KR100761548B1 - 필름 스피커 - Google Patents

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KR100761548B1
KR100761548B1 KR1020070025543A KR20070025543A KR100761548B1 KR 100761548 B1 KR100761548 B1 KR 100761548B1 KR 1020070025543 A KR1020070025543 A KR 1020070025543A KR 20070025543 A KR20070025543 A KR 20070025543A KR 100761548 B1 KR100761548 B1 KR 100761548B1
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carbon nanotube
carbon nanotubes
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piezoelectric film
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KR1020070025543A
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송경화
박준기
정다정
이동수
임상규
박인석
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(주)탑나노시스
(주)필스
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Abstract

본 발명은 필름 스피커를 개시한다. 본 발명에 따르면, 음향 신호에 상응하는 전압이 공급됨에 따라 진동을 하는 압전 필름; 압전 필름의 양면에 형성된 탄소나노튜브막들; 및 탄소나노튜브막들에 접속되며, 음향 신호 공급부로부터 음향 신호에 상응하는 전압을 제공받아서 탄소나노튜브막들에 인가하는 전극들;을 구비한다.

Description

필름 스피커{Film speaker}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필름 스피커에 대한 사시도.
도 2는 도 1에 대한 분해 사시도.
도 3은 도 1에 있어서 A-A' 선을 따라 절취한 단면도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브막과 비교 예에 따른 고분자막에 있어서, 저항값과 주파수에 따른 각각의 음압 특성을 비교한 그래프.
〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉
110..압전 필름 120..탄소나노튜브막
130..전극 131..단자
140..보강 테이프
본 발명은 필름 스피커에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nanotube)를 이용한 필름 스피커에 관한 것이다.
스피커는 전기적인 신호를 공기의 진동으로 바꾸어 사람의 귀에서 소리를 느낄 수 있도록 하는 장치이다. 근래에는 모바일용 전자기기 등과 같은 각종 전자기 기의 소형화, 박막화 추세에 따라 필름 스피커가 개발되고 있다. 필름 스피커는 전기적인 신호를 가하게 되면 기계적 진동이 일어나는 역압전 효과를 이용함으로써 음향을 재생한다.
일반적으로, 필름 스피커는 교류 전압이 인가됨에 따라 기계적인 진동을 하는 압전 필름과, 압전 필름의 양면에 형성된 전도성 고분자막들, 및 전도성 고분자막들에 외부 전원으로부터 공급받은 교류 전압을 전달하는 전극들을 포함하여 구성된다. 따라서, 전극들에 음향 신호에 상응하는 교류 전압을 인가하게 되면 전도성 고분자막들 사이에 전압 차이가 발생하게 되며, 그에 따라 압전 필름이 진동하면서 음향을 재생할 수 있는 것이다.
전술한 바와 같이 종래에 따르면, 필름 스피커는 압전 필름의 양면에 전도성 고분자막이 각각 형성되고 있다. 전도성 고분자막을 형성하는 전도성 고분자는 전도성이 높으면서 휠 수도 있고 가벼운 특성을 지닌 것으로, 각종 산업 분야에 응용되고 있다.
그런데, 전도성 고분자는 전도성에 한계가 있으며, 압전 필름에 코팅이 잘 되지 않을 뿐 아니라, 고르게 도포되지 않는 문제를 지니고 있다. 따라서, 전도성 고분자막의 두께가 일정하지 않게 되어 음압이 고르지 못하게 되는바, 음질이 일정 수준 이상으로 보장되지 않는 문제가 있을 수 있다. 그리고, 전도성 고분자는 내화학성, 내습성이 좋지 못하며, 400Hz 이하의 저음 영역에서 음압 특성이 나쁜 것으로 알려져 있다.
한편, 전도성 고분자막 대신 ITO(Indium Tin Oxide) 막을 이용하려는 예가 있다. 그러나, ITO 막은 필름 스피커에 적용시 스피커의 기계적 진동에 의해 깨어짐과 같은 손상이 발생할 수 있다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 탄소나노튜브를 이용하여 압전 필름에 전압을 공급하도록 함으로써, 음압 특성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 400Hz 이하의 저주파 영역에서도 우수한 음향 품질을 얻을 수 있으며, 반영구적인 수명과 높은 광투과성을 확보할 수 있는 필름 스피커를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 필름 스피커는, 음향 신호에 상응하는 전압이 공급됨에 따라 진동을 하는 압전 필름; 상기 압전 필름의 양면에 형성된 탄소나노튜브막들; 및 상기 탄소나노튜브막들에 접속되며, 음향 신호 공급부로부터 음향 신호에 상응하는 전압을 제공받아서 상기 탄소나노튜브막들에 인가하는 전극들;을 구비한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 필름 스피커에 대한 사시도이며, 도 2는 도 1에 대한 분해 사시도이다. 그리고, 도 3은 도 1에 있어서, A-A' 선을 따라 절취한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 필름 스피커(100)는, 압전 필름(110)과, 탄소나노튜브(CNT; Carbon Nanotube)막(120)들, 및 전극(130)들을 포함하여 구성된다.
압전 필름(110)은 전기적인 신호, 즉 음향 신호에 상응하는 전압이 인가되면 역압전 효과에 의해 기계적인 진동을 함으로써 음향을 재생할 수 있게 한다. 역압전 효과란 압전성을 가지는 결정판에 고주파 전압을 걸면 판이 주기적으로 신축하며, 특히 전압의 주파수를 판의 고유 진동수에 맞추면 공진하여 판이 강하게 진동하는 현상을 일컫는다. 압전 필름(110)은 폴리불화비닐라덴(PVDF; Polyvinylidene fluoride)으로 형성되는 것이 바람직하나, 이 외에 다양한 소재로 형성될 수 있음은 물론이다.
탄소나노튜브막(120)들은 압전 필름(110)의 양면에 각각 형성된다. 즉, 탄소나노튜브막(120)들 중 하나는 압전 필름(110)의 일면에 소정 두께로 형성되며, 나머지 다른 하나는 압전 필름(110)의 타면에 소정 두께로 형성된다.
상기 탄소나노튜브막(120)들은 압전 필름(110)의 양면에서 압전 필름(110)의 가장자리 부위를 제외한 중앙 부위에 각각 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 탄소나노튜브막(120)들은 압전 필름(110)의 양면에 각각 형성되되, 압전 필름(110)의 가장자리로부터 소정 거리만큼 내측으로 떨어져 중앙 부위에 각각 형성되는 것이 바람직하다.
이는 다음과 같은 이유에서이다. 압전 필름(110)에서 탄소나노튜브막(120)들이 형성된 중앙 부위는 전압을 공급받아서 진동하더라도, 압전 필름(110)에서 탄 소나노튜브막(120)들이 형성되지 않은 가장자리 부위는 전압을 공급받지 않게 되어서 진동하지 않도록 하기 위함이다. 따라서, 압전 필름(110)의 가장자리 둘레를 따라서는 진동하지 않게 되는바, 음향이 압전 필름(110)의 가장자리 부위에서 깨지는 현상이 방지될 수 있다.
탄소나노튜브막(120)들은 탄소나노튜브로 구성된 박막으로서, 각각의 탄소나노튜브막(120)은 분무법, 감압 여과법, 스핀 코팅법, 전기영동 증착법, 캐스팅법, 잉크젯 프린팅법, 및 오프셋 프린팅법 중에서 선택된 어느 하나의 방법에 의해 각각 형성될 수 있다. 즉, 탄소나노튜브막(120)은 탄소나노튜브와 용매가 혼합된 탄소나노튜브 용액에 의해 전술한 방법 중 어느 하나의 방법으로 형성될 수 있다. 여기서, 탄소나노튜브 용액은 탄소나노튜브 0.01 ∼ 30 중량부와 용매 70 ∼ 99.99 중량부 및 분산제 0.01 ∼ 20 중량부로 혼합되어 구성될 수 있다.
탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 다발형 탄소나노튜브로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나가 이용될 수 있다. 여기서, 탄소나노튜브는 분말 형태로 용매에 희석될 수 있다.
용매는 물, 메틸 알콜, 에틸 알콜, 이소프로필 알콜, 노르말 부탄올, 톨루엔, 자일렌, 1-메틸-2-피롤리디논, 클로로포름, 에틸 아세테이트, 2-메톡시에탄올, 에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 및 디메틸 술폭사이드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나가 이용될 수 있다. 상기 용매들 중 1 종류의 용매가 이용되거나 2 종류 이상의 용매가 혼합된 용매가 이용될 수 있다.
분산제는 분말 형태의 탄소나노튜브가 용매에 잘 분산될 수 있게 한다. 여 기서, 분산제는 SDS(sodium dodecy sulfate) 분산제, 트라이톤 엑스(Triton X) 분산제, 및 LDS(lithium dodecy sulfate) 분산제로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나가 이용될 수 있다. 상기 분산제들 중에서 1 종류의 분산제가 이용되거나 2 종류 이상의 분산제가 혼합된 분산제가 이용될 수 있다.
전술한 바와 같이 탄소나노튜브막(120)은 탄소나노튜브 용액에 의해 다양한 방법으로 코팅될 수 있으므로, 코팅시 두께와 탄소나노튜브 용액의 농도를 조절하게 되면 다양한 저항값을 갖도록 형성될 수 있다. 예컨대, 탄소나노튜브막(120)은 50Ω/□ ∼ 2000Ω/□의 저항값 범위에서 어느 한 값을 갖도록 형성될 수 있다. 만일, 400Hz 이하의 저주파 영역에서 특히 우수한 출력 특성을 얻고자 한다면, 도 4를 참조하여 후술하겠지만, 탄소나노튜브막(120)은 50Ω/□ ∼ 200Ω/□의 저항값 범위에서 어느 한 값을 갖도록 형성될 수 있다.
그리고, 탄소나노튜브막(120)은 전술한 바와 같이 형성됨에 따라, 코팅이 용이할 뿐 아니라 두께를 나노미터 크기로 조절할 수 있으므로, 일정한 두께로 형성될 수 있다. 따라서, 전술한 탄소나노튜브막(120)에 의해서는 압전 필름(110) 전체에 걸쳐 전압이 고르게 공급될 수 있다. 그 결과, 음압이 고르게 될 수 있으므로, 음질이 일정 수준 이상으로 보장될 수 있다.
또한, 탄소나노튜브막(120)을 구성하는 탄소나노튜브는 전도성 고분자에 비해 내화학성, 내습성이 우수한 특성이 있는바, 탄소나노튜브막(120)은 반영구적인 수명을 지닐 수 있다. 뿐만 아니라, 탄소나노튜브막(120)은 ITO 막에 비해 휨 특성도 우수한 것으로 알려져 있으므로, 휘거나 구부러지더라도 균열 등이 발생하지 않는바, 플렉시블 전자기기에 채용될 수 있다. 게다가, 탄소나노튜브막(120)은 전도성 고분자막에 비해 전도성이 우수한 특성이 있는바, 전도성 고분자막과 대비하여 동일한 전압에서 높은 음압을 얻을 수 있을 뿐 아니라, 동일한 음압을 내기 위한 구동 전압이 낮아서 전력 소모가 적을 수 있다.
전극(130)들은 음향 신호 공급부(미도시)로부터 음향 신호에 상응하는 전압, 예컨대 교류 전압을 제공받아서 탄소나노튜브막(120)들에 공급할 수 있게 한다. 따라서, 전극(130)들에 음향 신호에 상응하는 교류 전압이 인가되면 탄소나노튜브막(120)들 사이에 전압 차이가 발생하게 되며, 탄소나노튜브막(120)들로부터 전압을 공급받는 압전 필름(110)이 진동하면서 음향을 재생할 수 있는 것이다.
이러한 전극(130)들은 탄소나노튜브막(120)들에 각각 접속되게 형성된다. 여기서, 전극(130)들은 탄소나노튜브막(120)들의 각 가장자리 둘레를 따라 연장 형성될 수 있다. 전극(130)들은 금속-페이스트(metal-paste), 예컨대 은-페이스트(silver-paste)나, 전도성 잉크를 탄소나노튜브막(120)들의 각 가장자리 둘레를 따라 프린팅하는 방법에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 통상적으로 필름 스피커에서 전극은 동선 테이프가 이용되고 있으나, 동선 테이프는 전도성 고분자막에 완전히 밀착되지 아니하기 때문에, 전극과 전도성 고분자막의 접촉 부위에서 접촉저항이 크게 발생하는 문제점이 제기되고 있다.
이에 본 실시예에서와 같이 전극(130)들을 형성하게 되면, 전극(130)들이 탄소나노튜브막(120)들에 각각 완전히 밀착될 수 있으므로, 탄소나노튜브막(120)들과의 접촉 부위에서 접촉 저항이 최소화될 수 있는바, 전술한 문제가 해결될 수 있는 것이다.
상기 전극(130)들로부터는 단자(131)들이 각각 연장 형성될 수 있다. 단자(131)들은 탄소나노튜브막(120)들의 각 외측으로 인출되도록 형성되며, 음향 신호 공급부에 전기적으로 연결되어 전극(130)들에 전압이 공급될 수 있게 한다. 단자(131)들은 전극(130)들의 중앙 부위 또는 코너 부위에 각각 위치할 수 있다.
상기 단자(131)들의 일측면에는 보강 테이프(140)들이 각각 부착되어 구비될 수 있다. 보강 테이프(140)들은 절연성을 가지며, 단자(131)들 사이에서 서로 마주보는 면에 각각 배치되는 것이 바람직하다. 그리고, 보강 테이프(140)들은 단자(131)들보다 큰 면적을 갖게 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 보강 테이프(140)들은 단자(131)들 사이를 절연시켜 단자(131)들 사이의 합선이나 누전 등을 방지하는 기능을 수행할 수 있다. 아울러, 보강 테이프(140)들은 단자(131)들을 각각 지지함으로써 단자(131)들의 형태가 변형되지 않게 하는 기능도 수행할 수도 있다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 필름 스피커(100)에 구비된 탄소나노튜브막(120)이 도전성 고분자막과 대비하여 음압 특성이 우수할 수 있음은 도 4에 도시된 그래프에 의해 이해될 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브막과 비교 예에 따른 고분자막에 있어서, 주파수가 200Hz ∼ 1000Hz 대역에서 주파수와 저항값에 따른 각각의 음압 특성을 비교한 그래프이며, 도 5는 주파수가 1000Hz ∼ 18000Hz 대역에서 주파수와 저항값에 따른 각각의 음압 특성을 비교한 그래프이다. 여기서는, 탄소나노 튜브막의 저항값이 50Ω/□, 500Ω/□, 1000Ω/□인 경우와, 고분자막의 저항값이 500Ω/□, 1000Ω/□인 경우에 대한 주파수에 따른 음압을 나타내고 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바에 따르면, 본 실시예에 따른 탄소나노튜브막은 저항값이 500Ω/□, 1000Ω/□일 때, 비교예에 따른 고분자막의 저항값이 500Ω/□, 1000Ω/□인 경우에 비해, 주파수 전체 구간에서 음압이 20dB 이상 높고 평탄한 파형을 이루고 있다. 이는 탄소나노튜브막이 고분자막에 비해 고른 음질을 출력할 수 있음을 나타내는 것이다. 게다가, 탄소나노튜브막은 비교적 낮은 저항값인 50Ω/□을 갖도록 형성될 수 있을 뿐 아니라, 저항값이 50Ω/□인 경우에서도 고른 음질을 출력할 수 있음을 확인해볼 수 있다. 따라서, 탄소나노튜브막은 저항값이 50Ω/□ ∼2000Ω/□ 범위에서 임의의 값을 갖도록 설정되더라도, 스피커에 채용될 수 있을 정도의 음향출력 특성을 가질 수 있음을 유추할 수 있다.
그리고, 탄소나노튜브막은 400Hz 이하의 주파수 대역에서도 출력이 있는 반면, 고분자막은 400Hz 이하의 주파수 대역에서 출력이 있긴 하나, 탄소나노튜막에 비해 출력이 대략 20dB 정도 낮음을 확인해볼 수 있다. 이는 탄소나노튜브막은 400Hz 이하의 저음 영역에서 고분자막보다 우수한 음압 특성을 나타냄을 의미한다. 즉, 고분자막은 400Hz 이하의 저음 영역에서 적용될 수 없으나, 탄소나노튜브막은 400Hz 이하의 저음 영역에서도 적용될 수 있는 것이다.
또한, 탄소나노튜브막은 주파수 전체 구간에서 저항값이 커질수록 음압이 대체로 낮아지며, 이와 반대로 저항값이 작아질수록 음압이 대체로 높아지는 경향을 보임을 확인해볼 수 있다. 이는 탄소나노튜브막의 저항값을 조절하게 되면 필름 스피커의 용도에 맞는 출력 특성을 얻을 수 있음을 의미한다. 예를 들자면, 통상적으로 스피커로부터 출력되는 음압이 72dB 정도일 때, 사용자는 좋은 음질이라고 느낀다. 이 경우, 800Hz∼1000Hz 대역에서 72dB에 가까운 음압으로 출력되기를 원한다면, 탄소나노튜브막의 저항값을 50Ω/□ ∼500Ω/□ 범위에 속하도록 조절하면 될 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있을 수 있다.
첫째, 탄소나노튜브막은 코팅이 용이할 뿐 아니라 두께가 나노미터 크기로 조절되어 일정한 두께로 형성될 수 있으므로, 압전 필름 전체에 걸쳐 전압이 고르게 공급될 수 있다. 따라서, 음압이 고르게 될 수 있으므로, 음질이 일정 수준 이상으로 보장될 수 있다.
둘째, 탄소나노튜브막은 전도성 고분자에 비해 내화학성, 내습성이 우수한 특성이 있으므로, 반영구적인 수명을 지닐 수 있다.
셋째, 탄소나노튜브막은 광투과성이 우수하므로, 높은 광투과성을 요구하는 전자기기에 적용될 수 있다.
넷째, 탄소나노튜브막은 ITO 막에 비해 휨 특성도 우수하여 휘거나 구부러지더라도 균열 등이 발생하지 않으므로, 플렉시블 전자기기에 채용될 수 있다.
다섯째, 탄소나노튜브막은 400Hz 이하의 저음 영역에서도 고분자막보다 우수한 음향 품질을 얻을 수 있다.
여섯째, 탄소나노튜브막은 동일 전압에서 높은 음압을 얻을 수 있다.
일곱째, 탄소나노튜브막은 동일한 음압을 내기 위한 구동전압이 낮아 고분자막에 비해 전력 소모가 적다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 음향 신호에 상응하는 전압이 공급됨에 따라 진동을 하는 압전 필름;
    상기 압전 필름의 양면에 형성된 탄소나노튜브막들; 및
    상기 탄소나노튜브막들에 접속되며, 음향 신호 공급부로부터 음향 신호에 상응하는 전압을 제공받아서 상기 탄소나노튜브막들에 인가하는 전극들;
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 필름 스피커.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브막들은 상기 압전 필름의 양면에서 상기 압전 필름의 가장자리 부위를 제외한 중앙 부위를 덮도록 각각 형성되며;
    상기 전극들은 상기 탄소나노튜브막들과 각각 접속되되, 상기 탄소나노튜브막들의 각 가장자리 둘레를 따라 연장 형성된 것을 특징으로 하는 필름 스피커.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 압전 필름은 폴리불화비닐라덴(PVDF; Polyvinylidene fluoride)으로 형성된 것을 특징으로 하는 필름 스피커.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브막들은 50Ω/□ ∼ 2000Ω/□의 저항값 범위에서 어느 한 값을 갖도록 각각 형성된 것을 특징으로 하는 필름 스피커.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브막들은 50Ω/□ ∼ 200Ω/□의 저항값 범위에서 어느 한 값을 갖도록 각각 형성된 것을 특징으로 하는 필름 스피커.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브막들은 분무법, 감압 여과법, 스핀 코팅법, 전기영동 증착법, 캐스팅법, 잉크젯 프린팅법, 및 오프셋 프린팅법 중에서 선택된 어느 하나의 방법에 의해 각각 형성된 것을 특징으로 하는 필름 스피커.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브막들은 탄소나노튜브 0.01 ∼ 30 중량부와 용매 70 ∼ 99.99 중량부 및 분산제 0.01 ∼ 20 중량부로 혼합된 탄소나노튜브 용액에 의해 각각 형성된 것을 특징으로 하는 필름 스피커.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 다발형 탄소나노튜브로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 필름 스피커.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 용매는 물, 메틸 알콜, 에틸 알콜, 이소프로필 알콜, 노르말 부탄올, 톨루엔, 자일렌, 1-메틸-2-피롤리디논, 클로로포름, 에틸 아세테이트, 2-메톡시에탄올, 에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 및 디메틸 술폭사이드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 필름 스피커.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 분산제는 SDS(sodium dodecy sulfate) 분산제, 트라이톤 엑스(Triton X) 분산제, 및 LDS(lithium dodecy sulfate) 분산제로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 필름 스피커.
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