KR20220001973A - 상이한 두께를 갖는 음성 센서 및 이를 이용한 음성 센싱 방법 - Google Patents
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Abstract
음성센서로서, 상기 음성센서는 압전물질층; 및 상기 압전물질층으로부터의 전기적 신호를 검출하기 위한 전극을 포함하며, 상기 압전물질층과 상기 전극의 조합으로 정의되는 단위 채널은 복수개로 배치되어 분리되며, 상기 복수 개의 단위 채널 중 적어도 어느 두 개는 음성센서 두께가 상이한 것을 특징으로 하는 음성센서가 제공된다.
Description
본 발명은 상이한 두께를 갖는 음성 센서 및 이를 이용한 음성 센싱 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주파수 영역에 따라 두께가 달라지는 방식으로 민감도를 향상시키고 주파수 대역을 넓힌, 음성 센서 및 이를 이용한 음성 센싱 방법에 관한 것이다.
음성인식 센서란 인간의 음성에 포함된 음향학적 정보로부터 언어적 정보를 추출하여 이를 인지하고 반응하게 만드는 센서를 의미한다. 쉽고 편리하게 사용할 수 있는 Natural UI(user interface)가 필요해진 오늘날에 음성으로 대화하는 것은 미래 IoT 시대의 수많은 인간과 기계의 정보 교환 매체 중 가장 자연스럽고 간편한 방법으로 여겨지고 있다. 하지만 기계와 음성으로 소통하기 위해서는 인간의 음성을 기계가 처리할 수 있는 형식으로 변환을 해줘야 하는데 이 과정이 바로 음성 인식이다.
애플의 시리(Siri)로 대표되는 음성인식은 마이크로폰, ADC(Analog to Digital Converter), DSP (Digital Signal Processing)의 조합으로 구성되어 있으며, 모바일용 상시 대기로 활용하기에는 소모 전력이 높아 사용자가 시작과 종료 버튼을 누르며 조작하고 있다. 이는 진정한 의미의 음성인식 기반 IoT(internet of Things,사물 인터넷) 구현에 가장 큰 난관 중에 하나이며, 저전력 상시구동 음성인식시스템을 개발하는 경우에는 무궁무진한 IoT 응용처를 열 수 있을 것으로 예상된다.
별도의 학습이나 훈련 없이도 쉽게 사용할 수 있는 음성인식 시스템은 혁신적인 차세대 IT 제품을 위한 UI 개발 및 구축에 대한 요구가 높아진 IoT 시대에 미래 산업을 선도할 유망 기술로서 손이 자유롭지 않은 상황이나 이동시에도 정보를 입력할 수 있으며 입력 속도가 타이핑보다 빠르기 때문에 고속 또는 실시간으로 정보처리가 가능하다는 장점이 있다.
근래 스마트폰 단말기 성능의 진화, 인공지능 및 지식 검색 기술의 발전, 클라우드 기반의 음성인식 시스템을 통한 대용량 데이터 처리는 지능형 에이전트로서 사용자가 원하는 답을 정확하고 신속하게 찾을 수 있게 해주지만, 이런 장점과 가능성에도 불구하고 아직 음성인식 기술은 다음과 같은 한계점을 가지고 있다.
먼저, 하드웨어적인 관점에서 볼 때 마이크로폰, ADC, DSP의 조합을 이용한 기존 음성인식 기술은 전력소비가 매우 높아 별도의 전원 없이는 상시 대기 상태에서 음성인식이 현실적으로 불가능하며, 더더구나 모바일용 음성인식 센서에 응용은 에너지 문제로 인하여 매우 제한적이다. 또한 음성 인식 시작 버튼을 누르는 등의 예비동작이 필요하고 그 정확성, 신뢰도, 속도 등이 떨어진다. 즉, IoT를 기반으로 하는 스마트폰, TV, 자동차, 기타 웨어러블 디바이스에 적용하기 위해서는 고감도는 필수이며, Sleep 상태에서도 큰 전력 소모 없이 상시 대기 상태를 유지하여 초전력으로 사용자의 음성을 인식할 수 있어야 한다.
다음으로, 음향학과 언어학적 관점에서 바라볼 때 현재의 마이크로폰, ADC, DSP 조합의 음성인식은 복잡한 알고리즘을 기반으로 하고 있기에 자연스런 대화체를 인식하는 데에 한계가 있다.
가장 널리 사용되는 기존의 음성 인식 센서인 정전 용량형 마이크로폰 센서는 두 전도성 판으로 이루어진다. 소리가 공기를 통해 울려 퍼지면 판이 진동하며 축전기의 전기 용량이 변화하고, 이를 감지하여 소리를 전기 신호로 바꾸는 원리이다. 이러한 정전 용량형 마이크로폰 센서는 특정 주파수의 음성에서 판이 크게 진동하는 것을 방지하기 위해 소자의 공명 진동수가 가청 주파수 영역을 훨씬 벗어난 큰 값을 가지도록 함에 따라서 소리에 의한 판의 진동을 큰 폭으로 키울 수 없기 때문에 센서의 감도가 낮다. 또한, 센서에 항상 전력이 공급되어야 하므로 배터리가 낭비되는 단점도 있다.
이에 반해 인간의 달팽이관은 복잡한 언어를 주파수 분리 후 단순한 알고리즘을 통하여 효율적으로 신호처리하고 있다. 이런 달팽이관의 원리를 이용한 여러 장치에도 불구하고, 이를 모사하여 인공와우에 응용한 선례가 있는 상태이다.
유연한 압전박막 인공와우 응용사례는 H. Lee et. al의 Advanced Functional Materials 저널의 논문 Vol. 24, No. 44, pg 6914, 2014에서 참조할 수 있다. 사다리꼴 모양의 얇은 실리콘 멤브레인 위에 3개의 압전소자를 붙여 주파수에 따라서 가청주파수대의 음성 신호를 분리하였다. 상기 문헌에서는, 실리콘 멤브레인 위에 3개의 개별 압전소자를 붙여 주파수를 분리하여 인공와우에 적용하였지만, 이를 IoT용 저전력 음성센서로서 알고리듬, 회로 설계가 고려되지 않았다.
복수의 공진 주파수를 이용하여 햅틱 피드백 효과를 출력하게 하는 압전 장치를 제시하는 종래의 문헌으로는 공개특허 제10-2012-0099036호(2012.09.06)를 참조할 수 있다. 한편 상기 문헌에서는 촉각, 힘, 운동감 등에 기반한 햅틱 피드백 기술을 제공하지만, 인식된 음성을 복수의 주파수로 분리한 상태에서 인식하는 방안에 대해서는 별도로 개시하고 있지 않다는 한계가 있다.
한편, 본 출원인에 의한 선등록 특허 제10-1718214호의 경우에도 사다리꼴 형태로 이루어진 복수의 주파수 분리 채널을 이용하여 감지되는 음성을 주파수에 따라 복수의 채널을 통해 분리하는 것과 동시에 분리된 음성 신호를 압전소자를 통해 기계적 진동 신호에서 전기적 신호로 변환하게 하여 인식하는 기술적 내용을 개시하지만, 인간의 가청주파수 대역인 20~20,000 Hz 와 일반적인 상용 microphone의 주파수 대역인 8,000 Hz 이상인 점을 고려할때, 현재 f-PAS 소자의 200~3,600 Hz로는 충분히 커버하기가 어렵고 높은 민감도를 얻는 것이 어렵다.
(논문) H. Lee et. al, Advanced Functional Materials, 24(44), 6914, 2014
(특허문헌 1) KR10-1718214 B
(특허문헌 2) KR10-2012-0099036 A
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 유연 압전소자 기반으로 이루어지며, 넓은 주파수 영역대에서 높은 민감도를 갖는 새로운 유연 압전소자 기반 음성 센서와, 이를 이용한 음성 센싱 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 관점에 따른 음성센서는 무기물 기반의 압전물질층 및 폴리머; 및 상기 압전물질층으로부터의 전기적 신호를 검출하기 위한 전극을 포함하며, 상기 압전물질층과 상기 전극의 조합으로 정의되는 단위 채널은 복수개로 배치되어 분리되며, 상기 복수 개의 단위 채널 중 적어도 어느 두 개는 압전물질층 및 폴리머 두께의 합이 상이한 것이 바람직하다.
상기 음성센서의 두께는 상기 단위 채널 전극의 중심을 기준으로 모두 상이한 것이 바람직하다.
상기 음성센서는, 압전물질층; 및 전극; 상부 또는 하부에 배치되는 폴리머를 포함하며, 음성센서 채널의 상기 폴리머층의 두께는 상이하며, 이에 따라 상기 복수 개의 단위 채널 중 적어도 어느 두 개는 두께가 상이한 것이 바람직하다.
상기 음성센서는 압전물질층; 및 전극; 상부 또는 하부에 배치되는 폴리머; 및 보호층을 포함하며, 상기 기판, 압전물질층, 전극, 보호층 중 적어도 어느 하나의 두께는 상이하며, 이에 따라 상기 복수 개의 단위 채널 중 적어도 어느 두 개는 두께가 상이한 것이 바람직하다.
상기 단위 채널 전극은 폭 또는 길이 중 적어도 하나 이상이 상이하며, 상기 단위 채널 전극의 폭, 길이 및 두께는 센싱하고자 하는 음성의 주파수 영역에 따라 적어도 둘 이상이 상이한 것이 바람직하다.
상기 단위 채널 전극은 길이와 두께가 상이한 것이 바람직하다.
상기 음성센서의 두께가 상이한 부분은, 상기 음성센서의 두께가 연속적으로 변화되는 것이 바람직하다.
상기 음성센서의 두께가 상이한 부분은, 상기 음성센서의 두께가 단차를 갖는 방식으로 변화되는 것이 바람직하다.
상기 단위 채널에서 감지된 음향은 주파수 별로 아날로그 회로를 통해 증폭되고 필터링을 거친후 디지털 신호로 전환되어 처리되며, 상기 단위 채널을 통해 감지된 공진 주파수 영역은 0.1 내지 10 kHz인 것이 바람직하다.
상기 복수의 주파수 분리 채널들의 길이는 5.0 mm 내지 22.2mm 의 범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 관점에 따라 음성인식 기반의 사물 인터넷(IoT)이 적용된 모바일용 초소형 음성 센서 시스템은 상기 음성센서를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또다른 관점에 따라 유비쿼터스 장치는 상기 음성센서를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또다른 관점에 따라 웨어러블 전자소자는 상기 음성센서를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 불균일한 기판 두께를 갖는 유연압전 음성인식 센서는 유연압전 음성인식 센서의 두께가 다양한 방식으로 변하는 구조를 채용하여 낮은 주파수를 센싱하는 채널은 얇은 두께로, 높은 주파수를 센싱하는 채널은 두꺼운 두께로 구성하여 넓은 주파수 영역을 센싱할 수 있다.
도 1은 종래의 음성인식 시스템과 본 발명과의 차이점을 보이는 비교도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서의 채널 평면도이다.
도 3 및 4는 각각 도 2와 동일한 채널 구조에서 상이한 두께를 갖는 음성 센서(도 3)와 두께가 동일한 음성센서(도 4)의 공진점(공진주파수의 중심)을 측정한 결과이다.
도 5 및 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서의 단면도 및 평면도이다.
도 7 및 8은 각각 기판 또는 보호층으로 센서 두께를 상이하게 구성한 음성센서의 단면도이다.
도 9는 상이한 센서 두께와 길이 조합에 따른 센서의 주파수 대역을 비교한 결과이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 두께가 연속적으로 변화시킨 음성센서 소자의 기판(폴리이미드, PI) 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 11은 상기 제조된 기판을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서 제조방법의 사진이다.
도 12는 본 발명에 따라 기판 두께가 변화하는 유연 압전 음성센서를 통해 고민감도 및 넓은 주파수 대역을 감지하는 구조적 특성을 보인다.
도 13은 저주파수 영역에서 채널 길이의 폭이 넓어질수록 두께가 얇아지고, 고주파수 영역에서 채널 길이의 폭이 짧아질수록 두께가 두꺼워지는 것을 보인다.
도 14는 Gradient PI 샘플과 일정한 두께인 25 μm의 PI 기판의 두께 평균값을 보인다.
도 15는 본 발명에 따른 음성센서 디바이스의 전기적 특성인 민감도 출력 값을 보인다.
도 16은 음성 신호에 따른 공진 주파수에서의 전압 측정 결과를 보인다.
도 17 및 도 18은 고주파수에서의 음성 감지 테스트 결과를 보인다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서의 채널 평면도이다.
도 3 및 4는 각각 도 2와 동일한 채널 구조에서 상이한 두께를 갖는 음성 센서(도 3)와 두께가 동일한 음성센서(도 4)의 공진점(공진주파수의 중심)을 측정한 결과이다.
도 5 및 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서의 단면도 및 평면도이다.
도 7 및 8은 각각 기판 또는 보호층으로 센서 두께를 상이하게 구성한 음성센서의 단면도이다.
도 9는 상이한 센서 두께와 길이 조합에 따른 센서의 주파수 대역을 비교한 결과이다.
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도 11은 상기 제조된 기판을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서 제조방법의 사진이다.
도 12는 본 발명에 따라 기판 두께가 변화하는 유연 압전 음성센서를 통해 고민감도 및 넓은 주파수 대역을 감지하는 구조적 특성을 보인다.
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도 14는 Gradient PI 샘플과 일정한 두께인 25 μm의 PI 기판의 두께 평균값을 보인다.
도 15는 본 발명에 따른 음성센서 디바이스의 전기적 특성인 민감도 출력 값을 보인다.
도 16은 음성 신호에 따른 공진 주파수에서의 전압 측정 결과를 보인다.
도 17 및 도 18은 고주파수에서의 음성 감지 테스트 결과를 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명에서 "음성센서의 두께"라 함은 상기 음성센서가 제조되는 과정에서 얻어지는 음성센서 소자층 두께의 총합을 의미한다.
도 1은 종래의 음성인식 시스템과 본 발명과의 차이점을 보이는 비교도이다.
도 1에서는, 기존의 음성인식 시스템은 마이크로 음성 신호를 아날로그 형태로 받아서 이를 ADC(Analog to digital converter)를 통해 디지털 신호로 변환한 후, DSP(digital signal processing)를 통해 디지털 신호를 처리하여 주파수를 분리해내는데 이 때 높은 전력이 소모된다는 단점이 있다.
반면, 본 발명에서의 초저전력 음성인식 센서는 압전 센서로서 바로 음성인식이 가능하여 초저전력 구동이 가능하다는 장점을 가진다. 종래의 마이크, ADC, DSP를 거쳐 주파수 분리를 하는 과정을 압전 음성인식 센서 하나로 통합하여 가능하게 한 것이다. 즉, 먼저 음성 신호를 주파수에 따라 복수의 전극채널에서 분리가 되는데, 이와 동시에 압전소자로 이루어진 박막에서 기계적 움직임이 전기적 신호로 변환되어 각각의 주파수 대역에서 전기적 신호가 검출되게 된다.
즉, 종래의 마이크로폰의 경우에는 주파수 밴드필터, ADC, DSP가 사용되므로 고전력이 소모되나, 본 발명은 주파수별로 분리되어 전류를 생성하는 복수개의 압전소자를 사용하므로, 밴드필터나 ADC, DSP에 소요되는 전력을 감소시킬 수 있다. 또한, 주파수 추출에 소요되는 전력을 저감시킬 수 있다.
본 발명에 따른 음성 센서는 도 1에서 설명한 바와 같이 압전물질층을 통하여 음향을 센싱하며, 상기 압전물질층은 각 주파수 별로 대응하는 별도의 전극(채널)과 연결되어 음향 주파수 영역에 따라 발생하는 전기적 신호를 검출하여, 이를 신호처리한다.
하지만, 종래의 기술로 이러한 넓은 주파수 영역대의 음향을 센싱하기 위해서는 압전물질의 넓이가 조건별로 커져야 하므로 결국 음성센서의 넓이가 매우 커지는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하고자, 압전물질층-전극으로 이루어진 채널을 포함하는 음성센서의 두께를 상이하게 함으로서 센싱되는 음성의 주파수 영역을 넓혔다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서의 채널 평면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시에에 따른 음성센서는 센싱하고자 하는 목표 주파수 영역별로 상이한 길이를 갖는 복수 개의 단위 채널을 포함하는 것을 알 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 복수의 단위 채널들의 길이는 5.0 mm 내지 22.2 mm 수준이었으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다.
도 3 및 4는 각각 도 2와 동일한 채널 구조에서 상이한 두께를 갖는 음성 센서(도 3)와 두께가 동일한 음성센서(도 4)의 공진점(공진주파수의 중심)을 측정한 결과이다. 여기에서 음성소자의 두께는 소자의 기판(플렉서블 박막)의 두께만을 제어하여 동일 또는 상이하게 하였다.
도 3 및 4를 참조하면, 두께가 동일한 경우 센싱되는 주파수 영역은 1 kHz에서부터 3.6kHz 수준이었으나, 센서 두께만을 상이하게 한 경우 공진주파수 영역은 0.1kHz부터 10kHz 범위까지 확대되는 것을 알 수 있다.
이것은 실제로 음성 센싱에 있어서 액티브 요소(active component)라고 여겨지는 압전물질층이나 전극뿐만 아니라 기판 또는 보호층과 같은 패시브 요소(passive component)에 의해서 달라질 수 있는 센서의 전체 두께가 센싱 주파수 영역의 범위에 영향을 준다는 점을 시사한다.
도 5 및 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서의 단면도 및 평면도이다.
도 5 및 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서(100)는 압전물질층(110); 및 상기 압전물질층으로부터의 전기적 신호를 검출하기 위한 전극(120)을 포함하며, 상기 압전물질층과 상기 전극의 조합으로 정의되는 단위 채널(a, b, c)이 복수개로 일렬로 배치되어 분리되어 있다.
이때 상기 단위 채널 a와 단위 채널 b에서의 센서 두께(d1, d2)는 상이하며, 바람직하게는 적어도 낮은 주파수의 음향을 센싱하는 채널은 얇게, 높은 주파서의 음향을 센싱하는 채널은 두껍게 구성한다. 즉, 본 발명에 따른 음성센서는 각각 상이한 주파수 영역대의 음향을 센싱하도록 구성된 상기 복수 개의 단위 채널 중 적어도 어느 두 개는 상기 채널의 중심을 기준으로 음성센서 두께가 상이하며, 그 결과, 음성센서의 주파수 영역대가 넓어지게 된다.
상술한 바와 같이 복수 개의 단위 채널의 센서 두께는 기판 또는 보호층과 같은 층의 두께로 달라질 수 있다.
도 7 및 8은 각각 기판 또는 보호층으로 센서 두께를 상이하게 구성한 음성센서의 단면도이다.
도 7 및 8을 참조하면, 압전물질층(SG-PZT), 전극(Cr-Au) 하부 및 상부의 폴리이미드(PI)와 같은 기판 또는 보호층(Passivation layer)는 일정 각도로 연속적인 방식으로 두께가 변화되거나 또는 단차를 주는 불연속적인 방식으로 두께가 변화될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 음성센서는 복수 개의 단위 채널을 포함하며, 그 단위 채널은 폭 또는 길이 중 적어도 하나 이상이 상이하다. 즉, 상기 단위 채널 전극의 폭, 길이 및 두께는 센싱하고자 하는 음성의 주파수 영역에 따라 적어도 둘 이상이 상이한데, 특히 주파수 영역대가 낮아질수록 단위 채널의 센서 두께는 얇아지는 것이 바람직하며, 이때 길이는 길어지는 것이 바람직하다.
도 9는 상이한 센서 두께와 길이 조합에 따른 센서의 주파수 대역을 비교한 결과이다.
도 9를 참조하면, 동일 채널수와 크기에서 25μm로 동일 두께인 음성센서의 주파수 영역은 100 내지 4000 Hz 수준이었으나, 10 내지 50μm로 두께를 상이하게 한 경우에는 주파수 영역이 100 내지 8000 Hz수준까지 확대되었다. 즉, 본 발명에 따른 음성센서는 특히 압전물질층-전극의 조합으로 정의되는 채널의 길이와, 해당되는 채널에서의 음성센서의 두께를 상이하게 구성함으로써 보다 넓은 범위의 주파수를 센싱할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 두께가 연속적으로 변화시킨 음성센서 소자의 기판(폴리이미드, PI) 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 경사진 알루미늄 주형에 폴리이미드를 도포한 후, 기포를 제거하고, 이를 경화시켜 경사진 기판을 제조하였다.
도 11은 상기 제조된 기판을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 음성센서 제조방법의 사진이다. 이에 따른 제조방법은 다음과 같다.
먼저, 희생기판인 사파이어 기판 상에서 공지된 기술인 sol-gel 공정을 통해 압전 물질층인 PZT 박막을 증착하고, sol-gel 용액 박막으로부터 유기성분을 제거하기 위해, 0.4M의 PZT sol-gel 용액(10 mol% 초과 PbO 의 52:48 몰비의 Zr:Ti)이 웨이퍼 상에 스핀 캐스트된 후, 10분 동안 450 ℃의 공기 분위기에서의 열분해 과정을 진행하였다.
상기 증착 및 열분해 단계는 1㎛ 두께의 PZT 박막을 형성하기 위해 수회 반복하고, PZT 박막의 결정화는 공기 중에서 650℃, 45분 동안 수행하였다. 이때 열분해 및 결정화 공정을 위해 급속 열처리(RTA)가 이용될 수 있다. 이후 사파이어 기판에 증착된 PZT 박막 상에 상술한 상이한 두께의 폴리이미드 기판이 접착된다.
이후 사파이어 기판을 PZT 박막으로부터 분리하기 위하여 ILLO(inorgani laser lift off) 공정을 사용하였다. 즉, 사파이어 기판(100)을 PZT 박막(300)에서 분리하기 위해 XeCl-펄스 엑시머 레이저를 통한 사파이어 기판(100) 후면에 대한 조사는, 예를 들어 XeCl 레이저의 광자에너지(4.03eV)가 사파이어 기판의 밴드-갭 에너지보다 작고, PZT 박막의 그것보다 크기 때문에, PZT박막이 플렉시블 플라스틱 기재로 이동되는 것을 가능하다. 결과적으로, 레이저 빔은 사파이어 기판을 관통하고, 다음으로 국소 용융 및 사파이어 기판 과의 경계에서 PZT의 해리가 일어난다. 상기와 같이 PZT 박막을 플라스틱 기판으로 전환하기 위한 LLO(laser lift off) 공정이 일어난다.
이후 상이한 두께를 갖는 기판상에 형성된 압전물질층인 PZT 박막에 전극이 적층되며, 이로써 하부에서부터 상이한 두께의 폴리이미드 기판, PZT 박막, 및 전극의 형태로 적층된 압전소자가 제작된다. 여기에서, 상기 전극은 복수의 주파수 분리 채널을 이루게 된다.
이상 상이한 두께를 갖는 음성센서의 본 발명은, 인간의 청각기관인 달팽이관을 모사하여 음성인식을 구현하는 것에 착안한 것으로서, 주파수 분리를 위한 기존 마이크로폰, ADC, DSP 조합 방식이 아닌 유연 압전 음성 센서 기반의 간편한 회로로 전력 소비를 크게 줄일 수 있다. 또한, 이에 호환되는 효율적인 인식 알고리즘을 구현하게 된다면 인간의 자연스런 언어를 높은 선택성과, 민감도, 감지속도 및 안정성을 가지고 인식해낼 수 있다.
본 기술을 실생활에 적용할 수 있는데, 예를 들어 운전 중에 음성으로 안전하게 차량 정보 시스템 사용을 상시 대기 상태에서 음성으로만 가능하게 하며, 이를 통해 TV, 청소기, 세탁기, 에어컨 등을 원거리에서 사람의 목소리로만 초저전력 제어를 할 수 있게 된다. 특히, 손발이 불편한 장애인 및 환자들의 케어링(Caring)이나 음성을 등록함으로써 엘리베이터 등의 시설을 보다 편리하게 사용할 수 있다.
본 기술은 IT-NT-BT-소재 전반을 아우르는 주제로서 자연으로부터 영감을 얻어 인간의 삶을 풍요롭게 하는 융합적 기술이다. 화자의 음성을 통해 적은 전력으로 상시 대기 상태에서 신원, 심리, 건강상태, 언어능력 등을 파악할 수 있어 개인 맞춤형 서비스 제공이 가능해지고, 보안, 금융, 의료 교육 등의 분야에 이르기까지 센서의 전 분야에 활용될 수 있게 한다.
특히, 빅데이터에 음성 패턴을 검출후 분석 및 저장하여 정서 상태를 분석하고 피드백 시스템을 통해 심리적인 안정을 이끌어내는 등 모바일 헬스케어로의 응용이 가능하고, 음성인증 및 화자식별을 통한 보안 시스템이 강화되어져 개인정보 및 사생활 보호에 도움이 될 것으로 기대된다.
본 발명은 상기의 특징들을 통해 음성인식 기반의 사물 인터넷(IoT,internet of Things) 및 모바일용 초소형 음성 센서 시스템을 구현할 수 있다.
본 발명은 유연한 기판 상에 고효율 무기 압전 소재로 만들어진 음성인식 센서가 인간 음성의 스펙트럼을 디지털 샘플링 및 음향신호 처리 이전에 압전 소재를 이용하여 음성으로 인한 기계적 진동에너지를 주파수 별로 각각 다른 위치에 분리한 뒤 전기적인 신호로 변환하여 각각 주파수 별로 평행하게 음성신호를 처리한다.
본 발명에서는 복수의 주파수 분리 채널을 실로폰 모양을 닮은 인공 달팽이 관의 형상을 이루게 하고, 상기 복수의 주파수 분리 채널의 크기가 달라짐에 따라 고주파음과 저주파음이 공명하는 위치가 달라져서 물리적으로 인간의 음성을 분리하게 한다. 여기에서, 분리되는 각각의 음향은 주파수 별로 아날로그 회로를 통해 증폭되고 필터링을 거친후 디지털 신호로 전환되어 처리된다. 이 과정은 기존의 마이크로폰, ADC, DSP 조합을 이용한 방식보다 전력 소모가 크게 줄어들게 된다.
본 발명은 플렉서블한 박막 상에 결합된 압전 음성인식 센서를 제공하는 것으로서, 의복 등에 부착한 상태에서도 사용할 수 있다. 즉, 의복 상에 부착된 상태에서 주위에서 쉽게 발생되는 음파, 초음파 영역의 물리적인 에너지를 수확하여 전기에너지로 변환하는 기술로의 응용이 가능하다.
일반적으로 '어디에나 존재하는' 유비쿼터스 네트워크의 실현을 위해서는 '어디에나 존재하며 작동하는' 유비쿼터스 전원의 존재가 필수 불가결하다. 한편, 도처에 존재하는 유비쿼터스 네트워크 구성요소의 전원은 충전을 필요로 하지 않는 자급자족 형태이어야 한다. 즉, 발전능력 및 축전능력이 공히 구비되어야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 음성인식 센서는 기판 두께가 변화하는 불균일한 기판 두께를 갖는 구조를 채용하여 주파수 영역대를 넓히게 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
Claims (13)
- 음성센서로서,
상기 음성센서는 무기물 기반의 압전물질층 및 폴리머; 및
상기 압전물질층으로부터의 전기적 신호를 검출하기 위한 전극을 포함하며,
상기 압전물질층과 상기 전극의 조합으로 정의되는 단위 채널은 복수개로 배치되어 분리되며,
상기 복수 개의 단위 채널 중 적어도 어느 두 개는 압전물질층 및 폴리머 두께의 합이 상이한 것을 특징으로 하는 음성센서. - 제 1항에 있어서,
상기 음성센서의 두께는 상기 단위 채널 전극의 중심을 기준으로 모두 상이한 것을 특징을 하는 음성센서. - 제 1항에 있어서,
상기 음성센서는, 압전물질층; 및 전극; 상부 또는 하부에 배치되는 폴리머를 포함하며,
음성센서 채널의 상기 폴리머층의 두께는 상이하며, 이에 따라 상기 복수 개의 단위 채널 중 적어도 어느 두 개는 두께가 상이한 것을 특징으로 하는 음성센서. - 제 1항에 있어서,
상기 음성센서는 압전물질층; 및 전극; 상부 또는 하부에 배치되는 폴리머; 및 보호층을 포함하며, 상기 기판, 압전물질층, 전극, 보호층 중 적어도 어느 하나의 두께는 상이하며, 이에 따라 상기 복수 개의 단위 채널 중 적어도 어느 두 개는 두께가 상이한 것을 특징으로 하는 음성센서. - 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단위 채널 전극은 폭 또는 길이 중 적어도 하나 이상이 상이하며, 상기 단위 채널 전극의 폭, 길이 및 두께는 센싱하고자 하는 음성의 주파수 영역에 따라 적어도 둘 이상이 상이한 것을 특징으로 하는 음성센서. - 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단위 채널 전극은 길이와 두께가 상이한 것을 특징으로 하는 음성센서. - 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 음성센서의 두께가 상이한 부분은, 상기 음성센서의 두께가 연속적으로 변화되는 것을 특징으로 하는 음성센서. - 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 음성센서의 두께가 상이한 부분은, 상기 음성센서의 두께가 단차를 갖는 방식으로 변화되는 것을 특징으로 하는 음성센서. - 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단위 채널에서 감지된 음향은 주파수 별로 아날로그 회로를 통해 증폭되고 필터링을 거친후 디지털 신호로 전환되어 처리되며,
상기 단위 채널을 통해 감지된 공진 주파수 영역은 0.1 내지 10 kHz인 것을 특징으로 하는 음성센서. - 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 주파수 분리 채널들의 길이는 5.0 mm 내지 22.2mm 의 범위인 것을 특징으로 하는 음성센서. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 음성센서를 포함하는,
음성인식 기반의 사물 인터넷(IoT)이 적용된 모바일용 초소형 음성 센서 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 음성센서를 포함하는 유비쿼터스 장치.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 음성센서를 포함하는 웨어러블 전자소자.
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