KR101116572B1

KR101116572B1 - 셀룰로오스 압전종이로 만든 초소형 스피커

Info

Publication number: KR101116572B1
Application number: KR1020090039088A
Authority: KR
Inventors: 김재환
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2009-05-06
Filing date: 2009-05-06
Publication date: 2012-02-28
Also published as: KR20100120328A

Abstract

본 발명은 셀룰로오스 압전종이로 만든 초소형 스피커에 관한 것으로, 유연성, 생분해성, 저 생산비용 및 높은 압전특성을 갖는 압전종이의 양면에 전극을 입히고 이를 지지구조물로 고정함으로써 전기장을 가할 경우 압전종이에서 음이 발생하도록 하며, 압전종이 초소형 스피커 요소를 프레임 구조물에 다수 설치하여 음의 스테레오화 또는 음의 지향성을 향상시킨 구성을 개시한다.

압전효과, 압전종이, 압전스피커, 셀룰로오스, 초소형 스피커

Description

셀룰로오스 압전종이로 만든 초소형 스피커{Micro speaker made with cellulose Piezo-paper}

본 발명은 셀룰로오스 압전종이로 만든 초소형 스피커에 관한 것이다.

압전효과(Piezoelectricity)는 100여 년 전 자크(Jacques)와 피에르 퀴리(Pierre Curie)에 의해 수정 결정(Quarts crystal)에서 발견된 이후로 의료, 군사, 산업, 가전, 탐사 등 여러 분야에서 이용되어 왔다. 특히, 2차세계대전 전후로 압전 세라믹이 개발되면서 이를 응용한 기술개발은 폭넓게 진행되었으며, 대표적인 것으로 가속도 센서, 적외선 센서, 초음파 트랜스듀서, 스피커, 마이크로폰, 작동기(actuator) 소나 등이 있다. 압전효과란 압전재료에 압력이나 힘을 가하면 압전재료 표면에 전압이 발생하며 (이를“direct effect"라 칭함) 또한 반대로 전압을 가했을 때 압전재료의 크기에 따라 변형을 일으키는 현상 (이를 "converse effect"라 칭함)을 말한다. 전자의 응용예로는 마이크로폰, 진동센서, 스위치, 가속도센서가 있고 후자의 응용예로는 스피커와 작동기가 있다. 압전재료들은 또한 초전효 과(Pyroelectricity)를 가지고 있으며 이는 압전재료 주위의 온도가 변할 경우 이에 비례해서 압전재료 표면에 전압이 발생하는 것을 말한다.

이러한 압전효과를 가진 재료로서 압전세라믹과 압전폴리머가 있다. 압전세라믹은 1940년대에 바륨-티타늄 산화물 (BaTiO₃)의 압전세라믹이 개발되었고 1950년대에는 납-지르코늄-티타늄의 산화물 (Lead-Zirconate-Titanate, PZT)의 압전세라믹이 개발되면서 본격적으로 연구되기 시작하였다. 압전세라믹은 단단하고 조밀한 구조로 되어 있어 화학적으로 불활성이며 습기나 여러 온도에 내환경성이 있으며, 기계적으로나 전기적으로 정확한 배열성을 갖는 장점이 있으나 세라믹 자체의 취성이 있고 무거우며 휘어지지 않는 단점이 있다. 특히 납성분이 첨가되므로 인체유해성에 대한 논란이 있어서 납을 사용하지 않는 새로운 압전세라믹에 대한 연구가 진행되고 있다. 압전폴리머는 1969년 가와이(Kawai)에 의해 polyvinylidene fluoride (PVDF)에 압전성이 있는 것이 발견되면서 개발되기 시작하였다. 압전폴리머는 얇은 엔지니어링 플라스틱으로서 그 가공이 다른 센서소재보다 간단할 뿐만 아니라 유연성이 있고, 대면적 가공이 용이하며, 충격에 강하여 깨지지 않고, 가볍고, 초음파 응용에 좋은 음향특성이 있으며, 생산성이 좋은 특성이 있다. 그럼에도, 이는 사용온도에 제한이 있으며, DC 측정에 적합하지 않으며, 압전특성이 압전세라믹보나 낮은 단점이 있다.

최근에는 셀룰로오스를 주성분으로 하는 압전종이가 개발되었는데, 압전종이는 셀룰로오스 종이의 유연성, 생분해성, 저 생산비용 및 높은 압전특성을 갖는 특 징이 있다. 셀룰로오스 펄프를 DMAc나 수산화 나트륨 등의 용매를 사용하여 녹인 셀룰로오스 용액을 박막으로 캐스팅(casting)한 후, 물과 반응을 시킴으로써 용매를 제거하여 원래의 셀룰로오스로 재생시켜 셀룰로오스 종이를 만든다. 이때 셀룰로오스 마이크로 파이버를 압출, 연신, 전기적 분극 등의 방법으로 일정한 방향으로 배열함으로서 압전성을 좋게 하며 탄소나노튜브를 셀룰로오스 용액에 섞어서 압전종이의 압전성을 향상시키기도 한다. 이와 같이 제조된 압전종이는 제조가격이 싸고 인체에 무해하며 생분해성이 없으므로 산업폐기물이 발생하지 않는 장점이 있다.

기존의 스피커는 대부분 영구자석과 코일이 들어가 있는 전동형(electrodynamic type) 스피커를 사용하고 있다. 전동형 스피커는 부피가 크기 때문에 박형화 추세에 있는 휴대폰의 구조에 어려움이 있다. 그러나 압전재료를 이용한 초소형 스피커는 박형화 할 수 있을 뿐만 아니라 소비전력을 줄일 수 있는 장점이 있어 선진 업체들에서 개발이 활발하게 진행되고 있다. 국내 Fils사 에서는 2006년 압전고분자(PVDF)에 탄소나노튜브로 투명전극을 입힌 필름 스피커를 개발하여 시판하고 있다. 국내 업체인 피엔아이에서는 PVDF에 전도성박막을 입히는 기술을 이용한 필름스피커 특허을 갖고 있으며 시제품을 최근에 개발한 바 있다. PVDF 제조사인 미국 MSI에서는 압전폴리머 스피커를 이미 1990년대에 개발하였다. 미국 SRI사에서는 유전탄성체 고분자(Dielectric elastomer)를 이용하여 고분자스피커를 시연한 바 있다. 최근에는 영국 Warwick대학에서 박판의 유연한 스피커를 개발하였다. 도체 및 절연체 박막을 적층해서 만든 이 "Flat, Flexible Loudspeaker"는 지 향성과 소리 재현성이 높고 가격이 저렴하다. 현재 Warwick Audio Technology라는 회사를 통해 상품화를 진행하고 있다. 이 외에도 일본의 마쓰시다, 미국의 Magnepan등의 회사에서 필름 스피커를 개발하고 있다.

휴대폰용 초소형 스피커는 MEMS 기술을 적용한 AlN, ZnO 박막을 이용하여 초소형 스피커를 만든 바 있으며, PMN-PT의 단결정 압전재료를 이용하여 초소형 스피커를 만들기도 했다. 이러한 초소형 스피커는 반도체 박막공정을 이용하므로, 물질의 특성이 일정하지 않으며, 가격이 비싸고 내구성이 약한 문제가 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 압전성이 우수하고, 생분해성이 있어서 산업폐기물을 발생시키지 않으며, 유연하고, 낮은 전압에도 큰 변형을 일으키고, 저에너지 소모, 빠른 응답성 및 저렴한 제조가격을 가지는 압전종이를 이용한 초소형 스피커를 제공하는 데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 위해, 유연성, 생분해성, 저 생산비용 및 높은 압전특성을 갖는 압전종이의 양면에 전극을 입히고 이를 지지구조물로 고정함으로써 전기장을 가할 경우 압전종이에서 음이 발생하도록 하며, 압전종이 초소형 스피커 요소를 프레임 구조물에 다수 설치하여 음의 스테레오화 또는 음의 지향성을 향상시키도록 하였다.

압전종이로 만든 초소형 스피커는 박형으로 만들 수 있으므로 배열화 하여 여러 곳에서 음을 내는 스테레오 음향이 가능하며, 프레임 구조물을 원형 또는 곡면으로 하면 음의 지향성을 줄 수 있다. 압전종이는 셀룰로오스로 되어 있으므로 제조단가가 싸고 생분해성과 생적합성이 있어 환경친화적이다. 그리고 셀룰로오스 압전종이는 기존의 PVDF 압전고분자보다 사용온도가 비교적 높다 (~140˚C).

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 후술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 이해될 것이다.

셀룰로오스 압전종이는 종이 양면에 전극을 입히고 전기장을 가하면 역압전효과에 의해 전기장에 따라 떨림을 발생시킨다. 도 1은 압전종이 초소형 스피커의 개략도를 나타낸 것으로서, 그 구성은 전극(2)을 입힌 압전종이(1)를 지지구조물에 고정한 형태로서 크기가 작은 박형으로 만들 수 있다. 압전종이(1)에 전극을 입히는 작업은 열증착기(Thermal Evaporator)를 사용하여 은이나 알루미늄의 전극을 입히고 내부식성을 좋게 하기 위해 니켈이나 크롬을 얇게 올린다. 또는 ITO나 탄소나노튜브 복합재를 사용하여 투명전극을 입힐 수도 있다. 압전종이는 프레임 구조물(4)에 고정하되, 간격을 유지하기 위해 지지구조물(3-1) 위에 압전종이(1)를 또 다른 지지구조물(3-2)로 눌러서 고정한다. 이렇게 압전종이를 사이에 둔 지지구조물은 프레임 구조물(4)에 리벳과 같은 금속(5)으로 고정하여 압전종이 양면에 입혀진 전극과 연결되도록 한다. 압전종이를 지지구조물에 고정할 때 압전종이가 늘어나지 않도록 팽팽한 상태로 고정시키며 이를 유지할 수 있도록 지지구조물 간에 요철을 형성한다(도 2). 지지구조물(3-1, 3-2)은 절연체로서 원형, 사각형, 육각형, 팔각형의 모양을 할 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 프레임 구조물(4)에 초소형 스피커 요소를 배열하여 음의 스테레오화와 지향성을 갖는 스피커를 만들 수 있 다 (도 3 참조). 이때 전극의 연결을 위해 프레임 구조물(4)의 뒷면에 버스 라인 (bus line, 6) 2개를 설치하여 각 초소형 스피커 요소의 두 전극을 이들에 연결함으로써 서로 겹치지 않도록 한다. 지지구조물(3-1, 3-2) 사이에 고정된 압전종이(1)의 두 전극(2)은 지지구조물에 비어 홀 (via-hole)을 뚫어서 금속 리벳으로 고정함으로써 두 전극이 버스 라인에 연결되도록 할 수도 있고, 비어 홀을 납으로 메워서 두 전극을 버스 라인에 연결할 수도 있다.

후면 구조물에는 스피커의 후압(back pressure)을 맞춰주기 위해 공기통로를 작게 만든다. 스피커의 크기는 10mm 미만으로 작기 때문에, 도 3에 나타낸 바와 같이, 프레임 구조물에 여러 개를 설치하여 음을 여러 곳에서 발생시킬 수도 있다. 프레임 구조물은 평면뿐만 아니라, 곡면 또는 원형으로 하여 음의 지향성을 좋게 할 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압전종이 초소형 스피커 요소의 개략도,

도 2는 압전종이가 늘어나지 않고 팽팽한 상태로 유지되도록 요철이 지지구조물 사이에 형성된 것을 나타낸 단면도, 및

도 3은 프레임 구조물에 다수의 초소형 스피커 요소를 배열한 상태를 나타낸 예시도이다.

Claims

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압전종이 양면에 금속 박막을 입혀 전극을 형성하고, 이러한 압전종이를 요철이 형성된 두 지지구조물 사이에 끼워서 프레임 구조물과 평행을 이루도록 장력을 유지시켜 고정한 구조로 구성된 셀룰로오스 압전종이로 만든 초소형 스피커 요소를 평면 또는 곡면의 프레임 구조물에 다수 설치하여 음의 입체성 및 지향성을 향상시키도록 구성된 셀룰로오스 압전종이로 만든 초소형 스피커.
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