20일 찾은 서울대 화학생물공학부 장정식 교수 연구실. MP3플레이어 버튼을 누르자 흥겨운 팝송이 흘러나왔다. 하지만 덩치 큰 스피커는 찾아볼 수 없다. MP3플레이어에 연결된 가로×세로 5㎝짜리 투명한 필름에서 소리가 흘러나왔기 때문. 홍진용 박사과정 학생이 필름 양쪽을 잡고 구부리니 소리가 조금 더 커졌다.
장 교수는"그래핀을 이용해 만든 스피커라 휘었을 때 소리가 더 잘 난다"고 말했다.
장 교수 연구팀은 그래핀 전극과 PVDF(불소고분자) 필름을 이용해 잘 휘어지는 투명한 스피커를 개발했다. 이 투명 스피커는 자동차 차창이나 컴퓨터 모니터 등에 스티커처럼 부착해 다양하게 활용할 수 있을 것으로 전망된다.
연구 소재로 쓰인 그래핀은 전기가 잘 통하고 충격에 강하면서도 가볍다. 연구팀은 물에 잘 녹지 않는 그래핀을 PVDF 필름에 코팅하기 위해 일단 물에 잘 녹는 산화그래핀(GO)을 잉크젯 프린터에 넣었다. 잉크젯 프린터에서 고르게 분사된 산화그래핀은 전기를 띠지 않는다. 연구팀은 양쪽에 산화그래핀을 입힌 필름을 섭씨 90도의 오븐에 넣고 특정물질(환원제)을 뿌렸다. 증기 때문에 환원제가 산화그래핀에 얇게 붙어 다시 전기를 띠게 된다.
기존 스피커는 소리를 만드는 진동판이 따로 들어가기 때문에 부피가 커진다. 하지만 그래핀을 이용한 필름 스피커는 필름 자체가 진동판 역할을 한다.
PVDF 필름은 전기자극을 받으면 규칙적으로 배열된 내부 원자들이 (+)극과 (●)극 방향으로 꼿꼿하게 선다. 이때 (+)극과 (-)극이 번갈아 가며 바뀌는 교류전압을 걸면, 필름 자체가 팽창했다 수축하게 돼 소리가 나는 원리다. 60~70마이크로미터(1000분의 1㎜) 두께 필름 하나가 스피커 구실을 해낸다.
이 투명 스피커는 `중저음`에 속하는 100헤르츠(㎐)에서 사람이 들을 수 있는 최대 고음인 20㎑ 이상 음역을 낸다. 기존에 그래핀 외 다른 전극을 사용한 박막 스피커보다 음역이 넓다.
기존 전극의 3분의 1 전력만으로도 소리를 낼 수 있는 것도 장점이다.
이 필름 스피커는 소리를 흡수하는 기능도 있어 소음 차단에 활용할 수 있다.
연구에 참여한 신근영 박사과정 학생은"특정 주파수 소리를 내려고 자극을 주면 그 주파수 외에 다른 잡음과 울림이 생기는데, 이 필름 스피커는 그런 잡음을 흡수(댐핑 효과)한다"고 설명했다. 원하는 소리를 깨끗하게 듣고, 잡음은 낮춰준다는 것이다. 건물 유리창에 이 필름을 부착하면 내부로 음악소리를 깨끗하게 전달하면서 외부 소음은 차단하는 이중 효과도 기대된다.
장 교수는"잉크젯 프린터를 이용해 균일하고 얇은 그래핀 전극을 만들었다는 데 의미가 있다"며"스피커를 테이프처럼 붙이게 되면 다양한 활용이 가능할 것"이라고 말했다. 연구 결과는 지난 11일 화학 분야 학술지인 `CHEMICAL COMMUNICATIONS`에 게재됐다.
서울대학교 연구처