피에조 드라이버란?
피에조 드라이버(영어: Piezo driver)는 피에조 소자를 안정적으로 동작시키고 제어하기 위한 전원 및 제어 장치를 말합니다.
피에조 소자는 압전 효과, 역압전 효과를 이용하여 기계적 변위를 전압 값으로 변환하는 기능이나 인가된 전압을 기계적 동작으로 변환하는 장치로 압전 소자라고도 합니다. 특히 역학적 동작으로 변환할 경우, 서브마이크론 단위의 매우 미세한 제어를 고속으로 수행할 수 있습니다.
피에조 드라이버는 이러한 피에조 소자에 의한 정밀한 동작을 제어할 때 전원 및 제어 장치로서의 역할을 담당하고 있습니다.
피에조 드라이버의 사용 용도
피에조 드라이버는 미세한 위치 정렬이 필수적인 현미경이나 정밀 가공용 공작기계 등 미세한 동작 제어가 필요한 곳에 널리 사용되고 있습니다. 광학 현미경의 경우, X-Y 스테이지와 대물렌즈의 구동에서 피에조 드라이버를 활용하면 정확한 위치 결정을 고속으로 수행할 수 있습니다.
예를 들어, 살아있는 세포 내의 역동적인 현상을 고속 3차원 영상으로 촬영하는 경우와 같은 용도에 매우 적합합니다. 선반 등 공작기계에서도 서브마이크론 단위의 고정밀도가 요구되는 정밀한 작업을 할 때 피에조 드라이버가 많이 활용되고 있습니다.
피에조 소자를 사용한 액추에이터 장치의 성능을 충분히 발휘하기 위해서는 그 동작 제어를 담당하는 피에조 드라이버의 성능이 중요합니다.
피에조 드라이버의 원리
피에조 드라이버의 원리는 피에조 소자의 구동용 전원과 (압전 효과, 역압전 효과를 활용하기 위한) 미세한 전위를 정밀하게 다루는 제어 회로 기능을 가지고 있다는 점에 있습니다. 피에조 소자 자체는 커패시터로서의 성질을 가지고 있으며, 커패시터의 충전과 방전에 따라 이를 구동하는 전원부(피에조 드라이버 측)에는 출력 전류를 흡입 및 토출할 수 있는 증폭기형 전원으로서의 특성이 필요합니다.
피에조 소자는 극히 미세한 전압 변화에도 반응합니다. 만약 입력이 없는 정상 상태에서 회로 내의 전압 변화를 감지하면 아무것도 하지 않았는데도 피에조 소자가 구동되는 불량이 발생하므로 노이즈 성분에 주의해야 합니다.
피에조 드라이버의 전압 공급은 충분히 안정적이어야 합니다. 전원으로서의 안정성을 확보하기 위해 션트 레귤레이터 등을 내장하여 피에조 소자에 가해지는 전압을 모니터링하고 항상 피드백을 주고 있습니다.
이렇게 오동작이나 드리프트 노이즈를 최소화함으로써 피에조 소자의 정전 용량을 채우기에 충분한 전류를 안정적으로 공급하고, 입력으로 입력되는 제어 전압의 급격한 상승에 대해 단 몇 마이크로초 만에 구동을 완료할 수 있습니다.
피에조 드라이버의 기타 정보
1. PWM 제어형 피에조 드라이버
최근 SDGs로 대표되는 에너지 절감 추세에 따라 오디오 앰프가 PWM(Pulse Width Modulation: 펄스폭 변조) 제어를 활용하여 고효율화를 꾀하고 있는 상황에서 피에조 드라이버에도 PWM 제어형 앰프를 적용하는 업체들이 등장하고 있습니다.
전용 오디오 앰프와 달리 피에조 소자에 적합한 독자적인 저전류 고전압 타입의 PWM 제어형 앰프 개발로 소형 고효율의 피에조 드라이버가 제품화되고 있는 상황입니다.
2. 이어폰 및 스피커에 적용
압전소자 자체는 이전부터 음향 분야에서 사용되어 왔으나, 압전 스피커 등의 사용에 머물러 있었다. 하지만 최근 고음질 재생용 등 고급 이어폰에는 피에조 드라이버가 채용되고 있습니다. 피에조 드라이버에 전압을 가하면 피에조 소자는 압력을 발생시킵니다. 이 특성을 이용해 음악 신호를 전압으로 피에조 드라이버에 가하면 그에 따라 진동판이 진동합니다. 즉, 전압이 음성으로 변환되는 것입니다.
피에조 드라이버를 이어폰에 사용하는 장점은 다이나믹형처럼 코일로 음악 신호를 자력으로 변환하여 진동판을 진동시키는 신호 변환 과정이 없다는 점입니다. 또한 피에조 드라이버가 직접 진동판을 진동시키기 때문에 매우 빠른 속도로 작동하기 때문에 초고역 재생 능력이 매우 뛰어납니다. 따라서 고해상도 음원의 풍부한 초고역 정보를 재현하는 데 적합합니다.
다만, 피에조 드라이버를 채용한 이어폰은 그 성능을 살리기 위해 다른 중저음용 드라이버 등도 고급스러운 것을 채용하고 있어 제품 가격이 비쌉니다. 피에조 드라이버 스피커의 구조도 피에조 드라이버 이어폰과 거의 비슷합니다. 하지만 한 업체에서 출시한 피에조 스피커는 매우 얇고 유연한 구조로 다양한 물체를 진동시켜 소리를 낼 수 있습니다.
또한 기존 압전 스피커보다 넓은 음역대, 특히 취약했던 저음역대의 출력이 강화되어 있다. 최근 액정 TV는 매우 얇아져 기존 스피커를 탑재할 수 없는 경우가 많아지고 있습니다. 이러한 박형 TV에 위와 같은 필름형 박형 피에조 드라이버 스피커는 적합하며, 앞으로도 더욱 고음질화가 기대되는 상황입니다.