이어폰(Earphone)

 

 1979년도에 SONY에서 최초로 개발한 워크맨(Walkman : mini cassette)이 출현한 이 후, 진정한 mobile audio 시대가 열렸다고 볼 수 있다. 다시 말해, 1920년대에 제대로 된 dynamic speaker가 개발된 이래 대형 스피커를 구비한 고가의 가정용 audio가 유행하던 세상에 워크맨은 새로운 프레임의 mobile audio 세상을 여는 단초가 되었다고 볼 수 있다. 아무튼 mobile audio 세상이 열리다보니 휴대가 용이하도록 music player와 같이 당연히 스피커도 작게 만들어야 했다. 이에 워크맨에 사용한 스피커는 작은 헤드폰 형태로 만들어졌다.

 

                             [그림1]1881년도 미국 전화교환원과 최초의 SONY Walkman TPS-L2                       

 

 서양에서는 헤드폰(Headphone)이 귀속에 넣는 이어폰(Earphone)과 헤드밴드로 머리위에 걸치는 형태의 헤드폰을 통칭하는 단어이기 때문에 헤드폰(이어폰)이 처음 만들어진 시기를 전화교환원이 처음 사용하던 1880년대로 주장한다. 그 이유는 미국에서 처음 헤드밴드 헤드폰이 만들어진 후에 일본에서 이어폰이 만들어졌기 때문에 서양에서는 이어폰이란 말이 좀 어색했던 것으로 보인다. 그러나 근래에는 서양에서도 헤드폰과 이어폰을 구별하여 시장조사, 광고를 하고 있다. 19세기에 사용한 전화용 수화기나 교환원 헤드폰에 사용한 스피커는 지금의 다이내믹 방식이 아닌 외팔보 방식이었다.

 

 이어폰은 초기에 레씨바(리시버:Receiver)로 불렸고, 한 쪽 귀에 꽂아 사용하는 모노(mono)형이었다. 이는 라디오의 의미전달용이라서 스테레오(Stereo)음악을 듣기에는 부적절했다. 그런 시기에 스테레오 음악을 모바일로 감상할 수 있는 워크맨이 나왔기 때문에 워크맨에는 다이내믹 스피커를 적용하되 어느정도 크기가 있는 현재의 헤드폰용 스피커의 크기를 갖는 스피커를 적용할 수밖에 없었다. 다시말해 워크맨이 나올 당시에는 음악 감상용 귓속형(In-ear type) 다이내믹 스피커가 개발되지 않았기 때문에 헤드폰용 스피커가 적용되었던 것이다. 그러므로 워크맨이 개발된 이후에 소형 헤드폰보다 휴대가 더 쉬우면서도 스테레오 음악을 즐길 수 있는 이어폰이 필요해졌다. 이는 자연스러운 요구였다. 정말로 작은 스피커, 귓속형 이어폰용 스피커가 필요해졌다. 

 

 그러나 그동안의 다이내믹 라우드스피커에 적용하던 종이 콘( paper cone)으로 작은 스피커를 만들면 고음에 치우친 협소한 음역만을 재생할 수 있었기 때문에 음악을 감상하기에는 부적절했다. 원래 스피커엔지니어들은 진동판이 가볍고 강도가 클수록 고음재생력이 좋으며, 진동부의 질량이 크되 자기력이 커야만 저음재생력이 좋다는 사실을 잘 알고 있었다. 따라서 진동판 직경이 20mm 이내의 귓속형 소형 스피커를 개발하기 위해서는 새로운 진동판의 소재, 강한 자석이 요구되었다. 

 

 이어폰용 소형 스피커는 일본의 마츠시다에서 처음 만들어졌다. 초기에는 마일라 스피커라 했는데 결국, 열로 성형한 PET 필름에 보빈을 사용하지 않는 코일을 붙여 다이내믹형 스피커를 만들어 이어폰을 제작했다. 이 후, 디지털 음원을 사용하는 MP3가 나오면서 가히 모바일 오디오의 전성기를 맞이하게 되었으며 이어폰의 중요성이 더욱 크게 대두되었다.

 

                                                         [그림2] Open type Earphone

 

 초기 이어폰은 이각에 끼우는 소위 open type 이었다. 그러다보니 필름 진동판을 적용해서 스피커를 만들어도 아직 저음이 부족했다. 저음은 스피커의 크기를 키워야만 어느 정도 음량을 확보할 수 있었다. 그러다 보니 스피커 직경이 16mm인 크기까지 키워 저음을 보강하기에 이르렀다. 그러나 15~16mm의 스피커를 적용하여 open type 이어폰을 만들어 사용하면 저음은 어느 정도 만족할 수 있지만 귀 크기에 따라 고통을 호소하는 사람들이 많았다. 10분 이상 이어폰으로 음악을 감상하기가 쉽지 않았다. 이 때문에 애플의 iPhone 적용 헤드셋에는 14.3mm의 스피커를 적용했다. 헤드셋은 마이크를 부착한 이어폰으로서 핸드폰용이다.

 

                                                         [그림3] Canal type Earphone

 

 open type 이어폰은 저음도 부족하지만 외부 소음도 고막으로 잘 전달되기 때문에 mobile audio로 최선의 스피커시스템으로 사용하기에는 부족한 점이 없지 않다. 이 때문에 2002 내지 2003년 쯤부터 인이어 즉, 커널(canal: 외이도) 이어폰이 유행해 왔다. 커널 이어폰에는 직경 6mm에서 10mm인 스피커를 사용한다. 이는 작은 공간에서 파장이 긴소리 즉, 저음이 공간적으로 균일한 음압의 장(pressure field)을 갖는다는 이론에 따라 만들어진 것이다. 소리 파장에 비해 길이가 짧은, 작은 밀폐공간에 저음을 입력하면 음압이 상승한다. 이 때문에 고무나 실리콘으로 만든 이어팁(ear tip)으로 형성된 스피커와 고막사이의 공간에 약한 저음 일지라도 스피커에서 방사되면 이 저음은 부스트(bust) 된다. 그러므로 커널이어폰은 작은 스피커를 사용함에도 저음이 풍부하다.

 

 그러나 커널이어폰은 외이도에 어떻게 끼우느냐에 따라 음질의 변화가 심하고, 고막에 마주 한 채 진동판이 진동하므로 고막에 가해지는 공기 충격이 불쾌감을 유발하며, 탁한 저음 즉, 공간 공진음이 고음을 묻어 버리는 마스킹효과(masking effect)가 있어 명료도가 좀 떨어지는 경향이 있다. 스피커가 클수록 이런 경향은 더 심하다. 이런 커널형 이어폰의 문제를 해결하기 위한 방법이 두 갈래로 갈라진다. 

 

                                            [그림4] Half Canal & Half open type Earphone

 

 하나는 BA(Balanced armature) 스피커를 사용하여 커널형 이어폰을 만드는 것이다. BA스피커는 단가가 높고, 보청기용 스피커로 개발되어 고음이 좋고 저음이 좀 부족하지만 반응성이 좋아 명료하며 진동판의 면적이 극히 좁아서 고막에 대한 공기 충격이 거의 없다. BA 이어폰은 현재 가수들이 모니터용으로 많이 활용하고 있으며, 다양한 음악 장르에 잘 어울리는 스피커이다. 다른 하나는 크기가 12mm에서 14.3mm 사이의 다이내믹 스피커를 사용하되 스피커의 전면을 고막에 직각 방향으로 배치함으로써 공기 충격을 줄이면서도 저음 재생력을 키우고 고역재생려도 넓은 반 커널 이어폰(Half canal earphone)이 있다. 다이내믹 스피커로 이어폰을 만들 경우는 반 커널 이어폰이 가장 자연스러운 원음 재생능력이 있다. 반 커널 이어폰은 SONY에서 그 원천특허를 갖고 있다. 최근에 애플사에서 iPhone6, iPhone7을 출시하면서 반 오픈 타잎(Half open type)의 이어폰인 이어파드(Ear pod), 무선 에어파드(Air pod)를 제공하는데 이도 반 커널의 이물감을 없애면서 다이내믹 스피커의 특성을 잘 살려주는 제품이다.

 

 

                          [그림5] Hybrid earphone 개념과 Hybrid cross over FRF 특성 그래프

                                 

 아무튼 mobile audio의 총아인 이어폰의 가장 이상적인 형태는 어떤 형태일까?  그것은 하이브리드(Hybrid) 이어폰이다. 명료한 저음을 담당하는 소형 다이내믹 스피커와 중고음을 담당하는 명료함이 장점인 BA 스피커를 이종결합한 이어폰이다. 물론 하이브리드 이어폰은 크로스오버 네트웍(crossover network)을 적용해야 한다.

 

 

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