이진영, 요시다 아키라, 이시카와 미츠하루, 오츠카 카즈키, 하야시 코타, 이토 켄
Jinyoung LEE, Akira YOSHIDA, Mitsuharu ISHIKAWA, Kazuki Otsuka, Kota Hayashi, and Ken ITO
도쿄대학
The University of Tokyo

초록
Abstract

유기 피에조 필름과 전도성 유기 고분자를 사용하여 피에조 액추에이터를 제작하고, 이를 활용하여 청각 AR(Augmented Reality) 디바이스를 개발 및 평가하였다.

2010년대 이후 산업용 AR 글라스는 급격하게 보급되었다. 그러나 산업현장에서는 작업 안전상 귀를 막지 않는 것이 의무화되어 있어 청각 AR 기술은 확산되지 않고 있는 실정이다. 본 연구 그룹은 귀를 막지 않는 FULL-EARS-FREE 청각 시스템 개발을 추진하여 미디어를 통한 청각 정보와 현실 세계의 환경음을  장시간에 걸쳐 안정적으로 동시에 청취할 수 있는 독자적인 청각 AR 디바이스를 제작하였다.

액추에이터에는 유기 고분자 압전 소재인 PVDF-축연신 분극 필름, 유기 전극으로는 유기 전도성 고분자, PEDOT:PSS를 사용하였다. 액추에이터는 피에조 필름 양면에 구리박 전극을 배치, PEDOT:PSS용액을 전체적으로 도포한 후에 절연과 표면 보호를 위해 코팅을 하여 완성하였다. 음성신호의 전압이 구리박 전극을 통해 PEDOT:PSS 유기 표면전극에 인가되어 피에조 필름 전체의 압전 소자를 구동시킨다(Fig 1).

본 연구진은 폭 20mm × 길이 200mm의 리본 상태의 액추에이터를 둥글게 말아 코일/실린더 형태로 3차원 구축함으로써 귀를 막지 않는 청각적 AR을 실현시켰다(Fig2, 3). 이는 FULL-EARS-FREE 청각 AR 모듈이며 안전 확보를 위해 주위 환경음을 통해 공간을 인지해야 하는 산업현장, 예를 들면 자동차 조립 공장의 생산 라인 또는 귀항 비행기의 착륙 점검 등 단시간에 정밀한 작업이 요구되는 현장에서의 활용이 기대된다.

제작한 피에조 액추에이터의 에너지 효율을 조사했다. 피에조 액추에이터는 회로상 콘덴서 역할을 하기에 직류 전류가 거의 흐르지 않아 에너지 효율이 높을 것으로 예상된다. 이에 피에조 액추에이터와 마그네틱 스피커 각각에 동일한 음압을 출력시켜 소비전력을 측정 및 비교하였다. 피에조 액추에이터를 이용한 오디오 디바이스는 기존의 마그네틱 스피커에 비해 에너지 효율이 상당히 높았다.

피에조 필름 액추에이터는 형상을 만곡 시키면 출력이 향상된다. 이에 사이즈, 구리박 전극의 형상, 코팅의 유무, 만곡의 곡률 반경을 변경할 수 있는 측정 프레임에 설치하였다. 시료에 실험용 신호를 보내 동일한 물리적 음압 조건에서의 유효 지속시간을 측정, 기존 마그네틱 스피커에서의 측정 결과와 비교하였다. 피에조 필름 액추에이터에서는 마그네틱 스피커보다  상당히 긴 유효 지속시간이 관측되었다. 이에 피에조 필름 액추에이터를 활용하여 고령자 및 난청자를 대상으로 종래의 제품보다 청취 이해가 높은 오디오 디바이스가 구현 가능할 것으로 기대된다.