피부에 붙이는 ‘투명 스피커·마이크’ 개발

- 웨어러블 기기는 물론 음성인식, 음성지문보안, 로보틱스 등 다양한 분야에 기여

어디든 붙여서 소리를 내는 ‘투명한 스피커’와 성대의 진동을 감지해 목소리를 인식하는 ‘투명한 마이크로폰’이 개발됐다. 웨어러블 전자기기는 물론 음성인식, 음성지문보안, 로보틱스 등 다양한 분야에 기여할 전망이다. 

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 고현협 교수팀은 ‘투명하면서 전기전도성을 가지는 나노막(Nanomembrane)’을 제조하고, 이를 음향소자에 응용해 ‘신체를 비롯한 다양한 사물에 부착이 가능한 스피커와 마이크로폰’을 개발했다. 

이 기술은 미국과학협회(AAAS)에서 발행하는 세계적 권위지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 8월 3일 자에 논문명 (Transparent and conductive nanomembranes with orthogonal silver nanowire arrays for skin-attachable loudspeakers and microphones)으로 발표됐다.

▲ 나노막을 이용한 열음향 방식의 웨어러블 스피커(UNIST 제공). A: 열음향 특성을 이용한 소리의 출력 방식 모식도. 교류전압을 통해 발생되는 온도차이에 의해 공기가 진동하면서 소리가 발생된다. B: 사람 손등에 붙은 나노막 기반 열음향 스피커 사진. 영상에 출력되는 소리는 나노막에 의해 발생한 소리를 마이크로폰으로 수집하고 증폭해 출력한 것임.

나노막은 나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 두께의 매우 얇은 막이다. 고분자 나노막은 어디든 잘 달라붙고, 무게가 가벼우며, 유연한 소재로써 활용 가능성이 높다. 하지만 얇기 때문에 잘 찢어지고, 전기전도성이 없다는 한계가 있었다.

그런데, 고현협 교수팀은 고분자 나노막에 은 나노와이어(Siver Nanowire)를 함몰시켜 두 단점을 해결했다. 전기가 잘 통하는 은 나노와이어로 그물 구조를 형성해 100나노미터 두께의 나노막에 전기가 통하면서 기계적인 특성도 향상한 것이다. 참고로 은 나노와이어 그물 구조는 투명하기 때문에 결과물은 ‘투명 전도성 나노막’이 됐다.

제1저자인 강세원 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 “투명 전도성 나노막은 매우 얇고 유연해 손가락 지문처럼 굴곡진 미세한 표면에도 자연스럽게 달라붙는다”며 “막 형태라 미세한 진동에도 민감하게 반응하므로 소리를 입‧출력하는 음향소자에 활용할 수 있다”고 설명했다. 

▲ 나노막 기반 마이크로폰(UNIST 제공). A, B: 투명한 전도성 나노막 기반 웨어러블 마이크로폰의 구조 설계 모식도 및 실제 마이크로폰 소자 사진. C: 스피커를 통해 출력되는 문장 소리를 감지하는 특성. 원래 문장 소리의 파형 및 단시간 푸리에 변환(Short-time Fourier transform) 그래프(왼쪽). 매우 얇은 두께의 나노막(가운데)의 진동과 떨림으로 인해 두꺼운 두께의 막을 이용한 마이크로폰(오른쪽)의 음성인식 기능과 비교했을 때 소리를 더 정확하게 감지하는 것을 보여준다.

실제로 연구진은 투명 전도성 나노막을 활용해 스피커와 마이크로폰을 만들었다. 투명하면서 피부 등에 전자문신처럼 붙여 소리를 내는 ‘초박막형 투명 스피커’와 마찰전기를 이용해 배터리 없이 자가 구동하는 ‘웨어러블 마이크로폰’이다.

초박막형 투명 스피커는 열음파(Thermoacoustic) 방식으로 다양한 소리 신호를 출력한다. 열음파 방식은 금속에 전류를 흘려서 생기는 열적인 변화로 공기를 팽창하고 수축시켜 소리를 내는 원리다. 투명하고 부착 가능한 형태로 스피커를 만들었다는 점에서 주목받고 있다. 

웨어러블 마이크로폰은 목에 부착해 성대의 떨림까지 감지 가능한 센서다. 이 센서의 작동은 투명 전도성 나노막이 진동하면서 생긴 마찰력을 전기 에너지로 변환해서 사용한다. 센서가 수집한 목소리의 아날로그 신호를 전기 신호로 바꿔서 분석하면 누구의 음성인지도 식별할 수 있다. 사람마다 고유한 음성 주파수 패턴을 가지므로 이를 대조하면 음성보안에도 활용할 수 있다. 

▲ 나노막 기반 마이크로폰을 이용한 음성보안 시스템(UNIST 제공). A: 음성인식 보안시스템의 실제 구성 사진. B, C: 목소리 주파수 패턴 분석으로 특정 사용자의 음성지문을 선택적으로 구별할 수 있는 나노막 마이크로폰 기반 음성보안 시스템. 시스템에 등록된 목소리 파형, 허가된 유저의 목소리 파형, 및 허가되지 않은 유저의 목소리파형 (B)과 단시간 푸리에 변환 그래프 (C).

연구진은 웨어러블 마이크로폰을 이용해 특정 사용자의 목소리 주파수 패턴을 구별할 수 있는 ‘음성지문 보안 시스템’도 구축했다. 이 시스템은 기존 마이크로폰과 비교해도 정확도와 정밀도가 뛰어나 실용화 가능성도 확보했다.  

공동 제1저자인 조승세 UNIST 에너지공학과 석‧박사통합과정 연구원은 “로봇 등에 이 기술을 적용한다면 스피커는 사람의 입처럼, 마이크로폰은 귀처럼 쓰일 수 있다”며 “향후 음성 인식으로 전자기기를 작동시키는 사용자 인터페이스(Interface)를 구현하는 데도 기여할 것”이라고 기대했다.

고현협 교수는 “사물인터넷이 발달하면서 인공지능 스피커나, 음성인식, 음성지문보안 등에서 센서 기술이 크게 주목받는 만큼 이번 연구도 산업적 파급력이 클 것”이라며 “이번 연구에서 개발한 다기능성 나노막 제조기술은 사물인터넷, 로봇, 웨어러블 전자산업에서 원천 소재기술로 다양하게 활용될 것”이라고 전망했다.


IT뉴스 / 김들풀 기자  itnews@