KR100744843B1 - 음향 진동판 및 이를 구비하는 스피커 - Google Patents

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Abstract

탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버를 강화제로 포함하는 음향 진동판이 제공된다.
상기 음향 진동판은, 전기적 신호를 기계적 신호로 변환하여 음향을 발생시키는 음향 진동판에 있어서, 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버를 강화제로 포함하는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버는 상기 음향 진동판의 내부에 개재 또는 분산되거나 음향 진동판의 표면에 코팅된다.
이와 같은 본 발명에 의하면 탄성률과 내부손실, 강도 면에서 우수한 물성을 갖고 있어 넓은 주파수 대역뿐만 아니라 특정 주파수 대역에서도 뛰어난 음질과 높은 출력을 구현할 수 있다는 효과가 있게 된다.
탄소나노튜브(CNT), 탄소나노파이버(GNF), 진동판, 스피커, 탄성률, 내부 손실, 밀도, 마이크로 스피커, 평판 스피커

Description

음향 진동판 및 이를 구비하는 스피커{Acoustic Diaphragm And Speaker Having The Same}
도 1은 본 발명에 의한 음향 진동판을 구비하는 마이크로 스피커의 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 음향 진동판을 구비하는 압전 스피커의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10... 마이크로 스피커 16... 진동판
20... 압전 스피커 21... 진동판
본 발명은 음향 진동판 및 이를 구비하는 스피커에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube) 또는 탄소나노파이버(GNF, Graphitic Nano-Fiber)를 강화제로서 포함하는 음향 진동판 및 이를 구비하는 스피커에 관한 것이다.
스피커는 전기적 전류 에너지를 기계적인 소리 에너지로 변화시키는 전기부품으로서, 전화기, 이동 통신 휴대폰, 컴퓨터, TV, 카세트, 음향 기계, 자동차 등에 널리 사용된다.
스피커 시스템은 일반적으로 진동판, 댐퍼, 영구자석, 프레임, 인클로우저(encloser)등의 부품으로 이루어지며, 이 중에서 음질에 가장 큰 영향을 미치는 요소로 진동판을 들 수 있다.
진동판은 그 전후의 공기에 압력을 가하여 소밀파를 발생시켜, 이것이 음파로 되어 우리의 귀에 들린다. 진동판의 진동방식에 따라 음질이 크게 변화한다. 스피커에 요구되는 성능은 입력된 전기 신호를 충실히 재생하는 것이다. 저음부터 고음까지의 보다 넓은 주파수 범위에까지 크고 그러면서도 일정 음압의 재생음을 얻을 수 있는 것이 바람직하다.
스피커의 주파수 특성 곡선에서 보면, 최저 공진주파수(Fa : 저음재생주파수의 한계)부터 고역 공진주파수(Fb : 고음재생주파수의 실질적인 한계)의 범위가 넓으면서도, 음압이 높고 요철이 적은 평평한 형태를 갖는 것이 요구된다.
이러한 스피커 특성을 실현하기 위해서는 진동판에는 3가지 특성이 요구된다.
먼저, 탄성률이 클 것이 요구된다. 고역 공진주파수는 음속에 비례하고 음속은 탄성률의 제곱근에 비례하므로 최저 공진 주파수가 일정하면, 탄성률이 큰 만큼 재생주파수 대역을 확대시킬 수 있다.
다음으로, 내부손실이 클 것이 요구된다. 주파수 특성그래프의 요철은 진동계에서 발생하는 많은 공진이 날카로운 것에 기인하므로, 내부손실이 크면 공진의 피크를 평탄하게 할 수 있다. 즉, 내부 손실률이 큰 음향 진동판을 사용한 스피커는 음향 진동판이 필요 음역만을 진동한 후 더 이상의 진동을 하지 않으므로 불필요한 잡음이나 잔향이 줄어들게 되고 고역의 피크(Peak)를 낮출 수 있어 원음 그대로를 효과적으로 출력하게 된다.
그리고, 진동판은 가벼운 것, 즉 질량(또는 밀도)이 작을 것이 요구된다. 일정 에너지의 입력신호로부터 보다 큰 음압을 얻으려면, 진동판을 포함한 진동계가 가벼울수록 좋다. 또한, 종파 전달 속도(longitudinal wave propagating velocity) 또는 음파 전달속도를 빠르게 하기 위해서는, 진동판의 재질로서 가벼우며 영률(Young's modulus)이 큰 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 탄성률과 내부손실이 크고 경량의 소재를 진동판의 재질로 사용하는 것이 이상적이지만 이러한 요구조건들은 상반관계에 있다. 이 때문에 3 가지 조건을 모두 적절히 조화시킨 음향 진동판의 재료를 찾는 것이 음질이 우수한 스피커를 만드는 기초가 된다.
이러한 물성에 관한 조건을 적절히 만족시키기 위해, 종래부터 탄소 섬유, 아라미드(aramid) 섬유와 같이 높은 탄성률을 갖는 물질을 포함하는 진동판 재료와, 폴리프로필렌(polypropylene)과 같이 내부 손실이 큰 진동판 재료가 개발되어 왔다.
그러나, 진동판의 탄성률을 높이면 내부손실률은 감소하고 밀도는 증가하며, 내부 손실률을 증가시키면 탄성은 감소하고 밀도는 증가하는 경향이 있다.
즉, 종래의 음향 진동판의 제조 원료로 주로 사용하던 재료들은 상기한 물성들을 어느 정도 만족시키는 편이지만, 보다 우수한 음질을 출력하는 스피커가 요구됨에 따라, 종래보다 높은 탄성률과 큰 내부손실을 갖는 음향 진동판이 요구되고 있다.
따라서, 이러한 물성을 서로 균형을 유지시키는 것이 음향 진동판 제조의 중요한 과제가 된다.
이러한 점을 고려하여 음향 진동판 소재로 펄프, 실크, 폴리아미드, 폴리프로필렌, PE, PEI, 세라믹 등의 계열이 주로 사용되고 있으며, 최근에는 티타늄 소재가 많이 사용되기도 한다. 특히, 고음부의 음질을 뛰어나게 하기 위하여 티타늄 소재에 다이아몬드상 카본을 코팅하여 사용하기도 한다.
일반적으로 티타늄 계열의 진동판을 사용할 경우, 음의 밸런스를 잡아주는 고음부에서 고음대역에 이를 경우 음압이 떨어지는 반면 다이아몬드 코팅 진동판은 음압을 크게 상승시켜 준다.
예를 들면, 티타늄 제품은 19kHz 이상의 고음대역에 이르면 음압이 급격히 약해지는 반면 다이아몬드 코팅 제품은 티타늄에 비해 수명이 2∼3배에 이르는 특성과 배타적인 물리적 특성으로 인하여 VCR, 헤드폰, 스테레오 등 가전제품에서의 사용이 늘고 있는 추세를 보이고 있다.
그러나, 티타늄 소재에 다이아몬드상 카본이 코팅된 진동판의 경우 그 제조공정이 까다로울 뿐 아니라, 가격이 비싸 음질 구현이 우수함에도 불구하고 가격에 미치는 원가비중이 상대적으로 높아 사용이 제한되어 왔다.
또한, 스피커의 음질 향상을 위하여 진동판의 두께를 낮추면 그 강도가 저하되므로 10㎛ 이상의 두께를 갖는 진동판에 대해서는 강도 향상을 위해서 사파이어나 다이아몬드상 카본을 코팅하여 사용하게 된다. 그러나, 진동판의 두께가 10㎛ 이하인 경우에 사파이어나 다이아몬드상 카본을 코팅을 하게 되면 진동판이 오히려 경화되어 원하는 음질을 구현할 수 없다는 문제점이 발생하게 된다.
한편, 종래의 마이크로 스피커는 출력을 올림에 따라 진동판의 움직임이 커지면서 진동판의 뒤틀림에 의한 분할 진동이 심해진다는 문제점이 있다. 이를 방지하기 위해 진동판에 물결(corrugation) 형상을 삽입하여 진동판을 보강하여 꺾임을 방지하거나, 진동판 소재의 뻣뻣함(stiffness)을 증가시키기 위해 재질의 두께를 높이는 방법을 사용하고 있다.
그러나, 이러한 경우에는 진동판의 뒤틀림이나 꺾임은 방지될 수 있으나, 0.5watt 이상의 고출력에서는 오히려 저음부의 진폭을 증가시켜 터치 불량과 진동(움직임)이 원활하지 못하여 최저 공진 주파수가 올라가게 된다. 이로 인해, 저음역 재생이 불량해진다는 문제점이 있다.
또한, 진동판의 소형화를 위해 진동판의 두께를 얇게 하면 탄성은 증가하는 대신에 강도가 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 진동판에 사파이어나 다이아몬드 코팅을 하여 강도를 증가시키고 있으나, 진동판의 두께가 작은 경우(예를 들어, 10㎛ 이하인 경우)에는 오히려 진동판의 경화가 일어난다는 문제점이 있다.
따라서, 마이크로 스피커에 초소형으로 사용할 수 있도록 탄성과 강도가 모두 향상된 음향 진동판이 요구된다.
나아가, 이러한 마이크로 스피커 뿐만 아니라, 종래의 소형·대형의 스피커와 압전 스피커(평판형 스피커)에 있어서도 탄성, 강도, 내부 손실이 모두 향상된 음향 진동판이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄성률과 내부손실, 강도, 질량 면에서 우수한 물성을 갖고 있어 뛰어난 음질을 구현할 수 있는 탄소나노튜브를 포함하는 음향 진동판 및 이를 구비하는 스피커를 제공함을 목적으로 한다.
또한, 탄소나노튜브의 분산도가 향상되어 우수한 음질을 구현할 수 있는 음향 진동판 및 이를 구비하는 스피커를 제공하고자 한다.
그리고, 마이크로, 소형, 대형 등 일반적인 스피커는 물론 압전 스피커에도 널리 사용될 수 있는 탄소나노튜브를 포함하는 음향 진동판을 제공함을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일 측면으로서 본 발명은, 전기적 신호를 기계적 신호로 변환하여 음향을 발생시키는 음향 진동판에 있어서, 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버를 강화제로 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 진동판을 제공한다.
바람직하게는, 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버는 상기 음향 진동판의 내부에 개재되거나 분산되어 강화제로 작용할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버는 상기 음향 진동판의 표면에 코팅되어 강화제로 작용할 수 있다.
이때, 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버는 상기 음향 진동판의 중심부에 코팅될 수 있다.
바람직하게는, 상기 음향 진동판은 고분자 물질을 주재료로 할 수 있다.
이때, 상기 고분자 물질은 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에테르이미드(polyether imide, PEI), 폴레에틸렌테레프탈레이트(polyethylen terephthalate, PET) 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 음향 진동판은 각종 펄프 및 이들에 각종 섬유를 혼초(混抄)한 펄프계 재료를 주재료로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 음향 진동판은 셀룰로오스 등의 바이오계 재료를 주재료로 할 수 있다.
또한, 상기 음향 진동판은 알루미늄, 티타늄, 베릴륨 등의 금속계 재료를 주재료로 할 수 있다.
그리고, 상기 음향 진동판은 각종 세라믹 재료를 주재료로 할 수도 있다.
바람직하게는, 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버는 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, GNF(Graphitic Nano-Fiber) 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버는 일직선형(straight), 나선형 (helical), 가지모양형 (branched) 또는 이들의 혼합형태를 나타내거나 이들의 혼합물일 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버는 H, B, N, O, F, Si, P, S, Cl 등의 성분과 전이금속 혹은 전이금속 화합물, 알칼리 금속 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 의한 음향 진동판은 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버의 분산을 위하여 계면활성제, 스테아르산 또는 지방산을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버는 음향 진동판 재료의 양을 기준으로 0.1 ~ 50 중량%이다.
또한 바람직하게는, 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버는 음향 진동판 재료의 양을 기준으로 0.1 ~ 30 중량%이다.
더욱 바람직하게는, 상기 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버는 음향 진동판 재료의 양을 기준으로 0.1 ~ 20 중량%인 것을 특징으로 하는 음향 진동판.
다른 측면으로서, 본 발명은 전술한 음향 진동판을 포함하는 스피커를 제공하며, 상기 스피커는 마이크로 스피커 또는 압전 스피커 등일 수 있다.
이하, 본 발명에 대해 보다 상세히 살펴본다.
탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는, 하나의 탄소 원자에 이웃하는 세 개의 탄소 원자가 결합되어 있으며, 이러한 탄소 원자 간의 결합에 의해서 육각 환형이 이루어지고, 이들이 벌집 형태로 반복된 평면이 말려 원통형 튜브를 이룬 물질이다.
이러한 탄소나노튜브는 직경이 수십 Å 내지 수십 nm이며, 그 길이는 직경의 수십 배에서, 수천 배가 넘는다. 탄소나노튜브 합성에 관한 많은 연구가 이루어지고 있는 것은, 이와 같은 형상학적인 특성과 화학적 결합에서 비롯되는 우수한 열적, 기계적, 전기적 특성 때문이다. 위와 같은 특성을 이용할 경우, 기존 소재로는 기술적 한계에 부딪혔던 많은 제품들을 개발해 낼 수 있을 뿐만 아니라, 이미 개발된 제품에 지금까지는 나타나지 않았던 특성을 부여할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
특히 고분자 물질과 복합구조(composite)를 이룰 경우 인장강도는 물론 전기적 특성 화학적 특성 등 원하는 성질을 극대화할 수 있다. 특히 고분자 물질의 취약한 성질인 인장강도, 탄성, 전기적 특성, 내구성 등을 향상시키는데 크게 기여할 것으로 기대된다[Erik T. Thostenson, Zhifeng Ren, Tsu-Wei Chou, Composites Science and Technology 61(2001) 1899-1912].
기존의 탄소나노튜브를 고분자 강화제로 사용한 연구들은 다음과 같다. 먼저, 탄소나노튜브를 강화제로 사용하는 고분자 합성물로는 폴리스티렌에 무게비로 단지 1중량%의 탄소나노튜브를 첨가할 경우 인장강도(tensile stress)가 25%가량 증가하고 탄성강도 (elastic stiffness)는 36-42%로 크게 증가함을 보고하였다 [Qian D, Dickey EC, Andrews R, Rantell T. Applied Physics Letters 2000;76(20):2868-2870].
R. Andrews와 Y. Chen등은 석유 피치 파이버(petroleum pitch fiber)에 단일벽 나노튜브 (single wall nanotube)를 강화제로 사용할 수 있음을 보고하였다. 그들에 의하면 무게비로 1중량%의 탄소나노튜브가 강화제로 사용되어도 인장강도, 탄성계수, 전기전도도가 비약적으로 증가함을 입증하였다. 또한, 5중량%의 단일벽 나노튜브을 강화제로 사용하였을 경우, 90%의 인장강도의 향상과 150%의 탄성계수의 증가, 340%의 전기전도도의 증가를 보고하였다. 특히 이들은 석유 피치(petroleum pitch)의 방향족 특성이 나노튜브의 방향족 성질과 같으므로 결합력이 우수할 것으로 예측하였다 [R. Andrews, et al., Applied Physics Letters 75(1999) 1329-1331].
이상의 연구결과에서 보았듯이 지금까지의 연구결과들을 참조하더라도 탄소나노튜브를 고분자 물질의 강화제로 사용하면 고분자 재료의 물리적 특성들을 더욱 향상시킬 수 있고 향상된 특성들을 이용하여 진동판을 제조하면 기존의 고분자 물 질로만 이루어진 진동판에 비해서 월등히 우수한 성능을 발휘하는 진동판을 제조할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 그래파이트(graphite)가 말려 있는 튜브(tube) 형태로서 탄소 사이의 강한 공유결합에 의해 높은 기계적 강도를 갖고, 높은 영률(Young's modulus)과 높은 종횡비(aspect ratio)로 인하여 매우 우수한 기계적 특성을 나타내는 물질이다. 나아가, 탄소나노튜브(CNT)는 탄소로 구성되어 있어서 이 물질의 물성에 비해 질량이 매우 낮은 물질이다. 그러므로 다른 강화제에 의한 진동판의 기계적 특성 향상을 기대하는 것보다 훨씬 우수한 장점들을 갖추고 있다고 할 수 있다.
즉, 탄소나노튜브(또는 탄소나노 파이버)는 가볍고 탄성이 우수하여 고주파수에서 진동이 가능하며, 탄소나노튜브의 사이즈가 작거나 반경 대 길이의 비가 커도 기계적 강도가 우수하여 형태를 유지하므로 원하는 고주파수에서도 진동이 가능하다는 이점이 있다.
특히, 음향 진동판의 재료로 이용되고 있는 각종 재료에 탄소나노튜브를 강화제로 포함(코팅)시키는 경우에는 음향 진동판에 요구되는 탄성률, 내부 손실, 밀도 등의 물성을 크게 개선할 수 있게 된다.
본 발명에 있어서, 이러한 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버가 진동판 재료의 내부에 개재 또는 분산되거나 표면에 코팅될 수 있다면, 진동판의 재료는 특별히 한정되지 아니한다.
즉, 본 발명에 사용되는 진동판 재료에는 각종 펄프 및 이들에 각종 섬유를 혼초(混抄)한 펄프계 재료와, 셀룰로오스 등의 바이오계 재료와, 탄소섬유 등의 강화섬유계 재료와, 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에테르이미드(polyether imide, PEI), 폴레에틸렌테레프탈레이트(polyethylen terephthalate, PET) 등의 수지계 재료와, 알루미늄, 티타늄, 베릴륨 등의 금속계 재료와, 각종 세라믹 재료와, 기타 진동판 재료 및 이들 중 일부의 혼합물 등이 모두 포함될 수 있으며, 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버는 이러한 재료의 강화제로 사용된다.
또한 본 발명에 있어서, 탄소나노튜브(CNT) 또는 탄소나노파이버(GNF)의 종류도 특별히 한정되지 아니하며, 모든 종류의 단일벽 탄소나노튜브(SWNT, single wall carbon nanotube), 모든 종류의 다중벽 탄소나노튜브(MWNT, multi wall carbon nanotube), 모든 종류의 탄소나노파이버(GNF) 및 이들의 혼합물 또는 화합물 등을 사용할 수 있다. 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버의 형태에 있어서도 나선형, 일직선형, 가지모양의 형태 등 음향 진동판의 특정한 물성을 향상시키는데 요구되는 나노튜브라면 특별히 한정되지 아니한다.
또한 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버를 음향 진동판의 강화제로 사용 시에 특정한 물성을 향상시키거나 친화도 등을 향상시키기 위해서 탄소나노튜브 또는 탄소나노튜브에 H, B, N, O, F, Si, P, S, Cl을 포함시키거나, 전이금속 또는 전이금속화합물, 알칼리금속 중에서 적어도 하나 이상을 포함시키거나 이들과 반응시킬 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에서 사용할 수 있는 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버는 전기방전법(arc discharge), 레이저 증착법(laser vaporization), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Depostion; PECVD), 열화학 기상증착법(Thermal Chemical Vapor Depostion), 기상합성법(Vapor phase growth) 등 기존 공지의 방법으로 제조할 수 있다.
한편, 음향 진동판 내에 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버 등의 첨가제의 균일한 분산은 탄소나노튜브가 갖는 특유의 향상된 물성을 더욱 잘 발현시킬 수 있게 한다.
예를 들면, 계면활성제를 포함시킴으로써 탄소나노튜브나 탄소나노파이버가 좀더 균일하게 음향 진동판에 분포되게 할 수 있다. 이때 사용하는 계면활성제는 양이온계, 음이온계, 비이온계 등 탄소나노튜브나 탄소나노파이버를 음향 진동판에 균일하게 분포시키고 결합력을 향상시켜서 물성을 좋게 하는 것이면 어느 것이든 특별히 한정되지는 아니한다. 따라서, 계면활성제 뿐만 아니라 스테아르산 또는 지방산 등을 포함시킬 수도 있다.
또한, 탄소나노튜브나 탄소나노파이버를 음향 진동판의 표면에 코팅하여 강화제로 작용하도록 할 수도 있다. 이때, 음향 진동판의 중심부에만 탄소나노튜브나 탄소나노파이버를 코팅하여 중심부의 강도를 강화하도록 구성할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버(GNF)는 음향진동판으로 사용되는 고분자의 양을 기준으로 0.1-50 중량%, 바람직하게는 0.1-30 중량%, 더욱 바람직하게는 0.1-20 중량%의 양으로 사용된다.
[ 실시예 ]
음향 진동판에 탄소나노튜브를 강화제로 사용하여 제조하는 방법은 일반적으로 고분자 물질에 탄소나노튜브를 강화제로 사용하여 탄소나노튜브가 분산된 고분자 원료를 제조하고 이를 이용하여 진동판을 제조하면 되므로 특별한 공정이나 특수한 처리가 요구되지는 않는다. 이는 실시예를 들어 상세히 설명하겠으나 본 발명의 내용이 이에 한정되지는 않는다.
탄소나노튜브를 진동판으로 사용되는 고분자 물질의 강화제로 사용했을 때 고분자 물질의 물성변화를 보기 위해서 탄소나노튜브를 강화제로 사용한 것과 사용하지 않았을 때의 물성변화를 실험해 보았다.
진동판으로 사용할 고분자 물질에 탄소나노튜브를 분산시키는 방법은 일반적으로 용매를 사용하여 탄소나노튜브를 용액에 분산시킨 후 고분자 물질를 이 용액에 녹여서 균일하게 섞고, 이후 용액을 증발시키거나 제거하여서 탄소나노튜브가 분산되어 강화제로 사용된 고분자 물질을 제조하는 방법을 채택하였다.
실시예 1
폴리프로필렌에 탄소나노튜브가 분산되어 강화제로 사용된 진동판을 제조하였다. 사용된 탄소나노튜브의 양은 폴리프로필렌의 양을 기준으로 1중량%로 하였다. 탄소나노튜브는 SWNT(단일벽 탄소나노튜브)로 평균직경 1nm 길이 1㎛를 사용하였다.
먼저, 삼각플라스크에 아세톤 10ml를 넣고, 여기에 50mg의 탄소나노튜브를 넣고 초음파 배합기로 균일하게 혼합하였다. 여기에 5g의 폴리프로필렌을 조금씩 천천히 넣으면서 매우 빠른 속도로 교반하였다. 균일한 혼합을 위해서 약 30분간 교반하였다. 교반 후 직경 20mm에 두께 약 1mm의 틀에 부었다. 이것을 80℃의 오븐에 넣고 약 하루 동안 유지하여 용매로 사용된 아세톤을 증발시키고 탄소나노튜브를 고분자 물질 내부에서 안정화시켰다. 고분자 물질을 틀에서 떼어내어 탄소나노튜브가 강화제로 사용된 폴리프로필렌 진동판을 제조하였다.
실시예 2
탄소나노튜브의 분산도를 높이기 위해서 계면활성제를 사용하여 탄소나노튜브를 분산시켰다. 계면활성제를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 모든 조건과 함량이 동일하다.
계면활성제는 Polyoxyethylene 8 lauryl(CH3-(CH2)11(OCH2CH2)7OCH2CH3), 이하 C12EO8로 표기)를 사용하였다.
먼저, 삼각플라스크에 아세톤 10ml를 넣고, 35mg C12EO8를 균일하게 녹였다. 여기에 50mg의 탄소나노튜브를 넣고 초음파 배합기로 균일하게 혼합하였다. 여기에 5g의 폴리프로필렌을 조금씩 천천히 넣으면서 매우 빠른 속도로 교반하였다. 균일한 혼합을 위해서 약 30분간 교반하였다. 교반 후 직경 20mm에 두께 약 1mm의 틀에 부었다. 이것을 80℃의 오븐에 넣고 약 하루 동안 유지하여 용매로 사용된 아세톤을 증발시키고 탄소나노튜브를 고분자 물질 내부에서 안정화시켰다. 고분자 물질을 틀에서 떼어내어 탄소나노튜브가 강화제로 사용된 폴리프로필렌 진동판을 제조하였다.
전자현미경으로 관찰한 결과 계면활성제를 사용하여 탄소나노튜브를 분산시킨 것이 훨씬 더 균일하게 분포되었다.
이하 모든 샘플을 제조할 때 실시예 2에 따라 계면활성제를 사용하였고, 탄소나노튜브의 함량과 고분자 물질에 따른 탄성율 증가는 다음의 표 1과 같다. 탄성율의 증가기준은 동일한 고분자 물질의 탄소나노튜브를 사용하지 않은 샘플에 대한 자료이다.
여기서 사용된 SWNT(single wall nanotube)는 평균직경 1nm 길이 1㎛를 사용하였고, 탄소나노파이버(GNF, graphitic nanofiber)는 평균직경 10nm 길이 1㎛의 빗살무늬 형태(herringbone type)를 사용하였다.
다음의 표 1에서 PE는 폴리에틸렌(polyethylene), PP는 폴리프로필렌 (polypropylene), PEI는 폴리에테르이미드(polyether imide), PET는 폴레에틸렌테레프탈레이트(polyethylen terephthalate)이다.
Figure 112005058238285-pat00001
실험결과 SWNT를 강화제로 사용하였을 때보다 GNF를 사용하였을 때의 탄성률 증가가 더 높게 나타났다. 이는 고분자 물질과 GNF의 친화력이 더 커서 강하게 결합하기 때문인 것으로 판단된다. 전체적으로 탄소나노튜브를 강화제로 사용하면 진동판의 탄성율은 급격히 증가함을 알 수 있다.
또한, 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버는 탄소 사이의 강한 공유결합에 의해 높은 기계적 강도를 갖고, 높은 영률(Young's modulus)를 가지며, 비중이 고분자물질에 비해서 매우 작기 때문에 진동판에 사용되는 경우 전체적인 강도는 향상시키면서 무게는 줄일 수 있으므로 우수한 음질을 구현할 수 있게 된다. 이와 같이, 음향 진동판의 재료로 이용되고 있는 각종 물질, 특히 고분자 물질에 탄소나노튜브를 강화제로 포함(코팅)시키는 경우에는 음향 진동판에 요구되는 탄성률, 내부 손실, 밀도 등의 물성을 크게 개선할 수 있게 된다.
따라서, 강화제로 사용되는 탄소나노튜브의 종류, 양, 분산시키는 방법, 분산제(예, 계면활성제)의 종류 등을 적당히 조절하면 탄소나노튜브를 사용하여 최적의 진동판을 제조할 수 있게 된다.
도면을 참조하여 본 발명에 의한 음향 진동판이 적용가능한 스피커에 대해 살펴본다.
일반적으로 음향 재생기(스피커)는 크게 혼 스피커와, 콤퍼넌트 시스템과 같은 하이파이 오디오 시스템에 사용되며 일정한 주파수 대역을 커버하는 우퍼, 미드레인지 및 트위터 등으로 이루어지는 시스템 스피커와, 하나의 유닛으로 전 주파수 대역을 커버하는 일반 스피커와, 초소형 캠코더, 워크맨, PDA, 노트북 컴퓨터, 이동통신 단말기, 헤드폰, 핸드폰, 전화기, 무전기 등에 사용되도록 초경량 초슬립형 구조를 갖는 마이크로 스피커와, 이동통신 단말기에 사용되는 리시버와, 그 일부가 귀속에 삽입되는 구조를 갖는 이어폰과, 특정대역의 주파수만을 수신하는 부저 등으로 나눌 수 있다.
본 발명에 의한 음향 진동판은 이러한 스피커에 모두 사용될 수 있으며, 스피커에 요구되는 성능에 따라 적정한 물성치를 갖도록 제조된다.
마이크로 스피커와 압전 스피커를 예로 들어 살펴본다.
도 1에는 본 발명에 의한 음향 진동판을 구비하는 마이크로 스피커가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 마이크로 스피커(10)는 요크(12) 내부에 마그넷(14) 및 마그넷 플레이트(15)가 내장되고, 이 마그넷(14)과 마그넷 플레이트(15)의 외부에는 보이스 코일(13)이 권취된다. 상기 보이스 코일(13)의 양극 및 음극으로 이루어진 양 극단이 진동판(16)에 접속된 상태에서 구동신호가 발생되면 진동하여 음향을 발생시킬 수 있도록 구성되어 있다.
이러한 마이크로 스피커(10)는 구동신호가 보이스 코일(13)에 인가될 때 마그네트(14)를 통하여 마그넷 플레이트(15)로 통하는 자기회로에서 발생되는 비교번(직류) 자속과 상하 유동 가능한 보이스 코일(13)에서 발생되는 교번(교류) 회전자속이 플레밍의 왼손법칙에 따라 서로 반응하여 발생되는 흡입 및 반발력에 의해 진동판(16)과 보이스 코일(13)이 상하로 진동하여 구동신호에 대응한 음향을 발생시키게 된다.
종래의 마이크로 스피커(10)는 고출력에 의한 진동판(16)의 뒤틀림을 방지하기 위하여 진동판(16)에 물결(corrugation) 형상을 삽입하여 진동판(16)을 보강하여 꺾임을 방지하거나, 재질의 두께를 높이는 방법을 사용하고 있다. 그러나, 이러한 경우에는 진동판의 뒤틀림이나 꺾임은 방지될 수 있으나, 0.5watt 이상의 고출력에서는 오히려 저음부의 진폭을 증가시켜 터치 불량이 발생하고 진동(움직임)이 원활하지 못하여 최저 공진 주파수가 올라가게 된다. 이로 인해, 저음역 재생이 불량해진다는 문제점이 있다.
반대로, 진동판(16)의 두께를 얇게 하면 탄성은 증가하는 대신에 강도가 저하된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 진동판에 사파이어나 다이아몬드 코팅을 하여 강도를 증가시키고 있으나, 진동판의 두께가 작은 경우(예를 들어, 10㎛ 이하인 경우)에는 오히려 진동판의 경화가 일어난다는 문제점이 있다.
그러나, 본 발명에 따라 진동판(16)은 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버를 강화제로 포함하므로, 두께를 얇게 하더라도 진동판의 강도가 저하되지 않으므로 탄성과 강도가 모두 향상된다는 이점이 있게 된다.
또한, 도 2는 압전 스피커(평판형 스피커)를 도시하고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 압전 스피커(20)에 사용되는 진동판(21)은 얇은 판 형상으로 이루어져 있으며, 질기고 가벼울 것이 요구된다.
본 발명에 의한 진동판(21)은 탄소나노튜브 또는 탄소나노파이버의 물성에 의해 종래에 비하여 가볍고 탄성이 높고 기계적 강도가 우수하므로, 본 발명에 의한 진동판을 구비하는 압전 스피커(20)는 음향 재생이 우수하다는 이점이 있게 된다.
나아가, 본 발명에 의한 음향 진동판은 마이크로 스피커(10)나 압전 스피커(20) 뿐만 아니라, 스피커 형상이나 구조에 관계없이 종래의 소형·중형·대형의 스피커에 대해서도 널리 사용될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 탄성률과 내부손실, 강도, 질량 면에서 우수한 물성을 갖고 있어 넓은 주파수 대역뿐만 아니라 특정 주파수 대역에서도 뛰어난 음질과 높은 출력을 구현할 수 있다는 효과가 있게 된다.
또한, 탄소나노튜브의 분산도가 향상되어 우수한 음질을 구현할 수 있는 음향 진동판을 얻을 수 있게 된다.
그리고, 본 발명에 의하면, 마이크로, 소형, 중형, 대형의 일반적인 스피커 뿐만 아니라 압전 스피커(평판형 스피커)에 널리 적용할 수 있는 음향 진동판을 얻을 수 있게 된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (20)

  1. 전기적 신호를 기계적 신호로 변환하여 음향을 발생시키는 음향 진동판에 있어서,
    고분자 물질, 펄프계 재료, 바이오계 재료, 세라믹 재료를 주재료로 하며, 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 또는 이들의 혼합물인 탄소나노튜브를 강화제로 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 진동판.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 상기 음향 진동판의 내부에 개재되거나 분산되어 강화제로 작용하는 것을 특징으로 하는 음향 진동판.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 상기 음향 진동판의 표면에 코팅되어 강화제로 작용하는 것을 특징으로 하는 음향 진동판.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 상기 음향 진동판의 중심부에 코팅되는 것을 특징으로 하는 음향 진동판.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 고분자 물질은 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리에테르이미드(polyether imide, PEI), 폴레에틸렌테레프탈레이트(polyethylen terephthalate, PET) 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 음향 진동판.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 펄프계 재료는 각종 펄프 및 이들에 각종 섬유를 혼초(混抄)한 펄프임을 특징으로 하는 음향 진동판.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 바이오계 재료는 셀룰로오스임을 특징으로 하는 음향 진동판.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 일직선형(straight), 나선형 (helical), 가지 모양형 (branched) 또는 이들의 혼합형태를 나타내거나 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 음향 진동판.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 H, B, N, O, F, Si, P, S 또는 Cl의 성분과 전이금속 혹은 전이금속 화합물, 알칼리 금속 중에서 적어도 하나 이상을 포함하고 있는 것임을 특징으로 하는 음향 진동판.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 분산을 위하여 계면활성제, 스테아르산 또는 지방산을 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 진동판.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 음향 진동판 재료의 양을 기준으로 0.1~50중량%인 것을 특징으로 하는 음향 진동판.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 음향 진동판 재료의 양을 기준으로 0.1~30중량%인 것을 특징으로 하는 음향 진동판.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 음향 진동판 재료의 양을 기준으로 0.1~20중량%인 것을 특징으로 하는 음향 진동판.
  18. 제 1항 내지 제 4항, 제 6항 내지 제 8항 및 제 12항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 기재된 음향 진동판을 포함하는 스피커.
  19. 제 1항 내지 제 4항, 제 6항 내지 제 8항 및 제 12항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 기재된 음향 진동판을 포함하는 마이크로 스피커.
  20. 제 1항 내지 제 4항, 제 6항 내지 제 8항 및 제 12항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 기재된 음향 진동판을 포함하는 압전 스피커.
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