KR20140115012A - 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체 상태, 졸 상태, 또는 겔 상태의 유동 유전체를 이용하여 저전압에서 구동가능한 정전형 음향 트랜스듀서에 관한 것으로, 본 발명에 따른 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서는, 전도성을 가지는 진동판; 상기 진동판에 대향하여 설치되며 전도성을 가지는 전극; 상대유전율이 적어도 1.5 이상이고 상기 진동판 및 상기 전극 사이에 개재되는 액체 상태, 졸 상태 또는 겔 상태의 유동 유전체; 오디오 신호에 따른 입력전압을 제공하는 전압 입력부;를 포함하여 구성되고, 상기 진동판은 상기 입력전압에 따라 진동하여 음압을 생성하는 것을 특징으로 한다.

Description

유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서{Electrostatic acoustic transducer using fluidic dielectric}
본 발명은 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체 상태, 졸 상태, 또는 겔 상태의 유동 유전체를 이용하여 저전압에서 구동가능한 정전형 음향 트랜스듀서에 관한 것이다.
스피커는 전기적 에너지인 오디오 신호를 진동 에너지인 음압으로 변환시켜 소리를 발생하는 기능을 수행한다. 스피커는 음압을 생성하는 방법에 따라 다이나믹 스피커(dynamic speaker), 정전형 스피커(electrostatic speaker), 피에조 스피커(piezoelectronic speaker)로 구별할 수 있다. 다이나믹 스피커는 영구자석과 무빙코일을 이용하여 자력의 변화를 통해 진동판을 구동하고, 정전형 스피커는 캐패시터의 정전용량을 변화시켜 전기장의 변화를 통해 진동판을 구동하고, 피에조 스피커는 세라믹 결정재료에 전압을 가하면 모양이 변화하는 압전효과를 이용하여 진동판을 구동한다.
스마트폰 및 태블릿 PC와 같은 휴대용 IT기기에 사용되는 스피커는 두께가 약 3.5 mm 정도인 마이크로 스피커를 사용한다. 현재 시판되는 대부분의 마이크로 스피커로는 다이나믹 방식이고, 극히 일부 마이크로 스피커만 피에조 방식을 채택한다.
다이나믹 스피커는 자기회로, 보이스 코일(voice coil), 진동판, 서스펜션 또는 서라운드로 구성된다. 자기회로는 요크 또는 버텀 플레이트(bottom plate), 영구자석, 및 탑 플레이트(top plate)를 포함하여 구성되어 정지 자기장(static magnetic field)를 제공하는 역할을 수행한다. 보이스 코일은 입력되는 오디오 신호에 따라 변화하는 자기장을 제공하는 역할을 수행한다. 진동판은 자기회로의 정지 자기장과 보이스 코일의 자기장 변화에 따라 공기를 진동시켜 음향을 발생시키는 역할을 수행한다. 서스펜션 또는 서라운드는 진동판 및 보이스 코일의 정위 및 복원 탄성력을 제공하는 역할을 수행한다.
보다 큰 음향 출력이 필요한 스피커에서는 보이스 코일, 진동판 및 서라운드로 구성되는 진동계를 보조하기 위한 댐퍼 또는 스파이더(spider)를 진동판의 결합부와 프레임 또는 바스켓에 고정하여 사용한다.
다이나믹 방식의 경우, 보이스 코일 및 자기회로에 의한 힘계수(force factor)는 다음의 식과 같다.
Figure pat00001
BL : 스피커의 힘계수 fs : 공진 주파수
M ms : 진동판과 코일의 질량 R e : 보이스 코일의 직류저항
Q es : fs에서의 electrical Q값
현재 상용화된 다이나믹 마이크로 스피커의 일반적인 크기는 폭 11 mm, 길이 15 mm, 두께 3 ~ 3.5 mm 이다. 이러한 마이크로 스피커에 요구되는 음압감도는 1 Watt 입력시 1 m 거리에서 20 μPa 기준으로 66 dB 이다. 이를 충족하기 위한 단위 면적당의 구동력(BL)은 0.6 ~ 0.7 N/A 이다. 즉, 1 A의 전류가 보이스 코일에 흐를 때 진동판에 가해지는 힘은 0.7 N 이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 다이나믹 마이크로 스피커는 작은 동작전류에서도 요구되는 출력을 만족할 수 있기 때문에 저전력 설계가 요구되는 휴대용 IT 기기 환경에 적합한 특성을 보여준다.
그런데 최근의 스마트폰 및 태블릿 PC와 같은 휴대용 IT 기기는 두께를 보다 적게 하는 경향이 있기 때문에 휴대용 IT 기기를 구성하는 부품 중 가장 높은 두께를 가지는 마이크로 스피커의 두께 역시 박형화가 요구되고 있다. 하지만 다이나믹 마이크로 스피커는 그 구성이 복잡할 뿐 아니라 영구자석과 플레이트로 구성되는 자기회로의 기본적인 두께 및 보이스코일과 진동판으로 이루어진 진동계의 변위를 보장하기 위해 박형화가 어렵다는 문제가 있다. 또한 박형 설계를 위해 영구자석의 두께를 줄이는 경우 이에 따른 성능의 열화를 피할 수 없고 각 부품의 소형화로 인해 제조상의 불량률이 증가하는 문제가 있다.
복잡한 기계전기적 구조로 인해 박형화가 어려운 다이나믹 마이크로 스피커의 문제를 해결하기 위한 방법으로, 피에조 마이크로 스피커 및 정전형 마이크로 스피커를 구현하려는 시도가 있었다. 그러나 피에조 마이크로 스피커는 압전소자인 세라믹의 충격에 의해 깨어지는 특성에 의해 휴대용 IT 기기에 적용하기 어렵고, 저역특성이 좋지 않아 음성용 스피커로 사용하기 어려운 문제가 있다. 정전형 마이크로 스피커의 경우 구조가 간단하여 초박형 설계가 가능하지만 구동전압이 수백 또는 수천 V 에 달하기 때문에 저전력이 요구되는 휴대용 IT 기기 환경에 적용하기 어렵다는 문제가 있다.
도 1은 종래기술에 의한 정전형 스피커의 구조를 도시한다. 정전형 스피커는 평판 캐패시터를 구성하는 진동판(10), 전극(20), 오디오 신호에 따른 입력전압을 제공하는 전압입력부(30), 입력전압을 구동전압으로 증폭하기 위한 증폭회로(40)를 포함하여 구성된다. 진동판(10)은 진동판 역할을 수행하도록 예컨대 금속층이 도포된 절연 필름으로 구성되어 구동전압(40)에 따라 진동하여 음압을 발생시킨다. 경우에 따라서는 양쪽이 모두 진동하도록 전극(20) 역시 금속층이 도포된 절연 필름으로 구성할 수도 있다.
정전형 스피커에서 진동판에 가해지는 힘은 다음의 식과 같다.
Figure pat00002
A는 전극과 진동판의 면적, V pol 은 진동판에 인가되는 분극전압, V sig 은 입력신호의 전압, d는 전극과 진동판 사이의 간격이다.
정전형 스피커는 진동판(10)의 자유로운 진동을 보장하기 위해 진동판(10)과 전극(20) 사이에는 상대 유전율이 1에 가까워 유전율이 매우 낮은 공기가 개재되기 때문에 스피커가 적절한 출력을 발생시키기 위해서는 높은 입력전압이 요구된다. 스피커에 가해지는 힘을 높이는 다른 방법으로는 진동판(10) 및 전극(20)의 면적 A를 높이는 것을 고려할 수 있는데, 이러한 방법은 대형 스피커가 가능한 하이엔드 스피커 분야에서는 가능하지만 휴대용 IT 기기에 탑재되는 정전형 마이크로 스피커에는 적용할 수 없다. 또한 진동판(10)과 전극(20) 사이의 거리 d를 가깝게 하는 방법은 진동판(10)의 진폭 이하로 d가 가까워지면 진동판(10)과 전극(20)의 접촉으로 인한 쇼트가 발생하는 문제가 있다.
이러한 문제로 인해 앞에서 설명한 다이나믹 마이크로 스피커와 동일한 크기인 폭 11 mm, 길이 15 mm, 두께 3~3.5 mm 로 정전형 마이크로 스피커를 구현하는 경우 진동판(10)에 가해지는 단위면적 당 구동력을 0.6 ~ 0.7 N 이 되기 위해서는 수백 볼트의 전압을 입력전압으로 인가하여야 한다. 이를 위해서는 도시된 바와 같이 증폭을 위한 별도의 증폭회로(40)가 요구된다. 이로 인해 정전형 마이크로 스피커는 단순한 구조로 인해 박형화에는 이점이 있지만 추가적인 증폭회로(40)로 인해 회로설계의 자유도 및 집적도가 떨어지고, 생산비용이 증가하고, 증폭회로(40)로 인해 발열이 심해지며, 소비전력이 증가하기 때문에 휴대용 IT 기기 환경에 적용하기가 현실적으로 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서는 높은 유전율을 가지는 액체 상태, 졸 상태 또는 겔 상태의 유동 유전체를 진동판 및 평판에 개재함으로써 모바일 IT 기기 환경에 적합하도록 박형화가 용이하고 저전압 구동이 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서는, 전도성을 가지는 진동판; 상기 진동판에 대향하여 설치되며 전도성을 가지는 전극; 상대유전율이 적어도 1.5 이상이고 상기 진동판 및 상기 전극 사이에 개재되는 액체 상태, 졸 상태 또는 겔 상태의 유동 유전체; 오디오 신호에 따른 입력전압을 제공하는 전압 입력부;를 포함하여 구성되고, 상기 진동판은 상기 입력전압에 따라 진동하여 음압을 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서에 있어서, 상기 유동 유전체는, 상대유전율이 100 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서에 있어서, 상기 유동 유전체는, 하이드로졸 또는 오르가노졸을 매질로 STO(SrTiO3), BST((Ba1-xSrx)TiO2), BZT(Ba(Ti1-xZrx)O3), PLZT((Pb1-xLax)(Zr1-yTiy)O3), PMN(Pb(Ma1/3Nb2/3)O3), PZT(Pb(Zr0.47Ti0.53)O3) 또는 그 조합 중 어느 하나를 혼합하여 제조한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서에 있어서, 상기 유동 유전체는, 하이드로겔 또는 다공성 크세로겔을 매질로 STO(SrTiO3), BST((Ba1-xSrx)TiO2), BZT(Ba(Ti1-xZrx)O3), PLZT((Pb1-xLax)(Zr1-yTiy)O3), PMN(Pb(Ma1/3Nb2/3)O3), PZT(Pb(Zr0.47Ti0.53)O3) 또는 그 조합 중 어느 하나를 혼합하여 제조한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서에 있어서, 상기 진동판 및 상기 전극은, 상기 유동 유전체와 접하는 면에 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서에 있어서, 상기 진동판은 금속층이 코팅된 절연성 필름인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서에 있어서, 상기 전극은 상기 입력전압에 따라 진동하여 음압을 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서에 있어서, 상기 전극은, 금속층이 코팅된 절연성 필름인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서는 높은 유전율을 가지는 액체 상태, 졸 상태 또는 겔 상태의 유동 유전체를 진동판 및 평판에 개재함으로써 모바일 IT 기기 환경에 적합하도록 박형화가 용이하고 저전압 구동이 가능하도록 하는 효과를 제공한다.
도 1은 종래기술에 따른 정전형 음향 트랜스듀서의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 정전형 음향 트랜스듀서의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서를 도시한다. 본 발명에 따른 정전형 음향 트랜스듀서는 진동판(110), 전극(120), 유동 유전체(150), 전압 입력부(130)를 포함하여 구성된다.
진동판(110)은 전도성을 가짐으로써 캐패시터의 전극으로서 기능할 뿐 아니라 입력전압에 따라 진동하여 음압을 생성하는 기능을 수행한다. 진동판(110)은 통상의 진동막과 유사하게 금속층이 스퍼터링 등의 방법으로 코팅된 절연성 필름으로 구현할 수 있다.
전극(120)은 전도성을 가지고 진동판(110)에 대향하여 설치된다. 전극(120)은 PCB 기판, 금속판재 등으로 입력전압에도 불구하고 진동을 제공하지 않도록 구현할 수도 있고, 정전형 음향 트랜스듀서의 상면과 하면으로 음압을 제공하기 위해 진동판(110)과 동일하게 입력전압에 따라 진동하여 음압을 생성하도록 구현할 수도 있다. 이 경우 전극(120)은 금속층이 코팅된 절연성 필름으로 구현한다.
유동 유전체(150)는 상대유전율이 적어도 1.5 이상이고 진동판(110) 및 전극 (120) 사이에 개재되며, 진동판(150)이 자유롭게 진동할 수 있도록 액체 상태, 졸 상태 또는 겔 상태로 구현한다. 유동 유전체(150)가 액체 상태인 경우에도 진동판(110)과 전극(120) 사이는 간격이 좁기 때문에 액체의 표면장력에 의해 흘러내리지 않고 유지될 수 있으며 보다 안정적인 결합을 위해 유동 유전체(150) 졸 상태 또는 겔 상태인 것이 바람직하다.
기존의 정전형 스피커에서 높은 구동전압을 필요한 이유는 도 1에 도시된 바와 같이 진동판(10)과 전극(20)사이에 존재하는 공간은 공기로 구성되고 그 유전율이 너무 작기 때문이다. 그런데 유동 유전체(150)의 상대유전율이 약 1000이고, 진동판과 전극사이의 간격을 0.5 mm로 하는 경우, 구동전압을 3 V 수준으로 낮출 수 있어 별도의 승압장치 없이 다이나믹 마이크로 스피커와 동등한 성능을 구현할 수 있다.
유동 유전체(150)는 예컨대 상대유전율이 100 이상인 이른바 하이-케이(High-K) 물질이 적합하다. 하이-케이 물질은 반도체 미세회로 공정에서 높은 유전율을 유지하기 위해 사용되는 물질로 상대유전율이 140인 STO(SrTiO3), 비유전율이 300 ~ 500인 BST((Ba1-xSrx)TiO2), 상대유전율이 300인 BZT(Ba(Ti1-xZrx)O3), 상대유전율이 800 ~ 1000인 PLZT((Pb1-xLax)(Zr1-yTiy)O3), 상대유전율이 1000 ~ 2000인 PMN(Pb(Ma1/3Nb2/3)O3), 상대유전율이 1000 이상인 PZT(Pb(Zr0.47Ti0.53)O3)를 예시할 수 있다.
졸상의 유동 유전체(150)로는 하이드로졸 또는 오르가노졸을 매질로 사용하고, 이러한 매질에 하이-케이 물질인 STO(SrTiO3), BST((Ba1-xSrx)TiO2), BZT(Ba(Ti1-xZrx)O3), PLZT((Pb1-xLax)(Zr1-yTiy)O3), PMN(Pb(Ma1/3Nb2/3)O3), PZT(Pb(Zr0.47Ti0.53)O3) 또는 그 조합 중 어느 하나를 혼합하여 제조할 수 있다.
겔 상의 유동 유전체(150)로는 하이드로졸 또는 다공성 크세로겔을 매질로 사용하고, 이러한 매질에 하이-케이 물질인 STO(SrTiO3), BST((Ba1-xSrx)TiO2), BZT(Ba(Ti1-xZrx)O3), PLZT((Pb1-xLax)(Zr1-yTiy)O3), PMN(Pb(Ma1/3Nb2/3)O3), PZT(Pb(Zr0.47Ti0.53)O3) 또는 그 조합 중 어느 하나를 혼합하여 제조할 수 있다.
상대유전율이 100 이상으로 높은 물질이 아닌 예컨대 상대유전율이 2~10인 물질을 유동 유전체(150)로 사용할 수도 있다. 이 경우 종래기술과 동일하게 입력전압을 증폭하기 위한 증폭회로가 요구된다. 이러한 실시예의 경우에도 증폭율이 높지 않기 때문에 공기를 유전체로 사용하는 종래의 정전형 스피커와 비교하여 전력소모 및 발열에 이점을 갖을 수 있다.
한편, 전도성을 갖는 매질을 유동 유전체(150)로 사용하는 경우 진동판(110) 및 전극(120)의 유동 유전체(150)에 접하는 면은 절연층을 더 포함함으로써 매질에 의한 전기적 단락을 방지할 수 있다. 한편 유동 유전체(150)가 전도성을 갖지 않더라도 다습한 환경에서 사용하는 경우 습기에 의해 전기적 단락이 발생할 수 있기 때문에 전도성을 갖지 않는 매질을 유동 유전체(150)에 사용하는 경우에도 진동판(110) 및 전극(120)은 유동 유전체와 접하는 면에 절연층을 더 포함하는 것이 바람직하다.
전압 입력부(130)는 오디오 신호에 따른 입력전압을 제공하는 기능을 수행한다.
110 : 진동판 120 : 전극
130 : 전압 입력부 150 : 유동 유전체

Claims (8)

  1. 전도성을 가지는 진동판;
    상기 진동판에 대향하여 설치되며 전도성을 가지는 전극;
    상대유전율이 적어도 1.5 이상이고 상기 진동판 및 상기 전극 사이에 개재되는 액체 상태, 졸 상태 또는 겔 상태의 유동 유전체;
    오디오 신호에 따른 입력전압을 제공하는 전압 입력부;를 포함하여 구성되고,
    상기 진동판은 상기 입력전압에 따라 진동하여 음압을 생성하는 것을 특징으로 하는 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 유전체는, 상대유전율이 100 이상인 것을 특징으로 하는 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유동 유전체는, 하이드로졸 또는 오르가노졸을 매질로 STO(SrTiO3), BST((Ba1-xSrx)TiO2), BZT(Ba(Ti1 - xZrx)O3), PLZT((Pb1 - xLax)(Zr1 - yTiy)O3), PMN(Pb(Ma1/3Nb2/3)O3), PZT(Pb(Zr0 .47Ti0 .53)O3) 또는 그 조합 중 어느 하나를 혼합하여 제조한 것을 특징으로 하는 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 유동 유전체는, 하이드로겔 또는 다공성 크세로겔을 매질로 STO(SrTiO3), BST((Ba1-xSrx)TiO2), BZT(Ba(Ti1-xZrx)O3), PLZT((Pb1-xLax)(Zr1-yTiy)O3), PMN(Pb(Ma1/3Nb2/3)O3), PZT(Pb(Zr0.47Ti0.53)O3) 또는 그 조합 중 어느 하나를 혼합하여 제조한 것을 특징으로 하는 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동판 및 상기 전극은, 상기 유동 유전체와 접하는 면에 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 진동판은, 금속층이 코팅된 절연성 필름인 것을 특징으로 하는 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 입력전압에 따라 진동하여 음압을 생성하는 것을 특징으로 하는 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전극은, 금속층이 코팅된 절연성 필름인 것을 특징으로 하는 유동 유전체를 이용한 정전형 음향 트랜스듀서.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018195230A1 (en) * 2017-04-18 2018-10-25 Massachusetts Institute Of Technology Electrostatic acoustic transducer

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