KR101765000B1 - 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서 및 이를 포함하는 지향성 스피커 - Google Patents

지향성 스피커용 압전 트랜스듀서 및 이를 포함하는 지향성 스피커 Download PDF

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조정호
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한국세라믹기술원
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Abstract

지향성 스피커용 압전 트랜스듀서 및 이를 포함하는 지향성 스피커에서, 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서는 베이스 기재과, 베이스 기재 상에 서로 이격되어 배치되고, 상하 방향으로 서로 마주하는 양단에 인가된 전기신호에 의해서 베이스 기재의 표면과 수직한 방향으로 변형되어 팽창되거나 수축하는 압전층을 적어도 1개 이상 포함하는 다수개의 압전 소자들과, 압전 소자들 각각과 접촉하도록 베이스 기재를 전면적으로 커버하고, 압전 소자들의 이격 영역에서는 상하 방향으로 진동하는 플렉시블 필름을 포함한다. 이에 따라, 음압을 최대화시키고, 제조 또는 사용 중의 외력에 의한 손상을 최소화시킬 수 있다. 본 발명에 따른 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서는 압전 액츄에이터(actuator)들로 이용 가능한 압전 소자들을 어레이 형태로 배열하여 제작된 것이다.

Description

지향성 스피커용 압전 트랜스듀서 및 이를 포함하는 지향성 스피커{PIEZOELECTRIC　TRANSDUCER FOR A DIRECTIVE SPEAKER AND DIRECTIVE SPEAKER INCLUDING THE TRANSDUCER}
본 발명은 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서 및 이를 포함하는 지향성 스피커에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 초음파를 이용하여 특정 방향으로 소리를 방사할 수 있는 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서 및 이를 포함하는 지향성 스피커에 관한 것이다.
일반적으로, 스피커(speaker)는 전기신호를 진동으로 변환하여 공기 중으로 전달하는 장치로서, 공기 중에 진동을 전달할 때 등방성을 가지고, 청취자는 스피커를 기준으로 전 방향에서 스피커가 방출하는 소리를 들을 수 있다. 일반적인 스피커는 미술관이나 박물관과 같은 장소에서 전시품과 같은 특정 대상에 대한 설명이 필요한 경우, 여러 전시품에 대한 설명들 사이의 간섭과 왜곡을 최소화시키기 위해서, 특정 방향에서만 소리를 들을 수 있도록 지향성 스피커(directive speaker)를 적용하고 있다.
음향 신호를 생성하고 기준이 되는 일정 주파수를 갖는 초음파 신호를 생성하여 이들을 변조기로 보내면 변조기에서 주파수를 이동 및 변조시키고 증폭기에서 증폭하게 된다. 증폭기에서 증폭된 신호가 트랜스듀서(transducer)로 전달되고 트랜스듀서에서 공기 중으로 초음파를 방출하는데, 공기 중으로 방출된 초음파는 공기의 비선형성에 의하여 초음파의 차이 주파수 성분이 발생하게 되고 지향성 스피커를 통해서 선택적으로 가청음파를 청취자가 들을 수 있게 된다.
이와 같은 지향성 스피커를 위한 트랜스듀서로서, 폴리플루오린화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF) 또는 압전 세라믹 등의 압전 소재를 이용하는 압전 트랜스듀서를 이용할 수 있다. 압전 트랜스듀서는 압전 소재의 공진 현상을 이용하여 전기 신호를 초음파로 변환하고, 초음파를 전기 신호로 변환함으로써 초음파의 송수신을 수행할 수 있다.
압전 트랜스듀서의 일예로서, 대한민국 공개특허 10-2010-0070230의 '압전형 스피커 시스템' 및 대한민국 공개특허 10-2010-0073075의 '압전형 스피커 및 이의 제작 방법'이 제시되어 있다. 이들 공개특허에서는 PVDF 또는 압전 세라믹 등의 압전 소재로 이루어진 압전 박막의 상부면과 하부면에 전극을 형성하여 음향을 재생할 수 있도록 한 것이다.
종래의 트랜스듀서는 고분자물질인 PVDF의 압전 특성을 이용하는 것으로 PVDF를 필름 형태로 가공한 압전 박막에 전극을 연결하여 소리에 따른 신호를 가함으로써 압전 박막이 진동하여 소리를 발생시킨다. 그러나 이러한 PVDF로 이루어진 압전 박막은 높은 구동 전압을 인가해야만 트랜스듀서로 사용이 가능하고, 변형률이 낮아 일정한 크기 이하로 줄이기 어려운 문제점이 있었다.
또한, 이러한 PVDF로 이루어진 압전 박막 외에, PZT 등의 압전 세라믹을 이용한 압전 박막이 일부 사용되고 있으나 초음파 트랜스듀서로 사용되기에는 출력이 작아 충분한 음압을 발생시키기 어려우며, 상기 압전 세라믹을 이용한 압전 박막의 경우 1mm 이하의 박형으로 구성되므로 전극 형성 시 파손의 위험이 크고, 전극으로 사용되는 금속판에 접착할 경우 기포가 생기거나 불균일하게 접착될 경우 음의 왜곡이 발생되거나 압전 특성이 나빠지게 되므로 양산 가능한 크기에 제한이 발생하게 된다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해서 도출된 본 발명의 일 목적은 변형률을 최대화시켜 초음파 트랜스듀서로서 충분한 음압을 발생시킬 수 있고 제조 공정이나 사용 시의 파손 위험이 매우 낮은 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서를 포함하는 지향성 스피커를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서는 베이스 기재, 다수개의 압전 소자들 및 플렉시블 필름을 포함한다. 상기 압전 소자들은 상기 베이스 기재 상에 서로 이격되어 배치되고, 상기 압전 소자들 각각은 상하 방향으로 서로 마주하는 양단에 인가된 전기신호에 의해서 상기 베이스 기재의 표면과 수직한 방향으로 변형되어 팽창되거나 수축하는 압전층을 적어도 1개 이상 포함하며, 상기 플렉시블 필름은 상기 압전 소자들 각각과 접촉하도록 상기 베이스 기재를 전면적으로 커버하고, 상기 압전 소자들의 이격 영역에서는 상하 방향으로 진동한다.
일 실시예에서, 상기 압전 소자들 각각은 상기 베이스 기재의 일 방향으로 연장된 스트라이프 구조를 가지고, 스트라이프 구조의 압전 소자들은 상기 일 방향과 교차하는 방향으로 이격되어 일렬로 배열될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전 소자들 각각은 상기 돌출부 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형성된 제1 압전층 및 상기 제1 압전층 상에 배치된 제2 전극을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전층은 상하 방향으로 순차적으로 적층된 다수의 압전 세라믹층들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스 기재는 상기 압전 소자들 각각의 하부에 배치된 돌출부들을 포함하고, 상기 압전 소자들과 상기 플렉시블 필름은 상기 베이스 기재의 돌출부들이 형성된 요철면 상에 배치되어 상기 플렉시블 필름은 상기 압전 소자들과 상기 돌출부들에 의해서 상기 이격 영역에 형성되는 다수의 캐비티들 각각에서 상하 방향으로 진동할 수 있다. 이때, 상기 압전 소자들 각각은 상기 베이스 기재의 돌출부 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형성된 제1 압전층, 상기 제1 압전층 상에 배치된 제2 전극, 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 압전층 및 상기 제2 압전층 상에 배치된 제3 전극을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전 소자들은 상기 베이스 기재의 평탄면 상에 서로 이격되어 배치되되, 상기 압전 소자들 각각은 적어도 2 이상의 압전층들과 상기 압전층들을 개재시키는 전극들을 포함하고, 상기 플렉시블 필름은 상기 이격 영역에서 2 이상의 압전층을 포함하는 압전 소자들에 의해 형성되는 다수의 캐비티들 각각에서 상하 방향으로 진동할 수 있다. 이때, 상기 압전 소자들 각각은 상기 베이스 기재 상에 배치된 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형성된 제1 압전층, 상기 제1 압전층 상에 배치된 제2 전극, 상기 제2 전극 상에 배치된 제2 압전층 및 상기 제2 압전층 상에 배치된 제3 전극을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 압전 소자들 각각의 제1 전극들은 상기 베이스 기재의 평탄면 상에 서로 연결되어 일체형으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 플렉시블 필름은 폴리이미드계 수지(polyimide-based resin), 폴리우레탄계 수지(polyurethane-based resin) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지(polyethylene terephthalate resin) 또는 폴리플루오린화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF)으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 위한 지향성 스피커는 상기 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 지향성 스피커는 가청 주파수 대역의 신호를 생성하는 오디오 주파수파 발진원, 초음파 주파수 대역의 신호를 생성하는 캐리어파 발진원, 상기 오디오 주파수파 발진원으로부터 출력된 오디오 주파수 대역의 신호를 이용하여 상기 캐리어파 발진원으로부터 출력된 초음파 주파수 대역의 캐리어파를 변조하는 변조기 및 상기 변조기로부터 출력되는 변조 신호를 증폭하는 전력 증폭기를 포함하고, 상기 전력 증폭기에 의하여 증폭된 변조 신호에 의해서 상기 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서가 구동될 수 있다.
본 발명의 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서 및 이를 포함하는 지향성 스피커에 따르면, 변형에 의해 베이스 기재의 표면과 수직한 방향으로 팽창되거나 수축하는 압전층을 적어도 1개 이상 포함하는 다수개의 압전 소자들을 캐비티에 해당하는 영역의 이외의 영역에만 형성하고, 압전 소자들의 이격 영역에서는 상하 방향으로 진동하는 플렉시블 필름이 배치됨으로써, 트랜스듀서가 높은 변형률을 가지며 공기 중에서 초음파의 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 플렉시블 필름이 고정된 위치에만 압전 소자들이 형성되므로, 제조 또는 사용 시에 파손 위험을 최소화시킬 수 있다.
또한, 캐비티를 다수의 압전 소자들의 적층으로만 형성할 수 있으므로 베이스 기재의 형상과 관계없이 캐비티의 캐비티 깊이를 제조 공정에서 용이하게 제어할 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 다수의 압전 소자들을 적층시켜 캐비티를 형성하는 경우, 단층으로 압전 소자를 구비하는 경우에 비해서 동일한 전압을 인가하더라도 전체적인 압전 특성이 향상되고, 이로 인해서 충분한 음압을 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서의 단면도들이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서를 설명하기 위한 도면들이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(301)는 베이스 기재(110a), 다수의 압전 소자들(120a) 및 플렉시블 필름(VL)을 포함한다.
베이스 기재(110a)는 표면이 평탄한 평탄부(112) 및 평탄부(112)로부터 돌출된 다수의 돌출부들(114)을 포함한다. 돌출부들(114) 각각은 일 방향으로 연장된 스트라이프 구조를 가질 수 있다. 이때, 돌출부들(114)의 연장 방향과 교차하는 방향으로 서로 이격되어 일렬로 배열된다. 베이스 기재(110a)의 돌출부들(114)이 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(301)의 캐비티(CV, 도 2a 참조)의 일부를 형성할 수 있다. 베이스 기재(114a)는 절연성 재료로 형성될 수 있다.
압전 소자들(120a)은 돌출부들(114) 각각의 상부에 일대일대응으로 배치될 수 있다. 압전 소자들(120a)도 돌출부들(114)의 형태에 따라, 돌출부들(114)의 연장 방향을 따라 연장되고, 상기 연장 방향과 교차하는 방향으로 일렬로 배열된다.
압전 소자들(120a) 각각은 양단에 인가된 전기신호에 의해서 베이스 기재(110a)의 표면과 수직한 방향으로 변형되어 팽창되거나 수축하는 압전층을 적어도 1개 이상 포함한다. 예를 들어, 압전 소자들(120a) 각각은 2개의 전극들(121, 123) 사이에 개재된 제1 압전층(122)을 포함할 수 있고, 제1 압전층(122)의 변형에 따른 팽창 또는 수축 방향은 베이스 기재(110a)의 표면과 수직한 방향이 된다. 제1 압전층(122)은 다수의 압전 세라믹층들이 적층된 구조를 가질 수 있다. 압전 세라믹층을 형성하는 물질은 압전 특성을 갖는 물질이면 특별히 제한되지 않고 모두 이용할 수 있다. 2개의 전극들(121, 123) 각각은 은(Ag)으로 형성된 전극일 수 있다.
이때, 압전 소자들(120a)의 제1 전극들(121)은 제1 연결 전극(CE1)을 통해서 모두 동일한 전기신호를 인가받을 수 있다. 또한, 압전 소자들(120a)의 제2 전극들(123)은 제2 연결 전극(CE2)을 통해서 모두 동일한 전기신호를 인가받을 수 있다. 다만, 이때, 제2 전극들(123)에 인가되는 전기신호는 제1 전극들(121)에 인가되는 전기신호와 반대 극성을 갖는 전압일 수 있다.
일례로, 제1 연결 전극(CE1)은 제1 전극들(121)의 일단부들 각각과 연결되도록 압전 소자들(120a)의 이격 방향을 따라 연장될 수 있다. 이때, 제1 연결 전극(CE1)은 제1 전극들(121)의 일단부들에 접착제(예를 들어 전도성 접착제) 등을 이용하여 형성할 수 있으며, 이러한 방법들은 전도성이 유지되면서 접착되는 다양한 방식으로 이용이 가능하다.
제2 연결 전극(CE2)은 플렉시블 필름(VL)과 제2 전극들(123) 사이에 개재될 수 있다. 제2 연결 전극(CE2)은 제2 전극들(123) 각각을 동시에 연결할 수 있는 적어도 1개의 제1 서브 전극(SB1)과, 제1 서브 전극(SB1)이 복수개인 경우 이들을 서로 연결시킬 수 있는 제2 서브 전극(SB2)을 포함할 수 있다. 제2 연결 전극(CE2)은 제2 전극들(123) 각각과 부분적으로 접촉하도록 배치되며, 그 위에 플렉시블 필름(VL)이 배치된다. 한편, 제2 연결 전극(CE2)도 제1 연결 전극(CE1)과 마찬가지로 제2 전극들(123)의 일단부들과 각각 연결되도록 위에서 설명한 다양한 접착 방식에 의해 배치되어 압전 소자들의 이격 방향을 따라 연장될 수 있다.
플렉시블 필름(VL) 그 자체가 유연성을 가지고 있기 때문에, 압전 소자(120a)의 팽창 및/또는 수축을 통해서 압전 소자(120a)의 이격 영역에서 용이하게 상하 방향으로 진동할 수 있다. 플렉시블 필름(VL)을 형성하는 물질의 예로서는, 폴리이미드계 수지(polyimide-based resin), 폴리우레탄계 수지(polyurethane-based resin) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지(polyethylene terephthalate resin), 폴리플루오린화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF) 등을 들 수 있다.
플렉시블 필름(VL)과 압전 소자(120a) 사이에는 접착 부재(미도시)가 배치되어 이들을 서로 연결할 수 있다. 예를 들어, 접착 부재는 에폭시계 접착제 등이거나 압력에 의해 서로를 연결하는 가압 부재일 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서의 단면도들이다.
구체적으로 도 2a는 압전 소자(120a)에 전기신호가 인가되지 않은 상태의 트랜스듀서 구조를 나타내는 단면도이고, 도 2b는 압전 소자(120a)에 전기신호가 인가된 상태의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2a를 도 1과 함께 참조하면, 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(301)는 캐비티(CV)를 포함하는데, 이 캐비티(CV)는 돌출부(114)와 압전 소자(120a)에 의해서 형성된다. 돌출부(114)가 캐비티(CV)의 일부를 형성하고, 압전 소자(120a)가 캐비티(CV)의 일부를 형성한다. 즉, 캐비티(CV)는 서로 마주하는 돌출부들(114) 사이의 이격 공간이자 압전 소자들(120a)의 이격 공간에 해당하는 영역으로서, 캐비티(CV)의 캐비티 깊이(d)는 돌출부(114)의 높이와 압전 소자(120a)의 높이의 전체 합과 실질적으로 동일할 수 있다. 플렉시블 필름(VL)이 압전 소자(120a)와 제2 연결 전극(CE2)을 개재시키면서 결합하여 고정된다. 전기신호가 인가되지 않은 상태에서는, 플렉시블 필름(VL)이 지면에 대해서 실질적으로 평행한 상태로 유지될 수 있다.
도 2b를 도 1과 함께 참조하면, 전기신호가 인가되는 경우, 압전 소자(120a)의 압전 특성에 의해서 제1 압전층(122)이 상하방향으로 변형의 발생에 의해 팽창 또는 수축될 수 있고, 이에 의해 캐비티(CV) 상에 배치된 플렉시블 필름(VL)이 아래로 수축되거나(도 2b의 윗 그림), 수축된 상태에서 당겨지면서 위로 팽창될 수 있다(도 2b의 아래 그림).
즉, 플렉시블 필름(VL)의 고정된 부분(압전 소자 상에 부착된 부분)을 제외한 부분이 압전 소자(120a)의 변형에 따라 아래 또는 위로 팽창될 수 있고, 이에 의해 진동이 발생되게 된다.
도 2a와 도 2b에서 도시하고 있는 바와 같이, 전기신호의 온/오프를 반복함으로써 플렉시블 필름(VL)을 진동시켜 초음파를 공기 중으로 방출함으로써 음압을 발생시킬 수 있고, 압전 세라믹의 어레이 배치에 의해 궁극적으로 소리의 지향성을 구현할 수 있다.
지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(301)에서 방출되는 음파의 음압에 가장 큰 영향을 주는 것이 압전 소자(120a)와 플렉시블 필름(VL)의 변형률이다. 본 발명에서는, 플렉시블 필름(VL)으로 압전 소자(120a)가 영향을 주어 캐비티(CV)에서는 플렉시블 필름(VL)만이 상하 방향으로 진동할 수 있도록 압전 소자(120a)를 돌출부(114) 상에 배치함으로써, 플렉시블 필름(VL)의 유연성에 의해서 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(301)의 변형률이 최대화될 수 있어 음압 또한 최대화될 수 있다. 즉, 압전 소자(120a)의 제1 압전층(122)이 상하 방향으로 팽창되는 경우, 제1 압전층(122)이 상하 방향으로 늘어나는 동시에 좌우 방향으로는 수축이 일어나므로 플렉시블 필름(VL)을 당겨주어 팽창시키고, 반대로 제1 압전층(122)이 상하 방향으로 수축되는 경우, 제 1 압전층이 상하 방향으로 수축되는 동시에 좌우 방향으로는 팽창되는 효과에 의해 플렉시블 필름(VL)이 늘어져 수축되는 결과가 됨으로써, 음압이 생성될 수 있다.
한편, 지향성 스피커에 사용되는 초음파는 하나의 "단위 트랜스듀서(TC)"에 의해서는 충분한 음압을 발생시키기가 어렵고 지향성을 구현하기 어려우나, 2개의 압전 소자들(120a)과 플렉시블 필름(VL)에 의하여 정의되는 단위 트랜스듀서(TC)를 다수개 배열시켜 어레이 형태로 이용하여 충분한 음압을 확보하고 소리의 지향성을 향상시킬 수 있다. 이때, 캐비티(CV)의 깊이(d)와, 직경, 캐비티(CV) 사이의 거리, 캐비티(CV)의 형상 등에 의해서 다양하게 결정된다. 뿐만 아니라, 발생되는 음압은 사용되는 초음파의 주파수와 파장, 필름소재의 기계적 물성, 세라믹 어레이의 간격, 제1 압전층(122)을 구성하는 압전 재료의 특성, 제1 압전층(122)의 두께 등에 의해서 변화하는 값을 가지므로, 각각의 조건에 따라 실험적으로 최적의 캐비티(CV)의 깊이(d), 직경, 이들 사이의 간격 등을 결정할 수 있다.
도 1, 도 2a 및 도 2b에서 설명한 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(301)는 지향성 스피커에 포함되는데, 예를 들어, 발진원, 변조기 및 증폭기와 함께 지향성 스피커를 구성할 수 있다. 이때, 상기 발진원은 가청 주파수 대역의 신호를 생성하는 오디오 주파수파를 발진원과 초음파 주파수 대역의 신호를 생성하는 캐리어파 발진원을 포함할 수 있다.
상기 변조기는 오디오 주파수파 발진원으로부터 출력된 오디오 주파수 대역의 신호를 이용하여 캐리어파 발진원으로부터 출력된 초음파 주파수 대역의 캐리어파를 변조하는 장치이다. 상기 증폭기는 변조기로부터 출력되는 변조 신호를 증폭하는 장치이며, 상기 증폭기에서 증폭된 변조 신호에 의해서 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(301)가 구동되어, 변조 신호를 유한 진폭 레벨을 가지는 음파로 변환한다. 이 음파는 공기로 방출되어, 공기의 비선형 효과로 인하여 원래의 오디오 주파수 대역의 신호음으로 재생되고, 이 재생 신호는 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(301)의 방사축을 따라 출력된 빔의 형태로 진행한다.
상기에서 설명한 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(301) 및 이를 포함하는 지향성 스피커에 따르면, 압전 소자(120a)와 플렉시블 필름(VL)을 이용함으로써 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(301)의 변형률을 최대화시킬 수 있고, 이에 따라 지향성 특성을 향상시킬 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서를 설명하기 위한 도면들이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(302)는 베이스 기재(110b), 압전 소자들(120b) 및 플렉시블 필름(VL)을 포함한다. 베이스 기재(110b)과 압전 소자들(120b)의 구조를 제외하고는 도 1, 도 2a 및 도 2b에서 설명한 것과 실질적으로 동일하므로, 중복되는 상세한 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명하기로 한다.
베이스 기재(110b)은 그 자체가 평탄면을 갖는 구조로서, 도 1에서 설명한 돌출부(114)를 포함하지 않는 구조이다. 돌출부(114)를 포함하지 않는 평탄면을 갖는 베이스 기재(110b)는 그 자체가 캐비티를 포함하고 있지 않고, 그 위에 배치되는 적어도 2개 이상의 압전층을 포함하는 압전 소자들(120b)에 의해서 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(302)의 캐비티(CV)가 형성된다.
압전 소자들(120b) 각각은 베이스 기재(110b)으로부터 순차적으로 적층된 제1 전극(121), 제1 압전층(122), 제2 전극(123), 제2 압전층(124) 및 제3 전극(125)을 포함한다. 제1 및 제2 압전층들(122, 124)이 압전 재료로 형성되는, 압전 특성을 갖는 층으로서, 제1 및 제2 압전층들(122, 124)은 전기신호가 인가된 경우 동일하게 상하 방향으로 수축하거나 팽창된다.
제2 압전층(124) 상에 형성된 제3 전극(125)이 플렉시블 필름(VL)과 접촉하며, 플렉시블 필름(VL)과 압전 소자들(120b) 사이에 개재된 제2 연결 전극(CE2)에 의해서 제3 전극들(125)에 모두 동일한 전기신호가 인가될 수 있다. 이때, 제2 전극들(123)에 모두 동일한 전기신호를 인가하도록 이들을 서로 연결시키는 제3 연결 전극(CE3)을 더 포함할 수 있다.
베이스 기재(110b)의 평탄면 상에 압전 소자들(120b)이 형성됨으로서, 압전 소자들(120b)의 높이에 의해서 캐비티(CV)의 캐비티 깊이(d)가 정의될 수 있다.
도 3 및 도 4에서와 같이, 다수의 압전층들(122, 124)을 포함하도록 압전 소자(120b)를 구성하는 경우는 도 1에서와 같이 1개의 압전층을 갖는 압전 소자(120a)에 비해서 동일한 전압 인가 시에 압전 소자(120b) 전체의 압전 특성이 개선되고, 이로 인해서 충분히 큰 음압을 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 3 및 도 4에서는, 압전 소자들(120b)이 2개의 압전층들(122, 124)을 갖는 경우를 일례로 들어 설명하였으나 압전 소자들(120b)은 적어도 2 이상의 압전층을 갖고 그들을 개재시키는 전극들을 포함하도록 구성할 수 있다. 캐비티 깊이(d)를 증가시키기 위해서는 많은 압전층을 포함하도록 구성할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서를 설명하기 위한 도면들이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(303)는 베이스 기재(110b), 압전 소자들(120b) 및 플렉시블 필름(VL)을 포함한다. 압전 소자들(120b)의 제1 전극들(121)이 하나로 연결된 전극층(EL)을 포함하는 것을 제외하고는 도 3 및 도 4에서 설명한 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(302)와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 상세한 설명은 생략한다.
도 5 및 도 6을 도 3 및 도 4와 함께 참조하면, 도 5 및 도 6에서의 압전 소자들(120b) 각각은 2개의 압전층들(122, 124)을 개재시키는 전극들(121, 123, 125) 중에서 베이스 기재(110b)의 평탄면 상에 배치된 제1 전극들(121)은 서로 연결된 일체형의 전극층(EL)에 의해서 구성될 수 있다.
베이스 기재(110b)가 평탄면을 포함하고, 각 압전 소자들(120b)의 제1 전극(121)에는 동일한 전기신호가 인가되므로 일체형의 전극층(EL)을 형성하고 전극층(EL)은 압전 소자들(120b) 각각의 제1 전극(121)으로서 공유하도록 하여 별도의 제1 연결 전극(CE1)을 생략할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서를 설명하기 위한 도면이다.
도 7에 도시된 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서는 베이스 기재(110a)를 제외하고는 도 3 및 도 4에서 설명한 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서(302)와 실질적으로 동일하다. 도 7에 도시된 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서의 베이스 기재(110a)는 도 1, 도 2a 및 도 2b에서 설명한 베이스 기재(110a)와 실질적으로 동일하다. 즉, 도 7에서는, 도 1과 같이 돌출부(114)를 포함하는 베이스 기재(110a) 상에 도 3 및 도 4에 도시된 압전 소자(120b)를 적용하여 압전 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 1, 도 2a 및 도 2b와, 도 3 내지 도 7에서, 압전 소자들의 최상부 전극들이 서로 물리적으로는 분리되어 있고, 별도의 연결 전극에 의해서 연결된 구조를 일례로 도시하여 설명하였으나, 압전 소자들의 최상부 전극들 또한 도 5 및 도 6에서 설명한 전극층(EL)과 같이 서로 연결된 하나의 전극층으로 구성될 수 있다.
또한, 플렉시블 필름(VL)을 도전성 고분자로 제조하여 도전성을 가지면서도 플렉시블 특성을 가지도록 함으로서, 도 1에서 압전 소자(120a)의 제2 전극들(123)끼리 또는 도 3이나 도 5에서 압전 소자(120b)의 제3 전극들(125)끼리 별도의 연결 전극 없이 플렉시블 필름(VL)에 의해서 서로 전기적으로 연결되도록 구성할 수도 있다. 이 경우에 비도전성 플렉시블 필름(VL)에 전극층을 코팅하여 이용할 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
301, 302, 303: 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서
110a, 110b: 베이스 기재
120a, 120b: 압전 소자
121, 123, 125: 제1, 제2, 제3 전극
122, 124: 제1, 제2 압전층
VL: 플렉시블 필름
CE1, CE2, CE3: 제1, 제2, 제3 연결 전극
CV: 캐비티
TC: 단위 트랜스듀서
EL: 전극층

Claims (12)

  1. 베이스 기재;
    상기 베이스 기재의 표면에 대해서 상하 방향으로 서로 마주하는 양단에 인가된 전기신호에 의해서 변형되어 상기 베이스 기재의 표면에 대해서 상하 방향으로 팽창되거나 수축하는 압전층을 적어도 1개 이상 포함하면서 상기 베이스 기재 상에서 일 방향으로 연장된 스트라이프 구조를 가지고 상기 일 방향과 교차하는 방향으로 서로 이격되어 일렬로 배열된 다수개의 압전 소자들; 및
    상기 압전 소자들 각각과 접촉하도록 상기 베이스 기재를 전면적으로 커버하되 상기 압전 소자들이 형성된 영역에서는 상기 압전 소자들 각각의 상부에 고정되고 압전층의 수축 또는 팽창에 따라서 상기 압전 소자들의 이격 영역에서만 상하 방향으로 굴곡되면서 진동하는 플렉시블 필름을 포함하는,
    지향성 스피커용 압전 트랜스듀서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자들 각각은
    상기 베이스 기재 상에 배치된 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 제1 압전층; 및
    상기 제1 압전층 상에 배치된 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    지향성 스피커용 압전 트랜스듀서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전층은
    상하 방향으로 순차적으로 적층된 다수의 압전 세라믹층들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    지향성 스피커용 압전 트랜스듀서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 기재는 상기 압전 소자들 각각의 하부에 배치된 돌출부들을 포함하고,
    상기 압전 소자들과 상기 플렉시블 필름은 상기 베이스 기재의 돌출부들이 형성된 요철면 상에 배치되어 상기 플렉시블 필름은 상기 압전 소자들과 상기 돌출부들에 의해서 상기 이격 영역에 형성되는 다수의 캐비티들 각각에서 굴곡되면서 상하 방향으로 진동하는 것을 특징으로 하는,
    지향성 스피커용 압전 트랜스듀서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 압전 소자들 각각은
    상기 베이스 기재의 돌출부 상에 배치된 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 제1 압전층;
    상기 제1 압전층 상에 배치된 제2 전극;
    상기 제2 전극 상에 배치된 제2 압전층; 및
    상기 제2 압전층 상에 배치된 제3 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    지향성 스피커용 압전 트랜스듀서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자들은
    상기 베이스 기재의 평탄면 상에 서로 이격되어 배치되되, 상기 압전 소자들 각각은 적어도 2 이상의 압전층들과 상기 압전층들을 개재시키는 전극들을 포함하고,
    상기 플렉시블 필름은 상기 이격 영역에서 2 이상의 압전층을 포함하는 압전 소자들에 의해 형성되는 다수의 캐비티들 각각에서 굴곡되면서 상하 방향으로 진동하는 것을 특징으로 하는,
    지향성 스피커용 압전 트랜스듀서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압전 소자들 각각은
    상기 베이스 기재 상에 배치된 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 제1 압전층;
    상기 제1 압전층 상에 배치된 제2 전극;
    상기 제2 전극 상에 배치된 제2 압전층; 및
    상기 제2 압전층 상에 배치된 제3 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    지향성 스피커용 압전 트랜스듀서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 압전 소자들 각각의 제1 전극들은 상기 베이스 기재의 평탄면 상에 서로 연결되어 일체형으로 형성된 것을 특징으로 하는,
    지향성 스피커용 압전 트랜스듀서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 플렉시블 필름은
    폴리이미드계 수지(polyimide-based resin), 폴리우레탄계 수지(polyurethane-based resin) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지(polyethylene terephthalate resin) 또는 폴리플루오린화비닐리덴(polyvinylidene fluoride, PVDF)으로 형성된 것을 특징으로 하는,
    지향성 스피커용 압전 트랜스듀서.
  11. 제1항 및 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서를 포함하는,
    초음파를 이용하는 지향성 스피커.
  12. 제11항에 있어서,
    가청 주파수 대역의 신호를 생성하는 오디오 주파수파 발진원;
    초음파 주파수 대역의 신호를 생성하는 캐리어파 발진원;
    상기 오디오 주파수파 발진원으로부터 출력된 오디오 주파수 대역의 신호를 이용하여 상기 캐리어파 발진원으로부터 출력된 초음파 주파수 대역의 캐리어파를 변조하는 변조기; 및
    상기 변조기로부터 출력되는 변조 신호를 증폭하는 전력 증폭기를 포함하고,
    상기 전력 증폭기에 의하여 증폭된 변조 신호에 의해서 상기 지향성 스피커용 압전 트랜스듀서가 구동되는 것을 특징으로 하는,
    초음파를 이용하는 지향성 스피커.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102034275B1 (ko) 2018-10-30 2019-10-18 주식회사 피티지 지향성 음향출력장치
CN113611727A (zh) * 2021-07-30 2021-11-05 苏州清越光电科技股份有限公司 发声显示屏及其制备方法和工作方法、显示装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004120320A (ja) * 2002-09-26 2004-04-15 Fuji Photo Film Co Ltd 超音波トランスデューサアレイ及びその製造方法
JP2007215119A (ja) * 2006-02-13 2007-08-23 Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd 電気音響変換器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004120320A (ja) * 2002-09-26 2004-04-15 Fuji Photo Film Co Ltd 超音波トランスデューサアレイ及びその製造方法
JP2007215119A (ja) * 2006-02-13 2007-08-23 Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd 電気音響変換器

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102034275B1 (ko) 2018-10-30 2019-10-18 주식회사 피티지 지향성 음향출력장치
CN113611727A (zh) * 2021-07-30 2021-11-05 苏州清越光电科技股份有限公司 发声显示屏及其制备方法和工作方法、显示装置
CN113611727B (zh) * 2021-07-30 2023-06-30 苏州清越光电科技股份有限公司 发声显示屏及其制备方法和工作方法、显示装置

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