스피커 이야기(2)

 

정전형과 압전형 스피커

 

  영어로 Speaker라고 하면 연설하는 사람이란 의미가 된다. 그래서 서양에서는 우리가 스피커라고 부르는 도구를 Loudspeaker라고 부른다. 이를 번역할 때, ‘확성기’라 했다. 그런데 ‘확성기’는 특정 스피커에만 국한해서 사용하고, 일반 Loudspeaker를 ‘스피커’라고 부르고 있다.

  이미 살펴 본 바와 같이 보통의 스피커는 다이내믹 스피커이다. 반면에 정전형(electrostatic) 스피커와 압전형(piezo electric) 세라믹스피커는 일반화 되지는 않았지만 일부에서는 지속적으로 사용되고 있다. 정전형 스피커는 고가, 고급 스피커로서 북미주지역에서 인기가 있으며 대형스피커이다. 압전형 세라믹스피커는 장난감 등에 많이 사용되었고 소리는 매우 조악했는데 근래에와서 LCD, LED TV 등에 두께가 얇은 스피커가 필요해지다보니 주목을 받아 집중적으로 연구 개발 중인 스피커이다.

 

 

[정전형 스피커]

 

  정전형 스피커는 말 그대로 정전기력을 이용하는 스피커이다. 정전기는 움직이지 않는 전기로서 마찰전기나 전도체의 정전기유도 방식으로 전기를 띠게 되는데 같은 부호의 전기 사이에는 밀치는 척력이 작용하고, +, -로 반대 부호의 정전기 사이에는 당기는 인력이 작용한다.

 

                                               [그림1] 정전형 스피커와 회로

 

  [그림1]에서와 같이 정전형 스피커는 변압기로 전달된 오디오(audio) 신호를 +정전기를 띤 진동판(diaphragm)을 사이에 둔 스테이터(stators)에 전기적 위치에너지를 제공한다. 따라서 고전압의 음향신호에 따라 스테이터 사이에 좌, 우로 변화하는 전기장을 만들고, 이 사이에 놓인 +로 대전된 진동판은 전기장의 방향으로 힘을 받기 때문에 음향 신호에 따라 진동하게 된다. 따라서 진동판에서 소리가 발생하며 이 소리는 스테이터에 뚫은 많은 구멍을 통하여 양쪽으로 방사된다. 그러므로 정전형 스피커는 벽과의 거리를 적절하게 이격시켜야 뒤로 방사된 소리가 뒤쪽 벽에서 반사되어 앞으로 나오면서 원래 앞쪽으로 방사된 소리와 상쇄간섭하지 않도록 해야 한다. 그런 의미에서 공간이 넓은 미국의 거실이나 저택에서 사용해야 무리가 없었는지도 모르겠다.

  아무튼 정전형 스피커는 수백 볼트의 고전압을 걸어주어야 제대로 작동되기 때문에 변압기(transformer)가 필요하며, 진동판은 필름 등을 사용하되 표면에는 고르게 정전기가 분포하도록 전도성 금속을 코팅해야 한다. 또, [그림1]에서 보는 바와 같이 정전형 스피커는 음이 맑고, 대체로 재생음역이 고음으로 치우쳐 명료하나 저음이 부족하고, 음량이 작기 때문에 받침대 속에 다이내믹 스피커인 서브 우퍼(sub woofer)를 내장 시켜

 저음을 보강토록 제작한다.

 

                                               [그림2] 젠하이져 앰프와 정전형 헤드폰

 

 

 

  정전형 스피커를 제작하는 유명회사도 많지만, 독일의 유명 헤드폰 제조회사인 젠하이져(Sennheiser)에서 정전형 스피커를 채용한 헤드폰을 1991년에 제작하였다. 이름하여 오르페우스(Orpheus) 헤드폰이다. 당시에 진공관식 앰프와 짝지어 제작 판매했다. 한정 판매에 음질도 매우 맑고 부드럽기 때문에 현재는 놀라울 정도의 고가품이 되었다.

 

 

[압전형 세라믹 스피커]

 

  압전형 스피커는 평판스피커로서 진동판 역할을 하는 금속판에 압전성 세라믹을 붙여 만든다. 세라믹의 크기는 금속 진동판보다 작아야 효과적이다.

 

 

 

            [그림3] 압전형 세라믹 스피커 구동원리(회색판: 금속진동판, 연두색판: 세라믹판)

 

  압전현상은 결정이나 세라믹에 압력을 가할 때 변형되면서 표면에 전압이 유도되는 현상으로서 퀴리 형제가 발견한 물리현상이다. 압전형 스피커는 이의 반대현상인 역압전현상을 이용한 것이다. 즉, [그림3]에서와 같이 오디오 시그널을 압전 세라믹 양면의 전극에 입력하면 방사상으로 팽창과 수축을 반복함으로써 진동판이 앞, 뒤로 진동하게 된다. 따라서 표면에서 소리가 방사된다.

  압전현상은 원래 정방정계 결정(crystal)에 속하지 않는 결정에서 발견되었으나 특정 금속산화물 예를들어,

등의 파우다(powder)를 틀에 넣고 벽돌 찍듯이 성형한 후, 1000도 이상으로 가열하여 소결시킨 세라믹(ceramic)에서도 압전현상이 발견되었다. 결정을 만들기 보다 세라믹을 만들기가 쉽고, 저가이기 때문에 세라믹 압전체를 스피커용으로 많이 사용하고 있다. 단점이라면 세라믹은 크랙(crack)이 많이 가고, 쉽게 깨진다는 것이다. 

  압전형 세라믹 스피커의 재생음역도 스피커 크기에 크게 의존한다. 따라서 작은 스피커에서는 고음이 잘 재생되고, 저음을 재생하려면 큰 세라믹 스피커를 만들어야 한다. 그러므로 말하는 인형, 부저 등에 사용하는 세라믹 스피커는 작기 때문에 높은음이 재생된다. 단, 압전형 세라믹 스피커에도 압전 재료에 따라 다르기는 하지만 수백볼트의 고전압을 걸어주어야 하기 때문에 고압 변압기로 음향신호를 고전압으로 변화시켜 입력해야 한다.

 

                            [그림4] 압전형 Tweeter, PVDF 필름 스피커, PVDF 필름 스피커의 원리

 

  한 때, 두루마리 스피커로 불리면서 요란하게 매스컴을 타던 필름 스피커가 있었다. 이는 PVDF(PolyVinyliDene Fluoride) 필름을 이용한 스피커이다. 이 필름의 양면에 전도성 금속으로 전극피막을 만든 후에 고압의 음향 전기신호를 입력하면,[그림4]와 같이 PVDF 분자의 분극현상에 의해 두께 방향으로 음향 신호에 따라 두께가 변화하면서 진동하여 소리를 발생시킨다. PVDF 필름도 저음을 재생하려면 대문짝만하게 큰 스피커를 만들어야 한다. 아무튼 필름스피커가 유행하지 못하는 이유는 다이내믹 스피커에 비하여 고음으로 치우치며, 음량이 부족하고, 고압 음향신호를 입력해야 하기 때문이다.

 

   ----------------------  by   Dajaehun