마이크로폰[마이크](1)

 

 흔히 마이크에 대고 말을하면 큰소리가 확성기에서 나오기 때문에 마이크가 소리를 키우는 장치로 착각하는 경우가 있다. 그러나 마이크는 소리를 전기신호로 전환하는 기구일 뿐이고 소리를 키우는 부분은 증폭기이다. 증폭이란 말이 시그널 파형의 '진폭(Amplitude)을 키운다'는 의미라서 증폭기구는 Amplifier(Amp.)가 된다. 

 마이크(Mic.=Microphone)는 소리를 어떤 방식으로 전기신호로 변환하느냐에 따라서 크게 3가지로 분류가 가능하다.  저항변화 방식, 전자기 유도 방식, 콘덴서 용량 변화방식 등 3가지이다.  

 

1. 저항변화로부터 전기신호 발생하는 마이크

                                              [그림 1] Carbon mic. (www.schoolphysics.co.uk)

 [그림 1]에서 보는 바와같이 탄소입자가 들어있는 통에 배터리로 전압(V:일정)을 걸어준 상태에서 소리가 왼쪽에서 입사하면 종파적 진동압력이 탄소가루에 작용하여 압축과 이완을 반복함으로서 카본의 전기적 저항(R(t))이 소리의 진동압력과 같이 변한다. 이때 Ohm의 법칙에 따라 전류 i(t)=V/R(t)도 변한다. 전류 i(t)가 변하면 오른쪽 1차코일에  자기장 B를 갖는 전자석이 된다. 그러면 전자기 유도법칙에 의해 2차 코일에 소리진동과 동일한 파형의 기전력(전압)이 유도되고 이 신호를 증폭시켜 스피커로 보내면 증폭된 소리를 발생하게 된다.

 카본 마이크는 탄소가루에 의한 저항변화가 민감하지 않기 때문에 소리의 왜곡이 크게 발생하는 문제로 인하여 성능이 좋지 못한 마이크이다. 최초의 마이크로폰이며, 현재는 거의 사용하지 않는 마이크 타잎이다.

 

2. 전자기유도법칙에 의한 전기신호 발생하는 마이크

 영국의 Micle Faraday가 발견한 전자기 유도법칙이란 자기장의 세기변화에 따라 코일에 기전력이 유도되는 물리적 현상으로써 발전기의 원리가 되는 법칙이다.

 1) 다이내믹 마이크 

                                           [그림 2] Dynamic mic. (  from Hyperphysics)

 [그림 2]에서 보는 바와같이 자석에 의해 구성된 자기장(B)이 형성된 틈(gap)에 놓인 코일이 소리신호에 따라 진동하면 전자기 유도법칙에 의해 코일선에 전압이 소리신호와 동일한 파형으로 유도된다. 이 신호를 증폭시켜 스피커로 보내면 소리가 증폭된다. 대중화된 마이크로써 노래방 마이크로 사용된다.

 다이내믹 마이크는 다이내믹 스피커와 동일한 구조를 갖고 있다. 다만 스피커는 코일로 유입되는 전기신호에 따라 콘(cone)을 진동시켜 소리를 발생하지만 다이내믹 마이크는 콘(진동판)으로 입사하는 소리신호에 따라 코일이 진동하고 그 코일에 전기 신호를 발생하는 구조이다.  이는 마치 발전기와 모터의 관계와도 같다.

 2) 리본 마이크

                                             [그림 3] Ribbon mic. (from Hyperphysics)

 리본 마이크는 리본스피커와 역 작용하는 마이크라고 보면 이해가 쉽다. 코일도선 대신에 전도성 금속이 자기장안에 놓여 있다. 소리신호가 금속리본에 닿아 진동하면 위치가 진동폭 만큼 변화하게되고 그러면 리본에 기전력이 발생하여 소리와 같은 전기 신호가 발생한다. 이 신호가 [그림 1]의 트랜스포머를 통하여 증폭기로 전해진다. 

 일반적으로 리본마이크는 사이즈가 크다. 그러나 근래에는 리본을 지면에 수평하게 놓아 소형화가 가능해졌다. 리본을 구(球)형으로 만든 구형 리본 마이크도 있다. 구형 리본 마이크는 고음역 수음능력이 좋다. 리본 마이크는 관리도 어렵고, 출력 레벨이 낮으며, 일반적으로 고가이기 때문에 음악 녹음이나 방송용 등 제한적으로 사용되고 있다. 

 

3. 콘덴서형 마이크

 콘덴서는 전기를 저장하는 소자이기 때문에 전기용량으로 전기 저장 능력을 나타낸다. 마치 물통의 체적용량으로 물을 얼마나 담아둘 수 있는가를 나타내는 것과 같다.  전기용량의 단위는 1volt의 전위차로 몇 Coulomb의 전기를 가두어 둘 수 있는가를 나타내는 Farad(1F=1C/V=1000000)을 사용한다. 콘덴서에 전기를 가두는 원리는 부호가 다른 전기 사이에 인력이 나타나는 원리를 이용하는 것이다. 서로 당기되 만나지는 못하도록 약간 떨어뜨리면 서로 서로 구속하여 전기를 저장하는 것이다.  아무튼 전기용량 C(F)는 마주보는 두 개의 금속판이 넓을수록, 두 금속판의 간격이 좁을수록 크다.  그러므로 충전된 전하량 Q가 일정하면 전기용량 C가 변할 때 두 개의 금속판 사이의 전압 V=Q/C도 변한다. 

 1) 콘덴서 마이크

                                            [그림 4] Condenser mic. (from Hyperphysics)

 콘덴서 마이크는 [그림 4]에서 보는 바와같이 바이어스를 걸어주는 배터리가 있어서 콘덴서를 구성하는 두 개의 금속판에 부호가 다른 전기량 Q를 갖게 된다.  이 때 소리신호가 마이크로 들어와 한 개의 금속판을 진동시키면 두 개의 금속판 사이의 간격이 작아졌다 커졌다 하면서 변하게 된다. 그러면 전기용량이 변하게 되고 결과적으로는 두 금속판 사이의 전압 V=Q(일정)/C(변화)가 소리 시그널과 같은 파형으로 변하게 된다. 즉, 소리신호가 전기신호로 전환된다. 하지남 콘덴서형 마이크에서 초기에 얻어지는 전기신호는 너무 미약하기 때문에 전기 신호를 Preamp.(전단증폭기)를 통하여 증폭시킨 후에 메인증폭기로 증폭하여 기록하던가 스피커로 보내서 소리로 재전환한다.

 2) 일렉트릿 마이크

 일렉트릿 마이크(Electret microphone)는 콘덴서형 마이크의 일종으로써 영구적으로 정전기를 갖는 일종의 중합체 플라스틱을 사용하여 한 개 진동판을 만든다.  그러면 이미 일정 전하량을 확보하고 있으므로 별도의 배터리나 전원이 필요하지 않다. 그 외의 작동 원리는 콘덴서 마이크와 같다.

                                                      [그림 5] Electret mic. (from Hyperphysics) 

 이와같이 정전형이나 콘덴서형 마이크의 수음부 즉, 소리가 입력하는 쪽의 진동판은 전도성 있는 필름류를 사용할 수도 있다. 전도성있는 필름은 플라즈마 증착이나 스퍼터링을하면 만들수가 있다. 정전형 마이크는 아주 소형으로 만들 수 있기 때문에 헤드셋 마이크나 핸드폰 마이크로 널리 사용된다.

 3) 크리스탈 마이크

                                               [그림 6] Crystal mic. (from Hyperphysics)

 크리스탈 마이크는 세라믹 마이크와 같은 원리로 작동한다. 즉, 피에조(piezo)효과라고 부르는 압전효과를 이용하기 때문이다. 압전효과는 프랑스의 퀴리형제가 발견한 현상으로 정방정계의 결정을 제외한 모든 결정체에 압력을 가하거나 얇은 박편 결정을 휠 때, 표면에 전하가 유도되어 두 면 사이에 전위차 즉, 전압이 나타나는 현상이다. 

 [그림 6]에서와 같이 소리신호가 진동판에 입력하여 진동판이 진동하면 띠모양의 압전결정의 한 쪽 끝이 진동한다. 그러면 압전체가 좌우로 휘어진다. 이 때 압전체의 양 표면에 소리신호와 같은 전위차가 형성된다. 압천체의 표면에는 전도성 금속물질이 코팅되어 있어서 양단에 도선을 용접하면 전기신호를 얻게된다. 이를 전단증폭시키고 다시 메인증폭기로 증폭시킨다. 이 압전 마이크는 신호 분해능이 좋아서 소리를 명료하게 전기신호로 바꾸고 소형화가 가능하기 때문에 보청기 마이크나 핸드폰의 마이크로 많이 활용되어 왔다.

 4) 멤스 마이크

 멤스(mems) 마이크도 콘덴서 마이크와 동일한 원리로 작동한다. MEMS란 Micro Electro Mechanical System이란 말로써 반도체제작 기법으로 만들어지는 전기적이고 기계적으로 작동하는 소형 소자를 말한다. 

                                     sound pressure  

                                                             [그림 7] MEMS mic. (www.njr.com)

 [그림 7]에서 보는 바와같이 멤스 마이크는 몇 mm 크기의 소형이지만 확대해서 보면 두 개의 금속평판이 있고, 그 중에 한 개 판이 소리가 입력하면 진동하여 역시 전기용량의 변화에 따른 전압 전기신호를 발생하는 구조이다. [그림 7]에서 PAD에 도선을 연결하면 전기신호를 인출할 수 있다.

  MEMS 기법은 최근에 각광받는 기술로써 각 종 센서를 제작하고 소형 장비를 제작하는데 두루 적용되고 있다. 마이크도 엄밀하게는 음향센서이다. 아무튼 MEMS 소자의 전기신호는 어떤 신호던지 소형장비에서 발생하기 때문에 미약할 수밖에 없지만 다행인 것은 반도체 기법으로 센서와 같은 기판에 전단증폭기나 회로 소자를 집적시킬 수 있다는 점이다. 현재 멤스 마이크는 보청기 마이크와 고급핸드폰에 사용되고 있으며 그 범위가 빠르게 확대되는 추세에 있다.

 

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