KR100872164B1 - Piezoelectric electric-acoustic transducer using piezoelectric single crystal - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전형 전기 음향 변환기에 관한 것으로, 특히 압전체로서 압전 특성이 우수한 새로운 소재의 단결정 물질을 이용한 압전형 전기 음향 변환기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 전기 음향 변환기는, 압전체를 벌크 형태 또는 막 형태의 압전성을 갖는 강유전성 단결정 물질로 구성하여, 단결정 물질의 형상 및 분극 방향과 외부 전계 방향에 따라 진동이 일어나는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 압전형 전기 음향 변환기는, 강유전체이며 압전 특성이 우수한 압전성 단결정을 벌크 형태 또는 막 구조물 형태로 압전체를 구성함으로써, 광대역의 주파수 범위와 고감도를 실현할 수 있으며, 소비전력 대비 에너지효율을 크게 향상시킬 수 있어 소비 전력의 감소, 제품의 소형화 및 노이즈에 의한 신호 왜곡의 감소를 실현할 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to piezoelectric electroacoustic transducers, and more particularly, to piezoelectric electroacoustic transducers using a single crystal material of a novel material having excellent piezoelectric properties as a piezoelectric body. The electroacoustic transducer according to the present invention is characterized in that the piezoelectric body is composed of a ferroelectric single crystal material having piezoelectricity in the form of a bulk or a film, and vibration occurs according to the shape and polarization direction of the single crystal material and the external electric field direction. In the piezoelectric electroacoustic transducer according to the present invention, the piezoelectric single crystal having a ferroelectric and excellent piezoelectric properties is configured in the form of a bulk or a film structure, thereby realizing a wide frequency range and high sensitivity, and greatly increasing energy efficiency compared to power consumption. It is possible to improve the power consumption, reduce the size of the product, and reduce the signal distortion due to noise.
압전형 전기 음향 변환기, 단결정막, 압전성 단결정, 인체신호감지센서, 마이크, 스피커, 마이크-스피커 일체형 기기, 모바일 기기Piezoelectric Electro-Acoustic Transducer, Monocrystalline Film, Piezoelectric Single Crystal, Human Body Signal Sensor, Microphone, Speaker, Microphone-Speaker Integrated Device, Mobile Device
Description
도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 압전형 전기 음향 변환기.1A is a piezoelectric electroacoustic transducer according to an embodiment of the present invention.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전형 전기 음향 변환기.1B is a piezoelectric electroacoustic transducer according to another embodiment of the present invention.
도 2a는 본 발명에 따른 압전성 단결정 물질을 벌크 형태로 구성한 압전체의 단면도.2A is a cross-sectional view of a piezoelectric body in bulk form of a piezoelectric single crystal material according to the present invention;
도 2b는 본 발명에 따른 압전성 단결정 물질을 막 구조물 형태로 구성한 압전체의 단면도.2B is a cross-sectional view of a piezoelectric body composed of a piezoelectric single crystal material in the form of a film structure according to the present invention;
도 2c은 본 발명에 따른 압전성 단결정 물질을 물리적 증착 공정(Physical Deposition method)또는 화학적 증착 공정(Chemical Deposition method)에 의해 막 구조물 형태로 구성한 압전체의 단면도.FIG. 2C is a cross-sectional view of a piezoelectric material in which a piezoelectric single crystal material according to the present invention is formed into a film structure by a physical deposition method or a chemical deposition method. FIG.
본 발명은 압전형 전기 음향 변환기에 관한 것으로, 특히 압전체로서 압전 특성이 우수한 새로운 소재의 단결정 물질을 이용한 압전형 전기 음향 변환기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to piezoelectric electroacoustic transducers, and more particularly, to piezoelectric electroacoustic transducers using a single crystal material of a novel material having excellent piezoelectric properties as a piezoelectric body.
종래, 압전형 전기 음향 변환기는 의료기기, 전자기기, 가전제품 및 휴대 전화기 등에 있어서 인체 신호 감지용 센서, 마이크, 경보음이나 동작음을 발생시키는 압전 부저, 압전 스피커, 마이크와 스피커 일체형의 부품 디바이스로 널리 사용되어 왔다. BACKGROUND ART Conventionally, piezoelectric electroacoustic transducers are piezoelectric buzzers, piezoelectric speakers, microphone and speaker integrated component devices that generate a human body signal sensor, a microphone, an alarm sound or an operation sound in a medical device, an electronic device, a home appliance, a mobile phone, and the like. Has been widely used.
이러한 압전형 전기 음향 변환기의 일반적인 구조는, 판형의 탄성 진동체의 일면에 압전소자를 부착시키고, 탄성 진동체의 주연부가 케이스 속에서 실리콘 고무 등의 폴리머로 지지되는 한편, 케이스의 개구가 커버로 폐쇄되는 형태이거나 얇은 다이어프램(diaphram)의 뒷면에 압전체를 연결시킨 형태를 가짐으로써 전기적 신호와 음향 신호를 상호 변환시키는 구조이다.The general structure of the piezoelectric electroacoustic transducer is such that a piezoelectric element is attached to one surface of a plate-shaped elastic vibrator, and the periphery of the elastic vibrator is supported by a polymer such as silicone rubber in the case, while the opening of the case is covered by a cover. It is a structure that converts an electrical signal and an acoustic signal by having a closed shape or a shape in which a piezoelectric body is connected to the rear surface of a thin diaphragm.
이러한 압전형 전기 음향 변환기의 성능은 그 부품에 사용되는 소재에 의존하는데, 압전성 물질의 물성 중 전기적 에너지가 인가될 때 재료가 변형되는 척도인 압전변형계수가 특히 중요하다. The performance of such piezoelectric electroacoustic transducers depends on the materials used for the components, with the piezoelectric strain being a measure of deformation of the material when electrical energy is applied in the properties of the piezoelectric material.
종래에 압전체 재료로서 널리 사용되는 대표적인 압전성 물질로는 압전 세라믹과 압전 폴리머가 있으며, 이들의 압전변형계수(d)는, 압전 세라믹 재료로서 석영(guartz)의 경우 2.3pC/N이고 티탄화 바륨은 140pC/N이고 PZT는 360pC/N이며, 압전 폴리머 재료로서 폴리비닐리덴(polyvinylidene fluroide: PVDF)은 30pC/N로 작다. Representative piezoelectric materials conventionally widely used as piezoelectric materials include piezoelectric ceramics and piezoelectric polymers, and their piezoelectric strain coefficients (d) are 2.3 pC / N for quartz (guartz) and barium titanate. 140 pC / N, PZT is 360 pC / N, and polyvinylidene fluroide (PVDF) as piezoelectric polymer material is as small as 30 pC / N.
압전변형계수는 변형방향에 따라 서로 다른 값을 갖는데, 예컨대 상기 물질 중 압전 세라믹 소자인 PZT는 압전변형계수가 길이방향 모드(longitudinal mode)의 압전변형계수(d31), 두께모드(Thickness)의 압전변형계수(d33), 전단모드(shear mode)의 압전변형계수(d15)가 각각 -38pm/V, 275pm/V, 480pm/V로 작다. 전기 음향 변환기가 작동할 때 인가된 전기적 에너지가 얼마나 효율적으로 기계적 에너지로 변환되는지의 척도인 전기기계결합계수가 상기 세 가지 모드에서 각각 k31=0.33, k33=0.67, k15=0.68의 낮은 값을 갖기 때문에 에너지 효율성 측면에서도 좋지 못하다.The piezoelectric strain coefficients have different values depending on the deformation direction. For example, PZT, a piezoelectric ceramic element, has a piezoelectric strain coefficient d31 in the longitudinal mode and a piezoelectric thickness in the thickness mode. The strain coefficient d33 and the piezoelectric strain coefficient d15 in the shear mode are small at −38 pm / V, 275 pm / V, and 480 pm / V, respectively. The electromechanical coupling coefficient, a measure of how efficiently the applied electrical energy is converted to mechanical energy when the electroacoustic transducer is operating, has low values of k 31 = 0.33, k 33 = 0.67, and k 15 = 0.68, respectively, in these three modes. Value is also bad for energy efficiency.
압전 재료로서 폴리머 압전체인 폴리비닐리덴(PVDF)도 사용되고 있으나, 상술한 바와 같이 PZT 세라믹보다도 압전변형계수 값이 더 작아 바람직하지 않다.Although polyvinylidene (PVDF), which is a polymer piezoelectric material, is also used as the piezoelectric material, as described above, the piezoelectric strain coefficient value is smaller than that of PZT ceramic.
이와 같은 종래의 압전성 물질이 갖는 단점을 극복하기 위해, 복층의 압전체를 적층하여 단위 전계당 변형량을 증가시키는 적층형 구조가 대한민국 특허공개공보 제2003-1253호에 개시되어 있으나 전기기계결합계수 값의 향상이 미미하며, 오히려 복잡한 구조로 인해 제조 공정이 복잡해지는 단점이 있다.In order to overcome the disadvantages of the conventional piezoelectric material, a laminated structure for increasing the amount of deformation per unit electric field by stacking a plurality of piezoelectric layers is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-1253, but the electromechanical coupling coefficient value is improved. This is rather insignificant, but the complicated structure makes the manufacturing process complicated.
또한 상기한 적층형 구조로 압전체를 형성할 경우, 압전 전기 음향변화기는 제작시 소결(sintering)과정이 필수적으로 요구되는데, 압전체를 구동기로 지속적으로 사용하게 되면 마이크로 분말들이 떨어져 나와서 불필요한 노이즈를 발생할 수 있기 때문에 정밀한 음향 신호의 채집 및 전달에 적합하지 못하다. 이러한 이유로, 전자 청진기용 마이크로폰 등의 고정밀 의료 분야에 있어서 낮은 성과가 보고 되고 있다.In addition, when the piezoelectric body is formed in the laminated structure, a sintering process is required during manufacturing of the piezoelectric acoustic transducer, and when the piezoelectric body is continuously used as a driver, micropowders may fall off and generate unnecessary noise. It is not suitable for the collection and transmission of precise acoustic signals. For this reason, low performance is reported in the high precision medical field, such as an electronic stethoscope microphone.
본 발명의 목적은 광대역의 주파수 범위와 고감도를 가지며 소비전력 대비 에너지효율이 크게 향상된, 압전체로서 강유전체이며 압전 특성이 우수한 새로운 소재의 단결정을 이용한 고성능의 압전형 전기 음향 변환기를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a high-performance piezoelectric electroacoustic transducer using a single crystal of a ferroelectric and a new material having excellent piezoelectric properties as a piezoelectric material having a wide frequency range and high sensitivity and greatly improving energy efficiency compared to power consumption.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요지는 다음과 같다.The gist of the present invention for achieving the above object is as follows.
(1) 압전체를 이용한 압전형 전기 음향 변환기로서, 상기 압전체는 벌크 형태 또는 막 형태의 압전성을 갖는 강유전성 단결정 물질로 이루어지고, 상기 단결정 물질은 PMN-PT(납 마그네슘 나이오베이트 - 납 티타네이트계 물질), PZN-PT(납 아연 나이오베이트 - 납 티타네이트계 물질), PZT(납 지르코늄 티타네이트계 물질), PYN-PT(납 이터비움 나이오베이트 - 납 티타네이트계 물질) 및 PIN-PT(납 인듐 니아오베이트 - 납 티타네이트계 물질)로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나로서, 아래의 화학식 1과 화학식 2 중 어느 하나의 조성을 만족하고,
상기 압전형 전기 음향 변환기가 0.1~100kHz의 주파수 대역과 음향신호를 받아들이는 경우 -80dB 이상을 받아들이며 음향신호를 내보낼 경우 150dB까지의 음압을 발생하는 것을 특징으로 하는 압전형 전기 음향 변환기.(1) A piezoelectric electroacoustic transducer using a piezoelectric body, wherein the piezoelectric body is made of a ferroelectric single crystal material having piezoelectric properties in bulk or film form, and the single crystal material is PMN-PT (lead magnesium niobate-lead titanate type). Materials), PZN-PT (lead zinc niobate-lead titanate-based material), PZT (lead zirconium titanate-based material), PYN-PT (lead etherium niobate-lead titanate-based material) and PIN- Any one selected from the group consisting of PT (lead indium niaobate-lead titanate-based material), and satisfies the composition of any one of the following Chemical Formulas 1 and 2,
The piezoelectric electroacoustic transducer receives a frequency band of 0.1 to 100 kHz and an acoustic signal, and receives a -80 dB or more and generates a sound pressure of up to 150 dB when the acoustic signal is emitted.
[화학식 1][Formula 1]
s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]s [L] -x [P] y [M] z [N] p [T]
[P]는 산화납(PbO, PbO2, Pb3O4)이고,[P] is lead oxide (PbO, PbO 2 , Pb 3 O 4 ),
[M]은 산화 마그네슘 (MgO) 또는 산화 아연(ZnO)이고,[M] is magnesium oxide (MgO) or zinc oxide (ZnO),
[N]은 나이오비움 옥사이드(Nb2O5)이고,[N] is niobium oxide (Nb 2 O 5 ),
[T]은 산화 티탄(TiO2)이고,[T] is titanium oxide (TiO 2 ),
[L]은 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 리튬나이오베이트(LiNbO3), 리튬(Li), 리튬 산화물(Li2O) 또는 리튬 카보네이트(Li2CO3)이거나, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라디움(Pd), 로디움(Rh), 인디움(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 스트론티움(Sr), 스칸디움(Sc), 루쎄니움(Ru), 구리(Cu), 이트리움(Y) 및 이터비움(Yb)으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속 또는 그의 산화물이고,[L] is lithium tantalate (LiTaO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium (Li), lithium oxide (Li 2 O), or lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), or platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), rhodium (Rh), indium (In), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), strontium (Sr), scandium (Sc), ruthenium (Ru), copper (Cu), yttrium (Y), and iterium (Yb) is one metal selected from the group consisting of or oxides thereof,
x는 0.55 보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같고,x is greater than or equal to 0.55 and less than or equal to 0.65,
y는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,y is greater than or equal to 0.09 and less than or equal to 0.20,
z는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,z is greater than or equal to 0.09 and less than or equal to 0.20,
p는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같고,p is greater than or equal to 0.01 and less than or equal to 0.1,
s는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같다.s is greater than or equal to 0.01 and less than or equal to 0.1.
[화학식 2][Formula 2]
[1-x]Pb(Zn1/3,Nb2/3)-[x]PbTiO3,[1-x] Pb (Zn 1/3, Nb 2/3) - [x] PbTiO 3,
[1-y]Pb(Mg1/3,Nb2/3)-[y]PbTiO3 [1-y] Pb (Mg 1/3, Nb 2/3) - [y] PbTiO 3
[1-z]PbZrO3-[z]PbTiO3,[1-z] PbZrO 3- [z] PbTiO 3 ,
[1-l]Pb(Yb1/2,Nb1/2)O3-lPbTiO3 [1-l] Pb (Yb 1/2, Nb 1/2) O 3 -lPbTiO 3
[1-m]Pb(In1/2,Nb1/2)O3-mPbTiO3 [1-m] Pb (In 1/2, Nb 1/2) O 3 -mPbTiO 3
x는 0이거나 0.01보다 크거나 0.2보다 작고,x is 0 or greater than 0.01 or less than 0.2,
y는 0.1보다 크거나 0.4보다 작고,y is greater than 0.1 or less than 0.4,
Z는 0.4보다 크고 0.6보다 작고,Z is greater than 0.4 and less than 0.6,
l은 0.2보다 크고 0.8보다 작고,l is greater than 0.2 and less than 0.8,
m은 0.2보다 크고 0.8보다 작다. m is greater than 0.2 and less than 0.8.
(2) 상기 압전성 물질은 그 양 면에 전극이 부착된 벌크 형태로 제작되어 기판 상에 접착되는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전형 전기 음향 변환기.(2) The piezoelectric electroacoustic transducer according to the above (1), wherein the piezoelectric material is manufactured in a bulk form having electrodes attached to both surfaces thereof and adhered to a substrate.
(3) 상기 단결정 물질은 박막 형태로 연마된 후 전극상에 부착되거나 전극상에 부착된 후 박막 형태로 연마되어 기판 상에 접착된 것을 특징으로 하는 상기 (1) 기재의 압전형 전기 음향 변환기.(3) The piezoelectric electroacoustic transducer according to (1), wherein the single crystal material is polished in a thin film form and then adhered to an electrode or adhered to an electrode and then polished in a thin film form and adhered to a substrate.
(4) 상기 단결정 물질은 에폭시를 사용하여 기판에 접착되는 것을 특징으로 하는 상기 (2) 또는 (3) 기재의 압전형 전기 음향 변환기.(4) The piezoelectric electroacoustic transducer according to (2) or (3), wherein the single crystal material is adhered to a substrate using epoxy.
(5) 상기 단결정 물질은 물리적 증착(Physical deposition) 공정 또는 유기 금속 화학적 증착(Chemical Deposition) 공정 중 어느 하나의 공정에 의해 전극상에 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 압전형 전기 음향 변환기.(5) The single crystal material is any one of (1) to (3) characterized in that formed on the electrode by any one of a physical deposition process or an organic metal chemical deposition process. The piezoelectric electroacoustic transducer described in one.
(6) 상기 압전형 전기 음향 변환기는 마이크로폰, 스피커, 마이크, 스피커-마이크 일체형 장치 등에 한정되지 않으며 전기 음향간의 변환을 이용하는 모든 장치에 적용될 수 있는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 압전형 전기 음향 변환기.(6) The piezoelectric electroacoustic transducer is not limited to a microphone, a speaker, a microphone, a speaker-microphone integrated device, or the like, and can be applied to any device using conversion between electric sounds. The piezoelectric electroacoustic transducer according to any one of claims.
(7) 상기 압전형 전기 음향 변환기는 유선통신 방법과 적외선 통신, 라디오 통신 등의 무선통신 방법으로 외부기기와 통신하는 것을 특징으로 하는 상기 (6) 기재의 압전형 전기 음향 변환기.(7) The piezoelectric electroacoustic transducer according to (6), wherein the piezoelectric electroacoustic transducer communicates with an external device by a wired communication method and a wireless communication method such as infrared communication or radio communication.
(8) 상기 압전형 전기 음향 변환기는 모바일 기기에 적용되는 것을 특징으로 하는 상기 (7) 기재의 압전형 전기 음향 변환기.(8) The piezoelectric electroacoustic transducer according to (7), wherein the piezoelectric electroacoustic transducer is applied to a mobile device.
(9) 상기 압전형 전기 음향 변환기가 의료용 전자 청진기에 적용되는 것을 특징으로 하는 상기 (6) 기재의 압전형 전기 음향 변환기.(9) The piezoelectric electroacoustic transducer according to (6), wherein the piezoelectric electroacoustic transducer is applied to a medical electronic stethoscope.
(10) 상기 압전형 전기 음향 변환기가 0.1~100kHz의 주파수 대역과 음향신호를 받아들이는 경우 -80dB 이상을 받아들이며 음향신호를 내보낼 경우 150dB까지의 음압을 발생하는 것을 특징으로 하는 상기 (6) 기재의 압전형 전기 음향 변환기.(10) When the piezoelectric electroacoustic transducer receives a frequency band of 0.1 to 100 kHz and an acoustic signal, the piezoelectric type electro-acoustic transducer accepts more than -80 dB and generates sound pressures of up to 150 dB when the acoustic signal is sent out. Piezoelectric Electroacoustic Transducer.
(11) 상기 의료용 전자 청진기에 적용되는 압전형 전기 음향 변환기는 유선통신 또는 무선 통신의 방법으로 외부 기기와 통신이 가능하며, 헤드폰과 모바일 진단기기 및 외부컴퓨터와 연결되어 원격 진료 시스템을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 상기 (9) 기재의 압전형 전기 음향 변환기.(11) The piezoelectric electroacoustic transducer applied to the medical electronic stethoscope can communicate with an external device by a wired or wireless communication method, and is connected to a headphone, a mobile diagnostic device, and an external computer to enable a remote medical care system. A piezoelectric electroacoustic transducer according to (9) above.
이하, 본 발명의 내용을 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the content of this invention is demonstrated in detail.
본 발명에 따른 압전형 전기 음향 변환기의 가장 큰 특징은, 우수한 압전 특성을 갖는 새로운 단결정 물질을 이용하여 압전성을 갖는 강유전성 구조물을 형성함으로써, 상기 단결정 물질의 형상 및 분극 방향과 외부 전계 방향에 따라 진동이 일어나는 것이다.The most distinctive feature of the piezoelectric electroacoustic transducer according to the present invention is to form a ferroelectric structure having piezoelectricity using a new single crystal material having excellent piezoelectric properties, thereby vibrating according to the shape and polarization direction of the single crystal material and the external electric field direction. This is what happens.
본 발명에서 사용되는 강유전성 단결정 물질로는 PMN-PT(납 마그네슘 나이오베이트-납 티타네이트계 물질), PZN-PT(납 아연 나이오베이트-납 티타네이트계 물질), PZT(납 지르코늄 티타네이트 계 물질), PYN-PT(납 이터비움 나이오베이트-납 티타네이트계 물질), PIN-PT(납 인듐 니아오베이트 -납 티타네이트계 물질)이 이용 될 수 있다.Ferroelectric single crystal materials used in the present invention include PMN-PT (lead magnesium niobate-lead titanate-based material), PZN-PT (lead zinc niobate-lead titanate-based material), PZT (lead zirconium titanate) Based materials), PYN-PT (lead etherium niobate-lead titanate based materials), PIN-PT (lead indium niobate-lead titanate based materials) can be used.
본 발명에 따른 상기 강유전성 단결정 물질은 아래의 화학식 1과 화학식 2 중 어느 하나의 조성을 만족하는 것 바람직하다.The ferroelectric single crystal material according to the present invention preferably satisfies the composition of any one of the following Formulas (1) and (2).
[화학식 1][Formula 1]
s[L]-x[P]y[M]z[N]p[T]s [L] -x [P] y [M] z [N] p [T]
[P]는 산화납(PbO, PbO2, Pb3O4)이고,[P] is lead oxide (PbO, PbO 2 , Pb 3 O 4 ),
[M]은 산화 마그네슘 (MgO) 또는 산화 아연(ZnO)이고,[M] is magnesium oxide (MgO) or zinc oxide (ZnO),
[N]은 나이오비움 옥사이드(Nb2O5)이고,[N] is niobium oxide (Nb 2 O 5 ),
[T]은 산화 티탄(TiO2)이고,[T] is titanium oxide (TiO 2 ),
[L]은 리튬 탄탈레이트(LiTaO3), 리튬나이오베이트(LiNbO3), 리튬(Li), 리튬 산화물(Li2O) 또는 리튬 카보네이트(Li2CO3)이거나, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라디움(Pd), 로디움(Rh), 인디움(In), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 스트론티움(Sr), 스칸디움(Sc), 루쎄니움(Ru), 구리(Cu), 이트리움(Y) 및 이터비움(Yb)으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속 또는 그의 산화물이고,[L] is lithium tantalate (LiTaO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium (Li), lithium oxide (Li 2 O), or lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), or platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), palladium (Pd), rhodium (Rh), indium (In), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), strontium (Sr), scandium (Sc), ruthenium (Ru), copper (Cu), yttrium (Y), and iterium (Yb) is one metal selected from the group consisting of or oxides thereof,
x는 0.55 보다 크거나 같고 0.65보다 작거나 같고,x is greater than or equal to 0.55 and less than or equal to 0.65,
y는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,y is greater than or equal to 0.09 and less than or equal to 0.20,
z는 0.09보다 크거나 같고 0.20보다 작거나 같고,z is greater than or equal to 0.09 and less than or equal to 0.20,
p는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같고,p is greater than or equal to 0.01 and less than or equal to 0.1,
s는 0.01보다 크거나 같고 0.1보다 작거나 같다.s is greater than or equal to 0.01 and less than or equal to 0.1.
[화학식 2][Formula 2]
[1-x]Pb(Zn1/3,Nb2/3)-[x]PbTiO3,[1-x] Pb (Zn 1/3, Nb 2/3) - [x] PbTiO 3,
[1-y]Pb(Mg1/3,Nb2/3)-[y]PbTiO3 [1-y] Pb (Mg 1/3, Nb 2/3) - [y] PbTiO 3
[1-z]PbZrO3-[z]PbTiO3,[1-z] PbZrO 3- [z] PbTiO 3 ,
[1-l]Pb(Yb1/2,Nb1/2)O3-lPbTiO3 [1-l] Pb (Yb 1/2, Nb 1/2) O 3 -lPbTiO 3
[1-m]Pb(In1/2,Nb1/2)O3-mPbTiO3 [1-m] Pb (In 1/2, Nb 1/2) O 3 -mPbTiO 3
x는 0이거나 0.01보다 크거나 0.2보다 작고,x is 0 or greater than 0.01 or less than 0.2,
y는 0.1보다 크거나 0.4보다 작고,y is greater than 0.1 or less than 0.4,
Z는 0.4보다 크고 0.6보다 작고,Z is greater than 0.4 and less than 0.6,
l은 0.2보다 크고 0.8보다 작고,l is greater than 0.2 and less than 0.8,
m은 0.2보다 크고 0.8보다 작다. m is greater than 0.2 and less than 0.8.
이러한 조성의 단결정 물질은 본 발명의 출원인이 선행하여 출원한 대한민국 특허출원 제2003-47458호에 개시된 방법에 의해 제조될 수 있다. 특허출원 제2003-47458호에 개시된 내용은 본 명세서에 통합되어 그 일부를 구성한다.The single crystal material of this composition can be prepared by the method disclosed in Korean Patent Application No. 2003-47458 filed previously by the applicant of the present invention. The contents disclosed in Patent Application No. 2003-47458 are incorporated in and constitute a part of this specification.
상기 화학식 1과 화학식 2의 조성을 갖는 단결정재료는 종래의 PZT 세라믹이나 다결정 박막보다 압전변형계수가 크기 때문에 동일한 인가전압에 대해 그 변형의 정도가 더 크다. 이는 전기 음향 변환기에 적용될 경우, 전기적 신호를 음향 신 호로 변환시 높은 음압을 발생시킬 수 있어 바람직하다. 또한 압전전압계수가 크기 때문에 음향 신호와 같은 외부 응력이 가해질 때 높은 출력 전압을 발생시킬 수 있고, 전기기계결합계수가 높기 때문에 소비전력 대비 에너지 변환 효율이 높아질 수 있어 유리하다. 또한 단결정이기 때문에 원자 및 분자들이 주어진 공간에서 규칙적으로 가장 밀집하여 배열할 수 있어 미세 가공이 가능하다.Since the single crystal material having the composition of Formulas 1 and 2 has a larger piezoelectric strain coefficient than conventional PZT ceramics or polycrystalline thin films, the degree of deformation is higher for the same applied voltage. When applied to an electro-acoustic transducer, this is preferable because it can generate a high sound pressure when converting an electrical signal into an acoustic signal. In addition, since the piezoelectric voltage coefficient is large, a high output voltage can be generated when an external stress such as an acoustic signal is applied, and because the electromechanical coupling coefficient is high, the energy conversion efficiency compared to the power consumption is advantageous. In addition, because it is a single crystal, atoms and molecules can be arranged most densely and regularly in a given space, thereby enabling microfabrication.
본 발명에 따른 단결정 물질 중 PMN-PT 단결정과 종래의 PZT 세라믹 및 PVDF와의 압전 특성을 아래의 표 1에서 비교하였다.The piezoelectric properties of PMN-PT single crystal and conventional PZT ceramic and PVDF in the single crystal material according to the present invention were compared in Table 1 below.
표 1은 실측값을 표시한 것이며, IEEE standard에 따라 공진법(resonant measurement)을 이용한 측정였다. 또한, 전압에 따른 변형값을 직접적으로 측정하기 위해 광간섭계(interferometric measurement), LVDT를 이용하여 직접적으로 d33을 측정하는 방법들도 이용하였다. 여기서, d33은 두께 모드(Thickness)의 압전변형계수, k33은 두께모드에서의 전기기계결합계수, g33는 두께모드에서 압전전압계수를 나타낸다.Table 1 shows the measured values and was measured by using a resonant measurement according to the IEEE standard. In addition, methods for directly measuring d 33 using an interferometric measurement and LVDT were used to directly measure the strain value according to the voltage. Here, d 33 represents the piezoelectric strain coefficient of the thickness mode, k 33 represents the electromechanical coupling coefficient in the thickness mode, and g 33 represents the piezoelectric voltage coefficient in the thickness mode.
이하에서는, 상기 물성들이 전기 음향 변환기의 성능에 미치는 영향에 대하여 설명한다.Hereinafter, the influence of the properties on the performance of the electroacoustic transducer will be described.
일반적으로 압전 특성을 갖는 재료에 전계를 인가할 때 발생하는 변형량은 In general, the amount of deformation that occurs when an electric field is applied to a material having piezoelectric properties
아래의 식 (1)로 표시될 수 있다.It can be represented by the following equation (1).
ΔL=S×Lo=dij×E×Lo------------- 식 (1)ΔL = S × L o = d ij × E × L o ------------- Equation (1)
여기서, here,
S = 변형률S = strain
Lo = 변형전 길이 [m] L o = length before deformation [m]
ΔL = 변형량 [m]ΔL = strain [m]
E = 전계 강도 [V/m] E = field strength [V / m]
dij = 압전변형계수 [pV/m]d ij = piezoelectric strain coefficient [pV / m]
을 각각 나타낸다.Respectively.
상기 식 (1)로부터 압전 재료의 변위는 압전변형계수(dij)에 비례함을 알 수 있다.It can be seen from Equation (1) that the displacement of the piezoelectric material is proportional to the piezoelectric strain coefficient d ij .
상기 표 1을 참조할 때, PMN-PT 단결정의 압전변형계수(d33)가 PVDF의 약 70배 이상, PZT 세라믹의 약 4배 이상의 큰 값을 갖는다. 따라서 본 발명에 따른 PMN-PT 단결정을 이용한 전기 음향 변환기는 종래의 PVDF 또는 PZT 세라믹을 이용한 동일 규격의 압전형 전기 음향변환기와 비교할 때 동일한 입력 전압에 대하여 4~70배 이상의 음압 증가를 얻을 수 있다. 바꾸어 말하면, 본 발명에 따른 압전형 전기 음향 변환기는 종래의 압전형 전기 음향 변환기보다 1/70~1/4배 이하의 낮은 전압으로 동일 크기의 음압을 얻을 수 있으므로, 소형화, 저전력화가 요구되는 모바일 기기에 유리하게 적용될 수 있다.Referring to Table 1, the piezoelectric strain coefficient (d 33 ) of the PMN-PT single crystal has a large value of about 70 times or more of PVDF and about 4 times or more of PZT ceramic. Therefore, the electroacoustic transducer using the PMN-PT single crystal according to the present invention can obtain a sound pressure increase of 4 to 70 times or more with respect to the same input voltage when compared with a piezoelectric electroacoustic transducer of the same standard using a conventional PVDF or PZT ceramic. . In other words, the piezoelectric electroacoustic transducer according to the present invention can obtain a sound pressure of the same size at a voltage of 1/70 to 1/4 times lower than that of a conventional piezoelectric electroacoustic transducer, so that a mobile device requiring miniaturization and low power consumption is required. It can be advantageously applied to the device.
한편 압전 특성을 갖는 재료에 외부 응력을 적용할 때 발생하는 출력전압은 아래의 식 (2)로 나타내질 수 있다.On the other hand, the output voltage generated when the external stress is applied to the material having piezoelectric properties can be represented by the following equation (2).
V=gij×σ×t ------------- 식 (2)V = g ij × σ × t ------------- Equation (2)
여기서, here,
V = 출력전압 V = output voltage
σ = 응력 [N/m] σ = stress [N / m]
t = 두께 [m] t = thickness [m]
gij = 압전전압계수 [V/m]g ij = piezoelectric voltage coefficient [V / m]
를 각각 나타낸다.Respectively.
상기 식 (2)로부터 압전 재료의 출력전압은 압전전압계수(gij)에 비례함을 알 수 있다.It can be seen from Equation (2) that the output voltage of the piezoelectric material is proportional to the piezoelectric voltage coefficient g ij .
상기 표 1을 참조할 때, PMN-PT 단결정의 압전전압계수(g33)가 PVDF의 약 10배 이상, PZT 세라믹의 약 2배 이상의 큰 값을 갖는다. 따라서 본 발명에 따른 PMN-PT 단결정을 이용한 전기 음향 변환기는 종래의 PVDF 또는 PZT 세라믹을 이용한 동일 규격의 압전형 전기 음향 변환기와 비교할 때 동일한 외력(음압)의 음향 신호에 대하여 2~10배의 출력전압의 증가 즉, 감도 증가를 얻을 수 있다.Referring to Table 1, the piezoelectric voltage coefficient (g 33 ) of the PMN-PT single crystal has a large value of about 10 times or more of PVDF and about 2 times or more of PZT ceramic. Therefore, the electroacoustic transducer using the PMN-PT single crystal according to the present invention outputs 2 to 10 times the acoustic signal of the same external force (sound pressure) when compared with the piezoelectric electroacoustic transducer of the same standard using conventional PVDF or PZT ceramics. An increase in voltage, that is, an increase in sensitivity can be obtained.
또한, 본 발명에 따른 압전형 전기 음향 변환기에 사용된 PMN-PT 단결정은, 표 1에서 알 수 있듯이 높은 전기기계결합계수를 갖기 때문에 종래의 PVDF 폴리머 및 PZT 세라믹보다 소비전력대비 에너지 효율이 향상되어 전기 음향 변환기의 저전력화, 소형화를 가능케 하고, 노이즈에 의한 신호 왜곡을 감소시킬 수 있다.In addition, since the PMN-PT single crystal used in the piezoelectric electroacoustic transducer according to the present invention has a high electromechanical coupling coefficient as shown in Table 1, energy efficiency is improved compared to conventional PVDF polymer and PZT ceramic. It is possible to reduce the power consumption and size of the electro-acoustic transducer and to reduce signal distortion due to noise.
다음으로, 본 발명에 따른 압전형 전기 음향 변환기에 있어서 전기적 신호와 음향 신호의 변환작용을 하는 부분의 실시예에 대하여 설명한다.Next, an embodiment of a portion in which a piezoelectric electroacoustic transducer according to the present invention converts electrical signals and acoustic signals will be described.
도 1a의 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 압전성 단결정 물질(10)은 다이어프램(11)에 연결된다. 압전성 단결정은 다이어프램(11) 통해 전달 받은 외력 즉 음향 신호를 전기적 신호로 변환하게 된다. 역으로, 전극(12)을 통해 전달되는 전기적 신호는 압전성 단결정의 변위를 일으켜 음향 신호로 변환된다. According to the embodiment of FIG. 1A, the piezoelectric
도 1b의 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 압전형 단결정(10)은 탄성 진동체(13)의 하면에 위치하고, 압전형 단결정 물질(10)의 하면에는 임피던스 정합회로(14)가 위치한다. 본 실시예에서는, 외부로부터의 음향 신호는 집속없이 그대로 압전성 단결정(10)에 의해 전기적 신호로 변환되며, 전극(12)으로부터 전달된 전기적 신호는 마찬가지로 압전성 단결정(10)에 의해 음향 신호로 변환된다.According to the embodiment of FIG. 1B, the piezoelectric
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전형 전기 음향 변환기는, 압전형 단결정을 사용하기 때문에 우수한 감도와 높은 출력 전압을 나타낼 수 있어, 압전형 전기 음향 변환기와 이에 맞는 프리앰프(preamp)를 개발하여 0.1~100kHz의 주파수 대역과, 음향신호를 받아들이는 경우 -80dB 이상을 받아들이며 음향신호를 내보낼 경우 150dB까지의 음압을 발생하는 것을 특징으로 한다. As described above, the piezoelectric electroacoustic transducer according to the present invention, because it uses a piezoelectric single crystal, can exhibit excellent sensitivity and high output voltage, to develop a piezoelectric electroacoustic transducer and a corresponding preamp The frequency band of 0.1 ~ 100kHz, and when receiving an acoustic signal accepts more than -80dB, and when the sound signal is emitted, it generates a sound pressure up to 150dB.
본 발명에 따른 압전형 전기 음향 변환기에 사용되는 압전성 단결정은 실제 적용시에 벌크 형태 또는 막 형태로 구성할 수 있다. The piezoelectric single crystal used in the piezoelectric electroacoustic transducer according to the present invention may be configured in bulk form or film form in practical application.
도 2a는 압전성 단결정이 벌크 형태로 형성된 압전체의 단면도이다. 하부 전극(21)과 상부 전극(22)이 증착된 압전성 단결정(20)을 접착제(23)에 의해 기판(24)에 접착된다. 기판(24)은 탄성 진동체가 바람직하다.2A is a cross-sectional view of a piezoelectric body in which piezoelectric single crystals are formed in bulk form. The piezoelectric
도 2b는 벌크 형태의 압전성 단결정을 연마하여 박막 형태로 형성된 압전체의 단면도이다. 도 2a와 마찬가지로, 박막 형태의 압전성 단결정(20)의 상면과 하면에는 상부 전극(22)과 하부 전극(21)이 증착된 후, 접착제(23)에 기판(24) 또는 탄성 진동체상에 접착된다. 이 경우, 박막 형태의 압전성 단결정(20)의 연마 가공 공정은 상부 전극(22) 또는 하부 전극(21)을 형성하기 전후에 이루어질 수 있다. 단결정 물질(20)을 박막 형태로 형성하는 것은 벌크 형태로 형성하는 경우보다 압전체가 전체적으로 얇게 형성될 수 있어 유리하다. 2B is a cross-sectional view of a piezoelectric body formed in a thin film form by polishing a piezoelectric single crystal in bulk form. As shown in FIG. 2A, upper and
도 2a 및 도 2b에 있어서, 전극(21,22)이 부착된 압전성 단결정(20)을 기판(24)에 접착할 때 사용되는 접착제(23)는 에폭시가 바람직하다. 에폭시는 전도성 에폭시이거나 비전도성 에폭시일 수 있다. 전도성 에폭시를 사용하는 경우 하부 전극(21)을 증착하지 않을 수도 있다.2A and 2B, the adhesive 23 used when bonding the piezoelectric
한편, 도 2c에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 막 형태의 압전성을 갖는 강유전성 단결정 물질은 물리적 증착 공정(Physical Deposition Method) 또는 화학적 증착 공정(Chemical Deposition Method)에 의해 하부 전극상에 증착시켜 형성될 수 있다. 이 경우 도 2a 및 도 2b에서와 같은 접착제(23)의 사용은 불필요하다.Meanwhile, as shown in FIG. 2C, the piezoelectric single crystal material having the piezoelectricity in the form of the film according to the present invention is deposited on the lower electrode by a physical deposition method or a chemical deposition method. Can be formed. In this case, use of the adhesive 23 as in FIGS. 2A and 2B is unnecessary.
압전 단결정에 부착되는 상기 언급된 전극들(21,23)은 물리적 증착 공정(Physical Deposition Method) 또는 화학적 증착 공정(Chemical Deposition Method)에 의해 증착되거나 전도성 접착제를 통해 다른 외부 전극과 결합할 수 있다. The above-mentioned
이상의 설명은 본 발명의 구체적 실시예에 관한 것이다. 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명을 목적으로 할 뿐이고, 당업자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 다양한 변경과 수정을 가할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. The above description relates to specific embodiments of the present invention. It is to be understood that the above embodiments according to the present invention are for the purpose of explanation only and that various changes and modifications can be made by those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention.
예를 들면, 압전형 단결정 물질의 구조에 있어서, 본 명세서에 첨부된 도면에 불구하고, 압전형 단결정 물질은 한 개의 벌크 또는 막 형태의 구조뿐만 아니라 이러한 벌크 또는 막 구조물이 여러층을 형성될 수도 있다.For example, in the structure of a piezoelectric single crystal material, in spite of the drawings attached hereto, the piezoelectric single crystal material may be formed in one bulk or film form as well as in multiple layers of such bulk or film structure. have.
또한 본 발명에 따른 압전성 단결정을 이용한 압전형 전기 음향 변환기는 외부기기와 유선통신뿐만 아니라 적외선 통신 또는 라디오 통신 등의 무선통신으로 동작할 수 있다.In addition, the piezoelectric electroacoustic transducer using the piezoelectric single crystal according to the present invention may operate by wireless communication such as infrared communication or radio communication as well as wired communication with an external device.
본 발명에 따른 압전성 단결정을 이용한 압전형 전기 음향 변환기는 마이크로폰, 스피커, 마이크, 스피커-마이크 일체형 기기 등에 한정되지 않으며 전기 음향간의 변환을 이용하는 모든 장치로 구현될 수 있다. 이러한 압전형 전기 음향 변환기는 유선통신 방법과 적외선 통신, 라디오 통신 등의 무선통신 방법으로 외부기기와 통신하는 것이 가능하다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전형 전기 음향 변환기는 저전력화 소형화가 가능하므로 모바일 기기 등에 유리하게 적용될 수 있다.The piezoelectric electroacoustic transducer using the piezoelectric single crystal according to the present invention is not limited to a microphone, a speaker, a microphone, a speaker-microphone integrated device, and the like, and may be implemented in any device using conversion between electric sounds. The piezoelectric electro-acoustic transducer can communicate with an external device through a wired communication method, a wireless communication method such as infrared communication, and radio communication. As described above, the piezoelectric electro-acoustic transducer according to the present invention can be advantageously applied to a mobile device and the like since it is possible to miniaturize the power.
또한 본 발명에 따른 고성능의 압전형 전기 음향변환기는 의료용 전자 청진기에 적용될 경우 보다 정확한 진단을 내릴 수 있도록 한다. 의료용 진단 시스템에 적용되는 경우에, 고성능의 압전형 전기 음향 변환기가 유선통신뿐만 아니라 무선통신의 방법으로 동작함으로써 의료 진단용 청진 시스템이나 다른 전기 음향변환기를 이용한 센서 시스템의 공간적 제약을 제거하여 원격 진료 시스템 및 모바일 기기를 통한 자가 진단 시스템을 실현할 수 있다.In addition, the high-performance piezoelectric electroacoustic transducer according to the present invention enables more accurate diagnosis when applied to a medical electronic stethoscope. When applied to a medical diagnostic system, a high performance piezoelectric electroacoustic transducer operates not only by wired communication but also by wireless communication method, thereby eliminating spatial constraints of a medical diagnostic stethoscope system or sensor system using another electroacoustic transducer. And a self-diagnosis system through a mobile device.
따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해되어야 한다.Accordingly, all such modifications and variations are intended to fall within the scope of the invention as set forth in the claims or their equivalents.
이상과 같은 본 발명에 따른 압전형 전기 음향 변환기는, 강유전체이며 압전 특성이 우수한 압전성 단결정을 벌크 형태 또는 막 구조물 형태로 압전체를 구성함으로써, 광대역의 주파수 범위와 고감도를 실현할 수 있으며, 소비전력 대비 에너지효율을 크게 향상시킬 수 있어 소비 전력의 감소, 제품의 소형화 및 노이즈에 의한 신호 왜곡의 감소를 실현할 수 있다.
The piezoelectric electro-acoustic transducer according to the present invention as described above, by forming a piezoelectric material in the form of a bulk or a film structure piezoelectric single crystal having a ferroelectric and excellent piezoelectric properties, it is possible to realize a wide frequency range and high sensitivity, energy consumption compared to power Efficiency can be greatly improved, which can reduce power consumption, reduce product size, and reduce signal distortion due to noise.
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0733440A (en) * | 1993-06-28 | 1995-02-03 | Nec Corp | Production of porcelain composition |
| JPH0799348A (en) * | 1993-08-06 | 1995-04-11 | Toshiba Corp | Piezoelectric single crystal, ultrasonic probe and arrayed ultrasonic probe |
| JPH08268757A (en) * | 1995-03-30 | 1996-10-15 | Nec Corp | Porcelain composition |
| KR19990023353A (en) * | 1997-08-05 | 1999-03-25 | 무라따 미치히로 | Piezoelectric electroacoustic transducer |
| US6517737B2 (en) * | 2001-03-02 | 2003-02-11 | Lucent Technologies Inc. | Ceramic piezoelectric and devices using the piezoelectric |
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2004
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0733440A (en) * | 1993-06-28 | 1995-02-03 | Nec Corp | Production of porcelain composition |
| JPH0799348A (en) * | 1993-08-06 | 1995-04-11 | Toshiba Corp | Piezoelectric single crystal, ultrasonic probe and arrayed ultrasonic probe |
| JPH08268757A (en) * | 1995-03-30 | 1996-10-15 | Nec Corp | Porcelain composition |
| KR19990023353A (en) * | 1997-08-05 | 1999-03-25 | 무라따 미치히로 | Piezoelectric electroacoustic transducer |
| US6517737B2 (en) * | 2001-03-02 | 2003-02-11 | Lucent Technologies Inc. | Ceramic piezoelectric and devices using the piezoelectric |
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