KR20140007955A - 유전막 및 그것을 사용한 트랜스듀서 - Google Patents

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KR20140007955A
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히토시 요시카와
시게아키 다카마츠
신지 구마가이
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도카이 고무 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 유전막은, 엘라스토머와, 결정화도가 80 ％ 이상인 티탄산바륨 입자를 함유한다. 그 엘라스토머 및 그 티탄산바륨 입자는, 서로 반응 가능한 관능기를 갖고, 그 관능기끼리의 반응에 의해, 그 엘라스토머 및 그 티탄산바륨 입자에 의한 가교 구조가 형성되어 있다. 이 때문에, 본 발명의 유전막의 비유전율 및 체적 저항률은 크다. 또, 본 발명의 트랜스듀서는, 당해 유전막과, 그 유전막을 개재하여 배치되는 복수의 전극을 구비한다. 본 발명의 트랜스듀서는, 내절연파괴성이 우수하고, 큰 힘을 출력할 수 있다.

Description

유전막 및 그것을 사용한 트랜스듀서{DIELECTRIC FILM AND TRANSDUCER USING SAME}
본 발명은, 엘라스토머 재료를 사용한 트랜스듀서에 관한 것이고, 특히, 당해 트랜스듀서에 사용되는 유전막에 관한 것이다.
트랜스듀서로는, 기계 에너지와 전기 에너지의 변환을 실시하는 액추에이터, 센서, 발전 소자 등, 혹은 음향 에너지와 전기 에너지의 변환을 실시하는 스피커, 마이크로폰 등이 알려져 있다. 유연성이 높고, 소형이며 경량인 트랜스듀서를 구성하기 위해서는, 유전체 엘라스토머 등의 고분자 재료가 유용하다.
예를 들어, 특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, 유전체 엘라스토머로 이루어지는 유전막의 두께 방향 양면에 1 쌍의 전극을 배치하여 액추에이터를 구성할 수 있다. 이러한 종류의 액추에이터에서는, 전극 사이로의 인가 전압을 크게 하면, 전극 사이의 정전 인력이 커진다. 이 때문에, 전극 사이에 끼워진 유전막은 두께 방향으로부터 압축되어, 유전막의 두께는 얇아진다. 막 두께가 얇아지면, 그만큼 유전막은 전극면에 대해 평행 방향으로 신장된다. 한편, 전극 사이로의 인가 전압을 작게 하면, 전극 사이의 정전 인력이 작아진다. 이 때문에, 유전막에 대한 두께 방향으로부터의 압축력이 작아져, 유전막의 탄성 복원력에 의해 막 두께는 두꺼워진다. 막 두께가 두꺼워지면, 그만큼 유전막은 전극면에 대해 평행 방향으로 수축된다. 이와 같이, 액추에이터는 유전막을 신장, 수축시킴으로써 구동 대상 부재를 구동시킨다.
액추에이터로부터 출력되는 힘 및 변위량을 크게 하기 위해서는, 유전막의 비유전율 및 체적 저항률을 크게 하는 것이 필요하다. 이 때문에, 유전막의 재료로는, 비유전율이 큰 아크릴 고무, 니트릴 고무, 혹은 내절연파괴성이 우수한 실리콘 고무 등이 사용된다.
일본 공표특허공보 2003-506858호 일본 공개특허공보 2009-227985호 일본 공개특허공보 2011-084712호 일본 공개특허공보 2005-306691호
실리콘 고무는, 실록산 결합을 골격으로 한다. 이 때문에, 전기 저항이 크다. 따라서, 실리콘 고무로 이루어지는 유전막은, 큰 전압을 인가해도 잘 절연 파괴되지 않는다. 그러나, 실리콘 고무의 극성은 작다. 요컨대, 비유전율이 작다. 이 때문에, 실리콘 고무로 이루어지는 유전막을 사용하여 액추에이터를 구성한 경우에는, 인가 전압에 대한 정전 인력이 작다. 따라서, 실용적인 전압에 의해 원하는 힘 및 변위량을 얻을 수 없다.
한편, 아크릴 고무나 니트릴 고무의 비유전율은, 실리콘 고무의 비유전율보다 크다. 이 때문에, 유전막의 재료에 아크릴 고무 등을 사용하면, 인가 전압에 대한 정전 인력이 실리콘 고무를 사용한 경우와 비교해 커진다. 그러나, 아크릴 고무 등의 전기 저항은, 실리콘 고무와 비교해 작다. 이 때문에, 유전막이 절연 파괴되기 쉽다. 또, 전압 인가시에 전류가 유전막 중을 흘러버려 (이른바 누설 전류), 유전막과 전극의 계면 부근에 전하가 잘 모이지 않는다. 따라서, 비유전율이 큼에도 불구하고 정전 인력이 작아져, 충분한 힘 및 변위량을 얻을 수 없다. 이와 같이, 엘라스토머 단독으로는 정전 인력과 내절연파괴성 양방을 만족시키는 유전막을 실현하는 것은 어렵다.
이 점, 특허문헌 2 에는, 베이스 고무에 티탄산바륨 등의 고유전 세라믹스 분말을 배합한 유전막이 개시되어 있다. 또, 본 발명자는, 유전막의 재료로서 유기 금속 화합물에 의해 가교된 엘라스토머 중에, 티탄산바륨 등의 무기 필러를 배합한 엘라스토머 재료를 개발하였다 (특허문헌 3 참조). 엘라스토머에 무기 필러를 배합하면, 그로 인해 전자의 흐름이 저해되기 때문에, 전기 저항을 크게 할 수 있다. 그러나, 종래의 엘라스토머 재료에 있어서, 무기 필러는 엘라스토머에 직접 화학 결합되어 있는 것은 아니다. 이 때문에, 엘라스토머와 무기 필러의 결합에 의한 절연 네트워크를 형성할 수 없어, 전기 저항의 증가 효과는 충분하다고는 할 수 없다. 또, 전압 인가시에, 엘라스토머와 무기 필러 사이의 미소한 간극에서 방전이 발생함으로써, 내절연파괴성의 저하를 초래할 우려가 있다. 또, 무기 필러로서 배합되는 티탄산바륨은, 결정성이 높을수록 비유전율 및 체적 저항률이 크다. 그러나, 상기 특허문헌 2, 3 에 있어서, 티탄산바륨의 결정성에 대한 검토는 되어 있지 않다.
본 발명은, 이와 같은 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 비유전율 및 체적 저항률이 큰 유전막을 제공하는 것을 과제로 한다. 또, 당해 유전막을 사용하여, 내절연파괴성이 우수하고, 큰 힘을 출력할 수 있는 트랜스듀서를 제공하는 것을 과제로 한다.
(1) 본 발명의 유전막은, 트랜스듀서에 사용되는 유전막으로서, 엘라스토머와, 결정화도가 80 ％ 이상인 티탄산바륨 입자를 함유하고, 그 엘라스토머 및 그 티탄산바륨 입자는, 서로 반응 가능한 관능기를 갖고, 그 관능기끼리의 반응에 의해, 그 엘라스토머 및 그 티탄산바륨 입자에 의한 가교 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유전막에 있어서는, 엘라스토머 및 티탄산바륨 입자에 의한 가교 구조가 형성되어 있다. 즉, 엘라스토머 및 티탄산바륨 입자로 형성되는 절연 네트워크에 의해, 전자의 흐름이 차단된다. 이 때문에, 본 발명의 유전막의 전기 저항은 크다. 또, 엘라스토머와 티탄산바륨 입자는 화학 결합되어 있다. 이 때문에, 양자 간에 간극은 없다. 따라서, 전압 인가시에, 방전에 의한 절연 파괴가 잘 발생하지 않는다. 또, 티탄산바륨 입자는, 엘라스토머의 3 차원 그물눈 구조에 삽입되어 있다. 이 때문에, 티탄산바륨 입자는 잘 응집되지 않는다. 요컨대, 티탄산바륨 입자는, 응집된 2 차 입자는 아니고 단독의 1 차 입자 상태로 균일하게 엘라스토머 중에 분산된다. 따라서, 보다 효과적으로 전자의 통과를 저해할 수 있다. 또, 유전막의 막질은 균일하다. 이 때문에, 전압 인가시에 있어서의 유전막의 신장이 균일해져, 티탄산바륨 입자를 기점으로 한 절연 파괴가 잘 발생하지 않는다.
여기서, 티탄산바륨 입자의 결정화도는 80 ％ 이상이다. 결정성이 높기 때문에, 티탄산바륨 입자의 비유전율 및 체적 저항률은 크다. 결정성이 높은 티탄산바륨 입자를 사용함으로써, 본 발명의 유전막의 비유전율 및 체적 저항률을 보다 크게 할 수 있다. 또한, 결정화도는, X 선 회절 (XRD) 장치에 의해 측정할 수 있다. 즉, 얻어진 XRD 패턴을, 결정질 성분으로부터 발생하는 피크 강도와, 비정질 성분으로부터 발생하는 할로 강도로 분리하고, 그들의 적분 강도를 사용하여 다음 식 (1) 에 의해 산출하면 된다.
결정화도 (％) ＝ Sc/(Sc＋Sa)×100 … (1)
[Sc : 결정 피크의 적분 강도, Sa : 비정질 할로의 적분 강도]
이와 같이, 결정성이 높은 티탄산바륨 입자를 사용하여, 당해 티탄산바륨 입자와 엘라스토머의 가교 구조를 형성하여 티탄산바륨 입자를 엘라스토머 중에 균일하게 분산시킴으로써, 유전막의 비유전율 및 체적 저항률을 대폭 향상시킬 수 있다. 본 발명의 유전막에 의하면, 비유전율이 크기 때문에, 인가 전압에 대한 정전 인력이 커진다. 또한, 체적 저항률이 크기 때문에, 누설 전류가 작아져, 유전막과 전극의 계면 부근에 많은 전하를 모을 수 있다. 따라서, 본 발명의 유전막을 구비하는 트랜스듀서에 의하면, 실용적인 전압에 의해 큰 힘 및 변위량을 얻을 수 있다. 또, 본 발명의 유전막은, 높은 내절연파괴성을 갖는다. 이 때문에, 보다 큰 전압을 인가하여 보다 큰 힘 및 변위량을 얻을 수 있다.
(2) 또, 본 발명의 트랜스듀서는, 상기 본 발명의 유전막과, 그 유전막을 개재하여 배치되는 복수의 전극을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 트랜스듀서는, 상기 본 발명의 유전막을 구비한다. 상기 서술한 바와 같이, 본 발명의 유전막의 비유전율 및 체적 저항률은 크다. 이 때문에, 본 발명의 유전막에 전압을 인가하면, 큰 정전 인력이 발생한다. 따라서, 본 발명의 트랜스듀서에 의하면, 실용적인 전압에 의해 큰 힘 및 변위량을 얻을 수 있다. 또, 유전막의 내절연파괴성이 높기 때문에, 보다 큰 전압을 인가하여 보다 큰 힘 및 변위량을 얻을 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 트랜스듀서의 제 1 실시형태인 액추에이터의 단면 모식도로서, (a) 는 전압 오프 상태, (b) 는 전압 온 상태를 나타낸다.
도 2 는, 측정 장치에 장착된 액추에이터의 표측 정면도이다.
도 3 은, 도 2 의 Ⅲ-Ⅲ 단면도이다.
도 4 는, 본 발명의 트랜스듀서의 제 2 실시형태인 스피커의 사시도이다.
도 5 는, 도 4 의 Ⅴ-Ⅴ 단면도이다.
이하, 본 발명의 유전막 및 트랜스듀서의 실시형태에 대해 설명한다. 또한, 본 발명의 유전막 및 트랜스듀서는, 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 당업자가 행할 수 있는 변경, 개량 등을 실시한 여러 가지 형태로 실시할 수 있다.
＜유전막＞
본 발명의 유전막은, 엘라스토머와, 결정화도가 80 ％ 이상인 티탄산바륨 입자를 함유한다.
[엘라스토머]
엘라스토머는, 티탄산바륨 입자의 관능기와 반응 가능한 관능기를 갖는 것이면, 특별히 한정되지 않는다. 후술하는 바와 같이, 티탄산바륨 입자의 관능기는, 알콕시기 (-OR) 및 하이드록시기 (-OH) 중 적어도 일방을 포함한다. 따라서, 이들 관능기와 반응 가능한 관능기, 구체적으로는, 하이드록시기 (-OH), 아미노기 (-NH2, -NHR1, -NR1R2), 카르복실기 (-COOH), 티올기 (-SH), 및 할로겐화알킬기 (-RX) 에서 선택되는 1 종 이상을 갖는 것이 바람직하다 (R, R1, R2 는 알킬기, X 는 할로겐 원자를 나타낸다).
엘라스토머에는, 가교 고무 및 열가소성 엘라스토머가 함유된다. 이들 1 종을 단독으로, 혹은 2 종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 엘라스토머는, 트랜스듀서에 요구되는 성능에 따라 적절히 선택하면 된다. 예를 들어, 전압 인가시에 발생하는 정전 인력을 크게 한다는 관점에서는, 극성이 큰, 요컨대 비유전율이 큰 엘라스토머가 바람직하다. 구체적으로는, 비유전율이 2.8 이상 (측정 주파수 100 ㎐) 인 것이 바람직하다. 비유전율이 큰 엘라스토머로는, 예를 들어, 니트릴 고무 (NBR), 수소화니트릴 고무 (H-NBR), 아크릴 고무, 천연 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 에틸렌-아세트산비닐-아크릴산에스테르 공중합체, 부틸 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 에피클로르하이드린 고무, 클로로프렌 고무, 염소화폴리에틸렌, 클로로술폰화폴리에틸렌, 및 우레탄 고무 등을 들 수 있다. 엘라스토머가 관능기를 갖지 않는 경우에는, 관능기를 도입하거나 하여 변성하면 된다. 변성 엘라스토머로는, 예를 들어, 카르복실기 변성 니트릴 고무 (X-NBR), 카르복실기 변성 수소화니트릴 고무 (XH-NBR) 등이 바람직하다. X-NBR, XH-NBR 에 있어서는, 아크릴로니트릴 함유량 (결합 AN 량) 이 33 질량％ 이상인 것이 바람직하다. 결합 AN 량은, 고무의 전체 질량을 100 질량％ 로 한 경우의 아크릴로니트릴의 질량 비율이다.
또, 비유전율이 작아도 전기 저항이 큰 엘라스토머는, 전압 인가시에 잘 절연 파괴되지 않는다는 점에서 바람직하다. 전기 저항이 큰 엘라스토머로는, 실리콘 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체 등을 들 수 있다. 엘라스토머가 관능기를 갖지 않는 경우에는, 적절히 관능기를 도입하면 된다.
또, 열가소성 엘라스토머는, 가교제를 사용하지 않기 때문에, 불순물이 잘 혼입되지 않아 바람직하다. 열가소성 엘라스토머로는, 스티렌계 (SBS, SEBS, SEPS), 올레핀계 (TPO), 염화비닐계 (TPVC), 우레탄계 (TPU), 에스테르계 (TPEE), 아미드계 (TPAE), 및 이들의 공중합체나 블렌드체를 들 수 있다.
[티탄산바륨 입자]
티탄산바륨 입자로는, 결정화도가 80 ％ 이상인 것을 사용한다. 또, 후술하는 제조 방법에 의해 제조되는 티탄산바륨 입자는, 그 표면에, 엘라스토머의 관능기와 반응 가능한 관능기로서, 알콕시기 (-OR) 및 하이드록시기 (-OH) 중 적어도 일방을 갖는다. 티탄산바륨 입자의 관능기와 엘라스토머의 관능기가 반응함으로써, 가교 구조가 형성된다. 요컨대, 티탄산바륨 입자가 가교제로서의 역할을 한다.
유전막의 균일성 등을 고려하면, 티탄산바륨 입자의 입자경은 작은 편이 바람직하다. 입자경이 작은 티탄산바륨 입자가 엘라스토머 중에 균일하게 분산됨으로써, 치밀한 절연 네트워크가 형성된다. 또, 유전막의 막질이 균일해진다. 이 때문에, 전압 인가시에 있어서의 누설 전류가 억제됨과 함께, 유전막의 신장이 균일해져, 티탄산바륨 입자를 기점으로 한 절연 파괴가 잘 발생하지 않는다. 한편, 티탄산바륨의 비유전율은, 입자경이 커질수록 커진다. 이 때문에, 유전막의 비유전율을 고려하면, 티탄산바륨 입자의 입자경은 큰 편이 바람직하다. 따라서, 티탄산바륨 입자의 입자경에 대해서는, 이들의 상반되는 이점을 고려하여, 유전막이 원하는 비유전율, 체적 저항률, 및 유연성 등을 갖도록 적절히 결정하면 된다.
예를 들어, 티탄산바륨 입자의 입자경은 8 ㎚ 이상 120 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. 입자경이 8 ㎚ 미만인 경우에는, 비유전율을 크게 하는 효과가 작아진다. 10 ㎚ 이상이 바람직하다. 또, 입자경이 120 ㎚ 를 초과하면, 체적 저항률을 크게 하는 효과가 작아진다. 60 ㎚ 이하가 바람직하다.
본 명세서에 있어서는, 특별히 언급하지 않는 한, 티탄산바륨 입자의 입자경으로서 메디안 직경을 채용한다. 유전막 중의 티탄산바륨 입자의 입자경에 대해서는, 투과형 전자 현미경 (TEM) 을 사용한 관찰에 의해 측정할 수 있다. 또, 주사형 프로브 현미경 (SPM), 소각 X 선 산란법, X 선 회절 (XRD) 에 의해 측정해도 된다.
후술하는 바와 같이, 티탄산바륨 입자는, 고농도의 전구체를 사용한 졸 겔법에 의해 제조할 수 있다. 이 경우, 얻어진 겔 중의 티탄산바륨 입자의 입자경과 유전막 중의 티탄산바륨 입자의 입자경은 동등해질 것으로 추정된다. 따라서, 겔 중의 티탄산바륨 입자의 입자경을, 유전막 중의 티탄산바륨 입자의 입자경으로서 채용해도 된다. 겔 중의 티탄산바륨 입자의 입자경은, 예를 들어, 닛키소 (주) 제조의 레이저 회절·산란식 입자경·입도 분포 측정 장치를 사용하여 측정할 수 있다. 또, 겔을 건고시켜, 주사형 전자 현미경 (SEM) 을 사용한 관찰에 의해 측정할 수 있다.
티탄산바륨 입자의 함유량은, 유전막의 비유전율, 체적 저항률, 및 유연성 등을 고려하여 적절히 결정하면 된다. 예를 들어, 티탄산바륨 입자의 함유량을, 엘라스토머의 100 질량부에 대해 10 질량부 이상 500 질량부 이하로 하면 된다. 티탄산바륨 입자의 함유량이 10 질량부 미만인 경우에는, 비유전율 및 체적 저항률을 크게 하는 효과가 작다. 한편, 500 질량부를 초과하면, 탄성률이 증가되어, 유연성이 저해된다.
상기 서술한 바와 같이, 티탄산바륨은, 결정성이 높을수록 비유전율 및 체적 저항률이 크다. 티탄산바륨의 제조 방법으로는, 고상 반응법, 수열 합성법, 졸 겔법이 알려져 있다. 이 중, 고상 반응법에 의하면, 결정성이 높은 것이 얻어지지만, 고온에서의 소성에 의해 입자가 응집되기 쉽다. 이 때문에, 소성 후의 입자를 분쇄하였다고 해도, 입자경이 큰 것밖에 얻어지지 않는다. 티탄산바륨의 입자경이 크면, 엘라스토머 전체에 균일하게 분산시키는 것이 어렵다. 또, 입자경이 큰 입자가 존재하면, 전압 인가시에 있어서의 유전막의 신장이 불균일해지기 쉽다. 이 경우, 당해 입자를 기점으로 하여 결함이 발생하기 쉬워, 내절연파괴성이 저하될 우려가 있다. 또, 소성함으로써 입자 표면의 관능기가 감소되어 버린다. 입자 표면의 관능기가 적으면, 엘라스토머와 잘 결합되지 않는다. 이 때문에, 엘라스토머와 티탄산바륨 입자에 의한 가교 구조를 형성할 수 없다.
한편, 통상적인 수열 합성법이나 통상적인 졸 겔법에 의하면, 입자 내부에 하이드록시기 등이 잔존하기 때문에, 결정성이 낮은 입자밖에 얻어지지 않는다. 얻어진 입자를 소성하여 결정성을 향상시킬 수는 있지만, 고상 반응법의 경우와 마찬가지로, 입자경이 커짐과 함께, 입자 표면의 관능기가 감소된다는 문제가 있다.
그래서, 본 발명의 유전막에 배합하는 티탄산바륨 입자는, 일본 특허 제3925932호에 개시되어 있는 초임계수에 의한 수열 합성법, 혹은, 특허문헌 4 에 개시되어 있는 고농도의 전구체를 사용한 졸 겔법에 의해 제조되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 초임계수에 의한 수열 합성법에 의하면, 티탄산바륨 입자는, 바륨 및 티탄을 함유하는 금속 착물을, 초임계수 상태의 반응 환경 중에 공급하여, 소정 시간 체재시킴으로써 제조된다. 당해 방법에 의하면, 결정화도가 80 ％ 이상이고, 입자경이 120 ㎚ 이하인 티탄산바륨 입자를 용이하게 제조할 수 있다.
원료의 금속 착물로는, 바륨 또는 티탄을 함유하는 단일 금속의 알콕시드나 수산화물을, 페로브스카이트 화합물의 조성이 되도록 복수 종류 조합하여 사용해도 되고, 바륨 및 티탄 양방을 함유하는 복합 알콕시드를 사용해도 된다. 예를 들어, 바륨알콕시드로는, 바륨메톡시드, 바륨에톡시드, 바륨프로폭시드, 바륨부톡시드 등을 들 수 있다. 또, 티탄알콕시드로는, 티탄메톡시드, 티탄에톡시드, 티탄프로폭시드, 티탄부톡시드 등을 들 수 있다. 또, 복합 알콕시드로는, 바륨티탄메톡시드, 바륨티탄에톡시드, 바륨티탄프로폭시드, 바륨티탄부톡시드 등을 들 수 있다.
또, 고농도의 전구체를 사용한 졸 겔법에 의하면, 티탄산바륨 입자는, 바륨 및 티탄을 함유하는 알콕시드의 농도가 0.5 ㏖/ℓ 이상인 전구체 용액에, 극성 유기 용매의 농도가 15 ㏖％ 이상인 물과 극성 유기 용매의 혼합 용액을, 그 혼합 용액 중의 그 물의 몰비가 그 전구체 용액 중의 그 티탄의 몰비의 4 배 이상이 되도록 적하하여, 그 알콕시드를 가수 분해한 후, 10 ℃ 이상의 온도하에서 유지함으로써 제조된다. 당해 방법에 의하면, 결정화도가 80 ％ 이상이고, 입자경이 120 ㎚ 이하인 티탄산바륨 입자를 용이하게 제조할 수 있다.
원료의 알콕시드로는, 바륨 또는 티탄을 함유하는 단일 금속의 알콕시드를, 페로브스카이트 화합물의 조성이 되도록 복수 종류 조합하여 사용해도 되고, 바륨 및 티탄 양방을 함유하는 복합 알콕시드를 사용해도 된다. 예를 들어, 바륨알콕시드로는, 바륨메톡시드, 바륨에톡시드, 바륨프로폭시드, 바륨부톡시드 등을 들 수 있다. 또, 티탄알콕시드로는, 티탄메톡시드, 티탄에톡시드, 티탄프로폭시드, 티탄부톡시드 등을 들 수 있다. 또, 복합 알콕시드로는, 바륨티탄메톡시드, 바륨티탄에톡시드, 바륨티탄프로폭시드, 바륨티탄부톡시드 등을 들 수 있다.
바륨 및 티탄을 함유하는 알콕시드를, 예를 들어, 메탄올 및 2-메톡시에탄올의 혼합 용매 (체적비로 3 : 2) 등에 용해시켜, 알콕시드 농도가 0.5 ㏖/ℓ 이상인 전구체 용액을 조제한다. 용매는, 알콕시드를 0.5 ㏖/ℓ 이상의 농도로 용해시킬 수 있는 것이면 되고, 메탄올, 에탄올 등의 알코올계 용매나, 메틸에틸케톤, 아세톤 등의 케톤계 용매를, 단독으로 혹은 혼합하여 사용하면 된다.
전구체 용액에 적하하는 혼용 용액의 극성 유기 용매로는, 알코올계, 케톤계, 에테르계의 용매를 사용하면 된다. 또, 급격한 가수 분해 및 중축합 반응을 억제하기 위해, 전구체 용액을 -30 ℃ 정도로 냉각시킨 상태에서, 혼합 용액의 적하를 실시하면 된다. 그리고, 가수 분해 후의 용액을 10 ℃ 이상으로까지 승온하여, 당해 온도하에서 소정 시간 유지한다 (에이징 처리). 유지 온도는 30 ℃ 이상이 바람직하다. 에이징 처리를 실시함으로써, 입자 내부에 잔존하는 하이드록시기 등을 감소시켜, 결정성을 높일 수 있다. 또한, 에이징 처리 중, 가수 분해 후의 용액에 초음파를 조사하면, 티탄산바륨 입자의 결정화 반응이 촉진된다. 이로써, 에이징 처리 시간을 단축시킬 수 있다.
[다른 성분]
본 발명의 유전막은, 상기 엘라스토머 및 티탄산바륨 입자에 더해, 다른 성분을 함유하고 있어도 된다. 다른 성분으로는, 가교제, 보강제, 가소제, 노화 방지제, 착색제 등을 들 수 있다. 본 발명의 유전막에 있어서는, 가교제를 배합하지 않아도, 티탄산바륨 입자의 관능기와 엘라스토머의 관능기의 반응에 의해, 가교 구조가 형성된다. 그러나, 가교제를 첨가함으로써, 더욱 가교 반응을 촉진시킬 수 있다.
＜유전막의 제조 방법＞
본 발명의 유전막의 제조 방법은, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 엘라스토머의 가교 전 폴리머, 티탄산바륨 분말, 및 필요에 따라 첨가제를, 롤이나 혼련기에 의해 혼련하여, 소정의 조건하에서 박막상으로 성형하면 된다. 혹은, 엘라스토머의 가교 전 폴리머, 티탄산바륨 분말, 및 필요에 따라 첨가제를 함유하는 용액을 기재 상에 도포하고, 소정의 조건하에서 경화시키면 된다. 또, 티탄산바륨 분말이 아니라, 고농도의 전구체를 사용한 상기 졸 겔법에 의해 제조된 겔을 용매에 분산시킨, 티탄산바륨 입자의 분산액을 사용해도 된다.
＜트랜스듀서＞
본 발명의 트랜스듀서는, 본 발명의 유전막과, 그 유전막을 개재하여 배치되는 복수의 전극을 구비한다. 본 발명의 유전막의 구성, 및 제조 방법에 대해서는 상기 서술한 바와 같다. 따라서, 여기서는 설명을 생략한다. 또한, 본 발명의 트랜스듀서에 있어서도, 본 발명의 유전막에 있어서의 바람직한 양태를 채용하는 것이 바람직하다.
유전막의 두께는, 용도 등에 따라 적절히 결정하면 된다. 예를 들어, 본 발명의 트랜스듀서를 액추에이터로서 사용하는 경우에는, 액추에이터의 소형화, 저전위 구동화, 및 변위량을 크게 하는 등의 관점에서, 유전막의 두께는 얇은 편이 바람직하다. 이 경우, 내절연파괴성 등도 고려하여, 유전막의 두께를 1 ㎛ 이상 1000 ㎛ (1 ㎜) 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는 5 ㎛ 이상 200 ㎛ 이하이다.
본 발명의 트랜스듀서에 있어서, 전극의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니다. 전극은, 유전막의 변형에 추종하여 신축 가능한 것이 바람직하다. 이 경우, 유전막의 변형이 전극에 의해 잘 규제되지 않는다. 따라서, 본 발명의 트랜스듀서에 있어서, 원하는 출력을 얻기 쉬워진다. 예를 들어, 오일, 엘라스토머 등의 바인더에 도전재를 혼합한 도전 페이스트, 혹은 도전 도료로부터 전극을 형성할 수 있다. 도전재로는, 카본 블랙, 케첸 블랙, 카본 나노 튜브, 그래핀 등의 탄소 재료, 은 등의 금속 분말을 사용하면 된다. 또, 탄소 섬유나 금속 섬유를 메시상으로 짜서 전극을 형성해도 된다.
또, 본 발명의 트랜스듀서를, 복수의 유전막과 전극을 교대로 적층시킨 적층 구조로 하면, 보다 큰 힘을 발생시킬 수 있다. 따라서, 적층 구조를 채용한 경우에는, 예를 들어, 액추에이터의 출력을 크게 할 수 있다. 이로써, 구동 대상 부재를 보다 큰 힘으로 구동시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 트랜스듀서를 액추에이터, 스피커로 구현화한 실시형태를 설명한다.
[제 1 실시형태]
본 발명의 트랜스듀서의 제 1 실시형태로서, 액추에이터의 실시형태를 설명한다. 도 1 에, 본 실시형태의 액추에이터의 단면 모식도를 나타낸다. (a) 는 전압 오프 상태, (b) 는 전압 온 상태를 각각 나타낸다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 액추에이터 (1) 는, 유전막 (10) 과, 전극 (11a, 11b) 과, 배선 (12a, 12b) 을 구비하고 있다. 유전막 (10) 은, 카르복실기 변성 수소화니트릴 고무 (HX-NBR) 와, 티탄산바륨 입자를 갖고 있다. 티탄산바륨 입자의 결정화도는 95 ％ 이고, 메디안 직경은 20 ㎚ 이다. HX-NBR 과 티탄산바륨 입자에 의해 가교 구조가 형성되어 있다. 티탄산바륨 입자는, HX-NBR 중에 균일하게 분산되어 있다. 전극 (11a) 은, 유전막 (10) 의 상면의 대략 전체를 덮도록 배치되어 있다. 마찬가지로, 전극 (11b) 은, 유전막 (10) 의 하면의 대략 전체를 덮도록 배치되어 있다. 전극 (11a, 11b) 은, 각각, 배선 (12a, 12b) 을 통해 전원 (13) 에 접속되어 있다.
오프 상태에서 온 상태로 전환할 때에는, 1 쌍의 전극 (11a, 11b) 사이에 전압을 인가한다. 전압의 인가에 의해 유전막 (10) 의 두께는 얇아지고, 그만큼, 도 1(b) 중 백색 화살표로 나타내는 바와 같이, 전극 (11a, 11b) 면에 대해 평행 방향으로 신장된다. 이로써, 액추에이터 (1) 는, 도면 중 상하 방향 및 좌우 방향의 구동력을 출력한다.
본 실시형태의 유전막 (10) 에 있어서는, HX-NBR 과 티탄산바륨 입자로 형성되는 절연 네트워크에 의해 전자의 흐름이 차단된다. 또, 티탄산바륨 입자의 결정성도 높다. 이 때문에, 유전막 (10) 의 비유전율 및 체적 저항률은 크다. 따라서, 유전막 (10) 에 전압을 인가하면, 큰 정전 인력이 발생한다. 따라서, 액추에이터 (1) 에 의하면, 실용적인 전압에 의해 큰 힘 및 변위량을 얻을 수 있다. 또, 유전막 (10) 의 내절연파괴성이 높기 때문에, 보다 큰 전압을 인가하여 보다 큰 힘 및 변위량을 얻을 수 있다.
[제 2 실시형태]
본 발명의 트랜스듀서의 제 2 실시형태로서, 스피커의 실시형태를 설명한다. 먼저, 본 실시형태의 스피커의 구성에 대해 설명한다. 도 4 에, 본 실시형태의 스피커의 사시도를 나타낸다. 도 5 에, 도 4 의 Ⅴ-Ⅴ 단면도를 나타낸다. 도 4, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 스피커 (4) 는, 제 1 아우터 프레임 (40a) 과, 제 1 이너 프레임 (41a) 과, 제 1 유전막 (42a) 과, 제 1 아우터 전극 (43a) 과, 제 1 이너 전극 (44a) 과, 제 1 진동판 (45a) 과, 제 2 아우터 프레임 (40b) 과, 제 2 이너 프레임 (41b) 과, 제 2 유전막 (42b) 과, 제 2 아우터 전극 (43b) 과, 제 2 이너 전극 (44b) 과, 제 2 진동판 (45b) 과, 8 개의 볼트 (460) 와, 8 개의 너트 (461) 와, 8 개의 스페이서 (462) 를 구비하고 있다.
제 1 아우터 프레임 (40a), 제 1 이너 프레임 (41a) 은 각각 수지제로서, 링상을 나타내고 있다. 제 1 유전막 (42a) 은, 원형의 박막상을 나타내고 있다. 제 1 유전막 (42a) 은, 제 1 아우터 프레임 (40a) 과 제 1 이너 프레임 (41a) 사이에 팽팽하게 걸쳐 형성되어 있다. 즉, 제 1 유전막 (42a) 은, 표측의 제 1 아우터 프레임 (40a) 과 이측의 제 1 이너 프레임 (41a) 에 의해 소정의 장력을 확보한 상태에서 협지 (挾持), 고정되어 있다. 제 1 유전막 (42a) 은, HX-NBR 과 티탄산바륨 입자를 갖고 있다. 티탄산바륨 입자의 결정화도는 95 ％ 이고, 메디안 직경은 20 ㎚ 이다. HX-NBR 과 티탄산바륨 입자에 의해 가교 구조가 형성되어 있다. 티탄산바륨 입자는, HX-NBR 중에 균일하게 분산되어 있다. 제 1 진동판 (45a) 은 수지제로서, 원판상을 나타내고 있다. 제 1 진동판 (45a) 은, 제 1 유전막 (42a) 보다 소직경이다. 제 1 진동판 (45a) 은, 제 1 유전막 (42a) 의 표면의 대략 중앙에 배치되어 있다.
제 1 아우터 전극 (43a) 은 링상을 나타내고 있다. 제 1 아우터 전극 (43a) 은, 제 1 유전막 (42a) 의 표면에 첩착 (貼着) 되어 있다. 제 1 이너 전극 (44a) 도 링상을 나타내고 있다. 제 1 이너 전극 (44a) 은, 제 1 유전막 (42a) 의 이면에 첩착되어 있다. 제 1 아우터 전극 (43a) 과 제 1 이너 전극 (44a) 은, 제 1 유전막 (42a) 을 사이에 두고, 표리 방향으로 배향하고 있다. 제 1 아우터 전극 (43a) 과 제 1 이너 전극 (44a) 은 모두, 아크릴 고무 폴리머 용액에 카본 블랙을 혼합, 분산시켜 조제된 도전 도료로 형성되어 있다. 또, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 제 1 아우터 전극 (43a) 은 단자 (430a) 를 구비하고 있다. 제 1 이너 전극 (44a) 은 단자 (440a) 를 구비하고 있다. 단자 (430a, 440a) 에는, 외부로부터 전압이 인가된다.
제 2 아우터 프레임 (40b), 제 2 이너 프레임 (41b), 제 2 유전막 (42b), 제 2 아우터 전극 (43b), 제 2 이너 전극 (44b), 제 2 진동판 (45b) (이하, 「제 2 부재」라고 총칭한다) 의 구성, 재질, 형상은, 상기 제 1 아우터 프레임 (40a), 제 1 이너 프레임 (41a), 제 1 유전막 (42a), 제 1 아우터 전극 (43a), 제 1 이너 전극 (44a), 제 1 진동판 (45a) (이하, 「제 1 부재」라고 총칭한다) 의 구성, 재질, 형상과 동일하다. 또, 제 2 부재의 배치는, 상기 제 1 부재의 배치와 표리 방향으로 대칭이다. 간단히 설명하면, 제 2 유전막 (42b) 은 원형의 박막상을 나타내고 있고, 제 2 아우터 프레임 (40b) 과 제 2 이너 프레임 (41b) 사이에 팽팽하게 걸쳐 형성되어 있다. 제 2 유전막 (42b) 은, HX-NBR 과 티탄산바륨 입자를 갖고 있다. 제 2 진동판 (45b) 은, 제 2 유전막 (42b) 의 표면의 대략 중앙에 배치되어 있다. 제 2 아우터 전극 (43b) 은, 제 2 유전막 (42b) 의 표면에 첩착되어 있다. 제 2 이너 전극 (44b) 은, 제 2 유전막 (42b) 의 이면에 첩착되어 있다. 제 2 아우터 전극 (43b) 의 단자 (430b), 제 2 이너 전극 (44b) 의 단자 (440b) 에는, 외부로부터 전압이 인가된다.
제 1 부재와 제 2 부재는, 8 개의 볼트 (460), 8 개의 너트 (461) 에 의해, 8 개의 스페이서 (462) 를 개재하여 고정되어 있다. 「볼트 (460)-너트 (461)-스페이서 (462)」의 세트는, 스피커 (4) 의 둘레 방향으로 소정 간격씩 이간되어 배치되어 있다. 볼트 (460) 는, 제 1 아우터 프레임 (40a) 표면부터 제 2 아우터 프레임 (40b) 표면까지를 관통하고 있다. 너트 (461) 는, 볼트 (460) 의 관통단 (端) 에 나사 장착되어 있다. 스페이서 (462) 는 수지제로서, 볼트 (460) 의 축부에 고리형으로 장착되어 있다. 스페이서 (462) 는, 제 1 이너 프레임 (41a) 과 제 2 이너 프레임 (41b) 사이에 소정의 간격을 확보하고 있다. 제 1 유전막 (42a) 의 중앙부 이면 (제 1 진동판 (45a) 이 배치되어 있는 부분의 이측) 과 제 2 유전막 (42b) 의 중앙부 이면 (제 2 진동판 (45b) 이 배치되어 있는 부분의 이측) 은 접합되어 있다. 이 때문에, 제 1 유전막 (42a) 에는, 도 5 에 백색 화살표 Y1a 로 나타내는 방향으로 탄성력이 축적되어 있다. 또, 제 2 유전막 (42b) 에는, 도 5 에 백색 화살표 Y1b 로 나타내는 방향으로 탄성력이 축적되어 있다.
다음으로, 본 실시형태의 스피커의 움직임에 대해 설명한다. 단자 (430a, 440a) 와 단자 (430b, 440b) 를 통해, 제 1 아우터 전극 (43a) 및 제 1 이너 전극 (44a) 과, 제 2 아우터 전극 (43b) 및 제 2 이너 전극 (44b) 에는, 초기 상태 (오프셋 상태) 에 있어서, 소정의 전압 (오프셋 전압) 이 인가되어 있다. 스피커 (4) 의 동작시에는, 단자 (430a, 440a) 와 단자 (430b, 440b) 에, 역위상의 전압이 인가된다. 예를 들어, 단자 (430a, 440a) 에, 오프셋 전압＋1 V 가 인가되면, 제 1 유전막 (42a) 중, 제 1 아우터 전극 (43a) 과 제 1 이너 전극 (44a) 사이에 배치되어 있는 부분의 막 두께가 얇아진다. 그리고, 당해 부분이 직경 방향으로 신장된다. 이와 동시에, 단자 (430b, 440b) 에 역위상의 전압 (오프셋 전압－1 V) 이 인가된다. 그러면, 제 2 유전막 (42b) 중, 제 2 아우터 전극 (43b) 과 제 2 이너 전극 (44b) 사이에 배치되어 있는 부분의 막 두께가 두꺼워진다. 그리고 당해 부분이 직경 방향으로 수축된다. 이로써, 제 2 유전막 (42b) 은, 제 1 유전막 (42a) 을 인장하면서, 도 5 에 백색 화살표 Y1b 로 나타내는 방향으로 자체적인 탄성력에 의해 탄성 변형된다. 반대로, 단자 (430b, 440b) 에 오프셋 전압＋1 V 가 인가되어, 단자 (430a, 440a) 에 역위상의 전압 (오프셋 전압－1 V) 이 인가되면, 제 1 유전막 (42a) 은, 제 2 유전막 (42b) 을 인장하면서, 도 5 에 백색 화살표 Y1a 로 나타내는 방향으로 자체적인 탄성력에 의해 탄성 변형된다. 이와 같이 하여, 제 1 진동판 (45a), 제 2 진동판 (45b) 을 진동시킴으로써 공기를 진동시켜, 음성을 발생시킨다.
다음으로, 본 실시형태의 스피커 (4) 의 작용 효과에 대해 설명한다. 본 실시형태에 의하면, 제 1 유전막 (42a), 제 2 유전막 (42b) 의 비유전율은 크다. 이 때문에, 인가 전압에 대한 정전 인력이 커진다. 또, 제 1 유전막 (42a), 제 2 유전막 (42b) 의 체적 저항률은 크다. 이 때문에, 제 1 유전막 (42a) 과 제 1 아우터 전극 (43a) 및 제 1 이너 전극 (44a) 의 계면 부근에 많은 전하를 모을 수 있다. 마찬가지로, 제 2 유전막 (42b) 과 제 2 아우터 전극 (43b) 및 제 2 이너 전극 (44b) 의 계면 부근에 많은 전하를 모을 수 있다. 이로써, 제 1 유전막 (42a), 제 2 유전막 (42b) 의 변위량이 커져, 제 1 진동판 (45a), 제 2 진동판 (45b) 을 큰 진폭으로 진동시킬 수 있다. 따라서, 스피커 (4) 의 음압이 커진다.
실시예
다음으로, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
＜유전막의 제조＞
[실시예 1]
먼저, 카르복실기 변성 수소화니트릴 고무 (랑세스사 제조 「터반 (등록 상표) XT8889」) 를, 아세틸아세톤에 용해시켜, 고형분 농도가 12 질량％ 인 폴리머 용액을 조제하였다. 다음으로, 조제한 폴리머 용액 100 질량부에, 티탄산바륨 입자의 분산액 (닛키 촉매 화성 (주) 제조 「도포액 특수품 티탄산바륨 20 ㎚」, 티탄산바륨 입자의 메디안 직경 20 ㎚, 결정화도 95 ％) 120 질량부를 혼합하여, 혼합액을 조제하였다. 그리고, 조제한 혼합액을 기재 상에 도포하여 건조시킨 후, 150 ℃ 에서 약 60 분간 가열하여 유전막을 얻었다. 유전막의 막 두께는 약 20 ㎛, 티탄산바륨 입자의 함유량은, 엘라스토머 (HX-NBR) 100 질량부에 대해 120 질량부였다. 제조한 유전막을 실시예 1 의 유전막으로 하였다.
[비교예 1]
티탄산바륨 입자의 분산액을 배합하지 않는 점 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 HX-NBR 로 이루어지는 유전막을 제조하였다. 제조한 유전막을 비교예 1 의 유전막으로 하였다.
[실시예 2]
가교제를 배합하여, 티탄산바륨 입자의 분산액의 배합량을 줄인 점 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 유전막을 제조하였다. 즉, 카르복실기 변성 수소화니트릴 고무 (상동) 를 아세틸아세톤에 용해시킨 폴리머 용액 100 질량부에, 티탄산바륨 입자의 분산액 (상동) 53 질량부를 혼합하고, 추가로 가교제로서, 테트라키스(2-에틸헥실옥시)티탄의 아세틸아세톤 용액 (농도 20 질량％) 을 5 질량부 첨가하여, 혼합액을 조제하였다. 그리고, 조제한 혼합액을 기재 상에 도포하여 건조시킨 후, 150 ℃ 에서 약 60 분간 가열하여 유전막을 얻었다. 유전막의 막 두께는 약 20 ㎛, 티탄산바륨 입자의 함유량은, 엘라스토머 (HX-NBR) 100 질량부에 대해 53 질량부였다. 제조한 유전막을 실시예 2 의 유전막으로 하였다.
[비교예 2]
티탄산바륨 입자의 분산액 대신에, 통상적인 수열 합성법으로 제조된 티탄산바륨 분말 A (쿄리츠 마테리알 (주) 제조 「BT-150」, 결정화도 95 ％, 평균 입자경 150 ㎚) 를 배합한 점 이외에는, 실시예 2 와 동일하게 하여 유전막을 제조하였다. 티탄산바륨 입자의 함유량은, 엘라스토머 (HX-NBR) 100 질량부에 대해 53 질량부였다. 제조한 유전막을 비교예 2 의 유전막으로 하였다.
[실시예 3]
티탄산바륨 입자의 분산액 대신에, 이하의 초임계수에 의한 수열 합성법에 의해 제조한 티탄산바륨 분말 B 를 53 질량부 배합한 점 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 유전막을 제조하였다. 티탄산바륨 입자의 함유량은, 엘라스토머 (HX-NBR) 100 질량부에 대해 53 질량부였다. 제조한 유전막을 실시예 3 의 유전막으로 하였다.
유통식 초임계수 열 합성 장치 ((주) 아이테크 제조) 를 사용하여, 수산화바륨 용액 0.12 ㏖/ℓ 와 산화티탄 용액 (이시하라 산업 (주) 제조 「STS-01」) 0.1 ㏖/ℓ 를, 초임계 상태의 물과 혼합하여, 0.5 초간 반응시켰다. 이와 같이 하여, 메디안 직경 12 ㎚, 결정화도 98 ％ 의 티탄산바륨 분말 B 를 제조하였다.
[실시예 4]
실시예 3 의 초임계수에 의한 수열 합성법에 있어서, 초임계 상태의 물과의 반응 시간을 2 초간으로 하여, 티탄산바륨 분말 C 를 제조하였다. 티탄산바륨 분말 C 의 메디안 직경은 60 ㎚, 결정화도는 98 ％ 였다. 그리고, 티탄산바륨 입자의 분산액 대신에, 티탄산바륨 분말 C 를 53 질량부 배합한 점 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 하여 유전막을 제조하였다. 티탄산바륨 입자의 함유량은, 엘라스토머 (HX-NBR) 100 질량부에 대해 53 질량부였다. 제조한 유전막을 실시예 4 의 유전막으로 하였다.
[실시예 5]
추가로, 가교제로서, 테트라키스(2-에틸헥실옥시)티탄의 아세틸아세톤 용액 (농도 20 질량％) 을 5 질량부 첨가한 점 이외에는, 실시예 3 과 동일하게 하여 유전막을 제조하였다. 제조한 유전막을 실시예 5 의 유전막으로 하였다.
[실시예 6]
추가로, 가교제로서, 테트라키스(2-에틸헥실옥시)티탄의 아세틸아세톤 용액 (농도 20 질량％) 을 5 질량부 첨가한 점 이외에는, 실시예 4 와 동일하게 하여 유전막을 제조하였다. 제조한 유전막을 실시예 6 의 유전막으로 하였다.
＜유전막의 물성＞
[체적 저항률]
제조한 유전막의 체적 저항률을, JIS K 6271 (2008) 에 준해 측정하였다. 측정은, 직류 전압 100 V 를 인가하여 실시하였다.
[비유전율]
제조한 유전막의 비유전율을 측정하였다. 비유전율의 측정은, 유전막을 샘플 홀더 (솔라트론사 제조, 12962A 형) 에 설치하고, 유전율 측정 인터페이스 (동사 제조, 1296 형), 및 주파수 응답 애널라이저 (동사 제조, 1255B 형) 를 병용하여 실시하였다 (주파수 100 ㎐).
[탄성률]
제조한 유전막의 정적 전단 탄성률을, JIS K 6254 (2003) 에 준해 측정하였다. 저변형 인장 시험에 있어서의 신장률은 25 ％ 로 하였다.
[절단시 신장]
제조한 유전막의 절단시 신장을, JIS K 6251 (2010) 에 준해 측정하였다. 시험편의 형상은, 덤벨상 5 호형으로 하였다.
[가교성]
먼저, 제조한 유전막으로부터 평가용 시험편을 잘라내어, 당해 시험편의 질량을 측정하였다. 다음으로, 시험편을 메틸에틸케톤 (MEK) 에 실온하에서 4 시간 침지하였다. 그 후, 시험편을 꺼내 건조시키고, 질량을 측정하였다. 그리고, 시험편의 침지 전의 질량에 대한 침지 후의 질량 비율 (MEK 불용분) 을 산출하여, 60 ％ 이상이면 가교성 양호 (하기 표 1 에 있어서 ○ 표시로 나타낸다), 60 ％ 미만이면 가교성 불량 (동일 표에 있어서 × 표시로 나타낸다) 으로 평가하였다.
[평가]
유전막의 각종 측정 결과를, 원료 조성과 함께 표 1 에 나타낸다.
Figure pct00001
표 1 에 있어서, 먼저, 가교제를 배합하지 않은 실시예 1, 3, 4 와 비교예 1 을 비교한다. 실시예 1, 3, 4 의 유전막에 있어서는, 비교예 1 의 유전막과 비교하여, 비유전율, 탄성률이 커지고, 체적 저항률도 2 자릿수 정도 커졌다. 또, 비교예 1 의 유전막에 있어서는, 가교가 진행되지 않은 것에 반해, 실시예 1, 3, 4 의 유전막의 가교성은 양호하였다. 실시예 1, 3, 4 의 유전막에 있어서는, 절단시 신장도 대폭 향상되었다. 즉, 실시예 1, 3, 4 의 유전막에 있어서는, 티탄산바륨 입자와 엘라스토머에 의해 가교 구조가 형성되어 있음을 알 수 있다.
다음으로, 가교제를 배합한 실시예 2, 5, 6 과 비교예 2 를 비교한다. 양자 모두 티탄산바륨 입자를 갖지만, 실시예 2, 6 에 있어서는, 비교예 2 의 유전막과 비교하여, 체적 저항률, 비유전율, 탄성률, 절단시 신장 모두가 커졌다. 실시예 5 의 유전막에 있어서는, 비교예 2 의 유전막과 비교하여, 비유전율을 제외한 체적 저항률, 탄성률, 절단시 신장이 커졌다. 이와 관련하여, 실시예 5 의 유전막의 비유전율은, 티탄산바륨 입자를 함유하지 않는 비교예 1 의 유전막의 비유전율보다는 커졌다. 실시예 5 의 유전막에 있어서는, 배합한 티탄산바륨 입자의 입자경이 작기 때문에, 비유전율을 크게 하는 효과는 작았다. 그러나, 입자경이 작으면 조밀한 절연 네트워크가 형성되기 때문에, 체적 저항률의 증가 효과는 커진다. 따라서, 티탄산바륨 입자의 입자경은, 원하는 특성이 얻어지도록 적절히 결정하면 된다.
비교예 2 의 유전막에 배합한 티탄산바륨 입자는, 합성 후에 소성되었다. 이 때문에, 결정화도는 높지만, 입자 표면의 관능기는 적은 것으로 생각된다. 또, 입자경도 크다. 따라서, 이와 같은 티탄 바륨 입자를 배합해도, 체적 저항률 및 비유전율을 크게 하는 효과는 작았다. 또한, 비교예 2 의 유전막의 가교성은 양호하였다. 이것은, 배합한 가교제에 의해 가교 구조가 형성되었기 때문이다.
＜액추에이터의 제조＞
제조한 유전막을 사용하여, 액추에이터를 제조하였다. 먼저, 아크릴 고무 폴리머 용액에 카본 블랙을 혼합, 분산시켜 도전 도료를 조제하였다. 다음으로, 도전 도료를, 제조한 유전막의 표리 양면에 스크린 인쇄하여, 전극을 형성하였다. 이와 같이 하여 제조된 액추에이터를, 유전막의 종류에 대응시켜 「실시예 1 의 액추에이터」등이라고 칭한다. 또, 실시예 6 의 유전막의 표면에 양이온 고정 유전층을, 이면에 음이온 고정 유전층을 각각 첩착하여, 3 층 구조의 유전층을 제작하였다. 제작한 3 층 구조의 유전층을 사용하여, 상기와 동일하게 액추에이터를 제조하였다. 제조된 액추에이터를 실시예 7 의 액추에이터라고 칭한다. 실시예 1 ∼ 7 의 액추에이터는, 본 발명의 트랜스듀서에 포함된다. 양이온 고정 유전층 및 음이온 고정 유전층은, 다음과 같이 하여 제작하였다.
[양이온 고정 유전층]
다음과 같이 하여 양이온 고정 유전층을 제작하였다. 먼저, 유기 금속 화합물의 테트라i-프로폭시티탄 0.01 ㏖ 에, 아세틸아세톤 0.02 ㏖ 을 첨가하여 킬레이트화하였다. 다음으로, 얻어진 킬레이트화물에, 다음 식 (2) 에 나타내는 반응성 이온성 액체 0.002 ㏖, 이소프로필알코올 (IPA) 5 ㎖ (0.083 ㏖), 메틸에틸케톤 (MEK) 10 ㎖ (0.139 ㏖), 및 물 0.04 ㏖ 을 첨가하여, 양이온이 고정된 TiO2 입자 (양이온 고정 입자), 및 음이온을 함유하는 졸을 얻었다. 그리고, 얻어진 졸을, 40 ℃ 하에서 2 시간 정치 (靜置) 하여, 에이징 처리하였다.
다음으로, 카르복실기 변성 수소화니트릴 고무 (랑세스사 제조 「터반 (등록 상표) XT8889」) 100 질량부와, 실리카 (닛폰 아에로질 (주) 제조 「Aerosil (등록 상표) 380」) 10 질량부를 롤 혼련기로 혼련하였다. 그리고, 혼련한 재료를 아세틸아세톤에 용해시켰다. 이 용액 100 질량부와 에이징 후의 졸 20 질량부를 혼합하고, 추가로 가교제로서, 테트라키스(2-에틸헥실옥시)티탄의 아세틸아세톤 용액 (농도 20 질량％) 을 3 질량부 첨가하여, 혼합액을 조제하였다. 그리고, 조제한 혼합액을 기재 상에 도포하여 건조시킨 후, 150 ℃ 에서 약 60 분간 가열하여 양이온 고정 유전층을 얻었다. 양이온 고정 유전층의 두께는 약 10 ㎛, 양이온 고정 입자의 함유량은 6.6 질량부였다.
[화학식 1]
Figure pct00002
[음이온 고정 유전층]
반응성 이온성 액체의 종류를 다음 식 (3) 에 나타낸 것으로 변경한 것 이외에는. 상기 양이온 고정 유전층과 동일하게 하여 두께 약 10 ㎛ 의 음이온 고정 유전층을 제작하였다. 제작 과정에서 얻어진 졸은, 음이온이 고정된 TiO2 입자 (음이온 고정 입자), 및 양이온을 함유한다.
[화학식 2]
Figure pct00003
＜액추에이터의 평가＞
제조한 액추에이터에 대해, 절연 파괴 강도 및 최대 발생 응력을 측정하였다. 먼저, 측정 장치 및 측정 방법에 대해 설명한다. 도 2 에, 측정 장치에 장착된 액추에이터의 표측 정면도를 나타낸다. 도 3 에, 도 2 의 Ⅲ-Ⅲ 단면도를 나타낸다.
도 2, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 액추에이터 (5) 의 상단은, 측정 장치에 있어서의 상측 척 (52) 에 의해 파지되어 있다. 액추에이터 (5) 의 하단은, 하측 척 (53) 에 의해 파지되어 있다. 액추에이터 (5) 는, 미리 상하 방향으로 연신된 상태에서, 상측 척 (52) 과 하측 척 (53) 사이에 장착되어 있다 (연신율 25 ％). 상측 척 (52) 의 상방에는, 로드 셀 (도시 생략) 이 배치되어 있다.
액추에이터 (5) 는, 유전막 (50) 과 1 쌍의 전극 (51a, 51b) 으로 이루어진다. 유전막 (50) 은, 자연 상태에서, 세로 50 ㎜, 가로 25 ㎜, 두께 약 20 ㎛ 의 장방형의 박막상을 나타내고 있다. 또한, 실시예 7 의 액추에이터에 있어서는, 유전막 (50) 은, 양이온 고정 유전층/유전막/음이온 고정 유전층의 3 층 구조를 갖고 있다 (합계 두께 40 ㎛). 전극 (51a, 51b) 은, 유전막 (50) 을 사이에 두고 표리 방향으로 대향하도록 배치되어 있다. 전극 (51a, 51b) 은, 자연 상태에서, 각각, 세로 40 ㎜, 가로 25 ㎜, 두께 10 ㎛ 의 장방형의 박막상을 나타내고 있다. 전극 (51a, 51b) 은, 상하 방향으로 10 ㎜ 어긋난 상태로 배치되어 있다. 요컨대, 전극 (51a, 51b) 은, 유전막 (50) 을 개재하여, 세로 30 ㎜, 가로 25 ㎜ 의 범위에서 겹쳐 있다. 전극 (51a) 의 하단에는, 배선 (도시 생략) 이 접속되어 있다. 마찬가지로, 전극 (51b) 의 상단에는, 배선 (도시 생략) 이 접속되어 있다. 전극 (51a, 51b) 은, 각각의 배선을 통해, 전원 (도시 생략) 에 접속되어 있다.
전극 (51a, 51b) 사이에 전압을 인가하면, 전극 (51a, 51b) 사이에 정전 인력이 발생하여, 유전막 (50) 을 압축한다. 이로써, 유전막 (50) 의 두께는 얇아지고, 연신 방향 (상하 방향) 으로 신장된다. 유전막 (50) 의 신장에 의해, 상하 방향의 연신력은 감소된다. 전압 인가 전후에 있어서 감소된 연신력을, 로드 셀에 의해 측정하여, 발생 응력으로 하였다. 발생 응력의 측정은, 인가하는 전압을 단계적으로 증가시켜, 유전막 (50) 이 파괴될 때까지 실시하였다. 그리고, 유전막 (50) 이 파괴되기 직전에 있어서의 발생 응력을 최대 발생 응력으로 하였다. 또, 그때의 전압 값을 유전막 (50) 의 막 두께 (실시예 7 의 액추에이터에 있어서는, 양이온 고정 유전층/유전막/음이온 고정 유전층의 합계 두께) 로 나눈 값을 절연 파괴 강도로 하였다. 상기 표 1 에, 실시예 1 ∼ 6 및 비교예 1, 2 의 액추에이터에 있어서의 절연 파괴 강도 및 최대 발생 응력의 측정 결과를 정리하여 나타낸다.
표 1 에 있어서, 먼저, 실시예 1, 3, 4 와 비교예 1 을 비교한다. 실시예 1, 3, 4 의 액추에이터에 있어서는, 비교예 1 의 액추에이터와 비교하여, 절연 파괴 강도, 최대 발생 응력이 대폭 커졌다. 다음으로, 실시예 2, 5, 6 과 비교예 2 를 비교한다. 이 경우에도, 실시예 2, 5, 6 의 액추에이터 쪽이 비교예 2 의 액추에이터보다 절연 파괴 강도, 최대 발생 응력이 대폭 커졌다. 실시예 1, 2 의 액추에이터를 구성하는 유전막은, 고농도의 전구체를 사용한 졸 겔법에 의해 제조되고, 결정화도가 95 ％ 인 티탄산바륨 입자를 함유한다. 실시예 3 ∼ 6 의 액추에이터를 구성하는 유전막은, 초임계수에 의한 수열 합성법에 의해 제조되고, 결정화도가 98 ％ 인 티탄산바륨 입자를 함유한다. 이들 티탄바륨 입자는, HX-NBR 의 관능기 (-COOH) 와 반응 가능한 관능기 (-OH, -OR) 를 갖는다. 따라서, 가교제의 유무에 상관없이, 엘라스토머 및 티탄산바륨 입자에 의한 가교 구조가 형성되어, 유전막의 내절연파괴 강도가 대폭 향상되었다. 한편, 비교예 2 의 유전막에 배합한 티탄산바륨 입자의 표면에는, HX-NBR 의 관능기와 반응 가능한 관능기가 적은 것으로 생각된다. 따라서, 배합한 가교제에 의해 가교는 진행되었지만, 티탄산바륨 입자와 엘라스토머의 결합에 의한 절연 네트워크가 형성되지 않아, 유전막의 내절연파괴 강도가 향상되지 않았다.
또, 실시예 6 의 유전막을 사이에 두고 양이온 고정 유전층 및 음이온 고정 유전층을 적층한 실시예 7 의 액추에이터의 절연 파괴 강도는 100 V/㎛, 최대 발생 응력은 2.01 ㎫ 였다. 이와 같이, 전극과 유전막 사이에 이온 고정 유전층을 개재시키면, 유전막이 갖는 내절연파괴성을 충분히 발휘시킬 수 있어, 액추에이터의 내절연파괴성이 향상되는 것이 확인되었다. 또, 발생 응력도 보다 커지는 것이 확인되었다.
이상으로부터, 본 발명의 유전막을 사용함으로써, 내절연파괴성이 높고, 큰 힘을 출력 가능한 액추에이터를 실현할 수 있는 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명의 유전막을 사용한 트랜스듀서는, 기계 에너지와 전기 에너지의 변환을 실시하는 액추에이터, 센서 등, 혹은 음향 에너지와 전기 에너지의 변환을 실시하는 스피커, 마이크로폰, 노이즈 캔슬러 등으로서 널리 사용할 수 있다. 그 중에서도, 산업, 의료, 복지 로봇이나 어시스트 슈트 등에 사용되는 인공 근육, 전자 부품 냉각용이나 의료용 등의 소형 펌프, 및 의료용 기구 등에 사용되는 유연한 액추에이터로서 바람직하다.
1 : 액추에이터 (트랜스듀서)
10 : 유전막
11a, 11b : 전극
12a, 12b : 배선
13 : 전원
4 : 스피커 (트랜스듀서)
40a : 제 1 아우터 프레임
40b : 제 2 아우터 프레임
41a : 제 1 이너 프레임,
41b : 제 2 이너 프레임
42a : 제 1 유전막
42b : 제 2 유전막
43a : 제 1 아우터 전극
43b : 제 2 아우터 전극
44a : 제 1 이너 전극
44b : 제 2 이너 전극
45a : 제 1 진동판
45b : 제 2 진동판
430a, 430b, 440a, 440b : 단자
460 : 볼트
461 : 너트
462 : 스페이서
5 : 액추에이터
50 : 유전막
51a, 51b : 전극
52 : 상측 척
53 : 하측 척

Claims (7)

  1. 트랜스듀서에 사용되는 유전막으로서,
    엘라스토머와, 결정화도가 80 ％ 이상인 티탄산바륨 입자를 함유하고,
    상기 엘라스토머 및 상기 티탄산바륨 입자는, 서로 반응 가능한 관능기를 갖고, 그 관능기끼리의 반응에 의해, 상기 엘라스토머 및 상기 티탄산바륨 입자에 의한 가교 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유전막.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 티탄산바륨 입자의 입자경은, 8 ㎚ 이상 120 ㎚ 이하인, 유전막.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 티탄산바륨 입자의 상기 관능기는, 알콕시기 및 하이드록시기 중 적어도 일방을 포함하는, 유전막.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 티탄산바륨 입자는, 바륨 및 티탄을 함유하는 알콕시드의 농도가 0.5 ㏖/ℓ 이상인 전구체 용액에, 극성 유기 용매의 농도가 15 ㏖％ 이상인 물과 극성 유기 용매의 혼합 용액을, 그 혼합 용액 중의 상기 물의 몰비가 상기 전구체 용액 중의 상기 티탄의 몰비의 4 배 이상이 되도록 적하하여, 상기 알콕시드를 가수 분해한 후, 10 ℃ 이상의 온도하에서 유지함으로써 제조되는, 유전막.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엘라스토머의 상기 관능기는, 하이드록시기, 아미노기, 카르복실기, 티올기, 및 할로겐화알킬기에서 선택되는 1 종 이상인, 유전막.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엘라스토머는, 니트릴 고무, 수소화니트릴 고무, 아크릴 고무, 천연 고무, 이소프렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 공중합체, 에틸렌-아세트산비닐 공중합체, 에틸렌-아세트산비닐-아크릴산에스테르 공중합체, 부틸 고무, 스티렌-부타디엔 고무, 불소 고무, 실리콘 고무, 에피클로르하이드린 고무, 클로로프렌 고무, 염소화폴리에틸렌, 클로로술폰화폴리에틸렌, 및 우레탄 고무에서 선택되는 1 종 이상인, 유전막.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 유전막과,
    상기 유전막을 개재하여 배치되는 복수의 전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
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