투명 전도성 나노막을 개발한 UNIST 연구진. 사진 왼쪽부터 강세원 연구원, 고현협 교수, 조승세 연구원.(사진 = UNIST 제공)
어디든 붙여서 소리를 출력하는 '투명한 스피커'와 성대의 진동을 감지해 각 사람의 목소리를 구분하는 '투명한 마이크로폰'이 개발됐다.
웨어러블 전자기기는 물론 음성인식과 음성지문보안, 로보틱스 등 다양한 분야에도 응용이 가능할 전망이다.
UNIST(울산과학기술원, 총장 정무영) 에너지 및 화학공학부 고현협 교수팀은 투명하면서 전기전도성을 가지는 나노막(Nanomembrane)을 제조하고, 이를 음향소자에 응용해 신체를 비롯한 다양한 사물에 부착이 가능한 스피커와 마이크로폰을 개발했다.
이 기술은 미국과학협회(AAAS)에서 발행하는 세계적 권위지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 3일자에 발표됐다.
나노막은 나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 두께의 매우 얇은 막이다.
고분자 나노막은 어디든 잘 달라붙고 무게가 가벼운데다 유연한 소재로 활용도가 높다.
하지만 얇기 때문에 잘 찢어지고 전기전도성이 없다는 한계도 있다.
고현협 교수팀은 고분자 나노막에 은 나노와이어(Siver Nanowire)를 함몰시켜 이러한 단점을 해결했다.
전기가 잘 통하는 은 나노와이어로 그물 구조를 형성해 100 나노미터 두께의 나노막에 전기가 통하면서 기계적인 특성을 향상시킨 거다.
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 말했다.
연구진은 실제 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 원리를 뜻한다.
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.
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 전망했다.
고현협 교수는 "사물인터넷이 발달하면서 인공지능 스피커나, 음성인식, 음성지문보안 등에서 센서 기술이 크게 주목받는 만큼 이번 연구도 산업적 파급력이 클 것이다. 이번 연구에서 개발한 다기능성 나노막 제조기술은 사물인터넷, 로봇, 웨어러블 전자산업에서 원천 소재기술로 다양하게 활용될 것"이라고 했다.