KR101598927B1

KR101598927B1 - 압전 스피커

Info

Publication number: KR101598927B1
Application number: KR1020160008298A
Authority: KR
Inventors: 김혜진; 양우석; 김종대
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2016-03-02
Also published as: KR20160015348A

Abstract

본 발명은 압전 스피커에 관한 것으로서, 전기 신호를 진동으로 변환하여 음향을 출력하는 압전층; 상기 압전층의 상부 또는 하부에 형성되어, 상기 압전층에 전기 신호를 인가하는 전극; 제1 음향 진동판 및 제2 음향 진동판을 포함하는 이종물질로 구성되고, 상기 전극이 형성된 압전층의 하부에 부착되는 음향 진동판; 및 상기 음향 진동판의 측면을 둘러싸는 형태로 부착되는 프레임을 포함한다.

Description

압전 스피커{Piezoelectric Speaker}

본 발명은 저음영역을 재생할 수 있고 출력음압이 향상된 저음 보강형 압전 스피커에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이종물질의 접합, 코팅 또는 증착에 의해 형성된 음향 진동판을 이용하여 음질을 향상시키고, 저주파에서도 높은 음압을 얻을 수 있으며, 음의 평탄도를 개선할 수 있는 저음 보강형 압전 스피커에 관한 것이다.

최근 휴대폰, 스마트폰 및 노트북 등의 휴대 단말기를 비롯하여 LED TV 등을 포함하는 TV 제품의 슬림화가 가속됨에 따라, 기존의 자석 코일을 이용한 다이나믹 스피커 (Dynamic Speaker)에 대한 대안으로 압전 스피커가 주목을 받고 있다. 압전 스피커는 기존의 다이나믹 스피커에 비하여 얇고 가벼우며 전력소모가 적은 장점이 있어 미래 선도형 스피커 기술로 부각되고 있다. 특히, 휴대 단말기의 경우 소형, 박형 및 경량의 요구사항이 있어서, 압전 스피커에 대한 응용이 활발히 탐색되고 있는 추세이다.

그러나 압전 스피커는 상기 장점에도 불구하고 종래의 다이나믹 스피커에 비해 출력음압이 낮고 저주파 재생이 어렵다는 단점이 있어 상용화에 어려움을 겪고 있다. 종래의 압전형 스피커에는 압전 진동자를 이용하거나, 금속 진동판 상부에 압전 디스크를 덧붙여 제작하는 방식의 압전 스피커, PVDF(Polyvinylidene Fluoride)와 같은 필름형 압전 스피커, 실리콘 MEMS(Mechanical Electronic Micromachined System) 공정을 이용하여 제작하는 방식의 초소형 압전 스피커 등이 있다.

종래의 압전 스피커로서, 압전 진동자를 이용한 압전 스피커는 진동패널의 외곽 부위에 압전 진동자를 장착하여 제작되며, 압전 진동자에 의해 발생된 진동이 진동패널을 진동시켜 음이 발생하는 원리를 이용한다. 이와 같이 압전 진동자를 이용한 압전 스피커는 압전체의 진동이 진동 전달용 탄성체를 거쳐 진동패널에 전달되어야 하므로, 압전체의 진동이 매우 커야 하고 압전 진동자에 비해 상대적으로 큰 진동패널을 구비해야 하는 단점이 있다. 또한 압전 진동자를 이용한 압전 스피커의 경우 진동을 전달하는 과정에서 불필요한 공진이 발생할 수 있어 출력음압의 픽-딥(Peak-dip)이 발생할 수 있고, 음의 왜곡이 일어나 음질의 저하를 가져올 수 있다.

또 다른 종래의 압전 스피커로서, 금속 진동판 상부에 압전 디스크를 덧붙여 제작하는 방식의 압전 스피커는 금속판 또는 합금 등을 이용한 진동박막 상부에 접착 물질을 이용하여 압전체를 붙이는 구조를 가지며, 압전체에 가해지는 입력 신호를 통해 금속 진동판에 변위가 발생함으로써 음이 재생되는 원리를 이용한다. 이러한 압전 스피커는 종래의 압전 진동자를 이용한 압전 스피커에 비해 소형으로 제작이 가능하며 금속 진동판의 진동 전달력이 우수하여 저전압으로 구동이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 금속 진동판을 이용한 압전 스피커는 압전체에 비해 진동박막의 두께가 상대적으로 두꺼워 높은 출력음압 및 저음재생이 어려운 단점이 있으며, 금속 자체의 탄성계수가 매우 높아 현재까지 1kHz 이하의 저음을 재생하기는 매우 어려운 실정이다. 또한 기존의 금속판을 이용한 진동박막의 경우 금속재질이 갖는 차갑고 날카로운 음색으로 인해 풍성한 음장감을 구현하기가 어렵고 진동박막을 지지하는 프레임에 의해 불필요한 공진이 발생할 수 있어 음의 왜곡을 초래하기 쉽다.

또 다른 종래의 압전 스피커로서, 압전 필름 소재를 이용한 필름형 압전 스피커는 PVDF와 같은 압전 필름 소재를 이용하여 상하부에 전극을 형성하고 전압을 인가하여 음을 발생시키는 원리를 이용한다. 필름형 압전 스피커는 압전 필름의 양측면에 고분자 전도체막을 형성하고, 그 테두리를 따라 연장된 형태로 전극을 형성한 후 전극에 전압을 인가하기 위한 단자를 형성하는 구조로 제작된다. 이러한 필름형 압전 스피커는 압전 재료의 압전상수가 크지 않아 변위가 작게 발생하므로 대면적 압전 스피커로 제작되어야 하며, 종래의 다른 스피커에 비해 상대적으로 진동박막의 크기가 크다는 단점이 있다.

이러한 종래의 압전 스피커는 다이나믹 스피커와 비교하여 출력음압이 낮으며 특히 저주파의 재생이 매우 어려운 단점을 안고 있다. 또한 주파수 재생대역이 좁아 음질이 떨어지고, 저주파 재생을 위해서는 진동판이 충분히 얇거나 커야 하므로 높은 출력음압과 저주파 재생을 위해서는 소형화가 쉽지 않은 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이종물질의 접합, 코팅 또는 증착에 의해 형성된 음향 진동판을 이용하여 음질을 향상시키고, 저주파에서도 높은 음압을 얻을 수 있으며, 음의 평탄도를 개선할 수 있는 저음 보강형 압전 스피커를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명에 따른 압전 스피커는, 전기 신호를 진동으로 변환하여 음향을 출력하는 압전층; 상기 압전층의 상부 또는 하부에 형성되어, 상기 압전층에 전기 신호를 인가하는 전극; 제1 음향 진동판 및 제2 음향 진동판을 포함하는 이종물질로 구성되고, 상기 전극이 형성된 압전층의 하부에 부착되는 음향 진동판; 및 상기 음향 진동판의 측면을 둘러싸는 형태로 부착되는 프레임을 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 이종물질 접합 또는 코팅에 의해 형성된 음향 진동판을 포함하는 압전 스피커를 제공함으로써, 이종물질 접합 또는 코팅에 의해 형성된 음향 진동판을 이용하여 음질을 향상시킬 수 있고, 저주파에서도 높은 출력 음압을 얻을 수 있으며, 음의 평탄도를 개선하는 효과가 있다.

또한, 이종물질 접합 또는 코팅에 의해 형성된 음향 진동판과 그 상부에 비대칭 또는 기울임 구조로 부착된 압전층을 포함하는 압전 스피커를 제공함으로써, 저주파 음압을 향상시킬 수 있고, 음의 왜곡을 줄여 음질을 크게 개선하는 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 스피커의 단면도 및 평면도,
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 스피커의 단면도 및 평면도,
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 스피커의 단면도,
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 압전 스피커의 단면도,
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 압전 스피커의 보호캡 전면에 형성된 복수의 음향홀의 다양한 형태를 나타낸 도면,
도 8 및 도 9는 각각 본 발명의 제5 실시예에 따른 압전 스피커의 단면도 및 평면도,
도 10은 본 발명에 따른 압전 스피커를 포함하는 스피커 어레이의 분해 사시도,
도 11은 본 발명에 따른 압전 스피커의 출력음압 특성을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 스피커의 단면도 및 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 스피커는 단층 박막 또는 적층 구조의 박막으로 구성된 압전층(110)과, 압전층(110)의 상부 혹은 상하부에 형성되는 전극(120)과, 압전층(110)과 기울임 구조 또는 비대칭 구조로 부착되고, 이종물질(130a, 130b)의 접합, 증착 또는 코팅에 의해 형성되는 음향 진동판(130)과, 압전층(110)과 음향 진동판(130)을 부착하는 고탄성 댐핑물질층(140)과, 음향 진동판(130)의 측면을 둘러싸는 형태로 고탄성 접착제(152)를 이용하여 부착하는 프레임(150) 등을 포함한다.

압전층(110)은 전기 신호를 물리적인 진동으로 변환하여 음향을 출력하고, 후막 형태의 압전 세라믹에 대해 연마 공정을 수행하여 얇은 단층 박막으로 형성되거나, 적층 구조의 박막을 증착 또는 코팅하여 형성된다. 압전층(110)은 PZT와 같은 다결정 세라믹뿐 아니라, PMN-PT, PZN-PT, PIN-PT, PYN-PT 등의 단결정 압전 소재, PVDF, PVDF-TrFE 등의 유연 압전 폴리머 소재, BNT (BaNiTiO3), BZT-BCT 등의 무연 압전 신소재 등을 포함할 수 있다. 또한, 압전층(11)은 사각형뿐만 아니라, 원형, 타원형 및 다각형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.

또한, 압전층(110)은 구조적 대칭성을 피하기 위해 음향 진동판(130)에 기울임 구조 또는 임의의 비대칭 구조로 부착될 수 있다. 자세하게는, 압전층(110)은 음향 진동판(130)에 대해 45<α<90 도의 각도로 형성되는 것이 바람직하며, 60~75 도의 각을 갖는 기울임 구조가 가장 이상적이다. 즉, 압전 스피커의 상하좌우의 구조적 대칭성은 피하되, 프레임(150)의 네 꼭지점에서의 응력이 균일하도록 기울임 구조를 갖는다. 이러한 형태의 기울임 구조는 압전층(110)에서 발생된 기계적 진동이 압전 스피커의 프레임(150)에 의해 정상파(Standing Wave)를 형성하는 것을 방지하여 음의 왜곡을 줄이고 음질을 개선해준다.

전극(120)은 제1 전극(120a) 및 제2 전극(120b)을 포함하고, 압전층(110)의 상부 또는 하부에 형성되어, 압전층(110)의 양측면을 전기적으로 오픈함으로써, 압전층(110)에 전기 신호를 인가한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전극(120a) 및 제2 전극(120b)은 각각 압전층(110)의 상부 및 하부에 형성되되, 제2 전극(120b)을 압전층(110)의 상부의 소정영역으로 연결시켜 압전층(110)의 상부에 양극과 음극을 구성할 수 있다. 여기서, 압전층(110)의 상부에 양극과 음극을 구성할 경우, 양극과 음극이 서로 단락되지 않도록 전기적으로 오픈시키는 것이 바람직하다.

또한, 제1 전극(120a) 및 제2 전극(120b)은 사각형 및 부채꼴 등을 포함하는 다양한 형태로 형성될 수 있고, 소정의 간격만큼 이격되어, 외부 단자와 연결될 때, 솔더링(Soldering)이 쉽도록 배치될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 전극(120)으로서, 맞물림 전극을 사용할 수 있다. 이로 인해, 압전층(110)의 측면 분극 모드(Lateral Polarization Mode)를 사용할 수 있고, 상하부 전극에 비해 변위를 크게 할 수 있으며, 높은 음악을 얻을 수 있다.

음향 진동판(130)은 제1 음향 진동판(130a) 및 제2 음향 진동판(130b)을 포함하는 이종물질(130)의 접합, 코팅 또는 증착에 의해 형성된다.

제1 음향 진동판(130a)은 영률이 낮은 소재 예를 들면, 고무, 실리콘 및 우레탄 등을 포함할 수 있고, 10 ~ 300 ㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 제1 음향 진동판(130a)은 기존의 음향 진동판에 비해 영률이 낮고 진동 흡수율이 크므로, 압전층(110)의 진동에 의해 발생하는 왜곡 성분들을 흡수할 수 있고, 음의 왜곡을 줄일 수 있다.

제2 음향 진동판(130b)은 제1 음향 진동판(130a)에 비해 영률이 10 배 이상 높은 소재 예를 들면, 플라스틱, 금속 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀 등을 포함할 수 있고, 1 ~ 50 ㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 제2 음향 진동판(130b)은 압전 스피커의 주파수 응답 특성을 개선할 수 있고, 고주파 영역까지 출력음압의 특성을 고르게 할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 압전 스피커는 상기와 같은 음향 진동판(130)의 구조에 의해 기존의 압전 스피커에 비해 저음 영역을 크게 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 음의 평탄도 또한 개선할 수 있다. 즉, 제1 음향 진동판(130a)은 영률이 낮고 두께가 두꺼워 초기 공진 주파수를 낮추어 저음 재생을 크게 개선하는 역할을 하고, 제2 음향 진동판(130b)은 제1 음향 진동판(130a)의 자체 댐핑이 크고 음의 전달이 빠르지 않은 점을 개선하여 압전 스피커의 주파수 응답 특성을 개선할 수 있고, 고주파 영역까지 출력음압 특성을 고르게 개선하는 역할을 한다.

프레임(150)은 고탄성 에폭시(152)를 이용하여 음향 진동판(130)의 측면을 둘러싸는 형태로 부착되고, 음향 진동판(130)이 진동할 때, 내부 손실에 의한 반진동을 최소화하기 위해 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리아세탈(POM) 및 폴리카보네이트(PC) 등을 포함하는 플라스틱이나 알루미늄, 또는 스테인레스 스틸을 포함하는 금속이나 합금을 포함할 수 있다. 또한, 프레임(150)은 불필요한 사이즈를 줄이기 위해 1 mm 이하의 두께로 제작되는 것이 바람직하다.

도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 스피커의 단면도 및 평면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 스피커는 도 1의 압전 스피커와 동일한 구조로 이루어지나, 음향 진동판(330)이 단일 구조로 이루어진다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 스피커의 음향 진동판(330)은 단일 구조의 나노복합소재로 이루어진다. 여기서, 나노복합소재는 고무, 실리콘 및 우레탄 등의 폴리머와 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀 등의 나노구조물질을 합성한 물질이다.

따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 스피커의 음향 진동판(330)은 도 1에서 이종물질의 접합, 코팅 또는 증착에 의해 형성된 음향 진동판(130)과 동일한 특성을 가지면서도 가격이 싸고 양산이 유리하다는 장점이 있다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 스피커의 단면도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 스피커는 도 1의 압전 스피커의 동일한 구조로 이루어지나, 프레임(550) 구조가 상이하다. 즉, 프레임(550)이 압전 스피커의 후면 방사를 봉쇄하는 인클로저 형태로 형성된다. 압전 스피커의 음향 방사는 전면과 후면에서 동일한 음압으로 방사되므로 전면에서의 출력음압은 압전 스피커 후면에서의 음향 방사로 인해 저감될 수 있다. 특히 저음 영역에서는 음파의 파장이 길기 때문에 후면 음향 방사에 의한 영향을 더욱 크게 받게 된다.

따라서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 압전 스피커는 프레임(550) 구조가 후면으로의 음향 방사를 물리적으로 막는 인클로저 형태로 구성되어 있어서, 전면에서의 압전 스피커의 출력음압을 크게 향상시키는 효과가 있다.

도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 압전 스피커의 단면도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 압전 스피커는 도 5의 압전 스피커와 유사하게 후면으로의 방사를 막는 프레임(650)이 개시되어 있다. 다만, 본 발명의 제4 실시예에 따른 압전 스피커는 전면에 복수의 음향홀(662)을 포함하고 전면으로의 음향 방사에 영향을 주지 않으면서 압전 스피커를 보호하는 보호캡(660)을 더 포함한다. 보호캡(660) 전면의 복수의 음향홀(662)은 도 7에 도시된 바와 같이, 원형, 타원형, 다각형 및 방사형 등의 형태로 배치될 수 있고, 각각의 음향홀은 원형, 타원형, 다각형 또는 초승달의 형태로 형성될 수 있다.

추가로, 보호캡(660)의 전면에는 복수의 음향홀(662)을 보호하는 부직포(미도시)가 부착될 수 있다.

도 8 및 도 9는 각각 본 발명의 제5 실시예에 따른 압전 스피커의 단면도 및 평면도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 압전 스피커는 도 1의 압전 스피커와 동일한 구조로 이루어지나, 음향 진동판(830)에 일정 패턴의 주름(832)이 형성되어 있다. 자세하게는, 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제5 실시예에 따른 압전 스피커는 압전층(810)이 부착된 면을 제외한 음향 진동판(830)의 상면에 주름(832)이 형성되어 있다. 음향 진동판의 이러한 주름 형상은 음향 진동판을 기존의 평판형 음향 진동판보다 유연하게 하여 저주파에서의 재생 특성을 향상시킬 수 있고, 음향 진동판의 분할 진동을 억제하여 진동에 따라 음향 진동판이 휘어지지 않도록 보호하는 역할을 한다.

도 10은 본 발명에 따른 압전 스피커를 포함하는 스피커 어레이의 분해 사시도이다.

본 발명에 따른 압전 스피커는 도 10과 같은 스피커 어레이(1000)에 장착될 수 있다.

도 9를 참조하면, 압전 스피커(1010)는 프레임(1020)에 에폭시를 이용하여 부착되고, 압전 스피커(1010)를 포함하는 프레임(1020)의 상부에는 압전 스피커(1010)의 전면을 보호하기 위한 부직포(미도시) 또는 전면 음향홀(1032)을 구비한 캡(1030)이 부착된다. 스피커 어레이(1000)의 구성에 있어서, 프레임(1020)은 내부 손실이 커서 압전 스피커(1010)의 진동에 의한 반진동을 최소화할 수 있어야 한다. 또한, 스피커 어레이(1000)의 프레임(1020)은 개별 스피커의 인클로저를 포함할 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다.

도 9에 도시된 바와 같이, 2 개의 압전 스피커를 수납하도록 스피커 어레이(1000)를 구성하는 것 이외에도 2 개 이상의 선형 어레이 및 다수의 스피커 면형 어레이를 포함하도록 스피커 어레이(1000)를 구성할 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 압전 스피커의 출력음압 특성을 나타낸 그래프이다.

도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 압전 스피커의 출력음압(-■-)과 기존의 상용 압전 스피커의 출력음압(-◆-, -★-)을 비교하면, 본 발명에 따른 압전 스피커는 기존의 상용 압전 스피커의 출력에 비해 높은 출력을 보이고, 특히 저음 영역에서의 출력음압이 크게 강화되었음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 압전 스피커는 종래의 상용 압전 스피커가 구현하기 어려운 저음재생의 문제를 해결하였으며, 이종물질로 구성된 음향 진동판을 통하여 종래에 비해 넓은 주파수 영역에서 높은 출력음압을 얻을 수 있다.

또한 통상적인 압전 스피커는 음향 진동판의 크기가 커짐에 따라 더 큰 출력음압을 얻으므로, 본 발명에 따른 압전 스피커 또한 크기가 커진다면, 기존의 압전 스피커보다 더욱 큰 출력음압 및 저음특성을 기대할 수 있음은 자명한 사실이다. 따라서, 본 발명에 따른 압전 스피커는 소형임에도 불구하고 종래의 압전 스피커에 비해 출력음압 특성을 향상시킬 수 있고, 저음의 출력을 크게 개선할 수 있다.

본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

110: 압전층 120: 전극
130: 음향 진동판 140: 댐핑물질층
150: 프레임 152: 고탄성 접착제

Claims

전기 신호를 진동으로 변환하여 음향을 출력하는 압전층;
상기 압전층의 상부 또는 하부에 형성되어, 상기 압전층에 전기 신호를 인가하는 전극;
제1 음향 진동판 및 제2 음향 진동판을 포함하는 이종물질로 구성되고, 상기 전극이 형성된 압전층의 하부에 부착되는 음향 진동판; 및
상기 음향 진동판의 측면을 둘러싸는 형태로 부착되는 프레임;
을 포함하고,
상기 제1 음향 진동판은 상기 제2 음향 진동판보다 영률이 낮은 것을 특징으로 하고,
상기 제 1 음향 진동판은 상기 제 2 음향 진동판 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 압전 스피커.
제1항에 있어서,
상기 제 1 음향 진동판의 길이와 상기 제 2 음향진동판의 길이는 서로 다른 것을 특징으로 하는 압전 스피커.
제1항에 있어서,
상기 제 2 음향 진동판의 영률은 상기 제 1 음향 진동판의 영률보다 적어도 5배 이상인 것을 특징으로 하는 압전 스피커.