KR200327557Y1 - 압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 중·고 주파수 영역에서 음을 재생하는 압전 폴리머 스피커로 이루어지는 음향장치에 관한 것이다.
본 고안에 따른 압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치는 진공하에서 이온보조반응방법으로 표면처리한 소정형상의 고분자 쉬트, 상기 고분자 쉬트의 양면에 도포된 전도성 고분자막으로 구성된 전극, 상기 전극에 증폭된 외부 음원신호를 인가하는 단자, 상기 고분자 쉬트의 기계적 진동을 유발하여 음을 방사하는 압전 폴리머 스피커로 이루어지는 특징으로 한다.

Description

압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치{ Piezo Polymer Speaker System}
본 고안은 음향장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치에 관한 것이다.
소리(Sound)는 매질을 통해서 일정한 속도로 전달되는 유체의 진동 현상의 하나이다. 소리는 매질 속으로 전달해 간다. 그 원리는 간단히 설명 될 수 있다. 스피커는 콘이 앞뒤로 전진/후진을 거듭하며 음을 생산한다. 일 예로 저음용 스피커인 우퍼의 콘이 앞으로 전진하는 순간 바로 앞쪽의 공기는 압축이 된다. 이제 콘이 원래의 자리로 돌아오면 바로 앞의 공기는 처음의 압력 (대기압과 같은 압력)으로 돌아오고, 콘이 뒤로 후진하면 바로 앞의 공기는 순간적으로 팽창하여 공기압이 대기압보다 낮아지게 된다. 공기는 스프링과 같이 한쪽에서 발생한 파를 자동으로(에너지를 평형상태로 만들기 위해) 다른 쪽으로 이동시킨다. 이 압력의 변화는 스피커에서 어느 정도 떨어진 점에서 관찰해도 마찬가지이다. 단, 음파가 구 모양으로 퍼져 나가므로 같은 힘=에너지로 더 많은 면적의 공기를 압축 팽창시켜야 하기 때문에 당연히 음원에서 멀리 떨어질 수록 압력의 변화는 작아진다. 우리가 소리를 음의 파동, 즉 음파라고 부르는 것은 바로 이러한 이유 때문이다. 이것이 음이 만들어지는 원리이다. 작은 압력의 변화로 상술한 원리를 이용하여 음을 재생하는 스피커에는 콘형, 돔형, 혼형 등이 있다.
이하 첨부된 도 1을 참조하여 일반적으로 가장 많이 쓰이는 콘형 스피커의 구조를 살펴보고 그 작동에 관하여 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 일반적인 스피커의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 라우드 스피커(20)는 크게 진동판(diaphragm, 26) 엣지(edge, 68), 보이스 코일 보빈(voice coil bobbin, 52), 댐퍼(demper, 60), 센터 캡(center cap, 64) 등을 포함하는 진동계와, 마그네트(magnet, 16),상판부(top metal plate pole piece, 14), 요크(yoke, 12 ), 등을 포함하는 자기 회로 부분과, 자기회로 부분과 진동계를 지지하고 있는 프레임(frame, 28) , 가스킷(gasket, 88), 입력단자(terminal, 72) 등을 포함하는 본체부분으로 이루어진다. 보이스코일 보빈(52)은 자기회로 부분의 센터폴(center pole)을 둘러싸고 있으며, 보이스코일(54)은 보이스코일 보빈(52)에 권선된다. 보이스코일 보빈(52)의 상단부 외주면과 프레임(frame, 28)의 내주면에 연결된 댐퍼(damper, 60)는 중심유지기(centering spider)라고도 불리며 보이스코일 보빈(52)및 보이스코일(54)을 에어 갭(air gap, 58 )에서 중심을 잡도록 유지해준다. 그리고 댐퍼(60)는 보이스코일(54)의 왕복운동이 가능하게 하는 쭈글쭈글한 콤플라이언스(compliance)를 갖고 있다. 보이스코일 보빈(52)의 상부는 진동판(26 )의 넥(neck) 부분의 내주면을 따라 설치되는 센터 캡(center cap, 64)에 견고하게 밀착 고정되어 있다. 센터 캡(64)은 더스트 커버(dust cover)라고도 불려지며 에어 갭(air gap, 58 )내로 먼지나 다른 파편(debris)들이 유입하지 못하게 하는 기능을 한다. 보이스코일 보빈(52)과 진동판(26)은 보이스코일 보빈(52)의 상단부 외주면과 프레임(28)의 내주면을 연결하는 중심유지기(centering spider)라 불리는 댐퍼(60)와 프레임의 상부에 연결되며 외부에 노출된 금속형의 엣지(edge, 68)에 의하여 현수 지지된다. 상술한 구성요소들로 라우드 스피커가 만들어진다. 보이스코일 보빈(52)의 일단부는 진동판(26), 댐퍼(60), 센터캡(64)에 연결되어 있으며, 센터폴 요크(15)의 외주면부에 현수 지지된다. 입력단자(72)에 전기적 음성신호가 입력되면 보이스코일 보빈(52)에 권선된 코일은 오디오 앰프(audio amp., 56 )로부터 공급된 전류, 그리고 자기회로에 의해 형성된 자장의 영향으로 보이스코일 보빈(52)은 센터폴 요크(센터폴 피스, 15)의 외주면과 외각 극(outer pole, 14 ＆ 16 )을 중심으로 잘 알려진 플레밍의 왼손 법칙에 따라서 상하로 진동하게 된다. 즉 보이스코일 보빈(52)이 상측으로 동작되면 진동판(26)이 보이스코일 보빈(52)의 동작에 의해 상측으로 이동하게 되며 "+"음압이 발생하게 되고, 보이스코일 보빈(52)이 하측으로 동작되면 진동판(26)이 보이스코일 보빈(52)의 동작에 의해 하측으로 이동하게 되며 "-"음압이 발생하게 된다. 주파수의 범위가 대략 20 Hz ~ 20,000 Hz 정도일 때 비로써 소리로서 인간의 귀로 감지할 수 있다.
그러나, 상술한 종래의 일반적인 구조의 보이스 코일 진동판 스피커에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 스피커의 음향이 외부로 방사될 때 음향은 댐퍼와 진동판 그리고 센터 캡을 통하여 외부로 방사되는데 이와 같은 일련의 동작을 진행하며 음향이 외부로 방사되는 동안에 댐퍼와 진동판 그리고 센터캡에서는 진동과 그에 따른 진동음이 유발되는 문제점이 있다. 이 진동음은 스피커를 통하여 외부로 방사되는 재생음과 혼합되어 결국 스피커에서 음향이 발생할 때 잡음이 섞여 나오게 되는 요인이 되었고, 그와 같은 요인은 스피커의 질을 가늠하는 척도가 되고 있다.
뿐만 아니라 상술했던 바와 같이 댐퍼와 진동판 그리고 센터 캡에서 발생되는 진동에 의해 댐퍼와 진동판 그리고 센터 캡은 관성의 영향에 의해 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환하는 과정에서 과도 특성(transient characteristics)이 나빠지는 요인이 되고 있다.
그리고 또한 상술한 구성요소의 재료들이 균일하지 않아 다음과 같은 결함이 생길 요인이 있다. 보이스코일 보빈이 자장의 힘을 받게 될 때, 보이스코일 보빈은 좌우로 이동하게 된다. 보이스코일 보빈은 상단부(top end)가 현수 지지되는 구조로 보이스코일 보빈의 하부는 심하게 진동을 하게 된다. 이 진동으로 보이스코일 보빈은 워셔(washer, 22 ) 또는 요크와 충돌하여 노이즈(noise)를 발생한다. 따라서 보이스코일 보빈이 워셔 또는 요크와 충돌하는 것을 방지하기 위해서는 요크와 워셔와의 간격은 보다 더 넓어져야 한다. 스피커의 용적이 증대되는 경우에도 요크와 워셔와의 간격은 증가한다. 그러나 간편이 증가될수록 스피커의 민감도는 더욱 더 악화된다. 일반적인 이동 보이스코일 진동판 라우드 스피커에서 저음, 중음 및 고음의 동작특성이 다른 것은 그에 대응되는 우퍼, 스코커 및 트위터에 사용되는 보이스코일 보빈, 진동판, 보이스코일등을 포함하는 진동계의 질량이 차이에 따른 것으로 스피커 진동계의 질량이 가벼운 경우에는 충실한 음압을 송출하고 , 스피커 진동계의 질량이 무거운 경우에는 충실한 음압을 송출하지 못한다.
이와 같이 콘 스피커등의 종래의 스피커에서는 진동에 관련된 구성요소의 질량이 중요한 인자로서 이상적인 음을 재생하는데 상당한 문제가 있다. 또한 콘 진동판은 관성의 법칙에 따라 움직이므로 전기적 특성을 기계적 진동으로 전이하는 과정에서 구동시에는 늦게 출발하고 정지시에는 조금 후에 정지하게 된다. 이것은 진동하는 콘 진동판이 무거우면 무거울수록 심각해지는 특성이 있다. 이것은 음질을 저하시키는 요인으로 지적된다. 그리고 또 다른 문제점은 공기의 저항이다. 면적이 넓을수록 공기의 저항력을 많이 받기 때문에 음이 흐려지는 원인이 된다. 왜곡 현상은 진동판의 댐퍼를 넣어서 진동판을 자기공격으로부터 잡아 두려는 것 즉, 자기력의 영향내에 있도록 스티프니스(stiffness) 강도를 크게 하거나 적게 할수록 고역과 저역에 심각한 영향을 미친다.
따라서, 본 고안은 상기 여러가지 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 고안의 목적은 중·고 주파수 영역에서 음을 매우 충실하게 재생할 수 있는 음향장치을 제공하는데 있다.
본 고안의 다른 목적은 이동 보이스코일 진동판이 없는 음향장치을 제공하는데 있다.
본 고안의 또 다른 목적은 다양한 모양 및 형상을 갖는 음향장치을 제공하는데 있다.
본 고안의 또 다른 목적은 스피커 공간 축소 및 경량화(light weight)에 적합한 음향장치을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안에 따른 압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치는 진공하에서 이온보조반응방법으로 표면처리한 소정형상의 고분자 쉬트, 상기 고분자 쉬트의 양면에 도포된 전도성 고분자막으로 구성된 전극, 상기 전극에 증폭된 외부 음원신호를 인가하는 단자, 상기 고분자 쉬트의 기계적 진동을 유발하여 음을 방사하는 압전 폴리며 스피커로 이루어지는 특징으로 한다.
도 1은 종래의 일반적인 스피커의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 고안에 따른 오디오 회로의 블록 다이어그램이다.
도 3은 본 고안에 따른 기본적인 기능 요소를 보여주는 도면이다.
도 4는 폴리머 필름 유니트로 구성되는 압전 스피커의 구동을 위한 각 부분의 결합도이다.
도5는 압전 폴리머 스피커를 구성하는 폴리머 필름 유니트의 평면도이다.
도6은 구동 전압에 따른 음압의 주파수 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 7 은 종래의 투(2)웨이 스피커 시스템을 보여주는 도면이다.
도 8 은 투(2)웨이 스피커 시스템에서 압전 폴리머 스피커를 장착한 본 고안 실시예 1의 투시도이다.
도 9는 스피커 장치를 나타내는 투시도이다.
이와 같은 목적은 다음과 같은 구성에 의해 달성된다.
(1)본 고안에 따른 압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치는 진공하에서 이온보조반응방법으로 표면처리한 소정형상의 고분자 쉬트, 상기 고분자 쉬트의 양면에 도포된 전도성 고분자막으로 구성된 전극, 상기 전극에 증폭된 외부 음원신호를 인가하는 단자, 상기 고분자 쉬트의 기계적 진동을 유발하여 음을 방사하는 압전 폴리머 스피커로 이루어지는 특징으로 한다.
(2) 상기 (1)과 같은 압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치에 있어서, 상기 고분자 쉬트는 PVDF(polyvinylidenfluoride)과 그 유도체, HFP 등의 첨가물을 넣은 고분자 혼합물(blend), VDF/TrFE (Vinylidenefluoride/Trifluoroethylene) 등의 copolymer로 구성된 그룹에서 선택하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
(3) 상기 (1)과 같은 압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치에 있어서, 상기 고분자 쉬트를 10×113~ 1×118Ar+/cm2의 이온 조사량, 100 ~ 5000 V의 이온 에너지, 1×10-5~ 1×10-3Torr의 산소분압의 조건인 상기 이온보조반응방법으로 표면처리한 후 상기 전도성 고분자막을 도포하여 상기 전극이 형성되는 것을 특징으로 한다.
(4) 상기 (1)과 같은 압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치에 있어서, 상기 압전 폴리머 스피커를 나무, 금속 소재, 플라스틱 소재, 유리소재들의 틀 지지대에 고정하여 상기 압전 폴리머 스피커의 전·후면으로 상기 음을 방사하는 것을 특징으로 한다.
(5) 상기 (1)과 같은 압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치에 있어서, 상기 압전 폴리머 스피커를 우퍼용 보이스 코일 진동판의 내주면에 상기 진동판의 중심점과 동일축상에 위치하게 하여 상기 압전 폴리머 스피커의 전면에 상기 음을 방사하는 것을 특징으로 한다.
(6) 상기 (1)과 같은 압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치에 있어서, 상기 압전 폴리머 스피커를 멀티웨이 스피커의 스코커 용, 트위터용 보이스 코일 진동판 또는 트위터용 보이스 코일 진동판과 대체하여 상기 압전 폴리머 스피커의 전면에 상기 음을 방사하는 것을 특징으로 한다.
(7) 상기 (3)과 같은 압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치에 있어서, 상기 전도성 고분자막은 polyaniline, polythiophene, poly(3,4-ethylene dioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole, polyphenylenevinylene (PPV) 등의 전도성 고분자와 그의 유도체 등과 유기물 전도체 등으로 구성된 그룹에서 선택하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
(8) 상기 (3)과 같은 압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치에 있어서, 상기 전도성 고분자막은 딥 코팅, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 메니스커스 코팅(액체 표면의 요철을 이용한 방법), 스크린 프린팅 및 감는 방향과 되감는 방향 모두를 포함하는 롤러형 인쇄방법과 이에 해당하는 방법등으로 구성된 그룹에서 선택하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
이동 보이스코일 진동판 방식의 종래기술에 따른 라우드 스피커는 음을 충실하게 재생할 수 있지만 제법 큰 상당한 크기의 캐비닛(스피커)공간을 필요로 하고, 전기 전력을 음향 전력으로 전환하는 비능률적인 방법을 취한다. 공간 축소에 대한 요구사항은 진동판을 구동하는 이동 보이스코일의 필요성 때문에 쉽게 줄어들지 않는다. 보이스코일의 이동으로 진동판을 구동(drive)하여 음을 발산하는 메커니즘으로 구현되는 종래의 스피커 방식으로는 스피커 공간 축소관련 문제를 쉽게 해결할 수 가 없다. 근래에 압전체 스피커가 종래기술인 이동 보이스코일 라우드 스피커를 대체할 진동판으로 제안되었다. 현재 사용되는 압전체는 압전 세라믹이 대부분으로 압전체 양면에 전도성 층(conductive layer)을 코팅하여 사용한다. 세라믹 압전체로 사용되는 수정(quartz) 및 자성체 세라믹(ferro- electric ceramics)등의 무기 압전체는 오래 전부터 알려져 있다. 그러나 무기 압전체 물질은 딱딱하고, 깨지기 쉬어 프로세싱에 어려움이 많았다. 반면에 수중 음파 탐지기(sonar system), 지진계등의 음파 분야등에 사용되고 있는 고분자 물질인 압전 폴리머막은 유연하고, 강인하여 박막으로 프로세싱하기에 편하다. 따라서 고분자 물질인 압전 폴리머막은 무기 압전체 물질의 응용분야를 뛰어 넘어 응용분야를 확대하고 있다. PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드, 이하 "PVDF" 라 함)은 폴라라이즈가 되는 폴리머중에서 가장 용이하게 구할수 있고, 우수한 압전 및 초전 특성을 갖는 물질로 본 고안의 실시예에서 저 질량 음원(low mass generator)스피커로 중·고 주파수 영역에서 음을 매우 충실하게 재생할 수 있다.
도 2는 본 고안에 따른 오디오 회로의 블록 다이어그램(block diagram)이다. 모든 스피커 시스템은 소정형의 증폭기를 필요로 한다. 가청주파 신호(31)는 신호증폭을 제공하는 선형증폭기(32)내에 공급된다. 선형증폭기의 출력은 압전소자(34)에서 전압 스윙을 증가시키도록 트랜스포머(transformer,33) 에 공급된다. 전압이 압전체 물질에 가해질 때 압전체 물질은 잘 알려진 바와 같이 구조성 압전방정식에 따라서 두께(thickness), 길이(length)를 변화시킨다. 두께 변화는 일반적으로 매우 작으나, 길이 변화는 상당한 정도이다. 이는 압전체 배치가 인가된 전위에 직접 관련되므로 필요하다. 여기에서 상술한 압전체 물질은 기계적인 힘을 전기적 응답(response)으로 전환하는 기능을 갖고 있으며, 반대로 전기적 신호를 기계력 변형으로 변환시킬수 있다. 일반적으로 세라믹 압전체로 불려지는 수정 및 자성체 세라믹(ferro- electric ceramics)등의 무기 압전체 물질이 오래전부터 알려져있다. 상술한 무기 압전체 물질은 딱딱하고, 깨지기 쉬어 프로세싱에 어려움이 많았다. 근래에 알려진 PVDF 와 그 유도체, HFP 등의 첨가물을 넣은 고분자 혼합물(blend), VDF/TrFE (Vinylidenefluoride/Trifluoroethylene) 등의 copolymer을 포함하는 고분자계열의 압전 폴리머막은 유연하고, 강인하여 박막으로 프로세싱하기에 편하다.
따라서 본 고안에 따른 압전 폴리머막은 무기 압전체 물질의 응용분야를 뛰이 넘어 응용분야를 확대하고 있다. PVDF 쉬트 타입 또는 PVDF 필름은 분극이 되는 폴리머(polymer)중에서 가장 상용화되어 있으며 우수한 압전 및 초전 특성을 갖는다.
도 3은 본 고안에 따른 기본적인 기능 요소를 보여주는 도면이다.
도 3a를 참조하면, 고분자 쉬트 형상의 압전 폴리머 막(38)이 전극층(40,42)사이에 놓여있다. 여기서 압전 폴리머 막과 전극층의 결합물(38, 40, 42)을 폴리머 필름 유니트 (polymer film unit, 43)라고 명명한다. 폴리머 막(38)의 길이 l , 폭 w 은 두께 t 에 비하면 상당할 정도로 크다. 압전 폴리머 막(38)의 두께(thickness)는 대략 40 ~ 200um이며, 본 고안의 실시예에 따른 압전 폴리머 스피커용 압전 폴리머 막- PVDF 쉬트(필름)의 두께는 45um 내외이며, 폭(width)은 최대 35 cm 까지 가능하며, 길이(length)는 수십 m 정도 가능하다.
도 3b를 참조하면, 전압이 압전 폴리머 막(38)에 가해질 때 압전 폴리머 막(38)은 구조성 압전 방정식에 따라서 두께(thickness),길이(length)를 변화시킨다. 그 결과 폴리머 막(38)의 두께 변화는 일반적으로 매우 작으나, 길이 변화는 상당한 정도가 된다는 것은 잘 알려진 사실이다. 전압차가 있도록 각각의 전극층(40, 42)에 전압을 인가하면 폴리머 막(38)인 쉬트(필름)의 양단에 서로 반대의 특성을 갖는 전하의 모임이 발생하며, 압전/전왜 특성 또는 극성이 다른 전하간의 인력에 의하여 압전 폴리머 막(38)인 쉬트(필름)이 수축한다. 이를 이용하여 압전 폴리머 막(38)인 쉬트(필름) 두께 방향과 평면(길이) 방향으로 각각 수축하고 팽창하는 특성이 공기를 밀어주는 힘이 된다. 공기를 밀어내는 추진력은 쉬트(필름)의 변위량과 비례한다.
그리고 이 변위량은 인가된 전압의 제곱에 비례한다.
상기에서 압전 폴리머 스피커로 사용되는 압전 폴리머인 고분자 쉬트는 PVDF로 한정하지 않으며, PVDF 유도체, HFP 등의 첨가물을 넣은 고분자 혼합물(blend) , VDF/TrFE (Vinylidenefluoride/ Trifluoroethylene) 등의 copolymer를 포함한다.
도 4는 폴리머 쉬트(필름) 유니트로 구성되는 압전 폴리머 스피커의 구동을 위한 각 부분의 결합도이다. 폴리머 쉬트(필름) 유니트로 구성되는 압전 폴리머 스피커를 구동하기 위한 기본적인 구성은 다음과 같다.
음원 신호를 입력하는 음원신호 입력부(46), 그 신호를 증폭하는 회로로 구성되는 앰프 모듈(amp. module,47) 그리고 압전 폴리머 스피커( 43)로 전압을 출력하는 승압 트랜스포머(transformer, 48)로 구성되어 있다. 압전 폴리머 스피커(43)로 전압을 출력하기 위한 실제 예를 살펴보면, 음향기기로부터 출력된 외부 음원 신호가 앰프 모듈(47)에 입력되면 전압 증폭을 하기 위한 증폭용 IC(Integrated Circuits)를 이용하거나, 또는 권선비가 1:30 이상의 트랜스포머를 사용하여 전압을 증폭시킨다. 이어서 상술한 승압 트랜스포머(transformer, 48)의 출력 단자를 거쳐 증폭된 음원신호를 압전 폴리머 스피커(43)의 전극층(40, 42)에 각각 연결을 한다.
압전 폴리머 스피커(43)의 양면에 놓인 전극층(40, 42)의 양단에 전압 차이가 발생하면 쉬트(필름)(38)의 변위, 즉 쉬트(필름) 자체의 기계적 진동을 발생하며 이로 인하여 공기를 밀어내어 음을 발생하게 된다. 그리고 공기를 밀어내는 추진력을 가져오는 쉬트(필름)(38)의 변위량은 인가된 전압의 제곱에 비례한다.
결합도의 순서별 구성을 보면, 음원 신호 입력부(46 )에서 입력된 신호를 앰프 모듈(amp. module, 47)에서 출력을 증가시키고, 승압 트랜스포머(transformer,48)에서는 전류를 감소시키고 전압을 증가시킴으로써 압전성 구동에 필요한 전압을 얻고, 쉬트(필름)(38)의 변위, 즉 쉬트(필름) 자체의 기계적 진동은 압전 폴리머 스피커(43)의 수축/팽창을 유발하여 공기에 음압을 발생시킬 수 있다. 상기의 구조의 압전 폴리머 스피커를 구동시키면 400 Hz ∼ 20 kHz 영역대의 평탄한 음압을 얻을 수 있다.
압전 폴리머 스피커의 주요 부분인 폴리머 쉬트(필름) 유니트는 유연하므로 다양한 모양(shape), 패턴(pattern)으로 제작할 수 있다.
예를 들면 오디오 시스템을 구동하기 전에 압전 폴리머 스피커, 보다 정확하게는 폴리머 필름 유니트는 스트레스(stress)를 주기 위하여 곡면 형태(curved shape)로 사용할 수도 있으며, 또한 평면 형태(plane shape)로 사용할 수도 있다. 곡면 형태는 스피커의 울림통으로 조절할 수 있고 자체적으로 나무, 금속 소재, 유리소재 등의 단단한 물체를 스피커용 틀 지지대로 만들어 고정시켜 곡면 형태를 구현할 수도 있다. 압전 폴리머 스피커의 양쪽을 고정시켜 가운데가 중력 또는 자체의 탄성력을 이용하여 곡면을 조절할 수도 있다. 그리고 소재의 연성이 뛰어난 플라스틱 소재 같이 가벼운 프레임 틀 지지대를 이용하여 곡면을 만들어 압전 폴리머 스피커의 전·후면에 음을 방사할 수 있다. 압전 폴리머 스피커의 구동을 위해서 음원신호, 입력된 음원신호의 출력(output)을 증가시키는 앰프, 권선비로 제어되는 승압 트랜스포머, 압전 폴리머 막 양면에 전도성 고분자층을 도포하여 형성된 전극층을 포함하는 압전 폴리머 스피커가 필요하다.
상술한 전극층이 갖춰야 할 조건은 압전 폴리머 막보다 열적으로 안정하며 낮은 면저항을 나타내고 기계적으로 영스 모듈러스(Young's modulus)가 작아야 한다.
상기에서 전극층인 전도성 고분자막은 polyaniline, polythiophene, poly(3,4-ethylenc dioxythiophene) (FEDOT), polypyrrole, polyphenylenevinylene (PPV) 등의 전도성 고분자와 그의 유도체 등과 유기물 전도체 등을 포함한다.
압전 폴리머 막은 유전상수가 크고 주파수에 대한 유전 손실(loss tangent)이 안정적으로 적은 수치를 나타내며 누설 전류가 최소화되어야 한다.
압전 폴리머 스피커 또는 폴리머 필름 유니트는 생활 주변에서 널리 사용되고 있는 CD 플레이어, 컴퓨터, 라디오, 카세트 테이프 레코더 등과 같은 음향 전자기기의 스피커 시스템에서 종래의 보이스 코일 라우드 스피커, 또는 하이파이(Hi-Fi) 멀티웨이 스피커에서는 보이스코일 진동판 구동방식의 스코커, 트위터 를 대체하여 사용할 수 있다.
도5는 압전 폴리머 스피커를 구성하는 폴리머 필름 유니트의 평면도이다.
폴리머 필름 유니트(43)는 일정 사이즈를 갖는 압전 폴리머 막(38), 압전 폴리머 막(38)의 상면 및 하면의 코너부분(18)을 제외한 주 표면에 코팅된 전도성 고분자 전극층(40, 42), 단자(44)로 이루어진다.
일반적으로 폴리머 물질은 비 압전성 물질로, 폴리머 필름 유니트(43)의 압전 폴리머 막(38)인 PVDF 물질은 50% 결정형 및 50% 무정형으로 되어있다.
본 고안의 폴리머 물질인 PVDF 의 주 결정형은 비극성 알파 α형으로 구성된다. 극성 베타 β 형은 일축 연신(uni-axial stretching)에 의하여 생성될 수 있으며 PVDF 물질의 압전성은 주로 극성 베타 β 형에서 나타난다. 전기장에서 기계적 방향성 및 처리 등을 포함하여 PVDF 필름을 분극 하기 위한 공정을 진행하여 압전성 및 초전성이 우수한 필름을 얻을 수 있다. 압전성을 얻기 위한 공정은 폴링(poling)공정이라 알려져 있다. 본 고안에서 사용하는 PVDF 필름은 일본 쿠레하(kureha)사의 KF 피에조 필름제품으로 두께는 30 ~ 50 um이며, 필름 양면에 전도성 고분자(40, 42)를 스크린 프린팅 방법으로 코팅한다. 본 고안자가 개발한 이온 보조 반응법을 이용한 폴리머 물질의 표면 개질방법으로 필름의 표면과 고분자 용액과의 접착력을 향상시키고 고분자 층의 내구성을 증진하였다. 이온 보조 반응 방법을 이용한 PVDF 필름의 표면 개질방법의 예는 본 고안의 발명자 고석근의 대한민국 특허인 등록번호 제 316586호 " 재료 표면의 개빌방법 및 이에 의해 표면개질된 재료", 등록번호 제 170601호 "폴리올레핀계 수지의 접착력 증대방법", 등록번호 제 307807호 " 이온빔을 이용하여 표면개질된 고분자 배양접시 및 그 표면개질방법", 등록번호 제 307806호 " 이온빔을 이용하여 표면개질된 고분자 멤브레인 및 그 표면개질방법" 및 등록번호 제 345289호 " 수소이온보조반응법을 이용한 고분자 표면처리방법" 등에 기술되어 있다. 상술한 특허에 기술된 이온 보조반응 방법이란 진공 상태하에, 반응성 가스가 산소, 질소, 수소, 암모니아, 일산화탄소, 및 이들의 혼합 가스 중에서 선택되는 반응성 가스를 폴리카보네이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리이미드, 테프론, PVDF, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리올레핀계 수지 및 실리콘 러버 등을 포함하는 고분자 표면에 직접 불어 넣어주면서, 아르곤, 산소, 공기, 크립톤 및 이들의 혼합물 중에서 선택되는 조사량이 1×1014~ 5×1017이온/cm2이며, 0.5 KeV ∼ 2.5 KeV 범위의 에너지를 가진 이온입자를 고분자 표면에 조사하며 고분자 표면의 접촉각을 감소시키거나 접착력을 증대시키는 것으로 이루어지는 고분자 표면의 개질방법을 말한다.
PVDF 쉬트(필름)을 1×1013~ 1×1018Ar+/cm2의 이온 조사량, 100 ∼ 5000 V의 이온 에너지, 1×10-5~ 1×10-3Torr의 산소분압의 조건하에서 상술한 이온보조반응방법으로 PVDF 쉬트(필름) 표면을 친수성으로 개질한 후 전도성 고분자 용액을 표면에 코팅하는 공정도는 아래와 같다.
이온보조반응 방법으로 처리된 쉬트(필름)을 평탄한 곳에 위치시킨다. 그리고 코팅시에 쉬트(필름)가 움직이지 못하도록 폴리우레탄계등의 연성이 뛰어난 고분자 필름을 이용하여 고정시키거나, 쉬트(필름)을 고정시키는 금속 제(metal goods) 또는 단단한 재료를 이용하여 만든 틀에 고정시키고 진공흡입구를 이용하여 틀이 고정될 수 있도록 한다. 고정된 쉬트(필름) 위에 실크 스크린을 고정시킨 후에 전도성 고분자 용액을 약 3cc에서 40cc 정도 주입한다. 실크 스크린은 메쉬(mesh)에 사용된 섬유의 직경이 약 15 ㎛ 에서 200 ㎛ 사이의 것을 사용하여 폴리머 필름 유니트(43)의 전극층(40,42)의 두께를 제어한다. 용액의 주입 후에 스퀴즈(squeez)를 이용하여 용액을 전면으로 평탄하게 도포되도록 한다. 이때 부분적인 건조가 일어나지 않도록 스퀴즈가 2회 이상 전면을 지나가도록 하며 전면에 걸쳐서 건조가 진행되도록 시간 간격을 두고 실크 스크린을 탈착시킨다. 실크 스크린이 탈착된 후, 기울임에 의하여 전극의 두께가 변하지 않도록 코팅용 틀을 건조용 장소로 이동시킨다. 상술한 코팅방법이외에도 널리 알려진 딥 코팅, 스핀코팅, 스프레이 코팅 , 메니스커스 코팅(액체 표면의 요철을 이용한 방법), 스크린 프린팅 및 감는 방향과 되감는 방향 모두를 포함하는 롤러형 인쇄방법과 이에 해당하는 방법등을 사용하여 쉬트(필름)에 전도성 고분자막을 도포하여 전극을 형성할 수 있다.
그리고 압전 폴리머 스피커의 주 표면인 전극층위에 다양한 색상을 갖는 도안 및 문양 등의 장식성을 구비할 수 있다. 그리고 압전 폴리머 스피커는 사용용도 및 분위기에 맞게 다양한 패턴, 모양으로 제작하여 효과적으로 사용할 수 있다.
도 6은 구동 전압에 따른 음압의 주파수 의존성을 나타내는 그래프이다. 본 고안에 따른 압전 폴리머 필름스피커의 인가전압에 대한 음압 수준의 주파수 의존성을 설명하면 다음과 같다. 필름스피커의 인가전압을 1V, 10V, 100V로 변화시켰을 때 음압 수준을 20 Hz에서 20kHz까지 측정하였으며 dB로 표시하였다.
음의 강도는 다음과 같은 관계식으로 인가전압에 대한 영향을 설명할 수 있다.
(1) SPL (dB) = 10log(I/I0) =20log(V/V0)
여기서, SPL은 음압수준 이며, I 는 음의 강도 이며, V는 인가전압이다.
인가전압에 대하여 음압수준은 로그-로그 스케일(log-log scale)에서 직선적으로 증가하며 기울기 또한 20에 근접함으로 상대적으로 정확한 측정임을 알 수 있다. 주파수 응답 특성에서 약 400 Hz에서 약 18 kHz 까지 평탄한 특성을 나타내며 7 dB 이내에서 그 특성이 유지됨을 알 수 있다. 주파수 응답 특성은 음압수준의 크기만이 변화하며 인가전압에 따라 균일 영역의 변화는 거의 없다.
그리고 필름 스피커는 음의 확산성이 넓으므로 특정위치에 관계없이 청취가 가능하다는 잇점이 있다.
(비교예 1)
하이파이 오디오 시스템(Hi-Fi Audio System)이란 고음용 스피커(트위터,tweeter 이하 " 트위터" ), 중음용 스피커(스코커, squawker 이하 스코커), 저음용 스피커(우퍼, woofer 이하 우퍼) 같이 다수의 스피커를 스피커 박스인 인클로우저(enclosure)에 몸체화하여 광대역의 음 주파수(audio frequency)를 높은 충실도로 재생할 수 있는 오디오 시스템을 말한다. 상술한 오디오 시스템에서 예를 들면 저주파수를 재생하는 우퍼는 10인치 ∼16인치 정도로 사이즈가 상당히 크며 중량감 있는 콘(cone) 형 스피커 또는 혼(horn) 형 스피커를 사용하여 대체로 20~ 2,000Hz 영역대의 저주파수 신호를 재생하는데 적합하며, 한편 중간 주파수를 재생하는 스코커는 가청 음 스펙트럼(audio spectrum)의 중간대역인 2,000∼ 7,000Hz 영역대의 중간주파수의 오디오 신호를 재생하도록 적합하게 고안되었으며, 그리고 고주파수를 재생하는 트위터는 가청 음 스펙트럼(audio spectrum)의 높은 대역인 7,000~ 20,000Hz 영역대의 고주파수의 오디오 신호를 재생하도록 적합하게 고안되었다.
도 7 은 종래의 투(2)웨이 스피커 시스템을 보여주는 도면이다. 도 7을 참조하면 투웨이 스피커시스템은 직육면체 형태인 캐비닛 인클로우저(enclosure, 8)로 재질이 합판, 파티클 보드 재질, 또는 MDF(medium-density fiberboard)로 된상판(top), 하판(bottom), 2개의 측판(sides), 후면부(rear wall) 그리고 전면부(front)에 있는 마운팅 보드(mounting board)로 구성되어있다. 상기 마운팅 보드상에 천공된 개구부 주위(언저리)에 트위터(24)와 우퍼 스피커(74 ) 콘이 설치된다. 이때 전면부의 파티클 보드도 마운팅 보드와 같이 동일한 크기의 천공된 개구부를 갖고 있어 상술한 트위터와 우퍼 스피커에서 방출되는 고음 및 저음대역의 재생음이 전면 방향으로 재생음이 전달된다.
특히 동일축상에 상기 고,중,저음의 스피커유닛이 위치하지 않기 때문에 우퍼(74)와 트위터(24)간의 시간 지연,상호 간섭 현상이 발생한다.
(실시 예 1)
도 8 은 투(2)웨이 스피커 시스템에서 압전 폴리머 스피커를 장착한 본 고안 실시예 1의 투시도이다.
도 8 을 참조하면, 도 4 와 도 5 에서 언급한 폴리머 필름 유니트(43)로 구성되는 압전 폴리머 스피커(43)를 중.고음 영역 재생을 위한 트위터로 하여 종래 이동 보이스코일 방식의 트위터(24)를 대체 장착한 혼합형 투(2)웨이 스피커 시스템이다.
상기에서 혼합형이라 함은 종래의 보이스 코일 스피커를 우퍼(74)로, 압전 폴리머 스피커(43)방식을 트위터로 하여 다수의 스피커를 스피커 박스인 인클로우저(enclosure, 8)에 몸체화하여 종래의 보이스 코일 타입의 트위터(24)에서 구현할 수 없던 고음영역대의 정확한 음감, 그리고 오케스트라의 미세한 잔영음을 충실하게 재생한다.
본 고안에 따른 혼합형 투(2)웨이 스피커 시스템은 소정 형상과 크기의 내부 공간을 갖는 인클로져(8)와 , 상기 인클로져의 전면 상단에 설치되는 폴리머 필름 유니트(43)로 구성되는 압전 폴리머 스피커(43) 와, 상기 압전 폴리머 스피커(43)의 하단에 설치되며 저음 대역의 재생음이 방출되도록 형성된 소정 형상의 우퍼 스피커(74)로 이루어지는 구성이다.
이와 같은 본 고안에 따른 혼합형 투(2)웨이 스피커 시스템의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
우선, 우퍼(74)는 앰프(47)의 음성 입력단자와 연결된 스피커 코드(45)를 통해 입력되는 음성신호를 출력한다. 그리고 동시에 압전 폴리머 스피커(43)는 스피커 코드(45 )를 거쳐 나온 음성 신호를 압전성 구동에 필요한 전압을 제공하는 트랜스포머(48)를 통해 입력되는 음성신호, 고음을 출력한다.
(실시예 2)
하나의 스피커로 저음에서 고음까지 전대역의 음을 재생하는 것은 매우 어렵다. 전 대역에 걸친 음을 재생하기 위하여 저음용의 이동 보이스코일 방식의 우퍼, 그리고 폴리머 필름 유니트로 구성되는 압전 폴리머 스피커를 중.고음용 트위터로 한다. 그리고 상기 우퍼와 상기 트위터를 동일축상에 위치하게 하여 우퍼와 트위터간의 시간 지연, 상호 간섭 현상을 최소화할 수 있다. 또한 멀티 웨이 스피커 시스템의 공간 축소, 스피커 기기의 경량화 등을 포함한다.
이하, 본 고안의 실시예 2 를 첨부된 도면에 의하여 더욱 상세히 설명한다.
도 9는 스피커 장치를 나타내는 투시도로서, 어셈블리의 기본은 저음 대역의우퍼(74)로, 상기 우퍼(74)는 프레임(28)의 하단에 영구자석(magnet, 16)이 장착되고, 상기 프레임(28)의 상단에는 진동판(26)의 상단, 즉 진동판 주변부(84)의 단부를 엣지(미도시)를 개재하여 접착된다. 그리고 상기 진동판(26)의 하단에는 외주측에 보이스코일(미도시)이 감겨진 보이스코일 보빈(미도시)이 일체로 접속되어 있고, 상기 보이스코일 보빈은 프레임(28)에 일단이 고정된 댐퍼(60)에 의해 유동 가능하게 지지되어 있다. 프레임(28)에는 보이스 코일측으로 전원을 인가하기 위한 입력단자(미도시)가 장착되어 있다.
그리고 우퍼(74)의 전면측에 폴리머 필름 유니트(43)를 위치하게 하며 상기 폴리머 필름 유니트(43)의 단말부(꼬리부분, 82)을 절연지지대(92 )의 하부에 삽입하고 고정자(94)로 밀착한다. 그리고 상기 폴리머 필름 스피커(43)의 중심점은 상기 우퍼(74)의 중심점과 동일축상에 위치한다.
이와 같이 구성된 본 고안에 의한 스피커 장치는 우퍼(74)에서 진동판이 진동함으로서 저음의 음파를 방사시키게 된다. 그리고 압전 폴리머 스피커(43)로 구성된 중.고음용 트위터는 우퍼의 음파와 같은 방향으로 고음을 방사한다.
본 고안의 바람직한 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 통상의 지식을 가진 당업자가 첨부한 청구범위에 기재된 고안의 범위와 이념을 벗어나지 않으면서 다양한 변경이나 추가 및 치환이 가능할 것이다.
상기와 같이 구성되는 본 고안에 따른 압전 폴리머 스피커를 포함하는 음향장치는 다음과 같은 효과가 있다.
압전 폴리머 스피커의 주 표면에 다양한 색상, 장식성을 구비할 수 있으므로 스피커의 미관을 사용용도 및 분위기에 어울리게 효과적으로 사용할 수 있다.
압전 폴리머 스피커는 음의 확산성이 넓으므로 특정위치에 관계없이 음을 청취할 수 있다.

Claims (8)

  1. 진공하에서 이온보조반응방법으로 표면처리한 소정형상의 고분자 쉬트,
    상기 고분자 쉬트의 양면에 도포된 전도성 고분자막으로 구성된 전극,
    상기 전극에 증폭된 외부 음원신호를 인가하는 단자,
    상기 고분자 쉬트의 기계적 진동을 유발하여 음을 방사하는 압전 폴리머 스피커로 이루어지는 음향장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 고분자 쉬트를 1×1013~ 1×1018Ar+/cm2의 이온 조사량, 100 ∼ 5000 V의 이온 에너지, 1×10-5~ 1×10-3Torr의 산소분압의 조건인 상기 이온보조반응방법으로 표면처리한 후 상기 전도성 고분자막을 도포하여 상기 전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 음향장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 압전 폴리머 스피커를 우퍼용 보이스 코일 진동판의 내주면에 상기 진동판의 중심점과 동일축상에 위치하게 하여 상기 압전 폴리머 스피커의 전면에 상기 음을 방사하는 것을 특징으로 하는 음향장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 압전 폴리머 스피커를 멀티웨이 스피커의 스쿼커 용, 트위터용 보이스 코일 진동판 또는 트위터용 보이스 코일 진동판과 대체하여 상기 압전 폴리머 스피커의 전면에 상기 음을 방사하는 것을 특징으로 하는 음향장치.
  7. 삭제
  8. 제 3항에 있어서, 상기 전도성 고분자막은 딥 코팅, 스핀 코팅, 스프레이 코팅, 메니스커스 코팅(액체 표면의 요철을 이용한 방법), 스크린 프린팅 및 감는 방향과 되감는 방향 모두를 포함하는 롤러형 인쇄방법과 이에 해당하는 방법등으로 구성된 그룹에서 선택하여 형성되는 것을 특징으로 하는 음향장치.
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