KR102031986B1 - 투명 음향 스피커 및 그 제조 방법 - Google Patents

투명 음향 스피커 및 그 제조 방법

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KR102031986B1
KR102031986B1 KR1020180135057A KR20180135057A KR102031986B1 KR 102031986 B1 KR102031986 B1 KR 102031986B1 KR 1020180135057 A KR1020180135057 A KR 1020180135057A KR 20180135057 A KR20180135057 A KR 20180135057A KR 102031986 B1 KR102031986 B1 KR 102031986B1
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라용호
김선욱
전대우
김진호
황종희
임태영
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한국세라믹기술원
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Abstract

투명 유리와 PVDF 기반의 플렉서블한 투명 압전 소자를 사용하고, 투명 유리의 홀 가공을 통해 음향 진동이 가능한 마이크로 캐비티를 만들어 공명음과 함께 음향을 발생시키는 것이 가능하도록 설계된 투명 음향 스피커 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 투명 음향 스피커는 압전 소자; 상기 압전 소자의 상부에 배치되어, 상기 압전 소자의 상측 일 부분을 노출시키는 제1 마이크로 캐비티와, 상기 제1 마이크로 캐비티에 연결된 제1 관통 홀을 갖는 상부 유리; 상기 압전 소자의 하부에 배치되어, 상기 압전 소자의 하측 일 부분을 노출시키는 제2 마이크로 캐비티와, 상기 제2 마이크로 캐비티에 연결된 제2 관통 홀을 갖는 하부 유리; 상기 압전 소자와 상부 유리 사이에 배치되어, 상기 압전 소자와 상부 유리를 접합시키는 제1 접착 부재; 및 상기 압전 소자와 하부 유리 사이에 배치되어, 상기 압전 소자와 하부 유리를 접합시키는 제2 접착 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

투명 음향 스피커 및 그 제조 방법{TRANSPARENT ACOUSTIC SPEAKER AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 투명 음향 스피커 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 투명 유리와 PVDF 기반의 플렉서블한 투명 압전 소자를 사용하고, 투명 유리의 홀 가공을 통해 음향 진동이 가능한 마이크로 캐비티를 만들어 공명음과 함께 음향을 발생시키는 것이 가능하도록 설계된 투명 음향 스피커 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
스피커(speaker)는 전기적 신호를 입력받아 이를 음파로 변환시켜 출력하는 장치이다.
스피커에는 그 작동원리에 따라 동전형 스피커(dynamic speaker), 정전형 스피커(electrostatic speaker), 압전형 스피커(crystal speaker) 등 여러 종류가 있다. 이러한 스피커들은 모두 전기적 신호에 따라 진동판이 기계적으로 진동하면서 주위의 공기를 진동시킴으로써 소리를 출력하는 특징을 가지고 있다.
한편, 최근에는 투명한 재질의 유리를 이용하여 직접 음향을 발생시킬 수 있는 투명 음향 스피커를 제조하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0120328호(2010.11.16. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 셀룰로오스 압전종이로 만든 초소형 스피커가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 투명 유리와 PVDF 기반의 플렉서블한 투명 압전 소자를 사용하고, 투명 유리의 홀 가공을 통해 음향 진동이 가능한 마이크로 캐비티를 만들어 공명음과 함께 음향을 발생시키는 것이 가능하도록 설계된 투명 음향 스피커 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커는 압전 소자; 상기 압전 소자의 상부에 배치되어, 상기 압전 소자의 상측 일 부분을 노출시키는 제1 마이크로 캐비티와, 상기 제1 마이크로 캐비티에 연결된 제1 관통 홀을 갖는 상부 유리; 상기 압전 소자의 하부에 배치되어, 상기 압전 소자의 하측 일 부분을 노출시키는 제2 마이크로 캐비티와, 상기 제2 마이크로 캐비티에 연결된 제2 관통 홀을 갖는 하부 유리; 상기 압전 소자와 상부 유리 사이에 배치되어, 상기 압전 소자와 상부 유리를 접합시키는 제1 접착 부재; 및 상기 압전 소자와 하부 유리 사이에 배치되어, 상기 압전 소자와 하부 유리를 접합시키는 제2 접착 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 상부 유리 및 하부 유리는 상기 압전 소자를 사이에 두고, 서로 대칭 구조를 갖는다.
상기 제1 및 제2 마이크로 캐비티 각각은 평면상으로 볼 때, 원형, 타원형 및 다각형 중 어느 하나의 형상을 갖는다.
또한, 상기 압전 소자는 압전 필름; 상기 압전 필름의 상면에 배치된 제1 전극; 상기 제1 전극을 덮는 제1 절연막; 상기 압전 필름의 하면에 배치된 제2 전극; 및 상기 제2 전극을 덮는 제2 절연막;을 포함한다.
여기서, 상기 제1 및 제2 전극 각각은 은 나노와이어(Ag Nanowire), ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), GZO(Gallium Zinc Oxide) 및 FTO(Fluorine Tin Oxide) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 절연막 각각은 1 ~ 10㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 제1 접착 부재는 상기 제1 마이크로 캐비티를 제외한 상부 유리의 하면과 압전 소자의 상면 사이에 배치되고, 상기 제2 접착 부재는 상기 제2 마이크로 캐비티를 제외한 하부 유리의 상면과 압전 소자의 하면 사이에 배치된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커 제조 방법은 압전 필름의 상면 및 하면에 제1 전극 및 제2 전극을 각각 형성한 후, 상기 제1 및 제2 전극을 각각 덮는 제1 및 제2 절연막을 형성하여 압전 소자를 마련하는 단계; 상부 및 하부 유리를 1차 레이저 가공 처리하여 제1 및 제2 마이크로 캐비티를 형성한 후, 2차 레이저 가공 처리하여 상기 제1 및 제2 마이크로 캐비티와 각각 연결되는 제1 및 제2 관통 홀을 형성하는 단계; 상기 하부 유리의 상면 상에 제1 접착 부재를 형성한 후, 상기 제1 접착 부재를 매개로 상기 하부 유리의 상면 상에 상기 압전 소자를 부착하는 단계; 및 상기 압전 소자의 상면 상에 제2 접착 부재를 형성한 후, 상기 제2 접착 부재를 매개로 상기 압전 소자의 상면 상에 상기 상부 유리를 부착하여 상기 하부 유리와 합착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1 및 제2 전극 형성 단계는, 상기 압전 필름의 상면 및 하면에 혼합 용액을 도포하는 단계; 및 상기 도포된 혼합 용액을 일정한 압력으로 펼친 후 건조하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 혼합 용액은 0.1 ~ 0.5wt%의 농도를 갖도록 투명 금속을 유기 용매에 혼합시킨 것이 이용된다.
상기 일정한 압력은 1 ~ 15bar인 것이 바람직하다.
또한, 상기 건조는 1 ~ 40℃에서 5 ~ 20시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 절연막 형성 단계는, 상기 제1 및 제2 전극이 형성된 압전 필름의 양면에 절연막 슬러리를 도포하는 단계; 상기 도포된 절연막 슬러리를 30 ~ 50℃에서 0.5 ~ 3시간 동안 건조하는 단계; 및 상기 건조된 결과물을 진공 상태에서 3 ~ 10시간 동안 유지시키는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 도포는 1,000 ~ 3,000rpm의 속도로 10 ~ 60sec 동안 스핀 코팅하는 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 절연막 각각은 1 ~ 10㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 투명 음향 스피커 및 그 제조 방법은 투명한 상부 유리 및 하부 유리 사이에 PVDF 기반의 플렉서블한 투명 압전 소자가 배치되고, 투명한 상부 및 하부 유리의 홀 가공을 통해 제1 및 제2 마이크로 캐비티와 제1 및 제2 마이크로 캐비티에 연결되는 제1 및 제2 관통 홀이 설계된다.
이 결과, 본 발명에 따른 투명 음향 스피커 및 그 제조 방법은 중앙 부분에 배치된 압전 소자의 제1 및 제2 전극을 이용하여 변위를 발생시켜 제1 및 제2 마이크로 캐비티 및 제1 및 제2 마이크로 캐비티에 연결되는 제1 및 제2 관통 홀 내로 음압을 제공하는 것에 의해 공명음과 함께 양방향으로 음향을 생성시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 투명 음향 스피커 및 그 제조 방법은 제1 및 제2 전극을 덮는 제1 및 제2 절연막의 제조시, TEOS-PTMS 기반의 절연막 슬러리를 이용하면서 습도의 영향을 최소화시키는 것에 의해, 고투과도 확보가 가능하여 양방향이 모두 투명한 스피커 제작이 가능해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커를 나타낸 평면도.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.
도 3은 도 2의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커의 작동 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 5 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커 제조 방법을 나타낸 공정 단면도.
도 12는 실시예 1 ~ 3에 따른 시료들에 대한 압력 인가 과정을 나타낸 사진.
도 13은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따른 시료들을 나타낸 SEM 사진.
도 14는 실시예 1 ~ 3에 따른 시료들을 나타낸 광학 현미경 사진.
도 15는 실시예 1에 따른 시료를 이용하여 제조한 투명 음향 스피커를 나타낸 실측 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 투명 음향 스피커 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커를 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다. 또한, 도 3은 도 2의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커(100)는 압전 소자(110), 상부 유리(120), 하부 유리(130), 제1 접착 부재(140) 및 제2 접착 부재(150)를 포함한다.
압전 소자(110)는 투명 음향 스피커(100)의 중앙 부분에 배치된다. 이러한 압전 소자(110)는 압전 필름(111), 제1 전극(112) 및 제2 전극(113)을 포함한다. 또한, 압전 소자(110)는 제1 절연막(114) 및 제2 절연막(115)을 더 포함할 수 있다.
압전 필름(111)은 플렉서블한 필름 형태의 PVDF계 압전 필름을 이용하는 것이 바람직하다. 여기서, PVDF계 압전 필름(111)은 PVDF(polyvinyleden floride) 80 ~ 20 중량% 및 무연 압전 세라믹 분말 20 ~ 80 중량%로 조성된 것이 이용될 수 있다. 이때, 무연 압전 세라믹 분말은 환경 유해 규제 물질인 납이 첨가되지 않는 BNT계 무연 압전 세라믹 분말을 포함할 수 있다. BNT계 무연 압전 세라믹 분말을 이용하게 되면, 인체에 무해하면서도 저전압에서 높은 압전 성능을 확보할 수 있게 된다. 이를 위해, 무연 압전 세라믹 분말은 BiNaTiO3(BNT)계, Bi(Na, K)TiO3(BNKT)계 및 BiKTiO3(BKT)계 중 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 이때, BNT계 무연 압전 세라믹이라 함은 BNT, BNKT, BKT를 모두 포함하는 것으로 통용되어 사용된다.
이때, 압전 필름(111)은 100 ~ 5,000㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 압전 필름(111)의 두께가 100㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇은 관계로 압전 성능을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 압전 필름(111)의 두께가 5,000㎛를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 투명 음향 스피커(100)의 두께만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.
제1 전극(112)은 압전 필름(111)의 상면에 배치된다. 그리고, 제2 전극(113)은 압전 필름(111)의 하면에 배치된다. 이때, 제1 및 제2 전극(112, 113) 각각은 은 나노와이어(Ag Nanowire), ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), GZO(Gallium Zinc Oxide), FTO(Fluorine Tin Oxide) 등에서 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있다.
제1 절연막(114)은 제1 전극(112) 상부에 배치되어, 제1 전극(112)을 덮는다. 그리고, 제2 절연막(115)은 제2 전극(113) 하부에 배치되어, 제2 전극(113)을 덮는다.
이러한 제1 및 제2 절연막(114, 115)은 제1 및 제2 전극(112, 112)이 산화되는 것을 방지하는 역할을 한다. 특히, 본 발명에서, 제1 및 제2 절연막(114, 115)은 투명 음향 스피커(100) 제작을 위해, 고투과도를 갖는 절연 물질이 이용된다.
상부 유리(120)는 압전 소자(110)의 상부에 배치된다. 상부 유리(120)는 압전 소자(110)의 상측 일 부분을 노출시키는 제1 마이크로 캐비티(C1)와, 제1 마이크로 캐비티(C1)에 연결된 제1 관통 홀(T1)을 갖는다.
하부 유리(130)는 압전 소자(110)의 하부에 배치된다. 하부 유리(130)는 압전 소자(110)의 하측 일 부분을 노출시키는 제2 마이크로 캐비티(C2)와, 제2 마이크로 캐비티(C2)에 연결된 제2 관통 홀(T2)을 갖는다.
여기서, 상부 및 하부 유리(120, 130) 각각으로는 일 예로 고릴라 유리가 이용될 수 있다. 이러한 상부 및 하부 유리(120, 130) 각각은 300 ~ 1,000㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서, 상부 유리(120) 및 하부 유리(130)는 압전 소자(110)를 사이에 두고, 서로 대칭 구조를 갖는다. 즉, 제1 마이크로 캐비티(C1) 및 제1 관통 홀(T1)을 갖는 상부 유리(120)와 제2 마이크로 캐비티(C2) 및 제2 관통 홀(T2)을 갖는 하부 유리(130)는 압전 소자(110)를 사이에 두고, 서로 대칭 구조를 갖도록 합착된다.
이러한 제1 및 제2 마이크로 캐비티(C1, C2) 각각은 평면상으로 볼 때, 원형, 타원형 및 다각형 중 어느 하나의 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이와 마찬가지로, 제1 및 제2 관통 홀(T1, T2) 각각은 평면상으로 볼 때, 원형, 타원형 및 다각형 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 관통 홀(T1, T2)은 제1 및 제2 마이크로 캐비티(C1, C2)의 중앙 부분에 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 접착 부재(140)는 압전 소자(110)와 상부 유리(120) 사이에 배치되어, 압전 소자(110)와 상부 유리(120)를 접합시킨다. 그리고, 제2 접착 부재(150)는 압전 소자(110)와 하부 유리(130) 사이에 배치되어, 압전 소자(110)와 하부 유리(130)를 접합시킨다.
이때, 제1 접착 부재(140)는 제1 마이크로 캐비티(C1)를 제외한 상부 유리(120)의 하면과 압전 소자(110)의 상면 사이에 배치된다. 또한, 제2 접착 부재(150)는 제2 마이크로 캐비티(C2)를 제외한 하부 유리(130)의 상면과 압전 소자(110)의 하면 사이에 배치된다.
이러한 제1 및 제2 접착 부재(140, 150) 각각은 에폭시계 유리 접착제가 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 및 제2 접착 부재(140, 150) 각각은 10 ~ 200㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 접착 부재(140, 150) 각각의 두께가 10㎛ 미만일 경우에는 충분한 접착력을 확보하지 못할 우려가 크다. 반대로, 제1 및 제2 접착 부재(140, 150) 각각의 두께가 200㎛를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 두께만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커의 작동 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커(100)는 투명한 상부 유리(120) 및 하부 유리(130) 사이에 PVDF 기반의 플렉서블한 투명 압전 소자(110)가 배치된다. 이때, 압전 소자(110)는 제1 및 제2 접착 부재(140, 150)에 의해 상부 및 하부 유리(120, 130)와 물리적으로 부착된다.
또한, 투명한 상부 및 하부 유리(120, 130)의 홀 가공을 통해 제1 및 제2 마이크로 캐비티(C1, C2)와 제1 및 제2 마이크로 캐비티(C1, C2)에 연결되는 제1 및 제2 관통 홀(T1, T2)이 설계된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커(100)는 중앙 부분에 배치된 압전 소자(110)의 제1 및 제2 전극(도 3의 112, 113)을 이용하여 변위를 발생시켜 제1 및 제2 마이크로 캐비티(C1, C2) 및 제1 및 제2 마이크로 캐비티(C1, C2)에 연결되는 제1 및 제2 관통 홀(T1, T2) 내로 음압을 제공하는 것에 의해 공명음과 함께 양방향으로 음향을 생성시킬 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 5 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 압전 필름(111)의 상면 및 하면에 혼합 용액을 도포한다. 다음으로, 도포된 혼합 용액을 일정한 압력으로 펼친 후 건조한다.
이에 따라, 압전 필름(111)의 상면 및 하면에 제1 전극(112) 및 제2 전극(113)이 각각 형성된다.
본 단계에서, 혼합 용액은 0.1 ~ 0.5wt%의 농도를 갖도록 투명 금속을 유기 용매에 혼합시킨 것이 이용된다. 여기서, 투명 금속으로는 은 나노와이어(Ag Nanowire), ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), GZO(Gallium Zinc Oxide), FTO(Fluorine Tin Oxide) 등에서 선택된 1종 이상으로 형성될 수 있다.
이때, 일정한 압력은 1 ~ 15bar인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3 ~ 10bar를 제시할 수 있다. 압력이 1bar 미만일 경우에는 저항 증가로 인한 누설전류 현상이 발생할 수 있다. 반대로, 압력이 15bar를 초과할 경우에는 투과도의 감소로 인하여 목표로 하는 고투명 스피커를 제작하는데 어려움이 따를 수 있다.
또한, 본 단계에서, 건조는 1 ~ 40℃에서 5 ~ 20시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 건조 온도가 1℃ 미만이거나, 건조 시간이 5시간 미만일 경우에는 충분한 건조가 이루어지지 못할 우려가 크다. 반대로, 건조 온도가 40℃를 초과하거나, 건조 시간이 20시간을 초과할 경우에는 더 이상이 효과 상승 없이 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 전극(112, 113)을 덮는 제1 및 제2 절연막(114, 115)을 형성한다.
여기서, 제1 및 제2 절연막(114, 115)을 형성하는 단계는 제1 및 제2 전극(112, 113)이 형성된 압전 필름(111)의 양면에 절연막 슬러리를 도포하는 과정과, 도포된 절연막 슬러리를 습도 30% 이하 및 30 ~ 50℃ 조건에서 0.5 ~ 3시간 동안 건조하는 과정과, 건조된 결과물을 진공 상태에서 3 ~ 10시간 동안 유지시키는 과정을 포함한다.
이때, 절연막 슬러리의 제조 과정은 다음과 같다. 먼저, 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS) 및 프로필트리메톡시실란(PTMS)를 이소프로필알콜(IPA), H2O 및 HNO3의 혼합 용매와 혼합하여 혼합 용액을 제조한다. 이후, 혼합 용액을 반응조에서 40 ~ 80℃에서 1 ~ 5시간 동안 1차 반응시키고 나서 냉각한다. 이후, 냉각이 끝난 반응물을 용기에 옮겨 밀폐시킨 후, 12 ~ 36시간 동안 실온에서 보관하여 2차 반응시키고 나서 반응물이 담긴 용기를 찬물에 넣어 냉각한다.
한편, 본 단계에서, 도포는 1,000 ~ 3,000rpm의 속도로 10 ~ 60sec 동안 스핀 코팅하는 것이 바람직하다.
특히, 건조 단계에서, 투명 음향 스피커를 제작하기 위해, 제1 및 제2 절연막(114, 115)을 형성한 후의 투명도 유지가 매우 중요하다. 그러나, 제1 및 제2 절연막(114, 115)의 제조시, 습도의 영향, 즉, 절연막 슬러리에 포함되는 수분의 양은 절대적으로 투명도에 영향을 미치는 것이 확인되었다.
따라서, 도포된 절연막 슬러리의 건조는 습도 30% 이하 및 30 ~ 50℃의 엄격한 조건에서 0.5 ~ 3시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 만일, 습도 30%를 초과하는 조건에서 건조가 이루어지게 되면, 절연 특성이 완전히 발현되지 못하고, 누설전류의 현상이 발생할 우려가 있다. 또한, 건조된 결과물의 최종 건조는 진공상태에서 이루어지는 것이 고투과도 절연막을 제조하는 데 핵심 기술인 것을 확인하였다.
제1 및 제2 절연막(114, 115) 각각은 1 ~ 10㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 절연막(114, 115) 각각의 두께가 1㎛ 미만일 경우에는 제1 및 제2 전극(112, 113)의 산화 방지에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 제1 및 제2 절연막(114, 115) 각각의 두께가 10㎛를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 두께만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.
이에 따라, 압전 필름(111)과, 압전 필름(111)의 양면에 형성된 제1 및 제2 전극(112, 113)과, 제1 및 제2 전극(112, 113)을 각각 덮는 제1 및 제2 절연막(114, 115)을 포함하는 압전 소자(110)가 제조된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상부 유리 및 하부 유리(130)를 1차 레이저 가공 처리하여 제1 마이크로 캐비티 및 제2 마이크로 캐비티(C2)를 형성한다.
다음으로, 2차 레이저 가공 처리하여 제1 마이크로 캐비티 및 제2 마이크로 캐비티(C2)와 각각 연결되는 제1 관통 홀 및 제2 관통 홀(T2)을 형성한다.
이때, 도 7에서는 하부 유리(130)를 1차 및 2차 레이저 가공 처리하여 제2 마이크로 캐비티(C2) 및 제2 관통홀(T2)을 형성한 것만을 나타내었으나, 상부 유리는 하부 유리(130)를 180° 회전시킨 것이므로 상부 유리와 하부 유리(130)는 실질적으로 동일할 수 있다.
여기서, 상부 유리 및 하부 유리(130) 각각으로는 일 예로 고릴라 유리가 이용될 수 있다. 이러한 상부 유리 및 하부 유리(130) 각각은 300 ~ 1,000㎛의 두께를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 제1 마이크로 캐비티 및 제2 마이크로 캐비티(C2) 각각은 평면상으로 볼 때, 원형, 타원형 및 다각형 중 어느 하나의 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이와 마찬가지로, 제1 관통 홀 및 제2 관통 홀(T2) 각각은 평면상으로 볼 때, 원형, 타원형 및 다각형 중 어느 하나의 형상을 가질 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 하부 유리(130)의 상면 상에 제2 접착 부재(150)를 형성한다. 이때, 제2 접착 부재(150)는 제2 마이크로 캐비티(C2)가 형성된 영역을 제외한 하부 유리(130)의 상면 상에 형성한다. 이러한 제2 접착 부재(150)는 에폭시계 유리 접착제가 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 접착 부재(150)를 매개로 하부 유리(130)의 상면 상에 압전 소자(110)를 부착한다.
이때, 압전 소자(110)는 압전 필름(111), 제1 전극(112) 및 제2 전극(113)을 포함한다. 또한, 압전 소자(110)는 제1 절연막(114) 및 제2 절연막(115)을 더 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 압전 소자(110)의 상면 상에 제1 접착 부재(140)를 형성한다.
다음으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 접착 부재(140)를 매개로 압전 소자(110)의 상면 상에 상부 유리(120)를 부착하여 하부 유리(130)와 합착한다.
이에 따라, 제1 접착 부재(140)는 압전 소자(110)와 상부 유리(120) 사이에 배치되어, 압전 소자(110)와 상부 유리(120)를 접합시킨다. 그리고, 제2 접착 부재(150)는 압전 소자(110)와 하부 유리(130) 사이에 배치되어, 압전 소자(110)와 하부 유리(130)를 접합시킨다.
이 결과, 상부 유리(120) 및 하부 유리(130)는 압전 소자(110)를 사이에 두고, 서로 대칭 구조를 갖는다. 즉, 제1 마이크로 캐비티(C1) 및 제1 관통 홀(T1)을 갖는 상부 유리(120)와 제2 마이크로 캐비티(C2) 및 제2 관통 홀(T2)을 갖는 하부 유리(130)는 압전 소자(110)를 사이에 두고, 서로 대칭 구조를 갖도록 합착된다.
이때, 제1 및 제2 접착 부재(140, 150) 각각은 10 ~ 200㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제1 및 제2 접착 부재(140, 150) 각각의 두께가 10㎛ 미만일 경우에는 충분한 접착력을 확보하지 못할 우려가 크다. 반대로, 제1 및 제2 접착 부재(140, 150) 각각의 두께가 200㎛를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 두께만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.
이상으로, 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커 제조 방법이 종료될 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커 및 그 제조 방법은 투명한 상부 유리 및 하부 유리 사이에 PVDF 기반의 플렉서블한 투명 압전 소자가 배치되고, 투명한 상부 및 하부 유리의 홀 가공을 통해 제1 및 제2 마이크로 캐비티와 제1 및 제2 마이크로 캐비티에 연결되는 제1 및 제2 관통 홀이 설계된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커 및 그 제조 방법은 중앙 부분에 배치된 압전 소자의 제1 및 제2 전극을 이용하여 변위를 발생시켜 제1 및 제2 마이크로 캐비티 및 제1 및 제2 마이크로 캐비티에 연결되는 제1 및 제2 관통 홀 내로 음압을 제공하는 것에 의해 공명음과 함께 양방향으로 음향을 생성시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 투명 음향 스피커 및 그 제조 방법은 제1 및 제2 전극을 덮는 제1 및 제2 절연막의 제조시, TEOS-PTMS 기반의 절연막 슬러리를 이용하면서 습도의 영향을 최소화시키는 것에 의해, 고투과도 확보가 가능하여 양방향이 모두 투명한 스피커 제작이 가능해질 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시료 제조
실시예 1
PVDF 필름을 테이프로 고정시킨 후, 0.3wt%의 농도로 Ag 나노와이어를 폴리이미드알콜(IPA)에 혼합시킨 혼합 용액을 스포이드를 사용하여 PVDF 필름의 양면에 도포하였다.
다음으로, PVDF 필름의 양면에 도포된 혼합 용액을 3bar의 압력으로 얇게 펼친 후, 15℃에서 10시간 동안 건조하여 전극을 제조하였다.
실시예 2
5bar의 압력으로 얇게 펼친 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 제조하였다.
실시예 3
10bar의 압력으로 얇게 펼친 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 전극을 제조하였다.
실시예 4
실시예 1에 따라 제조된 전극이 형성된 PVDF 필름의 양면에 표 2에 기재된 조성을 갖는 절연막 슬러리를 스포이드를 사용하여 적하한 후, 2,000rpm의 속도로 30sec 동안 스핀 코팅하여 2㎛ 두께의 절연막 슬러리를 도포하였다.
다음으로, 절연막 슬러리를 습도 20% 및 40℃의 온도에서 1시간 동안 건조한 후, 데시케이터의 진공 상태에서 5시간 동안 유지시켜 절연막을 제조하였다.
비교예 1
PVDF 필름을 준비하였다.
비교예 2
습도 40% 및 40℃의 온도에서 1시간 동안 건조한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 절연막을 제조하였다.
비교예 3
습도 60% 및 40℃의 온도에서 1시간 동안 건조한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 절연막을 제조하였다.
비교예 4
습도 80% 및 40℃의 온도에서 1시간 동안 건조한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 절연막을 제조하였다.
2. 전극 물성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따른 시료들에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 12는 실시예 1 ~ 3에 따른 시료들에 대한 압력 인가 과정을 나타낸 사진이고, 도 13은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따른 시료들을 나타낸 SEM 사진이며, 도 14는 실시예 1 ~ 3에 따른 시료들을 나타낸 광학 현미경 사진이다.
[표 1]
표 1 및 도 12에 도시된 바와 같이, 비교예 1의 경우에는 전극이 형성되지 않아 저항 및 면저항 측정이 불가하였다.
실시예 1 ~ 3에 따른 시료들의 경우에는 목표값에 해당하는 70% 이상의 투과도를 나타내었다.
이때, 3bar로 실시한 실시예 1에 비하여, 5bar 및 10bar로 실시한 실시예 2 및 3의 경우에서 저항 및 면저항이 낮아졌으나, 투과도는 점차 낮아지는 것을 확인하였다.
또한, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 광원 현미경으로 관찰한 결과, 3bar로 실시한 실시예 1에 비하여, 5bar 및 10bar로 실시한 실시예 2 및 3의 경우와 같이 압력이 높아질수록 선명하고 전극의 형성이 잘 이루어진 것을 확인하였다.
3. 절연막 제조 및 물성 평가
표 2는 실시예 4 및 비교예 2 ~ 4에 따른 시료들에 대한 절연막 슬러리의 성분 및 이의 성분비를 나타낸 것이다. 또한, 표 3은 실시예 1, 4 및 비교예 2 ~ 4에 따른 시료들에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이다.
[표 2]
[표 3]
표 2 및 표 3에 도시된 바와 같이, 실시예 1 및 4의 경우, 저항 값이 작으면서 목표값이 투과율 70% 이상을 갖는 고투과율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
반면, 비교예 2 ~ 4의 경우에는 투과율이 목표값에 미달하는 것을 확인할 수 있다.
위의 실험 결과를 토대로 알 수 있듯이, 투명 음향 스피커를 제작하기 위해, 절연막을 형성한 후의 투명도 유지가 매우 중요하다. 그러나, 절연막의 제조시, 습도의 영향, 즉, 절연막 슬러리에 포함되는 수분의 양은 절대적으로 투명도에 영향을 미치는 것이 확인되었다.
절연막 슬러리에 수분이 포함될 시, 기공이 형성되거나 H2O의 미세 방울이 형성되어 투과도에 커다란 영향을 끼쳤다.
또한, 비교예 3 ~ 4와 같이, 습도가 높은 상태에서 제작되는 절연막은 절연의 특성이 완전히 발현되지 못하고, 누설전류의 현상이 발생했다.
따라서, 최종 건조시 최소한의 습도를 유지하고, 최종 건조는 진공상태에서 이루어지는 것이 고투과도 절연막을 제조하는 핵심 기술인 것을 확인하였다.
한편, 도 15는 실시예 1에 따른 시료를 이용하여 제조한 투명 음향 스피커를 나타낸 실측 도면이다.
도 15에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따른 시료를 이용하여 제조한 투명 음향 스피커는 제1 및 제2 마이크로 캐비티가 8 Х 8 매트릭스 배열 구조로 설계되어 있으며, 실제 음향 테스트를 위해, 제1 전극 및 제2 전극에 각각 연결되는 제1 및 제2 전극 패드도 함께 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이때, 실시예 1에 따른 시료를 이용하여 제조한 투명 음향 스피커는 고투과도를 가지며, 양방향으로 소리를 발생시킨다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 투명 음향 스피커 110 : 압전 소자
111 : 압전 필름 112 : 제1 전극
113 : 제2 전극 114 : 제1 절연막
115 : 제2 절연막 120 : 상부 유리
130 : 하부 유리 140 : 제1 접착 부재
150 : 제2 접착 부재 C1, C2 : 제1 및 제2 마이크로 캐비티
T1, T2 : 제1 및 제2 관통 홀

Claims (15)

  1. 압전 소자;
    상기 압전 소자의 상부에 배치되어, 상기 압전 소자의 상측 일 부분을 노출시키는 제1 마이크로 캐비티와, 상기 제1 마이크로 캐비티에 연결된 제1 관통 홀을 갖는 상부 유리;
    상기 압전 소자의 하부에 배치되어, 상기 압전 소자의 하측 일 부분을 노출시키는 제2 마이크로 캐비티와, 상기 제2 마이크로 캐비티에 연결된 제2 관통 홀을 갖는 하부 유리;
    상기 압전 소자와 상부 유리 사이에 배치되어, 상기 압전 소자와 상부 유리를 접합시키는 제1 접착 부재; 및
    상기 압전 소자와 하부 유리 사이에 배치되어, 상기 압전 소자와 하부 유리를 접합시키는 제2 접착 부재;를 포함하며,
    상기 상부 유리 및 하부 유리는 상기 압전 소자를 사이에 두고, 서로 대칭 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 투명 음향 스피커.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 마이크로 캐비티 각각은
    평면상으로 볼 때, 원형, 타원형 및 다각형 중 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 투명 음향 스피커.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자는
    압전 필름;
    상기 압전 필름의 상면에 배치된 제1 전극;
    상기 제1 전극을 덮는 제1 절연막;
    상기 압전 필름의 하면에 배치된 제2 전극; 및
    상기 제2 전극을 덮는 제2 절연막;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 음향 스피커.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 각각은
    은 나노와이어(Ag Nanowire), ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), GZO(Gallium Zinc Oxide) 및 FTO(Fluorine Tin Oxide) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 음향 스피커.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 절연막 각각은
    1 ~ 10㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 투명 음향 스피커.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접착 부재는 상기 제1 마이크로 캐비티를 제외한 상부 유리의 하면과 압전 소자의 상면 사이에 배치되고,
    상기 제2 접착 부재는 상기 제2 마이크로 캐비티를 제외한 하부 유리의 상면과 압전 소자의 하면 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 투명 음향 스피커.
  8. 압전 필름의 상면 및 하면에 제1 전극 및 제2 전극을 각각 형성한 후, 상기 제1 및 제2 전극을 각각 덮는 제1 및 제2 절연막을 형성하여 압전 소자를 마련하는 단계;
    상부 및 하부 유리를 1차 레이저 가공 처리하여 제1 및 제2 마이크로 캐비티를 형성한 후, 2차 레이저 가공 처리하여 상기 제1 및 제2 마이크로 캐비티와 각각 연결되는 제1 및 제2 관통 홀을 형성하는 단계;
    상기 하부 유리의 상면 상에 제2 접착 부재를 형성한 후, 상기 제2 접착 부재를 매개로 상기 하부 유리의 상면 상에 상기 압전 소자를 부착하는 단계; 및
    상기 압전 소자의 상면 상에 제1 접착 부재를 형성한 후, 상기 제1 접착 부재를 매개로 상기 압전 소자의 상면 상에 상기 상부 유리를 부착하여 상기 하부 유리와 합착하는 단계;
    를 포함하는 투명 음향 스피커 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 형성 단계는,
    상기 압전 필름의 상면 및 하면에 혼합 용액을 도포하는 단계; 및
    상기 도포된 혼합 용액을 일정한 압력으로 펼친 후 건조하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 음향 스피커 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 혼합 용액은
    0.1 ~ 0.5wt%의 농도를 갖도록 투명 금속을 유기 용매에 혼합시킨 것이 이용되는 것을 특징으로 하는 투명 음향 스피커 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 일정한 압력은
    1 ~ 15bar인 것을 특징으로 하는 투명 음향 스피커 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 건조는
    1 ~ 40℃에서 5 ~ 20시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 투명 음향 스피커 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 절연막 형성 단계는,
    상기 제1 및 제2 전극이 형성된 압전 필름의 양면에 절연막 슬러리를 도포하는 단계;
    상기 도포된 절연막 슬러리를 습도 30% 이하 및 30 ~ 50℃ 조건에서 0.5 ~ 3시간 동안 건조하는 단계; 및
    상기 건조된 결과물을 진공 상태에서 3 ~ 10시간 동안 유지시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 음향 스피커 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 도포는
    1,000 ~ 3,000rpm의 속도로 10 ~ 60sec 동안 스핀 코팅하는 것을 특징으로 하는 투명 음향 스피커 제조 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 절연막 각각은
    1 ~ 10㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 투명 음향 스피커 제조 방법.
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