KR100486870B1 - 셀프 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전하를 강제로 주입하지 않아도 상온에서 저절로 일렉트렛이 형성되는 셀프 일렉트렛(self electret)을 이용한 콘덴서 마이크로폰에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 마이크로폰은 박막의 양면이 금속으로 증착된 다이어프램; 금속판에 유기 필름이 융착되어 이루어지고, 상기 다이어프램과 스페이서에 의해 소정의 간격을 두고 마주 하되, 전하가 주입되어 있지 않은 백 플레이트; 상기 다이어프램에 접지단자가 연결되고, 상기 백 플레이트에 신호입력단자가 연결되는 증폭기를 포함하여 상기 다이어프램과 상기 백 플레이트 사이에 형성되는 전계에 의해 상기 다이어프램과 상기 백 플레이트 사이의 공기입자들이 이온화되면서 상기 백 플레이트의 유기 필름에 전자들이 트랩되어 일렉트렛이 형성된다.

따라서 코로나 방전으로 형성된 일렉트렛의 경우에는 온도 및 습도에 영향을 받으면 트랩된 전자들이 다시 공기중으로 방출되어 다시 회복될 수 없는 단점을 가지고 있지만, 본 발명에 따른 셀프 일렉트렛의 경우에는 온도 및 습도의 영향으로 트랩된 전자들이 방출되더라도 시간이 지나면 공기중의 전자들이 다시 백플레이트에 트랩되어 일렉트렛이 재생되므로 온도 및 습도에 강한 잇점이 있다.

Description

셀프 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰{ Self electret condenser microphone}

본 발명은 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전하를 강제로 주입하지 않아도 상온에서 저절로 일렉트렛이 형성되는 셀프 일렉트렛(self electret)을 이용한 콘덴서 마이크로폰에 관한 것이다.

전형적인 콘덴서 마이크로폰은 전압 바이어스 요소(통상 일렉트렛으로 이루어진다)와, 음압(sound pressure)에 대응하여 변화하는 커패시터(C)를 형성하는 다이어프램/백플레이트 쌍, 그리고 출력신호를 버퍼링하기 위한 전계 효과 트랜지스터(JFET)로 이루어진다.

여기서, 종래의 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰은 다이어프램(Diaphragm)이나 백 플레이트(Back plate)중 어느 하나에 일렉트렛이 형성되어 있는데, 다이어프램에 일렉트렛이 형성된 것을 프론트 일렉트렛이라 하고, 백 플레이트상에 형성된 것을 백 일렉트렛이라 한다. 통상적으로 일렉트렛은 유기 필름에 전하를 강제적으로 주입시켜 형성된다.

도 1은 다이어프램이나 백 플레이트에 일렉트렛을 형성하는 일반적인 개념을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 일렉트렛을 주입하기 위한 다이어프램이나 백 플레이트는 금속판(112) 위에 유기 필름(114)이 융착되어 있다. 이와 같이 유기 필름(114)이 융착된 금속판(112)을 코로나 방전 챔버에 넣고, 양 전극(102,104) 사이에 고압을 인가하면 코로나 방전이 일어나면서 전자가 유기 필름(114)에 강제로 주입되어 일렉트렛을 형성하게 된다. 즉, 코로나 방전을 이용한 일렉트렛 형성은 높은 전압을 걸어서 공기중의 전자들을 유기 혹은 무기 필름에 트랩되도록 해서 일렉트렛을 형성하는 기술이다.

한편, 전자제품의 제조기술이 발전하면서 모든 제품이 보다 소형화되는 추세에 있고, 이러한 소형제품의 제조를 위해 표면실장기술(SMT:Surface Mount Technology)이 널리 사용되고 있다. 표면실장기술(SMT)은 전자기판(PCB)위에 부품을 올려놓는 공정이나 시스템이다. 표면실장부품은 기판의 표면에 있는 랜드에 결합(납땜)되기 위해서 아주 작은 리드를 가지거나 리드가 없다. 표면실장기술을 적용하면 제품의 가격과 성능을 향상시킬 수 있으나 리플로우시에 부품에 고온이 가해지기 때문에 온도에 약한 부품은 SMT기술을 적용할 수 없다.

그런데 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰에 사용되는 종래의 일렉트렛은 앞서 설명한 바와 같이 금속판 위에 융착되는 유기 필름(예컨대, FEP, PET, PTFE 등)에 전자를 강제로 주입하여 생성되기 때문에 표면실장기술을 적용할 수 없어 마이크로폰을 이용한 여러 제품, 예컨대 휴대폰 단말기 등의 제조원가를 낮출 수 없는 문제점이 있다. 즉, 기존의 일렉트렛(Electrets)은 충전(Charging) 공정에서 코로나 방전에 의해 강제로 전하를 주입하여 충전하지만 습도가 높거나 온도가 올라가면 충전된 전자가 쉽게 이탈되어 일렉트렛의 성능이 열화되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 코로나 방전과 같이 충전공정에서 강제로 전자를 주입하지 않더라도 상온에서 스스로 충전이 일어나 일렉트렛이 되도록 하는 셀프 일렉트렛을 이용한 콘덴서 마이크로폰을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 마이크로폰은, 유기필름의 양면이 금속으로 증착된 다이어프램; 금속판에 유기 필름이 융착되어 이루어지고, 상기 다이어프램과 스페이서에 의해 소정의 간격을 두고 마주 하되, 전하가 주입되어 있지 않은 백 플레이트; 상기 다이어프램에 접지단자가 연결되고, 상기 백 플레이트에 신호입력단자가 연결되는 증폭기를 포함하여 상기 다이어프램과 상기 백 플레이트 사이에 형성되는 전계에 의해 상기 다이어프램과 상기 백 플레이트 사이의 공기입자들이 이온화되면서 상기 백 플레이트의 유기 필름에 전자들이 트랩되어 일렉트렛을 형성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 마이크로폰의 음향 요부를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 셀프 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰의 음향부는 코로나 방전을 하지 않은(즉, 전자가 강제로 주입되지 않은) 백 플레이트(210)와, 양면에 금속막이 증착된 다이어프램(220)이 스페이서(230)를 사이에 두고 마주하고 있다. 백 플레이트(210)는 금속판(212) 위에 유기 필름(214)이 융착되어 있고, 다이어프램(220)은 무기 혹은 유기 박막(224)의 양면에 금속막(222,226)이 증착되어 있다. 여기서, 유기 박막의 경우 플루오르 에틸렌 프로필렌(FEP) 필름이나 폴리 테트라 플루오르 에틸렌(PTFE) 필름, PET 등이 이용될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 마이크로폰에서는 다이어프램의 양면에 골드 스퍼터(gold sputter)를 함으로써 감도를 향상시킬 수가 있고, 다이어프램과 백일렉트렛 사이의 갭 즉, 스페이서를 줄이는 효과를 가지고 있다. 즉, 종래의 PET 다이어프램은 한면만 골드 스퍼터(gold sputter)를 해서 사용하는데, 본 발명에서는 3.8㎛ PET 다이어프램의 양면을 골드 스퍼터함으로써 PET의 두께인 3.8㎛ 만큼의 간격을 줄여주는 효과가 있기 때문에 감도의 향상을 가져올 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 셀프 일렉트렛 개념을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 2와 같이 구성되는 마이크로폰의 음향부에 도 3에 도시된 바와 같이 증폭기(250)를 연결하여 전원을 인가하면 다이어프램(220)과 백 플레이트(210) 사이에 전계가 형성되어 백 플레이트(210)에 전자가 주입되어 일렉트렛을 형성하게 된다.

도 3을 참조하면, 증폭기(250)의 신호 입력단자(Signal Input)는 백 플레이트(210)로 연결되어 있고, 증폭기(250)의 접지단자(Ground)는 폴라링(240)을 통해 다이어프램(220)에 연결되어 있으며, 증폭기(250)에서 증폭된 신호는 출력단자(Output)를 통해 외부장치로 전달된다. 이와 같은 연결에 의해 증폭기(250)의 신호입력단자(Signal Input)와 접지(Ground) 사이에는 대략 +0.3 ~ +0.7 V의 전압이 인가되도록 하고, 증폭기(250)의 출력단자(Output)와 접지(Ground) 사이에는 대략 +2 V가 인가된다.

이와 같은 구조에서 셀프 일렉트렛이 생성되는 과정을 설명하면 다음과 같다.

다이어프램(220)과 코로나 방전을 하지 않는 백 플레이트(210) 사이에는 중성 공기입자들이 존재한다. 이 공기입자들은 증폭기의 신호입력단자(Signal input)와 접지(Ground) 사이의 전압차 즉, 다이어프램(220)에 음(-) 전압이 걸리고, 백 플레이트(210)에 양 전압(+)이 걸리면 이 전압차에 의해 전계가 발생된다. 이때 다이어프램(220)과 백 플레이트(210)의 사이가 매우 가깝기 때문에 낮은 전압에도 불구하고 높은 전계가 존재하게 된다. 그리고 높은 전계에 의해 중성 공기 입자들은 이온화되면서 원자에서 이탈된 전자들이 양의 전압이 인가된 백 플레이트(210)측으로 가속되면서 백 플레이트 위의 유기막(214)에 축적 또는 트랩되어져서 전자가 음극을 형성하여 일렉트렛을 생성한다.

이와 같이 본 발명에 따라 생성된 일렉트렛은 종래와 같이 코로나 방전을 통해 인위적으로 주입된 전자가 아니기 때문에 열에 의해 유기막(214)의 전자가 방출되더라도 통상의 사용 온도로 돌아오면 재생된다. 즉, 본 발명에 따라 생성된 일렉트렛도 고온에서는 전자가 방출되어 일렉트렛 특성이 상실되지만 통상의 온도로 회복되면 다이어프램(220)과 백 플레이트(210) 사이의 공기중 입자가 다시 이온화되어 일렉트렛을 생성하게 된다. 이와 같은 과정은 반복될 수 있으므로 본 발명에 따른 셀프 일렉트렛을 채택한 마이크로폰은 열 및 습도와 같은 외부환경에 대해서 높은 신뢰성을 갖을 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 셀프 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰의 구조를 도시한 예이다.

본 발명의 콘덴서 마이크로폰(400)은 도 4에 도시된 바와 같이, 음공이 형성된 케이스(206)내에 도 2에 도시된 바와 같은 음향부가 조립되고, 음향부의 하부에 증폭기(250)가 실장된 PCB 기판(202)이 조립되어 있다. 음향부는 스페이서(230)를 사이에 두고 다이어프램(220)과 백 플레이트(210)가 위치하고, 이 음향부는 기구물(204)에 의해 PCB 기판(202)에 지지된다. 그리고 본 발명에 적용되는 증폭기(250)가 PCB기판(202) 위에 실장되어 있으며, 도면에는 도시되지 않았으나 3개의 단자가 노출되어 외부장치와 접속할 수 있도록 되어 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 내장 증폭기의 신호 입력과 접지 사이에 존재하는 전압을 이용하여 다이어프램과 백 플레이트 사이에 있는 공기중의 전자들이 백 플레이트에 트랩되어 저절로 일렉트렛을 형성하도록 함으로써 코로나 방전 등을 이용하여 강제로 일렉트렛을 형성하는 공정이 제거되어 생산원가를 줄일 수 있다.

또한 코로나 방전으로 형성된 일렉트렛의 경우에는 온도 및 습도에 영향을 받으면 트랩된 전자들이 다시 공기중으로 방출되어 다시 회복될 수 없는 단점을 가지고 있지만, 본 발명에 따른 셀프 일렉트렛의 경우에는 온도 및 습도의 영향으로 트랩된 전자들이 방출되더라도 시간이 지나면 공기중의 전자들이 다시 백플레이트에 트랩되어 일렉트렛이 재생되므로 온도 및 습도에 강한 잇점이 있다. 따라서 기존의 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰으로는 200 ℃ 이상의 온도에서는 리플로우가 불가능하였지만 본 발명의 셀프 일렉트렛은 265℃ 이상의 온도에서 SMD 리플로우가 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 일렉트렛을 형성하는 일반적인 개념을 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 마이크로폰의 음향 요부를 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 셀프 일렉트렛 개념을 설명하기 위하여 도시한 도면,

도 4는 본 발명에 따른 마이크로폰의 구조를 도시한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

210: 백 플레이트 212: 금속판

214, 224: 유기 필름 220: 다이어프램

224,226: 금속막 230: 스페이서

240: 폴라링 250: 증폭기

Claims (4)

1. 박막의 양면이 금속으로 증착된 다이어프램;

   금속판에 유기 필름이 융착되어 이루어지고, 상기 다이어프램과 스페이서에 의해 소정의 간격을 두고 마주 하되, 인위적인 방법에 의해 전하가 주입되어 있지 않은 백 플레이트;

   상기 다이어프램에 접지단자가 연결되고, 상기 백 플레이트에 신호입력단자가 연결되어 상기 신호입력단자와 접지 사이에 셀프 일렉트렛을 형성하기 위한 전압을 인가하는 증폭기를 포함하여

   상기 증폭기(built in gain)의 신호 입력단자(Signal Input)와 접지(Ground) 사이의 전압차에 의해 상기 다이어프램과 상기 코로나 방전을 하지 않은 백 플레이트 사이에 높은 전계를 형성하게 되고, 상기 다이어프램과 상기 백 플레이트 사이의 공기입자들이 이온화되면서 상기 백 플레이트의 유기필름에 전자들이 트랩되어 일렉트렛을 형성하는 것을 특징으로 하는 셀프 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 다이어프램은 유기 혹은 무기물 다이어프램에 양면 골드 스퍼터링을 함으로써 다이어프램과 백 플레이트 사이의 갭을 줄여서 감도를 향상시킨 것을 특징으로 하는 셀프 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰.
4. 제1항에 있어서, 상기 콘덴서 마이크로폰은 높은 이득을 가지는 증폭기(built in gain)를 마이크로폰의 내부 회로에 들어가도록 제작함으로써 기존에 사용되는 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰보다 음향부의 낮은 커패시터 변화에 높은 감도를 제공할 수 있는 것을 특징으로 하는 셀프 일렉트렛 콘덴서 마이크로폰.