KR102156046B1

KR102156046B1 - Liquid metal acoustic device

Info

Publication number: KR102156046B1
Application number: KR1020190160706A
Authority: KR
Inventors: 하정숙; 진상우
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2020-09-16

Abstract

The present invention discloses a liquid metal acoustic device. According to an embodiment of the present invention, the liquid metal acoustic device includes: metal pads spaced apart from each other on a substrate; a liquid metal formed on the metal pad; an electrolyte containing the liquid metal; and a cover formed on the substrate and storing the electrolyte. Therefore, the present invention can generate sound by vibrating the liquid metal by increasing and decreasing the surface tension of the liquid metal.

Description

Liquid metal acoustic device {LIQUID METAL ACOUSTIC DEVICE}

본 발명은 갈륨 기판의 액체 금속과 전해질로 이루어지며 전기 화학적 방식으로 구동되는 액체 금속 음향 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a liquid metal acoustic device comprising a liquid metal of a gallium substrate and an electrolyte and driven in an electrochemical manner.

최근 4차 산업혁명의 시대가 도래함에 따라 사이버 인터넷 망에 접속하기 위한 시간과 공간의 제한이 사라지는 사물 인터넷(Internet of thing; IoT) 기술이 발전하고 있다.With the advent of the 4th industrial revolution in recent years, the Internet of Things (IoT) technology is developing in which the limitations of time and space for accessing a cyber Internet network disappear.

언제 어디서든 휴대하기 좋은 소형의 스마트 웨어러블 장치는 이러한 사물 인터넷 기술과 결합하여 사용자의 미디어 접근성을 크게 향상하였으며, 단순한 음악 감상, 동영상 시청부터 증강현실 기술까지 웨어러블 미디어 장치의 응용 가능성은 끝없이 확장되고 있다.Small-sized smart wearable devices that are easy to carry anytime, anywhere have greatly improved users' media accessibility by combining these IoT technologies, and the applicability of wearable media devices from simple music listening and video viewing to augmented reality technology is endlessly expanding. .

이러한 기술 발전의 진행에 발맞추어 웨어러블 음향 장치에 대한 요구 또한 증가하고 있다.In line with the progress of such technological development, the demand for wearable sound devices is also increasing.

웨어러블 음향 장치란 지금까지의 액세서리형 음향 장치에서 한 단계 더 나아간 기술이다.Wearable sound devices are a step further from accessory sound devices to date.

액세서리형 이어폰의 소형화, 경량화를 통해 휴대성을 확보한 음향 장치라면, 웨어러블 음향 장치는 피부에 부착 또는 인체 내에 삽입된 상태에서 안정적이게 구동 가능한 음향 장치로써, 사람과 기술 사이의 거리가 이전보다 훨씬 더 긴밀하게 형성될 수 있는 기술이다.If it is a sound device that secures portability through miniaturization and weight reduction of accessory earphones, wearable sound devices are sound devices that can be stably driven while attached to the skin or inserted into the human body, and the distance between people and technology is much greater than before. It is a technology that can be formed more closely.

이러한 웨어러블 음향 장치는 '외부 교류 전기 신호 입력 시 소리의 발생'이라는 기존 음향 장치의 기능성을 갖추면서도, 인체와 같은 변형 가능한 표면 또는 환경에서 가해지는 스트레인에 대해 안정적인 특성을 가져야한다.Such a wearable sound device must have the functionality of an existing sound device, such as'generating sound when an external AC electrical signal is input', and have stable characteristics against strain applied from a deformable surface or environment such as a human body.

또한 단순한 안정성을 넘어서 변형되는 표면에 맞추어 변형될 수 있는 유연함을 갖추어야 한다.In addition, it must have flexibility that can be deformed according to the surface to be deformed beyond simple stability.

이러한 변형 가능한 음향 장치를 개발하기 위해 자석과 보이스 코일을 이용한 다이나믹 방식, 나노 물질을 이용한 열 음향 방식, 압전 고분자, 세라믹을 이용한 압전 방식 등 다양한 원리를 이용한 유연 음향 장치가 개발되고 있다.In order to develop such a deformable acoustic device, a flexible acoustic device using various principles such as a dynamic method using a magnet and a voice coil, a thermo acoustic method using a nanomaterial, a piezoelectric polymer, and a piezoelectric method using a ceramic have been developed.

한국 등록특허공보 제10-0376487호, "박막형스피커"Korean Patent Publication No. 10-0376487, "Thin film type speaker" 일본 공개특허공보 제2005-286690호, "압전막 스피커 및 그것을 이용한 파라메트릭 스피커"Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2005-286690, "Piezoelectric film speaker and parametric speaker using the same"

본 발명의 실시예는 교류 전압 인가 시 액체 금속 표면에 산화막의 형성 및 제거에 따른 액체 금속의 표면 장력 증가 및 감소에 의해 액체 금속이 진동함으로써 소리를 발생할 수 있는 액체 금속 음향 소자를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a liquid metal acoustic device capable of generating sound by vibrating the liquid metal by increasing and decreasing the surface tension of the liquid metal due to the formation and removal of an oxide film on the surface of the liquid metal when an AC voltage is applied.

본 발명의 실시예는 교류 전압 인가에 따른 액체 금속의 표면 장력 증가 및 감소에 의해 액체 금속이 진동하는 전기화학적 방식(ECC 방식)을 사용하여, 전기화학적 커패시터 구조의 액체 금속 음향 소자를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a liquid metal acoustic device having an electrochemical capacitor structure by using an electrochemical method (ECC method) in which the liquid metal vibrates by increasing and decreasing the surface tension of the liquid metal according to the application of an AC voltage. .

본 발명의 실시예는 유연 재질의 기판 및 커버체에 의해 유연성을 가짐으로써, 웨어러블 음향 소자에 적용이 가능한 액체 금속 음향 소자를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a liquid metal acoustic device applicable to a wearable acoustic device by having flexibility by a substrate and a cover made of a flexible material.

본 발명의 실시예는 액체 금속 음향 소자는 유연성을 가져 외력에 의한 구부러진 상태에서도 음향 성능을 유지할 수 있는 액체 금속 음향 소자를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a liquid metal acoustic element capable of maintaining acoustic performance even in a bent state by an external force due to the flexibility of the liquid metal acoustic element.

본 발명의 실시예는 1V 정도의 낮은 인가 전압에 대해서도 가청 주파수 대역의 음압 레벨을 형성할 수 있어, 가청 주파수 대역의 소리를 가청 가능한 수준으로 재생 가능한 액체 금속 음향 소자를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is to provide a liquid metal acoustic device capable of generating a sound pressure level in an audible frequency band even with an applied voltage as low as 1V, and thus reproducing sound in an audible frequency band to an audible level.

본 발명에 따른 액체 금속 음향 소자는, 기판 상에 서로 이격되어 형성된 금속 패드; 상기 금속 패드 상에 형성된 액체 금속; 상기 금속 패드 및 상기 액체 금속을 담지하는 전해질; 및 상기 기판 상에 형성되고, 상기 전해질을 저장하는 커버체를 포함하는 것을 특징으로 한다.The liquid metal acoustic device according to the present invention comprises: metal pads formed to be spaced apart from each other on a substrate; Liquid metal formed on the metal pad; An electrolyte supporting the metal pad and the liquid metal; And a cover body formed on the substrate and storing the electrolyte.

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자에 따르면, 상기 액체 금속의 표면은 교류 전압 인가 시 산화막이 형성되며, 상기 액체 금속은 상기 교류 전압의 크기에 따라 상기 산화막의 형성 속도가 조절되어 표면 장력이 변할 수 있다.According to the liquid metal acoustic device according to an exemplary embodiment of the present invention, an oxide film is formed on the surface of the liquid metal when an AC voltage is applied, and the surface tension of the liquid metal is adjusted according to the magnitude of the AC voltage. This can change.

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자에 따르면, 상기 액체 금속은 갈륨(Ga), 인듐(In) 및 주석(Sn)을 포함하는 갈린스탄(galinstan)을 포함할 수 있다.According to the liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention, the liquid metal may include galinstan including gallium (Ga), indium (In), and tin (Sn).

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자에 따르면, 상기 액체 금속은 구리(Cu) 또는 철(Fe)을 더 포함할 수 있다.According to the liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention, the liquid metal may further include copper (Cu) or iron (Fe).

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자에 따르면, 상기 금속 패드의 단위 면적 당 상기 액체 금속의 부피는 53μL/cm² 내지 160μL/cm²일 수 있다.According to the liquid metal sound device according to an embodiment of the present invention, the volume of the liquid metal per unit area of the metal pad may be a 53μL / cm ² to about 160μL / cm ^2.

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자에 따르면, 상기 전해질은 수산화나트륨(NaOH)을 포함할 수 있다.According to the liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention, the electrolyte may include sodium hydroxide (NaOH).

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자에 따르면, 상기 전해질의 농도는 0.1M 내지 1M일 수 있다.According to the liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention, the concentration of the electrolyte may be 0.1M to 1M.

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자에 따르면, 상기 금속 패드 간 거리는 2mm 내지 6mm일 수 있다.According to the liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention, the distance between the metal pads may be 2mm to 6mm.

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자에 따르면, 상기 금속 패드는 구리(Cu) 또는 금(Au)을 포함할 수 있다.According to the liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention, the metal pad may include copper (Cu) or gold (Au).

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자에 따르면, 상기 액체 금속 음향 소자의 음압 레벨(sound pressure level; SPL)은 30dB 내지 60dB일 수 있다.According to the liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention, a sound pressure level (SPL) of the liquid metal acoustic device may be 30dB to 60dB.

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자에 따르면, 상기 액체 금속 음향 소자의 가청 주파수 대역은 20Hz 내지 20kHz일 수 있다.According to the liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention, the audible frequency band of the liquid metal acoustic device may be 20Hz to 20kHz.

본 발명의 실시예에 따르면, 교류 전압 인가 시 액체 금속 표면에 산화막의 형성 및 제거에 따른 액체 금속의 표면 장력 증가 및 감소에 의해 액체 금속이 진동함으로써 소리를 발생할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when an AC voltage is applied, a sound may be generated by vibrating the liquid metal by increasing and decreasing the surface tension of the liquid metal due to the formation and removal of an oxide film on the liquid metal surface.

본 발명의 실시예에 따르면, 교류 전압 인가에 따른 액체 금속의 표면 장력 증가 및 감소에 의해 액체 금속이 진동하는 전기화학적 방식(ECC 방식)을 사용하여, 전기화학적 커패시터 구조의 액체 금속 음향 소자를 제공할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a liquid metal acoustic device having an electrochemical capacitor structure is provided by using an electrochemical method (ECC method) in which the liquid metal vibrates by increasing and decreasing the surface tension of the liquid metal according to the application of an AC voltage. can do.

본 발명의 실시예에 따르면, 유연 재질의 기판 및 커버체에 의해 유연성을 가짐으로써, 웨어러블 음향 소자에 적용이 가능하다.According to an embodiment of the present invention, it can be applied to a wearable acoustic device by having flexibility by a substrate made of a flexible material and a cover body.

본 발명의 실시예에 따르면, 액체 금속 음향 소자는 유연성을 가져 외력에 의한 구부러진 상태에서도 음향 성능을 유지할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, the liquid metal acoustic element has flexibility and can maintain acoustic performance even in a bent state by an external force.

본 발명의 실시예에 따르면, 1V 정도의 낮은 인가 전압에 대해서도 가청 주파수 대역의 음압 레벨을 형성할 수 있어, 가청 주파수 대역의 소리를 가청 가능한 수준으로 재생할 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a sound pressure level in an audible frequency band can be formed even for an applied voltage as low as 1V, so that sound in an audible frequency band can be reproduced at an audible level.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자의 구체적인 모습을 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자가 구동되는 단일 과정을 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자가 구동되는 반복 과정을 도시한 모식도이다.
도 4는 실시예 1-1의 액체 금속 음향 소자의 음압 레벨을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 실시예 1-1 내지 실시예 1-3, 대조예 1-1 내지 대조예 1-3의 액체 금속 부피에 따른 음압 레벨을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 실시예 1-1 내지 실시예 1-3, 대조예 1-1 내지 1-3의 액체 금속 부피에 따른 임피던스를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 7a 및 도 7b는 실시예 2-1 내지 실시예 2-3의 금속 패드 간 거리에 따른 임피던스를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 실시예 2-1 내지 실시예 2-3의 금속 패드 간 거리에 따른 음압 레벨을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 실시예 3-1 내지 실시예 3-3, 대조예 3-1, 대조예 3-2의 전해질 농도에 따른 임피던스를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 10a 및 도 10b는 실시예 3-1 내지 실시예 3-3, 대조예 3-1, 대조예 3-2의 전해질 농도에 따른 음압 레벨을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 11a는 실시예 1-1을 곡률 반경 3mm로 굽힌 일례를 도시한 이미지이며, 도 11b는 실시예 1-1의 액체 금속 음향 소자의 곡률 반경에 따른 음압 레벨을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
도 12a는 실시예 1-1에 피아노 연주곡을 재생하는 이미지와 입/출력 파형을 도시한 그래프이며, 도 12b는 실시예 1-1에 사람 목소리를 재생하는 이미지와 입/출력 파형을 도시한 그래프이다.
도 13a 내지 도 13f는 실시예 3-1 내지 실시예 3-3의 가청 주파수 대역에 따른 음압 레벨을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.1 is a cross-sectional view showing a detailed appearance of a liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention.
2A to 2E are schematic diagrams showing a single process in which a liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention is driven.
3 is a schematic diagram showing an iterative process of driving a liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing the results of measuring the sound pressure level of the liquid metal acoustic device of Example 1-1.
5A and 5B are graphs showing the results of measuring the sound pressure level according to the volume of the liquid metal in Examples 1-1 to 1-3 and Control Examples 1-1 to 1-3.
6A and 6B are graphs showing the results of measuring impedance according to the volume of the liquid metal in Examples 1-1 to 1-3 and Control Examples 1-1 to 1-3.
7A and 7B are graphs showing results of measuring impedance according to distances between metal pads in Examples 2-1 to 2-3.
8A and 8B are graphs showing results of measuring sound pressure levels according to distances between metal pads in Examples 2-1 to 2-3.
9A and 9B are graphs showing the results of measuring impedance according to the electrolyte concentration of Examples 3-1 to 3-3, Control Example 3-1, and Control Example 3-2.
10A and 10B are graphs showing the results of measuring the sound pressure level according to the electrolyte concentration of Examples 3-1 to 3-3, Control Example 3-1, and Control Example 3-2.
FIG. 11A is an image showing an example in which Example 1-1 is bent with a radius of curvature of 3 mm, and FIG. 11B is a graph showing a result of measuring the sound pressure level according to the radius of curvature of the liquid metal acoustic device of Example 1-1. .
12A is a graph showing an image and input/output waveforms for playing piano music in Example 1-1, and FIG. 12B is a graph showing an image for playing human voice and input/output waveforms in Example 1-1 to be.
13A to 13F are graphs showing results of measuring sound pressure levels according to an audible frequency band of Examples 3-1 to 3-3.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited by the embodiments.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terms used in the present specification are for describing exemplary embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, the singular form also includes the plural form unless specifically stated in the phrase. As used herein, "comprises" and/or "comprising" do not exclude the presence or addition of one or more other elements or steps to the mentioned elements or steps.

본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.As used herein, "embodiment", "example", "side", "example" and the like should be construed as having any aspect or design described better or advantageous than other aspects or designs. Is not.

또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.In addition, the term'or' refers to an inclusive OR'inclusive or' rather than an exclusive OR'exclusive or'. That is, unless stated otherwise or unless clear from context, the expression'x uses a or b'means any one of natural inclusive permutations.

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.In addition, the singular expression ("a" or "an") used in this specification and the claims generally means "one or more" unless otherwise stated or unless it is clear from the context that it relates to the singular form. Should be interpreted as.

아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.The terms used in the description below have been selected as general and universal in the related technology field, but there may be other terms depending on the development and/or change of technology, customs, preferences of technicians, and the like. Therefore, terms used in the following description should not be understood as limiting the technical idea, but should be understood as exemplary terms for describing embodiments.

또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, detailed meanings will be described in the corresponding description. Therefore, terms used in the following description should be understood based on the meaning of the term and the contents throughout the specification, not just the name of the term.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in the present specification may be used as meanings that can be commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not interpreted ideally or excessively unless explicitly defined specifically.

한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.On the other hand, in the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, terms used in the present specification are terms used to properly express an embodiment of the present invention, which may vary depending on the intention of users or operators, or customs in the field to which the present invention belongs. Accordingly, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자의 구체적인 모습을 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a detailed appearance of a liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 기판(110), 금속 패드(120), 액체 금속(130), 전해질(140) 및 커버체(150)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a liquid metal acoustic device 100 according to an embodiment of the present invention includes a substrate 110, a metal pad 120, a liquid metal 130, an electrolyte 140, and a cover body 150. do.

기판(110)은 금속 패드(120), 액체 금속(130) 및 커버체(150)를 지지하는 기재로, 당 분야에서 사용하는 기판(110)으로 그 재질을 특별하게 한정하지 않는다.The substrate 110 is a substrate supporting the metal pad 120, the liquid metal 130, and the cover body 150, and the material is not specifically limited to the substrate 110 used in the art.

예를 들어, 기판(110)은 실리콘, 유리, 석영, 플라스틱 또는 금속 호일(foil)과 같은 다양한 재질로 이루어질 수 있다.For example, the substrate 110 may be made of various materials such as silicon, glass, quartz, plastic, or metal foil.

실시예에 따라서, 기판(110)은 유연 기판(110)일 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 유연성을 가져 웨어러블 음향 장치에 적용될 수 있다.Depending on the embodiment, the substrate 110 may be a flexible substrate 110, and the liquid metal acoustic device 100 according to the embodiment of the present invention has flexibility and can be applied to a wearable acoustic device.

구체적으로, 기판(110)은 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PP(polypropylene), PC(polycarbonate), PI(polyimide), TAC(tri acetyl cellulose) 및 PES(polyether sulfone) 중 적어도 하나를 포함하거나, 알루미늄 포일(aluminum foil) 및 스테인리스 스틸 포일(stainless steel foil) 중 어느 하나를 포함하는 유연 기판일 수 있다.Specifically, the substrate 110 is at least one of PET (polyethylene terephthalate), PEN (polyethylene naphthalate), PP (polypropylene), PC (polycarbonate), PI (polyimide), TAC (tri acetyl cellulose), and PES (polyether sulfone). Including, or may be a flexible substrate including any one of aluminum foil (aluminum foil) and stainless steel foil (stainless steel foil).

또는, 기판(110)은 PDMS(polydimethylsiloxane) 또는 Ecoflex와 같은 유연 고분자를 포함하거나 시중에 판매되는 NOA63와 같은 고분자를 포함할 수 있다.Alternatively, the substrate 110 may include a flexible polymer such as polydimethylsiloxane (PDMS) or Ecoflex, or may include a polymer such as NOA63 sold on the market.

금속 패드(120)는 기판(110) 상에 서로 이격되어 형성되는 것으로, 기판(110) 상에 두 개의 금속 패드(120)가 형성되어 일반적인 소자에 구비된 전극과 같은 역할을 수행할 수 있다.The metal pads 120 are formed on the substrate 110 to be spaced apart from each other, and two metal pads 120 are formed on the substrate 110 to perform the same role as an electrode provided in a general device.

실시예에 따라서, 금속 패드(120)는 일 방향으로 연장 형성된 직육면체 형상을 가져 금속 패드(120) 상에 액체 금속(130)이 안정적으로 형성될 수 있으나, 액체 금속(130)이 금속 패드(120) 상에 안정적으로 위치할 수 있다면 상기 형상에 제한되지 않는다.According to the embodiment, the metal pad 120 has a rectangular parallelepiped shape extending in one direction, so that the liquid metal 130 may be stably formed on the metal pad 120, but the liquid metal 130 is formed of the metal pad 120 ) Is not limited to the shape as long as it can be stably positioned on the top.

금속 패드(120)는 구리(Cu) 또는 금(Au)과 같은 전도성 금속을 포함할 수 있으나, 후술할 액체 금속(130)에 포함된 갈린스탄과 합금을 이룰 수 있는 물질이라면 상기 물질에 제한되지 않는다.The metal pad 120 may include a conductive metal such as copper (Cu) or gold (Au), but any material capable of forming an alloy with gallinstan contained in the liquid metal 130 to be described later is not limited to the material. Does not.

금속 패드(120)는 구리 또는 금을 반복적으로 증착하여 나노미터 또는 마이크로미터 두께로 형성된 후 기판(110) 상에 부착될 수 있다.The metal pad 120 may be formed to have a nanometer or micrometer thickness by repeatedly depositing copper or gold and then attached to the substrate 110.

상기 증착 방법은 전자빔증착(e-beam evaporation), RF 스퍼터링(Radio Frequency sputtering), 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 스퍼터링(Sputtering), 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating) 및 존 캐스팅(zone casting) 중 어느 하나일 수 있으며, 상기 방법에 제한되는 것은 아니다.The deposition method includes e-beam evaporation, RF sputtering, magnetron sputtering, sputtering, spin coating, dip coating, and zone casting. zone casting), and is not limited to the above method.

금속 패드(120)는 기판(110) 상에 부착되어 형성될 수 있으며, NOA63과 같은 자외선 경화 고분자나 PDMS, Ecoflex와 같은 열 경화 고분자를 이용하여 기판(110) 상에 부착될 수 있다.The metal pad 120 may be formed by being attached to the substrate 110, and may be attached to the substrate 110 using an ultraviolet curing polymer such as NOA63 or a thermosetting polymer such as PDMS or Ecoflex.

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 금속 패드 간 거리(d) 조절을 통해 음향 성능이 조절될 수 있다.In the liquid metal acoustic device 100 according to an embodiment of the present invention, acoustic performance may be adjusted by adjusting the distance d between metal pads.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 금속 패드 간 거리(d)를 조절하여 액체 금속 음향 소자(100)의 임피던스 또는 음압 레벨을 조절할 수 있으며, 이에 대한 설명은 후술하도록 한다.Specifically, the liquid metal acoustic element 100 according to an embodiment of the present invention may adjust the impedance or sound pressure level of the liquid metal acoustic element 100 by adjusting the distance d between metal pads, and a description thereof will be described later. Do it.

금속 패드 간 거리(d)는 실시예에 따라서 2mm 내지 6mm일 수 있다.The distance d between the metal pads may be 2 mm to 6 mm depending on the embodiment.

금속 패드 간 거리(d)가 6mm를 초과할 경우, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자의 임피던스가 과도하게 증가하고 음압 레벨이 감소하여 음향 성능이 저하될 수 있다.When the distance d between the metal pads exceeds 6 mm, the impedance of the liquid metal acoustic device according to the exemplary embodiment of the present invention increases excessively and the sound pressure level decreases, thereby deteriorating acoustic performance.

금속 패드 간 거리(d)가 2mm 미만일 경우, 서로 다른 금속 패드(120) 상에 형성된 액체 금속(130)이 합쳐져 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자의 전기화학적 커패시터 구조가 형성되지 않을 수 있다.When the distance d between the metal pads is less than 2mm, the liquid metal 130 formed on the different metal pads 120 may be combined to form an electrochemical capacitor structure of the liquid metal acoustic device according to the embodiment of the present invention. have.

액체 금속(130)은 금속 패드(120) 상에 형성되는 것으로, 전기 화학적 방식(electrochemically controlled capillarity, ECC 방식)을 통해 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)가 소리를 발생하도록 할 수 있다.The liquid metal 130 is formed on the metal pad 120, and allows the liquid metal acoustic device 100 according to an embodiment of the present invention to generate sound through an electrochemically controlled capillarity (ECC method). I can.

액체 금속(130)은 갈륨(Ga), 인듐(In) 및 주석(Sn)을 포함하는 갈린스탄(galinstan)을 포함할 수 있다.The liquid metal 130 may include galinstan including gallium (Ga), indium (In), and tin (Sn).

상기 갈린스탄은 갈륨, 인듐 및 주석을 특정 원자 비율로 혼합된 공융 금속으로 녹는점이 13.2℃로 높아 상온에서 액상이며 3.4x10⁶Sm^-1의 도전율을 가져 높은 전도성을 가진다.The gallinstane is a eutectic metal in which gallium, indium, and tin are mixed in a specific atomic ratio, and has a high melting point of 13.2° C., which is liquid at room temperature and has a conductivity of 3.4×10 ⁶ Sm ⁻¹ , and thus has high conductivity.

또한, 상기 갈린스탄은 증기압이 매우 낮고, 표면에 Ga₂O₃의 산화막을 형성하여 저독성 특성을 가진다.In addition, gallinstane has a very low vapor pressure and a low toxicity characteristic by forming an oxide film of Ga ₂ O _{3 on} the surface.

실시예에 따라서, 상기 갈린스탄은 전체 원자 수 대비 상기 갈륨을 78.3at% 내지 85.8at%로 포함할 수 있다.According to an embodiment, the gallinstane may contain 78.3 at% to 85.8 at% of the gallium relative to the total number of atoms.

실시예에 따라서, 상기 갈린스탄은 전체 원자 수 대비 상기 인듐을 14.2at% 미만으로 포함할 수 있다.According to an embodiment, the gallinstane may contain less than 14.2 at% of the indium relative to the total number of atoms.

실시예에 따라서, 상기 갈린스탄은 전체 원자 수 대비 상기 주석을 6.8at% 내지 8.3at%로 포함할 수 있다.According to an embodiment, the gallinstane may contain 6.8 at% to 8.3 at% of the tin relative to the total number of atoms.

액체 금속(130)은 금속 패드(120) 상에 도포된 후 합금 과정(amalgamation)을 통해 부착될 수 있다.The liquid metal 130 may be applied on the metal pad 120 and then attached through an alloying process (amalgamation).

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 직류 전압을 인가하는 종래 기술과 달리 액체 금속(130)에 교류 전압을 인가하며, 액체 금속(130)은 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)에 교류 전압이 인가될 시 표면에 상기 산화막이 형성될 수 있다.The liquid metal acoustic device 100 according to the embodiment of the present invention applies an AC voltage to the liquid metal 130, unlike the prior art in which a DC voltage is applied, and the liquid metal 130 is a liquid according to the embodiment of the present invention. When an AC voltage is applied to the metallic acoustic element 100, the oxide film may be formed on the surface.

구체적으로, 금속 패드(120)를 통해 액체 금속(130)에 산화 전위가 인가될 시, 액체 금속(130)의 표면에 계면 활성제로 작용하는 상기 산화막이 형성되어 액체 금속(130)의 표면장력이 감소된다.Specifically, when an oxidation potential is applied to the liquid metal 130 through the metal pad 120, the oxide film acting as a surfactant is formed on the surface of the liquid metal 130, thereby reducing the surface tension of the liquid metal 130. Is reduced.

액체 금속(130)은 산화막 형성에 따른 표면장력 감소로 인해 퍼짐(spreading) 현상이 발생한다.The liquid metal 130 is spreading due to a decrease in surface tension due to the formation of an oxide film.

반대로, 금속 패드(120)를 통해 액체 금속(130)에 환원 전위가 인가될 시, 액체 금속(130) 표면에 형성된 산화막이 제거되면서 액체 금속(130)의 표면장력이 다시 상승하게 된다.Conversely, when a reduction potential is applied to the liquid metal 130 through the metal pad 120, the oxide film formed on the surface of the liquid metal 130 is removed, and the surface tension of the liquid metal 130 increases again.

액체 금속(130)에 상기 산화 전위 및 환원 전위가 반복적으로 인가되면서 액체 금속(130)의 형상이 변화됨에 따라 발생하는 액체 금속(130)의 진동으로 소리를 발산할 수 있다.As the oxidation potential and the reduction potential are repeatedly applied to the liquid metal 130, a sound may be emitted by vibration of the liquid metal 130 that occurs as the shape of the liquid metal 130 changes.

구체적으로, 액체 금속(130)은 교류 전압의 크기에 따라 상기 산화막의 형성 속도가 조절되어 표면 장력이 변할 수 있다.Specifically, the surface tension of the liquid metal 130 may be changed by adjusting the formation rate of the oxide layer according to the magnitude of the AC voltage.

후술할 전해질(140)은 금속 패드(120)와 액체 금속(130)을 담지하는 것으로, 액체 금속(130) 표면에 형성되는 산화막을 화학적으로 에칭(etching)할 수 있다.The electrolyte 140 to be described later supports the metal pad 120 and the liquid metal 130, and may chemically etch an oxide film formed on the surface of the liquid metal 130.

따라서, 액체 금속(130)에 교류 산화 전위가 인가될 시 액체 금속(130) 표면에 산화막이 형성되는 동시에 전해질에 의해 산화막이 화학적으로 에칭될 수 있으며, 이로 인해 상기 산화막이 과도하게 두껍게 형성되지 않을 수 있다.Therefore, when an AC oxidation potential is applied to the liquid metal 130, an oxide film may be formed on the surface of the liquid metal 130 and the oxide film may be chemically etched by the electrolyte, thereby preventing the oxide film from being formed excessively thick. I can.

구체적으로, 액체 금속(130)은 교류 산화 전위가 클수록 상기 산화막의 형성 속도가 증가하고 전해질(140)에 의해 상기 산화막이 화학적으로 에칭되나, 교류 산화 전위 인가 전보다 산화막이 형성되는 속도가 증가하면서, 형성된 산화막에 의해 액체 금속(130)의 표면 장력이 급격히 감소하게 되고 금속 패드(120) 상에 넓게 퍼질 수 있다.Specifically, in the liquid metal 130, as the AC oxidation potential increases, the formation rate of the oxide film increases, and the oxide film is chemically etched by the electrolyte 140, but the rate at which the oxide film is formed increases compared to before application of the AC oxidation potential, Due to the formed oxide film, the surface tension of the liquid metal 130 is rapidly reduced and may be widely spread on the metal pad 120.

반면, 액체 금속(130)은 환원 전위가 클수록 상기 산화막의 형성 속도가 느려지는 동시에 전해질(140)에 의해 상기 산화막이 에칭되고 상기 산화막이 제거되면서 액체 금속(130)의 표면 장력이 급격히 상승하게 되어 금속 패드(120) 상에 구형의 단면을 가질 수 있다.On the other hand, in the liquid metal 130, as the reduction potential increases, the formation rate of the oxide film is slowed, and at the same time, the oxide film is etched by the electrolyte 140 and the oxide film is removed, so that the surface tension of the liquid metal 130 increases rapidly. It may have a spherical cross section on the metal pad 120.

본 발명의 실시예에 대한 액체 금속 음향 소자(100)의 교류 전압 인가에 따른 구동 원리는 후술할 도 2a 내지 도 2e를 통해 보다 자세히 다루도록 한다.The driving principle according to the application of the AC voltage of the liquid metal acoustic element 100 according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 2A to 2E to be described later.

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 액체 금속(130)의 양에 따라 음향 성능이 향상될 수 있다.In the liquid metal acoustic device 100 according to an exemplary embodiment of the present invention, acoustic performance may be improved according to the amount of the liquid metal 130.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 금속 패드(120)의 단위 면적 당 액체 금속(130)의 부피에 따라 음향 성능이 향상될 수 있다.Specifically, in the liquid metal acoustic device 100 according to an embodiment of the present invention, acoustic performance may be improved according to the volume of the liquid metal 130 per unit area of the metal pad 120.

보다 구체적으로, 금속 패드(120)의 단위 면적 당 액체 금속(130)의 부피는 53μL/cm² 내지 160μL/cm²일 수 있다.More particularly, the volume of the liquid metal (130) per unit area of the metal pad 120 may be a 53μL / cm ² to about 160μL / cm ^2.

금속 패드(120)의 단위 면적 당 액체 금속(130)의 부피가 53μL/cm² 미만이면, 액체 금속(130)이 과도하게 적어 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)가 충분한 음향 성능을 제공할 수 없다.If the volume of the liquid metal 130 per unit area of the metal pad 120 is less than 53 μL/cm ² , the liquid metal 130 is excessively small, so that the liquid metal acoustic device 100 according to the embodiment of the present invention has sufficient sound. Can't provide performance.

금속 패드(120)의 단위 면적 당 액체 금속(130)의 부피가 160μL/cm²을 초과하는 경우에는 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)의 임피던스 또는 음압 레벨 값이 더 이상 변하지 않아 음향 성능에 영향을 끼치지 않는다.When the volume of the liquid metal 130 per unit area of the metal pad 120 exceeds 160 μL/cm ² , the impedance or sound pressure level value of the liquid metal acoustic device 100 according to the embodiment of the present invention is no longer changed. Does not affect the acoustic performance.

실시예에 따라서, 액체 금속(130)은 상기 갈린스탄에 더하여 구리(Cu) 또는 철(Fe)을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the liquid metal 130 may further include copper (Cu) or iron (Fe) in addition to the gallinstane.

액체 금속(130)은 구리 또는 철을 더 포함하여 점도가 증진될 수 있으며, 이로 인해 페이스트 형상으로 금속 패드(120) 상에 형성될 수 있다.The liquid metal 130 may further include copper or iron to increase the viscosity, and thus may be formed on the metal pad 120 in a paste shape.

전해질(140)은 금속 패드(120)와 액체 금속(130)을 담지하는 것으로, 후술할 커버체(150)와 기판(110)으로 둘러싸여 금속 패드(120)와 액체 금속(130)을 담지할 수 있다.The electrolyte 140 supports the metal pad 120 and the liquid metal 130, and is surrounded by a cover body 150 and a substrate 110, which will be described later, to support the metal pad 120 and the liquid metal 130. have.

전해질(140)은 금속 패드(120)를 연결하고, 금속 패드(120)에 교류 전압이 인가될 시 전하를 이동시키는 매개체가 될 수 있다.The electrolyte 140 may be a medium for connecting the metal pad 120 and transferring electric charges when an AC voltage is applied to the metal pad 120.

또한, 전해질(140)은 상술한 바와 같이 교류 전압 인가에 따른 액체 금속(130) 표면에 형성된 산화막을 에칭하여, 상기 산화막이 과도하게 두꺼워져 액체 금속의 진동을 저해하는 현상을 방지할 수 있다.In addition, as described above, the electrolyte 140 may prevent a phenomenon in which the oxide film is excessively thick and inhibits the vibration of the liquid metal by etching the oxide film formed on the surface of the liquid metal 130 according to the application of the AC voltage.

실시예에 따라서, 전해질(140)은 수산화나트륨(NaOH)을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the electrolyte 140 may include sodium hydroxide (NaOH).

본 발명의 실시예에 대한 액체 금속 음향 소자(100)는 전해질(140)의 농도에 따라 음향 성능이 조절될 수 있다.The acoustic performance of the liquid metal acoustic device 100 according to the embodiment of the present invention may be adjusted according to the concentration of the electrolyte 140.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 전해질(140)의 농도가 증가할수록 임피던스 값이 감소하고, 음압 레벨 값이 증가할 수 있다.Specifically, in the liquid metal acoustic device 100 according to an embodiment of the present invention, as the concentration of the electrolyte 140 increases, an impedance value decreases and a sound pressure level value may increase.

보다 구체적으로, 전해질의 농도가 증가할수록 전해질의 전도성이 상승하게 되면서 산화 환원 전류도 함께 상승하게 되고, 상승된 산화 환원 전류에 의해 액체 금속(130)의 산화막 형성 속도가 증가하면서 산화막이 형성된 액체 금속(130)의 표면 장력이 감소하게 되어, 액체 금속 음향 소자(100)의 임피던스가 감소하고 음압 레벨이 증가할 수 있다.More specifically, as the concentration of the electrolyte increases, the conductivity of the electrolyte increases, and the redox current also increases, and the rate of formation of the oxide film of the liquid metal 130 increases due to the increased redox current, and the liquid metal in which an oxide film is formed. As the surface tension of 130 decreases, the impedance of the liquid metal acoustic element 100 may decrease and the sound pressure level may increase.

실시예에 따라서, 전해질(140)의 농도는 0.1M 내지 1M일 수 있으며, 전해질(140)의 농도가 1M를 초과하면 전해질(140)의 포화로 인해 액체 금속 음향 소자(100)의 임피던스 감소폭이 낮아지고 음압 레벨 상승에도 큰 영향을 주지 않을 수 있다.Depending on the embodiment, the concentration of the electrolyte 140 may be 0.1M to 1M, and when the concentration of the electrolyte 140 exceeds 1M, the impedance decrease width of the liquid metal acoustic element 100 due to saturation of the electrolyte 140 It is lowered and may not have a significant effect on rising sound pressure levels.

커버체(150)는 기판(110) 상에 형성되고 적어도 하나의 측벽을 포함하여 전해질(140)을 저장할 수 있다.The cover body 150 may be formed on the substrate 110 and may include at least one sidewall to store the electrolyte 140.

실시예에 따라서, 커버체(150)는 기판(110)과 마주보는 커버면을 더 포함하여 전해질(140)을 저장 및 보호할 수 있다.According to the embodiment, the cover body 150 may further include a cover surface facing the substrate 110 to store and protect the electrolyte 140.

커버체(150)는 유연 물질로 이루어져 외력에 의해 구부러질 수 있으며, 웨어러블 음향 소자에 적용될 수 있다.The cover body 150 is made of a flexible material and can be bent by an external force, and can be applied to a wearable acoustic device.

실시예에 따라서, 커버체(150)는 기판(110)과 동일하거나 상이한 유연성 소재로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 PDMS, Ecoflex, NOA63을 포함할 수 있으나 상기 물질에 제한되는 것은 아니다.Depending on the embodiment, the cover body 150 may be made of a flexible material identical to or different from the substrate 110, and may include, for example, PDMS, Ecoflex, and NOA63, but is not limited thereto.

커버체(150)는 NOA63과 같은 자외선 경화성 고분자나 PDMS, Ecoflex와 같은 열 경화성 고분자에 의해 기판(110) 상에 부착될 수 있다.The cover body 150 may be attached on the substrate 110 by an ultraviolet curable polymer such as NOA63 or a thermosetting polymer such as PDMS or Ecoflex.

따라서, 커버체(150)는 기판(110)과 부착되어 전해질(140)을 저장할 수 있으며, 전해질(140)은 기판(110) 및 커버체(150)에 의해 둘러싸여 외부로 흐르거나 누출되지 않을 수 있다.Therefore, the cover body 150 is attached to the substrate 110 to store the electrolyte 140, and the electrolyte 140 is surrounded by the substrate 110 and the cover body 150 and may not flow outside or leak. have.

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 금속 패드(120) 간 거리, 액체 금속(130)의 양 및 전해질(140)의 농도 중 어느 하나에 따라 음향 성능이 조절될 수 있다.In the liquid metal acoustic device 100 according to an embodiment of the present invention, acoustic performance may be adjusted according to any one of a distance between the metal pads 120, an amount of the liquid metal 130, and a concentration of the electrolyte 140.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 금속 패드(120) 간 거리가 증가할수록 전류의 저항이 높은 전해질(140)을 통과해야하는 거리가 길어져 임피던스가 증가하고, 이에 따라 임피던스와 반비례 관계를 가지는 음압 레벨이 감소할 수 있다. Specifically, in the liquid metal acoustic device 100 according to an embodiment of the present invention, as the distance between the metal pads 120 increases, the distance that must pass through the electrolyte 140 having a high current resistance increases, thereby increasing the impedance. The sound pressure level, which has an inverse relationship with the impedance, may decrease.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 금속 패드(120)의 단위 면적 당 액체 금속(130)의 부피가 증가할수록 임피던스가 감소하고 음압 레벨이 증가할 수 있다.Further, in the liquid metal acoustic device 100 according to an exemplary embodiment of the present invention, as the volume of the liquid metal 130 per unit area of the metal pad 120 increases, the impedance may decrease and the sound pressure level may increase.

또는, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 전해질(140)의 농도가 증가할수록 전해질의 전도성이 증가하여 산화 환원 전류가 증가함에 따라 액체 금속 표면 상 산화막 형성 속도가 증가함으로써, 임피던스가 감소하고 음압 레벨이 증가할 수 있다.Alternatively, in the liquid metal acoustic device 100 according to an embodiment of the present invention, as the concentration of the electrolyte 140 increases, the conductivity of the electrolyte increases, and as the redox current increases, the oxide film formation rate on the liquid metal surface increases, Impedance may decrease and sound pressure level may increase.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)의 음압 레벨(sound pressure level; SPL)은 30dB 내지 60dB일 수 있다.Specifically, a sound pressure level (SPL) of the liquid metal acoustic device 100 according to an embodiment of the present invention may be 30dB to 60dB.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 20Hz 내지 20kHz의 가청 주파수 대역 신호를 이용하여 소리를 발생할 수 있다.In addition, the liquid metal acoustic device 100 according to an embodiment of the present invention may generate sound using a signal in an audible frequency band of 20Hz to 20kHz.

종래 기술은 직류 산화 전위를 가하여 전해질(140) 내 액체 금속(130) 표면에 산화막을 형성하는 기술을 제시하나, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 직류 전압을 인가하는 종래 기술과 달리 교류 전압을 인가하여 액체 금속(130) 표면의 전해질(140) 이온 분포를 불균형하게 만들어 액체 금속(130)의 운동을 유발할 수 있다.The prior art proposes a technique of forming an oxide film on the surface of the liquid metal 130 in the electrolyte 140 by applying a DC oxidation potential, but the liquid metal acoustic device 100 according to the embodiment of the present invention applies a DC voltage. Unlike technology, it is possible to induce motion of the liquid metal 130 by applying an alternating voltage to make the ion distribution of the electrolyte 140 on the surface of the liquid metal 130 unbalanced.

본 발명의 실시예에 대한 액체 금속 음향 소자(100)는 교류 전압 인가에 따른 액체 금속(130)의 표면 장력 증가 및 감소에 의해 액체 금속(130)이 진동함으로써 소리를 발생할 수 있다.The liquid metal acoustic device 100 according to the embodiment of the present invention may generate sound by vibrating the liquid metal 130 by increasing and decreasing the surface tension of the liquid metal 130 according to the application of an AC voltage.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 교류 전압 인가에 따른 액체 금속(130)의 표면 장력 증가 및 감소에 의해 액체 금속(130)이 진동하는 전기화학적 방식(ECC 방식)을 사용하여, 전기화학적 커패시터 구조의 액체 금속 음향 소자(100)를 제공할 수 있다.In addition, the liquid metal acoustic device 100 according to an embodiment of the present invention is an electrochemical method in which the liquid metal 130 vibrates by increasing and decreasing the surface tension of the liquid metal 130 according to the application of an AC voltage (ECC method). Using, it is possible to provide a liquid metal acoustic device 100 of an electrochemical capacitor structure.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 유연 재질의 기판(110) 및 커버체(150)에 의해 유연성을 가짐으로써, 웨어러블 음향 소자에 적용이 가능하다.In addition, the liquid metal acoustic device 100 according to the exemplary embodiment of the present invention has flexibility by the substrate 110 and the cover body 150 made of a flexible material, and thus can be applied to a wearable acoustic device.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 유연성을 가져 외력에 의한 구부러진 상태에서도 음향 성능을 유지할 수 있다.In addition, the liquid metal acoustic device 100 according to an exemplary embodiment of the present invention has flexibility and can maintain acoustic performance even in a bent state by an external force.

더하여, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자(100)는 1V 정도의 낮은 인가 전압에 대해서도 가청 주파수 대역의 음압 레벨을 형성할 수 있어, 가청 주파수 대역의 소리를 가청 가능한 수준으로 재생할 수 있다.In addition, the liquid metal acoustic device 100 according to an embodiment of the present invention can form a sound pressure level in an audible frequency band even for an applied voltage as low as 1 V, and thus reproduce sound in an audible frequency band at an audible level. .

이하, 본 발명의 실시예에 대한 액체 금속 음향 소자가 구동되는 단일 과정을 자세히 설명하도록 한다.Hereinafter, a single process of driving the liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자가 구동되는 단일 과정을 도시한 모식도이다.2A to 2E are schematic diagrams showing a single process in which a liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention is driven.

먼저 도 2a를 참조하면, 교류 전압이 인가되기 전 금속 패드(120) 상에 형성된 액체 금속(130)은 높은 표면 장력으로 인해 구형 단면을 가질 수 있다.First, referring to FIG. 2A, the liquid metal 130 formed on the metal pad 120 before the AC voltage is applied may have a spherical cross section due to high surface tension.

도 2b를 참조하면, 액체 금속(130)이 형성된 금속 패드(120)에 교류 산화 전위가 인가될 시 액체 금속(130) 표면에 산화막(131)이 형성되면서 액체 금속(130)의 표면 장력이 감소하여 금속 패드(120) 상에서 퍼짐(spreading) 현상이 발생할 수 있다.2B, when an AC oxidation potential is applied to the metal pad 120 on which the liquid metal 130 is formed, an oxide film 131 is formed on the surface of the liquid metal 130, thereby reducing the surface tension of the liquid metal 130 As a result, a spreading phenomenon may occur on the metal pad 120.

이때, 전해질(140)은 산화막(131)을 에칭할 수 있어, 산화막(131)의 두께가 과도하게 두꺼워져 액체 금속(130)이 진동하지 않는 현상을 방지할 수 있다.In this case, since the electrolyte 140 may etch the oxide layer 131, it is possible to prevent a phenomenon in which the liquid metal 130 does not vibrate due to excessively thickening of the oxide layer 131.

액체 금속(130)에 교류 산화 전위가 인가될 시 산화막(131) 형성 속도가 증가하여, 전해질(140)에 의한 에칭에도 불구하고 액체 금속(130)이 중력에 의해 퍼질 수 있는 두께로 산화막(131)이 형성될 수 있다.When an AC oxidation potential is applied to the liquid metal 130, the formation rate of the oxide film 131 increases, so that the oxide film 131 has a thickness that allows the liquid metal 130 to spread by gravity despite the etching by the electrolyte 140. ) Can be formed.

도 2c를 참조하면, 액체 금속(130)이 형성된 금속 패드(120)에 상술한 도 2b보다 더 큰 교류 산화 전위가 인가될 시 산화막(131)의 형성 속도가 더욱 증가하면서 액체 금속(130)의 표면 장력이 더욱 감소하게 되고 금속 패드(120) 상에서 퍼짐 현상이 심화될 수 있다.Referring to FIG. 2C, when an alternating current oxidation potential greater than that of FIG. 2B is applied to the metal pad 120 on which the liquid metal 130 is formed, the formation rate of the oxide film 131 is further increased and the liquid metal 130 is formed. The surface tension may be further reduced and the spreading phenomenon on the metal pad 120 may be intensified.

도 2d를 참조하면, 액체 금속(130)이 형성된 금속 패드(120)에 교류 환원 전위가 인가될 시 산화막(131)의 형성 속도가 감소하게 되고 액체 금속(130) 표면에 형성된 산화막(131)이 전해질(140)에 의해 에칭되면서 액체 금속(130)의 표면 장력이 다시 증가하게 된다.Referring to FIG. 2D, when an AC reduction potential is applied to the metal pad 120 on which the liquid metal 130 is formed, the formation rate of the oxide film 131 decreases, and the oxide film 131 formed on the surface of the liquid metal 130 is As it is etched by the electrolyte 140, the surface tension of the liquid metal 130 increases again.

이로 인해 금속 패드(120) 상에서 퍼져있던 액체 금속(130)은 증가된 표면 장력에 의해 다시 구형에 가까운 단면을 가질 수 있다.Accordingly, the liquid metal 130 spreading on the metal pad 120 may have a cross-section close to a spherical shape again due to the increased surface tension.

도 2e를 참조하면, 액체 금속(130)이 형성된 금속 패드(120)에 상술한 도 2d보다 큰 교류 환원 전위가 인가될 시 산화막의 형성 속도가 현저히 감소하게 되고 액체 금속(130) 표면에 형성된 산화막이 전해질(140)에 의해 에칭되어 제거되면서 액체 금속(130)의 표면 장력이 더욱 증가하게 되고, 액체 금속(130)은 교류 산화 전위가 인가되기 전의 형상으로 회복될 수 있다.Referring to FIG. 2E, when an AC reduction potential greater than that of FIG. 2D is applied to the metal pad 120 on which the liquid metal 130 is formed, the formation rate of the oxide film is significantly reduced, and the oxide film formed on the surface of the liquid metal 130 As the electrolyte 140 is etched and removed, the surface tension of the liquid metal 130 is further increased, and the liquid metal 130 may be restored to a shape before the AC oxidation potential is applied.

본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자는 도 2a 내지 도 2e 과정이 반복적으로 일어나 액체 금속(130)이 진동하게 되고, 액체 금속(130)의 진동으로 인해 소리를 발생할 수 있다.In the liquid metal acoustic device according to the exemplary embodiment of the present invention, the processes of FIGS. 2A to 2E are repeated to cause the liquid metal 130 to vibrate, and a sound may be generated due to the vibration of the liquid metal 130.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자가 구동되는 반복 과정을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an iterative process of driving the liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention will be described as follows.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자가 구동되는 반복 과정을 도시한 모식도이다.3 is a schematic diagram showing an iterative process of driving a liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 두 개의 금속 패드(120) 상에 액체 금속(130)이 각각 형성되고, 교류 전압(AC)이 인가될 시 두 개의 금속 패드(120)에 주기적으로 산화 전위 및 환원 전위가 인가된다.3, a liquid metal 130 is formed on two metal pads 120, respectively, and when an AC voltage (AC) is applied, an oxidation potential and a reduction potential are periodically applied to the two metal pads 120. Is authorized.

이에 따라, 산화막의 형성 속도가 반복적으로 증가 및 감소하게 되고 금속 패드(120) 상에 형성된 액체 금속(130)의 표면장력이 변화하여 액체 금속(130)이 진동하게 된다.Accordingly, the rate of formation of the oxide film is repeatedly increased and decreased, and the surface tension of the liquid metal 130 formed on the metal pad 120 is changed, so that the liquid metal 130 vibrates.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자는 교류 전압 인가 시 액체 금속(130) 표면에 형성된 산화막 형성 속도의 반복적인 증가 및 감소에 따라 액체 금속(130)이 진동하게 되어 소리를 발생할 수 있다.Accordingly, in the liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention, when an AC voltage is applied, the liquid metal 130 vibrates according to the repeated increase and decrease of the oxide film formation rate formed on the surface of the liquid metal 130, thereby generating sound. have.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자는 교류 전압의 크기에 따라 액체 금속(130) 표면의 산화막의 형성 속도가 조절되어 액체 금속(130)의 진동 정도가 상이할 수 있다.In addition, in the liquid metal acoustic device according to the exemplary embodiment of the present invention, the rate of formation of the oxide film on the surface of the liquid metal 130 may be adjusted according to the magnitude of the AC voltage, so that the degree of vibration of the liquid metal 130 may be different.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자는 교류 전압의 크기가 증가하면 산화 환원 전류가 증가하여 산화막 형성 속도의 증가 및 감소 주기가 빨라지고, 이에 따라 액체 금속(130)이 더 빠르게 진동될 수 있다.Specifically, in the liquid metal acoustic device according to an embodiment of the present invention, as the magnitude of the AC voltage increases, the redox current increases, so that the increase and decrease cycle of the oxide film formation rate is accelerated, and thus the liquid metal 130 vibrates more rapidly. Can be.

이하, 본 발명의 액체 금속 음향 소자를 실시예에 따라 제조한 후 음향 성능을 평가하여 액체 금속 음향 소자의 효과를 입증하였다.Hereinafter, the liquid metal acoustic device of the present invention was manufactured according to the Examples and then the acoustic performance was evaluated to demonstrate the effect of the liquid metal acoustic device.

제조예 및 실시예Preparation Examples and Examples

[제조예][Production Example]

2.5cm x 0.3cm 크기 및 20μm 두께의 금속 패드인 구리 호일 두 개를 PET 기판 상에 위치시킨 후 PDMS를 이용하여 PET 기판 상에 구리 호일을 부착하였다.Two copper foils, which are metal pads with a size of 2.5 cm x 0.3 cm and a thickness of 20 μm, were placed on the PET substrate and then the copper foil was attached to the PET substrate using PDMS.

PDMS을 이용하여 두께 1mm의 측벽을 제조한 후 기판 상에 부착하였다.A side wall with a thickness of 1 mm was prepared using PDMS and then attached to the substrate.

이후, 구리 호일을 담지할 수 있도록 전해질인 NaOH(aq)를 주입하였고, 액체 금속인 갈린스탄을 NaOH(aq)로 담지된 구리 호일 상에 주입하였다.Thereafter, NaOH (aq) as an electrolyte was injected to support the copper foil, and gallinstan, a liquid metal, was injected onto the copper foil supported with NaOH (aq).

갈린스탄 주입 후, PDMS를 이용하여 두께 1mm의 커버면을 제조한 후 측벽과 부착하여 액체 금속 음향 소자를 제조하였다.After gallinstan injection, a cover surface having a thickness of 1 mm was manufactured using PDMS, and then a liquid metal acoustic device was manufactured by attaching it to the side wall.

1. 액체 금속 부피에 따른 액체 금속 음향 소자 제조1. Manufacture of liquid metal acoustic devices according to the volume of liquid metal

[실시예 1-1][Example 1-1]

2mm 간격의 구리 호일을 담지하는 1M NaOH(aq)에서, 액체 금속 40μL를 구리 호일 상에 주입하여 상기 [제조예]에 따라 액체 금속 음향 소자를 제조하였다.In 1M NaOH (aq) supporting a copper foil having a distance of 2 mm, 40 μL of a liquid metal was injected onto the copper foil to prepare a liquid metal acoustic device according to the above [Preparation Example].

[실시예 1-2][Example 1-2]

액체 금속 80μL를 구리 호일 상에 주입한 것을 제외하고는, 상기 [실시예 1-1]에 따라 액체 금속 음향 소자를 제조하였다.A liquid metal acoustic device was manufactured according to [Example 1-1], except that 80 μL of the liquid metal was injected onto the copper foil.

[실시예 1-3][Example 1-3]

액체 금속 120μL를 구리 호일 상에 주입한 것을 제외하고는, 상기 [실시예 1-1]에 따라 액체 금속 음향 소자를 제조하였다.A liquid metal acoustic device was manufactured according to [Example 1-1], except that 120 μL of the liquid metal was injected onto the copper foil.

[대조예 1-1][Control Example 1-1]

PET 기판 상에 구리 호일만 부착된 것을 제외하고는, 상기 [실시예 1-1]과 동일한 방법으로 음향 소자를 제조하였다.An acoustic device was manufactured in the same manner as in [Example 1-1], except that only the copper foil was attached on the PET substrate.

[대조예 1-2][Control Example 1-2]

구리 호일 상에 5μL 미만으로 액체 금속이 형성된 것을 제외하고는, 상기 [실시예 1-1]과 동일한 방법으로 음향 소자를 제조하였다.An acoustic device was manufactured in the same manner as in [Example 1-1], except that liquid metal was formed in less than 5 μL on the copper foil.

[대조예 1-3][Control Example 1-3]

액체 금속 160μL를 구리 호일 상에 주입한 것을 제외하고는, 상기 [실시예 1]에 따라 액체 금속 음향 소자를 제조하였다.A liquid metal acoustic device was manufactured according to [Example 1], except that 160 μL of liquid metal was injected onto the copper foil.

2. 금속 패드의 간격에 따른 액체 금속 음향 소자 제조2. Manufacture of liquid metal acoustic devices according to the spacing of metal pads

[실시예 2-1][Example 2-1]

2mm 간격의 구리 호일을 담지하는 1M NaOH(aq)에서, 액체 금속 80μL를 구리 호일 상에 주입하여 상기 [제조예]에 따라 액체 금속 음향 소자를 제조하였다.In 1M NaOH (aq) supporting a copper foil with a distance of 2 mm, 80 μL of a liquid metal was injected onto the copper foil to prepare a liquid metal acoustic device according to the above [Preparation Example].

[실시예 2-2][Example 2-2]

구리 호일의 간격이 4mm인 것을 제외하고는, 상기 [실시예 2-1]과 동일한 방법으로 액체 금속 음향 소자를 제조하였다.A liquid metal acoustic device was manufactured in the same manner as in [Example 2-1], except that the thickness of the copper foil was 4 mm.

[실시예 2-3][Example 2-3]

구리 호일의 간격이 6mm인 것을 제외하고는, 상기 [실시예 2-1]과 동일한 방법으로 액체 금속 음향 소자를 제조하였다.A liquid metal acoustic device was manufactured in the same manner as in [Example 2-1], except that the thickness of the copper foil was 6 mm.

3. 전해질 농도에 따른 액체 금속 음향 소자 제조3. Manufacture of liquid metal acoustic devices according to electrolyte concentration

[실시예 3-1][Example 3-1]

[실시예 3-2][Example 3-2]

0.1M NaOH(aq)를 사용한 것을 제외하고는, 상기 [실시예 3-1]과 동일한 방법으로 액체 금속 음향 소자를 제조하였다.A liquid metal acoustic device was manufactured in the same manner as in [Example 3-1], except that 0.1M NaOH (aq) was used.

[실시예 3-3][Example 3-3]

0.5M NaOH(aq)를 사용한 것을 제외하고는, 상기 [실시예 3-1]과 동일한 방법으로 액체 금속 음향 소자를 제조하였다.A liquid metal acoustic device was manufactured in the same manner as in [Example 3-1], except that 0.5M NaOH (aq) was used.

[대조예 3-1][Control Example 3-1]

3M NaOH(aq)를 사용한 것을 제외하고는, 상기 [실시예 3-1]과 동일한 방법으로 액체 금속 음향 소자를 제조하였다.A liquid metal acoustic device was manufactured in the same manner as in [Example 3-1], except that 3M NaOH (aq) was used.

[대조예 3-2][Control Example 3-2]

6M NaOH(aq)를 사용한 것을 제외하고는, 상기 [실시예 3-1]과 동일한 방법으로 액체 금속 음향 소자를 제조하였다.A liquid metal acoustic device was manufactured in the same manner as in [Example 3-1], except that 6M NaOH (aq) was used.

상기 실시예 및 대조예의 액체 금속 부피, 구리 호일의 간격 및 전해질의 농도에 따라 요약하면 아래의 표와 같다.The following table is summarized according to the liquid metal volume, the thickness of the copper foil, and the concentration of the electrolyte in the Examples and Control Examples.

[표][table]

특성 평가Property evaluation

도 4는 실시예 1-1의 액체 금속 음향 소자의 음압 레벨을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.4 is a graph showing the results of measuring the sound pressure level of the liquid metal acoustic device of Example 1-1.

도 4는 상기 실시예 1-1에 1.6V_pp 진폭의 사인파 전기 신호를 인가할 시 상기 실시예의 액체 금속 음향 소자로부터 1cm 떨어진 곳에서 측정된 배경 소음 대비 음압 레벨을 측정한 결과이다.4 is a result of measuring the sound pressure level compared to the background noise measured at a distance of 1 cm from the liquid metal acoustic element of the embodiment when applying a sine wave electric signal having an amplitude of 1.6 V _pp to Example 1-1.

도 4를 참조하면, 상기 실시예 1-1은 인가된 전기 신호의 주파수가 증가하여도 배경 소음보다 큰 음압 레벨 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, it can be seen that in the first embodiment 1-1, even when the frequency of the applied electrical signal increases, the sound pressure level value is greater than the background noise.

이로부터 상기 실시예 1-1은 가청 주파수 대역에서 배경 소음보다 큰 소리를 내는 것을 알 수 있다.From this, it can be seen that Example 1-1 produces a louder sound than background noise in the audible frequency band.

1. 액체 금속 부피에 따른 음향 성능1. Acoustic performance according to the volume of liquid metal

도 5a 및 도 5b는 실시예 1-1 내지 실시예 1-3, 대조예 1-1 내지 대조예 1-3의 액체 금속 부피에 따른 음압 레벨을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.5A and 5B are graphs showing the results of measuring the sound pressure level according to the volume of the liquid metal in Examples 1-1 to 1-3 and Control Examples 1-1 to 1-3.

도 5a 및 도 5b에 기재된 BG는 배경 소음을 의미하고, Cu는 구리 호일만 형성된 상기 대조예 1-1의 음향 소자를 의미하며, <5는 상기 대조예 1-2의 음향 소자를 의미한다.BG described in FIGS. 5A and 5B means background noise, Cu means the acoustic element of Comparative Example 1-1 in which only copper foil is formed, and <5 means the acoustic element of Comparative Example 1-2.

도 5a는 인가된 신호의 주파수 각각 300Hz, 500Hz, 1000Hz에서 액체 금속(갈린스탄)의 부피가 각각 40μL(실시예 1-1), 80μL(실시예 1-2), 120μL(실시예 1-3), 160μL(대조예 1-3)일 때와, 배경 소음, 상기 대조예 1-1 및 상기 대조예 1-2에 대한 음압 레벨(SPL)을 측정한 결과이며, 도 5b는 인가된 신호의 주파수 각각 5000Hz, 10000Hz, 20000Hz에서 액체 금속(갈린스탄)의 부피가 각각 40μL(실시예 1-1), 80μL(실시예 1-2), 120μL(실시예 1-3), 160μL(대조예 1-3)일 때와, 배경 소음, 상기 대조예 1-1 및 상기 대조예 1-2에 대한 음압 레벨(SPL)을 측정한 결과이다.5A shows the volume of the liquid metal (Gallinstan) at 300 Hz, 500 Hz, and 1000 Hz, respectively, of the applied signal frequencies of 40 μL (Example 1-1), 80 μL (Example 1-2), and 120 μL (Example 1-3). ), 160 μL (Control Example 1-3), background noise, and the result of measuring the sound pressure level (SPL) for the Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2, and FIG. 5B shows the At frequencies of 5000 Hz, 10000 Hz, and 20000 Hz, respectively, the volume of the liquid metal (Gallinstan) was 40 μL (Example 1-1), 80 μL (Example 1-2), 120 μL (Example 1-3), and 160 μL (Control Example 1). It is a result of measuring the sound pressure level (SPL) for the case of -3), background noise, and Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 실시예 1-1 내지 실시예 1-3은 배경 소음보다 큰 음압 레벨을 가지는 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 상기 실시예 1-1 내지 실시예 1-3은 배경 소음보다 큰 소리를 낼 수 있다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 5A and 5B, it can be seen that Examples 1-1 to 1-3 have a sound pressure level greater than background noise, and from this, Examples 1-1 to 1-3 You can see that it can make a louder sound than the background noise.

또한, 상기 실시예 1-1 내지 실시예 1-3은 상기 대조예 1-1 및 대조예 1-2보다 큰 음압 레벨을 가지는 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 상기 실시예 1-1 내지 실시예 1-3은 교류 전압 인가에 따른 갈린스탄의 진동으로 인해 300Hz부터 20000Hz에 이르는 주파수에 대하여 소리를 낼 수 있다는 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that Examples 1-1 to 1-3 have a higher sound pressure level than Comparative Example 1-1 and Comparative Example 1-2, from which Examples 1-1 to 1 It can be seen that -3 can make sound at frequencies ranging from 300Hz to 20000Hz due to the vibration of Galinstan due to the application of AC voltage.

또한, 상기 실시예 1-1 내지 실시예 1-3은 액체 금속의 부피가 40μL 이상일 때부터 음향 소자로서의 기능을 수행한 것을 알 수 있으며, 대조예 1-3과 같이 160μL의 액체 금속이 형성된 경우 음압 레벨에 큰 영향을 끼치지 않는 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that Examples 1-1 to 1-3 performed the function as an acoustic device from when the volume of the liquid metal was 40 μL or more, and when 160 μL of liquid metal was formed as in Comparative Example 1-3 It can be seen that it does not significantly affect the sound pressure level.

도 6a 및 도 6b는 실시예 1-1 내지 실시예 1-3, 대조예 1-1 내지 1-3의 액체 금속 부피에 따른 임피던스를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.6A and 6B are graphs showing the results of measuring impedance according to the volume of the liquid metal in Examples 1-1 to 1-3 and Control Examples 1-1 to 1-3.

도 6a는 인가된 신호의 주파수 각각 0.3kHz, 0.5kHz, 1kHz에 대하여 액체 금속(갈린스탄)의 부피가 각각 40μL(실시예 1-1), 80μL(실시예 1-2), 120μL(실시예 1-3), 160μL(대조예 1-3)일 때와 상기 대조예 1 및 상기 대조예 2에 대한 임피던스를 측정한 결과이며, 도 6b는 인가된 신호의 주파수 각각 5kHz, 10kHz, 20kHz에 대하여 액체 금속(갈린스탄)의 부피가 각각 40μL(실시예 1-1), 80μL(실시예 1-2), 120μL(실시예 1-3), 160μL(대조예 1-3)일 때와 상기 대조예 1 및 상기 대조예 2에 대한 임피던스를 측정한 결과이다.6A shows the volume of the liquid metal (gallinstan) is 40 μL (Example 1-1), 80 μL (Example 1-2), and 120 μL (Example 1-1), respectively, for the frequencies of the applied signal at 0.3 kHz, 0.5 kHz, and 1 kHz, respectively. 1-3), 160 μL (Control Example 1-3) and the result of measuring the impedance of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, Figure 6b is for the frequency of the applied signal 5kHz, 10kHz, 20kHz, respectively When the volume of the liquid metal (gallinstan) is 40 μL (Example 1-1), 80 μL (Example 1-2), 120 μL (Example 1-3), and 160 μL (Control Example 1-3), respectively, and the above control It is a result of measuring impedance for Example 1 and Control Example 2.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 실시예 1-1 내지 실시예 1-3은 상기 대조예 1-1 내지 대조예 1-3보다 임피던스 값이 작은 것을 확인할 수 있다.6A and 6B, it can be seen that the impedance values of Examples 1-1 to 1-3 are smaller than those of Comparative Examples 1-1 to 1-3.

따라서 임피던스와 반비례 관계인 음압 레벨은 상술한 도 5a 및 도 5b와 같이 상기 실시예 1-1 내지 실시예 1-3이 상기 대조예 1-1 내지 대조예 1-3보다 큰 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.Therefore, it can be confirmed that the sound pressure level, which is inversely proportional to the impedance, has a value greater than that of Examples 1-1 to 1-3, as shown in FIGS. 5A and 5B. have.

2. 금속 패드 간 거리에 따른 음향 성능2. Acoustic performance according to the distance between metal pads

도 7a 및 도 7b는 실시예 2-1 내지 실시예 2-3의 금속 패드 간 거리에 따른 임피던스를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.7A and 7B are graphs showing results of measuring impedance according to distances between metal pads in Examples 2-1 to 2-3.

도 7a는 인가된 신호의 주파수 각각 0.3kHz, 0.5kHz, 1kHz에 대하여 금속 패드인 구리 호일의 간격이 각각 2mm(실시예 2-1), 4mm(실시예 2-2), 6mm(실시예 2-3)일 때 임피던스를 측정한 결과이며, 도 6b는 인가된 신호의 주파수 각각 5kHz, 10kHz, 20kHz에 대하여 금속 패드인 구리 호일의 간격이 각각 2mm(실시예 2-1), 4mm(실시예 2-2), 6mm(실시예 2-3)일 때 임피던스를 측정한 결과이다.7A shows that the thickness of the copper foil as a metal pad is 2 mm (Example 2-1), 4 mm (Example 2-2), and 6 mm (Example 2) for the frequencies of the applied signal, respectively, 0.3 kHz, 0.5 kHz, and 1 kHz. It is the result of measuring the impedance when -3), and Fig.6b shows that the thickness of the copper foil as a metal pad is 2 mm (Example 2-1) and 4 mm (Example) for the frequencies of the applied signal, respectively, 5 kHz, 10 kHz, and 20 kHz. 2-2), 6 mm (Example 2-3) is a result of measuring the impedance.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 금속 패드인 구리 호일의 간격이 증가할수록 상기 실시예 2-1 내지 실시예 2-3의 임피던스 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다.7A and 7B, it can be seen that the impedance values of Examples 2-1 to 2-3 increase as the spacing of the copper foil, which is a metal pad, increases.

이는 구리 호일의 간격이 증가할수록 채널 간 간격이 증가하여 전류의 흐름이 방해되기 때문이다.This is because, as the thickness of the copper foil increases, the distance between channels increases, thereby obstructing the flow of current.

도 8a 및 도 8b는 실시예 2-1 내지 실시예 2-3의 금속 패드 간 거리에 따른 음압 레벨을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.8A and 8B are graphs showing results of measuring sound pressure levels according to distances between metal pads in Examples 2-1 to 2-3.

도 8a는 인가된 신호의 주파수 각각 0.3kHz, 0.5kHz, 1kHz에 대하여 금속 패드인 구리 호일의 간격이 각각 2mm(실시예 2-1), 4mm(실시예 2-2), 6mm(실시예 2-3)일 때 음압 레벨을 측정한 결과이며, 도 6b는 인가된 신호의 주파수 각각 5kHz, 10kHz, 20kHz에 대하여 금속 패드인 구리 호일의 간격이 각각 2mm(실시예 2-1), 4mm(실시예 2-2), 6mm(실시예 2-3)일 때 음압 레벨을 측정한 결과이다.8A shows that the thickness of the copper foil as a metal pad is 2 mm (Example 2-1), 4 mm (Example 2-2), and 6 mm (Example 2) for the frequencies of the applied signal, respectively, 0.3 kHz, 0.5 kHz, and 1 kHz. It is the result of measuring the sound pressure level when -3), and Fig.6b shows that the thickness of the copper foil as a metal pad is 2 mm (Example 2-1) and 4 mm (Execution Example 2-2) is a result of measuring the sound pressure level at 6 mm (Example 2-3).

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 금속 패드인 구리 호일의 간격이 증가할수록 상기 실시예 2-1 내지 실시예 2-3의 음압 레벨 값이 감소하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 8A and 8B, it can be seen that the sound pressure level value of Examples 2-1 to 2-3 decreases as the spacing of the copper foil, which is a metal pad, increases.

이는 상술한 도 7a 및 도 7b의 임피던스 측정 결과와 반비례하는 결과를 보여주는 것을 확인할 수 있다.It can be seen that this shows a result in inverse proportion to the impedance measurement result of FIGS. 7A and 7B described above.

따라서, 본 발명의 액체 금속 음향 소자는 금속 패드 간 간격이 증가할수록 작은 소리를 내는 것을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the liquid metal acoustic device of the present invention produces a small sound as the distance between the metal pads increases.

3. 전해질 농도에 따른 음향 성능3. Acoustic performance according to electrolyte concentration

도 9a 및 도 9b는 실시예 3-1 내지 실시예 3-3, 대조예 3-1, 대조예 3-2의 전해질 농도에 따른 임피던스를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.9A and 9B are graphs showing the results of measuring impedance according to the electrolyte concentration of Examples 3-1 to 3-3, Control Example 3-1, and Control Example 3-2.

도 9a는 인가된 신호의 주파수 각각 0.3kHz, 0.5kHz, 1kHz에 대하여 전해질인 NaOH의 농도가 각각 1M(실시예 3-1), 0.1M(실시예 3-2), 0.5M(실시예 3-3), 3M(대조예 3-1), 6M(대조예 3-2)일 때 임피던스를 측정한 결과이며, 도 9b는 인가된 신호의 주파수 각각 5kHz, 10kHz, 20kHz에 대하여 전해질인 NaOH의 농도가 각각 1M(실시예 3-1), 0.1M(실시예 3-2), 0.5M(실시예 3-3), 3M(대조예 3-1), 6M(대조예 3-2)일 때 임피던스를 측정한 결과이다.9A shows that the concentrations of NaOH as an electrolyte were 1M (Example 3-1), 0.1M (Example 3-2), and 0.5M (Example 3) for each of the applied signal frequencies of 0.3 kHz, 0.5 kHz, and 1 kHz. -3), 3M (Control Example 3-1), 6M (Control Example 3-2) is the result of measuring the impedance, Figure 9b is the NaOH electrolyte for the frequencies of the applied signal 5kHz, 10kHz, 20kHz, respectively. The concentration is 1M (Example 3-1), 0.1M (Example 3-2), 0.5M (Example 3-3), 3M (Control Example 3-1), 6M (Control Example 3-2), respectively. Is the result of measuring impedance.

도 9a 및 도 9b를 참조하면, 상기 실시예 3-1 내지 실시예 3-3은 NaOH의 농도가 증가할수록 임피던스 값이 큰 폭으로 감소하는 것을 확인할 수 있다.9A and 9B, it can be seen that in Examples 3-1 to 3-3, as the concentration of NaOH increases, the impedance value significantly decreases.

그러나, 상기 대조예 3-1 및 대조예 3-2는 전해질의 포화로 인해 임피던스의 감소 폭이 낮아지는 것을 확인할 수 있다.However, it can be seen that in Comparative Example 3-1 and Comparative Example 3-2, the amplitude of the impedance decrease was decreased due to saturation of the electrolyte.

도 10a 및 도 10b는 실시예 3-1 내지 실시예 3-3, 대조예 3-1, 대조예 3-2의 전해질 농도에 따른 음압 레벨을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.10A and 10B are graphs showing the results of measuring the sound pressure level according to the electrolyte concentration of Examples 3-1 to 3-3, Control Example 3-1, and Control Example 3-2.

도 10a는 인가된 신호의 주파수 각각 0.3kHz, 0.5kHz, 1kHz에 대하여 전해질인 NaOH의 농도가 각각 1M(실시예 3-1), 0.1M(실시예 3-2), 0.5M(실시예 3-3), 3M(대조예 3-1), 6M(대조예 3-2)일 때 음압 레벨을 측정한 결과이며, 도 10b는 인가된 신호의 주파수 각각 5kHz, 10kHz, 20kHz에 대하여 전해질인 NaOH의 농도가 각각 1M(실시예 3-1), 0.1M(실시예 3-2), 0.5M(실시예 3-3), 3M(대조예 3-1), 6M(대조예 3-2)일 때 음압 레벨을 측정한 결과이다.10A shows that the concentrations of NaOH as an electrolyte were 1M (Example 3-1), 0.1M (Example 3-2), and 0.5M (Example 3) for the frequencies of the applied signal, respectively, 0.3kHz, 0.5kHz, and 1kHz. -3), 3M (Control Example 3-1), 6M (Control Example 3-2) is the result of measuring the sound pressure level, Figure 10b is the electrolyte NaOH for the frequencies of the applied signal 5kHz, 10kHz, 20kHz, respectively Concentrations of 1M (Example 3-1), 0.1M (Example 3-2), 0.5M (Example 3-3), 3M (Control Example 3-1), 6M (Control Example 3-2), respectively Is the result of measuring the sound pressure level.

도 10a 및 도 10b를 참조하면, 전해질의 농도가 증가할수록 상기 실시예 3-1 내지 실시예 3-3의 음압 레벨 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 10A and 10B, it can be seen that as the concentration of the electrolyte increases, the sound pressure level values of Examples 3-1 to 3-3 increase.

이는 상술한 도 9a 및 도 9b의 임피던스 측정 결과와 반비례하는 결과를 보여주는 것을 확인할 수 있다.It can be seen that this shows a result in inverse proportion to the impedance measurement result of FIGS. 9A and 9B described above.

또한, 상기 대조예 3-1 및 대조예 3-2의 경우 음압 레벨의 증가 폭이 현저히 감소한 것으로 보아, 1M 초과의 전해질 농도는 음압 레벨에 영향을 주지 않는 것을 확인할 수 있다.In addition, in the case of Comparative Example 3-1 and Comparative Example 3-2, it can be seen that the increase in the sound pressure level was significantly reduced, so that an electrolyte concentration of more than 1M did not affect the sound pressure level.

따라서, 본 발명의 액체 금속 음향 소자는 전해질의 농도가 증가할수록 큰 소리를 내는 것을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that the liquid metal acoustic device of the present invention produces a louder sound as the concentration of the electrolyte increases.

4. 굽힘 정도에 대한 음향 성능4. Acoustic performance for the degree of bending

도 11a는 실시예 1-1을 곡률 반경 3mm로 굽힌 일례를 도시한 이미지이며, 도 11b는 실시예 1-1의 액체 금속 음향 소자의 곡률 반경에 따른 음압 레벨을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.FIG. 11A is an image showing an example in which Example 1-1 is bent with a radius of curvature of 3 mm, and FIG. 11B is a graph showing a result of measuring the sound pressure level according to the radius of curvature of the liquid metal acoustic device of Example 1-1. .

이때, 도 11b는 상기 실시예 1-1을 구부리지 않을 때(평평한 상태), 곡률 반경 3mm로 구부렸을 때, 곡률 반경 5mm로 구부렸을 때에 대하여 음압 레벨을 측정한 결과를 도시한 것이다.In this case, FIG. 11B shows the results of measuring the sound pressure level when the Example 1-1 is not bent (flat state), when bent at a radius of curvature of 3 mm, and when bent at a radius of curvature of 5 mm.

도 11a 및 도 11b를 참조하면, 상기 실시예 1-1을 구부려도 평평한 상태와 유사한 정도의 음압 레벨을 가지는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 11A and 11B, it can be seen that even when the Example 1-1 is bent, the sound pressure level is similar to that of the flat state.

또한, 상기 실시예 1-1을 구부려도 배경 소리보다 큰 음압 레벨을 가지는 것으로 보아, 배경 소리보다 큰 소리를 내는 것을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that even when the Example 1-1 is bent, the sound pressure level is greater than that of the background sound, and thus it can be seen that the sound is louder than the background sound.

도 12a는 실시예 1-1에 피아노 연주곡을 재생하는 이미지와 입/출력 파형을 도시한 그래프이며, 도 12b는 실시예 1-1에 사람 목소리를 재생하는 이미지와 입/출력 파형을 도시한 그래프이다.12A is a graph showing an image and input/output waveforms for playing piano music in Example 1-1, and FIG. 12B is a graph showing an image for playing human voice and input/output waveforms in Example 1-1 to be.

이때, 도 12a 및 도 12b에 기재된 LML은 Liquid metal louspeaker의 약자로, 실시예 1-1의 액체 금속 음향 소자를 의미한다.At this time, LML described in FIGS. 12A and 12B is an abbreviation of Liquid metal louspeaker, and means a liquid metal acoustic device of Example 1-1.

도 12a 및 도 12b를 참조하면, 상기 실시예 1-1에 피아노 연주곡이나 사람 목소리를 재생하여 입력된 파형(Input sound wave signal)과 상기 실시예 1-1로부터 출력된 파형(Output sound generated by the LML)의 개형이 유사한 것을 확인할 수 있다.12A and 12B, an input sound wave signal by reproducing a piano music or a human voice in Example 1-1 and a waveform output from the Example 1-1 (Output sound generated by the It can be seen that the remodeling of LML) is similar.

이로부터 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자는 입력된 소리를 거의 그대로 출력할 수 있어 우수한 음향 성능을 가지는 것을 알 수 있다.From this, it can be seen that the liquid metal acoustic device according to the embodiment of the present invention can output the input sound almost as it is, and thus has excellent acoustic performance.

5. 가청 주파수 대역 별 인가 교류 전압에 따른 음향 성능5. Acoustic performance according to applied AC voltage for each audible frequency band

도 13a 내지 도 13f는 실시예 3-1 내지 실시예 3-3의 가청 주파수 대역에 따른 음압 레벨을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.13A to 13F are graphs showing results of measuring sound pressure levels according to an audible frequency band of Examples 3-1 to 3-3.

도 13a 내지 도 13f는 NaOH의 농도가 1M(실시예 3-1), 0.1M(실시예 3-2), 0.5M(실시예 3-3)일 때 각각 가청 주파수 대역 f=0.3Hz, 0.5Hz, 1.0kHz, 5.0kHz, 10.0kHz, 20.0kHz에서의 음압 레벨을 측정한 것이다.13A to 13F show the audible frequency bands f=0.3Hz and 0.5 when the NaOH concentration is 1M (Example 3-1), 0.1M (Example 3-2), and 0.5M (Example 3-3). The sound pressure levels were measured at Hz, 1.0kHz, 5.0kHz, 10.0kHz, and 20.0kHz.

이때, Vin(Vpp)는 상기 실시예 3-1 내지 실시예 3-3에 인가된 교류 전압을 의미한다.At this time, Vin(Vpp) means an AC voltage applied to the third embodiment to the third embodiment.

도 13a 내지 도 13f를 참조하면, 가청 주파수 대역에서 상기 실시예 3-1 내지 실시예 3-3에 인가된 전압의 크기가 클수록 음압 레벨이 상승하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 13A to 13F, it can be seen that the sound pressure level increases as the voltage applied to the third embodiment to the third embodiment increases in the audible frequency band.

이는 상기 실시예 3-1 내지 실시예 3-3에 인가된 교류 전압이 증가할수록 산화 환원 전류의 크기가 증가하여 액체 금속이 더욱 빠르게 진동하기 때문이다.This is because the magnitude of the redox current increases as the AC voltage applied to Examples 3-1 to 3-3 increases, so that the liquid metal vibrates more rapidly.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 액체 금속 음향 소자는 교류 전압의 크기가 증가할수록 음압 레벨이 상승하는 것을 알 수 있다.Accordingly, in the liquid metal acoustic device according to the exemplary embodiment of the present invention, it can be seen that the sound pressure level increases as the magnitude of the AC voltage increases.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. As described above, although the present invention has been described by the limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and variations from these descriptions are those of ordinary skill in the field to which the present invention belongs. This is possible. Therefore, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, but should be defined by the claims to be described later as well as equivalents to the claims.

100: 액체 금속 음향 소자
110: 기판
120: 금속 패드
130: 액체 금속
140: 전해질
150: 커버체
d: 금속 패드 간 거리100: liquid metal acoustic element
110: substrate
120: metal pad
130: liquid metal
140: electrolyte
150: cover body
d: distance between metal pads

Claims

Metal pads spaced apart from each other on the substrate;
Liquid metal formed on the metal pad;
An electrolyte supporting the metal pad and the liquid metal; And
A cover formed on the substrate and storing the electrolyte
Liquid metal acoustic device comprising a.

The method of claim 1,
An oxide film is formed on the surface of the liquid metal when an AC voltage is applied,
The liquid metal acoustic device, characterized in that the surface tension of the liquid metal is changed by adjusting the formation rate of the oxide film according to the magnitude of the AC voltage.

The method of claim 1,
The liquid metal acoustic device, characterized in that the liquid metal comprises gallinstan including gallium (Ga), indium (In) and tin (Sn).

The method of claim 3,
The liquid metal acoustic device, characterized in that the liquid metal further comprises copper (Cu) or iron (Fe).

The method of claim 1,
Liquid metal acoustic element to the volume of the liquid metal per unit area of the metal pad is characterized in that 53μL / cm ² to about 160μL / cm ^2.

The method of claim 1,
The electrolyte is a liquid metal acoustic device, characterized in that it contains sodium hydroxide (NaOH).

The method of claim 1,
Liquid metal acoustic device, characterized in that the concentration of the electrolyte is 0.1M to 1M.

The method of claim 1,
The liquid metal acoustic device, characterized in that the distance between the metal pads is 2mm to 6mm.

The method of claim 1,
The liquid metal acoustic device, characterized in that the metal pad comprises copper (Cu) or gold (Au).

The method of claim 1,
The liquid metal acoustic element, characterized in that the sound pressure level (SPL) of the liquid metal acoustic element is 30dB to 60dB.

The method of claim 1,
The liquid metal acoustic element, characterized in that the audible frequency band of the liquid metal acoustic element is 20Hz to 20kHz.