KR100707949B1 - Film speaker using 0-3 type piezoelectric composite and method of producing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 0-3형 압전 복합체를 이용한 필름 스피커의 제조방법에 관한 것으로서, 베이스 필름에 전도성을 부여하기 위하여 ITO, Cu, Al, 전도성 고분자 등의 전도체를 이용하여 하부전극을 형성하고, 0-3형 복합체(압전 분말 + 고분자 매트릭스)를 원료로 하여 인쇄방식 또는 닥터 블레이드(Doctor Blade)법으로 전기 신호에 따라 진동하는 압전 복합체 층을 형성하고, 상부에 Ag, Carbon, Cu, Al 등의 상부전극을 인쇄 또는 증착 방법으로 형성하고, 분극을 하여 박형의 스피커로 이용하는 것을 특징으로 하는 필름형 스피커에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a film speaker using a 0-3 type piezoelectric composite, and to form a lower electrode using a conductor such as ITO, Cu, Al, or a conductive polymer in order to impart conductivity to a base film. The piezoelectric composite layer vibrates in accordance with an electrical signal by a printing method or a doctor blade method, using a three-type composite (piezoelectric powder + polymer matrix) as a raw material, and the top of Ag, Carbon, Cu, Al, etc. The present invention relates to a film-type speaker, wherein the electrode is formed by a printing or vapor deposition method and polarized to be used as a thin speaker.
필름스피커, 압전, 복합체, 인쇄, 증착 Film Speaker, Piezo, Composite, Printing, Deposition
Description
도 1. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체 스피커의 단면도1 is a cross-sectional view of a piezoelectric composite speaker according to an embodiment of the present invention.
도 2. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체의 단면도Figure 2. Cross-sectional view of the piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention
도 3. 필름형 스피커의 예시적 회로 구성도3. Exemplary circuit diagram of a film speaker
도 4. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 복합체 스피커의 제조 공정도Figure 4 is a manufacturing process of the piezoelectric composite speaker according to an embodiment of the present invention
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1: 베이스 필름 2: 하부 전극1: base film 2: lower electrode
3: 압전 복합체 4: 상부 전극3: piezoelectric composite 4: upper electrode
31: 압전 분말 32:PVDF 매질31: Piezoelectric Powder 32: PVDF Medium
100: 압전 복합체 스피커 110: 트랜스포머100: piezoelectric composite speaker 110: transformer
120: 오디오 앰프 130: 오디오신호 입력부120: audio amplifier 130: audio signal input unit
140: 단자140: terminal
본 발명은 0-3형 압전 복합체를 이용한 필름 스피커의 제조방법에 관한 것으 로서, 베이스 필름에 전도성을 부여하기 위하여 ITO, Cu, Al, 전도성 고분자 등의 전도체를 이용하여 하부전극을 형성하고, 0-3형 복합체(PZT 분말 + 고분자 매트릭스)를 인쇄방식 또는 닥터블레이드(Doctor Blade)법으로 전기 신호에 따라 진동하는 압전 복합체 층을 형성하고, 상부에 Ag, Carbon, Cu, Al 등의 상부전극을 인쇄 또는 증착 방법으로 형성하고, 분극을 하여 박형의 스피커로 이용하는 것을 특징으로 하는 필름형 스피커에 관한 것이며, 또한 실크스크린인쇄 또는 증착 등의 방법으로 전극을 형성하여 대량생산을 용이하게 하는 필름형 스피커 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a film speaker using a 0-3 type piezoelectric composite, and to form a lower electrode using a conductor such as ITO, Cu, Al, or a conductive polymer in order to impart conductivity to a base film. -3 type composite (PZT powder + polymer matrix) is formed by piezoelectric composite layer vibrating according to electric signal by printing method or doctor blade method, and upper electrode such as Ag, Carbon, Cu, Al The present invention relates to a film-type speaker, which is formed by a printing or vapor deposition method and polarized to be used as a thin speaker, and a film-type speaker that facilitates mass production by forming electrodes by a method such as silk screen printing or deposition. It relates to a manufacturing method.
0-3형이라 함은 고분자매질에 분말이 고르게 분포되어 있는 상태를 말하며, 분말 입장에서 보면 분말끼리 X, Y, Z축 어느 방향으로도 연결이 되어 있지 않고(0), 고분자 매질 입장에서 보면 3방향으로 모두 연결이 되어 있는 구조(3)이다.Type 0-3 refers to a state in which powder is evenly distributed in the polymer medium. Powders are not connected in any X, Y, or Z axis from the powder point of view (0). It is a structure (3) connected in all three directions.
종래의 코일 진동판 방식의 스피커는 상당한 크기의 공간을 필요로 하고, 전기 전력을 음향 전력으로 변환을 하나, 효율이 매우 떨어진다. 코일의 이동성으로 인하여 공간 축소에는 큰 한계를 보인다.Conventional coil diaphragm type speakers require a considerable amount of space and convert electrical power into acoustic power, but are very inefficient. Due to the mobility of the coil, there is a big limitation in space reduction.
한편, 종래의 압전세라믹으로 스피커를 제조할 경우 두께 0.1mm 이하의 박형 압전소자를 제조하는 데 어려움이 있었고, 전극형성 등으로 인해 압전소자가 깨어질 가능성이 매우 높았다. 또한 동판 등의 금속판에 얇은 압전세라믹을 접착하여 사용을 해야 하는데, 접착과정에서 접착제가 고르게 퍼지지 않거나 기포가 생기면 음의 왜곡 등 불량의 원인이 되고, 기포 등이 없이 접착제로 붙이기 위해서는 압전 세라믹의 크기의 제한이 있었다.On the other hand, when manufacturing a speaker with a conventional piezoceramic, it was difficult to manufacture a thin piezoelectric element having a thickness of 0.1 mm or less, and the piezoelectric element was very likely to be broken due to electrode formation. In addition, thin piezoelectric ceramics should be adhered to metal plates such as copper plates to be used.If the adhesive does not spread evenly or bubbles are generated during the bonding process, it may cause defects such as sound distortion. There was a limit.
이러한 종래 기술의 하나인 특허공고 특 1993-0008731에 공고된 압전세라믹-고분자 복합체 스피커의 제조방법은 Sr에 의해 Pb가 0.1~0.9mol% 치환된 PbTiO3-PbZrO3-Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 의 세라믹 분말과 MMA(Methylmethacrylate)를 60:40의 부피비로 혼합하고 경화촉진제 등을 넣어 금형에 넣고 가압하여 경화시킨 것으로 조성 및 금형을 이용하여 경화시키는 발명에 관한 것이다.The method for manufacturing a piezoceramic-polymer composite speaker disclosed in Patent Publication No. 1993-0008731, which is one of the prior arts, includes PbTiO3-PbZrO3-Pb (Zn1 / 3Nb2 / 3) O3 substituted with 0.1 to 0.9 mol% of Pb by Sr. The ceramic powder of MMA (Methylmethacrylate) is mixed in a volume ratio of 60:40, and a curing accelerator is put into a mold and cured by pressurizing.
위 발명은 0-3형 복합체의 제작의 기본 방법으로서 고분자를 경화시키기 위해 제조시 가압을 해야 하는 불편함이 있고, 제품군이 다양해 짐에 따라 금형을 따로 제작을 해야 한다. 또한 압전성이 없고, 유전율이 낮은 MMA를 이용하였기 때문에 특성의 향상을 기대하기 어렵다.The above invention has the inconvenience of having to pressurize during manufacture to cure the polymer as a basic method of the production of 0-3 type composite, and must be manufactured separately as the product range is diversified. In addition, since MMA having no piezoelectricity and a low dielectric constant is used, it is difficult to expect improvement in characteristics.
한편, 이를 보완하기 위하여 고분자 물질인 압전 폴리머인 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene difluoride, 이하 'PVDF' 라 함)를 이용하여 필름스피커로 활용하는 기술이 개발되었다. PVDF는 비교적 우수한 압전 특성(d33≒25~30pC/N)(d33은 전압을 인가하였을 때 얼마나 많은 변위로 진동을 하는가를 나타내는 압전상수)과 초전 특성(즉, 온도 변화가 있을 경우 내부에 전하가 발생하여 전압이 발생하는 특성) 및 유연성(즉, 압전 세라믹을 잘 깨지고 휘지 못하나 고분자 필름이므로 휠 수 있음)을 가지는 것으로 알려져 있으며, 통상적으로 고분자 쉬트 형상의 압전 폴리머 막이 전극층 사이에 놓이는 구조를 갖는데, 폴리머 막의 길이(l)와 폭(w)이 두께(t)에 비하면 상당히 크며, 압전 폴리머 막의 두께(t)는 대략 20 ~ 200㎛의 것을 주로 이용한다.Meanwhile, in order to compensate for this, a technology of using a film speaker using a polyvinylidene difluoride (hereinafter referred to as 'PVDF'), which is a piezoelectric polymer, has been developed. PVDF has relatively good piezoelectric properties (d33 ≒ 25 ~ 30pC / N) (d33 is a piezoelectric constant indicating how much displacement is applied when a voltage is applied) and pyroelectric properties (i.e., electric charge It is known to have characteristics that generate voltage and generate voltage) and flexibility (that is, the piezoelectric ceramic is not easily broken and bent, but can be bent because it is a polymer film), and a piezoelectric polymer film having a polymer sheet shape is usually disposed between electrode layers. The length (l) and width (w) of the polymer film are considerably larger than the thickness (t), and the thickness (t) of the piezoelectric polymer film is mainly about 20 to 200 mu m.
압전 특성을 얻기 위해서는 반드시 상하부 전극에 직류 고전압을 인가하여 내부의 전기 쌍극자(dipole)를 한 방향으로 정렬해야 하며 이러한 고전압을 인가하는 공정을 분극이라고 하는데, 고분자 압전체인 PVDF를 이용하여 스피커를 제조할 경우 분극 작업시 1MV/cm 이상의 고전계가 필요로 하고, 낮은 전압으로 분극을 할 경우, 압전특성(d33 상수값이 대략 30pC/N 으로 압전세라믹의 1/10~1/20 정도의 값을 가짐)도 떨어지며, 또한 상하부 전극은 전도성 고분자 또는 Al 증착 방법을 이용하나 PVDF의 표면은 친수성이지 않으므로 접착력의 문제로 인하여 여러 가지 표면 개질 방법(플라즈마 처리, 이온빔 처리 등)을 사용하여 접착력을 향상시켜야 하는 등 부가적인 공정이 필요하다. 표면에 전극의 접착력이 떨어져 장시간 사용할 경우, 진동으로 인하여 전극이 떨어지는 문제가 있다. In order to obtain the piezoelectric characteristics, DC high voltage must be applied to the upper and lower electrodes to align the internal electric dipoles in one direction. The process of applying such high voltage is called polarization. A speaker can be manufactured using PVDF, a polymer piezoelectric material. In the case of polarization work, a high electric field of 1MV / cm or more is required, and when polarizing at low voltage, the piezoelectric properties (d33 constant value is about 30pC / N has a value of 1/10 ~ 1/20 of piezoceramic) In addition, the upper and lower electrodes use a conductive polymer or Al deposition method, but since the surface of the PVDF is not hydrophilic, it is necessary to improve adhesion by using various surface modification methods (plasma treatment, ion beam treatment, etc.) due to the problem of adhesion. An additional process is needed. If the adhesion of the electrode on the surface is off for a long time, there is a problem that the electrode falls due to vibration.
PVDF를 이용한 필름스피커의 경우에는 PVDF 필름의 가격이 높고, 스피커로 사용하기 위해서는 d33 값이 낮아 고전압(대략 100Vrms 이상)을 인가하여야 하며, 고전압을 인가하기 위하여 별도의 고전압(대략 100V 이상) 승압 앰프가 필요하고, 필름의 임피던스가 크기 때문에 임피던스 매칭을 위하여 트랜스포머를 사용해야 하고, 저음영역에서 음향 특성이 떨어진다는 단점이 있다.In the case of film speaker using PVDF, PVDF film price is high and d33 value is low to use as a speaker, so high voltage (approximately 100Vrms or more) must be applied, and separate high voltage (approximately 100V or more) boosting amplifier to apply high voltage And a large impedance of the film, the transformer must be used for impedance matching, and there is a disadvantage in that the acoustic characteristics are poor in the bass region.
본 발명은 상기한 바와 같이 종래 기술의 단점 및 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 압전세라믹-고분자 복합체를 이용함으로써 제작이 용이하고, 저가격이며, 초박형이면서 유연성이 있는 압전특성이 우수한 필름형 스피커 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention is to improve the shortcomings and problems of the prior art as described above, by using a piezoceramic-polymer composite, easy to manufacture, low-cost, ultra-thin and flexible piezoelectric film excellent speaker and its manufacture It is to provide a method.
본 발명은 인쇄 및 닥터 블레이드법을 이용하여 양산성이 탁월하며, 실크 스 크린 또는 증착 등의 방법으로 전극을 형성하여 대량의 생산 및 제조가 용이한 필름형 스피커 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a film-type speaker and a method for manufacturing the same, which is excellent in mass productivity using a printing and doctor blade method, and which is easy to mass produce and manufacture by forming an electrode by a method such as silk screen or deposition. .
또한 본 발명은 인쇄두께의 조절, 전극의 조절, 베이스필름의 선정 등을 통해 특성의 조절 및 크기의 조절이 용이하며, 원하는 사양의 다양한 디자인을 가진 박형, 경량의 제품을 손쉽게 양산할 수 있는 필름형 스피커 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention is easy to control the characteristics and size through the adjustment of the printing thickness, the electrode control, the selection of the base film, the film that can easily mass-produce thin, lightweight products with a variety of design of the desired specifications It is to provide a type speaker and a method of manufacturing the same.
또한, 본 발명은 필름형 스피커의 베이스필름 면에 패턴의 인쇄 등으로 다양한 문양 및 광고물 등을 손쉽게 인쇄할 수 있으며, 디자인이 다양한 베이스 필름을 그대로 이용할 수도 있는 필름형 스피커 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention can easily print a variety of patterns and advertisements, such as by printing a pattern on the base film surface of the film-type speaker, and provides a film-type speaker and a method of manufacturing the same can also use a variety of base film design as it is It is to.
또한, 본 발명은 기존의 PVDF 압전 필름보다 낮은 전압에서 구동이 가능하기 때문에 과도한 승압으로 인한 손실을 막을 수 있으며, 임피던스 또한 낮아 매칭하기 용이하며, 전력의 소모도 줄일 수 있는 필름형 스피커 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다..In addition, since the present invention can be driven at a lower voltage than conventional PVDF piezoelectric film, it is possible to prevent the loss due to excessive voltage boost, low impedance, easy to match, and also to reduce the power consumption film-type speaker and its manufacture To provide a way.
또한 본 발명은 압전 분말:PVDF 매질의 비율을 조절함으로서 손쉽게 특성의 제어가 가능한 필름형 스피커 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.In another aspect, the present invention is to provide a film-type speaker and a method of manufacturing the same that can be easily controlled by adjusting the ratio of piezoelectric powder: PVDF medium.
또한 본 발명은 음향 특성을 향상시키기 위해 다층구조로 제작가능한 필름형 스피커 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.In another aspect, the present invention is to provide a film-type speaker and a method of manufacturing the same that can be produced in a multi-layer structure to improve the acoustic characteristics.
또한 본 발명은 중, 고음의 음역대가 기존의 스피커보다 우수하고 음의 확산성이 넓으므로 특정위치에 관계없이 음을 청취할 수 있는 필름형 스피커 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention is to provide a film-type speaker and a method for manufacturing the same, which can hear the sound regardless of a specific position because the mid-high treble is superior to the existing speaker and the sound spreading is wide.
또한 본 발명은 쉽게 휠 수 있기 때문에 휘는 정도에 따라 소리의 고·저음 및 확산성을 조절할 수 있으며, 곡면으로 형성할 경우 음압을 집중시켜 보다 큰 음량을 가지도록 할 수 있고, 필름스피커의 전후면으로 음을 방사할 수 있는 필름형 스피커 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.In addition, since the present invention can be easily bent, the high, low and diffuseness of the sound can be adjusted according to the degree of bending, and when the curved surface is formed, the sound pressure can be concentrated to have a higher volume, and the front and rear surfaces of the film speaker To provide a film-like speaker and a method of manufacturing the same that can emit sound.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 압전 복합체 스피커는 베이스필름(1)에 하부전극(2)을 형성하고, 원형, 사각형, 띠형 등 음향 특성에 맞추어 설계된 소정 형상의 압전 복합체(3)를 상기의 하부전극(2)이 형성된 베이스필름(1)에 인쇄 또는 닥터블레이드법으로 형성하고, 그 위에 상부전극(4)을 형성한 구조를 특징으로 한다. 상부전극(4)과 하부전극(2)에는 외부 음원 신호를 인가하는 단자(도시되지 않음)가 구비된다.In order to achieve the above object, the piezoelectric composite speaker according to the present invention forms a
더 상세히 말하면, 본 발명의 압전 복합체 스피커(100)는 높은 압전상수를 갖는 압전 분말(31)과 압전성 고분자인 PVDF 매질(32)을 적절한 비율(5:5~7:3)로 혼합하여 압전 복합체(3)를 제조하고, 하부전극(2)이 구비된 베이스필름(1)에 인쇄 또는 닥터블레이드법 등을 이용하여 압전 복합체(3)를 형성하고, 상부전극(4)은 또한 전도성 고분자, 카본(carbon), 실버를 인쇄하여 형성하거나, Cu, Al, Ag 등 금속을 증착하여 형성한 후 분극을 통하여 압전성을 부여하는 것을 특징으로 하며, 또한 상기 전극(2, 4)에 증폭된 외부 음원신호(130)를 인가하는 단자(140)를 구비하여, 상기 압전 복합체(3)의 기계적 진동을 유발하여 음을 방사하는 압전 복합체 스피커(100)이다.More specifically, the
닥터블레이드(Doctor Blade)법은 그린쉬트(Green sheet)를 만드는 일반적인 공정으로서, 높이 조절이 가능한 칼날이 있어 하부판과 일정한 간격을 이루고 있으며, 원하는 재료를 슬러리 상태로 만들어 하부판 위에 필름을 놓고 슬러리를 위에서 부으면 슬러리가 칼날과 하부판의 간격을 통해 나오면서 필름위에 입혀지는 공정이며, 필름을 일정한 속도로 당기면 연속하여 슬러리가 일정한 두께로 형성되는 공정이다.The Doctor Blade method is a general process for making green sheets, and has a height-adjustable blade that is spaced apart from the bottom plate.The desired material is made into a slurry and a film is placed on the bottom plate. When poured, the slurry comes out through the gap between the blade and the lower plate and is coated on the film. When the film is pulled at a constant speed, the slurry is continuously formed in a constant thickness.
전극형성 방법에서 실크스크린은 실크망에 원하는 형상의 패턴을 형성하고 실크망 사이로 잉크를 통과하게 하여 필름에 인쇄하는 방식으로서, 본 발명에서 대표적으로 이용되는 인쇄 방식이지만 다른 방식의 인쇄 방법도 본 발명에 적용될 수 있음은 물론이다.In the electrode forming method, the silk screen forms a pattern of a desired shape on the silk net and passes the ink between the silk nets to print on the film. Although the printing method is typically used in the present invention, other printing methods are also used in the present invention. Of course, it can be applied to.
전극형성 방법에서 증착의 방법에는 CVD, PVD, 스퍼터링, E-Beam등을 이용한 통상의 증착방법이 이용된다.As the deposition method in the electrode formation method, a conventional deposition method using CVD, PVD, sputtering, E-Beam, or the like is used.
이하 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through embodiments of the present invention shown in the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압전 복합체 스피커(100)의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a
본 발명에 따른 압전 복합체 스피커(100)는 베이스필름(1)에 하부전극(2)을 형성하고, 소정 형상의 압전 복합체(3)를 상기의 하부전극(2)이 형성된 베이스필름(1)에 형성하고, 그 위에 상부전극(4)을 형성한 구조이다. 상부전극(4)과 하부전극(2)에는 외부 신호를 인가하는 단자(도시되지 않음)가 구비된다. In the
베이스필름(1)으로는 15 ~ 100㎛의 PEN(Polyethylene Naphthalate), PET(Polyethylene terephtalate), PS(Polystylene) 등의 고분자 필름을 이용한다. 베이스필름(1)에는 패턴인쇄 등의 방법으로 다양한 색상을 갖는 도안 및 문양 등의 장식을 구비할 수 있다.As the
베이스필름(1) 상에는 Ag 페이스트(paste), Carbon 페이스트, 전도성 고분자를 인쇄하거나, Cu, Al, Ag, ITO 등의 전도성 물질을 증착하여 형성되는 하부전극(2)이 놓인다.The
하부 전극(2)층이 갖춰야 할 조건은 상부에 놓이게 될 압전복합체(3) 막보다 열적으로 안정하며, 낮은 면저항을 나타내고, 기계적으로 영스모듈러스(Young's modulus)가 작아야 한다.The condition that the
Ag 페이스트와 Carbon 페이스트는 인쇄가 가능하도록 적절한 점도를 가지고 있으며, Ag나 Carbon의 입자(입자 사이즈는 대략 10㎛)가 용제, 바인더와 혼합되어 있으며, 건조 온도는 대략 150도 미만의 특성을 가지는 일반적인 저온용 전극재료이다.Ag paste and carbon paste have proper viscosity for printing, and Ag or Carbon particles (particle size of about 10㎛) are mixed with solvent and binder, and drying temperature is less than 150 degrees. Low temperature electrode material.
전도성 고분자는 polyaniline, polythiophene, PEDOT(poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)), polypyrrole, PPV(polyphenylenevinylene) 등의 전도성 고분자와 그의 유도체 및 유기물 전도체 등을 포함한다.Conductive polymers include conductive polymers such as polyaniline, polythiophene, PEDOT (poly (3,4-ethylene-dioxythiophene)), polypyrrole, PPV (polyphenylenevinylene), derivatives thereof, and organic conductors.
하부전극(2) 상에는 0-3형 압전복합체를 이용하여 압전복합체(3)층이 형성된다. 도 2에 본 발명의 압전복합체(3)의 단면 구조를 도시하였다. 본 발명의 압전복합체(3)는 압전분말(31)과 PVDF 매질(32)의 혼합물로 구성된다.On the
압전 복합체(3)의 경우, 유전상수가 크고 주파수에 대한 유전 손실(loss tangent)이 안정적으로 작은 수치를 나타내며 누설전류가 최소화되어야 한다. 이를 위해서는 압전 복합체(3)의 두께를 줄이거나 면적을 늘이고, 유전율이 큰 압전 분말(31)을 사용해야 한다. 본 발명에서 예시된 아래의 조성을 가지는 PZT는 비유전율이 6,000정도를 가지고 있는 조성이다. 한편, PZT는 조성에 따라 100~750pC/N 까지의 압전상수를 가진다.In the case of the
이에 사용되는 압전분말(31)은 PZT(Pb(Ti,Zr)O3)계 또는 BNT, SBT 등 무연(Lead-free)계 등 높은 압전 상수를 가진 압전체 분말이면 모두 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 압전분말(31)은 (Pb1-a-bBaaCdb)(Ni1/3Nb2/3)c(Zn1/3Nb2/3)d(ZrxTi1-x)1-c-dO3의 조성을 가지도록 PbO, BaCO3, CdO, NiO, Nb2O5, ZnO, ZrO2, TiO2 분말을 이용하여 합성하였으며, 비유전율은 6,000정도, d33 압전상수는 700pC/N 이다.The
PVDF 매질(32)에 압전분말(31)에 고르게 분포되어 있어야 하며, 압전분말(31)의 크기는 대략 2㎛ 이하이며, 통상적인 볼밀 방법으로 소결된 분말을 분쇄를 하여 체거름을 하여 사용한다. 더 미세한 입도를 얻기 위해서는 고에너지 볼밀 등을 사용할 수 있다. The
PVDF 매질(32)은 PVDF에 HFP, CTFE 또는 PTFE 등의 첨가물을 넣은 고분자 혼합물(Copolymer)로서, PVDF 대신 VDF(Vinylidenefluoride)나 TrFE(Trifluoroethylene) 등을 이용하고 상기한 첨가물을 넣어서 제조할 수도 있다.The
압전복합체(3) 상에는 전도성 고분자, Ag 페이스트, Carbon 페이스트(paste) 등의 전도성 페이스트를 이용하여 실크스크린 인쇄, 스프레이법 등으로 상부전극(4)이 형성되거나, Cu, Al, ITO 등 전도성 물질을 증착(스퍼터링, 진공증착 등)하여 상부전극(4)이 형성된다. 상부전극(4)으로 사용가능한 전도성 고분자는 polyaniline, polythiophene, poly(3,4-ethylenc dioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole, polyphenylenevinylene (PPV) 등의 전도성 고분자와 그의 유도체 등과 유기물 전도체 등을 포함한다. 전도성 고분자의 경우 저항이 높으므로 적절한 두께(대략 3㎛ 이상)로 형성하도록 한다. Ag 페이스트, Carbon 페이스트로 인쇄를 한 경우, 저항이 낮으므로 최대한 얇은 두께로 형성되도록 하여 음압 특성이 전극의 무게에 따라 변하지 않게하는 것이 중요하다. 상부전극(4)의 경우, 실크스크린에 패턴을 형성하여 분극시 발생할 수 있는 하부전극과의 쇼트(short) 현상이 없도록 설계 및 형성하는 것이 중요하다.On the
도 3에 본 발명의 압전 복합체 스피커의 제조공정도를 도시하였다.3 is a manufacturing process chart of the piezoelectric composite speaker of the present invention.
본 발명의 압전 복합체 스피커(100) 제조 방법은 크게 압전 복합체(3)의 제조, 베이스 필름(1) 및 하부전극(2), 상부전극(4)의 형성, 및 후처리 공정으로 크게 나눌 수 있다.The piezoelectric
베이스필름(1)으로는 15 ~ 100㎛의 PEN(Polyethylene Naphthalate), PET(Polyethylene terephtalate), PS(Polystylene) 등의 고분자 필름을 제공한다(단계 300).The
베이스필름(1)에는 패턴인쇄 등의 방법으로 다양한 색상을 갖는 도안 및 문 양 등의 장식을 형성할 수 있다. 압전 복합체 스피커(100)의 사용용도 및 분위기에 맞추어 다양한 패턴과 모양으로 제작하여 효과적으로 사용할 수 있다.The
베이스필름(1) 상에 Ag 페이스트, Carbon페이스트, 전도성 고분자를 인쇄하거나 Cu, Al, Ag, ITO 등의 전도성 물질을 증착하여 하부전극(2)을 형성한다(단계 310).The
ITO 전극의 경우 PET에 약 300Å 정도로 증착이 되어 시판되고 있으며, PET는 최저의 두께가 약 50㎛ 정도이다. Ag, Carbon의 경우는 대략 10㎛, 전도성 고분자는 대략 3㎛ 정도의 두께로 형성되고, Cu, Al, Ag 등을 증착할 경우에는 증착 시간 및 조건에 따라 대략 2,000~10,000Å, ITO의 경우에는 300Å 정도로 형성된다.ITO electrode is commercially available by depositing about 300 Å on PET, PET has a minimum thickness of about 50㎛. Ag, Carbon is about 10㎛, conductive polymer is about 3㎛ thick, and when depositing Cu, Al, Ag, etc., depending on the deposition time and conditions, about 2,000 ~ 10,000Å, ITO It is formed around 300Å.
하부전극(2) 상에는 0-3형 압전복합체를 이용하여 압전복합체(3)층이 형성되며, 두께는 대략 30㎛ 이상으로 형성하되, 혼합비율에 따라 약간씩 달라질 수 있다.The piezoelectric
압전복합체(3)의 구성요소로서 압전분말(31)을 제조한다. 예시된 조성의 경우, BaCO3, CdO, NiO, Nb2O5, ZnO, ZrO2, TiO2 분말을 평량하여(단계 320), 볼밀을 이용하여 혼합하고 800~900℃에서 4시간 하소를 한다(단계 322). 하소분말을 볼밀을 이용하여 분쇄하고, 1000~1100℃에서 2~4시간 소결하여 소결된 상태의 분말을 형성한 후, 볼밀로 48시간 분쇄를 하여 입도가 2㎛ 이하인 압전분말(31)을 제조한다(단계 324).A
다음, 압전분말(31)과 PVDF 매질(32)을 무게비로 50~70wt%:30~50wt%, 바람직하게는 65wt%:3wt%로 혼합하여 슬러리 형태로 제조한다.Next, the
PVDF 분말을 용제(NMP, DMF, DMAc, Acetone 등)에 가열을 하면서 녹여서 액상의 PVDF 매질(32)로 제조하고, 압전분말(31)과 PVDF 매질(32)을 무게비로 50~70wt% 혼합을 한다(단계 330). 이때 분산제, 소포제 등의 첨가제는 조건에 맞도록 첨가하고, 볼밀 또는 3 롤밀(Roll-mill), 임펠러를 이용하여 충분히 교반하여 인쇄가 가능한 약 7,000ps 정도의 점도를 가진 슬러리가 되도록 함으로써, 이후 인쇄 및 닥터블레이드법을 시행하기 적절하도록 조절한다(단계 332).PVDF powder is melted by heating in a solvent (NMP, DMF, DMAc, Acetone, etc.) to prepare a liquid PVDF medium (32), 50 ~ 70wt% mixture of piezoelectric powder (31) and PVDF medium (32) by weight ratio (Step 330). At this time, additives such as a dispersant and an antifoaming agent are added to meet the conditions, and the mixture is sufficiently stirred using a ball mill or a three-roll mill or an impeller to produce a slurry having a viscosity of about 7,000 ps, which can be printed thereon, and then printing. And adjusting to implement the doctor blade method (step 332).
PVDF 매질(32)의 첨가량을 낮출수록 압전특성(전압을 가하였을 때의 변위량을 나타내는 것으로서 압전상수 d33으로 표시됨)은 우수하나, 압전 분말(31)과 PVDF 매질(32) 사이에 기포가 없고 압전복합체(3)가 균일하게 제작하기 위해서는 적절한 비율이 필요하다. 본 발명의 실시예에서는 65:35의 비율이 적절한 것으로 나타났다.The lower the amount of PVDF medium 32 added, the better the piezoelectric characteristics (represented by the piezoelectric constant d33, which represents the displacement amount when voltage is applied), but there is no bubble between the
이어서, 하부전극(2)이 구비된 베이스 필름(1)을 인쇄기에 놓고 패턴을 형성한 실크스크린을 이용하여 원하는 두께가 되도록 수차례 인쇄와 건조 공정을 반복하거나(단계 340) 또는 닥터블레이법 등으로 고른 두께를 가지도록 하여 압전복합체(3)층을 형성한다(단계 342).Subsequently, the
닥터블레이드법을 이용할 경우, 블레이드 날의 높이를 원하는 높이에 맞추어 등속으로 형성한다. 한편, 패턴이 필요할 경우 실크스크린에 패턴을 형성하도록 하고, 실크스크린의 메쉬는 150~200 정도의 메쉬를 선택하여 형성한다. 또한, 건조 공정에서 온도는 120~150℃가 바람직하다. In the case of using the doctor blade method, the blade blades are formed at a constant velocity at a desired height. On the other hand, if the pattern is required to form a pattern on the silk screen, the silk screen mesh is formed by selecting a mesh of about 150 ~ 200. Moreover, as for temperature in a drying process, 120-150 degreeC is preferable.
압전복합체(3) 상에는 전도성 고분자, Ag, Carbon 페이스트(paste) 등의 전 도성 페이스트를 이용하여 실크스크린 인쇄, 스프레이법 등으로 상부전극(4)이 형성되거나, Cu, Al, ITO 등 전도성 물질을 증착(스퍼터링, 진공증착 등)하여 상부전극(4)이 형성된다(단계 350).On the
이어서, 후처리 공정으로서 압전복합체(3)에 4KV/mm(종래의 PVDF 필름의 경우는 1MV/cm 정도)의 전계를 가하여 분극을 하여 압전성을 부여하는데(단계 360), 분극 방법은 직접 전계 인가 방식 또는 코로나 분극 방법을 선택할 수 있으며, 대략 80~120℃의 온도에서 분극을 하여 d33 값이 20~100pC/N 정도의 특성을 가지는 것이 바람직하다.Subsequently, an electric field of 4 KV / mm (about 1 MV / cm in the case of a conventional PVDF film) is applied to the
도 4에서 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 스피커(100)를 구동하기 위한 기본적인 구성은 오디오신호 입력부(130), 그 신호를 증폭하는 회로로 구성되는 오디오앰프(120) 그리고 압전 복합체 스피커(100)로 전압을 출력하는 승압 트랜스포머(110)로 구성된다. 이는 기존의 PVDF 필름을 이용한 필름 스피커와 동일하다. 승압 트랜스포머(110)의 출력 단자를 압전 복합체 스피커의 전극(140)에 각각 연결을 한다.As shown in FIG. 4, the basic configuration for driving the piezoelectric
압전 복합체 스피커(100)의 양면에 놓인 상하부 전극(4,2)의 양단에 전압 차이가 발생하면 압전 복합체(3)의 변위가 발생하게 되며, 입력 음원의 주파수에 따라 기계적 진동을 발생하며 이로 인하여 공기를 밀어내어 음을 발생하게 된다.When voltage difference occurs at both ends of the upper and
압전 복합체 스피커(100)는 유연하므로 다양한 모양(shape), 패턴(pattern)으로 제작할 수 있으며, 곡면으로 형성하여 음압을 집중시켜 보다 큰 음량을 가지도록 할 수 있다. 그리고 소재의 연성이 뛰어난 플라스틱 소재 같이 가벼운 프레임 틀 지지대를 이용하여 곡면을 만들어 압전 복합체 스피커의 전·후면에 음을 방사할 수 있다.Since the piezoelectric
통상의 PVDF 압전필름을 이용하는 필름 스피커의 경우와 마찬가지로 본 발명의 압전 복합체 스피커에 전압을 공급하는 원리는, 음향기기 등의 음원에서 나온 오디오신호가 오디오신호 입력부(130)에 입력되어 오디오 앰프(120)를 통해 소정 레벨로 증폭되고, 이 증폭된 오디오신호가 승압 트랜스포머(110)를 거치면서 전압이 증폭되고, 이 증폭된 신호가 압전복합체 스피커(100)의 단자(140)를 통해 압전복합체 스피커(100)로 인가되어 압전복합체(3)가 전압 신호에 따라 진동을 하게 되면서 압전복합체 스피커(100)에서 소리가 나오는 것이다.As in the case of a film speaker using a conventional PVDF piezoelectric film, the principle of supplying a voltage to the piezoelectric composite speaker of the present invention is that an audio signal from a sound source such as an audio device is input to the audio
PVDF 압전 필름과 마찬가지로 압전 복합체 또한 기존의 스피커에 비해 임피던스가 높기 때문에 트랜스 포머(110) 및 오디오 앰프(120)를 이용하여 임피던스를 매칭 시켜야 한다. Like the PVDF piezoelectric film, the piezoelectric composite has a higher impedance than the conventional speaker, and thus the impedance must be matched using the
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 압전복합체 스피커의 제조공정도이다.5 is a manufacturing process diagram of the piezoelectric composite speaker according to the second embodiment of the present invention.
제 2 실시예에 따른 압전복합체 스피커는 베이스필름(1)에 하부전극(2)을 형성하고, 압전 복합체(3)를 상기의 하부전극(2)이 형성된 베이스필름(1)에 형성하고, 그 위에 상부전극(4)을 형성하고, 상기의 상부전극(4)에 제 2층의 압전복합체(33)를 인쇄 또는 닥터블레이드법으로 형성하고, 제 2의 상부전극(41)을 형성하고, 이와 같은 과정을 반복하여 필요한 특성에 맞게 n 층을 적층하는 구조이다. 압전 계수인 d33은 적층 횟수에 따라 직선적으로 증가한다. In the piezoelectric composite speaker according to the second embodiment, the
본 발명의 경우 인쇄 또는 닥터블레이드법을 이용하여 압전복합체(3, 33)와 전극(2, 4, 41)을 형성하므로 간단한 공정으로 음향 특성을 향상시킬 수 있다. 압전복합체 층(3, 33)을 전극을 사이에 두고 2, 3, 4, …, n 층으로 적층하게 되면, 적층시 동일한 전압을 인가하였을 때에도, 압전복합체의 전체 변위가 적층된 층수 만큼 증진이 되기 때문에 음압특성을 향상시킬 수 있다. 이는 적층 압전 액튜에이터와 동일한 원리이다.In the case of the present invention, the
이상에서, 본 발명의 1, 2 실시예를 통해 본 고안을 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 기재된 실시예에 한정되지는 않으며, 첨부된 특허청구범위에 의거하는 권리범위 내에서 당업자에 의해 다양한 수정이나 변경이 가능함은 자명하다.In the above, the present invention has been described through the first and second embodiments of the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the described embodiments, and various modifications are made by those skilled in the art within the scope of the claims based on the appended claims. It is obvious that modifications or changes are possible.
본 발명의 필름스피커는, 인쇄 및 닥터 블레이드법을 이용하기 때문에 양산성이 탁월하며 실크 스크린 또는 증착 등의 방법으로 전극을 형성하여 대량의 생산 및 제조가 용이하므로, 기존의 PVDF 압전 필름 스피커의 대략 1/10 정도의 가격으로 제작이 가능하다.Since the film speaker of the present invention uses the printing and doctor blade method, it is excellent in mass productivity and is easy to produce and manufacture in large quantities by forming electrodes by a method such as silk screen or vapor deposition. It can be produced at a price of about 1/10.
본 발명의 필름스피커는, 인쇄두께의 조절, 전극의 조절, 베이스필름의 선정 등을 통해 특성의 조절 및 크기의 조절이 용이하며, 원하는 사양의 다양한 디자인을 가진 박형, 경량의 제품을 손쉽게 양산할 수 있는 효과가 있다.The film speaker of the present invention is easy to adjust the characteristics and the size through the adjustment of the printing thickness, the electrode control, the selection of the base film, and can easily mass-produce thin, lightweight products having various designs of the desired specifications. It can be effective.
본 발명의 필름스피커의 베이스필름 면에 패턴의 인쇄 등으로 다양한 문양 및 광고물 등을 손쉽게 인쇄할 수 있으며, 디자인이 다양한 베이스 필름을 그대로 이용할 수도 있다.Various patterns and advertisements can be easily printed by printing patterns on the base film surface of the film speaker of the present invention, and various base films can be used as they are.
본 발명의 필름스피커는 기존의 PVDF 압전 필름보다 낮은 전압에서 구동이 가능하기 때문에 과도한 승압으로 인한 손실을 막을 수 있으며, 임피던스 또한 낮아 매칭하기 용이하며, 전력의 소모도 줄일 수 있다.Since the film speaker of the present invention can be driven at a lower voltage than the conventional PVDF piezoelectric film, it is possible to prevent loss due to excessive voltage boost, low impedance and easy matching, and power consumption can be reduced.
또한 본 발명의 필름스피커는 압전 분말:PVDF 매질의 비율을 조절함으로서 손쉽게 특성의 제어가 가능하다.In addition, the film speaker of the present invention can be easily controlled by controlling the ratio of piezoelectric powder: PVDF medium.
또한 볼 발명의 압전 복합체 스피커는 적층을 함으로써 성능을 직선적으로 증진시킬 수 있어 목적에 맞는 제품을 제공할 수 있다.In addition, the piezoelectric composite speaker of the present invention can linearly improve performance by laminating, thereby providing a product suitable for the purpose.
또한 본 발명의 필름스피커는 중, 고음의 음역대가 기존의 스피커보다 우수하고 음의 확산성이 넓으므로 특정위치에 관계없이 음을 청취할 수 있다.In addition, the film speaker of the present invention can hear the sound regardless of the specific position because the mid-high pitch range is superior to the existing speaker and the sound spreading is wide.
또한 본 발명의 필름스피커는 쉽게 휠 수 있기 때문에 휘는 정도에 따라 소리의 고·저음 및 확산성을 조절할 수 있으며, 곡면으로 형성할 경우 음압을 집중시켜 보다 큰 음량을 가지도록 할 수 있고, 필름스피커의 전후면으로 음을 방사할 수 있다.In addition, since the film speaker of the present invention can be easily bent, it is possible to adjust the high, low and diffusivity of the sound according to the degree of bending, and when it is formed into a curved surface, the sound pressure can be concentrated to have a larger volume, and the film speaker Sound can be radiated to the front and back of.
또한 본 발명의 압전복합체는 필름형 스피커 외에 압전센서의 다양한 용도에 광범위하게 적용될 수 있다.In addition, the piezoelectric composite of the present invention can be widely applied to various applications of piezoelectric sensors in addition to film-type speakers.
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