능동소음제거(ANC) 기술 & 제품의 개요

능동소음제거(ANC) 기술 & 제품의 개요

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사무실이나 비행기, 자동차 등에서 소음은 안전사고를 유발하거나 작업 능률을 떨어뜨릴 수 있으며, 라디오나 음악의 청취를 방해한다. 이러한 자동차, 비행기, 지하철 등 현대인에게 소음은 피할 수 없는 스트레스 이며, 또한 소음공해라고 칭할 수도 있다. 이러한 소음공해를 줄이는 방법은 크게 두 가지가 있다.

* 방음벽, 흡음재 등 물리적 차단 형태의 노이즈 아이솔레이션(Noise Isolation)
* 소음과 같은 음역의 소리로 상쇄시키는 노이즈 캔슬레이션(Noise Cancellation)
   이 있겠으며, 특히 노이즈 캔슬레이션은 Music 플레이어, 항공기, 이어폰, 헤드폰, 자동차 및 산업 현장 등에서 널리 적용될 수 있다.

 능동 소음 제거(ANC: Active Noise Cancellation, 이하 ANC) 기술은 외부 소음의 반대 신호를 발생시켜 서로 상쇄시키는 기본 원리를 가지고 있다. 1930년대부터 이론적으로는 검토되어 온 바, 학계 및 산업 측면에서 다양한 연구가 진행되고도 있다. 이러한 ANC 구현을 통해 외부 소음으로 인하여 일상적으로 대응하게 되는 이어폰 또는 헤드폰 볼륨 조절을 통한 대응이 아니더라도, ANC 기술의 적용을 통해 실질적으로 볼륨을 높이지 않는 효과를 볼 수 있다. 다만 기존의 ANC 헤드폰은 모든 외부 음향을 제거하기도 하여 대화를 위해 헤드폰을 벗거나 헤드폰 장착 스위치를 이용하여 ANC 기능을 제거해야 하나, 이 경우 소음 때문에 대화를 방해받기도 한다. 또한 MP3P 및 스마트폰의 보급 증가에 따라 이어폰으로 음악을 감상하는 인구 또한 크게 증가 하였고 이러한 휴대용 기기는 실내 뿐 아니라 다양한 실외 소음 환경에서도 많이 사용되고 있다. 이 경우 원치 않는 외부 소음의 방해로 인하여 음질이 떨어지는 단점이 있으며 또한 실내 환경보다 외부 소음이 크게 존재하는 경우 큰 음량으로 음악을 감상하게 되어 소음성 난청의 위험성을 증가시킬 우려가 있다.

     
Figure 1 능동소음제어 개념도

 ANC 관련 최신 기술 동향은 아날로그가 아닌 디지털 방식의 구현이며, 또한 기술 구현 방식에 따라 피드백 방식과 피드포워드 방식이 있겠으나 개발비용 상승에 따라 주로 고가 제품에 적용된다는 측면에서 피드포워드 방식, 그리고 하이브리드 방식은 그 적용 및 확장에 한계가 있다고 볼 수 있다. 다만, 동 과제에서도 계획하듯이 하이브리드 방식을 통한 저가형 구현이 가능하다면 최적의 솔루션이 될 수 있으며, 피드백 기술 구현을 통해 이어폰이나 기타 관련 형태의 기기를 보급형으로 구현 하게 된다면 그를 통한 산업용, 일반용, 복지용으로 널리 활용될 수 있을 것으로 보인다.
 
 모바일 환경에서의 소음 제거를 위한 이어폰이나 헤드셋 역시 다양한 형태로 출시되고는 있으며, 그 적용은 산업 및 작업 환경까지 넓혀질 수 있다. 그러므로 고성능을 확보하면서 저가로 구현할 수 있다면 더욱 폭 넓게 보급될 수 있을 것이다. 
         
Figure 2 ANC 이어폰 적용 사례
 
동 기술은 음원을 듣기 위한 기본 스피커(Unit)와 내장된 초소형마이크로 구성된다. 유입된 외부 소음과 스피커를 통해 사람의 귀에 전달되는 소리(음원)를 내장 마이크로 채집하고 자체 개발된 디지털 알고리듬 처리를 통하여 소음과 음원 소리를 적절하게 구별해내게 된다. 노이즈 캔슬링 알고리듬은 마이크에서 구별해낸 외부 소음의 음향적 특성을 파악하고, 해당 소음을 상쇄 시킬 수 있는 역소음(Anti Noise)을 생성하게 되며, 이렇게 만들어진 역소음을 스피커를 통해 음향신호로 바꾸어 해당 소음을 제거하게 된다. 물론 음원 소리에 미치는 영향은 최소화 시켜야 하며, 이를 통해 사람의 귀에는 최대한 음원 소리에 가까우며 잡음 없는 소리가 건강하게 전달될 수 있게 한다.

국내외 기술과 시장 현황

1. 국내 기술 동향 및 수준
 ANC 기술 및 제품이 국내에 소개된 것은 이미 오래전이고, 그에 따른 연구 개발도 진행된 바 있기도 하나 DSP 기반의 소음제거 연구 등으로 한정되어 있긴 하다. 국산화 된 ANC 솔루션이 부재한 관계로, 아직 국내 시장에는 해외 솔루션을 통한 제품이 주류를 이루고 있다.
 특히 이어폰, 헤드폰 분야 역시 해외 솔루션을 통한 제품 개발이 주종을 이루며, 국내 크레신을 통해 관련 제품이 소개된 바 있으며, Sony의 Xperia 제품에 ANC 기술이 적용된 번들 이어폰이 출시된 바 있다.
 ANC 구현 알고리듬에 대해서는 최근 음향학회 등을 통해 보다 빠르고 효율적인 ANC의 구현 사례(연세대학교, 서울과학기술대 등)가 있으며, 기존 기술들에 비해 헤드셋의 스피커와 귀 사이의 경로를 추정하는 학습 시간을 줄이고 적응 필터의 수렴 속도를 효과적으로 높일 수 있음을 보여주는 헤드셋을 위한 ANC 알고리듬이 제안되기도 했다. (통신학회 2011, 무선헤드셋을 위한 능동 잡음 제거기의 성능 개선)
 헤드셋을 겨냥한 ANC 연구들에 비해 이어폰을 위한 기술 개발은 그 시작단계로 현재까지는 외국 브랜드의 시장 점유율이 높으며, 전 세계적으로 휴대용 음향기기 사용자의 증가와 소음의 노출 빈도 증가에 비해 현재 국내에서 이어폰을 대상 ANC 알고리듬 연구가 아직 많이 이루어지지 않았으므로 동 분야 기술 구현을 통한 성장 가능성이 높다고 할 수 있다.

2. 국내 시장 규모 및 수출입 현황
 국내 기준 ANC 시장은 해당 기술 제품이 아직 고가이고 다양하지 못한 사유로 주로 매니아 층이나 적극 소비층을 대상으로 활용되고 있다. 하여, 전체 이어폰 시장(OEM 및 유통 시장 등)에 있어 아직 큰 비중을 차지하지는 못하고 있다.
 국내 헤드폰시장(이어폰 포함)은 2011년 900억 원에서 2013년 1200억 원으로 33% 가량 증가한 것으로 업계 추정되고 있다. 국내 헤드폰시장의 성장은 20만 원 이상의 프리미엄 헤드폰을 찾는 소비자 증가에 기인하며, 그에 따라 비츠 등 고가의 해외 브랜드들이 속속 국내시장에 들어오고 있는 실정이다. 유럽시장에서 시장점유율 1위를 기록중인 독일의 젠하이저도 최근 서울에 지사를 설립하고, 독일 전문업체인 블라우풍트 사도 한국지사를 설립하는 등 시장 점유 확대 노력을 하고 있다. 국내 헤드폰 시장의 점유율은 2013년 기준 소니코리아가 25.2%로 1위를 기록했다. 나머지 국내외 업체들의 시장점유율은 10% 미만으로 알려졌다.

 국내 ANC 적용 시장에 있어서는 가장 좋은 기술적 평가를 받고 있는 BOSE(자체 DSP) 제품과 Digital Silence(Wolfson 칩), AKG(AMS 칩), Sennheiser 제품이 주로 활용되고 있다. 최근에는 Xperia 폰에 번들링된 MDR-NC31EM 제품도 새롭게 소개된 바 있다. 국내 업체인 블루콤의 넥밴드 타입 이어폰에서 ANC가 적용된 바 있고, 삼성전사에서도 프리미엄 브랜드인 LEVEL을 통해 ANC가 지원되는 고사양 헤드셋을 출시한 바 있다.

Figure 3 국내 출시 ANC 이어폰
LG전자 및 삼성전자 역시 번들 이어폰에 ANC의 탑재를 지속 검토해 왔으나, 번들 구현을 위한 보급형 이어폰을 위한 솔루션 확보를 하지 못하고 있음에도 불구하고, 최근에는 다시 사회적 요구사항에 따라 기존 칩셋 업체 등의 솔루션을 통한 ANC를 적용하여 이어폰을 출시할 계획으로 알려지고 있다.

3. 국외 기술 동향 및 수준
 ANC 기술은 1930년대 초반부터 연구되어 왔으며 기본적으로는 노이즈 및 안티노이즈(Anti-Noise)라는 물리적인 원리에 기초하고 있다. 그 이후 아날로그 기반의 노이즈 캔슬레이션 기술을 통해, 이어폰 등의 컨슈머 분야, 항공 분야, 그리고 자동차 분야 등에 다양하게 적용되어 왔다. 이어폰 분야에서는 BOSE, Sennheiser 등에서 ANC가 적용된 이어폰 및 헤드폰 다종을 출시하고 있으며 Sennheiser의 경우 노이즈가드 라고 하는 자체 기술을 통해 1980년대부터 비행사용 헤드셋에 ANC 기술 적용을 시작했고 이후 다양한 컨슈머 제품을 출시해 오고 있다. 또한 최근 출시된 Sony의 주력 스마트폰인 Xperia Z2/Z3에 번들이어폰으로 제공되고도 있으며 아이폰 차기 모델에의 탑재도 추정되고 있다. Xperia 라인업은 연간 3천만대 수준에 달한다. 자동차 분야에 있어 혼다 레전드 모델, 닛산 패스파인더, 아우디, 캐딜락 등 다양한 제조사, 브랜드를 통해 노이즈 캔슬레이션 기술이 적용되고 있으며, 이를 통해 외부 잡음을 상쇄, 소음을 저감해 내고 있다.
 기존 아날로그 방식에서의 경우 적용 부품에의 의존성이 높고 다양한 모드(비행기, 기차 등) 구현을 위해 프로그래머블 하지 못하다는 단점이 있다. 반면에 디지털로 구현될 경우 최적의 적응형 필터 구현이 가능하며 부품의존도도 떨어짐에 따라 저가 구현이 가능해 지고, 더불어 다양한 사용자 옵션의 제공도 가능해 진다.

 

4. 국외 시장 규모 현황
 우선 전세계 이어폰 시장을 살펴보고자 한다. Future Source Consulting의 2012년 자료에 따르면 In-ear 타입 즉 이어폰이 64%에 달하고, 헤드셋 타입이 16% 수준이었다.

Figure 4 각 이어폰 시장 현황
그 중 가장 큰 시장 규모를 가지는 미국 및 중국의 이어폰 시장도 각각 11% 및 20%의 연간 성장률을 보이고 있다. 중국의 경우 지속적인 규모 확대를 통해 2016년에는 12억대 수준까지 성장 예상되고 있다. (S&P Consulting)

 이는 전세계 공통적으로 스마트폰 및 태블릿 등의 제품 수요가 늘어나면서 번들형 등 이어폰 수요가 점차 증가됨에 기인하며, 그 중에서도 프리미엄급 이어폰의 성장이 더욱 커질 것으로 기대되고 있다. 즉, 이어폰 등에서 모바일 기기를 제어하는 등의 기능 보완에 대한 요구가 점점 많아지고 있고, 최근에는 노이즈 캔슬레이션 기능 역시 주된 이어폰 구매 결정의 요인으로 부각되는 추세이다. 참고로 NPD 그룹의 2013년 조사에 따르면, 이어폰/헤드셋의 구매 결정의 주요 요소로써 노이즈 캔슬레이션 기능이 2012년 40% 대에서 2013년 55% 수준까지 상승되고 있음을 보여주고 있어, 이를 통해 동 기술의 보급형 구현을 통한 시장 확대가 지속 가능함을 보여주고 있다.

 앞서 살펴본 바와 같이 Communication Processor나 내부 DSP를 통한 소프트웨어 기반 ANC의 구현도 마찬가지로 그 성능 구현을 위한 계산 량과 알고리듬의 구현 측면에서 전용 칩셋을 통한 성능 구현을 따라가지 못하고 점차 경쟁력을 잃어갈 것으로 판단된다.