KR100904939B1 - 라우드스피커 플라스틱 콘 몸체 - Google Patents

라우드스피커 플라스틱 콘 몸체 Download PDF

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Abstract

플라스틱으로 제조되는 라우드스피커 콘 몸체는 베이스 캐리어 재료와 필러 재료를 포함한다. 상기 베이스 캐리어 재료는 전체 유동, 중량 및 강성을 최적화하도록 선택된다. 상기 필러 재료는, 상기 라우드스피커 콘 몸체가 라우드스피커에서 동작되는 경우 관련 있는 라우드스피커 콘 몸체의 음향 관련 특성 및 프로세스를 조정해 주는 나노재료일 수 있다. 조정될 수 있는 음향 관련 특성은 강성 대 중량 비 및 라우드스피커 콘 몸체의 음향 댐핑을 포함한다. 미리 정해진 중량 비율의 필러 재료가 상기 베이스 캐리어 재료와 조합되어 반복 가능한 바람직한 음향 관련 특성을 얻는다. 상기 음향 관련 특성은 상기 필러 재료의 미리 정해진 중량 비율을 변화시킴으로써 조정될 수 있다.

Description

라우드스피커 플라스틱 콘 몸체{LOUDSPEAKER PLASTIC CONE BODY}
본 출원은 2004년 11월 22일에 출원된 미국 출원 번호 제60/629,907호의 우선권 이익을 주장하며 상기 출원은 본 명세서에 참고로 합체된다.
본 발명은 라우드스피커에 관한 거스로서, 보다 구체적으로는 라우드스피커 플라스틱 콘 몸체(cone body}에 관한 것이다.
라우드스피커 콘은 모든 중주파수 및 저주파수 라우드스피커의 잘 알려진 부품이다. 또한, 충분한 크기의 강성(stiffness)과 최소화된 중량을 갖는 라우드스피커 콘 몸체가 바람직하다는 것이 알려져 있다. 이는 강성 대 중량 비(stifness to weight ratio)라고 알려져 있다. 비 탄성 계수(specific modulus) Ys = Ye(Young's Modulus)/비중(specific gravity)는 상호 간의 재료 및 조성을 비교하고 랭킹을 매기는 이점의 특징인 것으로 정의된다.
오늘날 많은 라우드스피커 콘 몸체는 종이로 만들어진다. 불행하게도, 종이로 된 콘 몸체는 습기 문제를 나타낼 수 있다. 또한, 종이 콘 몸체의 제조 공차(manufacturing tolerance)는 바람직하지 않게 크다.
일부 콘 몸체는 폴리프로필렌으로 제조되며, 사출 성형에 의해 제조될 수 있다. 채워지지 않은 폴리프로필렌으로 습기와 반복성은 작은 이슈가 될 수 있지만, 이러한 콘 몸체는 강화되지 않은 폴리프로필렌의 상대적으로 낮은 계수로 인해 상대적으로 낮은 강성 대 중량 비를 나타낸다. 활석(talc)과 같은 필러 보강물을 폴리프로필렌에 합체하면 그 강성(굽힘 계수: flexural modulus)이 개선되지만, 사출 성형 중에 플라스틱 유동이 감소된다. 벽 부분이 얇은 더 큰 콘 몸체를 사출 성형하는 것은 어렵다. 또한, 이러한 필러는 재료의 비중을 증가시켜, 콘 설계물의 중량도 증가하게 된다. 따라서, 충분한 강성 특성을 확보하면, 콘 몸체는 최적의 음향 성능에 대하여 바람직하지 않게 커질 수 있다.
본 발명은 베이스 캐리어 재료 및 나노필러(nanofiller)를 포함하도록 형성된 라우드스피커 플라스틱 콘 몸체를 개시한다. 상기 나노필러는 미리 정해진 중량 비율로 상기 베이스 캐리어 재료와 합체되어, 수 많은 프로세스 및 라우드스피커 콘 몸체의 음향적으로 관련된 특성을 조정할 수 있다. 상기 나노필러의 중량 비율을 조정하면, 유리하게도, 강성 대 중량 비 및 댐핑에 영향을 미치는 음향적으로 관련된 특성들을 조정할 수 있다.
상기 베이스 캐리어 재료 및 나노피러의 성질 때문에, 가공성(processability), 콘 몸체의 저 중량, 최적화된 강성 및 최적화된 음향 댐핑과 같은 다른 상충되는 목적 사이에서 절충을 유지할 수 있다. 가공성은 얇은 벽으로 된 콘의 제조성(manufacturability)을 개선하는 개선된 유동 특성을 포함한다. 따라서, 상기 베이스 캐리어 재료 중의 나노필러의 중량 비율이 증가함에 따라, 상기 콘 몸체의 중량을 실질적으로 증가시키지 않으면서 강성은 증가하고 음향 댐핑은 감소될 수 있다. 상기 콘 몸체 중량의 상당한 증가가 부족한 것은 상기 베이스 캐리어 재료 내에서의 나노필러의 효과적인 첨가제 성질 때문이다. 나노필러의 상대적으로 적은 중량 비율은 상대적으로 큰 비율의 강성 변화와, 등가의 강성에서 댐핑을 제공할 수 있다. 따라서, 플라스틱 콘 몸체 내에서 경쟁적인 특성을 최적화하고자 하는 요구 사이에서 절충적인 균형이 이루어질 수 있다.
상기 나노필러는 상기 베이스 캐리어 재료 내에 분산되어 있는 나노입자 또는 가스인 특징물을 포함할 수 있다. 상기 특징물은 상기 베이스 캐리어 재료 내에 분포된 나노미터 크기로 된 입자 및/또는 나노미터 크기로 된 구조이다. 그 결과 얻어지는 나노복합 재료가 콘 몸체로 형성될 수 있다.
상기 콘 몸체는 사출 성형과 같은 성형 프로세스를 이용하여 비교적 얇은 측벽을 갖도록 형성될 수 있다. 따라서, 상기 콘 몸체부를 성형하는 데 사용되는 도구는 비교적 엄밀한 공차를 포함할 수 있다. 상기 베이스 캐리어 수지와 나노입자의 조합물은 유리하게도, 이러한 비교적 엄밀한 공차를 채우기에 충분히 낮은 점성(적당한 전단율(shear rates))을 가질 수 있다. 상기 베이스 캐리어 수지와 나노재료의 상보적 조합은 원하는 프로세스 및 음향 특성과 충돌하는 일이 없이 나노재료의 중량 비율의 범위에 걸쳐 충분히 낮은 점성을 제공할 수 있다. 상기 베이스 캐리어 재료의 비교적 큰 유동 성질 및 비교적 낮은 비중은 나노재료의 첨가에 의해 충분히 절충되지 않을 수 있다. 또한, 상기 나노재료에 포함될 수 있는 전단 씨닝 성질(shear thinning property)과, 원하는 프로세스 및 음향 결과를 얻기 위해 상기 베이스 캐리어 재료에 첨가되는 나노재료의 비교적 작은 중량 비율은 상기 점성에 바람직한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 원하는 강성 대 중량 비 및 음향 댐핑 특성을 여전히 유지하면서, 얇은 벽으로 된 부분에서의 만족스러운 성형 충전 능력이 유지될 수 있다.
본 발명의 다른 시스템, 방법, 특징 및 이점은 이하의 도면 및 상세한 설명의 검토를 통해 당업자에게 명백하거나 명백해질 것이다. 이러한 모든 추가의 시스템, 방법, 특징 및 이점은 본 설명 내에 포함되고, 본 발명의 범위 내이며, 후술하는 특허청구범위에 의해 보호되도록 하기 위한 것이다.
본 발명은 이하의 도면 및 설명을 참고하여 더 잘 이해될 수 있다. 도면의 요소는 반드시 비례하여 나타낸 것은 아니며, 대신 본 발명의 원리를 설명할 때 강조하여 표시하였다. 또한, 도면에서, 동일한 도면 부호는 상이한 도면 전체에 걸쳐 대응 부분을 나타낸다.
도 1은 라우드스피커 인클로저 내에 장착될 수 있는 라우드스피커의 한 가지 예를 보여준다.
도 2는 저주파수 및 고주파수 라우드스피커가 설치되는 라우드스피커 인클로저의 한 가지 예를 보여준다.
도 3은 콘 몸체를 형성하는 데 사용되는 재료에 대하여, 비 탄성계수 대 나노재료 적재(loading)의 관계를 보여주는 그래프의 한 가지 예이다.
도 4는 도 3에 도시한 것과 같은, 콘 몸체를 형성하는 데 사용되는 동일한 재료에 대하여, 비 탄성계수 대 나노재료 적재의 관계를 보여주는 그래프의 한 가 지 예이다.
도 5는 도 3 및 도 4에 도시한 것과 같은, 콘 몸체를 형성하는 데 사용되는 동일한 재료에 대하여, 비 탄성계수 대 나노재료 적재의 관계를 보여주는 그래프의 한 가지 예이다.
도 6은 예시적인 재료에 대한 전단율 및 점성의 유동학적 플롯이다.
도 7은 예시적인 폴리프로필렌 재료 및 복수의 나노복합 재료에 대하여, 전단율 대 점성에 대한 유동학적 플롯이다.
도 8은 나노재료, 캐리어 재료 및, 상기 나노재료 및 캐리어 재료를 포함하는 나노복합물에 대하여, 전단율 대 점성의 유동학적 플롯이다.
도 9는 폴리프로필렌 콘 몸체를 갖는 라우드스피커와, 정해진 나노재료 중량 비율을 포함하는 플라스틱 콘 몸체를 갖는 라우드스피커를 보여주는 주파수 응답 곡선이다.
도 10은 케블라(kevlar) 콘 몸체를 갖는 라우드스피커와, 소정의 나노재료 중량
비율을 포함하는 플라스틱 콘 몸체를 갖는 라우드스피커의 주파수 응답 곡선이다.
도 11은 나노재료를 포함하는 플라스틱 콘 몸체를 성형하는 데 사용되는 툴의 한 가지 예를 보여준다.
도 12는 도 11에 도시한 툴의 측단면도이다.
도 13은 도 11에 도시한 툴로 형성된 예시적인 콘 몸체의 측단면도이다.
도 14는 도 13에 도시한 콘 몸체의 부분 측단면도이다.
본 발명은 플라스틱 및 플라스틱 양립성 재료로 제조되어, 등가의 재료 강성에서, 개선된 강성 대 중량 비 및 더 큰 재료 댐핑을 통해 라우드스피커 성능을 개선하는 라우드스피커 콘을 제공한다. 또한, 후술하는 라우드스피커 콘 제조 프로세스는 제조될 수 있는 콘 크기 및 실용적 콘 기하형태의 범위를 확장시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 라우드스피커 콘은 강성 대 중량 비를 최대화하는 재료의 미리 정해진 혼합물로부터의 열성형(thermoforming) 및/또는 사출 성형에 의해 형성될 수 있다. 또한, 상기 콘은 비교적 얇은 벽 부분을 구비할 수 있다. 상기 콘 몸체는 플라스틱 및 다른 플라스틱 양립성 재료로 제조되므로, 원재료는 보다 경제적일 수 있고, 제조는 능률적으로 이루어질 수 있으며, 반복성이 개선될 수 있다. 또한, 음향 성능에 있어서 상당한 개선이 이루어질 수 있다.
다음의 예에서는 함께 사용되어 라우드스피커 콘 제조에 이익이 되고 원하는 음향 성능을 갖는 성분을 산출하는 재료 및 프로세스 기술을 조합하여 이용한다. 플라스틱을 이용한 라우드스피커 콘 제조에 있어서, 음향 성능에 상당한 영향을 미치는 두 가지 일반적인 영역은 재료와 프로세싱이다. 라우드스피커의 음향 성능의 정도 또는 레벨은 상기 라우드스피커와 관련된 수 많은 이동성 및 비-이동성 부품들의 협력적인 동작과 관련되어 있다.
도 1에는 예시적인 라우드스피커(100)가 도시되어 있는데, 상기 라우드스피커는 지지 프레임(102)과 모터 조립체(104)를 포함할 수 있다. 상기 프레임(102)은 프레임(102)의 주요부로부터 외측으로 연장되는 립(lip)(106)을 포함할 수 있 다. 모터 조립체(104)는 백 플레이트(back plate) 또는 센터 폴(center pole)(108), 영구 자석(110), 공기 간격(114)에 걸쳐 실질상 균일한 자장을 제공할 수 있는 전방 또는 상단 플레이트(112)를 포함할 수 있다. 음성 코일 포머(voice coil former)(116)가 상기 자장 내에서 음성 코일(118)을 지지할 수 있다. 일반적으로 말하자면, 동작 중에, 라우드스피커(100)에 의해 변환될 프로그램 재료를 나타내는 전기 신호를 공급하는 증폭기(120)로부터의 전류가 음성 코일(118)을 구동한다. 음성 코일(118)은 왕복 운동을 하여 공기 간격(114) 내에서 축방향으로 왕복 운동할 수 있다. 공기 간격(114) 내에서의 음성 코일(118)의 왕복 운동에 의해, 라우드스피커(118)에 의해 변환된 프로그램 재료를 나타내는 사운드가 생성된다.
라우드스피커(100)는 또한 콘(122)을 포함할 수 있다. 콘(122)의 정점은 모터 조립체(104)의 외측에 놓이는 음성 코일 포머(116)의 일단부에 부착될 수 있다. 콘(122)의 외측 단부는 서라운드 또는 컴플라이언스(compliance)(124)에 결합될 수 있다. 서라운드(124)는 외주부에서 프레임(102)에 부착될 수 있다. 상기한 바와 같이, 프레임(102)은 또한 표면과 같은 원하는 위치 또는 라우드스피커 인클로저 내에서 라우드스피커(100)를 장착하는 것을 지원하기 위하여 사용될 수 있는 립(106)을 포함할 수 있다.
스파이더(spider)(128)가 그 외주부에서 프레임(102)에 결합될 수 있다. 스파이더(128)는 중앙 개구부(126)를 포함할 수 있는데, 상기 개구부에 음성 코일 포머(116)가 부착된다. 서라운드(124) 및 스파이더(128)를 포함하는 서스펜션은 음 성 코일(118)이 공기 간격(114) 내에서 축방향으로 왕복 운동하는 것을 구속할 수 있다. 또한, 라우드스피커(100)는 모터 조립체(104)의 외부로부터 먼지 또는 다른 특정물이 들어오지 못하도록 설계된 중앙 캡 또는 더스트 돔(dust dome)(130)을 포함할 수 있다.
라우드스피커(100)는 한 쌍의 라우드스피커 터미널(132)을 포함할 수 있다. 라우드스피커 터미널(132)은 라우드스피커(100)에 양(positive) 및 음(negative)의 터미널을 제공할 수 있다. 라우드스피커 터미널(132)과 한 쌍의 음성 코일 와이어(134) 사이를 전기적으로 접속하기 위한 전형적인 메커니즘이 도 1에 도시되어 있다(그러나, 이에 한정되는 것은 아니다). 음성 코일 와이어(134)는 코일 포머(116)의 측면에 제공될 수 있고, 중앙 개구부(126)와, 코일 포머(116)와 콘(122)의 정점의 교차부를 통과할 수 있다. 또한, 음성 코일 와이어(134)는 콘(122)의 일면(136)에 걸쳐 한 쌍의 접속점(138)에 제공될 수 있다. 한 쌍의 접속점(138)에서, 음성 코일 와이어(134)는 한 쌍의 가요성 컨덕터(140)에 접속될 수 있다. 가요성 컨덕터(140)는 라우드스피커 터미널(132)과 접속될 수 있다. 가요성 컨덕터(140)는 틴셀(tinsel), 리츠 와이어(litz wire) 또는 임의의 다른 적당한 전도성 재료로 제조될 수 있다. 음성 코일 와이어(134)는 전기적으로 비전도성인 접착제 또는 임의의 다른 적당한 접속 재료를 이용하여 콘(122)의 일면(136)에 고정 또는 부착될 수 있다.
도 1에 도시한 라우드스피커(100)는 프레임(102), 콘(122), 전체적으로 원형으로 형성된 서라운드(124)를 구비하고 있다. 정사각형, 타원형, 직사각형 등으로 형성된 라우드스피커와 같이 상이한 기하 형태의 라우드스피커 형태 역시 이용될 수 있다. 또한, 상기 라우드스피커(100)를 형성하기 위해 사용되는 구성 요소들은 도시의 목적을 위한 것이며 제한적인 것으로 고려되어서는 안된다. 라우드스피커(100)를 구성하기 위하여 다른 구성 요소들이 사용될 수 있다.
도 2는 제1 라우드스피커(202) 및 제2 라우드스피커(204)를 포함하는 예시적인 라우드스피커 인클로저(200)를 보여준다. 제1 라우드스피커(202)는 트위터(tweeter), 또는 약 5kHz 내지 약 25kHz와 같은 고주파수 범위에서 동작하는 고주파수 드라이버이다. 제2 라우드스피커(204)는 약 100kHz 내지 약 6kHz와 같은 중간 주파수 범위에서 동작하는 중간 범위 라우드스피커이다. 제2 라우드스피커(204)는 콘 몸체(206)를 포함한다. 다른 예에서, 상응하는 콘 몸체(206)를 포함하도록 임의의 다른 크기 및/또는 주파수 범위의 라우드스피커가 구성될 수 있다.
한 가지 예에서, 콘 몸체(206)는, "나노구조 재료", "나노필러" 및 "나노재료"라고도 지칭되고, 적어도 일 치수가 나노미터 크기를 갖는 재료로서 규정되는 나노-구조 필러 재료와 같은 필러를 적절한 조건 하에 포함하는 폴리프로필렌과 같은 플라스틱으로 형성될 수 있다. 나노미터(nm)는 10-9 미터이고, 따라서 나노미터-크기 범위는 약 1~999 nm를 포괄한다. 상기 나노-구조 필러 재료는 천연의 것, 개질된 것, 합성된 것 또는 이들의 조합일 수 있다. 압출 또는 나노-구조 필러 재료와 합쳐진 폴리프로필렌과 같은 베이스 또는 캐리어 플라스틱은 나노복합물, 나노-충진 조성물, 나노-충진 재료, 나노-충진 수지 및 나노복합 조성물이라고도 지 칭된다.
상기 콘 몸체의 상대적으로 작은 중량을 유지하면서 콘 몸체의 강성 및 댐핑 퀄리티를 개선하면 이러한 콘 몸체로 동작하는 라우드스피커에 대해 음향적 이점을 제공할 수 있다. 댐핑을 개선하면 라우드스피커 콘의 음향 반사 및 다른 바람직하지 않은 진동을 제거할 수 있다. 강성을 개선하면 라우드스피커의 통과 대역 주파수 범위를 확장할 수 있다. 저중량은, 사운드를 생성하도록 진동되는 보다 낮은 질량 때문에 라우드스피커의 응답 특성을 개선할 수 있다. 상기 강성, 중량 및 댐핑 특성은 모두 라우드스피커의 성능을 개선하지만, 하나 이상의 특성(또는 파라미터)을 개선하면 바람직한 하나 이상의 다른 특성을 훼손시킬 수 있다. 이러한 상충적인 목적 때문에, 재료, 콘 몸체 디자인 및 제조 프로세스의 선택은 음향 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 적어도, 미리 정해진 중량 비율의 캐리어 재료의 베이스, 미리 정해진 중량 비율의 나노-구조 필러를 선택적으로 조합하여 나노 복합물을 형성함으로써 상기 상충하는 목적을 최적으로 절충하였다.
플라스틱에 나노-구조 필러를 포함시키면, 단지 폴리프로필렌으로만 제조되거나 또는 활석, 유리, 탄화칼슘, 규회석 등과 같은 표준 크기의 입자 필러를 갖는 폴리프로필렌으로 제조된 콘 몸체와 비교하여, 강성 대 중량 비를 개선할 수 있고 비 탄성계수를 더 크게 할 수 있다. 도 3은 폴리프로필렌과 같은 캐리어 또는 베이스 재료에 두 가지 상이한 프로세스에 의해 혼합된 소정의 중량 비율(wt.%)의 나노재료를 포함하는 콘 몸체의 비 탄성계수 또는 강성의 증가를 보여주는 예시적인 그래프(300)이다. 도시한 예에서, 나노재료는 나노클레이(nanoclay)이고, 캐리어 재료는 후술하는 고유동성의 폴리프로필렌이다. 제1 곡선(302)은 후술하는 캐리어 재료에 펠릿(pellet) 혼합된 응축물 형태의 나노 재료의 중량 비율이 증가함에 따라 비 탄성계수가 증가하는 것을 나타낸다. 제2 곡선(304)은 응축물이 없는 캐리어 재료와 화합물 혼합될 수 있는 나노재료의 중량 비율이 증가함에 따라 비 탄성계수가 증가하는 것을 나타낸다.
재료의 비 탄성계수는 Ys = Ye/비중으로 정의될 수 있고, 중량 효율의 실용적 척도이다. Ys는 스피커 콘의 디자인 및 기능에 중요한데, 왜냐하면 필요로 하는 강성에서 콘 중량은 스피커 응답 및 사운드 출력에 직접적으로 영향을 미치기 때문이다. 도 3에서, 제1 곡선(302)은 어떤 중량 비율의 나노 재료도 없는 선택된 캐리어 재료는 약 3034 MPa의 비 탄성계수를 갖고 있음을 보여준다. 제1 곡선은 또한 콘 몸체에 포함된 나노재료의 중량 비율이 약 0에서 16%로 증가함에 따라 비 탄성계수가 약 3034 MPa에서 약 4413 MPa로 증가하는 것을 보여준다. 제2 곡선(304)은 약 8~12 중량 비율의 나노재료 범위에 걸쳐 약 3654 MPa~약 4619 MPa까지 비 탄성계수가 증가하는 것을 보여준다. 도 3에서, 상기 나노재료의 중량 비율이 비교적 소량 증가하여도 강성이 바람직하게도 현저히 증가한다. 도시된 중량 비율 및 비탄성계수의 증가는 단지 예시적인 것이며, 선택된 중량 비율의 나노재료를 이용하여 비탄성계수의 다른 증가 역시 얻을 수 있다. 도 3은 또한 예컨대 20 중량%의 활석 충진 폴리프로필렌 코폴리머(CPP)일 수 있는 제어 재료(306)의 비탄성계수를 보여주는데, 이는 나노재료를 추가하여 비탄성계수를 개선하는 것을 보여주고 있다.
기계적 댐핑 역시 콘 몸체 재료에 대해 원하는 성질이다. 매우 작은 필러는 재료 성질을 개발하기 위한 종래 크기의 필러보다 훨씬 더 효과적이기 때문에, 강성과 같은 등가의 성질을 갖는 폴리머 조성물은 필러를 더 적게 적재하여 제조할 수 있다. 이러한 필러 조성물은 "수지 풍부(resin rich)"라고 지칭될 수 있다. 전체적인 댐핑(기계적 에너지를 분산시키는 능력)은 부분적으로, 존재하는 수지의 체적 비율과 관련되어 있기 때문에, 이러한 수지 풍부 조성물은 댐핑을 개선하고 원하는 콘 재료를 형성할 수 있다. 콘 용례를 위해 의도된 나노재료의 비탄성계수 및 댐핑 성질은 동적 기계식 분석(DMA; Dynamic Mechanical Analysis)에 의해 동시에 결정될 수 있다. 일정한 낮은 스트레인(선형 점탄성 영역 내) 및 일정한 주파수에서 비틀림 시험 동안 전단 계수 데이터가 취해질 수 있다. 후술하는 ARES 레오미터(rheometer)와 같은 실험실 기구가 이러한 작업에 적당하다.
도 4는 동일한 예시적인 콘 몸체(이 몸체에 대한 비탄성계수가 도 3에 도시되어 있다)에 대해 댐핑 대 나노 적재량의 관계를 보여주는 예시적인 그래프(400)이다. 도 4에서, 제1 곡선(402)은 약 0 중량% 내지 약 16 중량%의 펠릿 혼합된 나노재료의 범위에 걸쳐 약 0.036 tan delta 내지 약 0.037 tan delta의 댐핑 범위를 보여준다. 제2 곡선(404)은 약 8% 내지 약 12%의 화합물 혼합된 나노재료의 범위에 걸쳐 약 0.045 내지 약 0.050의 댐핑 범위를 보여준다. 둘 모두 보다 많은 양의 수지를 포함하고 있는데, 이에 따라 제어 재료(306)에 대해 댐핑이 개선되었다. 따라서, 나노재료를 추가하면 콘 몸체의 강성 및 댐핑 특성 모두에 유리한 효과가 얻어진다.
콘 몸체의 비중 및 댐핑은 비교적 소량의 나노재료에 의해 현저하게 개선될 수 있으므로, 나노복합물(캐리어 및 나노재료)의 비중은 그 자체로 캐리어와 실질상 동일하게 남아 있다. 도 5는 나노재료의 중량 비율이 증가함에 따라, 도 3 및 도 4에 도시한 동일한 콘 몸체 재료의 중량 차이를 보여주는 예시적인 그래프(500)이다. 도 5에서, 나노재료의 비율이 약 0%에서 약 16%까지 변함에 따라, 콘 몸체의 전체 중량은 대략 6.5% 정도 변한다. 따라서, 나노재료를 포함시키면, 비교적 낮은 강성 대 중량 비 및 비교적 큰 댐핑 인자로 최적의 음향 성능을 달성하는 콘 몸체의 제조시 상충되는 목적들을 경감시킬 수 있다.
콘 몸체는 몰드(mold)를 이용하는 사출 성형 프로세스에 의해 제조될 수 있다. 콘 구성 요소의 실용적인 크기 및 기하 형태는 몰드의 얇은 벽부에서 쉽게 처리되어지는 콘 재료의 능력에 의해 제한될 수 있다. 이러한 제한 및 특정 수지의 얇은 벽 처리 가공에 대한 상대적인 적합성은 특정 필러 및 캐리어 수지 조합의 점성 특성, 필러 크기에 관련된 필러 효율, 존재할 수 있는 임의의 필러의 전체 중량% 적재량에 의해 영향받을 수 있다. 일반적으로, 주어진 전단율에서 수지 또는 수지-필러의 점성이 낮을수록 성형 프로세스는 보다 능숙하게 이루어지고, 주어진 디자인 목표와 관련하여 프로세스 윈도는 더 커진다. 나노 충진 재료는, 사출 성형 프로세스 동안에 폴리머 멜트의 더 큰 전단 씨닝, 등가의 강성을 달성하는데 필요한 보다 낮은 필러 함량 조건을 통해 유동성을 개선할 수 있다.
충진된 조성물에서, 필러는 폴리머 엔지니어링 이론에 따라 필러의 체적 비율에 정비례하여 점성을 증가시킬 수 있다. 연구 및 실험을 통해, 베이스 재료의 비탄성계수를 증가시킬 때 나노-필러가 중량 기준으로 종래의 필러보다 더 효율적이라는 것이 결정되었다. 원하는 강성을 얻기 위해서는 보다 적은 중량 비율의 나노-필러가 필요할 수 있다. 따라서, 등가의 강성에 대해 보강된 주어진 캐리어 수지에 대하여, 나노-필러 적재로 인한 점성의 증가는 표준 크기의 필러 입자로 관찰되는 경우보다 더 작을 것이다.
후술하는 바와 같이, 나노-충진된 조성물의 멜트 점성은, 사출 성형시 존재하는 것과 같은 높은 전단 환경에서, 전달율과 함께, 종래의 충진된 재료보다 더 빠르게 감소할 수 있다. 적어도 이들 두 가지 이유로 인해, 나노-충진 재료는 효과적으로 덜 점성적일 수 있고, 얇은 벽 콘 몸체 구성 요소로의 가공을 위해 더욱 적당할 수 있다.
다른 나노-필러 재료 첨가물 및 마이크로-셀룰러 사출 성형(MuCell) 또는 Expancell과 같은 프로세스는 콘 성형을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있으며, 보다 더 큰 비탄성계수를 제공할 수 있고, 및/또는 다른 수단에 의해 댐핑을 개선할 수 있다. MuCell 프로세스는 몰드 공동을 충전하기 직전에, 성형기 배럴 내에 멜트가 있는 동안 질소 또는 이산화탄소 수퍼 임계적 유체(SCF; Super Critical Fluid)를 베이스 폴리머 내로 사출한다. 충전시에, SCF는 자발적으로 가스화되고 가스-고체 분산물이 형성된다. 그 결과, 고체 폴리머 조성물에 가스가 분산되어 있는 가벼운 중량의 성형물이 얻어진다. 일반적으로, 강성과 중량은 모두 감소할 수 있지만, 그 비례적 변화는 재료의 더 큰 비탄성계수에 유리하다. 또한, 수반된 임계적 유체는 폴리머 멜트의 점성을 일시적으로 감소시킬 수 있어, 그 폴리머 멜 트가 사출 중에 보다 쉽게 주어진 몰드 공동 내로 유동할 수 있도록 해준다.
별법으로서, Expancell은 재료 기반 기술로서, 수반되는 발포제(blowing agent)와 함께 폴리머 첨가물이 플라스틱 성형 펠릿에 첨가되어, 성형기 스크루의 운반, 가열 및 혼합 작용을 통해, 폴리머 멜트 내에 분산된다. 상기 수반되는 발포제는 정적인 별개의 Expancel 입자들 내부에서 발포하는데, 상기 입자들은 용융 폴리머 조성물이 몰드 내로 사출될 때 그들 별개의 정체성을 보유하도록 구성되어 있다. 따라서, 작은 "마이크로기포(microballoon)"가 형성되는데, 이들은 성형된 질량체의 중량을 감소시키고, 그 성형된 질량체의 댐핑 성질을 변화시킨다. 상기 재료의 댐핑 및 비탄성계수는 모두 증가될 수 있다.
고유동성의 복합 조성물(High-Flow Composite Compositions)
본원에서 사용되는 용어 "유동 점성(flow viscosity)"은 폴리머가 유체 상태에 있을 때 유동에 대한 폴리머의 저항을 지칭한다. 전단 점성(shear viscosity)은 정상 전단 유동시 전단율로 나뉘어지는 전단 응력으로서 정의된다. 점성에는 Ns/m2 또는 Pa.s의 단위가 주어질 수 있다(이들 단위는 다음과 같이 등가이다: 1 Na.m2 = 1 Pa). 점성에 대해 사용되는 다른 단위는 푸아즈(poise)이다. 여기서, 10 poise(g/cm s) = 1 kg/ms s = Ns/m2 = 1 Pa.s이다.
얇은 벽의 콘 몸체를 성형하기 위한 "고유동성의" 복합 조성물을 식별하고 규정하는 데에 적어도 두 가지 방법이 유용하다. 즉 점성 대 전단율 결정 및 멜트 인덱스. 전단율과 함께 재료의 멜트 점성의 감소는 "딕소트로피(thixotropy)" 또는 "전단 씨닝(shear thinning)"이라고 알려진 폴리머 멜트의 특징적인 유동 성질이다. 전단 씨닝은 통상 폴리머 멜트가 나타내는 거동이고 폴리머 레이로지(rheilogy)를 평가하기 위해 설계된 실험실 기구로 그 특징을 나타낼 수 있다. 이러한 기구 중 하나는 ARES DMA로서, 델라웨어주에 소재하는 TA Instrument Company의 제품이다. 특히, 열가소성 재료의 전단 씨닝 거동을 결정하고 비교하기 위하여, 일정한 온도에서의 점성 대 전단율 시험을 수행할 수 있다.
한 가지 예에서, 소정의 콘 및 플레이트 또는 평행 플레이트 시험 고정 기하 형태가 이용될 수 있으며, 평가되는 전단 범위에 따라 정상 전단(steady shear) 또는 동적 전단(dynamic shear) 모드에서 동작될 수 있다. 약 1 라디안/초 이상에서, 보다 더 큰 전단 속도가 동적 시험에서 더욱 쉽게 평가될 수 있다. 이 시험 모드에서 전단 속도의 단위는 라디안/초이며, 정상 전단에서 전단 속도의 단위는 초의 역수, 즉 1/초이다. 두 모드에서 발생된 데이터는 비례적일 수 있으며, Cox-Mertx 관계를 이용하여 상호 변환될 수 있다. 상기 재료를 스피커 콘과 같은 관심 대상의 구성 요소 부품으로 사출 성형하는 데 사용되는 온도를 나타내는 시험 온도가 선택될 수 있다. 점성 데이터는 통상 약 0.01 내지 1000 라디안/초의 범위의 (동적) 전단 속도에서 수집될 수 있지만, 약 10 라디안/초보다 큰 데이터가 가장 유용하다.
도 6은 예시적인 플라스틱 재료에 대한 예시적 점성 데이터의 로그-로그 그래프(600)이다. 도 6에서, 도시된 곡선은 제1 영역(602)과 제2 영역(604)으로 구 분될 수 있다.
제1 영역(602)으로 식별된 것과 같은 낮은 전단 속도에서, 점성 곡선은 비교적 평탄한데, 이는 점성이 전단 속도에 대해 비교적 독립적이고 멜트 유동은 뉴토니안(Newtonian) 유동이라는 것을 나타낸다. 약 10 라디안/초 위의, 제2 영역(604)에 의해 식별된 것과 같은 더 높은 전단 속도에서, 점성은, 딕소트로피 또는 전단 씨닝이 시작함에 따라 증가하는 전단 속도에 대해 지수 함수 비례적으로 급격이 떨어진다. 이 영역에서의 멜트 유동은 "파워 로(power law)" 유동 거동이라고 지칭한다. 다음에, 전단 씨닝의 상대적인 정도는 상기 영역에서 로그 점성-로그 전단 속도 곡선의 기울기에 의해 주어진다. 파워 로 유동은, 수 백 내지 수천 라디안/초의 전단 속도가 일어날 수 있는 사출 성형 프로세스에서 폴리머 유동의 거동을 나타낼 수 있다.
상기한 바와 같이, 얇은 벽의 스피커 콘의 사출 성형을 위해 더 큰 전단 씨닝 조성물이 바람직하다. 이어서, 바람직한 고유동성의 조성물은, 일정한 온도, 예컨대 "파워 로" 영역에서 사출 성형 프로세스의 전형적인 전단 속도에서 결정되는 그 조성물의 점성 전단 속도 곡선의 기울기를 종래의 조성물의 것과 비교함으로써 식별되고 설명될 수 있다.
특히, 도 6에서, 증가된 비탄성계수 및 댐핑과 관련되어 있는 나노-복합 조성물 역시 활석 및 클레이와 같은 표준 입자 충진 조성물과 비교하여 더 큰 전단 씨닝을 갖고 있다. 또한, 전단 씨닝 거동이 더 낮은 전단 속도에서 시작되었다. 따라서, 나노-충진 조성물 대 표준 필러 조성물의 점성-전단 속도 곡선의 "크로스- 오버(cross-over)"가 보다 높은 전단 속도에서 관찰될 수 있다(도 7 참조). 따라서, 얇은 벽의 성형은 개선되어, 예컨대 라우드스피커(204)는, 잘 댐핑된, 고 비탄성계수의 고유동성의 열가소성 복합 재료를 포함하는 스피커 콘을 포함할 수 있다.
상기 멜트 유량 방법은 재료의 유동의 용이성의 척도이며, 배럴 내의 용융 샘플에 소정의 부하가 인가될 때 주어진 시간 내에 다이를 통해 얼마나 많은 재료가 압출되는 지를 결정하는 데에 이용될 수 있다. 상기 멜트 유량 기법은 ASTM 시험 표준 D1238에 설명되어 있고 품질의 제어 및 엔지니어링 사양(specification) 목적을 위해 널리 이용되고 있다.
고유동성의 복합 조성물은, 의도된 용례에 적당한 강도/중량 비, 원하는 두께로 된 콘 몸체를 사출 성형할 수 있도록 하기에 충분히 낮은 높은 전단 속도에서의 점성을 갖는 것이 바람직하다. 예컨대, 고유동성의 복합 조성물은 다양한 두께를 갖는 스피커 콘을 사출 성형에 의해 제조할 수 있도록 조제되는 것이 바람직하다. 특히, 고유동성의 조성물은 사출 성형에 의해 두꺼운 벽의 구조뿐만 아니라 얇은 벽의 구조를 형성할 수 있도록 해준다. 얇은 벽 구조는 그 구조를 형성하는 데 사용되는 사출 유로와 비교하여 작은 두께를 가질 수 있다. 얇은 벽 사출 성형은, 비교적 큰 유동 길이 대 벽 두께 비, 예컨대 약 100:1 이상을 갖는 구성품을 사출 성형하는 것을 포함한다. "중간-범위" 스피커 콘의 얇은 벽 부분은 약 0.5 mm 이하, 바람직하게는 약 0.1 mm 내지 0.5 mm, 보다 바람직하게는 약 0.15 mm 내지 0.35 mm의 두께, 약 25 mm 내지 50 mm의 대략적인 범위 내의 유동 길이를 가질 수 있으며, 여기서 "약"은 공칭값(nominal value)의 ±5%를 지칭한다.
고유동성의 복합 조성물은 사출 성형을 위해 이용되는 전형적인 온도에서 폴리머 멜트 점성을 측정하여 식별할 수 있다. 예를 들면, 나노 충진 폴리프로필렌에 대하여, 적용 가능한 온도는 통상적으로 약 177℃ 내지 약 232℃이고, 보다 좋게는 약 204℃ 내지 약 218℃이다. 높은 전단 속도에서 비교적 낮은 점성을 갖는 복합 조성물이 특히 바람직하다. 상기 복합 재료의 몇몇 예에서, 후술하는 바와 같은 고유동성의 폴리머 캐리어는 바람직하게는, 특히 얇은 벽 구조의 사출 성형을 위해, 전단 속도의 함수로서 보다 빠른 점성의 감소를 제공하는 것이 선택될 수 있다.
폴리프로필렌 조성물의 레오로지컬 성질은 동적 기계식 분광계(spectrometer)를 이용하여, 약 0.1~1,000 라디안/초 범위 내의 전단율에서 그리고 약 210℃에서 동적 전단 점성을 측정함으로써 특징지울 수 있다. 약 10 라디안/초 및 약 500 라디안/초에서의 점성은 상기 파워 로 영역에 있고, 각각 V10 및 V500으로 나타내어질 수 있는데, 그 둘의 비는 VSRR(viscosity shear rate ratio; 점성 전단 속도 비) = V10/V100이라 지칭된다. VSRR은 파워 로 영역에서 점성 전단율 곡선의 기울기이며, 얇은 벽의 콘 몸체 성형 프로세스를 위해 바람직한 고유동 조성물을 규정하고 식별하는 데에 유용하다. 그 값이 클수록, 재료의 몰드 충진 능력은 더 좋아진다. 얇은 벽의 나노복합 콘 몸체용의 고유동성 나노-복합 폴리프로필렌 조성물은 3보다 큰, 보다 바람직하게는 6보다 큰, 가장 바람직하게는 8보다 큰 VSSR을 가질 수 있고, 210℃에서 그리고 500 라디안/초에서 DMA에 의한 동적 전단 점성은 5000 poise 미만인 것이 바람직하고, 3000 poise 미만인 것이 더욱 바람직하다.
도 7은 스피커 콘을 성형하는 데 사용될 수 있는 여러 가지 예시적인 나노-충진된 조성물 및 폴리프로필렌 조성물의 점성-전단율 거동을 보여주는 그래프(700)이다. 제1 곡선(702)은 고유동 폴리프로필렌과 같은 비충전(un-filled) 고유동 베이스 캐리어를 나타낸다. 제2 및 제3 곡선(704, 706)은 고유동성 폴리프로필렌 캐리어 내에 알루미노실리케이트 나노-필러와 같은 나노 재료 4 중량% 및 6 중량%로 각각 구성된 2 종의 나노-복합물로부터 얻어진 곡선들의 집합을 나타낸다. 제4 곡선(708)은 대조구로서 종래 크기의 활석 필러를 이용하는 20% 활석 보강식 폴리프로필렌에 대한 곡선이다.
필러 적재가 유동 감소에 미치는 전체적인 예측 효과는 나노-충진 재료에 대한 제1, 제2 및 제3 곡선(702, 704, 706)에서 관찰된다. 그러나, 상기 곡선들 사이에서 유동 거동의 주요 차이점은 명백하다. 나노-충진 복합물에 대한 곡선(704, 706)은 약 0.1 라디안/초와 같이 낮은 전단율에서 시작하는 전단 씨닝 거동의 이점을 보여준다. 교대로, 제4 곡선(708)(표준 활석 조성물)과 제1 곡선(702)(비충전 고유동 캐리어)의 점성은 전단율이 10 라디안/초를 초과할 때까지 쉽게 알아볼 수 있을 정도로 감소하지 않았다. 따라서, 보다 용이한 얇은 벽 몰드 충진을 위한 전단 씨닝의 이점은, 나노-필러 대 종래의 필러가 보강제로서 채용되는 경우에 멜트 충진 과정에서 더 일찍 시작된다. 둘째, 개선된 전단 씨닝은 제2 및 제3 곡선(704, 706)의 것과 같이 높은 계수의 더 많이 적재된 나노-복합물의 멜트 점성이 제4 곡선(708)을 "크로스-오버"할 수 있도록 해주는데, 이는 나노 충진 재료 멜트 가 얇은 벽 콘의 사출 성형을 위해 효과적으로 덜 점성적으로 된다는 것을 나타낸다. 이러한 예에 있어서, 상기 크로스-오버는 약 1 라디안/초 및 약 10 라디안/초에서 각각 일어날 수 있다.
고-유동: 큰 계수의 캐리어 재료( High Modulus Carrier Materials )
예시적인 콘 몸체의 고유동성 복합 조성물은 이 조성물의 강성/중량 비 및 댐핑을 증가시키는 필러와 열가소성 캐리어를 포함한다. 열가소성 캐리어는 낮은 밀도, 큰 강성, 고온에서의 강성 보유 능력, 열변형 거동(heat deflection behavior)에 의해 나타내어지는 것과 같은 고유동성, 그리고 높은 멜트 유량이 바람직하게 조합된 폴리머인 것이 바람직하다. 이들 속성의 넓은 범위 및 바람직한 범위는 비충전 수지 상태에 대해 규정될 수 있고 다음과 같이 설정될 수 있다. 즉, 비중은 약 0.95 미만과 같은 넓은 범위일 수 있고, 바람직하게는 (ASTM D792에 의해 측정할 때) 약 0.92 미만일 수 있다. ASTM D790마다 약 23℃에서 굽힘 계수(flexural modulus)로서 표현될 때의 강성은 약 1,724 MPa 보다 크고, 바람직하게는 약 2,068 MPa보다 큰 넓은 범위일 수 있다. ASTM D648마다 0.45 MPa에서의 열 왜곡 온도는 약 107℃ 보다 큰 넓은 범위, 바람직하게는 121℃ 보다 큰 넓은 범위에 있을 수 있다. ASTM D1238마다 멜트 유량은 약 2.16 Kg 부하, 약 230℃에서, 약 12 gms/10분보다 더 클 수 있는 넓은 범위, 약 20 gm/10분보다 큰 더 좁은 범위, 또는 약 30 gm/10분보다 큰 훨씬 더 좁은 범위 내에 있을 수 있다. 예시적인 캐리어 폴리머는 상당히 결정질인 핵화된(necleated) 폴리프로필렌과 같이, 고 유동성의 α-올레핀 폴리올레핀을 포함한다.
고결정질의 적당한 폴리프로필렌은 BP Amoco Polymers, Inc.에서 ACCPRO라는 상표명으로 판매하는 성형 펠릿 형태로 얻을 수 있다. 다음의 몇몇 예에서, 캐리어 폴리머는 일리노이주 시카고에 소재하는 Amoco Polymers로부터 얻을 수 있는 고결정질의 폴리프로필렌 ACCPRO 9934(최근에 Innovene H35Z-02라고 명칭을 바꿈)이다. 이 폴리머는 약 35 g/10분의 멜트 유량, 0.91의 비중, 약 2241 MPa의 굽힘 계수, 66 pai에서 135℃의 열변형 온도, 41.5 MPa의 인장 강도(ATM D638, 26.7℃)를 갖고 있다.
도 8은 얇은 섹션 몰드를 충진하는 고유동성의 나노-복합 조성물의 능력에 고유동성의 캐리어가 기여하는 것을 보여주는 점성 대 전단율의 예시적인 곡선들의 집합이다. 제1 곡선(802)은 비충전된 고유동성 캐리어의 유동 거동을 나타내고, 제2 곡선(804)은 상기 캐리어 플러스 8 wt% 나노-필러의 거동을 나타낸다. 나노-필러의 전단 씨닝 효과, 8 wt% 나노-필러의 고유동성 캐리어에의 첨가로 인한 점성 증가가 명확하다. 제3 곡선(806)은 다른 나노-충진 폴리프로필렌을 나타내는데, 역시 8 wt% 나노-필러가 추가되어 있다. 상기 필러와 관련된 전단 씨닝 효과는 명백하게 남아 있지만, 그 전체에 걸쳐 제3 곡선(806)은 일관되게 더 큰 점성 값으로 이동되어 있다. 명백하게도, 캐리어 수지의 선택은 얇은 벽 플라스틱 콘을 제조하도록 설계된 몰드를 충진하는 데 바람직한, 전체적으로 고유동성의 나노-충진 조성물을 얻는 데에 중요한 인자이다.
폴리프로필렌 캐리어 수지는 처음에 분체 형태로 생성된다. 상기 수지 분체 는 추가의 성분과 혼합될 수 있고, 성형 압출 제품의 제조시에 직접적으로 사용될 수 있으며, 또는 수지 조제 기술에서 통상적으로 채용되는 방법에 따라 조제되어 펠릿화될 수 있다. 예컨대, 건조된 수지는 안정화 성분, 기핵제(nucleating agent) 및 필요에 따라 첨가제와 건식 혼합된 다음에 단일 또는 트윈 스크루 압출기(screw extruder)에 공급될 수 있다. 스트랜드 다이(strand die)를 통해 물 속으로 압출된 폴리머는 편리하게 잘려 펠릿을 형성하고, 추가의 성형을 위한 상기 혼합물을 제공하는 후속 혼합을 위해 저장될 수 있다.
이러한 비충전 재료는 원하는 수준에서 나노-필러를 직접 합체하도록, 또는 최종의 원하는 나노-필러 적재를 달성하기 위하여 동일 또는 다른 양립성 베이스 수지와 최종 사출 성형 단계에서 혼합될 수 있는 필러 응축물을 생성하도록 압출 조제될 수 있다. 번갈아, 다른 양립성 베이스 수지가 캐리어로서 사용된 나노-필러 응축물은 고유동 ACCPRO와 같은 고유동성 수지와 비례적으로 혼합되어, 원하는 나노-필러 함량을 갖고 있는 조성물을 얻을 수 있다. 상업적으로 이용 가능한 나노필러 응축물 및 일반적인 또는 주문식의 성형 급(molding grade)의 나노-충진 수지는 오하이오 Avon Lake에 소재하는 PolyOne에 의해 Maxxim이라는 상표명으로 제조된다. 상업적인 40±2wt% 나노-충진 응축물의 한 가지 예는 Maxxim MB1001로서, 폴리프로필렌과 함께 사용하도록 제조된 것이다.
필러
나노-구조 필러 재료는 직접 조제에 의해 고유동성의 캐리어 내로 도입될 수 있고, 또는 사출 성형 프레스에서 고유동성의 캐리어 펠릿과 혼합된 펠릿 응축물을 통해 도입될 수 있다. 상기 응축물을 형성하는 데 사용되는 캐리어 수지 및 고유동 베이스 수지는 양립 가능해야하지만 서로 동일할 수도 동일하지 않을 수도 있다. 바람직하게는, 궁극적인 열가소성 복합 재료는 4 wt% 내지 약 20 wt%, 보다 바람직하게는 4 wt% 내지 12 wt%의 상기 나노-구조 필러를 가질 것이다.
사용하기에 특히 적당한 나노구조로 된 재료는 나노-크기로 된 특징물들에 대한 다음 카테고리 중 하나 이상을 포함한다: 나노입자, 다층(나노필름), 나노결정 및 나노다공성 재료, 나노복합물, 나노섬유(나노튜브 및 나노와이어) 및 이들의 임의의 조합. 나노구조로 된 재료는, 예컨대 단일의 나노결정 재료를 함유하고, 또는 일종의 나노입자와 조합된 2종의 나노복합물을 함유할 수 있다. 예컨대, 나노결정 재료는 치수가 약 1 내지 10 nm인 결정체인데, 아주 큰 표면 대 체적 비가 쉽게 얻어질 수 있다. 다른 한편으로, 나노다공성 재료는 나노미터-크기로 된 공동 또는 기공으로 이루어진 구조들의 분자 조립체인 것을 특징으로 한다. 전형적인 나노구조로 된 재료는 알루미노실리케이트(aluminosilicate), 탄소질 재료, 층화된 더블 하이드록사이드(layered double hydroxide) 또는 이들의 혼합물로 구성될 수 있다.
나노구조로 된 바람직한 재료는 알루미노실리케이트, 탄소질 재료, 층화된 더블 하이드록사이드 또는 이들의 혼합물로 구성될 수 있다. 나노구조로 된 알루미노실리케이트 재료는 클레이 미네랄의 스멕타이트(smectite) 그룹과 같은 필로실리케이트(phyllosilicate), 제오라이트(zeolite)와 같은 텍토실리케이 트(tectosilicate), 켄야이트(kenyaite)와 같은 테트라실리케이트와 같은 폴리실리케이트, 및 제오라이트를 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대 천연 또는 합성 필로실리케이트는 기본적으로 실리카 테트라헤드랄 층 및 알루미나 옥타헤드랄 층으로 구성되는 시트 구조이다. 필로실리케이트는 구조화된 나노재료의 바람직한 유형이며, 필로실리케이트의 바람직한 유형은 단독으로 또는 다른 양립성의 구조화된 나노재료와 조합하여 하나 이상의 스멕타이트 클레이를 포함한다. 플라스틱 콘 몸체에 유용한 필로실리케이트의 추가적인 예는 몬트모릴로나이트(montmorillonite), 논트로나이트(nontronite), 베이델라이트(beidellite), 헥토라이트(hectorite), 사포나이트(saponite), 사우코나이트(sauconite), 카올리나이트(kaolinite), 세르펜틴(serpentine), 일라이트(illite), 글라우코나이트(glauconite), 세피오라이트(sepiolite), 베르미쿠라이트(vermiculite), 또는 그 혼합물을 포함하며 이에 제한되지 않는다. 특별히 제한되지는 않지만, 필로실리케이트의 총 양이온 교환 능력은 필로실리케이트 재료 100 그램 당 10 내지 300 밀리당량이 바람직할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 50 내지 200 밀리당량일 수 있다. 필로실리케이트 나노재료(즉, 나노클레이)는 일리노이주의 Arlington Heights에 소재하는 Nanocor, Inc.에서 NANOMER로 판매하며, 텍사스주의 Gonzales에 소재하는 Southern Clay Products, Inc.에서 CLOSITE로 판매한다.
탄소질 나노재료 또한 나노구조의 복합물 재료를 형성하기 위하여 이용될 수 있다. 탄소질 필러의 예는 풀러렌(fullerenes), 탄소 나노입자, 다이아몬도이드(diamondoid), 다공성 탄소, 흑연, 미세다공성 중공 탄소 화이버, 단일벽 나노튜 브 및 다중벽 나노튜브를 포함한다. 풀러렌은 일반적으로 60개의 탄소 원자로 구성되는데, 이들 탄소 원자는 함께 연결되어, 대칭적으로 배열된 20개의 6각형 면과 12개의 5각형 면을 갖는 새장형 구조를 형성한다. 바람직한 풀러렌 재료는 C60과 C70을 포함하며, C76, C78, C84, C92 등, 또는 이들 재료의 혼합물과 같은 다른 "고급 풀러렌"도 이용될 수 있다. 흑연은 평면 사이에 약한 반데르발스 결합을 갖는, 평평하게 적층된 평면들에서 공유 또는 금속 결합된 원자를 포함하는 탄소의 결정질 형태이다.
추가의 복합물 재료
복합물 재료는 또한 프로필렌 폴리머 매트릭스와 셀룰로스 화이버 필러 사이의 부착을 촉진하고 개선하기 위한 양립화 보조제(compatibilizing aid)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용하는 용어 "양립화 보조제"는 폴리프로필렌 매트릭스와 화이버 사이의 부착을 촉진하기 위해 폴리프로필렌 및 셀룰로스 화이버와 혼합될 수 있는 임의의 재료를 의미한다. 양립화 보조제는 바람직하게는 관능화된 폴리머를 포함할 것인데, 이 폴리머는, 프로필렌 폴리머 매트릭스와 양립할 수 있으며 폴리머와 함께 공중합화되거나 그 폴리머에 부착된 극성(polar) 또는 이온성 부(ionic moiety)를 갖는 폴리머로서 추가로 설명될 수 있다. 일반적으로, 이들 관능화된 폴리머는 불포화 카르복실산 또는 그들의 무수물, 예를 들어, (메트)아크릴산, 말레산, 푸마르산, 시트라콘산, 이타콘산 등과 같은 극성 또는 이온성 부로 그라프트된 프로필렌 폴리머이다.
그라프트 코폴리머의 프로필렌 폴리머 부분은 프로필렌의 호모폴리머 또는 에틸렌과 같은 다른 알파-올레핀과 프로필렌의 코폴리머일 수 있으며, 프로필렌의 호모폴리머가 바람직하다. 관능화된 프로필렌 폴리머는 약 0.4 내지 약 2 wt.%, 바람직하게는 0.5-1.25 wt.%의 말레이트화(maleation) 레벨, 및 190 ℃와 2.16 kg에서 측정할 때, 약 1 내지 약 500 g/10분, 바람직하게는 약 5 내지 약 300 g/10분의 멜트 지수(MI)를 갖는 말레이트화된 폴리프로필렌을 포함한다. 특히 적합한 말레이트화된 폴리프로필렌은 Uniroyal에서 상표명 PolybondTM 3200으로 판매하고 있다. 다른 등급의 PolybondTM 수지가 적합할 수 있으며, DuPont의 말레이트화된 폴리프로필렌인 FusabondTM, Eastman Chemicals의 개질제 수지인 EpoleneTM, 및 Exxon Chemicals의 개질제 수지인 ExxelorTM도 적합할 수 있다.
이용될 경우, 관능화된 폴리머는 폴리머 재료와 셀루로스 화이버 사이에서 양립화제로 작용하기에 충분한 양으로 콘 몸체(206)에 포함될 수 있다. 일반적으로, 약 0.3 내지 약 12 wt.%의 관능화된 폴리머는 폴리머 매트릭스와 화이버 성분 사이에 적절한 부착을 제공하기에 충분하다. 관능화된 폴리머가 벌크 고결정질 프로필렌 폴리머보다 더욱 비싸므로, 전체 제품에서 그러한 관능화된 폴리머의 비율을 최소화시키는 것이 경제적이다. 바람직하게는, 그러한 관능화된 폴리머는 수지 및 필러 성분의 전체 중량을 기준으로, 약 0.5 내지 10 wt.% 수준으로 그리고 가장 바람직하게는 약 1 내지 6 wt.%의 수준으로 본 발명의 제품에 포함된다. 약 1 내 지 약 4 wt.%의 관능화된 폴리머, 특히 말레이트화된 폴리프로필렌을 함유하는 제품이 특히 적합한 것으로 확인되었다.
고유동성의 열가소성 복합물 조성물의 사출 성형
스피커 콘은 열가소성 복합물을 조제하고 열가소성 성형 기법을 이용하여 상기 복합물을 성형함으로써 형성될 수 있다. 복합물은 폴리머의 융점과 동일하거나 더 높은 온도에서 멜트내의 프로필렌계 폴리올레핀 캐리어 재료와 나노-구조의 재료를 전단 혼합하여 제조될 수 있다. 멜트의 온도, 믹서내에서 멜트의 잔류 시간 및 믹서의 기계적 디자인이 혼합동안 조성물에 가해질 전단의 양을 조절하는 몇몇 변수이다.
다르게는, 캐리어는 과립화되어 각 나노재료와 건식 혼합될 수 있으며, 그 후, 폴리머가 용융되어 유동성 혼합물을 형성할 때까지 조성물이 믹서에서 가열된다. 이어서 이 유동성 혼합물을 믹서에서 원하는 복합물을 형성하기에 충분한 전단에 노출시킬 수 있다. 폴리머는 또한 나노구조 재료의 첨가에 앞서 유동성 혼합물을 형성하기 위해 믹서에서 가열된 다음에, 원하는 이오노머성 나노복합물을 형성하기에 충분한 전단에 노출될 수 있다. 폴리올레핀 내에 가장 유익하게 통합될 수 있는 나노구조 재료의 양은 복합물을 형성하기 위해 이용되는 구체적인 나노재료 및 폴리머뿐만 아니라 그 바람직한 특성을 비롯한 다양한 인자에 의존한다.
한가지 예에서는, Werner-Pfleider에 의해 제조된 것들과 같은 모듈식 인터메싱(intermeshing) 동시회전 트윈-스크루 압출기에서 성분들을 혼합하여 복합물 재료가 제조된다. 이러한 유형의 장비의 다른 제조사는 Berstorff, Leistrits, Japanese Steel Works, 및 기타 회사로부터의 동시회전 트윈 스크류 압출기를 포함한다. 이러한 유형의 믹서의 스크류 직경은 약 25 mm 내지 약 300 mm 범위일 수 있다.
혼합 압출기는 조성물에 대해 소정의 혼합 기능을 수행하는 일련의 섹션 또는 모듈을 포함한다. 폴리머성 성분들은 메인 공급 호퍼(hopper)에서 고형 과립으로서 압출기의 초기 공급 섹션내로 공급된다. 필러, 열적 안정화제 등과 같은 다른 성분들 역시 건조 분체 또는 액체로서 혼합 압출기의 메인 공급 호퍼내로 공급될 수 있다. 열적 안정화제 및 UV 안정화제의 대부분은 믹서의 다운스트림 섹션에 첨가될 수 있다. 각 선택적 성분은 상기 블렌드와 첨가혼합되거나, 블렌드의 제조중에 상기 성분들과 첨가혼합될 수 있다. 상기 블렌드는 예를 들어, 압출에 의해 제조될 수 있다. 폴리올레핀 수지 블렌드는 상대적으로 균일한 블렌드의 생성을 보장하는 임의의 종래 방식에 의해 혼합될 수 있다. 선택적인 성분들은 또한 전술한 다른 주요 성분 또는 선택 성분 중 하나 이상과 마스터배치(masterbatch) 형태로 제조될 수 있다.
상기 성분들은 일반적으로 압출기의 초기 용융 및 혼합 섹션에서 균질화된다. 폴리머 멜트 온도는 일련의 니딩(kneading) 블록에 의하여 폴리머 블렌드의 최고 연화점 바로 위까지 상승된다. 약 160 ℃ 내지 230 ℃의 멜트 온도를 제 1 혼합 섹션에 대하여 이용할 수 있다.
제 1 혼합 섹션에 이어서, 니딩과 분산성 혼합을 수행하기 위한, 압출기의 제 2 혼합 섹션이 있다. 이 섹션에서 혼합 온도는 폴리올레핀 블렌드 내에 나노구조 재료를 충분히 분산시키기 위하여 약 160 ℃ 내지 225 ℃일 수 있으며, 또는 약 170 ℃ 내지 220 ℃일 수 있다. 제 2 혼합 섹션내에서의 잔류 시간은 적어도 10초이어야 하지만, 과도한 열분해를 방지하기 위하여 100초 이하여야 한다. 바람직하게는, 나노구조의 재료는 폴리올레핀내에 적어도 실질적으로 균일하게 분산되며, 더욱 바람직하게는, 폴리올레핀내에 균일하게 분산된다.
혼합 압출기의 마지막 섹션은 다이 플레이트를 통한 압출에 앞서 멜트 압착을 이용한다. 멜트 압착은 동시회전 트윈 스크루 압출기를 이용하여 이루어질 수 있으며, 또는 멜트 압착은 단일 스크루 압출기 또는 멜트 기어 펌프와 같은 탈-결합된 프로세스(de-coupled process)를 통해 이루어질 수 있다. 압착 섹션의 마지막에서, 조성물은 다이 플레이트를 통해 배출된다.
복합물은 스트랜드 펠렛팅 또는 상업적 수중 펠렛화(underwater pelletization)을 통해 펠렛화될 수 있다. 이어서 복합물 조성물의 펠렛을 이용하여, 다양한 유형의 사출 성형 프로세스, 압출 또는 동시-압출 프로세스, 압착 성형 과정, 열성형 과정 등과 같은 많은 수단 중 임의의 것에 의해 원하는 모양 또는 형태의 제품을 제조할 수 있다. 조성물은 바람직하게 이용되는 통상의 성형 또는 형성 장비에 적합한 멜트 유동을 갖도록 조제될 수 있다.
나노재료와 같은 필러를 포함하도록 형성된 콘 몸체(206)의 성능은 후술하는 바와 같이, 낮은 전체 고조파 왜곡(total harmonic distortion)(THD)을 갖는 주파수 응답을 제공할 수 있다. 또한, 플라스틱 콘 몸체(206)의 질량이 유리하게도 감 소될 수 있다. 민감도가 질량에 역 비례하므로, 감소된 질량은 오디오 시그널에 대한 라우드스피커의 민감도를 증가시킬 것이다. 플라스틱 콘 몸체는 또한 방수성이거나 또는 적어도 내수성일 수 있다. 베이스 수지 선택에 따라, 일부 나노-복합물 플라스틱은 종이보다 우수한 내염성 및 더 높은 서비스 온도 능력을 나타낼 수 있으며, 이들은 때때로 콘 용례에 중요하다.
제조에 사용되는 원재료가 상대적으로 균일하므로, 플라스틱 콘 몸체의 프로세스 가변성은 종래의 종이 콘 몸체 및/또는 금속 콘 몸체와 비교할 때 크게 감소될 수 있다. 또한, 플라스틱 콘 몸체는 종이 콘 몸체와 비교할 때 더욱 강건할 수 있다. 따라서, 선적, 제조 동안의 핸들링, 라우드스피커 조립 등이 플라스틱 콘 몸체의 개선된 강건함을 고려하여 유익하게 변형될 수 있다. 서라운드 및 음성 코일과 같은 다른 라우드스피커 구성요소의 플라스틱 콘 몸체에의, 열가소성 엘라스토머(TPE) 오버성형을 비롯한 본딩은 플라스틱 콘 몸체의 추가된 강건함 면에서 플라스마 처리와 같은 이차적 처리에 의해 유익하게 변형될 수 있다.
다른 실시예에서, 플라스틱 콘 몸체(206)는 플라스틱 전체에 실질적으로 균일하게 분배되는 가스인 필러를 도입하는 프로세스를 이용하여 형성될 수 있다. 그 결과 강성의 큰 손실 없이 중량과 왜곡이 감소된 콘 몸체가 얻어질 수 있다. 따라서, 그러한 콘 몸체는 또한 개선된 강성 대 중량 비를 가질 수 있다. 가스인 필러를 플라스틱 재료내로 도입하기 위해 이용될 수 있는 프로세스의 예는 MUCELL, EXPANCEL 또는 플라스틱 내에 가스를 분배할 수 있는 기타 다른 재료 및/또는 공정을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 플라스틱 콘 몸체(206)는 추가의 초경량 필러를 포함할 수 있다. 초경량 필러의 예는 플라이 애쉬(fly ash) 또는 세노스피어(cenosphere)를 포함한다. 초경량 필러는 플라스틱 콘 몸체(206)의 강성 대 중량 성능을 더욱 향상시키기 위해 포함될 수 있다(도 2).
그러한 필러로 형성된 콘 몸체는 상기한 바와 같이, 비충전 폴리프로필렌(UF PP)로 만들어진 콘 몸체보다 상당히 더 높은 비 탄성계수(specific modulus)를 나타낸다. 또한 앞서 개시된 바와 같이, 콘 몸체를 형성하기 위해 이용되는 플라스틱 및 나노재료의 비율은 그 부품의 유익하게 낮은 비중을 여전히 유지하면서 변화될 수 있다. 예를 들어, 콘 몸체는 약 4 wt.% 나노재료, 약 6 wt.% 폴리프로필렌 캐리어 수지 및 약 90 wt.% 폴리프로필렌으로 형성될 수 있다. 다른 예에서는, 콘 몸체는 약 12 wt.% 나노재료, 약 18 wt.% 폴리프로필렌 캐리어 수지 및 약 70 wt.% 폴리프로필렌으로 형성될 수 있다. 또 다른 예에서, 콘 몸체는 약 20 wt.% 나노재료, 약 30 wt.% 폴리프로필렌 캐리어 수지 및 약 50 wt.% 폴리프로필렌으로 형성될 수 있다. 이들 예에서, 콘 몸체의 평균 벽 두께는 약 0.28 mm일 수 있다. 다른 예에서, 콘 몸체는 약 12 wt.% 나노재료, 약 18 wt.% 폴리프로필렌 캐리어 수지 및 약 70 wt.% 폴리프로필렌으로 형성될 수 있으며, 평균 벽 두께는 약 0.19 mm이다. 앞서 개시된 바와 같이, 폴리프로필렌 캐리어 수지는 생략될 수 있으며, 또는 액정 폴리머(LCP) 및 나일론 + PPO + 폴리스티렌으로 구성된 제너럴 일렉트릭의 특허 합금인 GTX와 같은 다른 유형의 플라스틱이 다른 예에서 이용될 수 있다.
또 다른 예에서, 콘 몸체는 나노클레이와 같은 나노재료 약 8 wt.%, 폴리프 로필렌 캐리어 수지 약 12 wt.%, Mucell 초임계 유체(SCF) 약 1 wt.%, 및 폴리프로필렌 약 80 wt.%를 포함하도록 MuCell 프로세스로 성형될 수 있다. 이 예에서, 콘 몸체의 평균 벽 두께는 약 0.28 mm일 수 있다. 또 다른 예에서, 콘 몸체는 나노클레이와 같은 나노재료 약 8 wt.%, 약 12 wt.% 폴리프로필렌 캐리어 수지, 약 1 wt.% 내지 약 3 wt.% Expancell 및 약 77 wt.% 내지 약 79 wt.% 폴리프로필렌으로 형성될 수 있다. 이 예에서 콘 몸체의 평균 벽 두께는 약 0.28 mm일 수 있다. 베이스 재료내에 존재하는 나노재료의 중량 비율을 조절하면 강성 대 중량 비에 직접 영향을 미친다. 추가적인 나노재료가 첨가됨에 따라 강성이 증가되지만, 전술한 바처럼, 그 부분의 중량은 실질상 동일하게 유지된다.
음향적 댐핑은 전술한 대로, 콘 몸체의 베이스 재료내의 나노물질의 중량 비율의 조절에 의해 유사하게 변한다. 따라서, 콘 몸체의 벽 섹션이 조절되면, 나노재료의 중량 비율 역시 콘 몸체의 동일한 강성을 실질적으로 유지하도록 조정될 수 있다. 그러나, 나노재료의 중량 비율을 조절하게 되면 댐핑이 조절된다. 예를 들어, 콘 몸체의 벽 섹션의 정해진 두께가 감소되면, 나노재료의 중량 비율은 벽 섹션이 더 얇더라도 콘 몸체의 실질적으로 동일한 강성을 유지하기 위하여 증가될 수 있다. 나노재료의 중량 비율이 증가되므로, 콘 몸체의 댐핑은 감소할 것이다.
도 9는 상이한 재료들로 형성된 콘 몸체를 갖는 라우드스피커의 예시적인 주파수 응답 곡선이다. 도 9는 또한 5 kHz 내지 20 kHz 범위에서 주파수 응답 곡선의 일부를 확대하여 보여준다. 도시한 예에서, 각 콘 몸체의 중량은, 통과 대역 영역의 상이한 주파수 응답 곡선들 사이에서 실질적으로 유사하게 남아 있는 음압 레벨(SPL; sound pressure level)로 나타낸 것과 같이 실질상 동일하다. 제1 주파수 응답 곡선(902)은 ACCPRO와 같이, 고유동성(34)의 멜트 핵화시킨 코폴리머 폴리프로필렌만으로 성형한 콘 몸체를 포함하는 라우드스피커의 성능을 나타낸다. 제2 주파수 응답 곡선(904)은 ACCPRO와 같이, 고유동성(34)의 멘트 핵화시킨 코폴리머 폴리프로필렌인 캐리어와, 8 중량%인 제1 중량 비율의 나노재료를 이용하여 성형한 콘 몸체를 포함하는 라우드스피커의 성능을 나타낸다. 제3 주파수 응답 곡선(906)은 ACCPRO와 같이, 고유동성(34)의 멜트 핵화시킨 코폴리머 폴리프로필렌인 캐리어와, 16 중량%인 제1 중량 비율의 나노재료를 이용하여 성형한 콘 몸체를 포함하는 라우드스피커의 성능을 나타낸다. 상기 예시적인 제1, 제2 및 제3 주파수 응답 곡선(902, 904, 906)은 2.0 볼트 스텝형 사인파 입력 오디오 신호와, 1 미터에서 대응 라우드스피커의 주파수 응답 출력의 측정에 기초한 것이다. 또한, 주파수 응답 곡선(4902, 4904)으로 나타낸 상기 나노재료 및 캐리어는 펠릿 혼합되었다.
이 예에서, 제1 주파수 응답 곡선(902)은 실질상 평탄한(3 dB의 변동 내) 200 Hz 내지 6 kHz의 제1 통과 대역 주파수 범위(908)를 포함하고 있었다. 또한, 음압 레벨(SPL)의 크기는 약 88 dB이었다. 주파수와 관련하여, "약"이라는 용어는 ±500 Hz의 범위를 나타낸다. SPL과 관련하여, "약"이라는 용어는 약 ±.2 dB의 범위를 나타낸다.
대조적으로, 대략 동일한 SPL에서 제2 주파수 응답 곡선(904)은 약 200 Hz 내지 약 6.3 kHz, 약 6.5 kHz 또는 약 7 kHz, 또는 약 6 kHz 및 7 kHz 사이의 제2 통과 대역 주파수 범위에 걸쳐 약 3 dB(실질상 평탄한)의 SPL 변동을 갖고 있다. 따라서, 제2 주파수 응답 곡선(904)은, 제1 주파수 응답 곡선(902)보다 더 넒은 대역폭에 걸쳐 SPL 변동이 상대적으로 더 낮은 주파수 응답을 갖고 있다. 보다 구체적으로, 제2 통과 대역 주파수 범위(910)의 SPL 변동은, 제1 통과 대역 주파수 범위(908)보다 더 큰 주파수 대역폭의 추가 300 Hz를 포함하고 있는, 약 200 Hz로부터 약 6.3 kHz까지 약 3dB 미만으로 남아 있다. 또한, 제2 주파수 응답 곡선(904)의 SPL 변동은 상기 더 넓은 대역폭에 걸쳐 상대적으로 더 낮고 실질상 평탄하다. 제2 주파수 응답 곡선(904)에서 상기 더 넓은 대역폭 및 더 낮은 SPL 변동은 라우드스피커 콘에 나노재료가 포함된 결과이다. 따라서, 8 중량%의 나노재료를 사용하면 실질상 평탄하게 남아 있는 (통과 대역 주파수 범위) 원하는 주파수 응답의 범위가 개선된다. 다른 예에서, 다른 캐리어, 다른 중량 비율의 나노재료, 다른 압출 프로세스, 다른 혼합 프로세스 및 다른 콘 디자인이 가능하다.
또한 대조적으로, 유사한 SPL을 갖고 있는 제3 주파수 응답 곡선(906)은 약 200 Hz으로부터 약 7kHz까지, 또는 약 8 kHz, 또는 7 kHz 및 8 kHz 사이에서 제3 통과 대역 주파수 범위에 걸쳐 약 3dB(실질적으로 평탄)의 SPL 변동을 갖고 있다. 제3 주파수 응답 곡선(906)을 발생시킨 라우드스피커 콘은 제2 주파수 응답 곡선(904)와 관련하여, 추가의 16 중량%의 나노재료를 갖는 콘 몸체를 포함한다. 따라서, 질량은 거의 또는 전혀 추가되지 않은 채 강성이 개선된다. 제2 주파수 응답 곡선(904)와 유사하게, 제3 주파수 응답 곡선(906)은 제3 통과 대역 주파수 범위(912) 전체에 걸쳐 실질상 평탄하다. 그러나, 제3 주파수 응답 곡선(906)의 통 과 대역 주파수 범위(912)는 추가의 고주파수 대역폭을 포함하도록 확장되었다. 즉, 나노재료를 전혀 포함하지 않는 제1 주파수 응답 곡선(902)과 비교하여, 제3 통과 대역 주파수 범위(912)는, 플라스틱 콘 몸체의 질량 또는 SPL 변동에 있어서 상당한 변화 없이, 이 예에서 약 1 kHz 만큼 증가된 통과 대역 주파수 범위를 갖고 있다.
도 9에서, 제2 주파수 응답 곡선(904)의 SPL 변동이 제2 통과 대역 주파수 범위(910)의 고주파수 말단에서 약 3 dB보다 크게 변동하면, 제1 주파수 응답 곡선(902)은 약 500 Hz만큼 제1 통과 대역 주파수 범위(908) 위에 있다. 제2 통과 대역 주파수 범위(910)의 고주파수 말단에서, 제1 주파수 응답 곡선(902)의 SPL 변동은 약 6 dB이고, 그 결과 제1 및 제2 주파수 응답 곡선(902, 904) 사이의 SPL 변동 차이는 약 3 dB이 된다. 제3 통과 대역 주파수 응답 범위(912)의 고주파수 말단에서, 제1 주파수 응답 곡선(902)은 약 1 kHz만큼 제1 통과 대역 주파수 범위(908) 위에 있다. 또한, 제3 주파수 응답 곡선(906)의 SPL 변동이 약 3 dB일 때, 제1 주파수 응답 곡선(902)의 SPL 변동은 약 8 dB이다. 이와 같이, 소정 중량 비율의 나노재료를 플라스틱 콘 몸체에 포함시킴으로써, 더 넓은 통과 대역 주파수 범위에 걸쳐 SPL 변동을 현저히 낮게 할 수 있다. 따라서, 미리 정해진 중량 비율의 나노재료를 포함하는 콘 몸체를 갖는 라우드스피커는, 순수 폴리프로필렌의 콘 몸체를 갖는 라우드스피커보다 더 큰 대역폭에 걸쳐 음향 성능을 향상시킬 수 있다.
제2 및 제3 주파수 응답 곡선(904, 906)을 비교해 보면, 통과 대역 주파수 응답 범위는 플라스틱 콘 몸체에 포함된 나노-재료의 중량 비율의 변화에 기초하여, 더 커진다. 도 9에서, 제3 통과 대역 주파수 응답 범위(912)는 제2 통과 대역 주파수 응답 범위(910)보다 약 700 Hz 더 길다. 따라서, 약 500 Hz 내지 약 1 kHz의 상이한 통과 대역 주파수 응답 범위 군이 나노-재료의 대응하는 중량 비율 범위에 기초하여 만들어질 수 있다. 이와 같이, 플라스틱 콘을 제조하는 반복성 때문에, 미리 정해진 중량 비율의 나노-재료가 원하는 통과 대역 주파수 응답을 얻기 위해 사용될 수 있다.
고주파수 대역폭은 강성 대 중량 비의 개선으로 인해 확장되는데, 강성은 나노재료를 추가함으로써 증가된다. SPL의 변동은 상기 콘이 브레이크업 모드(breakup mode)로 들어가는 주파수의 확장으로 인해 감소될 수 있다. 브레이크업 모드는 라우드스피커 콘이 더 이상 경질의 피스톤으로서 거동하지 않게 되는 때이다. 고주파수 대역폭을 조정하여 원하는 대역 통과 주파수 응답 범위를 얻기 위해 나노-재료 중량 비율을 선택할 수 있다. 예컨대, 일부 용례에 있어서, 제1의 미리 정해진 중량 비율의 나노-재료를 포함하는 콘 몸체를 갖고 있는 중간범위 라우드스피커의 감소된 고주파수 대역폭(더 짧은 통과 대역 주파수 응답 범위)은, 비교적 낮은 주파수까지 확장되는 대역 통과 주파수 응답 범위를 갖는 특정 트위터와 결합하면 시스템의 성능을 향상시켜줄 수 있다. 다른 한편으로, 특정 트위터가 비교저 고주파수만을 차지하는 통과 대역 주파수 응답 범위를 갖고 있다면, 더 큰 주파수 대역폭을 포함하도록 확장되는 더 긴 통과 대역 주파수 응답을 갖는 중간범위 라우드스피커(상기 제1의 미리 정해진 중량 비율보다 더 큰 제2의 미리 정해진 중 량 비율의 나노 재료를 포함하는 콘 몸체)가 바람직하다.
도 10은 나노-재료가 포함된 비충전 고유동의 호모폴리머 폴리프로필렌으로 성형한 콘 몸체를 갖는 라우드스피커의 제1 주파수 응답 곡선(1002)과, Kevlar 복합물로 성형한 콘 몸체를 갖는 라우드스피커의 제2 주파수 응답 곡선(1004)의 예이다. Kevlar 복합물 콘 몸체는 라우드스피커에 사용될 수 있는 비교적 고성능의 콘 몸체인 것으로 알려져 있다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 제1 주파수 응답 곡선(1002)의 SPL 변동은, 약 2 kHz와 약 7 kHz 사이에서, 제2 응답 곡선(1004)의 SPL 변도와 관련하여, 현저하게 개선되었다. 보다 구체적으로, 제1 주파수 응답 곡선(1002)의 SPL 변동은 약 150 Hz와 약 6 kHz 사이에서 약 2 dB이었다. 대조적으로, 제2 주파수 응답 곡선(1004)의 SPL 변동은 약 150 Hz와 약 6 kHz 사이에서 약 5 dB이었다. 이와 같이, 나노재료가 포함된 비충전 고유동 폴리프로필렌을 갖는 콘 몸체를 포함하는 라우드스피커의 성능은 Kevlar 콘 몸체를 포함하는 라우드스피커의 음향 성능보다 현저히 더 좋다.
개선된 강성 대 중량 비 때문에, 민감도 역시 개선될 수 있다. 도 9 및 도 10에 도시한 이전의 예에서, 민감도는 1 또는 2 dB 만큼 크게 개선되었다. 또한, 상기한 바와 같이, 나노-재료가 포함된 비충전 고유동 폴피프로필렌을 갖는 콘 몸체로 제조된 라우드스피커의 이용 가능한 대역폭은 상기 증가된 강성과 감소된 중량 때문에 증가될 수 있다. 에너지 저장 및 분산 성질 역시, 상기 최소화된 SPL 변동으로 나타낸 바와 같이, 나노재료가 포함된 비충전 고유동 폴리프로필렌을 갖는 콘 몸체를 포함하는 라우드스피커에서의 댐핑을 현저히 개선할 수 있다.
얇은 벽 성형 프로세스에서 사용되는 예시적인 도구가 도 11에 도시되어 있다. 도구(1100)는 제1 절반부(1102)와 제2 절반부(1104)를 포함한다. 도구(1100)는 스틸과 같이, 성형과 관련된 온도 및 압력을 견딜 수 있는 임의의 경질 재료로 제조될 수 있다. 제1 절반부(1102)는 몰드(1100)의 고정부로서 설명될 수 있고, 제2 절반부(1104)는 몰드(1100)의 동작 양태를 반영하는 몰드의 가동부로서 설명될 수 있다. 제1 절반부(1102)는 제1 몰드 인서트(1106)를 포함할 수 있는데, 이 인서트에는 원주 방향으로 에워싸는 제1 쇼울더 영역(1108), 원추형으로 형성된 돌출 영역(1110) 및 재료 유입구로서 동작 가능한 게이트(1112)가 형성되어 있다. 제2 절반부(1104)는 제2 몰드 인서트(1114), 원주 방향으로 에워싸는 제2 쇼울더 영역(1116), 홈이 진 원추형부(1118) 및 다이어프램(1120)을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 인서트(1106, 1114)는 몰드(1100)의 제1 및 제2 절반부(1102, 1104)로부터 각각 분리 가능할 수 있다. 제1 및 제2 인서트(1106, 1114)는 상승된 온도 및 압력에서 동작할 수 있는 임의의 경질 재료로 형성될 수 있다. 한 가지 예에서, 제1 및 제2 인서트(1106, 1114)는 열전달을 개선하기 위하여 베릴륨 구리로 제조될 수 있다. 제1 및 제2 인서트(1106, 1114)는 콘 몸체의 성형 중에 재료의 결정 구조를 향상시키고 비정질 구조를 감소시키기 위하여, 약 82℃ 내지 약 108℃와 같은 미리 정해진 온도에서 동작될 수 있다.
제1 및 제2 쇼울더(1108, 1116)는 제1 및 제2 인서트(1106, 1114) 사이에 시일(seal)을 형성할 수 있다. 제1 및 제2 쇼울더(1108, 1116)는 나노복합 재료가 몰드 내로 사출될 때 공기가 탈출할 수 있도록 해주는 벤팅(venting)을 포함할 수 있다. 돌출 원추 영역(1110)은 제1 및 제2 절반부(1102, 1104)가 함께 가져와졌을 때 홈이 진 원추 영역(1118) 내에 끼워지도록 형성될 수 있다. 돌출 원추 영역(1110)은 또한 돌출 원추 영역(1110)의 외측 엣지 부근에 배치되는 제1의 거칠게 된 원형 표면(1124)과, 이 제1의 거칠게 된 원형 표면(1124)에 의해 에워싸이도록 돌출 원추 영역(1110) 상에 배치되는 제2의 거칠게 된 원형 표면(1126)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2의 거칠게 된 표면(1124, 1126)은 몰드(1100) 내에 형성되는 콘 몸체에 샌드블라스트 효과와 같은 불균일 표면을 형성할 수 있다. 이 불균일 표면은 유리하게도, 콘 몸체의 외주 엣지 부근에 서라운드가 접합되고 콘 몸체의 내주 엣지 부근에 코일 포머가 접합되는 경우 추가의 마찰을 생성할 수 있다. 또한, 상기 불균일 표면은 콘 몸체가 몰드(1100)로부터 보다 쉽게 해제될 수 있도록 해준다. 제2의 거칠게 된 표면(1126)은 게이트(1112)를 에워싸도록 형성될 수 있다.
게이트(1112)는 플라스틱 및 나노재료의 조합과 같은 재료를 제1 및 제2 인서트(1106, 1114) 사이에 사출할 수 있도록 해준다. 게이트(1112)는 다이어프램의 형태일 수 있다. 다이어프램은 콘 몸체의 내부 구멍의 전체 둘레에서 또 그 전체 둘레 부근에서 부품으로 들어간다. 이러한 기하 형태는 플라스틱을 게이트(1112)로부터 콘 몸체의 엣지까지 빠르고 균일하게 완전히 원주 방향에서 충전할 수 있도록 하는 데에 유리하다. 상기 도구 구조에서 코어 및 공극 잠금부(locks)를 채용할 수 있는데, 이는 고압 사출 중에 코어 및 공극의 측방향 이동을 방지한다. 측방향 이동은 불균일(두껍고/얇은 스폿) 벽 구조 및 충전 프로세스 중에 재료의 측 방향 유동을 야기할 수 있다. 측방향 재료 유동은 바람직하지 않은 용접선 결함(weld line defects)를 생성할 수 있다. 상기 재료는, 비교적 높은 멜트 압력, 예컨대 최대 248.2 MPa에서 게이트(1112)를 통해 사출될 수 있다. 이러한 비교적 고압은, 약 2 초 이상일 수 있는 표준 충전 시간과 대조적으로, 비교적 빠른 충전 시간, 예컨대 약 0.5 초 이하, 또는 약 1 초 이하, 또는 약 0.5 초 및 약 1 초 사이의 충전 시간을 가능하게 한다. 이러한 빠른 충전 시간은 유리하게도, 재료의 너무 이른 경화 및 바람직하지 않은 백플로우(backflow)를 방지한다. 따라서, 나노복합 재료는 몰드 전체에 걸쳐 균일하게 분산된다.
몰드(1100)의 제1 절반부(1102) 상에 몰드 센서(1130)가 포함될 수 있다. 몰드 센서(1130)는 성형 프로세스와 관련된 하나 이상의 동작 파라미터의 표시를 제공할 수 있는 동작 파리미터 측정 기구일 수 있다. 한 가지 예에서, 몰드 센서(1130)는 제1 및 제2 인서트(1106, 1114) 사이의 공동 내의 압력을 감지하는 압력 변환기일 수 있다. 성형 프로세스와 관련된 동작 파라미터는 콘 몸체의 형성 중에 보다 나은 일관성 및 제어를 달성하는 데에 이용될 수 있다.
다이어프램(1120)은 나노복합 재료를 게이트(1112)를 통해 몰드(1100) 내로 공급하는 속도를 제어하는 데에 사용될 수 있다. 또한, 다이어프램은 도시된 원형 기하 형태와 같이, 나노복합 재료를 몰드(1100) 내로 균일하게 공급할 수 있다.
도 12는 제1 절반부(1102) 및 제2 절반부(1104)를 포함하는 도 11에 도시한 예시적인 도구의 단면도이다. 플라스틱 및 나노재료의 조합물과 같은 재료가 화살표(1202)로 표시한 바와 같이 몰드(1100)로 들어갈 수 있다. 나노복합 재료는 도 관(1204) 및 게이트(1112)를 통해 유동할 수 있다. 일부 예에 있어서, 도관(1204)은 가열되지 않을 수 있어, 성형품 상에 탕도(sprue)가 존재할 수 있다. 다른 예에서, 도관은 성형품 상에 탕도가 형성되는 것을 방지하기 위하여 도관(1204) 내의 나노복합 재료를 고온으로 유지하는 밸브 게이트 또는 가열된 부싱일 수 있다. 이러한 조건은 재료의 활용도를 개선하고 프로세스 비용을 감소시킨다.
상기 나노복합 재료는 다이어프램(1120)에 의해, 제1 및 제2 절반부(1106, 1114) 사이에 형성된 공동(1206) 내로 균일하게 공급될 수 있다. 다이어프램(1120)은 나노복합 재료가 통과하여 유동하는 원형 구멍을 형성할 수 있다. 상기 원형 구멍의 크기는 게이트 조정부(1120)에 의해 조정될 수 있다. 한 가지 예에서, 약 0.2 mm에서 약 0.3 mm로 두께를 변화시키는 수 많은 게이트 조정부(1210)가 상호 교환 가능하게 도구(1100) 내에 삽입되어, 다이어프램(1120)에 형성된 원형 구멍의 크기를 선택할 수 있다.
도구(1100)의 제2 절반부(1104)는 언더컷(undercut)으로 형성된 흡입 핀(sucker pin)(1212)을 포함할 수 있다. 동작 중에, 흡입 핀(1212)은 다이어프램(1120) 아래에 남아 있는 나노복합 재료 내에 봉입된다(encased). 일단 봉입되면, 흡입 핀(1212)은, 제2 절반부(1104)가 제1 절반부(1102)로부터 멀리 이동되어 제1 및 제2 절반부(1102, 1104)를 분리하는 경우, 진공을 끌어내어, 형성된 콘 몸체를 제2 절반부(1104)에 유지하는 데에 사용될 수 있다.
공극 잠금부(1216)는 몰드(1100)를 가로질러, 제1 및 제2 인서트(1106, 1114) 사이의 거리의 균일성 및 평행성을 유지하는 데에 사용될 수 있다. 또한, 게이트 조정부(1210)는 게이트(1112)의 기하 형태와 콘 몸체의 두께를 조정하는 데에 사용될 수 있다. 게이트 조정부(1210)와 코어 잠금부(1216)는 형성된 콘 몸체에서의 균일성을 유지하기 위하여 협동적으로 동작할 수 있다. 따라서, 형성된 콘 몸체에 취약점("용접" 선)을 생성하는 측면 유동이 방지될 수 있다. 한 가지 예에서, 표준의 벽 두께는 약 0.25 mm 내지 약 0.33 mm의 범위 내로 조정될 수 있다. 다른 예에서, 벽 두께는 약 0.15 mm 내지 약 0.23 mm의 범위 내로 조정될 수 있다.
상기 도구로 수행한 실험적 몰드 시험에서, 제1 몰드 구성은, 콘 목부에서 약 0.25 mm, 콘 외경에서 약 0.33 mm까지의 범위에서 테이퍼지는 벽부 두께를 갖는 콘 몸체를 제공하였다. 제2 몰드 구성은, 콘 목부에서 약 0.25 mm, 콘 외경에서 약 0.13 mm까지의 범위에서 벽부 두께를 갖는 콘 몸체를 제공하였다. 제1 몰드 구성과 같은 몰드 구성은, 상대적으로 더 얇은 콘 몸체의 공칭 벽 두께를 제공하는 제2 몰드 구성과 같은 몰드 구성과 비교하여, 상대적으로 더 낮은 굽힘 계수 및 상대적으로 큰 비중을 갖는 나노재료와 함께 사용될 수 있다. 이와 같이, 콘 몸체의 몸체 중량을 제어하기 위해 상기 몰드 구성을 이용할 수 있다. 제2 몰드 구성과 함께 사용되는 나노복합물은 제1 몰드 구성과 함께 사용하는 나노재료와 비교하여 상대적으로 큰 굽힘 계수와 상대적으로 낮은 비중을 갖고 있을 수 있다. 제1 및 제2 몰드 구성은 실험 목적을 위한 것이며, 약 0.1 mm 내지 약 0.5 mm 범위의 콘 몸체 벽부 두께와 같이, 다른 몰드 디자인 및/또는 콘 몸체 벽 두께를 고려할 수 있다.
이상의 설명은 라우드스피커용 콘 몸체에 초점을 맞추었지만, 상기 재료 및 프로세스는 렌즈 뚜껑(dustcap), 위저(wizzer), 스파이더 및/또는 라우드스피커용 서라운드를 제조하는 데에도 적용될 수 있다. 따라서, 콘 몸체 및 서라운드는 동일 또는 상이한 재료를 이용하여 단일 유닛으로 함께 성형될 수 있다. 별법으로서, 콘 몸체는 별도로 성형되고, 서라운드는 동일 또는 상이한 재료를 이용하여 오버-성형될 수 있다(over-molded). 상기 서라운드는 형성된 콘 몸체의 거칠게 된 외면에 접합되도록 오버 성형될 수 있다. 다른 별법의 예에서, 서라운드는 별도로 성형되어 콘 몸체의 거칠게 된 외면에 접합될 수 있다. 재료 비용, 반복성, 제조 효율 및 바람직한 특성과 관련한 상기 이점은 또한 서라운드 및 스파이더에 존재할 수 있다.
오버성형된 서라운드의 한 가지 예에서, 서라운드는 폴리프로필렌과 양립 가능한 재료로 형성될 수 있고, 열가소성 가황물(thermoplastic vulcanizate; TPV)과 같은 재료로 제조될 수 있다. 이 예에서, 상기 재료는 대략 45 Shore A 및 75 Shore A 사이에 있을 수 있다. 상기 TPV는 전체 콘 몸체 8 wt%, 12 wt%와 같이, 미리 정해진 중량 비율의 나노복합물 폴리프로필렌 기반 콘 몸체로 사출 성형될 수 있다. 상기 콘은 사출 몰드 내의 위치 포스트(locating post) 상에 놓여질 수 있다. 한 가지 예에서, 재료 및 프로세스 생산성을 위해 4개의 밸브 게이트를 채용하는 도구 구조가 사용될 수 있다. 상기 밸브 게이트는 서라운드의 평탄한 "카라(collar)" 내로 향해질 수 있다. 게이트 브레이크(gate break)는 카라의 접합면과 동일 높이 또는 바로 아래에 유지되어, 제2 조립체를 지지할 수 있다. 상기 몰드 디자인은 최적화된 오버성형 접착을 개선 또는 생성하기 위한 수단으로서 콘 엣 지에서 선택적인 가열을 가능하게 한다. 상기 서라운드는, 충분한 재료 유동을 허용하여, 서라운드와 콘 몸체 사이에 견고하고 공극이 없으며 균일하고 직접적인 접합이 이루어지도록 하는 임의의 구성에서 콘 몸체로 오버 성형되도록 설계될 수 있다. 한 가지 예에서, 서라운드는 서라운드 롤(roll)을 충전하기 전에 부품 둘레에서 상당한 재료 유동을 증진시키기 위하여 Mango 등의 미국 특허 번호 제6,224,801호의 교시에 따라 구성될 수 있으며, 이 미국 특허는 참고로서 본 명세서에 합체된다.
상기 오버성형의 결과, 생성된 서라운드는 콘 몸체에 직접 접합되는 공극 없는 롤 구조이어야 한다. 따라서, 접착제, 비싼 조립 작업 및 관련된 품질 문제를 피할 수 있다. 열성형된 시트 스톡 또는 성형된 열경화성 고무로 제조되는 서라운드와 비교하여, 재료 및 프로세스 효율은 상당히 개선될 수 있다. 한 가지 예에서, 서라운드 재료는 SBS, SIS, SES, SEPS, SEBS 등과 같은 블록 코폴리머로 형성될 수 있다. 다른 예에서, 서라운드는 열가소성 올레핀(TPO)일 수 있다. 또 다른 예에서, 서라운드는 열가소성 우레탄(TPU) 또는 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(TPE) 등과 같이, 탄소 및 수소 이외에도 이종원자(heteroatoms)를 포함하는 임의의 가요성 엘라스토머일 수 있다. 이러한 여러 플라스틱 재료에는 종래의 또는 나노사이즈의 필러가 채워질 수 있고, 또는 가스 셀을 포함할 수 있어, 유리하게도 성질 및 중량을 변화시킨다. 상기 여러 재료는 유리하게도 여러 콘 몸체 재료에의 접착을 개선하도록 변형될 수 있고, 또는 핫 에어 플라스마와 같은 2차적인 처리에 놓여져 스피커 프레임에의 접착을 개선할 수 있다.
상기 렌즈 뚜껑 및 위저는 음성 코일 위에 끼워지도록 형성될 수 있고, 또는 음성 코일 내부에 삽입될 수 있다. 상기 렌즈 뚜껑 및 위저는 이동하는 질량부의 한 부품들이기 때문에, 위저 및 렌즈 뚜껑의 질량은 나노복합물을 이용하여 유리하게 감소될 수 있다. 또한, 유리하게도, 렌즈 뚜껑 및 위저의 강성은 개선될 수 있다. 보다 더 경질의 렌즈 뚜껑 및 위저는 라우드스피커의 동작 중에 고조파(harmonics)를 최소화할 수 있다. 따라서, 어느 주파수 대역의 소거(dropout)를 피할 수 있다.
도 13은 도구(1100)(도 11)를 이용하여 형성한 예시적인 콘 몸체(1300)의 단면도이다. 이 예의 콘 몸체(1300)는 원형이고, 외측 립(lip)(1302), 측벽(1304) 및 내측 립(1306)을 포함한다. 외측 립(1302)은 상기 콘 몸체의 일부를 원주 방향으로 에워쌀 수 있고, 콘 외주를 강화시키도록 형성될 수 있다. 한 가지 예에서, 외측 립(1302)은 서라운드를 매개로 라우드스피커 프레임과 결합될 수 있다. 다른 예에서, 외측 립(1302)은 직접 라우드스피커 프레임과 결합될 수 있다. 외측 립(1302)은 콘 몸체(1300)의 외주를 규정할 수 있다. 외측 립(1302)은 측벽(1304)에 대해 미리 정해진 각도(λ), 예컨대 90°보다 큰 각도, 또는 약 95°를 형성하는 외벽(1314)을 포함할 수 있다. 외벽(1314)은 측벽(1304)으로부터 미리 정해진 거리(d1) 만큼 종방향으로 연장될 수 있다. 외벽(1314)은 또한 미리 정해진 두께(t1)(1320)로 형성될 수 있다. 상기 콘은 또한 외측 립(1302) 없이 형성될 수 있다.
측벽(1304)은 외측 립(1302)과 내측 립(1306) 사이에서 연장하는 원뿔 형태를 형성할 수 있다. 측벽(1304)의 기울기는 각도(θ)(1324), 예컨대 28.8°, 외측 립(1302)과 내측 립(1306) 사이의 거리 및/또는 높이(h)(1326)에 의해 규정될 수 있다. 내측 립(1306)은 콘 몸체(1100)에 동심원 상으로 위치되는 구멍(1328)을 형성할 수 있다. 구멍(1328)은 미리 정해진 반경(r)을 가질 수 있고, 음성 코일 포머(116)(도 1)을 수용하도록 형성될 수 있다. 내측 립(1306)은 측벽(1304)에 대해 미리 정해진 각도를 형성하는 외벽(1332)을 포함할 수 있다. 이 미리 정해진 각도는 상기 각도(θ)+90°일 수 있다. 외벽(1332)은 측벽(1304)으로부터 미리 정해진 거리(d2), 예컨대 약 1.2 밀리미터 종방향으로 연장될 수 있다. 외벽(1332)은 또한 미리 정해진 두께(t2)(1336)로 형성될 수 있다.
콘 몸체의 측벽(1304)은 균일한 두께로 형성될 수 있다. 별법으로서, 측벽(1304)은 테이퍼 형태로 형성될 수 있다. 돌출 원추 영역(1110)과 홈이 진 원추 영역(1118)(도 1)을 테이퍼지게 함으로써 이러한 테이퍼링을 달성할 수 있다. 한 가지 예에서, 제1 및 제2 인서트(1106, 1114)는 동작식으로 협동하여, 재료 유입 포트(1112)(도 11)로부터 제1 및 제2 쇼울더 영역(1108, 1116)(도 11)을 향해 점차적으로 더 얇아지는 측벽을 형성할 수 있다. 또한, 재료를 절감하기 위해, 측벽 두께를 제어하면, 강성을 변화시킴으로써, 이 경우에는 재료보다는 기하 형태를 수정함으로써, 라우드스피커 대역폭을 수정하는 다른 메커니즘을 제공할 수 있다.
도 13에서, 내측 립(1306)의 외벽(1332)의 두께(t2)는 측벽(1304)의 두께보 다 더 클 수 있고, 외측 립(1314)의 두께(t1)(1320)는 측벽(1304)의 두께보다 얇을 수 있다. 도 14는 도 13에 도시한 콘 몸체의 부분 측단면도이다. 도 14에 도시한 측벽(1304)은, 측벽(1304)의 두께가 내측 립(1306)으로부터 외측 립(1302)을 향해 점차적으로 더 작아지는 것을 보여주고 있다. 한 가지 예에서, 내측 립(1306)으로부터 약 4.0 밀리미터의 거리(d3)에서 측벽(1304)의 두께(t3)는 약 0.22 밀리미터 내지 약 0.32 밀리미터의 범위 내에 있고, 외측 립(1302)으로부터 약 6.0 밀리미터의 거리(d4)에서, 측벽(1304)의 두께(t4)는 약 0.17 밀리미터 내지 약 0.27 밀리미터의 범위 내에 있다. 또한, 이 예에서, 내측 립(1306)의 외벽(1332)의 두께(t2)(1336)는 약 0.23 밀리미터 내지 약 0.33 밀리미터의 범위 내에 있을 수 있고, 외측 립(1302)의 외벽(1314)의 두께(t1)(1320)는 약 0.15 밀리미터 내지 약 0.25 밀리미터일 수 있다. 다른 예에서, 다른 범위의 두께가 가능하다.
본 발명의 다양한 실시예를 설명하였지만, 당업자는 다른 많은 실시예 및 변형이 본 발명의 범위 내에서 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 오직 첨부된 특허청구범위와 그 등가물에 의해서만 제한된다.

Claims (34)

  1. 프레임과;
    고유동성의 복합 조성물을 이용하는 사출 성형 프로세스에 의해 형성되고, 상기 프레임과 결합되도록 구성되는 외측 립과, 구멍을 형성하는 내측 립을 포함하며, 주성분으로서 폴리프로필렌과 나노재료로 구성되는 콘 몸체와;
    상기 내측 립과 결합되는 음성 코일 포머
    를 포함하고,
    상기 음성 코일 포머가 상기 프레임에 대해 왕복되는 경우, 상기 콘 몸체가 진동하는 것
    인 라우드스피커.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 나노재료는 1 중량% 내지 20 중량%의 나노복합물이고, 나머지는 폴리프로필렌인 라우드스피커.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 나노재료는 4 중량% 내지 16 중량%의 나노복합물이고, 나머지는 폴피프로필렌인 라우드스피커.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 나노재료는 8 중량% 내지 12 중량%의 나노복합물이고, 나머지는 폴피프로필렌인 라우드스피커.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 나노재료는 나노클레이를 포함하고, 상기 폴리프로필렌은 상기 나노클레이의 캐리어 수지 및 베이스 수지로서 사용되는 것인 라우드스피커.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 나노재료는, 상기 폴리프로필렌에 분산되고 적어도 하나의 치수가 1 내지 999 나노미터 범위에 있는 특징물을 포함하는 것인 라우드스피커.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 콘 몸체와 프레임 사이에 결합되는 서라운드를 더 포함하고, 상기 서라운드는 주성분으로서 폴리프로필렌과 나노재료로 구성되는 것인 라우드스피커.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 프레임과 결합되는 제1 구멍과, 상기 코일 포머와 결합되는 제2 구멍을 형성하도록 형성되는 스파이더를 더 포함하고, 상기 스파이더는 주성분으로서 폴리프로필렌과 나노재료로 구성되는 것인 라우드스피커.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 콘 몸체는 벽 두께가 0.1 밀리미터 내지 0.5 밀리미터인 라우드스피커.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 콘 몸체는 벽 두께가 0.15 밀리미터 내지 0.33 밀리미터인 라우드스피커.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 외측 립과 내측 립 사이에서 연장되는 측벽을 포함하고, 상기 외측 립은 상기 측벽에 대해 90°보다 더 큰 미리 정해진 각도를 형성하는 외벽을 포함하는 것인 라우드스피커.
  12. 고유동성의 복합 조성물을 이용하는 사출 성형 프로세스에 의해 형성되는 라우드스피커 콘으로서,
    열가소성 베이스 재료와;
    상기 열가소성 베이스 재료에 분포되는 미리 정해진 중량 비율의 필러
    를 포함하고,
    상기 필러는 상기 열가소성 베이스 재료의 강성 특성을 증대시키도록 적어도 하나의 치수에 있어서 10-9 미터보다 작은, 상기 열가소성 베이스 재료에 분포되는 특징물을 포함하고,
    상기 미리 정해진 중량 비율은 라우드스피커 콘이 장착되어 동작되는 라우드스피커에서 통과 대역 주파수의 고주파수 말단을 조정하도록 조정 가능한 것인
    라우드스피커 콘.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 열가소성 베이스 재료는 3보다 더 큰 점성 대 전단율 비를 갖는 것인 라우드스피커 콘.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 열가소성 베이스 재료는 0.95보다 작은 비중을 갖는 것인 라우드스피커 콘.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 열가소성 베이스 재료는 230℃ 및 2.16 kg 부하에서, 12 g/min 이상의 멜트 유량을 갖는 것인 라우드스피커 콘.
  16. 청구항 12에 있어서, 상기 열가소성 베이스 재료는 23℃에서 1,724 MPa 이상의 굽힘 계수를 갖는 것인 라우드스피커 콘.
  17. 청구항 12에 있어서, 상기 특징물은 상기 열가소성 베이스 재료에 형성되는 나노구조인 라우드스피커 콘.
  18. 청구항 12에 있어서, 상기 열가소성 베이스 재료는 고유동성의 폴리프로필렌이고, 상기 라우드스피커 콘의 벽 두께는 0.1 밀리미터 내지 0.33 밀리미터인 라우드스피커 콘.
  19. 청구항 12에 있어서, 상기 라우드스피커 콘의 강성은 1 중량% 및 16 중량% 사이에서 상기 미리 정해진 중량 비율을 조정하는 것에 기초하여 변화될 수 있고, 상기 라우드스피커 콘의 중량은 10% 이하로 변화하는 것인 라우드스피커 콘.
  20. 고유동성의 복합 조성물을 이용하는 사출 성형 프로세스에 의해 형성되는 콘 몸체로서, 미리 정해진 두께의 벽부, 강성 및 댐핑을 가지며, 상기 벽부는 중량 비율의 열가소성 베이스 재료와 중량 비율의 나노재료를 포함하는 것인 상기 콘 몸체와,
    상기 콘 몸체와 결합되는 음성 코일 포머로서, 상기 콘 몸체는 상기 음성 코일 포머가 왕복하는 경우 진동하도록 동작되는 것인, 상기 음성 코일 포머
    를 포함하고,
    상기 정해진 두께를 조정하고 상기 나노재료의 중량 비율을 조정하면, 상기 강성은 동일하게 남아 있고 상기 댐핑은 변화되는 것인
    라우드스피커.
  21. 청구항 20에 있어서, 상기 댐핑은 상기 나노재료의 중량 비율이 증가함에 따라 감소하고, 상기 나노재료의 중량 비율이 감소함에 따라 증가하는 것인 라우드스피커.
  22. 청구항 20에 있어서, 상기 열가소성 베이스 재료는, 상기 나노재료와 조합 가능하고 0.1 밀리미터와 0.33 밀리미터 사이의 정해진 두께의 벽부를 포함하는 몰드를 충전하도록 사출 가능한 고유동 폴리프로필렌인 라우드스피커.
  23. 청구항 20에 있어서, 상기 정해진 두께는 상기 라우드스피커 콘에 의해 형성되는 내측 오리피스와, 상기 라우드스피커 콘의 외주 엣제 사이에서 테이퍼지는 것 인 라우드스피커.
  24. 청구항 23에 있어서, 상기 라우드스피커 콘의 정해진 두께는 상기 내측 오리피스에서 0.25 밀리미터와 상기 외주 엣지에서 0.13 밀리미터 사이에서 테이퍼지는 것인 라우드스피커.
  25. 청구항 23에 있어서, 상기 라우드스피커 콘의 정해진 두께는 상기 내측 오리피스에서 0.25 밀리미터와 상기 외주 엣지에서 0.33 밀리미터 사이에서 테이퍼지는 것인 라우드스피커.
  26. 음성 코일 포머와,
    상기 음성 코일 포머에 결합되고, 고유동성의 복합 조성물을 이용하는 사출 성형 프로세스에 의해 형성되는 콘 몸체로서, 폴리프로필렌과 나노재료를 포함하며, 상기 음성 코일 포머와 이웃하는 제1의 거칠게 된 영역과 제2의 거칠게 된 영역을 갖는 표면을 갖도록 형성되는 콘 몸체와,
    상기 콘 몸체와 결합되어 상기 제2의 거칠게 된 영역과 이웃하는 서라운드와,
    상기 서라운드와 결합되는 프레임
    을 포함하는 라우드스피커.
  27. 청구항 26에 있어서, 상기 콘 몸체는 외측 립과, 내측 립과, 상기 내측 립과 외측 립 사이에 형성되는 측벽을 더 포함하고, 상기 측벽의 두께는 상기 내측 립으로부터 외측 립을 향해 점차적으로 작아지는 것인 라우드스피커.
  28. 청구항 26에 있어서, 상기 콘 몸체는 외측 립과, 내측 립과, 상기 내측 립과 외측 립 사이에 형성되는 측벽을 더 포함하고, 상기 내측 립과 외측 립은 각각 상기 측벽으로부터 멀리 미리 정해진 각도로 종방향으로 연장하는 외벽을 포함하는 것인 라우드스피커.
  29. 청구항 26에 있어서, 상기 콘 몸체는 외측 립과, 내측 립과, 상기 내측 립과 외측 립 사이에 형성되는 측벽을 더 포함하고, 상기 내측 립의 두께는 상기 측벽의 두께보다 크고, 상기 외측 립의 두께는 상기 측벽의 두께보다 작은 것인 라우드스피커.
  30. 라우드스피커 형성 방법으로서,
    제1 절반부와 제2 절반부를 갖는 몰드를 제공하고,
    상기 몰드의 제1 절반부의 내면의 적어도 일부를 거칠게 하며,
    주성분으로서 폴리프로필렌과 나노재료로 이루어지는 제1 재료를 상기 몰드 내로 사출하고,
    상기 몰드를 이용하여, 평탄한 부분과 거칠어진 부분을 포함하는 표면을 갖는 콘 몸체를 형성하며,
    제2 재료를 상기 콘 몸체 위로 오버성형하여, 상기 표면의 거칠어진 부분의 적어도 일부에 부착함으로써 서라운드를 형성하는 것
    을 포함하는 라우드스피커 형성 방법.
  31. 청구항 30에 있어서, 상기 콘 몸체를 형성하는 것은 1초 이내에 상기 재료를 사출하여 몰드를 충전하는 것을 포함하는 것인 라우드스피커 형성 방법.
  32. 청구항 30에 있어서, 상기 제1 재료와 제2 재료를 조합하여 상기 나노재료를 상기 제1 재료 내에 분산시키는 초기 단계를 더 포함하는 라우드스피커 형성 방법.
  33. 청구항 30에 있어서, 상기 콘 몸체를 형성하는 것은 상기 몰드에 포함된 게이트를 조정하여 상기 콘 몸체의 벽 두께를 조정하는 것을 포함하는 것인 라우드스피커 형성 방법.
  34. 라우드스피커 제조 방법으로서,
    베이스 플라스틱 재료를 선택하고,
    원하는 통과 대역 주파수 응답 범위를 선택하며,
    미리 정해진 중량 비율의 나노재료를 상기 베이스 플라스틱 재료 내에 분산시켜, 상기 원하는 통과 대역 주파수 응답 범위를 만들어 내고,
    상기 미리 정해진 중량 비율의 나노재료가 분산되어 있는 상기 베이스 플라스틱 재료로부터 고유동성의 복합 조성물을 이용하는 사출 성형 프로세스에 의해 플라스틱 콘 몸체를 형성하고,
    상기 플라스틱 콘 몸체를 이용하여, 상기 원하는 통과 대역 주파수 응답 범위 내에서 동작 가능한 라우드스피커를 만드는 것
    을 포함하는 라우드스피커 제조 방법.
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