KR102539840B1

KR102539840B1 - 부착형 마이크로폰 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR102539840B1
Application number: KR1020210128701A
Authority: KR
Inventors: 조길원; 문원규; 이시영; 김준수
Original assignee: 재단법인 나노기반소프트일렉트로닉스연구단; 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2023-06-07
Also published as: WO2023054917A1; KR20230045876A

Abstract

부착형 마이크로폰 및 그의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 부착형 마이크로폰은 제1 통형 중공을 갖는 백 챔버(back chamber, 110), 및 상기 백 챔버(110)를 둘러싸고 제1 고분자를 포함하는 제1 프레임 부재(120)를 포함하는 기판(100); 상기 기판(100) 상에 위치하고, 복수의 제1 관통 구멍(210)을 포함하고, 제2 고분자를 포함하는 후판(220)을 포함하는 후판부(200); 상기 후판부(200) 상에 위치하고, 복수의 제2 관통 구멍(310)을 갖고, 제1 전극 부재(320)를 포함하고 제1 전극부(300); 상기 제1 전극부(300) 상에 위치하고, 제2 통형 중공을 갖는 프론트 챔버(410), 및 제3 고분자를 포함하고 상기 프론트 챔버(410)를 둘러싸는 제2 프레임 부재(420)를 포함하는 지지부(400); 상기 지지부(400) 상에 위치하고, 제2 전극 부재(510)를 포함하는 제2 전극부(500): 및 상기 제2 전극부(500) 상에 위치하고, 제4 고분자를 포함하는 박막(610)을 포함하는 진동판(600);을 포함함으로써 가청 주파수 영역(15 ~ 10,000 Hz)과 크기 영역(29 ~ 134 dB_SPL) 내에서 높고 일정한 민감도를 가지고, 피부, 곡면 등을 포함한 다양한 표면에 부착이 가능하다.

Description

부착형 마이크로폰 및 그의 제조방법{ATTACHABLE MICROPHONE AND METHOD OF FABRICATING SAME}

본 발명은 부착형 마이크로폰 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 상기 부착형 마이크로폰이 고분자로 구성되고, 박막 전사 기반 제조 방법을 통해 제조됨으로써 가청 주파수 영역과 크기 영역에서 높고 일정한 민감도를 가지고, 피부, 곡면 등을 포함한 다양한 표면에 부착이 가능한 초소형 마이크로폰 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

청각은 인간의 대표적인 감각 중 하나로, 보이지 않거나 먼 곳에서도 전 방향에서의 음향 압력을 통해 감각 정보를 받을 수 있는 장점이 있다. 이로 인해, 음향 압력을 감지하는 다양한 마이크로폰들이 개발되어, 전화 통신, 산업 제조, 의료, 헬스 케어, 군사 방위 등 많은 분야에 적용되어 왔다.

최근 사물 인터넷 (Internet of Things, IoT), 휴먼 머신 상호작용 (Human-Machine Interaction, HMI), 인공 지능 (Artificial intelligence) 분야가 발전함에 따라 삼성, Apple, 구글, 아마존 등 많은 기업에서는 인간 친화적인 음향 기기에 대한 관심이 커지고 있다.

따라서 마이크로폰은 사람의 목소리와 주변 환경을 명확히 파악하기 위한 음향 압력에 대한 감지 성능을 갖출 뿐 아니라, 사용자의 편의 및 착용감을 중시하고 주변 환경과의 자유롭게 조화될 수 있는 것을 요구 받고 있다.

이러한 요구를 만족하기 위해, 압전, 마찰 전기, 정전 용량 등 다양한 방식으로 음향 압력을 감지하며, 사람의 피부에 부착 가능하도록 제작된 유연 마이크로폰들이 국내외 다양한 연구진들을 통해 개발되어 왔다.

하지만, 지금까지 보고된 유연 기기들은 음향 압력을 감지하기 위한 마이크로폰의 기본적인 성능들을 만족하지 못한다. 기존 유연 기기들은 먼저 음향 압력 주파수에 따른 일정한 민감도를 의미하는 평탄한 주파수 응답률을 가지고 있지 않고, 특정 주파수에 공명 현상을 가져 다양한 높낮이의 목소리 감지가 제한적이다.

또한 1 kHz, 1 Pa의 소리를 감지할 때 노이즈에 대한 신호의 비율을 나타내는 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)를 제시하지 못하거나 크기가 작아 30 dB 수준의 작은 목소리까지 감지하기가 어렵고, 음향 압력의 파형을 유지하며 감지 가능한 최대 압력 크기를 의미하는 음향 과부하점 (Acoustic Overload Point, AOP)을 제시하지 못하며, 120 dB 이상의 큰 주변 음향 환경에서는 안정적으로 작동하지 못한다.

또한 음향 압력의 크기에 대한 일정한 민감도를 의미하는 민감도 선형성을 갖지 못해, 다양한 크기의 음향 압력을 본래의 형태 그대로 감지할 수 없을 뿐만 아니라, 보고된 유연 마이크로폰들은 수 cm² 이상의 큰 면적을 가지기 때문에 박막형 구조를 가지더라도 피부 같이 표면이 거칠거나, 휘어진 면에 부착하기에는 제한적이다.

이를 해결하기 위해서는 넓은 가청 주파수/크기 범위에서의 평탄한 주파수 응답률과 민감도 선형성, 높은 SNR 및 AOP의 음향 압력 감지 성능을 가지면서 얇으면서도 면적이 매우 작은 구조를 가져 피부, 곡면 등 다양한 면에 부착 가능한 마이크로폰을 제작할 필요가 있다.

초소형화와 양산성을 바탕으로 휴대폰, 가전 제품, 자동차 등 다양한 무선 어플리케이션에 이용되고 있는 MEMS 마이크로폰 또한 인간 친화적인 음향기기로 관심을 받고 있다.

하지만 기존의 MEMS 마이크로폰들은 취성이 강한 실리콘 기반 재료를 기반으로 하기 때문에 피부나 거친 표면에 부착 시 깨질 위험이 있어 사용하기가 어렵다.

또한 실리콘 기반 재료는 잔류 응력과 기계적 강성이 강하기 때문에, 지금까지 많은 연구진들이 다양한 마이크로폰 구조와 회로를 설계해 왔음에도 불구하고, 감지 성능을 전문적인 음성 녹음용의 대형 콘덴서 마이크로폰 수준으로 높이는 데에는 한계가 있었다.

또한 실리콘 기반 제조 공정은 정교한 마이크로폰 구조를 얻기 위해 수 ~ 수백 μm까지의 실리콘 기반 재료를 증착, 패턴, 에칭하여야 하는데, 각 과정이 매우 복잡하고 큰 비용과 시간이 요구된다.

따라서, 실리콘 기반 재료에 비해 잔류 응력과 기계적 강성이 작고, 연성이 강하며, 가공이 쉬운 유기 재료를 기반으로 높은 감지 성능을 가진 마이크로폰을 비용/시간 효율적으로 개발하기 위한 제조 방법이 개발될 필요가 있다.

본 발명의 목적은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 박막 전사 기반의 제조 방법을 통해 가교된 고분자 재료와 진동판 구조를 기반으로 가청 주파수 영역(15 ~ 10,000 Hz)과 크기 영역(29 ~ 134 dB_SPL) 내에서 높고 일정한 민감도를 가지고, 피부, 곡면 등을 포함한 다양한 표면에 부착이 가능한 초소형 마이크로폰을 제공한다.

또한 유기 소재와 박막 형태의 얇은 구조 및 작은 크기를 기반으로 피부, 곡면 등 다양한 표면에 부착 가능한 초소형 마이크로폰을 제공한다.

또한 기존 실리콘 재료보다 비용이 저렴한 고분자 재료 및 박막 전사 기반 제조 방법을 통해 기존 MEMS 마이크로폰의 실리콘 기반 제조 공정에 비해 시간, 비용 면에서 경제적인 초소형 마이크로폰 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 통형 중공을 갖는 백 챔버(back chamber, 110), 및 상기 백 챔버(110)를 둘러싸고 제1 고분자 또는 무기물을 포함하는 제1 프레임 부재(120)를 포함하는 기판(100); 상기 기판(100) 상에 위치하고, 복수의 제1 관통 구멍(210)을 포함하고, 제2 고분자를 포함하는 후판(220)을 포함하는 후판부(200); 상기 후판부(200) 상에 위치하고, 복수의 제2 관통 구멍(310)을 갖고, 제1 전극 부재(320)를 포함하는 제1 전극부(300); 상기 제1 전극부(300) 상에 위치하고, 제2 통형 중공을 갖는 프론트 챔버(410), 및 제3 고분자를 포함하고 상기 프론트 챔버(410)를 둘러싸는 제2 프레임 부재(420)를 포함하는 지지부(400); 상기 지지부(400) 상에 위치하고, 제2 전극 부재(510)를 포함하는 제2 전극부(500); 및 상기 제2 전극부(500) 상에 위치하고, 제4 고분자를 포함하는 박막(610)을 포함하는 진동판(600);을 포함하는 부착형 마이크로폰(10)이 제공된다.

또한, 상기 부착형 마이크로폰이 점착제를 포함하는 점착부(700)를 추가로 포함하고, 상기 점착부(700)가 상기 후판부(200)와 상기 제1 전극부(300)를 관통하고, 상기 점착부(700)가 상기 기판(100)과 상기 지지부(400)를 각각 점착하는 것일 수 있다.

또한, 상기 백 챔버(110)가 원통형, 타원통형, 다각통형, 별통형 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 형태를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 통형 중공의 지름의 크기가 상기 지지부의 제2 통형 중공의 지름의 크기의 1 내지 1.5배일 수 있다.

또한, 상기 제1 통형 중공의 높이가 0.01 내지 1 mm일 수 있다.

또한, 상기 제1 통형 중공의 면적이 상부에서 하부로 갈수록 같거나 또는 증가하는 것일 수 있다.

또한, 상기 부착형 마이크로폰이 상기 기판(100) 상에 상기 후판부와 반대 방향으로 위치하는 부착층(800)을 추가로 포함할 수 있고, 상기 부착층(800)의 두께가 0.01 내지 1 mm 일 수 있다.

또한, 상기 제1 고분자가 폴리파라자일릴렌(파릴렌, poly(p-xylylene)), 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 폴리스티렌부타디엔스티렌, 폴리스티렌에틸렌부틸렌스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 아크릴로나이트릴뷰타다이엔스타이렌 수지, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 노볼락수지, 포름알데이드 수지, 페놀 수지, 페놀-포름 알데히드 수지, 폴리 에스테르 수지, 비스말레이미드 트리아진 수지, 폴리이미드 수지, 디페닐렌 에테르 수지, 폴리시아네이트 수지, 폴리올레핀 수지 및 이미드-스티렌 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고, 상기 무기물이 실리콘, 실리콘 나이트라이드 및 실리콘 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 고분자, 상기 제3 고분자 및 상기 제4 고분자가 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 에폭시 수지, 아크릴 수지, 노볼락수지, 포름알데이드 수지, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리파라자일릴렌(파릴렌, poly(p-xylylene)), 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 폴리스티렌부타디엔스티렌, 폴리스티렌아크릴레이트 공중합체, 폴리스티렌에틸렌부틸렌스티렌 및 폴리아크릴로나이트릴부타다이엔스타이렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 후판부에서 복수의 상기 관통 구멍 중 인접한 관통 구멍 사이의 간격이 각각 15 내지 150 μm이고, 복수의 상기 관통 구멍 각각의 직경이 각각 10 내지 100 μm일 수 있다.

또한, 상기 후판부(200)의 두께가 10 내지 500 μm이고, 상기 지지부(400)의 두께가 0.1 내지 20 μm이고, 상기 진동판(600)의 두께가 0.1 내지 10 μm일 수 있다.

또한, 상기 후판(220)의 영률이 100 MPa 이상이고, 상기 박막(610)의 영률이 1 MPa 내지 10 GPa인 것일 수 있다.

또한, 상기 후판부(200)의 복수의 제1 관통 구멍(210)은 상기 제1 전극부(300)의 복수의 제2 관통 구멍(310)과 접하고, 상기 제1 관통 구멍(210)의 높이 방향이 제1 전극부(300)의 표면과 수직이고, 상기 프론트 챔버(410)의 제2 통형 중공이 상기 제2 전극부(500)와 접하고, 상기 제2 통형 중공의 높이 방향이 제1 전극부(300)의 표면 및 제2 전극부(500)의 표면과 수직일 수 있다.

또한, 상기 제2 통형 중공의 직경이 50 내지 3,000 μm일 수 있다.

또한, 상기 제1 전극 부재 및 상기 제2 전극 부재가 서로 같거나 다르고 각각 금, 티타늄, 백금, 니켈, 팔라듐, 구리, 아연, 카드뮴, 철, 코발트, 이리듐, 주석, 갈륨, 알루미늄, 망간, 크로뮴, 몰리브덴, 텅스텐, 그래핀, 카본나노튜브, 그래파이트, 인듐 주석 산화물 및 PEPOT:PSS로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 부착형 마이크로폰이 가로 1.4 내지 10 mm이고, 세로 1.4 내지 10 mm이고, 두께 50 μm 내지 5 mm일 수 있다.

또한, 상기 부착형 마이크로폰이 상기 기판(100) 상에 상기 후판부와 반대 방향으로 위치하는 부착층(800)을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 하나의 측면에 있어서, 상기 부착형 마이크로폰을 복수개 포함하는 마이크로폰 어레이가 제공된다.

본 발명의 또 다른 하나의 측면에 있어서, (a) 제1 통형 중공을 갖는 백 챔버(back chamber, 110), 및 상기 백 챔버(110)를 둘러싸고 제1 고분자를 포함하는 제1 프레임 부재(120)를 포함하는 기판(100)을 제조하는 단계; (b) 복수의 제1 관통 구멍(210)을 포함하고, 제2 고분자를 포함하는 후판(220)을 포함하는 후판부(200), 및 상기 후판부(200) 상에 위치하고, 복수의 제2 관통 구멍(310)을 갖고, 제1 전극 부재(320)를 포함하는 제1 전극부(300)를 포함하는 하판을 제조하는 단계; (c) 제2 통형 중공을 갖는 프론트 챔버(410), 및 제3 고분자를 포함하고 상기 프론트 챔버(410)를 둘러싸는 제2 프레임 부재(420)를 포함하는 지지부(400), 상기 지지부(400) 상에 위치하고, 제2 전극 부재(510)를 포함하는 제2 전극부(500), 및 상기 제2 전극부(500) 상에 위치하고, 제4 고분자를 포함하는 박막(610)을 포함하는 진동판(600)을 포함하는 상판을 제조하는 단계; 및 (d) 박막 전사를 이용하여 기판/하판/상판 구조의 부착형 마이크로폰을 제조하는 단계;를 포함하는 부착형 마이크로폰의 제조방법이 제공된다.

또한, 상기 단계 (d)가 박막 전사를 이용하여 기판/하판/상판 구조를 형성하고, 점착제를 포함하는 점착부(700)를 형성하여 부착형 마이크로폰을 제조하는 단계이고, 상기 점착부(700)가 상기 후판부(200)와 상기 제1 전극부(300)를 관통하고, 상기 점착부(700)가 상기 기판(100)과 상기 지지부(400)를 각각 점착하는 것일 수 있다.

또한, 상기 단계 (b)가 (b-1) 기재 상에 희생층을 형성하고, 상기 희생층 상에 복수의 제1 관통 구멍(210)을 포함하고, 제2 고분자를 포함하는 후판(220)을 포함하는 후판부(200)를 형성하여 기재/희생층/후판부를 형성하는 단계; (b-2) 상기 기재/희생층/후판부의 희생층을 에칭하여 단일 후판부(200)를 형성하는 단계; 및 (b-3) 상기 후판부(200) 상에 복수의 제2 관통 구멍(310)을 갖고, 제1 전극 부재(320)를 포함하는 제1 전극부(300)를 형성하여 후판부(200) 및 제1 전극부(300)를 포함하는 하판을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 (c)가 (c-1) 기재 상에 희생층을 형성하고, 상기 희생층 상에 제4 고분자를 포함하는 박막(610)을 포함하는 진동판(600)을 형성하여 기재/희생층/진동판을 형성하는 단계; (c-2) 상기 기재/희생층/진동판의 진동판 상에 제2 전극 부재(510)를 포함하는 제2 전극부(500)를 형성하여 기재/희생층/진동판/제2 전극부를 형성하는 단계; (c-3) 상기 제2 전극부(500) 상에 제2 통형 중공을 갖는 프론트 챔버(410), 및 제3 고분자를 포함하고 상기 프론트 챔버(410)를 둘러싸는 제2 프레임 부재(420)를 포함하는 지지부(400)를 형성하여 기재/희생층/진동판/제2 전극부/지지부를 형성하는 단계; 및 (c-4) 상기 기재/희생층/진동판/제2 전극부/지지부의 희생층을 에칭하여 진동판/제2 전극부/지지부를 포함하는 상판을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 (d)가 (1) 상기 상판의 진동판(600) 상에 상기 제2 전극부(500)와 반대 방향으로 기재를 위치시켜 기재/진동판(600)/제2 전극부(500)/지지부(400)를 형성하는 단계; (2) 상기 기재/ 진동판(600)/제2 전극부(500)/지지부(400)의 지지부(400) 상에 상기 하판의 제1 전극부(300)를 위치시켜 기재/상판/하판을 형성하는 단계; (3) 상기 기재/상판/하판에서 상판/하판을 기재로부터 분리시키는 단계; 및 (4) 상기 상판/하판의 후막부(200)를 상기 기판(100) 상에 위치시켜 기판/하판/상판 구조의 부착형 마이크로폰을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 (d)가 (1') 상기 기판(100) 상에 상기 하판의 후막부(200)를 위치시켜 기판/하판을 형성하는 단계; 및 (2') 상기 기판/하판의 제1 전극부(300) 상에 상기 상판의 지지부(400)를 위치시켜 기판/하판/상판 구조의 부착형 마이크로폰을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단계 (d)가 (1") 상기 상판의 진동판(600) 상에 상기 제2 전극부(500)와 반대 방향으로 기재를 위치시켜 기재/진동판(600)/제2 전극부(500)/지지부(400)를 형성하는 단계; (2") 상기 기재/진동판(600)/제2 전극부(500)/지지부(400)의 지지부(400) 상에 상기 하판의 제1 전극부(300)를 위치시켜 기재/상판/하판을 형성하는 단계; (3") 상기 기재/상판/하판의 하판 상에 상기 기판(100)을 위치시켜 기재/상판/하판/기판을 형성하는 단계; 및 (4") 상기 기재/상판/하판/기판에서 상판/하판/기판을 기재로부터 분리시켜 기판/하판/상판 구조의 부착형 마이크로폰을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 부착형 마이크로폰의 제조방법이 단계 (d) 이후에, (e) 상기 기판 상에 상기 후판부와 반대 방향에 부착층(800)을 형성하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 부착형 마이크로폰은 가청 주파수 영역(15 ~ 10,000 Hz)과 크기 영역 (29 ~ 134 dB_SPL) 내에서 높고 일정한 민감도를 가지고, 피부, 곡면 등을 포함한 다양한 표면에 부착이 가능하다.

또한, 본 발명의 부착형 마이크로폰은 유기 소재와 박막 형태의 얇은 구조 및 작은 크기를 기반으로 피부, 곡면 등 다양한 표면에 부착 가능하다.

또한, 본 발명의 부착형 마이크로폰 및 그의 제조방법은 기존 실리콘 재료보다 비용이 저렴한 고분자 재료 및 박막 전사 기반 제조 방법을 통해 기존 MEMS 마이크로폰의 실리콘 기반 제조 공정에 비해 시간, 비용 면에서 경제적인 효과가 있다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부착형 마이크로폰(SU-8, 별 모양)과 논문에 기재된 부착형 마이크로폰(Ref. 1 내지 Ref. 8)의 개방 회로 민감도(Open-circuit sensitivity)를 나타낸 그래프이다. 도 12를 참고하면, 본 발명의 마이크로폰의 개방 회로 민감도가 비슷한 구조와 작동 방식을 가진 종래 MEMS 마이크로폰들보다 큰 것을 확인할 수 있다. 또한 인가된 전기장 대비 민감도의 크기도 큼을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 상기 마이크로폰의 재료와 구조 면에서 설명이 가능하다. 먼저 진동판 재료는 에폭시 수지로서 재료적으로 금속이나 실리콘 기반 물질에 비해서 잔류 응력이 작기 때문에 종래 마이크로폰의 복잡한 주름, 스프링 구조가 아닌 평판 구조에서도 진동판이 작은 강성을 갖도록 한다. 또한 본 발명의 박막 전사 기반의 제조 방법을 통해 진동판과 후막의 거리가 매우 가까우면서도 큰 통형 중공을 가진 마이크로폰을 제작할 수 있어 종래 마이크로폰에 비해 큰 개방 회로 민감도를 갖는다.

도 16은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부착형 마이크로폰(This work)과 기존 상용 MEMS 마이크로폰(Commercial MEMS mic, Ref. 1), 논문에 기재된 유연 마이크로폰(Ref. 2 내지 Ref. 9)의 단위 면적 당 민감도를 비교하여 나타낸 것이다. 피부 같이 표면이 거칠거나, 휘어진 면에 마이크로폰을 안정적으로 부착하기 위해서는 크기가 작으면서도 높은 음향 감지 성능을 가져야 하기에 단위 면적 당 민감도로 성능을 비교하였다.

도 16을 참고하면, 기존 연구 개발된 부착형 음향 센서(Ref. 2 내지 Ref. 9)들은 대부분 가청 주파수 전체가 아닌 특정 주파수에서의 공명 진동을 이용해 음향을 감지하는데, 1 Pa (94 dB) 당 수 볼트 가량의 민감도를 지니고 있음에도 불구하고 큰 면적으로 인해 단위 면적 당 민감도가 최대 10 mV/Pa/mm² 정도 밖에 되지 않으며, 상용 MEMS 마이크로폰(Ref. 1)에 비해 낮은 감지 성능을 보인다. 이는 곧 상용 MEMS 마이크로폰을 상기 부착형 음향 센서의 감지 면적과 같이 어레이로 제작하면 훨씬 큰 민감도를 보일 수 있음을 의미한다.

반면, 본 발명의 마이크로폰(This work)은 단위 면적을 고려하더라도 상용 MEMS 마이크로폰(Ref. 1)보다 높은 민감도를 가지는데, 이는 실리콘 재료 기반의 기존 MEMS 마이크로폰과는 달리 유기 재료를 이용해 소자를 제작했기 때문이다.

도 17은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부착형 마이크로폰(This work)과 기존 상용 MEMS 마이크로폰(MP23ABS1, Infineon), 상용 Electret condenser 마이크로폰(BO6034L-423, JLI Electronics Inc.), 논문에 기재된 유연 음향 센서(Ref. 1 내지 Ref. 6)의 일정한 민감도를 지니는 음향 압력 및 주파수 범위를 비교하여 나타낸 것이다. 음향 압력 및 주파수 범위가 넓을수록 더 작고 크거나, 더 낮고 높은 다양한 목소리를 감지할 수 있음을 의미해 그 범위가 넓을수록 뛰어난 감지 성능을 보인다 할 수 있다.

도 17을 참고하면, 지금까지 개발된 상기 유연 음향 센서들은 주로 공명 진동수에서의 음향 감지만 이용하기 때문에 일정한 민감도를 갖는 주파수 범위가 매우 좁으며, 일정한 민감도를 갖는 음향 압력 범위 또한 넓지 않다. 하지만 본 발명의 상기 마이크로폰은 상기 상용 MEMS 마이크로폰이나 electret condenser 마이크로폰 보다도 근소하게 일정한 민감도를 가지는 더 넓은 범위의 음향 압력 및 주파수를 가진다. 따라서 본 발명에서 개발된 마이크로폰은 기존 유연 음향 센서들이 구현하지 못했던 상용화 수준의 감지 성능을 가진다 할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니 된다.
도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따른 부착형 마이크로폰의 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰을 광학 현미경으로 위에서 관찰한(Top-viewed) 이미지를 나타낸 것이다. (스케일 바: 500 μm)
도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 기판을 제외한 부분을 전자 현미경으로 아래에서 관찰하여 얻은 이미지이다.
도 3b는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 기판을 제외한 부분을 전자 현미경으로 위에서 관찰하여 얻은 이미지이다.
도 3c는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 기판을 제외한 부분을 전자 현미경으로 위에서 관찰 시 상기 마이크로폰 내 탄소의 분포를 나타낸 것이다.
도 3d는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 기판을 제외한 부분을 전자 현미경으로 위에서 관찰 시 상기 마이크로폰 내 금의 분포를 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 단면을 전자 현미경으로 관찰한 이미지를 나타낸 것이다. (스케일 바: 10 μm)
도 5a는 비접촉 방식으로 Z축 방향의 단차를 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 아래에서 관찰한 이미지이다.
도 5b는 상기 도 5a의 이미지에 기반한 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 전체 모습을 관찰한 이미지이다.
도 7은 본 발명 하나의 실시예에 따른 마이크로폰과 부착된 회로도 및 작동 원리를 모식도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명 하나의 실시예에 따른 부착형 마이크로폰의 제조방법 중 단계 (a), (b) 및 (c)의 모식도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명 하나의 실시예에 따른 부착형 마이크로폰의 제조방법 중 단계 (d)의 모식도를 나타낸 것이다.
도 10은 실시예 3 내지 5에 따라 제조된 마이크로폰의 전압 인가에 따른 정전 용량 변화를 나타낸 것이다.
도 11은 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 마이크로폰의 전압 인가에 따른 정전 용량 변화를 나타낸 것이다.
도 12는 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 부착형 마이크로폰과 논문에 기재된 부착형 마이크로폰의 개방 회로 민감도(Open-circuit sensitivity)를 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예 2 내지 5에 따라 제조된 마이크로폰의 음향 감도의 주파수 응답 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 실시예 2에 따라 제조된 마이크로폰의 PSD를 나타낸 것이다.
도 15는 실시예 2에 따라 제조된 마이크로폰의 28 dB에서 134 dB까지의 음향 감도의 선형성 평가를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부착형 마이크로폰과 기존 상용 MEMS 마이크로폰, 논문에 기재된 유연 마이크로폰의 단위 면적 당 민감도를 비교하여 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부착형 마이크로폰과 기존 상용 MEMS 마이크로폰, 상용 Electret condenser 마이크로폰, 논문에 기재된 유연 음향 센서의 일정한 민감도를 지니는 음향 압력 및 주파수 범위를 비교하여 나타낸 것이다.
도 18은 실시예 2에 따라 제조된 마이크로폰의 큰 음향 압력(소리)에 대한 총 고조파 왜곡 정도를 파악한 결과를 나타낸 것이다.
도 19는 실시예 2에 따라 제조된 마이크로폰의 열 안정성을 민감도로 나타낸 것이다.
도 20a는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰, iPhone XR에 내장된 MEMS 마이크로폰, Audio-Technica 사의 AT2035 마이크로폰의 음향 감지 특성을 파악하기 위한 실험을 진행한 사진이다.
도 20b는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰, iPhone XR에 내장된 MEMS 마이크로폰, Audio-Technica 사의 AT2035 마이크로폰의 음향 감지 특성을 음향 파형과 주파수 스펙트럼으로 비교한 결과를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 "형성되어" 있다거나 "적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어 있거나 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 본 발명의 부착형 마이크로폰 및 그의 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따른 부착형 마이크로폰의 구조를 나타낸 것이다.

도 1을 참고하면, 제1 통형 중공을 갖는 백 챔버(back chamber, 110), 및 상기 백 챔버(110)를 둘러싸고 제1 고분자 또는 무기물을 포함하는 제1 프레임 부재(120)를 포함하는 기판(100); 상기 기판(100) 상에 위치하고, 복수의 제1 관통 구멍(210)을 포함하고, 제2 고분자를 포함하는 후판(220)을 포함하는 후판부(200); 상기 후판부(200) 상에 위치하고, 복수의 제2 관통 구멍(310)을 갖고, 제1 전극 부재(320)를 포함하는 제1 전극부(300); 상기 제1 전극부(300) 상에 위치하고, 제2 통형 중공을 갖는 프론트 챔버(410), 및 제3 고분자를 포함하고 상기 프론트 챔버(410)를 둘러싸는 제2 프레임 부재(420)를 포함하는 지지부(400); 상기 지지부(400) 상에 위치하고, 제2 전극 부재(510)를 포함하는 제2 전극부(500); 및 상기 제2 전극부(500) 상에 위치하고, 제4 고분자를 포함하는 박막(610)을 포함하는 진동판(600);을 포함하는 부착형 마이크로폰(10)이 제공된다.

상기 점착제가 에폭시 수지, 아크릴 수지, 노볼락수지, 포름알데이드 수지, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산 및 천연고무계/합성고무계/SIS계/아크릴계 점착제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 에폭시 수지를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 SU-8을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 통형 중공의 높이가 0.01 내지 1 mm일 수 있다. 상기 제1 통형 중공의 높이가 0.01 mm 미만일 경우 감도가 낮아 바람직하지 않고, 1 mm를 초과할 경우 소자 유연성을 해칠 수 있어 바람직하지 않다.

또한, 상기 부착형 마이크로폰이 상기 기판(100) 상에 상기 후판부(200)와 반대 방향으로 위치하는 부착층(800)을 추가로 포함하고, 상기 부착층(800)의 두께가 0.01 내지 1 mm일 수 있다. 상기 부착층의 두께가 0.01 mm 미만일 경우 부착에 어려움이 발생하여 바람직하지 않고, 1 mm를 초과할 경우 부착층이 두껍게 형성되어 소자 전체의 유연성이 저하되므로 바람직하지 않다.

바람직하게는 상기 제1 프레임 부재(120)가 상기 제1 고분자를 포함하고, 상기 제1 고분자가 에폭시 수지를 포함하고, 보다 바람직하게는 상기 제1 고분자가 SU-8을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 고분자, 상기 제3 고분자 및 상기 제4 고분자가 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 에폭시 수지, 아크릴 수지, 노볼락수지, 포름알데이드 수지, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리파라자일릴렌(파릴렌, poly(p-xylylene)), 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 폴리스티렌부타디엔스티렌, 폴리스티렌아크릴레이트 공중합체, 폴리스티렌에틸렌부틸렌스티렌 및 폴리아크릴로나이트릴부타다이엔스타이렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 에폭시 수지, 보다 바람직하게는 SU-8을 포함할 수 있다.

또한, 상기 후판부(200)에서 복수의 상기 관통 구멍 중 인접한 관통 구멍 사이의 간격이 각각 15 내지 150 μm이고, 복수의 상기 관통 구멍 각각의 직경이 각각 10 내지 100 μm일 수 있다.

또한, 상기 후판부(200)의 두께가 10 내지 500 μm일 수 있다. 상기 후판부의 두께가 10 μm 미만일 경우 진동판처럼 음향 압력에 의해 편향될 수 있어 바람직하지 않고, 500 μm를 초과할 경우 공기와 후판부 사이의 점성으로 인해 고주파 음향신호의 감지가 어려워질 수 있어 바람직하지 않다.

또한, 상기 지지부(400)의 두께가 0.1 내지 20 μm이고, 바람직하게는 1 내지 10 μm일 수 있다. 상기 지지부의 두께가 0.1 μm 미만일 경우 진동판과 후막 사이 거리가 가까워지기 때문에 음향 압력에 의한 진동판 편향 시 정전용량의 크기 변화가 커져 마이크로폰의 음향 감지 민감도가 증가하나, 진동판 편향 시 진동판과 후막 사이가 붙을 경우가 있어 안정성이 떨어져 바람직하지 않고, 20 μm를 초과할 경우 진동판 편향 시 정전용량의 크기 변화가 작아져 마이크로폰의 민감도가 감소하여 바람직하지 않다.

또한, 상기 진동판(600)의 두께가 0.1 내지 10 μm이고, 바람직하게는 0.3 내지 3 μm, 보다 바람직하게는 0.6 내지 1.2 μm이다. 상기 진동판의 두께가 0.1 μm 미만일 경우 음향 압력에 의한 진동판 편향이 커지고 결과적으로 소자의 음향 감지 민감도가 커지게 되나, 형성된 진동판이 파괴되거나 후막에 달라붙는 등의 안정성의 문제를 야기할 수 있어 바람직하지 않고, 10 μm를 초과할 경우 음향 압력에 의한 편향 현상이 줄어 들어 민감도가 감소하여 바람직하지 않다.

또한, 상기 후판(220)의 영률이 100 MPa 이상이고, 상기 박막(610)의 영률이 1 MPa 내지 10 GPa이고, 손실 탄젠트(tan δ)가 0.03 이하일 수 있다.

상기 후판(220)의 영률이 100 MPa 미만일 경우 후판부가 진동판처럼 음향 압력에 의해 편향되어 마이크로폰의 민감도가 감소하여 바람직하지 않다.

상기 박막(610)의 영률이 1 MPa 미만일 경우, 기계적 감쇠(손실 탄젠트, tan δ)가 큰 경향성을 보여 넓은 주파수 영역에 대해 일정한 진동판 편향을 갖지 못하여 바람직하지 않고, 10 GPa를 초과할 경우 음향 압력에 의한 편향 현상이 줄어 들어 민감도가 감소하여 바람직하지 않다.

또한, 상기 제2 통형 중공의 직경이 50 내지 3,000 μm일 수 있고, 바람직하게는 500 내지 2,000 μm일 수 있다. 상기 제2 통형 중공의 직경이 50 μm 미만일 경우 편향되는 진동판의 면적이 작아 마이크로폰의 음향 감지 성능이 작아져 바람직하지 않고, 3,000 μm를 초과할 경우 가청 주파수 영역 (20 ~ 20,000 Hz)에서 음향 파형의 길이에 따라 음향 압력이 진동판에 특정 지점에 강하게 전달되어 진동판의 편향정도가 불규칙해져 바람직하지 않다.

백 챔버(110)

백 챔버는 진동판(600)과 후막부(200) 아래에 있어 진동판이 음향 압력에 의해 더 잘 움직이도록 상기 프론트 챔버(410) 내의 공기가 빠져나갈 공간을 제공한다.

상기 백 챔버는 진동판(=지지부의 통형 중공)보다 큰 것이 바람직하나, 너무 크게 되면 진동판과 후막이 동시에 움직일 수 있고, 그로 인한 마이크로폰의 감도 저하를 불러올 수 있다. 즉, 백 챔버의 크기는 진동판(=지지부의 통형 중공) 부분을 포함하고, 상기 지지부의 통형 중공 크기의 1 내지 1.5배인 것이 바람직하다.

또한, 상기 백 챔버의 옆면은 수직이나 대각선일 수 있고, 백 챔버의 아랫부분 면적은 윗부분의 면적과 다를 수 있는데, 아랫부분의 면적이 윗부분의 면적보다 같거나 더 넓은 것이 바람직하다.

제1 프레임 부재(110)

제1 프레임 부재는 단일 비접착층, 단일 접착층 또는 접착층 상에 비접착층이 있는 이중층일 수 있다.

상기 제1 프레임 부재가 이중층일 경우, 비접착층에만 백 챔버가 있고, 접착층은 백챔버가 없는 평판 구조일 수 있고, 이때 접착층의 두께는 0.01 내지 1 mm일 수 있다.

상기 제1 프레임 부재가 단일 비접착층일 경우, 두께가 10 내지 50 μm 정도로 얇으면 접착층이 없어도 표면 위 부착이 가능하다.

후판부(200)

후판부는 진동판과 평행하게 제작되어 정전용량을 형성한다. 또한, 상기 진동판이 진동할 시 진동판과 후판부 사이의 공기의 영향이 최소화되도록 복수의 관통 구멍을 갖는다.

상기 후판부의 복수의 관통 구멍은 상기 진동판과 접하고, 상기 관통 구멍의 길이 방향이 제1 전극부의 면 방향과 수직일 수 있다.

상기 후판부의 두께는 10 내지 500 μm일 수 있다. 두께가 10 μm 미만일 경우 진동판처럼 음향 압력에 의해 편향될 수 있어 바람직하지 않고, 500 μm를 초과할 경우 공기와 후판부 사이의 점성으로 인해 고주파 음향신호의 감지가 어려워질 수 있어 바람직하지 않다.

지지부(400)

지지부의 프론트 챔버(410)의 제2 통형 중공이 상기 진동판(600)과 접하고, 상기 제2 통형 중공의 길이 방향이 제1 전극부의 면 방향과 수직일 수 있다.

상기 제2 통형 중공이 상기 진동판과 접하고, 상기 진동판이 제1 전극부의 표면과 평행일 수 있다.

상기 제2 통형 중공의 직경은 50 내지 3000 μm일 수 있다.

상기 제2 통형 중공은 원통형, 타원통형, 다각통형 및 별통형으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 형태를 포함할 수 있다.

도 7은 본 발명 하나의 실시예에 따른 마이크로폰과 부착된 회로도 및 작동 원리를 모식도를 나타낸 것이다.

공기를 통해 전달되는 음향 압력, 즉 소리에 의해 상기 진동판이 역동적으로 움직이며, 이 때 상기 제1 전극부와 상기 제2 전극부의 거리 변화에 의해 정전 용량이 변화하게 된다. 회로도와 같이 마이크로폰이 충분히 큰 임피던스와 연결될 경우 음향 주파수에 맞추어 빠르게 변화하는 정전용량과는 달리 저장된 전하가 이동하려면 마이크로폰과 큰 임피던스 회로가 이루는 RC 지연 시간이 필요하기 때문에 마이크로폰에 저장된 전하의 양은 일정하게 유지된다. 전하량은 일정한데, 두 전극 사이의 거리가 변화하므로 두 전극 사이의 전압은 거리에 비례하여 변하게 되며, 이를 회로를 통해 임피던스 변환을 통하여 외부로 출력한다.

본 발명의 부착형 마이크로폰은 넓고 (너비 1600 μm), 매우 얇은 (두께 800 nm) 유기 진동판이 4 μm의 얇은 동그란 패턴 구멍 위에 얹혀 있다. 진동판의 면적이 넓거나, 잔류 응력이 작을수록 같은 외력에 의한 진동판이 움직이기 쉬운 조건을 가진다.

본 발명은 상기 부착형 마이크로폰을 복수 포함하는 마이크로폰 어레이를 제공한다.

도 8은 본 발명 하나의 실시예에 따른 부착형 마이크로폰의 제조방법 중 단계 (a), (b) 및 (c)의 모식도를 나타낸 것이고, 도 9는 본 발명 하나의 실시예에 따른 부착형 마이크로폰의 제조방법 중 단계 (d)의 모식도를 나타낸 것이다.

도 8 및 9를 참고하면, 본 발명은 (a) 제1 통형 중공을 갖는 백 챔버(back chamber, 110), 및 상기 백 챔버(110)를 둘러싸고 제1 고분자를 포함하는 제1 프레임 부재(120)를 포함하는 기판(100)을 제조하는 단계; (b) 복수의 제1 관통 구멍(210)을 포함하고, 제2 고분자를 포함하는 후판(220)을 포함하는 후판부(200), 및 상기 후판부(200) 상에 위치하고, 복수의 제2 관통 구멍(310)을 갖고, 제1 전극 부재(320)를 포함하는 제1 전극부(300)를 포함하는 하판을 제조하는 단계; (c) 제2 통형 중공을 갖는 프론트 챔버(410), 및 제3 고분자를 포함하고 상기 프론트 챔버(410)를 둘러싸는 제2 프레임 부재(420)를 포함하는 지지부(400), 상기 지지부(400) 상에 위치하고, 제2 전극 부재(510)를 포함하는 제2 전극부(500), 및 상기 제2 전극부(500) 상에 위치하고, 제4 고분자를 포함하는 박막(610)을 포함하는 진동판(600)을 포함하는 상판을 제조하는 단계; 및 (d) 박막 전사를 이용하여 기판/하판/상판 구조의 부착형 마이크로폰을 제조하는 단계;를 포함하는 부착형 마이크로폰의 제조방법을 제공한다.

상기 단계 (b)가 단계 (b-1) 이후에, (b-1-1) 상기 후판(220)을 하드베이킹(hard baking)하여 가교(crosslinking)시키는 단계;를 추가로 포함할 수 있다. 이는 후판으로 사용된 에폭시 수지(SU-8)를 완전히 가교시켜 강성을 극대화하여 진동판과 달리 음향 압력에 변형되지 않도록 하기 위한 것이다.

상기 단계 (c)가 단계 (c-1) 이후에, (c-1-1) 상기 박막(610)을 하드베이킹(hard baking)하여 가교(crosslinking)시키는 단계;를 추가로 포함할 수 있다. 이는 박막에 사용된 에폭시 수지(SU-8)를 가교시켜 진동판을 형성하기 위한 것으로, 가교 정도에 따라 진동판의 강성이 조절된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

부착형 마이크로폰 제조

실시예 1

도 1은 본 발명 하나의 실시예에 따른 부착형 마이크로폰의 구조를 나타낸 것이고, 도 8은 본 발명 하나의 실시예에 따른 부착형 마이크로폰의 제조방법 중 단계 (a), (b) 및 (c)의 모식도를 나타낸 것이고, 도 9는 본 발명 하나의 실시예에 따른 부착형 마이크로폰의 제조방법 중 단계 (d)의 모식도를 나타낸 것이다. 도 1, 8 및 9를 참고하여 부착형 마이크로폰을 제조하였다.

(기판 제조)

직경이 2500 μm인 원형 관통 구멍이 있는 400 μm 두께의 PCB 기판을 사용하였다. 혹은 같은 구조의 기판을 Negative PR인 SU-8(Kayaku사 또는 Microchem사의 SU-8/SU-8 2000/SU-8 3000 series 중 어느 하나, 이하 실시예에 기재된 모든 SU-8은 동일한 제품임)을 패터닝하고 95 ℃ 에서 30분간 하드베이킹을 수행하여 제조하였다. 소자 기판의 전체 면적은 9 mm²(3 mm * 3 mm)이다.

(하판 제조)

유리 기판 위에 희생층 역할을 할 Ti/Al (10/100 nm)를 증착한 후, Negative PR인 SU-8 (13 μm)을 이용해 복수의 관통 구멍이 패터닝된 후판을 만들고 95 ℃ 에서 30분간 하드베이킹(Hardbaking)을 수행하였다. 이때 상기 관통 구멍의 직경은 35 μm, 중심 간 거리는 50 μm로 육각(Hexagonal) 배열되었다. 그리고 하판의 전체 면적은 9 mm²(3 mm *3 mm)이다. 그 후 희생층으로 사용한 알루미늄을 에칭 용액을 이용해 지우고, 린싱과정을 통해 에칭용액을 깨끗이 닦아낸 후 건조한다. 그런 다음, 스텐실 증착 마스크를 이용하여 Au를 패터닝하여 스퍼터링(sputtering)하여 제1 전극부를 형성하였다.

(상판 제조)

먼저 유리 기판 위에 희생층 역할을 할 Ti/Al (10/100 nm)를 증착한 후, Negative PR인 SU-8 (800 nm)을 이용해 95 ℃ 에서 30분간 하드베이킹을 수행하여 진동판을 제조하였다. 이후, Positive PR을 이용하여 Au를 패터닝하여 전극 패턴을 증착하였다. 그런 다음, SU-8을 한 번 더 사용하여 패터닝하여 통형 중공을 포함하는 지지부(4 μm)를 제작하여 상판을 제작한다. 이 때 통형 중공의 직경은 1,600 μm이며, 상판의 전체 면적은 9 mm²(3 mm *3 mm)이다. 상기 상판에서 희생층으로 사용한 알루미늄을 에칭 용액을 이용해 지우고 린싱과정을 통해 에칭용액를 깨끗이 닦아낸다. 이때 상판 내 진동판이 기계적으로 손상되기 쉽기 때문에 이를 방지하기 위해 물 베이스인 Al etchant에 IPA를 섞고, 그 위에는 Hexane을 얹은 에칭 용액을 사용하여 알루미늄을 제거하였다. 그 후에, 하판 전사를 위해 상기 상판을 먼저 평평한 유리 기판에 전사하여 건조한다.

(박막 전사를 통한 소자 제조)

도 9에서 [전사방법 1]에 기반하여 박막 전사를 통해 부착형 마이크로폰을 제조하였다.

상세하게는, 유리 기판에 전사된 상기 상판(유리 기판/진동판/제2 전극부/지지부)의 지지부 위에 상기 하판(후판부/제1 전극부)의 제1 전극부가 아래로 향하도록 전사한다. 전사 한 후에는 상기 지지부의 제2 프레임 부재 상에 있는 하판의 복수의 관통 구멍들을 통해 SU-8를 포함하는 점착부를 형성하고, UV에 노출시켜서 상판과 하판을 점착부를 통해 화학적으로 결합시킨다.

그런 다음 소자 기판 위에 SU-8 도포한 후, 상판/하판 적층체를 상판 아래 유리 기판으로부터 분리한 후에, 하판의 후판부가 기판 위에 놓이도록 위치시켰다. 이때, 상기 소자 기판 위에 도포된 SU-8이 상기 하판의 복수의 관통 구멍들로 들어가 SU-8를 포함하는 점착부를 형성한다. 이후, UV에 노출시켜서 상판/하판 적층체를 기판과 결합시킨다.

마지막으로 기판 상에 상기 하판과 반대방향으로 50 μm 두께의 양면 접착층(부착층)을 붙여 부착형 마이크로폰을 결합 후 전체 면적이 9 mm²(3 mm *3 mm)인 부착형 마이크로폰을 제조하였다.

도 7은 본 발명 하나의 실시예에 따른 마이크로폰과 부착된 회로도 및 작동 원리를 모식도를 나타낸 것이다. 도 7을 참고하면, 마이크로폰의 제 1전극은 바이어스 전압 유지장치와 연결되어 있고, 제 2전극은 큰 임피던스 회로를 통해 접지 되어있다. 1번 노드(도 7 참조) 에서 음향 압력에 의해 생성된 전압은 증폭기를 이용한 전압 팔로워(Voltage follower)를 통하여 큰 임피던스에서 작은 임피던스로 임피던스 변환이 이루어지게 되며 최종적으로 2번 노드(도 7 참조)에서 출력되는 전압은 1번 노드와 같은 크기와 위상의 전압을 가지나 출력 임피던스는 매우 낮은 상태로 출력되게 된다.

큰 임피던스 회로의 경우 고저항을 써도 되고, Back-to-back diode나 pMOS를 이용한 pseudo-MOS 구조 등 높은 저항을 갖는 모든 회로가 포함된다. 큰 임피던스 회로의 저항과 마이크로폰이 이루는 정전용량에 의한 RC 상수에 의해 마이크로폰 Low cutoff frequency가 결정되므로 충분히 큰 저항을 갖는 회로를 적용하여야 한다. 예로 마이크로폰이 1 pF라고 하면 큰 임피던스가 5 기가옴(GΩ)일 때 Low cutoff가 32 Hz에서 형성되며, 이는 마이크로폰이 32 Hz 이상에서 작동함을 뜻한다.

실시예 2

진동판을 제조할 때 95 ℃ 에서 30분간 하드베이킹을 수행하는 것 대신에, 150 ℃에서 30분간 하드베이킹을 수행하는 단계를 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 부착형 마이크로폰을 제조하였다.

실시예 3

진동판을 제조할 때 95 ℃ 에서 30분간 하드베이킹을 수행하는 것 대신에, 240 ℃에서 30분간 하드베이킹을 수행하는 단계를 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 부착형 마이크로폰을 제조하였다.

실시예 4

진동판을 제조할 때 95 ℃ 에서 30분간 하드베이킹을 수행하는 것 대신에, 240 ℃에서 30분간 하드베이킹을 수행하는 단계를 포함하고, 지지부의 통형 중공 직경이 1,600 μm인 것 대신에 1,200 μm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 부착형 마이크로폰을 제조하였다.

실시예 5

진동판을 제조할 때 95 ℃ 에서 30분간 하드베이킹을 수행하는 것 대신에, 240 ℃에서 30분간 하드베이킹을 수행하는 단계를 포함하고, 지지부의 통형 중공 직경이 1,600 μm인 것 대신에 800 μm인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 부착형 마이크로폰을 제조하였다.

실시예 6

도 9에서 [전사방법 1]에 기반하여 박막 전사를 통해 부착형 마이크로폰을 제조한 것 대신에, [전사방법 2]에 기반하여 박막 전사를 통해 부착형 마이크로폰을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 부착형 마이크로폰을 제조하였다.

상세하게는, 기판 상에 상기 하판(후판부/제1 전극부)의 후판부가 아래로 향하도록 전사한다. 전사한 후에는 상기 기판의 제1 프레임 부재 상에 있는 하판의 복수의 관통 구멍들을 통해 점착부를 형성하고, UV에 노출시켜서 기판과 하판을 점착부를 통해 화학적으로 결합시킨다.

그런 다음 상기 하판의 제1 전극부 상에 상기 상판(진동판/제2 전극부/지지부)의 지지부 부분이 아래로 향하도록 전사한다. 이때, 상기 지지부의 제2 프레임 부재와 맞닿는 제2 전극부 상에 점착부를 형성하고, UV에 노출시켜서 기판/하판 적층체를 상판과 결합시킨다.

실시예 7

도 9에서 [전사방법 1]에 기반하여 박막 전사를 통해 부착형 마이크로폰을 제조한 것 대신에, [전사방법 3]에 기반하여 박막 전사를 통해 부착형 마이크로폰을 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 부착형 마이크로폰을 제조하였다.

상세하게는, 유리 기판에 전사된 상기 상판(유리 기판/진동판/제2 전극부/지지부)의 지지부 상에 상기 하판(후판부/제1 전극부)의 제1 전극부가 아래로 향하도록 전사한다. 전사 한 후에는 상기 지지부의 제2 프레임 부재 상에 있는 하판의 복수의 관통 구멍들을 통해 점착부를 형성하고, UV에 노출시켜서 상판과 하판을 점착부를 통해 화학적으로 결합시킨다.

그런 다음 상기 하판의 후판부 상에 기판을 형성하고, UV에 노출시켜서 유리 기판/상판/하판/기판 적층제를 제조하였다.

이후, 상판/하판/기판을 상판 아래 유리 기판으로부터 분리하고, 상기 기판 상에 상기 하판과 반대 방향으로 50 μm 두께의 양면 접착층(부착층)을 붙여 부착형 마이크로폰을 결합 후 전체 면적이 9 mm²(3 mm *3 mm)인 부착형 마이크로폰을 제조하였다.

[시험예]

시험예 1: 마이크로폰 제조 확인

도 2는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰을 광학 현미경으로 위에서 관찰한(Top-viewed) 이미지를 나타낸 것이다. (스케일 바: 500 μm)

도 2를 참고하면, 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰은 박막 약 800 nm, 제2 전극부 약 100 nm의 두께로 매우 얇아 진동판/제2 전극부를 제거하지 않고도 아래 위치한 후판부를 관찰할 수 있다.

도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 기판을 제외한 후판부, 제1 전극부, 지지부, 제2 전극부 및 진동판을 전자 현미경으로 아래에서 관찰하여 얻은 이미지이고, 도 3b는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 기판을 제외한 후판부, 제1 전극부, 지지부, 제2 전극부 및 진동판을 전자 현미경으로 위에서 관찰하여 얻은 이미지이다.

도 3c는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 기판을 제외한 후판부, 제1 전극부, 지지부, 제2 전극부 및 진동판을 전자 현미경으로 위에서 관찰 시 상기 마이크로폰 내 탄소의 분포를 에너지 성분 X선 분광법을 통한 맵핑(mapping)으로 얻은 이미지이고, 도 3d는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 기판을 제외한 후판부, 제1 전극부, 지지부, 제2 전극부 및 진동판을 전자 현미경으로 위에서 관찰 시 상기 마이크로폰 내 금의 분포를 에너지 성분 X선 분광법을 통한 맵핑(mapping)으로 얻은 이미지이다.

도 3a 내지 3d를 참고하면, 상기 마이크로폰의 구조가 유기 재료로 이루어진 것을 확인할 수 있고, 제2 전극부를 지지부의 통형 중공 크기로 한정하고, 전극 연결을 위해 최소화한 것을 확인할 수 있다. 제2 전극부의 넓이를 한정함으로써 초기 정전용량 값을 줄여 마이크로폰의 음향 감지 성능을 높일 수 있다.

도 4는 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 단면을 전자 현미경으로 관찰한 이미지를 나타낸 것이다. (스케일 바: 10 μm)

도 4를 참고하면, 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰은 약 800 nm 두께의 박막과, 약 100 nm 두께의 제2 전극부와, 직경 35 μm, 중심 간 거리는 50 μm로 육각(Hexagonal) 배열된 관통 구멍을 가진 후판부를 포함하는 것을 확인할 수 있다.

도 5a는 비접촉 방식으로 Z축 방향의 단차를 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 아래에서 관찰한 이미지이고, 도 5b는 상기 도 5a의 이미지에 기반한 그래프를 나타낸 것이다.

도 5a 및 5b를 참고하면, 후판부의 여러 개의 관통 구멍에 의해 그래프가 위 아래로 반복적인 모양을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 지지부 및 후판부/제2 전극부의 두께를 확인할 수 있다.

도 6은 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰의 전체 모습을 관찰한 이미지이다.

도 6을 참고하면, 본 발명에 따라 제조된 마이크로폰은 4 내지 9 mm² 크기의 초소형으로 제조할 수 있다.

시험예 2: 진동판의 크기 및 재질이 민감도에 미치는 영향

도 10은 실시예 3 내지 5에 따라 제조된 마이크로폰의 전압 인가에 따른 정전 용량 변화를 나타낸 것으로, 진동판의 직경 별로 전압 인가에 따른 정전 용량 변화를 확인한 것이다. 도 11은 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 마이크로폰의 전압 인가에 따른 정전 용량 변화를 나타낸 것으로, 진동판의 하드베이킹 유무에 따른 정전 용량 변화를 확인한 그래프를 나타낸 것이다.

상세하게는, 진동판의 제1 전극부와 제2 전극부를 통해 바이어스 전압을 인가하게 되면 정전기력에 의해 진동판이 아래로 편향되게 되는데, 이를 기반으로 진동판의 기계적 성질을 측정할 수 있다. 진동판의 두께가 직경이 비해 매우 작은 본 발명의 상기 마이크로폰의 경우 진동판의 잔류 응력과 두께가 기계적 성질에 가장 큰 영향을 미치는데, 본 시험을 통해 진동판의 잔류 응력을 예측할 수 있다.

도 10을 참고하면, 진동판의 직경이 커질수록 전압 인가에 따른 정전 용량 변화의 크기가 커지는 것을 확인할 수 있다. 또한 진동판의 직경이 커질수록 초기 정전 용량 값이 커지는 것을 감안하더라도 상대적인 정전 용량의 변화 정도가 큰 것을 확인할 수 있다. 진동판의 기계적 성질은 잔류 응력과 두께에 영향을 받고 진동판의 직경에는 영향을 받지 않는다. 하지만 진동판의 직경이 클수록 같은 음향 압력 내에서 큰 힘을 받게 된다. 또한 같은 힘을 받아 진동판 중심의 편향 정도가 같더라도 구조적으로 정전 용량의 변화가 크게 된다.

도 11을 참고하면, 진동판의 하드베이킹 온도가 증가할수록 전압 인가에 따른 정전 용량 변화의 크기가 작아지는 것을 확인할 수 있다. 하드베이킹 과정은 에폭시 수지(SU-8)를 가교(cross-linking)시켜 고분자간 연계를 강하게 하여 잔류 응력이 커지는 효과를 가지기 때문이다. 같은 조건의 시뮬레이션을 통해 하드베이킹 정도에 따른 잔류 응력의 크기를 예측해보았다. 그 결과, 95 ℃에서 30분간 하드베이킹을 했을 시에는 5 MPa, 150 ℃에서 30분간 하드베이킹을 했을 시에는 5.8 MPa, 240 ℃에서 30분가 하드베이킹을 했을 시에는 13 MPa로 예측되었다.

따라서 도 10과 도 11을 통해 진동판의 직경이 크고, 하드베이킹을 하지 않을수록 외력에 의한 진동판 구조의 정전용량 변화가 큼을 확인할 수 있다.

시험예 3: 개방회로 민감도

도 12는 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 부착형 마이크로폰(SU-8, 별 모양)과 논문에 기재된 부착형 마이크로폰(Ref. 1 내지 Ref. 8)의 개방 회로 민감도(Open-circuit sensitivity)를 나타낸 그래프이다. .

개방 회로 민감도는 마이크로폰에 연결된 회로가 이상적일 때를 가정해 마이크로폰의 진동판 구조 본래의 기계적 성질만을 알려 주는 성능 지표이다. 마이크로폰들마다 인가한 전압, 진동판과 후막 사이 거리가 상이한데, 이를 전압을 거리로 나눈 전기장으로 정리하여 인가된 힘을 표준화하였다.

도 12를 참고하면, 본 발명의 마이크로폰의 개방 회로 민감도가 비슷한 구조와 작동 방식을 가진 종래 MEMS 마이크로폰들보다 큰 것을 확인할 수 있다. 또한 인가된 전기장 대비 민감도의 크기도 큼을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 상기 마이크로폰의 재료와 구조 면에서 설명이 가능하다. 먼저 진동판 재료는 에폭시 수지로서 재료적으로 금속이나 실리콘 기반 물질에 비해서 잔류 응력이 작기 때문에 종래 마이크로폰의 복잡한 주름, 스프링 구조가 아닌 평판 구조에서도 진동판이 작은 강성을 갖도록 한다. 또한 본 발명의 박막 전사 기반의 제조 방법을 통해 진동판과 후막의 거리가 매우 가까우면서도 큰 통형 중공을 가진 마이크로폰을 제작할 수 있어 종래 마이크로폰에 비해 큰 개방 회로 민감도를 갖는다.

시험예 4: 비교 진동판의 주파수 응답률 확인

도 13은 실시예 2 내지 5에 따라 제조된 마이크로폰의 음향 감도의 주파수 응답 결과를 나타낸 것으로, 진동판 너비와 하드베이킹 유무에 따른 음향 감도의 주파수 응답 결과를 나타낸 것이다. 이는 일정한 크기 (1 Pa) 의 음압을 주파수를 변화시키면서 마이크로폰에 인가시켰을 때 나오는 출력 전압을 기록한 그래프로서 이를 통해 마이크로폰의 대역폭(Bandwidth)를 결정할 수 있다. 도 13에서 직선은 실제로 측정한 값을 나타낸 것이고, 점선은 시뮬레이션 값을 나타낸 것이다.

도 13을 참고하면, 실시예 3(진동판 너비 1,600 μm), 실시예 4(진동판 너비 1,200 μm)경우 15 Hz에서 10 kHz까지, 실시예 5(진동판 너비 800 μm)의 경우 34 Hz에서 10 kHz까지 ±3 dB 이내의 평탄한 주파수 응답 곡선을 보여주고 있다. 마이크로폰의 대역폭이 대부분의 가청주파수 범위를 포함하므로 제시한 마이크로폰은 인간이 듣는 소리의 대부분을 잘 감지할 수 있음을 말해준다.

또한, 감도의 크기는 마이크로폰의 진동판 너비가 클수록, 더 낮은 온도에서 베이킹 과정을 진행할수록 높은 감도를 보여주고 있다. 이는 같은 공정으로 진행할 경우 박막에 남아있는 잔여 응력의 양은 같아 기계적 강성은 같지만, 박막 크기가 클수록 박막에 가해지는 총 힘의 크기가 커지기 때문에 더 많은 거리가 변화하고, 이로 인해 더 큰 정전용량의 변화가 생겼기 때문이다. 또한 낮은 베이킹 온도에서 마이크로폰을 제작할 경우 진동판에 생성되는 잔여 응력이 작아 지기 때문에 더 낮은 기계적 강성을 얻을 수 있고 따라서 더 높은 감도를 얻을 수 있다.

시험예 5: 스펙트럼 밀도에 관한 분석

도 14는 실시예 2에 따라 제조된 마이크로폰의 PSD를 나타낸 것이다. 도 14에서 M.V.는 실제로 측정한 값이고, S.V.는 시뮬레이션 값을 나타낸 것이다. PSD는 전기적 회로를 포함한 최종적인 노이즈레벨을 평가하기 위해 측정되었으며, 이는 음압을 인가하지 않은 상태에서 나오는 전기 신호를 주파수 도메인에서 측정하여 얻을 수 있다. 마이크로폰의 노이즈레벨은 PSD를 20 Hz에서 20 kHz까지 적분하여 얻을 수 있으며, 이때 인간의 청각 감지와 비슷한 상태로 만들기 위해 A-weighting을 적용하여 적분하여 진행한다. 적분된 노이즈 값과 1 kHz에서의 감도를 바탕으로 마이크로폰의 신호대 잡음비를 계산할 수 있으며, A-weighting을 적용하여 진행할 경우 단위는 dB(A)가 된다.

도 14를 참고하면, integrated noise는 7.94 μVrms 임을 알 수 있고 측정된 감도를 통해 SNR이 65 dB(A) 수준임을 확인할 수 있다.

시험예 6: 민감도 선형성 확인

도 15는 실시예 2에 따라 제조된 마이크로폰의 28 dB에서 134 dB까지의 음향 감도의 선형성 평가를 나타낸 것이다.

도 15를 참고하면, 실시예 2에 따라 제조된 마이크로폰이 음압에 따라 출력되는 전기신호가 입력 음압과 선형적임을 알 수 있다.

시험예 7: 총 고조파 왜곡에 관한 분석

도 18은 실시예 2에 따라 제조된 마이크로폰의 큰 음향 압력(소리)에 대한 총 고조파 왜곡 정도를 파악한 결과를 나타낸 것이다.

Total Harmonic Distortion(THD)는 마이크로폰이 감지하는 파형의 왜곡 정도를 알 수 있는 지표이다. 입력 음압이 순수한 사인파 함수의 경우 마이크로폰에서 출력되는 전기 신호의 경우 마찬가지로 순수한 사인파 함수여야 하나, 다양한 이유로 인해 센서에서 왜곡이 발생하게 된다.

왜곡된 신호의 경우 Fundamental frequency 외에 Fundamental frequency의 Harmonics가 발생하게 되는데, 이때 Harmonics가 신호를 왜곡시키게 된다. THD는 Fundamental frequency에서의 신호크기 대비 Harmonics의 신호크기의 비를 나타내며 크기가 작을수록 좋은 음질로 녹음이 가능하다.

MEMS microphone의 경우 THD가 10퍼센트가 되는 지점을 Acoustic Overload Point (AOP)라 지정하고 있으며, AOP는 마이크로폰이 측정할 수 있는 최대 음압을 나타낸다.

도 18을 참고하면, 실시예 2에 따라 제조된 마이크로폰의 경우 100 Pa(134 dB _SPL)에서 약 8 %의 THD가 측정되었으며, 이는 제시된 마이크로폰이 100 Pa라는 큰 음압까지 소리를 측정할 수 있음을 뜻한다.

시험예 8: 열 안정성에 관한 분석

도 19는 실시예 2에 따라 제조된 마이크로폰의 열 안정성을 민감도로 나타낸 것이다.

마이크로폰이 실생활에 적용되기 위해서는 온도에 대한 안정성이 필요하다. 도 19를 참고하면, 본 발명에 따라 제조된 마이크로폰은 섭씨 90도까지는 3 dB 이내의 감도 변화 안에서 사용할 수 있다.

시험예 9: 단위면적 당 민감도 비교

반면, 본 발명의 마이크로폰(This work)은 단위 면적을 고려하더라도 상용 MEMS 마이크로폰(Ref. 1) 수준의 높은 민감도를 가지는데, 이는 실리콘 재료 기반의 기존 MEMS 마이크로폰과는 달리 유기 재료를 이용해 소자를 제작했기 때문이다.

시험예 10: 일정한 민감도를 지니는 음향 압력 및 주파수 범위 비교

도 13, 도 14, 도 15, 도 18 및 도 19를 참조하면 본 발명의 실시예에 따라 제조된 부착형 마이크로폰의 SNR은 65 dB(A)이며, AOP는 134 dB이며, 주파수 응답률은 15 Hz ~ 10 kHz를 가짐을 알 수 있으며, 이를 바탕으로 도 17의 "This work"처럼 표시할 수 있다.

시험예 11: 음향 압력 감지 비교

도 20은 실시예 1에 따라 제조된 마이크로폰, iPhone XR에 내장된 MEMS 마이크로폰, Audio-Technica 사의 AT2035 마이크로폰의 음향 감지 특성을 음향 파형과 주파수 스펙트럼으로 비교한 결과를 나타낸 것이다.

도 20a에서 보이듯이, 무향실 (Anechoic room)에서 본 발명의 부착형 마이크로폰과 상기 종래 마이크로폰들을 음원이 되는 스피커로부터 일정 거리에서 두어 동시에 음원으로부터 흘러나오는 음향 압력 감지하고 이를 녹음하였다.

특히 본 발명의 상기 마이크로폰이 감지하는 실시간 음향 파형 (Acoustic pressure wave)을 오실로스코프로 확인하였고, 실시간으로 녹음되는 것을 녹음 프로그램을 통해 확인하였다.

도 20b를 참고하면 본 발명의 부착형 마이크로폰과 상기 종래 마이크로폰으로 음향 압력을 동시에 감지했을 시에 음향 압력 파형과 이에 대한 주파수 스펙트럼을 확인할 수 있다. 본 발명의 부착형 마이크로폰은 종래 MEMS 마이크로폰과 녹음용 컨덴서 마이크로폰과 같이 똑같이 음향 압력을 감지하는 것을 음향 압력 파형과 주파수 스펙트럼을 통해 확인 가능하다.

따라서 본 발명의 마이크로폰은 음성을 단순히 감지하는 수준을 넘어, 상용화 수준의 음향 감지 성능을 가짐을 알 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 부착형 마이크로폰
100: 기판
110: 백 챔버(back chamber)
120: 제1 프레임 부재
200: 후판부
210: 제1 관통 구멍
220: 후판
300: 제1 전극부
310: 제2 관통 구멍
320: 제1 전극 부재
400: 지지부
410: 프론트 챔버(front chamber)
420: 제2 프레임 부재
500: 제2 전극부
510: 제2 전극 부재
600: 진동판
610: 박막
700: 점착부
800: 부착층

Claims

제1 통형 중공을 갖는 백 챔버(back chamber), 및 상기 백 챔버를 둘러싸고 제1 고분자 또는 무기물을 포함하는 제1 프레임 부재를 포함하는 기판;
상기 기판 상에 위치하고, 복수의 제1 관통 구멍을 포함하고, 제2 고분자를 포함하는 후판을 포함하는 후판부;
상기 후판부 상에 위치하고, 복수의 제2 관통 구멍을 갖고, 제1 전극 부재를 포함하는 제1 전극부;
상기 제1 전극부 상에 위치하고, 제2 통형 중공을 갖는 프론트 챔버, 및 제3 고분자를 포함하고 상기 프론트 챔버를 둘러싸는 제2 프레임 부재를 포함하는 지지부;
상기 지지부 상에 위치하고, 제2 전극 부재를 포함하는 제2 전극부; 및
상기 제2 전극부 상에 위치하고, 제4 고분자를 포함하는 박막을 포함하는 진동판;을
포함하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 부착형 마이크로폰이 점착제를 포함하는 점착부를 추가로 포함하고,
상기 점착부가 상기 후판부와 상기 제1 전극부를 관통하고,
상기 점착부가 상기 기판과 상기 지지부를 각각 점착하는 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 백 챔버가 원통형, 타원통형, 다각통형, 별통형 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 형태를 포함하는 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 제1 통형 중공의 지름의 크기가 상기 지지부의 제2 통형 중공의 지름의 크기의 1 내지 1.5배인 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 제1 통형 중공의 높이가 0.01 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 제1 통형 중공의 면적이 상부에서 하부로 갈수록 같거나 또는 증가하는 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 부착형 마이크로폰이 상기 기판 상에 상기 후판부와 반대 방향으로 위치하는 부착층을 추가로 포함하고,
상기 부착층의 두께가 0.01 내지 1 mm인 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 제1 고분자가 폴리파라자일릴렌(파릴렌, poly(p-xylylene)), 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 폴리스티렌부타디엔스티렌, 폴리스티렌에틸렌부틸렌스티렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 아크릴로나이트릴뷰타다이엔스타이렌 수지, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 노볼락수지, 포름알데이드 수지, 페놀 수지, 페놀-포름 알데히드 수지, 폴리 에스테르 수지, 비스말레이미드 트리아진 수지, 폴리이미드 수지, 디페닐렌 에테르 수지, 폴리시아네이트 수지, 폴리올레핀 수지 및 이미드-스티렌 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하고,
상기 무기물이 실리콘, 실리콘 나이트라이드 및 실리콘 옥사이드로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 제2 고분자, 상기 제3 고분자 및 상기 제4 고분자가 서로 같거나 다르고, 각각 독립적으로 에폭시 수지, 아크릴 수지, 노볼락수지, 포름알데이드 수지, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리파라자일릴렌(파릴렌, poly(p-xylylene)), 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레아, 폴리우레탄, 폴리디메틸실록산, 폴리스티렌부타디엔스티렌, 폴리스티렌아크릴레이트 공중합체, 폴리스티렌에틸렌부틸렌스티렌 및 폴리아크릴로나이트릴부타다이엔스타이렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 후판부에서 복수의 상기 관통 구멍 중 인접한 관통 구멍 사이의 간격이 각각 15 내지 150 μm이고,
복수의 상기 관통 구멍 각각의 직경이 각각 10 내지 100 μm인 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 후판부의 두께가 10 내지 500 μm이고,
상기 지지부의 두께가 0.1 내지 20 μm이고,
상기 진동판의 두께가 0.1 내지 10 μm인 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 후판의 영률이 100 MPa 이상이고,
상기 박막의 영률이 1 MPa 내지 10 GPa인 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 후판부의 복수의 제1 관통 구멍은 상기 제1 전극부의 복수의 제2 관통 구멍과 접하고, 상기 제1 관통 구멍의 높이 방향이 제1 전극부의 표면과 수직이고,
상기 프론트 챔버의 제2 통형 중공이 상기 제2 전극부와 접하고,
상기 제2 통형 중공의 높이 방향이 제1 전극부의 표면 및 제2 전극부의 표면과 수직인 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 제2 통형 중공의 직경이 50 내지 3,000 μm인 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극 부재 및 상기 제2 전극 부재가 서로 같거나 다르고 각각 금, 티타늄, 백금, 은, 니켈, 팔라듐, 구리, 아연, 카드뮴, 철, 코발트, 이리듐, 주석, 갈륨, 알루미늄, 망간, 크로뮴, 몰리브덴, 텅스텐, 그래핀, 카본나노튜브, 그래파이트, 인듐 주석 산화물 및 PEPOT:PSS로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 있어서,
상기 부착형 마이크로폰이 가로 1.4 내지 10 mm이고, 세로 1.4 내지 10 mm이고, 두께 50 μm 내지 5 mm인 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰.
제1항에 따른 부착형 마이크로폰을 복수개 포함하는 마이크로폰 어레이.
(a) 제1 통형 중공을 갖는 백 챔버(back chamber), 및 상기 백 챔버를 둘러싸고 제1 고분자를 포함하는 제1 프레임 부재를 포함하는 기판을 제조하는 단계;
(b) 복수의 제1 관통 구멍을 포함하고, 제2 고분자를 포함하는 후판을 포함하는 후판부, 및 상기 후판부 상에 위치하고, 복수의 제2 관통 구멍을 갖고, 제1 전극 부재를 포함하는 제1 전극부를 포함하는 하판을 제조하는 단계;
(c) 제2 통형 중공을 갖는 프론트 챔버, 및 제3 고분자를 포함하고 상기 프론트 챔버를 둘러싸는 제2 프레임 부재를 포함하는 지지부, 상기 지지부 상에 위치하고, 제2 전극 부재를 포함하는 제2 전극부, 및 상기 제2 전극부 상에 위치하고, 제4 고분자를 포함하는 박막을 포함하는 진동판을 포함하는 상판을 제조하는 단계; 및
(d) 박막 전사를 이용하여 기판/하판/상판 구조의 부착형 마이크로폰을 제조하는 단계;를
포함하는 부착형 마이크로폰의 제조방법.
제18항에 있어서,
상기 단계 (d)가 박막 전사를 이용하여 기판/하판/상판 구조를 형성하고, 점착제를 포함하는 점착부를 형성하여 부착형 마이크로폰을 제조하는 단계이고,
상기 점착부가 상기 후판부와 상기 제1 전극부를 관통하고,
상기 점착부가 상기 기판과 상기 지지부를 각각 점착하는 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰의 제조방법.
제18항에 있어서,
상기 단계 (b)가
(b-1) 기재 상에 희생층을 형성하고, 상기 희생층 상에 복수의 제1 관통 구멍을 포함하고, 제2 고분자를 포함하는 후판을 포함하는 후판부를 형성하여 기재/희생층/후판부를 형성하는 단계;
(b-2) 상기 기재/희생층/후판부의 희생층을 에칭하여 단일 후판부를 형성하는 단계; 및
(b-3) 상기 후판부 상에 복수의 제2 관통 구멍을 갖고, 제1 전극 부재를 포함하는 제1 전극부를 형성하여 후판부 및 제1 전극부를 포함하는 하판을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰의 제조방법.
제18항에 있어서,
상기 단계 (c)가
(c-1) 기재 상에 희생층을 형성하고, 상기 희생층 상에 제4 고분자를 포함하는 박막을 포함하는 진동판을 형성하여 기재/희생층/진동판을 형성하는 단계;
(c-2) 상기 기재/희생층/진동판의 진동판 상에 제2 전극 부재를 포함하는 제2 전극부를 형성하여 기재/희생층/진동판/제2 전극부를 형성하는 단계;
(c-3) 상기 제2 전극부 상에 제2 통형 중공을 갖는 프론트 챔버, 및 제3 고분자를 포함하고 상기 프론트 챔버를 둘러싸는 제2 프레임 부재를 포함하는 지지부를 형성하여 기재/희생층/진동판/제2 전극부/지지부를 형성하는 단계; 및
(c-4) 상기 기재/희생층/진동판/제2 전극부/지지부의 희생층을 에칭하여 진동판/제2 전극부/지지부를 포함하는 상판을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰의 제조방법.
제18항에 있어서,
상기 단계 (d)가
(1) 상기 상판의 진동판 상에 상기 제2 전극부와 반대 방향으로 기재를 위치시켜 기재/진동판/제2 전극부/지지부를 형성하는 단계;
(2) 상기 기재/ 진동판/제2 전극부/지지부의 지지부 상에 상기 하판의 제1 전극부를 위치시켜 기재/상판/하판을 형성하는 단계;
(3) 상기 기재/상판/하판에서 상판/하판을 기재로부터 분리시키는 단계; 및
(4) 상기 상판/하판의 후막부를 상기 기판 상에 위치시켜 기판/하판/상판 구조의 부착형 마이크로폰을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰의 제조방법.
제18항에 있어서,
상기 단계 (d)가
(1') 상기 기판 상에 상기 하판의 후막부를 위치시켜 기판/하판을 형성하는 단계; 및
(2') 상기 기판/하판의 제1 전극부 상에 상기 상판의 지지부를 위치시켜 기판/하판/상판 구조의 부착형 마이크로폰을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰의 제조방법.
제18항에 있어서,
상기 단계 (d)가
(1") 상기 상판의 진동판 상에 상기 제2 전극부와 반대 방향으로 기재를 위치시켜 기재/진동판/제2 전극부/지지부를 형성하는 단계;
(2") 상기 기재/진동판/제2 전극부/지지부의 지지부 상에 상기 하판의 제1 전극부를 위치시켜 기재/상판/하판을 형성하는 단계;
(3") 상기 기재/상판/하판의 하판 상에 상기 기판을 위치시켜 기재/상판/하판/기판을 형성하는 단계; 및
(4") 상기 기재/상판/하판/기판에서 상판/하판/기판을 기재로부터 분리시켜 기판/하판/상판 구조의 부착형 마이크로폰을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰의 제조방법.
제18항에 있어서,
상기 부착형 마이크로폰의 제조방법이 단계 (d) 이후에,
(e) 상기 기판 상에 상기 후판부와 반대 방향에 부착층을 형성하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 부착형 마이크로폰의 제조방법.