올-실리콘 MEMS 스피커: 오디오 기술을 혁신하는 모놀리식 설계

기존 일렉트릿 콘덴서 마이크가 오랫동안 가장 널리 사용된 마이크였지만, MEMS(미세전자기계시스템) 마이크가 점차 이를 대체하고 있다. 보이스코일 스피커가 오랫동안 가장 많이 사용된 스피커였지만, MEMS 스피커가 이를 대체할 수 있을까? 산타클라라 기반 스타트업 xMEMS Inc.는 액추에이터와 멤브레인 전체를 실리콘으로 구현한 MEMS 스피커로 게임 체인저를 목표로 하며, 보이스코일과 하이브리드 MEMS 스피커를 능가하고자 한다.

검증된 기술?

2017년 10월 설립된 xMEMS는 스텔스 모드에서 벗어나 세계 최초 모놀리식 트루 MEMS 스피커라 주장하는 제품을 선보였다. 고충실도, 풀-대역폭 사운드, 낮은 고조파 왜곡을 제공해 TWS 이어버드, 인이어 모니터, 헤드폰 같은 스마트 개인용 오디오 디바이스에 적합하다. Montara라 명명된 이 MEMS 스피커는 4월부터 선택 고객에게 샘플링되었고, 엔지니어링 샘플이 더 많은 OEM과 제조사에 공개되었으며, 연말부터 리스크 오더가 시작되고 2021년 4월 양산이 계획되어 있다.

xMEMS의 Mike Housholder

Montara가 최초의 '트루' MEMS 스피커라면 '가짜' MEMS 스피커가 있다는 뜻인가? 답은 아니지만, xMEMS는 단어 선택에 신중하다. 스피커의 한 구성요소만 MEMS로 대체하는 것만으로는 MEMS 스피커라 할 수 없다. Montara는 "최초의 모놀리식, 단일 다이, 올-실리콘 스피커로, 팹에서 나와 바로 완전한 기능을 하는 스피커다"라고 xMEMS의 마케팅·비즈니스 개발 VP Mike Housholder는 EE Times에 말했다. "전통적인 반도체 패키징 외에 추가 공정과 조립 단계가 없다."

Montara는 셀 기반 아키텍처를 가지며 각 사각형이 개별 스피커다. "압전 MEMS 액추에이터가 있고, 그 위에 실리콘으로 에칭된 스피커 멤브레인이 있다." 실리콘 멤브레인은 압전 MEMS 액추에이터에 의해 위아래로 밀리며 공기 압력을 생성해 멤브레인을 움직여 소리를 만든다. "기본적으로 Montara의 첫 구현에서 6개 셀 어레이를 만들었고, 이 6개 셀이 협조적으로 움직여 사운드 신호를 생성한다."

왜 MEMS인가?

보이스코일 기술은 1세기 역사를 가지며 잘 작동하는 듯하다. 하지만 다중 구성요소 보이스코일 스피커는 노동 집약적이고 변동성이 큰 공장 조립 라인을 필요로 한다. 보이스코일 스피커는 반자동화되어 있어 "어떤 스피커 공장이든 수백, 수천 명의 작업자가 자석에 보이스코일을 수동으로 감고, 플라스틱이나 종이 멤브레인을 장착한다. 인간이 개입하면 변동성이 생긴다." 이어폰 제조 시에는 "작업자들이 좌우 스피커 소리가 대략 같도록 캘리브레이션과 매칭 과정을 거쳐야 한다." 이 캘리브레이션 단계는 필연적으로 시간과 비용이 든다.

xMEMS가 제공하려는 것은 "완전한 반도체 공정의 이점: 균일성, 반복성, 일관성"을 가진 풀 대역폭 스피커다. "매우 타이트한 가드 밴드로 모든 스피커가 서로 매우 유사하게 수행되므로 이어버드 조립 라인에서 캘리브레이션과 테스트 단계를 없앨 수 있다."라고 Housholder는 말했다.

또한 압전 소재는 방진·방수 특성이 있어 "특수 코팅이나 방수 메시 없이도 방수, 방진 스피커를 매우 쉽게 만들 수 있다." 기본적으로 팹에서 나온 칩이 IP-57 등급이다.

xMEMS의 Montara 스피커

현재 시장의 모든 스피커는 가청 주파수 대역 내에 공진 주파수를 가지지만, 이 공진은 제조와 스피커·이어버드 설계 과정에서 다뤄야 할 부자연스러운 사운드 프로파일을 만든다. 보이스코일 스피커로는 "공진을 감쇠시키거나 필터링을 설계해야 한다." Montara의 공진 주파수는 "가청 주파수 대역 북쪽(20kHz 이상)에 있어 우리 스피커에는 특별한 감쇠, 필터링, 보정이 필요 없다."

대부분 스피커가 이어버드 하우징에 접착되거나 서브 어셈블리에 장착되는 반면, Housholder는 Montara가 접착, 서브 어셈블리 장착, 또는 다른 반도체 부품처럼 PCB에 납땜 실장이 가능하다고 말했다.

음질 최우선

미디어 소비가 언제 어디서나 일상이 되었고, 소비자들은 향상된 오디오 품질을 점점 더 요구한다. 시장조사업체 Canalys에 따르면 전 세계 스마트 디바이스 출하량은 2023년 30억 대를 넘어서고, 스마트 개인용 오디오 카테고리가 가장 빠르게 성장할 전망이다. 2020년에는 스마트 개인용 오디오 디바이스가 전년 대비 32.1% 성장해 4억 9천만 대에 달할 것으로 예상된다.

xMEMS는 빠르게 성장하는 니어필드 오디오 스피커 시장에 포지셔닝하며, 첫 두 제품 세그먼트는 TWS와 인이어 모니터다. "보이스코일과 동등하거나 더 나은 사운드를 내야만 새로운 설계에 고려될 수 있다"고 Housholder는 말했다. "압전 MEMS 스피커의 독특한 점은 기존 보이스코일 스피커가 고주파에서 딥(dip)되고 떨어지는 반면, 압전 MEMS로는 더 많은 SPL을 얻는다." 또한 "필터링해 밝은 소리나 따뜻한 소리로 성형할 때 사운드에 아티팩트를 도입하지 않는다"며 OEM이 사운드 프로파일을 조형할 수 있게 한다.

캘리포니아 스타트업은 단일 Montara로 2~4개의 밸런스드 아마추어를 대체할 수 있는 능력도 제시했다. "우리 스피커가 모놀리식, 올-실리콘이라 빠른 기계적 응답 시간을 가진다. 가장 큰 배당을 주는 곳은 액티브 노이즈 캔슬레이션이다."

가격은 공개하지 않았지만, Housholder는 시판 고급 솔루션과 벤치마킹했다고 밝혔다. "오늘날 밸런스드 아마추어 스피커와 경쟁력 있는 가격이 될 것이며, 동등한 가격으로 새로운 이점을 제공한다고 확신한다."

로드맵

Montara의 다양한 구성으로 더 낮은 가격대를 공략할 수 있다고 Housholder는 말했다. "2x2 셀 구성의 4개 스피커 셀로 더 낮은 가격과 미드레인지 시장 진입을 노린다." 헤드폰은 귀를 덮는 더 큰 컵이 있어 셀 수를 늘려 더 큰 소리를 내는 방안도 검토 중이다.

스타트업의 로드맵은 히어러블을 넘어선다. "스마트폰, 스마트 스피커, 홈 엔터테인먼트 사운드바, TV, 자동차 등 비-니어필드, 자유 공간 오디오 라우드스피커 시장이 크다"고 Housholder는 말했다. 라우드스피커에서 상당한 무게를 덜어낼 기회가 있다고 본다. "다양한 아키텍처로 라우드스피커 시장의 다양성에 접근하려 한다."

7월 xMEMS는 1,100만 달러 이상을 조달했다. 대만 주베이에 지사를 두고 26명이 근무 중이다.