KR20110128968A - Transparent and directivity-allowed speaker made with cellulose piezo-paper - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 셀룰로오스 압전종이로 만든 투명하고 음향 지향성이 부여된 스피커에 관한 것이다.
The present invention relates to a transparent and acoustically directed speaker made of cellulose piezoelectric paper.
압전효과(Piezoelectricity)는 100여 년 전 자크(Jacques)와 피에르 퀴리(Pierre Curie)에 의해 수정 결정(Quartz crystal)에서 발견된 후 의료, 군사, 산업, 가전, 탐사 등 여러 분야에서 이용되어 왔다. 특히, 2차 세계대전 전후로 압전 세라믹이 개발되면서 이를 응용한 기술개발이 폭넓게 진행되어왔으며, 대표적인 예로서 가속도 센서, 적외선 센서, 초음파 트랜스듀서, 스피커, 마이크로폰, 작동기(actuator) 소나 등이 있다. 압전효과란 압전재료에 압력이나 힘을 가하면 압전재료 표면에 전압이 발생하며 (이를 “direct effect"라 칭함) 또한 반대로 전압을 가했을 때 압전재료의 크기에 따라 변형을 일으키는 현상 (이를 "converse effect"라 칭함)을 말한다. 전자의 응용 예로는 마이크로폰, 진동센서, 스위치, 가속도센서가 있고 후자의 응용 예로는 스피커 및 작동기가 있다. 압전재료들은 또한 초전효과(Pyroelectricity)를 가지고 있는바, 이는 압전재료 주위의 온도가 변할 경우 이에 비례해서 압전재료 표면에 전압이 발생하는 것을 말한다.Piezoelectricity has been found in quartz crystals by Jacques and Pierre Curie over 100 years ago and has been used in many fields such as medical, military, industrial, consumer electronics, and exploration. In particular, since the development of piezoelectric ceramics before and after World War II, the development of technology applied to them has been widely conducted, and representative examples thereof include an acceleration sensor, an infrared sensor, an ultrasonic transducer, a speaker, a microphone, and an actuator sonar. The piezoelectric effect is a phenomenon in which pressure or force is applied to the piezoelectric material to generate a voltage on the surface of the piezoelectric material (this is called a “direct effect”). The former applications include microphones, vibration sensors, switches, and acceleration sensors, while the latter applications include speakers and actuators.Piezoelectric materials also have a pyroelectricity, which is a piezoelectric material. When the ambient temperature changes, the voltage is generated on the surface of the piezoelectric material in proportion.
이러한 압전효과를 가진 재료로서 압전세라믹과 압전폴리머가 있다. 압전세라믹은 1940년대 바륨-티타늄 산화물 (BaTiO3)의 압전세라믹이 개발되었고 1950년대 납-지르코늄-티타늄 산화물 (Lead-Zirconate-Titanate, PZT)의 압전세라믹이 개발되면서 본격적으로 연구되기 시작하였다. 압전세라믹은 단단하고 조밀한 구조를 가지고 있어 화학적으로 불활성이며 습기나 여러 온도에 내환경성이 있으며, 기계적으로나 전기적으로 정확한 배열성을 갖는 장점이 있으나 세라믹이므로 취성이 있고 무거우며 휘어지지 못하는 단점이 있다. 특히 납성분이 첨가되므로 인체유해성 논란이 있어서 납을 사용하지 않는 새로운 압전세라믹에 대한 연구가 진행되고 있다. 압전폴리머는 1969년 가와이(Kawai)에 의해 polyvinylidene fluoride (PVDF)에 압전성이 있는 것이 발견되면서 개발되기 시작하였다. 압전폴리머는 얇은 엔지니어링 플라스틱으로서 그 가공이 다른 센서소재보다 간단할 뿐만 아니라 유연성이 있고, 대면적 가공이 용이하며, 충격에 강하고 깨지지 않으며, 가볍고, 초음파 응용에 좋은 음향특성이 있고, 생산성이 좋은 특성이 있다. 그러나, 한편으로는 사용온도에 제한이 있으며, DC 측정에 적합하지 않고, 압전특성이 압전세라믹보다 낮은 단점이 있다.Materials having such a piezoelectric effect include piezoceramic and piezoelectric polymers. Piezoceramics began to be studied in earnest with the development of piezoceramic of barium-titanium oxide (BaTiO 3 ) in the 1940s and piezoceramic of lead-zirconate-titanate (PZT) in the 1950s. Piezoceramic has the advantages of being chemically inert, environmentally resistant to moisture and various temperatures due to its rigid and dense structure, and mechanically and electrically accurate arrangements. However, ceramics are brittle, heavy and inflexible. . In particular, since lead is added, research on a new piezoceramic which does not use lead due to controversial human health is being conducted. Piezoelectric polymers were developed by Kawai in 1969 when they were found to be piezoelectric in polyvinylidene fluoride (PVDF). Piezoelectric polymers are thin engineering plastics that are not only simpler than other sensor materials, but also flexible, large-area processing, impact-resistant, unbreakable, lightweight, good acoustic properties for ultrasonic applications, and high productivity. There is this. However, on the one hand, there is a limit on the use temperature, there is a disadvantage that the piezoelectric properties are not suitable for DC measurement, lower than the piezoelectric ceramic.
최근에 셀룰로오스를 주성분으로 하는 압전종이를 개발하였는데, 압전종이는 셀룰로오스 종이의 유연성, 생분해성, 저 생산비용 및 높은 압전특성이 있다. 셀룰로오스 펄프를 DMAc나 수산화 나트륨 등의 용매를 사용하여 녹인 셀룰로오스 용액을 박막으로 캐스팅(casting)한 후, 물과 반응을 시킴으로써 용매를 제거하여 원래의 셀룰로오스로 재생시켜 종이를 만든다. 이때 셀룰로오스 마이크로 파이버를 압출, 연신, 전기적 분극 등의 방법으로 일정한 방향으로 배열함으로써 압전성을 좋게 한다. 이와 같이 제조된 압전종이는 투명하고 제조가격이 싸고 인체에 무해하며 생분해성이 있기 때문에 산업폐기물이 발생하지 않는 장점이 있다. Recently, piezoelectric papers based on cellulose have been developed. Piezoelectric paper has the flexibility, biodegradability, low production cost, and high piezoelectric properties of cellulose paper. The cellulose pulp is melted using a solvent such as DMAc or sodium hydroxide and cast into a thin film, and then reacted with water to remove the solvent to regenerate the original cellulose to make paper. At this time, by aligning the cellulose microfibers in a predetermined direction by extrusion, stretching, electrical polarization, etc., the piezoelectricity is improved. The piezoelectric paper manufactured as described above has the advantage that industrial waste does not occur because it is transparent, low in manufacturing price, harmless to human body and biodegradable.
기존의 스피커는 대부분 영구자석과 코일이 들어가 있는 전동형(electrodynamic type) 스피커를 사용하고 있다. 전동형 스피커는 부피가 크기 때문에 박형화 추세에 있는 모바일 기기의 구조에 설치하기에는 어려움이 있다. 그러나 압전재료를 이용한 초소형 스피커는 박형화할 수 있을 뿐만 아니라 소비전력을 줄일 수 있는 장점이 있어 선진 업체들이 개발을 활발하게 진행하고 있다. 국내 Fils사에서는 2006년 압전고분자(PVDF)에 탄소나노튜브로 투명전극을 입힌 필름 스피커를 개발하여 시판하고 있다. 국내 업체인 피엔아이에서는 PVDF에 전도성 박막을 입히는 기술을 이용한 필름스피커 특허를 갖고 있으며 시제품을 최근에 개발한 바 있다. PVDF 제조사인 미국 MSI에서는 압전폴리머 스피커를 이미 1990년대에 개발하였다. 미국 SRI사에서는 유전탄성체 고분자(Dielectric elastomer)를 이용하여 고분자스피커를 시연한 바 있다. 최근에 영국 Warwick대학에서는 박판의 유연한 스피커를 개발하였다. 도체 및 절연체 박막을 적층해서 만든 이 ‘Flat, Flexible Loudspeaker"는 지향성과 소리 재현성이 높고 가격이 저렴하다. 현재 Warwick Audio Technology라는 회사를 통해 상품화를 진행하고 있다. 미국의 Emo Labs에서는 평판의 틀에 압전세라믹을 붙이고 평판을 투명한 필름이나 유리로 붙인 후 틀을 개진함으로써 소리를 생성하는 Edge Motion 기술로서 투명 스피커를 개발하여 제품화를 하고 있다. 이 외에도 일본의 마쓰시다, 미국의 Magnepan 등의 회사에서 필름 스피커를 개발하고 있다. 그러나 이러한 스피커들은 음을 만들어 내기는 하지만 모바일용 휴대기기에 사용하기 위한 지향성 음을 만들어내지 못하며, 특히 모바일 기기의 터치 스크린과 같은 헵틱 장치와 통합되기에는 어려운 점이 있다. Most of existing speakers use electrodynamic type speakers with permanent magnets and coils. Motorized speakers are difficult to install in the structure of mobile devices, which are becoming thinner because of their bulky size. However, micro-speakers using piezoelectric materials are not only thinner but also have the advantage of reducing power consumption. In 2006, Fils, Korea, developed and marketed a film speaker coated with transparent electrodes made of carbon nanotubes on a piezoelectric polymer (PVDF). P & I, a Korean company, has a patent for a film speaker using a technology for coating a conductive thin film on PVDF and recently developed a prototype. MSI, a PVDF manufacturer, developed piezoelectric polymer speakers in the 1990s. US SRI demonstrated a polymer speaker using a dielectric elastomer. Recently, the University of Warwick, England, developed thin flexible speakers. Made of laminated conductor and insulator thin films, the 'Flat, Flexible Loudspeaker' has high directivity, sound reproducibility, and low price. It is currently being commercialized through a company called Warwick Audio Technology. The company develops and manufactures transparent speakers as an edge motion technology that produces piezoelectric ceramics by attaching piezoceramic to flat film or glass and then advancing the frame.In addition, film speakers are produced by companies such as Japan's Matsushita and Magnepan in the United States. However, these speakers produce sounds, but they do not produce directional sounds for use in mobile devices, and are difficult to integrate with heptic devices such as touch screens in mobile devices.
휴대폰용 초소형 스피커는 MEMS 기술을 적용한 AlN, ZnO 박막을 이용하여 만든바 있으며, PMN-PT의 단결정 압전재료를 이용하여 초소형 스피커를 만들기도 했다. 이러한 초소형 스피커는 반도체 박막공정을 이용하므로, 물질의 특성이 일정하지 않으며, 가격이 비싸고 내구성이 약한 문제가 있다.
The miniature speaker for mobile phones was made using AlN and ZnO thin films with MEMS technology, and also made the miniature speaker using PMN-PT single crystal piezoelectric material. Since such a micro speaker uses a semiconductor thin film process, the characteristics of the material are not constant, and there is a problem that the price is high and the durability is weak.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 압전성이 우수하고, 투명하고 유연할 뿐만 아니라 낮은 전압에도 큰 변형을 일으킬 수 있으며, 에너지 저소모, 빠른 응답성 및 저렴한 제조비용을 가지는 압전종이를 이용한 지향성 투명 스피커를 제공하는 데 있다.
The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, the object of the present invention is not only excellent piezoelectric properties, transparent and flexible, but also can cause a large deformation even at low voltage, low energy consumption, fast response and To provide a directional transparent speaker using a piezoelectric paper having a low manufacturing cost.
상기한 목적을 위해, 본 발명은 압전종이 양면에 투명한 전극을 입힘으로써 전기장을 가하면 역압전효과에 의해 음이 발생하도록 한다.
For the above purpose, the present invention allows the piezoelectric species to generate a sound by the reverse piezoelectric effect when applying an electric field by applying a transparent electrode on both sides.
압전종이로 만든 초소형 스피커는 투명 박형으로 만들 수 있으므로 모바일 기기, 평면 디스플레이 등의 표면에 통합될 수 있다. 또한 스피커 영역을 나누어서 다른 주파수의 음을 각각의 스피커 영역에서 출력함으로써 보강간섭을 만들어 음의 청취영역을 생성함으로써 한 곳에만 잘 들리도록 하는 지향성 스피커를 구현할 수 있다. 투명 압전종이 스피커는 쉽게 휘어질 수 있으므로 프레임 구조물을 원형 또는 곡면으로 하여 음의 지향성을 줄 수도 있다. 압전종이는 셀룰로오스로 되어 있으므로 제조단가가 싸고 생분해성과 생적합성이 있어 환경 친화적이다.
Tiny speakers made from piezoelectric paper can be made transparent and thin so that they can be integrated into surfaces such as mobile devices and flat panel displays. In addition, by dividing the speaker area and outputting sound of different frequencies in each speaker area, a directional speaker can be realized so that it can be heard only in one place by creating constructive listening areas. Since the transparent piezoelectric paper speaker is easily bent, it may give a directivity of sound by making the frame structure circular or curved. Since piezoelectric paper is made of cellulose, it is inexpensive to manufacture and biodegradable and biocompatible, which is environmentally friendly.
도 1은 본 발명에 따른 투명 압전종이 스피커를 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명에 따라 이루어진 지향성 투명 압전종이 스피커의 예시도, 및
도 3은 도 2의 또 다른 예시도이다.1 is a schematic view showing a transparent piezoelectric paper speaker according to the present invention,
2 is an illustration of a directional transparent piezoelectric paper speaker made in accordance with the present invention, and
3 is another exemplary view of FIG. 2.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 후술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 이해될 것이다.The above objects and various advantages of the present invention will be more clearly understood from the preferred embodiments of the invention described below by those skilled in the art.
셀룰로오스 압전종이는 투명성이 다른 고분자에 비해 매우 좋다. 압전종이 양면에 투명한 전극을 입히고 전기장을 가하면 역압전효과에 의해 전기장에 따라 떨림을 발생시킨다. 도 1은 투명 압전종이 스피커의 개략도를 나타낸 것으로서, 그 구성은 투명 전극(2, 3)을 입힌 압전종이(1)를 지지구조물에 고정한 형태로서 다양한 크기의 박형으로 만들 수 있다. Cellulose piezoelectric paper has very good transparency compared with other polymers. When the piezoelectric paper is coated with transparent electrodes on both sides and an electric field is applied, vibration is generated due to the reverse piezoelectric effect. Figure 1 shows a schematic diagram of a transparent piezoelectric paper speaker, the configuration of the
압전종이의 투명전극은 ITO, 전도성 고분자, 탄소나노튜브 복합재, 그래핀 등을 사용하여 만들 수 있다. 현재 투명 전극 시장은 고가의 인듐을 사용한 ITO가 사용되고 있다. 그러나 ITO의 경우 고가라는 단점 외에도 터치 패널이나 플렉서블 디스플레이와 같이 기계적인 충격을 지속적으로 받는 응용분야에 사용할 경우 금속 산화물이 깨지기 쉬워 내구성이 떨어지고, 플라스틱 기판과의 접착력 및 열팽창 계수 차이 등의 공정상의 문제로 유기투명전극으로 점차 대체될 가능성이 있다. 최근 들어 PEDOT:PSS coating이 투명전극으로 개발되고 있으나 PEDOT:PSS의 저항이 높은 것이 큰 단점이라 할 수 있다. 또한 carbon nanotube (CNT) coating을 개발하고 있으나 순수 CNT coating으로는 기계적인 강도가 충분하지 않아 이러한 단점을 보완할 필요가 있다. 이에 대해 CNT를 각종 acrylate계열 및 다른 고분자에 섞어 전도도를 높이고자 연구를 진행하고 있다. The transparent electrode of piezoelectric paper can be made using ITO, conductive polymer, carbon nanotube composite, and graphene. Currently, the transparent electrode market uses ITO using expensive indium. However, in addition to the high cost of ITO, the metal oxides are fragile and less durable when used in applications continuously subject to mechanical shock such as touch panels and flexible displays, and process problems such as differences in adhesive strength and thermal expansion coefficient with plastic substrates. As a result, the organic transparent electrode may be gradually replaced. Recently, PEDOT: PSS coating has been developed as a transparent electrode, but the high resistance of PEDOT: PSS is a major disadvantage. In addition, carbon nanotube (CNT) coating is being developed, but pure CNT coating does not have enough mechanical strength to compensate for this shortcoming. On the other hand, CNT is being researched to increase conductivity by mixing various acrylates and other polymers.
반도체와 금속이 가지는 전기적 성질을 고루 가지고 있는 전도성 고분자는 가공이 쉽다는 장점과 고분자의 유연하면서도 질긴 성질을 보유하고 있어 정보전자 소재에 있어 큰 비중을 차지하고 있다. 하지만 전도성 고분자인 PEDOT:PSS의 경우 전극으로 직접 사용될 정도의 전기적인 전도도가 높지 않기 때문에 전도성을 높이기 위한 기술이 필요하다. 전도성 고분자의 개발 연구는 지금까지 고분자 자체의 특성을 변화시키는 방법이 주로 이루어지다가 최근에는 여러 가지 재료를 혼합하여 사용하는 복합체 연구가 시작되고 있다. 본 발명에서는 전도성 고분자인 유연하면서도 질긴 장점과 다층벽 구조의 탄소나노튜브의 뛰어난 전기 전도도를 복합적으로 이용하여 전기적, 물리적 특성이 뛰어난 투명 전극을 제조한다. 일반적으로 탄소나노튜브는 다층의 등간격 벌집(Honeycomb) 구조로 구성된 흑연의 단층(Graphene 층)을 떼어내어 원통형의 구조를 가지고 있어 전기전도도가 구리보다 좋고, 기계적 강도가 특수합금보다 강한데다 다이아몬드보다 열전도도가 우수하다. 또한 탄성이 좋고 화학적 안정성이 뛰어나며 바이오 물질과 친화성이 강하다. 이러한 특성으로 인해 각종 디스플레이기기, 램프, 연료전지, 2차전지, 반도체 등의 소재로 다양한 활용이 가능하다. Conductive polymers, which have the electrical properties of semiconductors and metals, are easy to process and possess the flexibility and toughness of polymers. However, PEDOT: PSS, which is a conductive polymer, does not have high electrical conductivity enough to be used directly as an electrode, so a technique for increasing conductivity is required. Until now, research on the development of conductive polymers has been carried out mainly to change the properties of the polymer itself, but recently, research on composites using a mixture of various materials has been started. In the present invention, a transparent electrode having excellent electrical and physical properties is manufactured using a combination of flexible and tough advantages of conductive polymers and excellent electrical conductivity of carbon nanotubes having a multilayered wall structure. In general, carbon nanotubes have a cylindrical structure by separating graphite monolayers composed of a multilayer honeycomb structure, which has a higher electrical conductivity than copper, and a higher mechanical strength than that of special alloys. Excellent thermal conductivity In addition, it has good elasticity, excellent chemical stability and strong affinity with biomaterials. Because of these characteristics, it is possible to use a variety of materials such as display devices, lamps, fuel cells, secondary batteries, semiconductors.
본 발명에서는 다음과 같이 셀룰로오스 압전종이 위에 투명전극(2, 3)을 형성한다. PEDOT:PSS의 용매는 물이다. 따라서 탄소나노튜브가 물에 잘 섞일 수 있도록 -OH, -COOH그룹으로 탄소나노튜브의 표면을 개질하여 준다. 이렇게 개질된 탄소나노튜브를 PEDOT:PSS에 각각 다양한 비율로 (0.1 ~ 20 wt. %) 섞어 준다. 이러한 합성물을 셀룰로오스에 섞어 다양한 방법으로 셀룰로오스 압전종이 위에 스핀코팅, 스프레이 코팅, 테이프 캐스팅의 방법으로 도포를 하면 탄소나노튜브의 량에 의해 저항이 다양한 박막을 형성할 수 있다. 이러한 낮은 저항을 갖는 박막의 경우 투명 압전종이 스피커 제조에 응용할 수 있다.In the present invention, the
투명 압전종이 스피커는 투명 전극 영역을 여러 개로 나누어 설치하여 (도 1) 주파수 영역이 서로 다른 음을 각 스피커에서 생성시킴으로써 스피커 중앙부 일정 거리에 음이 잘 들리는 청취영역을 만들어 줄 수 있다. 이 원리를 좀 더 자세히 설명하면 2개 이상의 파동은 서로 섞여 간섭현상이 일어나는데 위상이 같은 파동끼리 만나면 커지고, 위상이 반대인 파동끼리 만나면 작아진다. 커지는 경우를 보강간섭, 작아지는 경우를 상쇄간섭이라고 부른다. 투명 압전종이 스피커는 여러 개의 스피커를 한 장의 압전종이에 만들어서 청취영역에서만 보강간섭이 일어나고, 다른 장소에서는 상쇄간섭이 일어나도록 만든 것이다. 투명 압전종이 스피커의 다수 전극에서 800Hz에서 5kHz의 서로 다른 주파수의 소리를 내게 하면 스피커 정면에 청취영역을 만들 수 있다. 참고문헌에 따르면 [J. Acoust. Soc. Am. 111(4) 1695-1700(2002)] 청취영역에서는 나란히 늘어선 9개의 스피커에서 나온 음파가 다른 공간 보다 20dB 큰 소리를 들을 수 있다. 이렇게 함으로서 한 곳에만 잘 들리도록 하는 지향성 스피커를 구현할 수 있다. 또한 투명 압전종이 스피커는 쉽게 휘어질 수 있으므로 프레임 구조물을 원형 또는 곡면으로 하여 음의 지향성을 줄 수도 있다.
The transparent piezoelectric paper speaker is provided by dividing the transparent electrode region into several (FIG. 1) to generate a sound having a different frequency range from each speaker, thereby making the listening area that the sound can be heard at a certain distance in the center of the speaker. To explain this principle in more detail, two or more waves are intermingled with each other, causing interference, which increases when the waves of the same phase meet each other and decreases when the waves of opposite phases meet. The case where it becomes larger is called constructive interference, and the case where it becomes smaller is called canceled interference. Transparent piezoelectric paper speakers are made of several speakers in one piezoelectric paper so that constructive interference occurs only in the listening area, and offset interference occurs in other places. Transparent piezoelectric papers can produce different listening frequencies from 800Hz to 5kHz on multiple electrodes of a speaker, creating a listening area in front of the speaker. According to the references [J. Acoust. Soc. Am. 111 (4) 1695-1700 (2002)] In the listening area, the sound waves from nine speakers arranged side by side can hear 20dB louder than other spaces. By doing this, you can create a directional speaker that can only be heard in one place. In addition, since the transparent piezoelectric paper speaker can be easily bent, the directivity of the sound may be given by making the frame structure circular or curved.
1: 압전종이
2: 상부 투명 전극
3: 하부 투명 전극1: piezo paper
2: upper transparent electrode
3: lower transparent electrode
Claims (3)
투명 셀룰로오스 압전종이; 및
상기 셀룰로오스 압전종이의 양면에 코팅되는 ITO, 전도성 고분자, 탄소나노튜브 복합재, 및 그래핀 중 최소한 하나로 이루어진 투명 전극.
Transparent, directional cellulose piezoelectric paper speaker consisting of:
Transparent cellulose piezoelectric paper; And
A transparent electrode made of at least one of ITO, a conductive polymer, a carbon nanotube composite, and graphene coated on both surfaces of the cellulose piezoelectric paper.
다수의 투명 셀룰로오스 압전종이; 및
상기 셀룰로오스 압전종이의 양면에 코팅되는 ITO, 전도성 고분자, 탄소나노튜브 복합재, 및 그래핀 중 최소한 하나로 이루어진 다수의 투명 전극.
Transparent, directional cellulose piezoelectric paper speaker consisting of:
Many transparent cellulose piezoelectric papers; And
A plurality of transparent electrodes made of at least one of ITO, a conductive polymer, a carbon nanotube composite, and graphene are coated on both sides of the cellulose piezoelectric paper.
음의 지향성 및 입체성을 갖도록 한 투명 프레임을 포함하고 있는 투명하고 지향성이 있는 셀룰로오스 압전종이 스피커.3. The method according to claim 1 or 2,
A transparent, directional cellulose piezoelectric paper speaker comprising a transparent frame which has sound directivity and three-dimensionality.
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| KR101380943B1 (en) * | 2012-10-25 | 2014-04-01 | 주식회사 씨엔플러스 | Piezoelectric sensor module |
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2010
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