f는 3차원 전방향 사운드를 생성하는 구형 열음향 스피커의 사진.

g는 다양한 평면(XY, YZ 및 ZX)에 대한 구형 열음향 스피커의 폴라 음압 레벨 분석.

h는 구형 열음향 스피커에 대한 소리 지향성의 윤곽선 음압 레벨 기반 극좌표.