그래핀 스피커는 유연성이 뛰어나 플렉시블 디스플레이, 모바일 기기 등에 적용이 가능하다. 또한 투명도가 뛰어나 디스플레이 전면에서 음을 재생하며, 유리창 및 거울 전면에 부착할 수 있다. 때문에 모바일 IT 트렌드에 적합한 소재라고 할 수 있으며, 그래핀의 가볍고 강한 성질과 신축성 및 내마모성 등으로 인해 뛰어난 음질을 지닌다.

최근 미국 UC버클리의 연구팀이 세계 최초로 그래핀으로 만든 진동판을 사용한 이어폰을 만드는 데 성공했다. 그래핀 이어폰은 두께 30nm, 넓이 7mm의 그래핀 시트를 사용해 진동판을 만들고, 이 그래핀 진동판을 두 개의 실리콘 전극 사이에 넣어 음파를 생성한다. 이러한 그래핀의 우수한 기계적 성질은 표 1과 정리할 수 있다.

▲ 표 1. 그래핀의 기계적 성질

그래핀을 적용한 스피커는 크게는 정전(Electrostatic) 방식과 열음향(Thermoa-coustic) 방식으로 구분할 수 있으며 열음향 방식은 세부적으로 3가지 정도로 분류돼 개발이 진행 중이다. 각각의 스피커 특성에 대하여 간략하게 정리하면 다음과 같다.

▲ 그림 1. 기존 PVDF 스피커

▲ 그림 2. 그래핀 스피커

정전형 그래핀 스피커

정전 방식의 그래핀 스피커는 인가된 전압으로부터 그래핀 막이 전기적 힘을 받아 진동하는 것이다.

정전형 오디오 스피커 디자인의 핵심적 요소는 그래핀의 낮은 질량 밀도와 높은 기계적 강도, 넓은 주파수 응답 특성 등이라고 할 수 있다. 무게가 가볍다는 것은 고주파 특성이 좋아진다는 의미이기도 하다. 

강도를 높이며 저주파 특성도 향상시키기 위해 상대적으로 큰 다이어프램(진동판)을 사용한다. 결론적으로 그래핀 소재 스피커 이어폰은 전체 오디오 주파수 범위(20Hz∼20KHz)에 걸쳐 우수한 주파수 응답이 측정되고, 오히려 기존 스피커 제품 특성을 능가한다고 볼 수 있다.

진동판의 크기가 사운드 파장 이하로 떨어지면 면적당 공기 감쇠 계수가 현저하게 떨어진다. 그러므로 얇고, 낮은 질량 밀도의 다이어프램 구조 스피커는 공기 진동을 지속적으로 받는다. 극단적으로 이러한 다이어프램을 구현하는 것은 매우 어려운 작업이다. 얇은 소재로 알려진 마일라를 적층 구조로 만드는 것은 공정이나 깨어짐을 감안할 때, 너무 어려운 과정으로 양산성이 없다.

그러나 그래핀 소재는 작고 효율적인 고품질 광대역 오디오 스피커를 구현하기에 이상적인 재료라고 할 수 있다. 그래핀은 매우 작은 질량 밀도를 갖고 있고 전도성 소자인 동시에, 유효 스프링 상수를 갖도록 구성할 수 있다. 얇은 원형 멤브레인의 유효 스프링 상수는 식 1과 같이 표현될 수 있다.

여기서 σ는 응력이고, t는 막 두께이다. 다이어프램의 진동 모델링 값에서 주어진 멤브레인 때문에 단위 면적당 질량은 일정하다.

식 2에서 R은 원형 멤브레인의 반경이다. 스프링 정수 k는 멤브레인의 반경 제곱에 반비례하고, 막의 두께와 응력에 비례한다. 그래핀의 뛰어난 기계적 강도가 크고 얇은 다이아프램을 제조해 k 값을 대폭 감소시킬 수 있다.

그림 3은 정전기적으로 구동되는 그래핀 스피커(Electrostatically Driven Graphene Speaker, EDGS)의 특성을 나타낸다.

▲ 그림 3. 정전형 그래핀 스피커

열음향 방식 그래핀 스피커

열음향 방식의 그래핀 스피커는 크게 3가지로 분류할 수 있다.

1. 공기를 진동시켜 소리를 발생시키는 원리

그래핀에 전압을 인가하면 그래핀에 열이 발생하고 열적 팽창에 의해서 그래핀이 진동하는 것을 이용한다(그림 4). 

▲ 그림 4. 열음향 방식 그래핀 스피커 #1

열음향을 구성할 때, 그래핀은 고정 히터로서 열 팽창, 시간에 따른 압력 변화를 통해 교대로 주변 공기를 가열하기 위한 기능을 한다. 이 방법은 그래핀의 열용량 특성 때문에 초음파 영역에서 특히 효과적이다.

그러나 오디오 주파수에서 동작하는 열음향 스피커들 대부분의 입력 에너지는 열전도에 의해 소모돼 사운드를 생성하지 않는다. 열로 인해 발생된 파워는 입력 신호의 제곱에 비례하고 전달 특성이 본질적 비선형이기 때문에, 열음향 접근법은 사운드 왜곡이 심하다는 단점이 있다. 그러나 대체적으로 그래핀 소재 스피커는 가청 영역(20Hz∼20KHz)에서 우수한 주파수 특성을 갖고, 기존 제품 대비 성능이 우수하다.

2. 종이 위에 부착된 그래핀에 전압을 인가해 그래핀을 진동시키는 원리

종이 위에 부착된 그래핀에 전압을 인가한다. 그래핀 저항은 around 100Ω, 구동전압은 10V, 소모 전력은 around 0.01W이다. 이는 그림 5와 같이 나타낼 수 있다.

▲ 그림 5. 열음향 방식 그래핀 스피커 #2

3. 투명 필름 위에 부착된 그래핀에 전압을 인가해 그래핀을 진동시키는 원리

유리, PET, PDMS와 같은 투명 필름 위에 부착된 그래핀에 전압을 인가해 그래핀을 진동시키는 방식이다(그림 6).

▲ 그림 6. 열음향 방식 그래핀 스피커 #3

이러한 그래핀을 이용한 스피커들의 특성은 표 2와 같이 정리해 볼 수 있다.

▲ 표 2. 그래핀 스피커별 특성

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그래핀 스피커의 대표적인 연구 그룹

국내에서는 서울대 장정식 교수 연구팀이 그래핀을 활용한 투명 필름 스피커를 개발했다. 그래핀 전극과 PVDF(불소고분자)필름을 이용해 잘 휘어지는 투명한 스피커를 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 그래핀을 불소고분자 필름에 코팅하기 위해 물에 잘 녹는 산화 그래핀(GO)을 잉크젯 프린터를 활용해 분사하고 고온 처리한 뒤, 환원제를 뿌려 다시 전기가 통하게 하는 처리법을 활용했다. 이 필름 스피커는 스티커처럼 어느 곳에나 부착해 활용할 수 있다. 

또한 중저음대인 100Hz부터 사람들이 들을 수 있는 최대 고음인 20KHz 이상까지의 음역대를 소화할 수 있을 뿐 아니라, 기존 스피커 대비 전력 소모량도 1/3 수준이다. 소음 흡수 능력도 있어 소음 차단에도 활용할 수 있다. 기존 스피커와 별도의 진동판 없이 그래핀을 이용한 필름 스피커가 진동판 역할을 하기 때문에 부피도 줄일 수 있다.

지금까지 그래핀 스피커의 대표적인 연구 그룹은 ▶Zettl 그룹(UC Berkeley, Electrostatic 방식) ▶Ruoff 그룹(UT Austin, Thermoa-coustic 방식 ▶Ren 그룹(칭화대, Thermoa-coustic 방식) ▶장정식 교수(서울대, PVDF 방식) 등이 있다.

그래핀 스피커 관련 특허로는 ▶“Graphene-drum pump and engine systems” PCT/US2011/023618, IBM ▶“Electrically cond-uctive membrane transducer and methods to make and use same”, PCT/US2012/ 058247, Clean Energy Labs, Llc ▶ “잉크젯 프린팅을 이용한 그래핀 전극 제조 방법(The fabrication method of graphene electrodes by inkjet printing)” 서울대, 장정식, 출원번호 10-2011-0097167 등이 있다.

박종천 부사장 _ 레이딕스텍