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핵심 요약

초소형 스피커의 소리가 달라졌을 때 원인은 진동판, 구동 회로, 음향 통로 중 어느 쪽일까요? 2026년 연구는 압전 MEMS 스피커의 변형을 레이저 도플러 진동계(Laser Doppler Vibrometer, LDV)로 관찰하고 별도의 패키지 음향 시험을 수행했습니다. LDV는 각 위치가 얼마나, 어떤 위상으로 움직이는지 보여주며 마이크로폰은 실제 음압을 확인합니다. 두 계측을 같은 조건으로 연결해야 설계 변경의 효과를 설명할 수 있습니다.

1. 왜 지금 주목해야 하는가

미세전자기계시스템(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS) 스피커 개발에서는 소자만 작게 만드는 것보다 패키지에 넣었을 때의 응답을 함께 맞추는 일이 중요합니다. 2025년에는 소자의 등가 모델을 이용해 귀 안의 음향 응답을 보정하는 연구도 발표됐습니다.[2] 2023년 검증 모델 연구가 다룬 점성 손실과 후면 공간의 영향 역시, 진동판 자체의 특성과 음향 부하를 분리해야 하는 이유입니다.[3]

이어버드 및 소형 음향 모듈의 연구개발 분야에 적용할 수 있는 기술자료로써 출하 전 전수검사 장비를 바로 구성하기보다, 문제가 생긴 주파수에서 어느 부분의 움직임이 달라졌는지 찾아 소자 설계와 조립 조건을 수정하는 용도로 제안합니다.

2. 무엇을 측정하고 무엇과 비교하는가

대상은 진동판 중앙, 분할 구동부, 가장자리와 지지부의 국부 운동입니다. 구동 전압에 대한 표면 속도, 정상 조화응답의 변위, 위치별 진폭과 위상을 얻습니다. 음압과 전기 임피던스는 별도 채널의 결과입니다. 작은 진동판에 센서를 부착하지 않는 장점이 있지만 광학 접근을 위해 패키지를 열면 원래의 음향 부하가 바뀔 수 있습니다.

3. LDV 적용 원리 | 진폭만큼 위상도 중요합니다

LDV는 빔 방향 속도를 측정합니다.[4] 면외 운동이 지배적인 평면을 법선 방향에서 스캔하고 실제 전극 전압을 위상 기준으로 사용합니다. 점마다 최대 진폭만 모으면 서로 반대 방향으로 움직이는 부분을 놓칠 수 있습니다.

X: 복소 변위 [m], V: 복소 속도 [m/s], f: 주파수 [Hz], Q: 체적속도 [m³/s], 
Vn,i: i번째 점의 법선 속도, ΔSi: 해당 점이 대표하는 면적 [m²].

두 식은 동일 주파수의 선형 조화응답과 일관된 법선 방향을 전제로 합니다. Q만으로 귀 안의 음압이 정해지는 것은 아닙니다.

그림 1. 소자 진동과 음향 결과를 나누는 검증 흐름

4. 시험 및 측정 구성

표 1. 대표 연구의 확인 조건과 현장 확장 범위

실무에서는 저진폭 주파수 탐색으로 시작하고, 구조를 대표하는 위치를 먼저 확인한 뒤 격자를 늘립니다. 가장자리와 좁은 간극에 빔이 걸리면 주변 구조의 반사광이 섞일 수 있으므로 조사 영상과 좌표를 함께 저장합니다. 미세 구조에 반사테이프를 붙이는 대신 원래 표면에서 수신되는 광학 조건을 우선 검토합니다. 전압은 신호발생기 설정값뿐 아니라 실제 소자 단자에서 확인합니다. 위상과 진폭의 기준이 구동 증폭기 앞인지 뒤인지 명시하고, 스캔 사이에 온도와 바이어스가 변하지 않도록 관리합니다. 열림 상태와 닫힘 상태는 별도 시험으로 구분하며, 광학창이나 개구를 추가했다면 그 자체의 음향 영향을 대조합니다.

5. 데이터 처리와 결과 해석

첫 결과는 “소리가 좋아졌다”가 아니라 “어느 주파수에서 어떤 부분의 움직임이 바뀌었다”로 제시합니다. 구동 전압으로 정규화한 진폭 지도와 동일 기준의 위상 지도를 함께 보되, 결측점을 정지한 영역처럼 영으로 채우지 않습니다. 공진 부근에서 국부 변형이 커져도 전체 체적속도나 방사음이 같은 비율로 증가한다고 볼 수 없습니다.

LDV 실측과 FEM 해석으로 본 진동판 변형

그림 2는 두 MEMS 스피커 소자의 면외 동적 변위를 LDV로 측정하고, 유한요소법(Finite Element Method, FEM) 해석과 비교한 사례입니다.[1]

그림 2. MEMS 스피커의 면외 동적 변위 비교 직류 바이어스 15 V와 교류 전압 30 Vpp를 100 Hz로 인가한 조건에서, LDV로 측정한 스피커의 면외 동적 변위 지도입니다. (a)는 소자 I, (b)는 소자 II의 실측 결과입니다. 이에 대응하는 FEM 동적 변형 해석은 소자 I을 (e), 소자 II를 (f)에 나타냈습니다. 중앙 단면 A–A′의 면외 변위 분포는 실측 결과를 (c), (d)에, 해석 결과를 (g), (h)에 각각 제시했습니다.[1] 패널 읽는 순서 소자 I: (a), (c) 실측 ↔ (e), (g) 해석 소자 II: (b), (d) 실측 ↔ (f), (h) 해석 그림 해설  소자 I는 중앙부가 비교적 평탄하고, 소자 II는 중앙으로 갈수록 변위가 커지는 둥근 분포를 보입니다. FEM 해석에서도 대응하는 변형 형상이 나타납니다. 중심 한 점의 변위뿐 아니라 진동판 전체의 분포를 비교하는 LDV 활용 사례입니다.[1] ※이 그림은 100 Hz에서의 변위 분포 비교입니다.    (위상 분포나 패키지 공진, 음압 성능을 직접 보여주는 결과는 아님)

소자 공진과 패키지 공진을 구별하려면 비교 변수를 나눕니다. 같은 소자를 두 패키지 조건에서 측정해 음향 변화가 큰지 살피고, 같은 패키지에 다른 소자를 넣어 기계 편차가 남는지 확인합니다.

표 2. 결과를 읽는 순서

음향 보정 전후에는 전기 입력 제한과 변위 여유도 함께 확인합니다. 원하는 음압 곡선을 얻었다는 이유만으로 소자의 기계적 부담이 줄었다고 판단하지 않습니다. 연구의 고전압 시험에도 측정 범위를 제한한 구간이 있으므로, 공개 음압 곡선의 일부를 전체 구동 조건으로 확대하지 않는 것이 중요합니다.[1]

실무 검증 제안 | 소자 편차와 조립 편차를 나눕니다

표 3. 원인 분리를 위한 대조시험

대표적인 한 소자의 고른 진동으로 제조 묶음 전체를 설명하지는 않습니다. 초기 개발에서는 여러 소자의 위치별 응답 분포를 비교하고, 다시 조립했을 때의 변동을 분리해 기록합니다. 패키지 개방 상태에서만 재현되는 특징을 완성품 검사 기준으로 사용하지 않습니다.

6. 기존 측정 방식과의 비교

표 4. 계측의 역할 비교

7. 오차 요인과 보완 방법

스폿이 경계를 넘으면 측정 위치의 의미가 흐려집니다. 측정 영상에서 조사 영역을 확인하고 가장자리 격자를 별도 관리합니다. 순차 스캔 중 바이어스나 온도가 변하면 공간 편차처럼 보일 수 있으므로 시작점의 응답을 중간과 종료 시점에 다시 확인합니다. 패키지 개방으로 생긴 공진 변화는 광학 오차와 구별해야합니다.

저주파 속도를 적분해 변위를 만들 때는 기준선과 드리프트를 관리합니다. 고주파 변위 환산에는 동일한 진폭 정의를 사용하고 피크, 실효값, 피크-피크 값을 섞지 않습니다. 입사각 보정은 운동이 법선 방향이라는 근거가 있을 때만 적용하고, 면내 운동이 유의하면 다방향 계측을 검토합니다.

시험 전 확인 항목

8. Optomet 및 G.U. 적용 관점

SMART Scan+는 진동판의 다점 응답을, SMART Lab은 취득 신호의 시간 및 주파수 분석을 검토할 수 있습니다. [5,6] 실제 적용은 소자 크기에 맞는 광학 스폿, 작업거리, 위상 기준 입력과 유효 대역부터 확인합니다.

당사와의 기술 검토에서는 소자 도면, 패키지 개방 허용 여부, 구동 전압과 관심 주파수를 함께 확인하고, 소자 진동과 최종 음향 평가를 연결할 측정 구성을 구체화할 수 있습니다.

9. 결론

LDV는 소리의 원인을 진동판의 위치별 운동으로 좁히는 데 유용합니다. 소자 진동, 패키지 부하, 음압 결과를 나누어 비교하면 설계 변경의 효과를 더 명확하게 설명할 수 있습니다. 소자별 반복성과 실제 조립 조건까지 확인한 범위에서 검사 기준으로 확장해야 합니다.

10. 참고문헌

[1] C. Gazzola, F. P. Perli, F. Cerini, S. Adorno, P. Lotton, M. Melon, A. Corigliano, “High Performance Mechanically-Open and Acoustically-Closed MEMS Loudspeakers for In-Ear Applications,” Journal of Microelectromechanical Systems, 35(2), 250–260, 2026. 

[2] O. Massi, R. Giampiccolo, A. Bernardini, “Equalizing the In-Ear Acoustic Response of Piezoelectric MEMS Loudspeakers Through Inverse Transducer Modeling,” Micromachines, 16(6), 655, 2025. 

[3] H. Hassanpour Guilvaiee, P. Heyes, C. Novotny, M. Kaltenbacher, F. Toth, “A validated modeling strategy for piezoelectric MEMS loudspeakers including viscous effects,” Acta Acustica, 7, 24, 2023. 

[4] C. Rembe, I. Bucher, B. Halkon, Y. Li, V. Mazzoni, L. Scalise, M. Schewe, Y. Zeng, “Laser Doppler vibrometry,” Nature Reviews Methods Primers, 6, 30, 2026. 

[5] Optomet GmbH, “SMART Scan+,” https://www.optomet.com/kr

[6] Optomet GmbH, “SMART Lab Software,” https://www.optomet.com/kr