전기 신호를 소리로 전환시켜 주는 음향기기인 스피커를 머릿속에서 떠올릴 때면 꽤 큰 부피를 차지하는 네모난 모양의 스피커들을 연상하기 마련이다. 그런데 투명하고 얇은 필름 한 장이 스피커 역할을 할 수 있다면?
이번 Future design IP에서는 필름스피커의 원리와 관련 특허 내용을 살펴보고 그 미래를 전망해 본다. 
이미지 출처: www.mplasma.com


 

특수 소재에 압력이나 진동을 가해서 형태를 변형시키면 재료의 표면에 전하가 생성되어 전류가 흐르게 되는데, 이것을 압전효과라 한다. 전하를 띤 압전 물질에 전류를 흐르게 하면 진동을 한다. 즉, 기계적 에너지와 전기에너지가 상호 전환한다고 할 수 있다. 이러한 원리를 이용한 것이 필름스피커(압전 스피커)이다.

필름스피커는 폴리불화비닐리덴(PVDF)이라 불리는 고분자화합물 필름으로 만들어진다. 이 필름의 표면에 압력을 가하여 전극을 형성하도록 가공한다. 전극이 형성된 필름에 소리 정보를 가진 전기 신호를 흘려 보내면 진동을 하게 되는 것이다.

 
이미지 출처: www.fils.co.kr

출원인: ㈜필스 
공개번호 : 2007-0108687 (출원일:2006.5.8)
명칭 : 필름스피커 


2007년에 특허 출원된 한 필름스피커 특허 내용을 살펴보자. 필름스피커(1)의 둘레부에 에지부재(10)를 부착해 필름스피커(1)의 전체적인 형태를 보강, 외력에 의한 변형으로 음이 왜곡되지 않도록 한 것이 특징이다. 에지부재(10)는 연질로 구성해서 이에 접촉된 필름스피커(1)의 자유롭고 미세한 진동을 수용할 수 있게 했다. 이로 인해 필름스피커의 음질은 풍성하게 유지된다.

 
그리고 압전필름(2)의 전도성 고분자(4)에 전기적으로 통전되도록 코팅된 전극부(6)를 압전필름(2)의 일단부에 배치하는 대신, 전체 압전필름(2) 면에 균등하게 배치를 한 것도 특징이다. 전극부(6)가 압전필름(2)의 전체 면에 걸쳐서 균등하게 분포되므로 단자부(6e,6f)를 통해 유입된 전류가 상대적으로 전기전도성이 우수한 전극부(6)를 통해 신호의 감쇄 없이 전체 필름 면에 균등하게 전달되어 전체 압전필름(2)의 압전진동이 균등하면서도 부분적으로 약화되는 일이 방지된다.

출원인: 최현환 
공개번호 : 2011-0127930 (출원일:2010.5.20)
명칭 : 투명전자석 필름 및 이를 이용한 박막형 필름 스피커 장치

 
2011년에 출원된 또 다른 특허를 살펴보자. 이 특허는 전도성 코일에 전류가 흐르면 자기력이 유도되는 전자석의 원리를 이용한 투명필름스피커의 구조에 관한 것이다. 종래에는 일반적으로 필름스피커를 생산할 때 전기신호를 진동판의 진동으로 바꾸기 위해 영구자석에 의해 동작되는 전자석을 이용했다. 즉, 전도성 투명전자석코일(100a-1, 100b-1)에 전류가 흐르면 전자석이 형성되는데 상측 투명전자석코일(100a-1, 100b-1)과 하측 투명전자석코일(102a-1, 102b-1)에 흐르는 전류의 방향을 조절하는 것이다. 서로 같은 자기 방향을 갖게 해 인력을 발생시켜 서로 잡아당기게 하거나 서로 다른 방향을 갖게 해 척력을 발생시켜 서로 밀어내도록 하여 소리를 출력하는 원리였다.

그러나 이 특허의 기술은 음성 입력에 따라 동작하는 투명 전자석 셀을 진동시켜 소리를 출력하는 방식에서 나아가 전자석 셀을 개별 진동시켜 진동판의 진동을 유발, 소리를 출력하는 방식을 적용했다. 상측 투명전자석필름(100)과 하측 투명전자석필름(102) 사이에 투명 분리 필름(105)을 삽입했다. 그리고 고정된 하측 전자석필름(102)과는 달리 상측 전자석필름(100)의 각 진동점{VIBRATING POINT} 일측에 회전나선형 전자석코일(100a-1, 100b-1)을 배치해서 입력 신호에 따라 상하로 진동할 수 있게 했다. 이로 인해 다양한 음색과 음량을 구현할 수 있게 되었다. 
 
 

이미지 출처: www.fils.co.kr
필름스피커는 가볍고 얇고 투명하고 형태를 자유자재로 변형시킬 수 있다는 장점으로 인해 다양한 디자인이 가능하며 활용 분야도 무궁무진하다. 일반 오디오 기기용 스피커는 물론, PC나 모바일 기기용 스피커, 수중 음파 탐지기, 휴대폰, TV 등에서 사용될 수 있다. 필름스피커 자체에 사진이나 그림 등을 넣을 수도 있어 단 하나뿐인 개인 맞춤형 스피커를 만들 수도 있다. 현재 PVDF 소재의 필름스피커들은 상용화되어 온, 오프라인에서 쉽게 구매할 수 있다.

지난 해에는 서울대학교 화학생물공학부 장정식 교수 연구팀이 ‘꿈의 신소재’라 불리는 그래핀 (graphene)을 이용해 필름스피커를 개발하기도 했다. 그래핀은 흑연에서 탄소 원자를 떼어낸 물질로, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 강철보다 200배 이상 강도가 높다고 한다. 이렇듯 신소재에 대한 연구와 개발이 지속적으로 이루어진다면 미래 필름스피커의 기능과 디자인은 비약적으로 발전할 것으로 기대된다. 
 

글 / 디자인맵 편집부
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