일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2020.5.19

인공근육을 진동시켜 소리를 내는 스피커 개발
시바우라 공업대학

-- 구형의 유전체 엘라스토머 액츄에이터로 무지향으로 --
시바우라 공업대학은, 유전체 엘라스토머 액츄에이터(Dielectric Elastomer Actuator: DEA)를 이용한 스피커를 개발했다고 발표했다. 공학부 기계기능공학과 교수 호소야(細矢) 씨 등의 연구 팀에 의한 성과이다. 반구형이나 구형으로 성형한 DEA를 고속으로 진동시켜 소리를 내는 구조. 사람에게 들리는 음역에서는 거의 무지향으로, 스피커를 중심으로 한 전방위로 소리가 전달된다.

DEA는 캐퍼시터와 같이, 고분자 유전체 엘라스토머를 신축성이 있는 전극으로 끼워 넣은 구조로, 카본 블랙을 엘라스토머에 도포해 전극으로 하고 있다. 전압을 가하면 전극간의 전위차에 의해 서로 끌어당겨 쿨롱력이 생기고 유전체 엘라스토머가 세로(두께)방향으로 압축됨과 동시에 가로방향으로 늘어난다.

DEA는 경량이고 유연하다는 특징 때문에 인공근육 외에 발전(發電) 디바이스나 유연성이 있는 로봇 등에 대한 응용이 기대되고 있다. 인공근육으로서 이용되는 경우는 천천히 움직이지만 신개발의 스피커에서는 DEA를 1초에 최대 1만 6,000회(16 kHz)의 고속으로 진동시킨다.

음향방사 영역은 구형스피커가 0~270°, 반구형스피커가 0~180°이며 주파수에 따라 진동 모드 형상이 다르다. 연구팀은 전극 재료와 엘라스토머 두께, 구동 전압, 구체 크기 등을 조정해 진동 모드와 음향방사 특성을 제어해 16kHz까지의 영역에서 거의 무지향성이 되는 음향방사 패턴을 찾아냈다.

스테이지 레이아웃 등을 검토하기 위해 실내음향의 특성을 파악하려면 한 가지 점에서 전방위로 소리를 방사하는 음원(점음원)을 이용한 음향실험에서 잔향시간을 계측하는 것이 이상적으로 여겨진다. 일반적으로 점음원으로는 복수의 자석과 코일로 이루어진 스피커를 케이스에 부착한 정다면체 스피커를 사용한다. 하지만 스피커들이 무거운 데다 스피커가 음장에 비해 상대적으로 크면 점음원으로 볼 수 없다는 과제가 있었다.

반면 신개발 스피커는 음장이나 스피커의 크기에 상관없이 점음원을 구현할 수 있다고 한다. 수 그램(g)으로 가볍고 형상 변경이 용이하므로 다양한 장소에 설치하기 쉬운 것도 장점이다.

음향기기 외에 수중로봇이나 펌프, 압력센서, 가진기, 더 나아가 애드벌룬 등 어뮤즈먼트∙광고 영역에서의 용도로도 상정할 수 있다. 시바하라 공대는 이 스피커 기술에 대해 '3차원 유전체 엘라스토머 구조체와 그것을 이용한 스피커 및 3차원 유전 엘라스토머 구조체의 제조방법'(출원번호: 019-132812)으로 특허를 출원했다.

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