LG HSS-F730 쿼드비트4에 사용된 기술에 관한 코멘트 (HAT와 MLM)

이어폰 개발 관련 일을 하다보니, 종종 이어폰을 구매하려는 분들께 제품 추천 요구를 받고는 합니다. 그러면 (제가 만들었던 이어폰은 이미 단종에 망작이라) 제 제품이나 브랜드 제품 보다는 일단 핸드폰에 딸려 나오는 "번들" 이어폰을 사용해보시란 말씀을 드리곤 합니다.  LG가  쿼드비트1으로 저가형 이어폰의 음질 기준을 바꾸는 역사를 남긴 이 후, 대기업에서 출시하는 이어폰들의 품질 기준이 웬만한 브랜드의 저가형 이어폰보다는 훨씬 높기 때문입니다.

이러한 기대에 더불어  쿼드비트4는 여러 차례 버전업 되면서 축적된 노하우가  반영된 제품일 가능성이 높기 때문에 스펙이나 제품 자체를 개발자 입장에서 분석해 볼 필요가 있는 제품 같습니다. (뭐, 이어폰 개발에 대단한 노하우가 있겟냐마는....)   0dB 리뷰나 기타 리뷰를 살펴보니, 이 제품의 특징으로  2가지가 공통적으로 언급되고 있는 것 같습니다.  HAT(Housing Air Tube)와 MLM(Multi-layer Metal)가 그것 입니다. 이 2가지는 분명 일반적인 저가형 이어폰에서 쉽게 볼수 있는 일반적인 사양은 아닙니다.  그래서 이 2가지가 어떤 역할을 하는지 살펴봤습니다.

< HAT는 저역량을 어떻게 바꿀까? >

다음은 이어폰 세트의 구조를 단순화한 그림입니다.

(검정색 박스 : 이어폰 드라이버의 하우징, 회색 : 진동판,  파란색 박스 : 이어폰 하우징)

(V2, V1 : 각각의 하우징에 갇힌 공기의 체적, Leakage 1, 2 : 공기 구멍)

V1은 내부의 구조물 (자석, 폴 피스, 플레이트, 코일) 때문에 그림 상 체적보다 훨씬 작습니다. 파란색 관 앞에 이어팁을 달아서 귀에 착용하게 되겠죠. 그러면 노즐 방향으로도 V2보다는 큰 (그래서 그렇게 중요하진 않은) 공기 체적이 만들어집니다. 이렇게 갇힌 공기의 체적은 진동판에 대해 스프링처럼 작동하게 됩니다. 진동판의 면적이 같다면 공기 체적이 작을수록 공기의 스프링 값이 커지고, 공기 체적이 같다면 진동판의 면적의 제곱에 비례해서 공기의 스피링 값이 커집니다. 그래서 공기 체적과 스프링값(stiffness, K)은 서로 환산이 가능하고 스피커 구조에서 같은 역할을 합니다. 

특이한 점은 갇힌 공간(하우징)에 구멍을 뚫어서 leakage를 만들면, 갇힌 공기의 체적이 늘어난  것(스프링값이 줄어든 것)과 같은 현상이 생기게 되는데, 그 늘어나는 정도가 진동판 변위(움직인 거리)의 주파수에 따라 달라집니다. 즉, leakage가 있는 갇힌 공기의 스프링값은 주파수에 따라 변하게 됩니다.  진동판이 아~주 천천히 움직일 때는 공기가 새면서 진동판이 하우징을 느낄수가 없습니다. (체적이 무한대로 느껴짐, 갇힌 공기의 스피링값 0). 진동판이 빨라지면 진동판이 밀어내는 시간당 공기량이 증가하면서 공기 구멍을 통과하지 못하고 압축되는 공기가 생기게 되는데 이 때 압축된 공기가 스피링값을 증가시키는 역할을 합니다. 스프링값이 커진다는 얘기는 스프링이 쎄진다는 얘기고, 같은 힘을 줄 때 덜 움직이게 된다는 말입니다.  즉,  leakage를 만들어주면 공진주파수 이하에서는 주파수가 올라갈수록 스프링값이 "상대적으로" 점점 증가하게되고,  그 결과 다음의 그림과 같이 주파수가 올라갈수록 변위와 음압이 줄어들게 됩니다. (주의! "상대적으로"에서 비교 대상은 0Hz임, leakage가 있는 것과 없는 것의 대비가 아님. 쿼드비트4의 반응 아님.)

회색 : 튜닝된 이어폰 유닛의 주파수 응답, 빨간색 : 튜닝된 이어폰의 주파수 응답, 검정색 : 완전히 막힌 이어폰 유닛의 주파수 응답, 하늘색 : 완전히 개방된 이어폰 유닛의 주파수 응답

(참고 1) leakage가 전혀 없는 하우징의 스피커 유닛이나 하우징이 없는 스피커의 유닛의 변위는 공진 주파수 이하에서는 (재질의 점탄성 성질로 인한 "creep"이 없다면) "거의" 평탄하게 나타남. 

(참고 2) leakage가 생기면 위와 같은 현상과 더불어 구멍을 빠져나가는 공기가 마찰을 일으키기 때문에 기계적 저항 성분도 증가함. 공기 흐름을 제한하여 공기의 스프링값을 증가시켜도 스프링값^(1/2)에 비례하여 공진 주파수가 증가하지 않음.

(참고 3) 스프링값 (stiffness)은 공진 주파수 이상(질량 제어 영역)에서는 거의 역할을 하지 않음.

이어폰 드라이버의 저역량은 진동판이 공기 스프링의 영향을 받지 않는 상태에서, V1의 체적으로 변위를 제한한 다음, leakage 1으로 저역이 증가하는 기울기를 결정한다고 할 수 있습니다.  leakage 1은 이어폰 유닛의  "back-hole" 이라고 주로 불립니다. 유닛 제조사에서는 이 leakage 1의 통기량을 공진 주파수(F0)를 조절할 목적으로 최적의 통기량을 결정합니다. 홀을 완전 개방했을 때 (낮은 공진 주파수)와 홀을 완전히 막았을 때 (높은 공진 주파수) 의 사이에서 공진 주파수를 조절할 수 있습니다. 상대적으로 작은 V1의 체적에서 생기는 스프링값이 전체 스프링값(V1+V2+진동판 자체의 스프링값)에서 가장 큰 비중을 차지하기 때문에, 원하는 공진 주파수가 결정이되면 leakage1의 통기량은 (아예 드라이버 설계를 다시 하지 않은 한) 그렇게 자유도가 높지는 않습니다. 그리고 이렇게 결정된 leakage1의 통기량은 위에서 설명한대로 저역을 점점 증가시키는 역할을 하게 됩니다. 

leakage2는 이어폰 셋트를 설계할 때 결정됩니다. 작동 원리는 위에 설명한 leakage1과 동일하지만 V2와 V1의 비율 때문에 약간 다른 역할을 하게됩니다. V2 > V1인 경우, leakage2는 공진 주파수에 거의 영향을 주지 않습니다. (기계적 저항값 변화로 공진 주파수 부근의 주파수 응답의 피크를 부드럽게 할 수는 있습니다.)  다이나믹 이어폰 유닛 제조사들은 저역 증가가 많은 상태로 유닛을 설계하는 경우가 대부분이기 때문에, 스프링값 변화를 통해 추가적으로 저역량을 조절하기 위해 leakage2를 만들어 줍니다. (완전히 막으면 저역 최소, 완전히 개방하면 저역 최대.) 리뷰에도 나와 있듯이 일반적인 저가형 이어폰에서는 홀을 뚫고 망사나 종이 재질의 댐퍼 스티커를 붙여서 통기량을 조절합니다.  쿼드비트4는 댐퍼 스티커 대신 HAT라는 독특한 구조물을 채용하였습니다. 이 HAT는댐퍼 대비 다음과 같은 장점이 있는 것 같습니다.

- 댐퍼 스티커에 비해 낮은 부품 편차

- 댐퍼 스티커에 비해 높은 고주파 차음 (low-pass 필터) 능력

HAT와 같은 부품은 정밀하지 않으면 오히려 편차를 늘리기 때문에 금형비도 비싸고, 부착도 어려워 조립도 신경써야할 부분이 생기는데, 저가의 이어폰에  이러한 설계를 시도한 부분은 인정해 줘야할 부분인 것 같습니다.

(참고 4) HAT를 BASS를 내는 포트로 오해할 수도 있는데, 진동판 뒷쪽의 포트는 포트 공진이 고막쪽 음압에 기여를 하는 것이 아니라 오히려 공진 주파수에서 드라이버의 움직임을 멈추는 역할을 함

(참고 5) V2의 leakage2의 경로는 하우징의 홀과 이어폰  부싱(와이어가 하우징으로 들어오는 부분)인데, 하우징의 홀을 완전 밀폐시키면 부싱 쪽으로의 leakage가 편차를 일으킬 가능성이 높아지기 때문에 완전 밀폐로 설계하는 경우는 드뭄. 완벽한 부싱 부위의 기구 설계나  세심한 조립(본딩이나 실리콘 처리 등)으로 완전 밀폐를 할 수는 있음.

< MLM과 분할 모드 >

스피커의 진동판에서 생기는 분할 모드는 발생 원인으로 분류를 하면 bending 모드와 longitudinal 모드로 분류가 됩니다. bending 모드는 진동판이 구부러짐(bending) 때문에 생기는 모드이고, longitudinal 모드는 진동판이 횡방향(longitudinal)으로 팽창 압축되면서 생기는 모드입니다. 둘 다 보이스 코일이 진동판의 일부에만 힘을 전달하기 때문에 생기는 현상입니다. 낮은 주파수로 구동할 때는 진동판 전체가 같은 위상으로 움직이다가, 주파수가 높아지면  bending wave가 발생하면서 진동판의 움직임에 유의미한 위상차를 만들게 됩니다. 주파수가 더 높아지면서 bending 모드가  나타나고, 더 높아지면 bending과 logitudinal 모드가 동시에 나타나게 됩니다. bending 모드는 진동판이 꺾이면서 진동판 위치별 위상차를 만들지만, longitudinal 모드는 진동판이 늘어나면서 방사면적을 늘리는 역할을 합니다.

- bending 모드

위 그림처럼 두께가 있는 진동판의 한부분에 윗쪽으로 힘을 주면,  아래쪽은 수축하고 윗쪽은 팽창하면서 꺾이게 됩니다. 이 때 만들어진 팽창-수축은 면을 따라 파동으로 양방향으로 전달됩니다. 또, 엣지(진동판 끝부분)에 도달하면 이 파동이 반사되어 되돌아오기도 합니다. 이 2개의 방향이 반대인 파동이 만나면 특정 주파수에서 정재파(standing wave)를 만들기도 하는데, 이것이 bending mode입니다. 이 bending 모드에서는 진동판이 여러개로 나뉘어 움직이고, 진동이 없는 부분(node)이 만들어집니다. 나뉜 진동판의 위상에 따라, 음압에 기여하는 in-phase 성분과 음압을 상쇄하는 anti-phase 성분, 기여도 상쇄도 하지 않는 quadrature 성분이 만들어지면서 주파수 응답에 딥과 피크를 만들게 됩니다.

모든 진동판은 이 모드가 나타나는 고유 주파수들을 갖게 되는데, 일반적으로 이 bending 모드가 나타나는 주파수가 높을수록 원하는 주파수 응답을 얻는데 유리해 집니다. 따라서 이어폰 드라이버를 설계할 때 이 주파수를 높이려는 고려를 하게 됩니다. 분할 모드의 주파수 f는 V(파동 전달 속도)/ λ(파장의 길이, 파장)으로 결정됩니다. 고유 주파수들은 bending 파동의 속도가 빠를수록, 파장이 짧을수록 높아집니다.

최초로 문제가 되는 bending 모드의 파장을 줄이는 아주 간단한 방법은 진동판의 크기를 줄이면 됩니다. 통상 인이어 이어폰용 드라이버의 지름은 10mm 이하로, 이 크기의 드라이버에 생기는 bending 모드의 파장은 당연히 10mm/2 이하의 것들이게 됩니다. 때문에 비교적 높은 주파수에서 bending 모드가 나타나게 됩니다. 또, bending 파동의 속도는 같은 재질과 형상에서는 가진 주파수가 높을수록 증가하게 됩니다. 진동판의 지름이 작을수록 모드가 생기는 주파수가 올라가게되는데, 진동판이 작을수록 정밀도가 높아져야하고 감도가 줄어들기 때문에 적정한 타협을 하게 됩니다. 

파장의 속도를 높이는 방법은 bending stiffness를 높이는 방법으로 진동판에 주름을 주거나, 영율이 높고 가벼운 재질의 진동판(MLM의 메탈 층)을 사용하는 방법입니다. 이 방법은 고유 주파수에서의 공진을 제어해주는 적절한 댐핑 재료(MLM의 재진 층)와 함께 사용하여야 합니다. 쿼드비트4에 채택된 MLM도 이러한 의도로 설계된 진동판입니다.  LG에서 쿼빗1 부터 개발을 담당하고 있는 분의 얘기로는 진동판을 선정할 때 100여개 조합의 진동판 소재를 테스트 한 후 진동판을 선정한다고 합니다. 이어폰용 싱글 다이나믹  스피커 개발에서는 이제 남은 분야는 소재 분야 뿐이고, 그래서 LG에서도 그만큼 소재에 신경을 쓰는 것 같습니다. 조그만 회사에서 진동판 소재 개발은 엄두도 못낼 일이기 때문에 상당히 부럽습니다. ㅜ.ㅜ

- longitudinal 모드

longitudinal 모드의 주파수도 파동의 속도와 파장이 길이에 의해 모드의 주파수가 결정됩니다. 다만, bending모드와 다른 것은 재료의 두께와 상관없이 영률과 밀도에 의해서만 파장의 속도가 결정된다는 것이고, 진동판의 면적(유효 방사면적)을 늘려서 in-phase 성분만을 증가시킨다는 점 입니다.

사실상 인이어 이어폰 드라이버에서는 "적절하게" 다루기만 한다면 분할 모드는 그렇게 해로운 요소가 아닙니다. 여기서 "적절하게"란 심각한 anti-phase성분을 만드는 bending 모드는 없도록 한다는 의미입니다.  이어폰 드라이버 크기 수준에서 bending 모드는 웬만해서는 심각한 anti-phase를 발생시키지 않습니다. 위에서 언급한 대로 이어폰 드라이버의 크기가 상대적으로 작기 때문에, 이러한 설계는 그렇게 어렵지 않습니다. 오히려 인이어 이어폰용 드라이버는 고역의 대역을 확장하기 위해 분할 모드(bending +longitudinal 모드)를 적극적으로 활용할 수 있습니다.  만약 진동판이 모드가 생기지 않는 피스톤 처럼 운동한다면, 1cm 지름의 진동판은 약 5.5kHz부터 옥타브당 6dB의 음압 감소가 일어납니다. (ka=1, k=파수, a=지름) 따라서 풀레인지를 사용해야 하는  이어폰 드라이버의 "적절한" 분할 모드는 초고역(10kHz)이상에서 음압을 확보하기 위해서는 어느정도 허용하여야 하는 경우도 있습니다. 풀레인지 드라이버의 초고역 반응이 잘 살아있다면, 그 드라이버는 분할 모드를 적절히 잘 사용하는 드라이버라고 볼 수 있습니다. 다만, "모드=공진"이기 때문에 공진이 귀에 거슬리지 않도록 댐핑을 해야 하는 것은 당연합니다.

(참고 6) 모드 분석은 통상 레이저 스캐너를 사용하여야 하지만, 진동판이 직접 보이지 않는 드라이버는 진동판 스캔을 통한 모드 분석이 어렵기때문에, 드라이버를 배플에 장착한 후 음압을 측정하여 나타나는 딥 또는 피크로 모드의 적정성을 평가하는 것을 추천함.

<사견>

대기업에서 대량 생산한 쿼드비트4를 "플래그쉽" 이어폰이라고 말할 수는 없습니다. 하지만 이어폰을 음악 감상용으로  사용하기 시작한 분들께 "레퍼런스" 이어폰으로 추천드리기에 부족함이 없는 이어폰인 것은 틀림 없습니다. 다른 고가의 이어폰을 구매하기 전 음질 비교용으로 상당히 괜찮습니다. 약간 저역 음량이 많지만, 실외용으로는 이런 발란스가 더 적합할 수도 있을 것 같습니다.