KR20170096099A - 그래핀 산화물 기반 음향 트랜스듀서 형성 방법 및 소자 - Google Patents

그래핀 산화물 기반 음향 트랜스듀서 형성 방법 및 소자 Download PDF

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Abstract

음향 트랜스듀서 멤브레인에 사용된 재료는 실제 시스템에서 이루어지게 될 많은 절충을 필요로 하는 매우 특별한 품질을 요구한다. 그래핀 및 그래핀 관련 물질은 많은 음향학적 변환 시스템의 성능에 중요한 기여를 할 수 있는 몇 가지 예외적인 특성을 가진 새로 발견된 등급의 물질이다. 따라서 본 발명자들은 낮은 비용의 제조 및 처리 기술을 이용하는 리본 마이크로폰 및 다이어프램 확성기의 기초로서 그래핀 산화물 기반 트랜스듀서를 확립했다.

Description

그래핀 산화물 기반 음향 트랜스듀서 형성 방법 및 소자{GRAPHENE OXIDE BASED ACOUSTIC TRANSDUCER METHODS AND DEVICES}
[관련 출원의 상호 참조]
본 특허 출원은 2014년 10월 6일에 출원되고 발명의 명칭이 "Graphene Oxide based Acoustic Transducer Methods and Devices"이며 전체 내용이 참조로서 여기에 인용된 미국 임시 특허 출원 62/060,043의 혜택을 주장한다.
본 발명은 음향 트랜스듀서에 관한 것으로, 특히 그래핀 산화물 기반 음향 트랜스듀서에 관한 것이다.
마이크라고도 알려진 마이크로폰은 매개체(일반적으로 공기) 내에서 소리를 전기 신호로 변환하는 음향-전기 변환기 또는 센서이다. 마이크로폰은 전화, 게임 콘솔, 보청기, 공공 주소 시스템, 영화 및 비디오 제작, 라이브 및 녹음 오디오 엔지니어링, 양방향 라디오, 라디오 및 텔레비전 방송과 같은 많은 어플리케이션과, 녹음, 음성 인식, VoIP(voice-over-IP)을 위한 그리고 초음파 검사 센서 또는 노크 센서와 같은 비음향 목적을 위한 컴퓨터에 사용된다.
대부분의 마이크로폰은 오늘날 전자기 유도(다이나믹 마이크로폰), 커패시턴스 변화(콘덴서 마이크로폰) 또는 압전(압전 마이크로폰)을 이용하여 공기압 변화로부터 전기 신호를 생성한다. 또한 마이크로폰은 사용 및/또는 녹음을 위해 신호가 오디오 전력 증폭기에 의해 증폭되기 전에 전치증폭기와 함께 사용되어야 한다.
다이나믹 마이크로폰은 전자기 유도를 통해 작동하고, 견고하고, 비교적 저렴하고, 그리고 수분에 강하다. 이는 피드백 이전에 그것들의 잠재적으로 높은 게인과 결합되어 있어 무대 위 사용을 위해 그것들을 이상적으로 만든다. 대부분의 통상적인 다이나믹 마이크로폰은 오늘날 다이어프램에 부착된, 영구 자석의 자기장에 위치하는 소형 가동 유도 코일을 이용하는 무빙-코일 마이크로폰이다. 다이어프램이 음향 자극 하에서 진동하면 코일은 자기장 내에서 움직이게 되어 전자기 유도를 통해 코일 내에서 가변 전류를 생성한다. 단일 다이나믹 멤브레인은 모든 오디오 주파수에 대해 선형으로 반응하지 않으므로 일부 다이나믹 마이크로폰은 오디오 스펙트럼의 상이한 부분들에 대해서 다중 멤브레인을 이용하여 결과 신호들을 결합한다. 다중 신호들을 정확히 결합하는 것은 어렵고, 이를 행하는 설계는 비싸지만 일부 다른 설계는 보다 구체적으로는 오디오 스펙트럼의 고립된 부분을 겨냥한다.
리본 마이크로폰은 얇고, 자기장에서 매달린 보통 물결모양의 금속 리본을 사용한다. 리본은 마이크로폰의 출력에 전기 접속되고, 자기장 내에서의 그것의 진동은 전기 신호를 생성한다. 리본 마이크로폰은 자기 유도에 의해 소리를 생성한다는 의미에서 가동 코일 마이크로폰과 유사하다. 그러나 기본 리본 마이크로폰은 전, 후로 소리 나도록 열려있는 리본이 소리 압력보다는 오히려 압력 구배에 응답하기 때문에 양방향 패턴으로 소리를 검출한다.
리본 마이크로폰은 일단 민감하고 비싸지만, 현대의 재료는 현대의 몇몇 리본 마이크로폰을 일단 제한적인 스튜디오 환경 밖에 있는 어플리케이션에 매우 적합하고 내구성 있게 만든다. 리본 마이크로폰은 주파수 스펙트럼의 하이 엔드(high end)에서 종종 주관적으로 "공격적"이거나 또는 "취약한"것으로 들릴 수 있는 콘덴서 마이크로폰과 매우 적절히 비교할 때 고주파수 디테일(high-frequency detail)을 포착할 수 있는 능력에 있어서 우수한 것으로 평가된다. 쌍방향 픽업 패턴 때문에, 리본 마이크로폰은 종종 쌍으로 사용되어 블룸레인 쌍 녹음 배열(Blumlein Pair recording array)을 형성한다. 표준 쌍방향 픽업 패턴 외에, 리본 마이크로폰은 음향 트랩 또는 배플(baffle)에서 리본의 다른 부분을 둘러싸서 구성될 수 있으므로, 예컨대 이들 구성이 휠 씬 덜 일반적일 지라도 카디오이드(cardioid), 하이퍼카디오이드(hypercardioid), 무지향성 및 가변적인 극성 패턴을 허락한다.
스피커 또는 라우드-스피커라고도 알려진 확성기는 전기 신호 입력에 응답하여 소리를 생성한다. 오늘날 대부분의 일반적인 스피커는 다이나믹 마이크로폰과 동일한 기본원리로 작동하지만 역으로 전기 신호로부터 소리를 생성하기 위해 작동하는 다이나믹 스피커(dynamic speaker)이다. 교류 전기 오디오 신호 입력이 보이스 코일을 통해 영구 자석의 극들 사이의 원형 갭 내에 매달려 있는 와이어 코일에 적용되면, 이 코일은 페러데이의 유도 법칙으로 인해 앞뒤로 빠르게 움직이게 되는데, 이는 코일에 부착된 종이 원뿔을 앞뒤로 움직이면서 음파를 생성하기 위해 공기를 밀어 넣는다.
넓은 범위의 주파수를 적절히 재생하기 위해 많은 확성기 시스템은 특히 높은 음압 레벨 또는 최대 정확도를 위해 두 개 이상의 확성기를 사용합니다. 개별 확성기는 상이한 주파수 범위를 재생하는 데 사용됩니다. 이들 확성기는 일반적으로 서브우퍼(매우 낮은 주파수용); 우퍼(저주파수용); 미드-레인지 스피커(mid-range speaker)(중간 주파수용); 트위터(tweeter)(고주파수용); 및 때때로 최고 가청 주파수를 위해 최적화된 수퍼 트위터(supertweeter)라고 불린다.
마이크로폰과 마찬가지로, 자기장 내에서 매달려있는 얇은 금속 필름 리본을 사용하는 리본 스피커는 리본의 질량이 적기 때문에 매우 좋은 고주파수 응답을 제공하며, 이를 테면 트위터와 수퍼 트위터에 사용되는 경향이 있습니다. 리본의 연장 부는 비록 실제의 리본 스피커는 아니지만 편평한 다이어프램에 인쇄 된 또는 매입 된 도체를 사용하는 평면 자기 스피커이며(여기서, 코일 내에 흐르는 전류는 자기장과 상호 작용한다), 적절하게 설계되면 구부러지거나 주름지지 않고 움직이는 멤브레인을 생성한다. 구동력을 경험하는 멤브레인 표면의 상당 부분이 코일 구동 플랫 다이어프램의 공진 문제를 감소시킵니다.
휴대용 멀티미디어 플레이어, 휴대용 게임 시스템, 스마트폰 등과 함께, 확성기 및 마이크로폰 시장은 주거용 어플리케이션 등으로부터 볼륨을 감추는 지난 십년동안 상당히 팽창되었다. 2013년에 전세계 시청각 헤드폰 시장은 약 3억 세트가 판매되어 약 80억 달러로 추정되었다. 마이크로폰이 장착 된 헤드폰은 전세계 출하량의 거의 20%를 차지하는 신흥 추세이며 2017년에 40%까지 성장할 것으로 예상된다. 동시에 휴대용 어플리케이션에서 인-이어 형 "이어 버드(ear bud)"와 같은 저가의 헤드폰은 주로 Beats™, SkullCandy™와 같은 회사의 마케팅 및 브랜딩의 결과로서 기존의 귓가 헤드폰이나 온-이어 헤드폰에 큰 시장 점유율을 잃어 가고 있다. 이를테면 프리미엄 시청각 (AV) 장비는 이제 역사적으로 AV 기기가 필수 액세서리 일 뿐인 시장을 지배하고 있다.
따라서 현재 레코딩 스튜디오에서 주로 사용하고 있는 리본 마이크로폰으로부터 달성될 수 있는 기술적 성능을 AV 장비의 보다 폭 넓은 글로벌 마켓 플레이스로 활용하는 것이 유익할 것이다. 마찬가지로, AV 장비의 광범위한 글로벌 시장에 리본 및/또는 평면적 확성기 설계를 활용하는 것이 유익 할 것이다. 리본 마이크로폰 및 확성기의 기계적 강도를 향상시키고 이러한 마이크로폰 및 확성기의 재료 및 구현 비용을 줄이는 새로운 소재를 확립하는 것이 더욱 도움이 될 것이다.
본 발명의 목적은 음향 트랜스듀서, 보다 구체적으로는 그래핀 산화물 기반 음향 트랜스듀서에 관한 종래 기술에서의 한계를 극복하는 것이다.
본 발명의 실시예에 의하면, 용액으로부터 그래핀 함유 물질을 증착 및 처리하여 그래핀 함유 필름을 형성하는 단계; 및 상기 그래핀 함유 필름을 열처리하여 그것의 전기적 특성을 조절하는 단계를 포함하는, 음향 트랜스듀서를 형성하는 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 실리콘 기반 MEMS 제조 공정을 이용하여 MEMS 음향 트랜스듀서의 제 1 소정 부분을 제작하는 단계; 및 그래핀 함유 물질을 증착 및 처리함으로써 상기 MEMS 음향 트랜스듀서의 제 2 소정 부분을 제작하는 단계를 포함하는, 음향 트랜스듀서를 형성하는 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 적어도 하나의 그래핀 함유 물질을 포함하는 음향 트랜스듀서 소자가 제공된다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 예로서 설명할 것이다.
도 1은 그래핀 산화물 페이퍼의 층상 나노 구조와 본 발명의 실시예에 의해 제조된 열 환원 후의 그것의 구조를 도시하는 주사 전자 현미경 사진 및 광학 현미경 사진을 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 그래핀 산화물 리본의 생산을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의해 제조되고 사용된 알루미늄 코팅 그래핀 산화물 리본을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 리본 재료의 강도 및 탄성률을 측정하기 위한 기계적 시험 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 그래핀 산화물 리본 및 알루미늄 산화물로 코팅된 그래핀 산화물 리본에 대한 응력 변형 곡선을 도시한다.
도 6은 설치된 본 발명의 실시예에 의한 클링핑(crimping)되고 알루미늄 코팅되어 환원된 그래핀 산화물 리본을 가진 리본 마이크로폰 모터의 화상을 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 그래핀 산화물 리본의 감도 대 주파수의 그래프를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 의한 예시적인 헤드폰용 확성기를 도시한다.
도 9a 및 9b는 각각 편평한 고 다이어프램 확성기(GO diaphragm loudspeaker)를 종래 기술에 의한 편평하고 성형된 마이라 다이어프램(Mylar diaphragm)과 비교한 실험결과를 도시한다.
도 9c는 편평한 고 다이어프램 확성기를 종래 기술에 의한 편평하고 성형된 마이라 다이어프램과 비교한 실험 결과를 도시한다.
본 발명의 다른 양상 및 특징은 첨부 도면과 함께 본 발명의 특정 실시예에 대한 다음 설명을 검토하면 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명은 음향 트랜스듀서에 관한 것으로, 특히 그래핀 산화물 기반 음향 트랜스듀서에 관한 것이다.
이하의 설명은 예시적인 실시예(들)만을 제공하며, 본 개시의 범위, 적용 가능성 또는 구성을 제한하려는 것은 아니다. 오히려, 예시적인 실시예(들)의 후속하는 설명은 예시적인 실시예를 구현하기 위한 가능한 설명을 당업자에게 제공 할 것이다. 첨부된 청구 범위에 기재된 사상 및 범위를 벗어나지 않고 구성 요소의 기능 및 배열에 있어서 다양한 변경이 가해질 수 있음을 이해해야한다.
여기 및 본 명세서 전반에 걸쳐 사용된 "휴대용 전자 장치"(PED)는 배터리 또는 기타 독립적인 형태의 전력 에너지를 필요로 하는 통신 및 기타 어플리케이션을 위해 사용된 무선 장치를 말한다. 이는 셀룰라 폰, 스마트폰, 개인 휴대 정보 단말기(PDA), 휴대용 컴퓨터, 호출기, 휴대용 멀티미디어 플레이어, 휴대용 게임 콘솔, 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터 및 전자 판독기 등의 장치를 포함하나, 이에 한정되지는 않는다.
여기 및 본 명세서 전반에 걸쳐 사용된 "고정식 전자 장치(FED)"는 고정된 인터페이스에 연결하여 전력을 얻도록 요구하는, 통신 및 기타 어플리케이션을 위해 사용되는 무선 및/또는 유선 장치를 말한다. 고정식 전자 장치는 랩톱 컴퓨터, 개인용 컴퓨터, 컴퓨터 서버, 키오스크, 게임 콘솔, 디지털 셋톱박스, 아날로그 셋톱박스, 인터넷 가능 기기, 인터넷 가능 TV 및 멀티미디어 플레이어를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
여기 및 본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 "음향 트랜스듀서"는 전기 신호를 매개체내에서 전파되는 음향 신호로 변환하고 그리고/또는 매개체 내에서 전파되는 음향 신호를 전기 신호로 변환하는 구성 요소, 장치, 또는 이 구성 요소, 장치 또는 시스템 내의 소자를 말한다. 이와 같은 음향 트랜스듀서는 PED, FED, 웨어러블 장치, 및 예컨대 헤드폰과 같은 기타 장치의 일부를 형성하는 마이크로폰 및 확성기를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
여기에서 사용된 "유저"는 생체 인식 데이터가 국부적으로 또는 원격으로 모니터링, 수집, 저장, 전송, 처리 및 분석될 수 있는 개인 또는 개인의 그룹을 말하지만, 이에 한정되지는 않는다. 여기서 대시보드, 웹 사이트, 소프트웨어 플러그인, 소프트웨어 어플리케이션을 통한 서비스 공급자, 타사 공급자, 기업, 소셜 네트워크, 소셜 미디어 등과의 계약에 의해, 그래픽 유저 인터페이스가 예를 들어, 전자 컨텐트를 수집한다. 이것은 사적 개인, 조직 및/또는 기업의 직원, 지역 사회 단체의 회원, 자선 단체 회원, 남성, 여성, 아동, 청소년, 동물을 포함하지만 이에 제정되지는 않는다. 가장 넓은 의미에서, 유저는 음향 트랜스듀서를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있는 소프트웨어 시스템, 기계 시스템, 로봇 시스템, 안드로이드 시스템 등을 더 포함 할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다.
"웨어러블 장치" 또는 "웨어러블 센서"는 의류의 아래, 내부, 상단 또는 의류와 함께 유저가 착용하는 반면에 범용 또는 특수 목적의 정보 기술 및 미디어 개발과 관련된 "웨어러블 컴퓨터"를 포함하는 광범위한 등급의 웨어러블 기술의 일부인 소형 전자 장치, 전자 장치, 전자 부품 및 전자 트랜스듀서와 관련된다. 이러한 웨어러블 장치 및/또는 웨어러블 센서 및/또는 트랜스듀서는 스마트폰, 스마트워치, 전자 섬유, 스마트셔츠, 활동 추적기, 스마트안경, 스마트헤드기어, 센서, 네비게이션 시스템, 알람 시스템, 및 의료 테스트 및 진단 장치를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
1. 그래핀
그래핀(육각형 결정 격자 내에 배열된 탄소 원자의 단일층)은 2004년에 A. Geim and K. Novoselov에 의해 먼저 분리되었다. 이 안정적인 2D 재료의 발견은 전기적 특성에 대한 연구를 이끌어 냈다; 여기서, 다른 탄소 결정 구조와 달리 다이아몬드와 흑연(각각 절연체와 도체) 그래핀의 전기의 특성은 전기장으로 조정할 수 있다. 우리의 현대 기술 시대의 중요한 빌딩 블록의 기초를 형성하는 실리콘에서 발견된 이 특성은 그래핀을 사용하여 더 빠르고 더 저렴하며 보다 효율적인 전자 제품의 약속을 했으며, 그래핀 및 관련 재료의 기본 특성에 대한 중요한 연구를 이끌어 냈다. 그래핀의 기계적 성질을 측정 한 결과, 그래핀의 고유 강도는 130,000 MPa였고, 그것을 지금까지 측정된 가장 강한 재료 중 하나임과 아울러 가장 강한 강보다 25배 강하게 만든 것으로 나타났다. 강성의 척도인 영률은 1TPa로 보고된다. 그것의 강성 및 낮은 밀도 때문에, 그래핀 내에서의 음속은 알려진 물질 중에서 가장 빠른 속도인 20,000m/s이다.
1.1 그래핀 물질
그래핀 물질의 고강도 및 저질량은 리본 트랜스듀서에 사용된 알루미늄 리본에 의해 나타나는 몇 가지 문제를 극복하는 데 적합하게 만들고, 다른 트랜스듀서 멤브레인에서도 사용됨을 발견할 수 있다. Zhou는 우수한 오디오 성능을 갖춘 35 층, 3.5mm 직경의 그래핀 멤브레인을 사용하여 인-이어(in-ear) 정전기 스피커를 시연했다. 이 예는 순수 그래핀 멤브레인으로 얻을 수 있는 성능을 보여 주지만, 생산 방법은 특히 대용량 소비자 어플리케이션을 고려할 때 효과적인 비용을 증명할 수 없는 고온 화학 기상 증착 기술과 희생적인 고순도 니켈 필름(sacrificial high purity nickel film)을 필요로 한다.
본 발명의 실시예에서, 생산하기에 덜 비싼 전구물질로부터 대규모 멤브레인을 생산하는 다른 방법은 순수한 그래핀의 혜택을 유지하면서 큰 사이즈 및 복잡한 형태가 제공되는 것을 허용한다. 본 발명의 실시예에 의한 이 제조 방법과 함께 작용하는 가장 단순한 전구체들 중 하나는 40 중량%의 산소까지 함유하는 산화된 형태의 그래핀인 그래핀 산화물(GO)이다. GO는 강산 및 초음파 교반을 사용하여 벌크 흑연으로부터 생산되는 치수가 일반적으로 10 ~ 20㎛ 인 작은 흑연 플레이크(graphene flake)를 박리 및 산화하여 생산될 수 있다. 플레이크의 표면에 부착된 산소기는 물과 같은 극성 용매에 쉽게 분산되도록 하는 표면 전하를 부여하지만, 10㏁·m 정도의 정사각형 GO 필름의 일반적인 저항률을 가진 GO 절연체를 만든다. 그러나 GO는 산화에 의해 유도된 결함이 물질 내의 공유 결합 탄소 결합의 수를 감소시키기 때문에 GO의 개별적인 플레이크의 기계적 성질이 순수 그래핀과 비교하여 강도 항목에서 상당히 높지는 않지만, 면내 공유 결합 탄소 결합으로 인해 육각형 그래핀 격자의 높은 강도를 유지한다.
GO는 GO 페이퍼라고 하는 층류 필름으로 자체 조립할 수 있는 탁월한 능력을 가지고 있습니다[Dickin 등에 의한 "Preparation and Characterization of Graphene Oxide Paper" (Nature 448, pp.457) 참조]. GO 페이퍼는 쉽게 변화될 수 있는 물리적 치수와 두께를 가진 유연하고 내구성 있는 재료를 제공한다. 도 1을 참조하면, 제 1 이미지(100)에는 주사 전자 현미경으로 촬영한 현미경 사진에서의 GO 페이퍼의 층 구조가 묘사된다. GO 페이퍼의 기계적 강도는 GO 플레이크 자체의 기계적 성질과 적층된 플레이크 사이의 층간 수소 결합의 조합으로부터 나온다. GO 페이퍼의 특성은 다른 분자를 사용하여 폴리(비닐 알코올)와 같은 시트를 함께 "접착"함으로써 더욱 조정할 수 있습니다. GO 페이퍼 시트를 형성하는 기술 중의 하나는 GO의 수성 현탁액으로부터 무기 여과기 상으로의 진공 여과를 통해 또는 적절한 기재 상에 증착 및 수동 증발을 통해 이루어진다.
GO 페이퍼는 물질의 높은 산소 함량 때문에 높은 절연성을 갖지만, 산소는 환원이라는 과정을 통해 제거 될 수 있다. 환원된 GO(rGO) 페이퍼를 생산하는 기술 중 가장 간단한 기술은 GO 페이퍼를 고온에 노출시켜 열 환원시키는 것입니다. 예를 들어, 270℃ 이상에서 산소의 대부분은 제거된다. 도 1의 제 2 이미지(150)는 rGO 페이퍼 필름 단면의 현미경 사진을 도시한다. 불활성 대기에서 고온으로 가열하면 산소가 추가로 제거된다. 대안으로, 예를 들어, 하이드라진 또는 요오드화 수소산과 같은 강한 환원제에 의한 화학적 환원은 저산소 함량의 환원된 GO 필름을 생성할 수 있다. rGO 필름의 저항은 환원 방법에 의존하지만, rGO 필름의 비저항은 30
Figure pct00001
만큼 낮을 수 있다.
1.2. 리본 트랜스듀서 어플리케이션
음향 트랜스듀서 물질로서 GO 및 rGO 페이퍼 필름을 시험하기 위해, 리본 마이크로폰은 높은 강도와 낮은 질량의 이점이 명백한 최적의 시험 플랫폼으로 발명자에 의해 채택되었다. 리본 마이크로폰은 오늘날에도 사용되는 가장 오래된 오디오 기술 중 하나이며 경량의 전도성 리본이 자기장내에서 매달려서 음파로부터의 압력 구배로 인한 자기장 내에서의 리본 움직임이 전류를 유도하는 우아하고 단순한 시스템이다. 이 시스템의 속도 및 이에 따른 높은 주파수 응답은 리본의 무게에 의해 질량 조절된다. 리본 자체의 저항이 낮기 때문에 리본 마이크로폰의 출력 임피던스는 일반적으로 마이크로폰의 출력에서 스텝-업 트랜스포머(step-up transformer)를 통해 반사되는 리본의 저항에 의해 결정된다.
리본 트랜스듀서에서 성공적으로 사용되는 물질은 매우 낮은 질량과 매우 높은 전도율을 가져야한다. 결과적으로 리본은 역사적으로 고순도 알루미늄으로 만들어졌으며, 알루미늄의 저밀도(2.7g/cm2) 리본을 사용하여도 여전히 얇게 만들어야 만하므로 기계적 무결성 문제가 발생한다. 알루미늄의 강도는 비교적 높으며, 최대 강도가 60ΜΡα이지만 기계적 강도와 질량의 상충 관계가 있으므로 실제로 알루미늄 리본은 매우 약해 취급 및 설치시 주의를 기울여야한다. 이와 같은 리본 마이크로폰의 적용은 역사적으로 이러한 트랜스듀서의 대부분의 모델에 사용된 매우 얇은 알루미늄의 취약한 특성으로 인해 제한적이었다.
파손의 문제 외에도, 알루미늄의 연성은 높고, 높은 음압 레벨이 존재하는 곳에서는 소성 변형이 발생할 수 있다. 리본의 변형은 리본 어셈블리의 공진 주파수의 영구적인 변화와 알루미늄 물질의 약화를 가져온다. 따라서 손상된 리본은 교체 또는 재조정이 필요하며, 이 정기적인 유지 보수는 리본 마이크로폰의 소유 비용을 크게 증가시킬 수 있다. 따라서 본 발명자는 고강도 저질량의 그래핀 물질 (예를 들어, GO 페이퍼 및 rGO 페이퍼)이 리본 트랜스듀서에서 일반적으로 사용되는 알루미늄과 같은 물질에 대한 이러한 단점을 극복하는 데 적합하게 만든다.
2. 그래핀 산화물 리본의 설계 및 생산
GO 페이퍼 리본 음향 트랜스듀서에 대한 본 발명의 실시예의 다음의 설명에서, 프로토타입 리본 물질은 그것들의 치수 및 두께가 시판되는 알루미늄 리본에 가능한 한 유사하게 유지되도록 형성되어, 물질은 질량 및 기계적인 특성으로 판정 될 수 있다. 제 1 물질은 알루미늄 코팅된 GO 리본이다. 매우 얇은 알루미늄의 코팅은 절연성 GO를 전도성으로 만들었고, 질량을 크게 증가시키지 않았다. 제 2 물질은 전도성을 향상시키기 위해 얇은 알루미늄 코팅이 양면에 첨가된 열 환원된 rGO 리본이었다.
2.1 GO 페이퍼 합성
GO 및 rGO 페이퍼 필름의 합성은 물에서의 단일 층 GO 플레이크의 현탁으로부터 시작된다. 여기에 보고된 리본 내에서 사용된 단순 증발 생산 방법의 스텝은 도 2에 도시된다. 이를 테면:
● 스텝 210 - 물에서의 GO 플레이크 현탁액의 제조;
● 스텝 220 - 폴리머 기판을 GO 현탁액으로 코팅하고, 물이 증발되고 GO 플레이크가 적층 구조로 자기 조립되는 필름을 건조시키기 위해 건조를 함;
● 스텝 230 - GO 필름이 폴리머 기판에서 조심스럽게 박리됨;
● 스텝 240 - GO 필름이 조각으로 절단됨;
● 스텝 250 - (선택사항) GO 리본이 280℃의 오븐에 배치되어 rGO 리본을 생산함; 및
● 스텝 260 - GO(또는 rGO) 리본이 클림핑됨.
최종 GO 필름의 두께는 증착된 GO의 양에 의해 조절될 수 있다. 리본의 전도성이 리본 트랜스듀서 감도에 중요한 요소이기 때문에 GO 리본을 전도성으로 만들고, rGO 리본의 전도성을 향상시키기 위해 100㎚의 알루미늄이 전자빔 증발에 의해 각 리본에 증착된다. 보다 일반적인 플라즈마 스퍼터링을 포함하는 다른 방법이 알루미늄 증착에 사용될 수 있지만, 증발이 비교적 완만한 공정이며 보다 높은 정확도로 두께를 제어할 수 있다. 선택적으로, 예를 들어 금 또는 은과 같은 다른 금속을 포함하는 다른 높은 도전성 물질이 증착될 수 있다. 그러나 그것의 알루미늄에 대한 이러한 실험은 질량과 전도성의 절충안으로 선택되었다. 리본을 주름진 형태로 몇 시간 동안 압착하여 클림핑(crimping)을 만들었다. 실험에서 사용된 주름 리본의 사진이 도 3에 도시되어 있다.
3. 실험 결과
GO 및 rGO 리본의 물리적, 기계적 및 음향 특성의 비교 측정이 이루어졌으며, 종래 기술에 의한 전통적인 알루미늄 리본과 비교되었다. 각 리본은 마이크로폰 어플리케이션도 사용되었으며, 전류로 시스템을 구동하여 작동하는 스피커도 시연되었다. 3가지 리본 타입은 강도, 가소성 및 전도성에 있어서 중요한 차이를 나타냈다. 출력 레벨의 차이도 상당했지만, 서로 다른 리본의 상대적 주파수 응답은 일관되었다.
3.1. 물리적 특성
비교된 3가지 리본의 물리적 특성, 즉 종래 기술의 알루미늄 리본과 본 발명의 실시예에 의한 GO/rGO 리본이 표 1에 요약되어있다. rGO 리본은 무게가 가장 가벼운 물질로서 무게가 0.74mg이며, 밀도가 가장 낮았으며(1.25g/cm3), 두께가 알루미늄 리본의 두께에 필적하며 3㎛이었다. GO 리본의 두께는 5㎛였으며, 무게가 더 컸고(1.81mg), 알루미늄 리본에 필적한 밀도(2.2g/cm3)를 가졌다. 리본 저항이 가장 큰 차이를 보였다. GO 리본의 비저항은 15.5
Figure pct00002
으로 측정되었는데, 이는 0.054
Figure pct00003
인 순수 알루미늄 리본보다 훨씬 높았다. 그러나 각면이 있는 rGO 리본의 경우 1.75
Figure pct00004
에 이르는 샘플의 비저항을 제공하는 100㎚의 알루미늄으로 증착되었다.
알루미늄 rGO GO
두께(um) 2.5 3.0 5.0
무게(mg) 1.10 0.74 1.81
밀도(g/cm3) 2.4 1.25 2.2
알루미늄 두께(㎚) 2500 200 100
저항(Ω) 0.3 8 41
비저항(
Figure pct00005
)		 0.054 1.750 15.500
표 1: 시험 리본의 측정된 물질 특성
3.2 기계적 시험
인장 강도 시험은 샘플의 탄성뿐만 아니라 얇은 리본을 신장 및 파단시키는 데 필요한 힘을 결정할 수 있게 한다. 이 시험으로부터 물질의 강도와 영률, 변형률 곡선의 기울기 및 물질의 강성 측정이 결정될 수 있다. 도 5에서 명백한 바와 같이 3.5% 연신율에서 30MPa인 도 4에 도시된 설정을 사용하여 간편한 증발 방법으로 생산된 GO의 강도를 측정했다. 상용 리본 마이크로폰으로부터의 2.5㎛ 순수 알루미늄 리본 한 개가 상기 설정을 이용하여 측정된다. 도 5의 그래프는 알루미늄 및 GO 샘플과 rGO 샘플에 대한 응력 변형 곡선을 보여준다. 알루미늄 샘플은 탄성 신장 영역이 매우 좁으며(영역 Ⅰ), 재료의 연성으로 인해 신장된 소성 변형 영역으로 들어간다(영역 II). 기계적 테스트는 GO 재료가 알루미늄보다 강하고 변형된 후 이조(detuning)없이 훨씬 많은 힘을 처리 할 수 있음을 보여준다. rGO 샘플은 20MPa의 강도를 가진 다른 재료보다 훨씬 약하지만 파손되기 전에 변형되지 않는다.
3.3. 마이크로폰 측정
리본은 도 6에 도시된 바와 같이 두 개의 30mm 네오디뮴 바 자석들 사이에 5mm 갭이 있는 어셈블리에 설치되었다. 각 리본의 매달린 부분의 길이는 36mm이다. 공진 주파수는 낮은 주파수의 AC 전류로 리본을 구동하고 그것을 통과하는 전위의 증가를 측정함으로써 시험되었다. 모든 리본에서 공진 주파수는 20Hz 미만이었다. 시험하기 전에 모터 어셈블리의 양쪽 면에 와이어 메쉬 블라스트 쉴드(mesh blast-shield)를 배치했다.
시험 리본의 100Hz ∼ 20kHz(24 번째 옥타브 이동 평균)에서 측정된 감도를 도 7에 나타내었다. 100Hz 미만의 데이터는 사용된 설정으로 인해 신뢰할 수 없고 그래프 결과로부터 제거되었다. 모든 리본의 상대 주파수 응답은 도 7에서와 같이 거의 동일하며 변압기의 주파수 응답이 지배적일 수 있다. 알루미늄 리본의 중간 대역 감도는 약 2mV/Pa이다. rGO 리본은 유사하지만 약간 감소된 약 1mV/Pa 인 감도를 가진다. GO 리본의 감도는 대략 0.1mV/Pa에서 다른 두개의 감도보다 훨씬 낮았다. 이것은 리본의 높은 저항으로 인한 것 같다. 본 발명자는 공지된 그래핀의 전기 전도도 데이터와 함께 상기 측정 및 결과로부터 물질에 대한 최적화가 증가 된 기계적 성질을 유지하면서 순수한 알루미늄 리본의 감도보다 높은 감도를 갖는 그래핀 산화물 기반 리본을 생성해야 함을 나타낸다.
4. 다이어프램 확성기
리본 마이크로폰 다이어프램 스피커는 양호한 주파수 응답을 위해서 저음역과 고속 응답을 가진 다이어프램을 필요로 한다. 이것은 다시 낮은 총 질량을 가진 다이어프램을 선호한다. 음향 과도 현상과 같은 광대역 특성에 대한 인간의 인지는 다이어프램의 넓은 주파수 응답을 필요로 하고, 이것은 다음에 경량의 강성을 가진 감쇠 구조를 필요로 한다. 동시에 다이어프램 내에서 소리 생성의 품질은 다이어프램 자체를 통과하는 스탠딩 음파(standing acoustic wave)로부터 발생하는 "스피커 브레이크-업(speaker break-up)"이라는 현상에 의해 감소된다. 이것들은 기계적 공진 주파수를 증가시킴으로써 억압 될 수 있는데, 증가된 음향 속도를 갖는 다이어프램 물질을 선호한다.
상기 인자들을 고려한 성능 지수(FOM)는 물질 내의 소리의 속도를 물질의 밀도로 나눈 비율인 수학식 (1)에 의해 주어진다. 물질에서의 소리의 속도가 수학식 (2)에 의해 주어지고 이들을 결합하면 다음과 같은 수학식 (3)을 유도한다. 여기서 vs는 소리의 속도, E는 영률, ρ는 물질의 질량 밀도이다.
Figure pct00006
(1)
Figure pct00007
(2)
Figure pct00008
(3)
표 2를 참조하면 일반적인 물질 범위에 대한 물질 특성과 이러한 공통 물질에 대한 결과 FOM이 개시되어 있다. 이 베릴륨을 기초로 지금까지 가장 높은 FOM을 가지며, CVD 다이아몬드가 두 번째이다. 흑연의 물질적 특성에 기초하여 흑연 다이어프램은 FOM = 6.5 - 9.5 ·m4/kgs를 가지며, 흑연 산화물에 대한 FOM은 "스피커 브레이크-업(break-up)"이 없으며 낮은 총 질량을 갖는 유사한 성능의 확성기 다이어프램이 될 것으로 기대된다.
도 8을 참조하면, rGO 필름을 "클림핑(crimping)"함으로써 개략도(860)에 도시된 설계에 따라 성형된 다이어프램을 생산하여 형성된 rGO 다이어프램에 대한 제 1 및 제 2 광학 현미경 사진(800 및 850)이 도시되어 있다. 이러한 성형은 예컨대, 높은 전력 출력을 위한 더 큰 다이어그램이 좁은 방사 패턴을 갖는 트위터 확성기와 같은 확성기를 구현하는데 유익할 수 있다. "클림핑"은 rGO 물질이 놓여지고 압력이 가해지는 솔리드 몰드(solide mold)의 사용, 클림핑 공정 전 또는 도중의 고습도 조건, 수증기 또는 증기의 적용, 가요성 몰드에 의한 기계적 압력의 적용, 또는 유사한 효과를 갖는 다른 수단으로 한정되지는 않지만 이들을 포함하는 많은 수단에 의해 달성 될 수 있습니다.
특성 베릴름 베릴리아 알루미늄 알루미나 CVD
다이아몬드
밀도(kg/m3) 1,840 2,850 2,700 3,960 3,515
영률(x109) 303 350 68 370 1050
음속도(m/s) 12,830 11,000 5,020 9,700 17,300
인장강도
(x106pa)		 240 220 90 300 750
포아송 비 0.07∼0.18 0.26 0.33 0.22 0.10
열전도도
(W/m/K)		 216 285 210 30 1,800
전기전도도
(xl07l/Ωm)		 2.3 ∼0 3.7 ∼0 ∼0
FOM
(m4/kg/s)		 6.97 3.86 1.86 2.45 4.92
표 2: 음향 트랜듀서의 일반적인 물질 특성 및 장점 도면
이제 도 9a 내지 도 9b를 참조하면, 종래 기술의 마일라 기반 확성기(Mylar based loudspeaker) 및 플랫 마일라 확성기(flat Mylar loudspeaker)와 각각 비교된 플랫 GO 다이어프램(flat GO diaphragm)에 대한 주파수 응답이 도시되어 있다. 비교 대상인 확성기에 대한 이상적인 주파수 응답은 약 20Hz ∼ 10kHz의 평탄한 주파수 응답을 갖는 통과 대역이다. 이제 도 9c를 참조하면, 종래 기술의 페이퍼 및 마일라 확성기의 고조파 왜곡이 GO 다이어프램의 고조파 왜곡과 비교하여 제시된다. 이 측정은 다이어프램 확성기를 헤드폰에 조립하고 이어 채널(ear channel) 내의 높은 감도 마이크로폰을 가진 테스트 더미 헤드(test dummy head)로 성능을 측정함으로써 달성된다.
전반적으로 GO 다이어프램은 평탄한 주파수 응답 및 더 높은 SPL을 가질 뿐 아니라 전반적으로 보다 낮은 왜곡 레벨 때문에 마이라 다이어프램과 비교할 때 더 우수한 음질을 생성할 수 있다. 이것은 초기 GO 다이어프램이 저주파수 성능을 마이라 다이어프램 보다 낮추었기 때문에 고조파 왜곡이 개선되어 더 나은 소리 생성을 얻을 수 있기 때문에 발생합니다. 그러나 종래 기술의 성형된 표준 마일라형 다이어프램과 비교할 때, GO 다이어프램은 성능이 좋지 않고, 성형 마이라 다이어프램의 낮은 왜곡에 의해 영향을 받습니다. 그러나 도 8에 도시된 음향 성형 다이어프램에 GO 필름을 성형하면, 편평한 마이라 다이어프램과 성형 마이라 다이어프램의 비교에서 명백한 바와 같이 왜곡이 감소될 것으로 기대된다.
5. 코멘트
위에 서술된 결과로부터 분명히 알 수 있듯이, 가볍고 강한 감소된 소성 변형을 가진 리본인 마이크로폰 리본은 순수한 알루미늄 리본이상의 본 발명의 실시예에 의한 그래핀-기반 물질의 중요한 장점을 가진다. 코팅된 GO 리본 및 rGO 리본 모두의 유효 밀도는 알루미늄의 밀도보다 낮다. rGO 리본은 알루미늄 리본보다 33% 적은 질량을 가진다. GO 리본이 알루미늄 리본보다 66% 더 큰 반면, 시험 된 GO 리본은 알루미늄 리본 두께의 두 배이다.
따라서 그래핀 산화물의 적절한 최적화를 통해 더 얇은 샘플을 생성하는 것이 가능하다. GO의 기계적 강도는 알루미늄과 같이 반은 가볍고 반은 얇은 치수의 리본을 쉽게 지지 할 수 있다고 제안한다. 폴리머 바인더와의 층간 결합의 성질을 조작함으로써 강도를 향상시킬 수도 있다.
GO 표면상에 증착된 100nm 알루미늄의 변칙 저항은 증착된 알루미늄 박리에 기인할 수 있으며, 잠재적으로 알루미늄 층에 균열 및 불연속성을 유발할 수 있다. GO 위에서 알루미늄 층이 박리되면 수정 조치 없이 리본을 두 번 이상 설치하기 어려울 수 있다.
그러나 대안적인 제조 기술, 공정 흐름, 금속화 등이 금속화 형성 후 - 리본 분리 및/또는 원하는 프로필로의 성형을 포함하지만 이에 한정되지 않는 금속화를 갖는 GO/rGO 필름의 기계적/전기적 특성을 개선시킬 수 있음이 명백할 것이다.
rGO 리본의 기계적 강도는 다른 물질보다 낮다. 사용된 환원 요법에 대한 조정은 GO의 항복 강도를 능가하고 낮은 비저항을 가진 더 강한 rGO 필름을 생산할 수 있을 것으로 기대된다. 보다 강하고 전도성이 뛰어난 rGO 필름은 이미 작은 rGO 리본의 질량에 더 작은 알루미늄 질량을 추가할 것을 필요로 한다.
rGO 및 GO 모두에 대해서 마이크로폰의 감도는 리본의 저항에 의해 좌우된다. 리본의 설계, 그래핀 산화물 필름의 형성, 그래핀 산화물의 환원 등은 저항을 감소시켜야한다. 또한 GO 필름 및 rGO 필름 형성의 다른 양상은 보다 낮은 저항 리본 및/또는 다이어프램을 생산할 수 있음이 명백할 것이다.
본 발명의 실시 예에 의한 리본 마이크로폰 및 다이어프램 확성기는 마이크로폰 및/또는 확성기가 고주파수(예컨대, 저주파 울트라 사운드 영역 내에서 표준 20kHz의 인간 청력 범위 이상 30kHz, 80kHz, 100kHz 및 그 이상까지)에서의 동작을 허용 할 수 있음이 명백하다. 이러한 마이크로폰 및 확성기는 비접촉 센서, 모션 센서, 유량 측정, 비파괴 검사, 초음파 범위 측정, 초음파 식별, 인체 의학, 수의학, 생의학 응용, 재료 가공 및 음향 화학을 포함하지만 이에 한정되지 않는 어플리케이션에서 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 리본 마이크로폰 및 다이어프램 확성기는 예를 들어 PED, FED 및 웨어러블 장치를 포함하는 광범위한 전자 장치 내에서 사용될 수 있다는 것이 당업자에게는 명백할 것이다.
다른 처리 및 제조 기술(예컨대, 화학적 환원과 압력 및 온도 감소)이 본 발명의 실시예에 의한 음향 트랜스듀서 소자를 형성하는데 사용될 수 있다는 것은 당업자에게는 명백할 것이다.
선택적으로, 다른 그래핀 함유 화합물이 다른 처리 및 환원 기술과 함께 전구체로서 사용되어 그래핀이 풍부한 필름을 생성 할 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 유사하게, 당업자에게는 그래핀이 폴리머 매트릭스를 로딩하는 것과 같이 직접적으로 선택적으로 이용될 수 있음이 명백할 것이다. 이러한 폴리머 매트릭스는 예를 들어, 에폭시 수지를 포함 할 수 있으며, 이로 인해 강화된 GO 필름, 증가된 영률 및 감소된 질량 밀도를 초래할 수 있다.
선택적으로, GO 필름 및/또는 rGO 필름 및/또는 다른 그래핀 기반 필름이 리본 멤브레인의 형성에서 다른 물질과 함께 사용될 수 있음은 당업자에게는 명백할 것이다.
리본 및/또는 다이어프램의 형태인 rGO 필름이 선택적으로 본 발명의 실시 예에 의한 마이크로 전기 기계 시스템의 일부를 형성 할 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 여기서, rGO 산화물을 형성하기 위한 GO 필름의 낮은 온도 증착 및 처리는 그것들을 실리콘 또는 다른 물질 MEMS 캔틸레버가 rGO계 필름으로 대체된 MEMS 구조의 포스트-CMOS 제조를 허용하는 CMOS 실리콘 회로와 호환 가능한 MEMS 구조의 처리와 양립할 수 있게 한다. 선택적으로, 이러한 MEMS 장치는 rGO와 얇은 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 나이트라이드 또는 실리콘 산화물 구조 층과 같은 재료의 조합을 이용할 수 있다. rGO 필름은 MEMS 제조 시퀀스 동안 증착될 수 있고, 예를 들어, MEMS에 대한 후속적인 중간 처리 스텝 동안 또는 최종 릴리스 처리 스텝을 통해 패터닝될 수 있다.
선택적으로, 그래핀 필름은 예를 들어 탄소 나노 튜브, 다중벽 탄소 나노 튜브 및 다른 풀러렌(fullerene)을 포함하는 다른 전도성 원소의 분산에 의해 증대 될 수 있음은 당업자에게 명백 할 것이다.
선택적으로, GO 및/또는 rGO 리본 및/또는 다이어프램은 측방으로 클림핑되거나, 길이 방향으로 클링핑되거나, 또는 제 1 설정된 영역에서 길이 방향 및 제 2 설정된 영역에서 측방으로 클림핑될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, Akino 등의 "Ribbon Microphone and Ribbon Microphone Unit"이라는 명칭을 갖는 미국 특허 제 8,275,157호를 참조하시오. 리본 및/또는 다이어프램에 대해 보다 복잡한 클림핑 패턴을 사용할 수 있음은 명백하다. 선택적으로, 단위 길이 당 주름(crimp)의 수 및/또는 주름의 높이가 리본 및/또는 다이어프램의 미리 결정된 영역 내에서 변할 수 있음은 명백할 것이다. 기계적 왜곡 공정 예컨대, 클림핑을 통해 리본 및 다이어프램 트랜스듀서 소자가 동시에 그래핀 함유 필름 내에 형성 될 수 있음은 명백할 것이다.
선택적으로, GO 및/또는 rGO 리본 및/또는 다이어프램이 기하학적인 형상 예를 들어, 직사각형, 정사각형, 원형, 다각형 또는 대안으로 불규칙적으로 형성될 수 있는 형상에 따라 형성 될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 선택적으로, 상기 설계는 원하는 주파수 응답에 의존하여 결정될 수 있거나, 또는 원하는 공진 없는 동작의 외부 영역으로의 공진을 억제 또는 이동시킬 수 있다.
선택적으로, GO 리본 및/또는 rGO 리본이 고정된 마운팅(mounting) 또는 조정 가능한 마운팅 내에 장착 될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, Akino 등의 미국 특허 제8,275,156호(발명의 명칭: "Ribbon Microphone and Ribbon Microphone Unit)"뿐만 아니라 당업계에 알려진 다른 것들을 참조하자.
따라서 본 발명의 실시예가 그래핀 함유 물질을 증착 및 처리함으로써 형성된 음향 트랜스듀서의 일부를 형성하는 소자를 형성하는 방법을 제공함은 당업자에게는 명백하다. 선택적으로, 그래핀 함유 물질의 침착 및 처리는 초기의 그래핀 함유 필름을 형성하기 위한 용액 기반 공정을 통해 이루어질 수 있으며, 상기 초기의 그래핀 함유 필름은 열적으로 처리되어 그래핀 함유 필름을 생성하고, 열처리가 이용되어 그것의 전기적 특성을 조절한다.
본 발명의 실시예는 자기 유도 기반 확성기 내에서 사용하기 위한 음향 트랜스듀서를 제공하는 것은 당업자에게는 명백하다. 상기 트랜스듀서는 그래핀 함유 물질을 증착 및 처리하는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 그래핀 함유 필름을 형성하는 단계와 이 그래핀 함유 필름을 소정의 기계적 왜곡 처리하는 단계를 포함하는 리본 소자 및 다이어프램 음향 트랜스듀서 소자를 동시에 형성하는 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예가 그래핀 함유 물질을 증착 및 처리하는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성되는 음향 트랜스듀서를 제공하고, 리본 소자 및 다이어프램 음향 트랜스듀서 소자가 동시에 제작될 수 있다는 것은 당업자에게는 명백하다.
본 발명의 실시예가 MEMS 소자를 이용하는 음향 트랜스 듀서의 일부로서의 GO 필름을 결합하는 장치를 제공하는 장치 및 방법을 제공하는 것은 당업자에게 명백하다. 따라서 MEMS 음향 트랜스듀서의 제 1 소정 부분은 실리콘 기반 MEMS 제조 공정을 사용하여 제조 될 수 있는 한편, 음향 트랜스듀서의 제 2 소정 부분은 용액으로부터 그래핀 함유 물질을 증착 및 처리하여 그래핀 함유 필름을 형성한 후 그 그래핀 함유 필름을 열처리하여 그것의 전기적 특성을 조절한다.
구체적인 설명은 본 발명의 실시예에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 상기 설명에서 주어졌다. 그러나 실시예들은 이러한 특정 상세사항 없이 실시될 수 있음은 이해되어야 한다. 예를 들어, 회로들은 불필요한 세부 사항으로 본 발명의 실시예들을 불명료하게 하지 않도록 블록도로 도시 될 수 있다. 다른 예들에서, 잘 알려진 회로, 프로세스, 알고리즘, 구조 및 기술은 실시예를 불명료하게 하는 것을 피하기 위해 불필요한 세부 사항 없이 설명될 수 있다.
또한 실시예는 플로우챠트, 흐름도, 데이터 흐름도, 구조도 또는 블록도로 표시되는 프로세스로 설명될 수 있다는 것은 주목해야 한다. 플로우챠트는 동작을 순차적 공정으로 설명할 수 있지만, 동작의 대부분은 병렬로 또는 동시에 수행 될 수 있다. 또한 작업의 순서를 재정렬 할 수 있다. 프로세스는 작업이 완료된 시점에서 종료되지만 도면에는 포함되지 않은 추가 단계를 포함할 수 있다. 프로세스는 방법, 함수, 절차, 서브루틴, 서브프로그램 등에 대응될 수 있다. 프로세스가 함수에 대응하는 경우, 그 끝은 함수를 호출 함수 또는 메인 함수로 되돌릴 수 있다는 것에 대응한다.
본 발명의 예시적인 실시예에 대한 앞의 개시는 예시 및 설명을 위해 제시되었다. 포괄적이거나 개시된 정확한 형태로 본 발명을 한정하려고 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 설명된 실시예의 많은 변형 및 수정은 위 개시에 비추어 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구 범위 및 그 균등 물에 의해서만 규정되어야 한다.
또한 본 발명의 대표적인 실시예를 설명 할 때 명세서는 본 발명의 방법 및 /또는 프로세스를 특정 일련의 단계로 제시할 수 있다. 그러나 방법 또는 프로세스가 본 명세서에 기재된 특정 순서의 단계에 의존하지 않는 범위까지, 방법 또는 공정은 기재된 특정 일련의 단계에 한정되지 않아야 한다. 당업자가 이해할 수 있을 만큼 다른 일련의 단계가 가능하다. 따라서 명세서에 기재된 단계의 특정 순서는 특허청구범위에 대한 제한으로 해석될 수 없다. 또한 본 발명의 방법 및/또는 프로세스를 향한 청구항은 기재된 순서대로 그 단계의 실행에 한정되지 말아야 하며, 당업자는 순서가 변경되어 여전히 본 발명의 사상 및 범위 내에 남아있다고 쉽게 인식될 수 있다.

Claims (15)

  1. 용액으로부터 그래핀 함유 물질을 증착 및 처리하여 그래핀 함유 필름을 형성하는 단계; 및
    상기 그래핀 함유 필름을 열처리하여 그것의 전기적 특성을 조절하는 단계를 포함하는, 음향 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리된 그래핀 함유 필름의 소정 부분을 금속화하는 단계;
    상기 열처리된 그래핀 함유 필름을 클림핑하여 소정 프로파일을 생성하는 단계; 및
    상기 열처리된 그래핀 함유 필름을 처리하여 리본 및 다이어프램 중 적어도 하나를 형성하는 단계 중 적어도 하나를 더 포함하는, 음향 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 음향 트랜스듀서는 마이크로폰, 자기 유도 기반 마이크로폰, 편평한 다이어프램 확성기 및 성형된 다이어프램 확성기를 포함하는 군으로부터 선택되는, 음향 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 음향 트랜스듀서는 리본 음향 트랜스듀서와 다이어프램 음향 트랜스듀서 중 다른 하나와 동시에 형성된 상기 리본 음향 트랜스듀서와 다이어프램 음향 트랜스듀서중 적어도 하나인, 음향 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    소정의 기계적 왜곡 처리를 이용함으로써 상기 처리된 그래핀 함유 필름을 성형하는 단계를 더 포함하는, 음향 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리된 그래핀 함유 필름의 소정 부분을 금속화하는 단계;
    상기 열처리된 그래핀 함유 필름을 클림핑하여 소정 프로파일을 생성하는 단계; 및
    상기 열처리된 그래핀 함유 필름을 처리하여 리본 및 다이어프램 중 적어도 하나를 형성하는 단계 중 적어도 하나를 더 포함하는, 음향 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  7. 실리콘 기반 MEMS 제조 공정을 이용하여 MEMS 음향 트랜스듀서의 제 1 소정 부분을 제작하는 단계; 및
    그래핀 함유 물질을 증착 및 처리함으로써 상기 MEMS 음향 트랜스듀서의 제 2 소정 부분을 제작하는 단계를 포함하는, 음향 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 그래핀 함유 물질을 증착 및 처리하는 단계는,
    용액으로부터 그래핀 함유 물질을 증착 및 처리하여 그래핀 함유 필름을 형성하는 단계; 및
    상기 그래핀을 열처리하는 단계를 포함하는, 음향 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 그래핀 함유 물질의 전기적 특성은 상기 실리콘 기반 MEMS 제조 공정에서의 열처리 단계를 통해 설정되는, 음향 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 열처리된 그래핀 함유 필름의 소정 부분을 금속화하는 단계;
    상기 열처리된 그래핀 함유 필름을 클림핑하여 소정 프로파일을 생성하는 단계; 및
    상기 열처리된 그래핀 함유 필름을 처리하여 리본 및 다이어프램 중 적어도 하나를 형성하는 단계 중 적어도 하나를 더 포함하는, 음향 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 음향 트랜스듀서는 마이크로폰, 자기 유도 기반 마이크로폰, 편평한 다이어프램 확성기 및 성형된 다이어프램 확성기를 포함하는 군으로부터 선택되는, 음향 트랜스듀서를 형성하는 방법.
  12. 적어도 하나의 그래핀 함유 물질을 포함하는 음향 트랜스듀서 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 그래핀 함유 물질은,
    용액으로부터 그래핀 함유 물질을 증착 및 처리하여 그래핀 함유 필름을 형성하는 단계; 및
    상기 그래핀 함유 필름을 열처리하여 그것의 전기적 특성을 조절하는 단계를 포함하는 공정에 의해 형성되는, 음향 트랜스듀서 소자.
  14. 제 12 항에 있어서,
    리본 음향 트랜스듀서 소자, 및
    다이어프램 음향 트랜스듀서 소자를 포함하며;
    상기 리본 및 다이어프램 음향 트랜스듀서 소자는 그래핀 함유 필름을 형성하고 상기 그래핀 함유 필름을 소정의 기계적 왜곡 처리를 함으로써 동시에 구현되는, 음향 트랜스듀서 소자.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 음향 트랜스듀서 소자는 마이크로폰, 자기 유도 기반 마이크로폰, 편평한 다이어프램 확성기 및 성형된 다이어프램 확성기를 포함하는 군으로부터 선택되는, 음향 트랜스듀서 소자.
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