KR100792304B1 - 전기기계적 막과 음향 엘리먼트 - Google Patents

Abstract

전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하고 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 전기기계적 막. 상기 막(1)은 유전체이고, 셀들의 높이와 폭의 비율이 3:1 내지 1:3 사이인 셀들(3)로 형성되어 있다. 두 개의 그러한 막들을 함께 결합하고 제 1 막(1)에서는 전기장의 세기가 감소하고 제 2 막(1)에서는 전기장의 세기가 증가하는 방식으로 그것들을 제어함으로써, 구부러진 음향 엘리먼트가 제공된다.

Description

전기기계적 막과 음향 엘리먼트 {ELECTROMECHANIC FILM AND ACOUSTIC ELEMENT}

본 발명은 전기기계적 막에 관한 발명으로, 상기 막은 유전체이고, 전압이나 전하가 상기 막의 표면 상으로 전도되거나 전압이나 전하가 상기 막의 표면으로부터 방전되는 방식으로 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하거나 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 서로 결합된 두 전기기계적 막을 포함하는 음향 엘리먼트(acoustic element)에 관한 것이다.

미국 특허 제 4,654,546 호는 상기 유전 재료에 납작한 원반 모양의 기포(flat discoid gas bubbles)가 제공되는 전기기계적 막을 개시한다. 상기 막은 하전되고 금속화될 수 있다. 전압이 상기 막상에 전도될 때, 전기장에 의해 생성된 힘이 상기 막의 두께를 감소시켜, 상기 기포들은 납작해지고, 상기 기포 내부의 공기는 눌려서 압력이 높아진다. 그러므로 상기 막의 두께는 변할 수 있지만, 상기 막의 길이와 폭은 거의 변하지 않게 된다. 상기 두께의 변화도 또한 상당히 작게 된다. 최대 전압에서, 상기 막의 두께의 변화는 상기 막의 두께의 단지 약 0.1%에 불과하다. 일부 응용에 있어서, 상기 막의 치수의 큰 변화를 달성할 필요가 있을 것이다.

이 발명의 목적은 종래의 기술과 비교하여 개선된 특성을 갖는 전기기계적 막을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 상기 전기기계적 막은 그 높이와 폭의 비율이 3:1 내지 1:3 사이인 셀들(cells)로 형성되어, 셀이 변형될 때 상기 셀 내부에서 변형을 견디는 압력이 변하지 않는데 특징이 있다.

또한, 본 발명에 따른 음향 엘리먼트는 상기 막이 그 높이와 폭의 비율이 3:1 내지 1:3 사이의 셀들로 형성되고, 상기 음향 엘리먼트가 제 1 막에서는 전기장의 세기가 감소하고 제 2 막에서는 전기장의 세기가 증가하는 방식으로 상기 막들을 제어하기 위한 수단을 포함하며, 이에 의하여 상기 음향 엘리먼트에서 결합된 막들이 구부러지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 본질적인 개념은 상기 막이 얇은 벽을 갖는, 바람직하게는 다각형이고, 이 셀들의 높이와 폭의 비율이 3:1 내지 1:3 사이인 셀들로 형성되는 것이다. 이에 따라, 셀이 변형될 때, 상기 셀 내부에서 변형을 견디는 압력은 매우 조금 변한다. 바람직한 실시예의 개념은 상기 셀들의 높이와 길이의 비율이 1:3 미만인, 바람직하게는 1:10 미만인 방식으로 상기 셀들이 연장되는 것이다.

막이 눌려질 때, 셀들은 변형되고 넓어지며, 따라서 상기 셀 벽들(cell walls)이 구부러짐에 따라, 막 또한 넓어진다는 점이 본 발명의 장점이다. 셀들이 길수록, 셀들은 막의 변형에 덜 저항하게 된다.

본 발명은 첨부된 도면에서 보다 상세하게 설명된다.

도 1은 위로부터 비스듬하게 전기기계적 막을 개략적으로 도시하고;

도 2는 하나의 셀의 변형을 개략적으로 도시하며;

도 3a, 3b 및 3c는 서로 결합된 두개의 막들을 포함하는 음향 엘리먼트를 개략적으로 도시하고;

도 4, 5, 6, 7, 8, 9 및 10은 음향 엘리먼트를 개략적으로 도시하며;

도 11은 도 10에 따른 상기 음향 엘리먼트에 의해 생성된 힘을 개략적으로 도시한다.

도 1은 전기기계적 막(1)을 도시한다. 막(1)은 벽들(2)로 형성되고, 상기 벽은 상기 막 내에 셀들(3)을 제한한다. 셀들(3)은 대부분 바람직하게는 다각형이지만 또한 곡선 형태뿐 아니라 기타 이와 유사한 것들도 가능하다. 상기 셀(3)을 위한 하나의 바람직한 형태는 육각형이며, 이에 따라 상기 막(1)의 구조는 벌집 모양이다. 상기 셀들의 높이와 폭의 비율은 3:1 내지 1:3 사이이다. 가장 바람직하게는, 상기 높이와 폭의 비율은 대략 1:1이다. 도 2는 셀이 변형될 때 어떤 일이 일어나는가를 도시한다. 상기 파선에 의해 도시된 바와 같이, 상기 셀(3)의 높이가 최대일 때 상기 셀(3)의 폭은 최소이다. 상기 셀의 높이가 상기 실선에 의해 표시되는 위치로 감소할 때, 상기 셀의 폭은 증가한다. 그러나, 상기 셀의 부피는 변형중에 변하지 않아, 상기 셀 내부의 압력도 변하지 않는다. 그러므로, 상기 변형을 견디는 힘은 작은 채로 남아 있다. 다시 말하면, 상기 셀(3)이 변형될 때, 상기 막(1)의 두께 변화가 몇 퍼센트에 이를 수 있지만, 상기 셀(3) 내부의 변형을 견디는 압력은 변하지 않는다.

상기 막(1)이 눌려질 때, 다시 말하면 막의 두께가 감소할 때, 상기 셀들(3)은 변형되고 넓어진다; 다시 말하면, 상기 막의 두께가 감소할 때, 상기 막의 폭은 동일한 비율로 증가한다. 가장 바람직하게는, 상기 셀들(3)은 길어지고 또한 조금 납작해질 수 있다. 바람직하게는, 상기 셀들(3)의 높이와 길이의 비율은 1:3 미만이고, 가장 바람직하게는 상기 비율은 1:10 미만이다. 상기 셀들(3)이 길수록, 상기 셀들은 상기 막의 변형을 덜 견디게 된다.

예를 들어 30㎛인 막의 두께에 있어, 상기 막의 전하 전위(charge potential)가 800V이고 제어 전압이 100V일 때, 상기 두께 및 폭에서 5%에 이르는 변화가 달성될 수 있다. 상기 셀 벽들(2)이 가능한 한 얇은 것이 상기 막의 기능을 위해 중요하고, 이에 따라 상기 막(1)의 공기 부피는 가능한 한 커진다. 가장 바람직하게는, 상기 공기 부피가 70% 이상이면, 이에 따라 상기 막들(1)도 또한 매우 가볍게 된다.

상기 막의 표면은 상기 막이 넓어지는 것을 방지할 평탄한 표면층(even surface layer)을 가져서는 안 되지만, 상기 셀 패턴(cell pattern)은 상기 막(1)의 표면에까지 계속되어야 한다. 그러므로 상기 막(1)의 표면상에 배치된 금속 코팅은 매우 얇아야 한다.

상기 막(1)은 예를 들면, 압출 성형(extrusion) 동안 그 안에 추진 기체(propellant gas)가 주입되는 플라스틱과 핵형성 작용제(plastic and nucleation agent)의 혼합물을 압출 성형함으로써 생산될 수 있다. 이런 방법으로 달성된 상기 거품 막(foaming film)은 동시에 강하게 늘려짐으로써 더 얇게 불어진다. 이런 방법으로, 생산된 상기 셀들은 충분히 길어진다. 상기 막(1)을 제공하기 위한 또다른 대안은 플라스틱과 핵형성 작용제의 혼합물을 눌러서 막으로 만들고, 이 후에 상기 막을 빠르게 냉각시키는 방법이다. 이어서, 상기 막은 재가열되고, 어느 정도 세로 방향을 향하는데, 이에 따라 연장된 셀 예비 형성품(cell preforms)은 상기 플라스틱과 핵형성 작용제의 경계에서 찢어진다. 이런 다음에, 상기 막은 압력 챔버를 통하여 인도되고, 이에 따라 주입 기체는 상기 셀 예비 형성품으로 흘러 들어가고 그 후에 상기 막은, 예를 들면 10겹(tenfold)의 세로 방향으로 배향된다. 예를 들면 탄산 칼슘(calcium carbonate) 입자가 상기 핵형성 작용제로 사용될 수 있다.

상기 막은 강한 전기장 내에서 양의 전하가 상기 셀들(3)의 내부의 상부 표면상에 형성되고 음의 전하가 상기 셀들(3)의 내부의 하부 표면상에 형성되는 방식으로 일렉트릿(electret) 막으로 하전된다. 이어서, 상기 막(1)은 예를 들면 진공 증착(vacuum evaporation)을 사용하여, 얇은 알루미늄층(4)으로 금속화된다. 다시 말하면, 상기 알루미늄층(4)은 상기 막의 표면의 셀 패턴을 커버하지는 않지만, 상기 막의 두께가 변할 때 상기 막의 폭의 변화를 허용할 정도로 얇아야 한다.

상기 막(1)은 또한 눌려질 때 넓어지고 반대의 경우도 마찬가지이기 때문에, 적어도 두 개의 막들을 서로 결합함으로써 굽힘 구조가 생산될 수 있다. 예를 들면, 도 3a에 따라, 상기 막들(1)에서 서로 대항하게끔 양으로 하전된 측면들을 배치하고, 상기 바깥 측면들상에 전극 U1 및 U2를 배치하며, 그 후 상기 제 1 막에서 상기 전기장의 세기가 증가되고 제 2 막에서 감소되는 방식으로 상기 전극 U1 및 U2 사이의 전압을 제어함으로써, 상기 두 막들(1)로 형성된 엘리먼트는 구부러질 수 있다. 굽힘 구조는 또한 도 3b 혹은 도 3c에 나타난 방법으로 달성될 수 있다. 도 3a, 도 3b 혹은 도 3c에 따른 상기 구조는 또한 굽힘 운동을 전기 에너지로 변환하기 위하여 사용될 수 있다. 이에 의하여, 상기 구조의 굽힘은 전기 하전을 유발하고, 상기 전기 하전을 방전함으로써 전기 에너지가 생산될 수 있다. 굽힘 구조는 또한 제 1 표면이 제 2 표면보다 더 강성인(rigid) 막에 의해 제공될 수 있는데, 다시 말하면, 상기 막의 상기 제 1 표면 상에 스킨층(skin layer)으로 알려진 것이 존재하거나 또는 제 1 표면의 금속 코팅이 상기 제 2 표면보다 두껍다.

도 4 내지 도 10은 상기 기재된 전기기계적 막이 이용되며, 소리를 생산하고, 측정하고, 감쇠시키기 위해 사용될 수 있는 다른 음향 엘리먼트들을 도시한다. 도 4는 도 3a에 따라 함께 얇게 잘라진 막들의 쌍을 포함하는 엘리먼트를 도시하는데, 이러한 막들의 쌍은 상기 폴드(fold)의 높이가 예를 들어 약 15mm이고, 폴드들 사이의 거리가 예를 들어 약 1mm인 방식으로 가깝게 접혀 있다. 전기 에너지를 공급함으로써 상기 막들은 상기 폴드들이 서로에 대항하여 구부러지고 상기 엘리먼트가 압력파(pressure wave)와 소리를 생산하는 방식으로 제어될 수 있다. 상기 엘리먼트는 적어도 하나의 측면에 다공층(porous layer)으로 코팅될 수 있다. 두 엘리먼트들은 또한 서로 십자형으로 결합될 수 있는데, 이에 따라 도 5에서 도시된 바와 같이 강성 구조가 제공된다.

도 6은 상기 막(1)을 얇게 하는 동시에 넓어지게 하는 것이 상기 막에서 생성된 음압(acoustic pressure)과 운동을 야기하는 엘리먼트를 도시한다. 그 능력을 증가시키기 위해, 여러 막층들(film layers)이 함께 결합될 수 있다. 상기 막들은 다공성의 지지판(5)에 부착된다.

도 7은 제어 신호의 함수로서 상기 막의 측방향에서의 변화가 전체 구조의 두께 변화를 야기하는 구조를 도시한다. 상기 막들(1) 중 하나가 상기 엘리먼트의 제어에서 피드백 센서로 사용될 수 있다. 고체의 또는 다공성의 판이 상기 엘리먼트의 뒤판으로서 배치될 수 있다.

도 8은 막과 그 주위에 배치된 표면판들(surface plates)(6)을 포함하는 엘리먼트를 도시한다. 상기 제어 신호에 따라서 상기 막(1)이 넓어지고 좁아짐에 따라, 상기 표면판들(6)은 반대 방향으로 운동한다.

도 9는 서로 도 9에 의해 지시된 형태로 구부러진 판형의 구조를 형성하는 적어도 두개의 막들을 포함하는 엘리먼트를 도시한다. 상기 막들(1)은 화살표에 의해 지시된 방향으로 구부러지는 방식으로 개별적으로 제어된다. 상기 막층들은 연속적일 수 있고, 그들의 표면 상의 상기 전극들 또한 연속적일 수 있다. 상기 막들의 제어는 도 3 및 도 4와 관련하여 일어난다.

도 10은 측방향 외의 상기 구부러진 막 엘리먼트의 운동이 표면층들(7)에 의해 방지되는 해결책을 도시한다. 상기 하부 표면층(7)은 상기 엘리먼트에 의해 생성된 소리가 통하여 나오는 개방부(8)를 갖는다. 상기 개방부에 의해 상기 엘리먼트의 공명 주파수가 원하는 대로 조절될 수 있다. 소리의 생산은 도 11에 지시된 바와 같이 상기 엘리먼트 내의 반동력(recoil force)(F3)을 야기한다. 측방향 외의 상기 막 엘리먼트의 운동이 방지되기 때문에, 상기 막들의 질량은 운동력(F), 상기 막들의 가장자리에서 방향 지어진 대항력(F1)을 야기한다. 상기 힘(F1)의 아래 방향의 성분(F2)는 상기 막 엘리먼트의 반동력(F3)을 보상하는 힘을 형성한다. 다시 말하면, 따라서, 도 11에 도시된 바와 같이, 청자(hearer)는 상기 엘리먼트 아래에 있다; 즉, 소리가 상기 청자에 대하여, 상기 음향 엘리먼트의 반동력을 보상하기 위해 상기 막(1)의 뒤판으로부터 청자에게까지 전도된다.

도면 및 관련된 명세서는 단지 본 발명의 개념을 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 세부 사항은 청구항들의 범위 내에서 변화할 수 있다. 그러므로, 상기 전기기계적 막은 또한 압력, 힘 그리고 운동의 측정에 있어 상이한 센서들, 그리고 상이한 액추에이터 및 조정 유닛(regulating unit)으로서 사용될 수 있다. 또한, 상기 막은 압력, 힘 그리고 운동 또는 온도의 변화를 전기 에너지로 변환하기 위한 엘리먼트로서 사용될 수 있다. 상기 막들은 바람직하게는 상기 일렉트릿 하전을 잘 보존하는 플라스틱으로 제조된다. 이러한 것들의 예로는 순환 올레핀 공중합체(cyclic olefin copolymer, COC), 폴리메틸 펜틴(polymethyl pentene, TPX), 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 및 폴리프로필렌(polypropylene, PP)이 있다.

Claims (10)

1. 전기기계적 막(electromechanic film)(1)으로서,

   상기 막(1)은 유전체이고, 전압 또는 전하가 상기 막(1)의 표면들 상으로 전도되거나 전압 또는 전하가 상기 막(1)의 표면들로부터 방전되는 방식으로 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하거나 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 하며,

   상기 막(1)은 높이와 폭의 비율이 3:1 내지 1:3 사이인 셀들(3)로 형성되어, 상기 셀들(3)이 변형될 때, 상기 셀들(3)의 내부에서 변형을 견디는 압력이 변하지 않는 전기기계적 막.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 셀들(3)이 다각형인 것을 특징으로 하는 전기기계적 막.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 셀들(3)의 벽들(2)이 얇아서 상기 막(1)의 공기 부피가 70% 이상인 것을 특징으로 하는 전기기계적 막.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 셀들(3)의 높이와 길이의 비율이 1:3 미만이 되도록 하는 방식으로 상기 셀들(3)이 연장되는 것을 특징으로 하는 전기기계적 막.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 셀들(3)의 높이와 길이의 비율이 1:10 미만인 것을 특징으로 하는 전기기계적 막.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 막(1)의 적어도 한쪽 면은 전기 전도층(electricity-conducting layer)으로 코팅된 것을 특징으로 하는 전기기계적 막.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 전기 전도층은 진공 증착(vacuum evaporation)을 사용하여 상기 막(1)을 금속화시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 전기기계적 막.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 셀들(3)의 내부의 상부 표면이 양으로 하전되고 상기 셀들(3)의 내부의 하부 표면이 음으로 하전되는 방식으로, 상기 막(1)의 적어도 일부분은 일렉트릿(electret) 막으로서 하전되는 것을 특징으로 하는 전기기계적 막.
9. 서로 결합된 적어도 두 개의 전기기계적 막들을 포함하는 음향 엘리먼트(acoustic element)로서,

   상기 막들(1) 각각은 높이와 폭의 비율이 3:1 내지 1:3 사이인 셀들(3)로 형성되며;

   상기 음향 엘리먼트는 상기 막들(1) 중 하나에서는 전기장의 세기가 감소하고 상기 막들(1) 중 다른 하나에서는 전기장의 세기가 증가하여, 상기 음향 엘리먼트에서 상기 결합된 막들(1)이 구부러지는 방식으로 상기 막들(1)을 제어하기 위한 수단을 포함하는 음향 엘리먼트.
10. 제 9 항에 있어서,

    소리를 낼 때, 상기 결합된 막들(1)이 상기 음향 엘리먼트의 반동력(recoil force)을 보상하기 위하여 청자(hearer)로부터 멀어지도록 배치되는 방식으로 폴드(fold)들이 상기 결합된 막들(1)에 형성되는 것을 특징으로 하는 음향 엘리먼트.

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