KR20180120086A - 음파 발생 장치 - Google Patents

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KR20180120086A
KR20180120086A KR1020180045136A KR20180045136A KR20180120086A KR 20180120086 A KR20180120086 A KR 20180120086A KR 1020180045136 A KR1020180045136 A KR 1020180045136A KR 20180045136 A KR20180045136 A KR 20180045136A KR 20180120086 A KR20180120086 A KR 20180120086A
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박인길
박성철
이승환
박상훈
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주식회사 모다이노칩
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Abstract

본 발명은 주파수가 다른 둘 이상의 음파를 출력하는 음파 출력부; 및 상기 음파 출력부로부터 출력되는 음파보다 많고 주파수가 다른 음파를 발생시켜 상기 음파 출력부에 공급하는 음파 공급부를 포함하고, 상기 음파 공급부는 주파수가 다른 둘 이상의 음파를 변조하여 공급하는 음파 발생 장치를 제시한다.

Description

음파 발생 장치{Sound wave generation apparatus}
본 발명은 음파 발생 장치에 관한 것으로, 특히 가청 주파수 대역의 음파를 발생시키는 동시에 뇌파 유도 음파를 발생시킬 수 있는 음파 발생 장치에 관한 것이다.
일반적으로 사람의 뇌에서 발생하는 뇌파(brain wave)는 다양한 파장을 갖는 미약한 주기성 전류를 띠고 있다. 이러한 뇌파는 정신활동과 자극 의식수준에 따라 변동되는 것으로 뇌의 기능판정과 질병 진단 등의 기초자료로서 널리 이용되고 있다.
인간의 뇌파는 그 주파수에 따라서 몇가지로 분류된다. 일반적으로 15∼30㎐ 사이의 뇌파를 베타파라고 하고 일상 생활 상태에서 주로 나타난다. 8∼14㎐ 사이의 뇌파는 알파파라고 하며 명상이나 휴식 상태에서 주로 많이 나타나고 일반적으로 사람에게 이로운 뇌파로 알려져 있다. 4∼7㎐ 사이의 뇌파는 세타파라고 하며 초학습 상태, 약간 졸린 상태, 높은 창의력 상태 등에서 주로 관찰된다. 그리고, 3㎐ 이하의 뇌파는 델타파라고 하며 대부분 깊은 수면 상태에서 발생한다.
한편, 외부로부터 발생되는 자극의 주파수와 일치되거나 공명하려는 뇌의 자연적인 현상을 뇌파 유도라고 하며, 이러한 현상을 이용하여 소정의 특정 뇌파를 유도시키는 주파수를 뇌파 유도 주파수라고 한다. 복잡하고 스피디한 환경 속에서 다양한 외부자극에 노출된 채 살아가는 현대인들은 대부분 심한 스트레스와 강박관념에 시달려 정신적으로 상당한 피곤감을 느끼는 편이며, 이에 뇌파를 인위적으로 조절하여 정신적인 안정을 유도하는 모듈이 개발되고 왔다.
그러나, 종래의 뇌파 유도 장치는 대부분 독립된 장치 형태로 구성 및 제조되어 장치의 소지자만 이용가능한 형태를 취하므로 일반적인 접근이 제한되는 불편이 있다. 또한, 별도로 휴대해야 하므로 이용이 불편하고, 단지 뇌파만을 발생시키므로 그 효과에 있어서 한계가 있다.
따라서, 사용자에게 뇌파 유도 기능을 제공하면서 다양하고 편리한 기능을 제공할 수 있는 장치가 개발될 필요가 있다.
한국공개특허 제2003-0069577호 한국공개특허 제2009-0032257호
본 발명은 사용자가 원하는 음파를 청취하면서 뇌의 집중력이나 휴식을 취할 수 있도록 하는 뇌파 유도 음파를 발생시킬 수 있는 음파 발생 장치를 제공한다.
본 발명은 가청 주파수 대역의 음파를 발생시키는 동시에 가청 주파수 대역 이외의 주파수 대역의 뇌파 유도 음파를 발생시키는 음파 발생 장치를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 음파 발생 장치는 주파수가 다른 둘 이상의 음파를 출력하는 음파 출력부; 및 상기 음파 출력부로부터 출력되는 음파보다 많은 주파수가 다른 음파를 발생시켜 상기 음파 출력부에 공급하는 음파 공급부를 포함하고, 상기 음파 공급부는 주파수가 다른 둘 이상의 음파를 변조하여 공급한다.
상기 음파 출력부는 가청 주파수의 음파를 출력하는 제 1 음파 출력부와, 가청 주파수 이외의 주파수의 음파를 출력하는 제 2 음파 출력부를 포함한다.
상기 음파 출력부는 상기 가청 주파수의 음파를 출력하는 제 3 음파 출력부를 더 포함한다.
상기 제 1 음파 출력부는 다이나믹 스피커를 포함하고, 상기 제 2 및 제 3 음파 출력부는 각각 압전 소자 및 진동판을 포함하는 압전 스피커를 포함한다.
상기 제 2 음파 출력부는 압전판의 형태 및 사이즈의 적어도 하나에 의해 주파수가 조절된다.
상기 제 3 음파 출력부는 상기 제 2 음파 출력부보다 상기 압전 소자 및 상기 진동판의 사이즈가 더 크다.
상기 제 2 음파 출력부는 가청 주파수 이상의 초음파와 가청 주파수 이하의 저음파가 변조된 음파를 출력한다.
상기 제 2 음파 출력부는 20㎑ 내지 60㎑의 초음파와 8㎐ 내지 14㎐의 제 1 저음파 또는 4㎐ 내지 7㎐의 제 2 저음파가 변조된 음파를 출력한다.
상기 음파 공급부는 서로 다른 주파수의 복수의 음파를 발생시키는 음파 발생부와, 상기 복수의 음파 중 적어도 두 음파를 변조하는 변조부와, 상기 음파 발생부로부터 발생된 적어도 하나의 음파 및 상기 변조된 음파 중 적어도 어느 하나를 증폭하는 증폭부를 포함한다.
상기 음파 발생부는 가청 주파수의 음파를 발생시키는 제 1 음파 발생부와, 가청 주파수 이상의 초음파를 발생시키는 제 2 음파 발생부와, 가청 주파수 이하의 저음파를 발생시키는 제 3 음파 발생부를 포함한다.
상기 변조부는 상기 제 2 및 제 3 음파 발생부로부터 발생된 초음파와 저음파를 변조한다.
상기 음파 발생부는 상기 제 3 음파 발생부로부터 발생되는 저음파보다 낮은 주파수의 저음파를 발생시키는 제 4 음파 발생부를 더 포함한다.
상기 제 3 및 제 4 음파 발생부로부터 각각 발생된 저음파 중 어느 하나를 선택하는 선택부를 더 포함한다.
상기 변조부는 상기 선택부에 의해 선택된 저음파와 상기 초음파를 변조한다.
상기 음파 공급부 및 음파 출력부는 각각 전자기기 내에 마련되거나, 어느 하나가 전자기기 내에 마련되고 다른 하나가 전자기기와 분리 및 결합 가능하게 마련된다.
상기 음파 출력부는 전자기기에 결합 가능한 이어폰이고, 상기 음파 공급부는 전자기기 내에 설치된 프로그램 또는 어플리케이션이다.
본 발명의 실시 예들에 따른 음파 발생 장치는 서로 다른 주파수 대역의 제 1 및 제 2 주파수의 음파를 사용자에게 출력하는 음파 출력부와, 제 1 및 제 2 주파수의 음파를 발생시켜 음파 출력부에 공급하는 음파 공급부를 포함할 수 있다. 즉, 음파 공급부는 가청 주파수 대역의 제 1 음파를 발생시키는 동시에 뇌를 자극시켜 뇌파를 유도시킬 수 있는 소정 주파수의 제 2 음파를 발생시키고, 음파 출력부는 이를 공급받아 사용자에게 출력한다.
이러한 본 발명의 음파 발생 장치를 이용함으로써 가청 주파수 대역의 다양한 음파와 함께 뇌파 유도 음파를 발생시킬 수 있다. 따라서, 사용자는 하나의 장치를 이용하여 다양한 음파를 청취하는 동시에 뇌파 유도 음파를 공급받을 수 있어 사용자의 편의성을 향상하고, 제품의 효용성을 증가시킬 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 음파 출력 장치의 분해 사시도, 결합 사시도 및 결합 단면도.
도 4 및 도 5는 압전 소자의 사이즈 및 형상에 따른 특성 그래프.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 음파 출력 장치의 분해 사시도, 결합 사시도 및 결합 단면도.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제 2 실시 예의 변형 예에 따른 음파 출력 장치의 부분 개략도.
도 11은 본 발명에 이용되는 압전 소자의 일 실시 예에 따른 사시도.
도 12 내지 도 15는 본 발명에 이용되는 압전 소자의 일 실시 예에 따른 단면도.
도 16은 본 발명에 이용되는 압전 소자의 다른 예에 따른 단면도.
도 17은 본 발명에 이용되는 압전 소자의 다른 예에 따른 외부 전극의 형성 방법을 설명하기 위한 단면도.
도 18 내지 도 20은 본 발명에 이용되는 압전 세라믹 소결체의 특성을 설명하기 위한 도면들.
도 21 내지 도 23은 본 발명에 이용되는 압전 세라믹 소결체의 실시 예와 비교 예를 설명하기 위한 도면들.
도 24는 본 발명의 일 실시 예에 따른 음파 공급부 및 음파 출력부를 포함하는 음파 발생 장치의 구성도.
도 25는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 음파 공급부 및 음파 출력부를 포함하는 음파 발생 장치의 구성도.
도 26은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 음파 발생 장치의 주파수 및 변조 주파수의 파형도.
도 27은 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 음파 공급부 및 음파 출력부를 포함하는 음파 발생 장치의 구성도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 음파 출력 장치의 분해 사시도이고, 도 2는 결합 사시도이며, 도 3은 결합 단면도이다. 즉, 본 발명의 음파 발생 장치는 음파 출력부 및 음파 공급부를 포함하는데, 도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 음파 발생 장치를 이루는 음파 출력부의 장치 구성을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 음파 출력 장치는 제 1 음파 출력부(100)와, 제 1 음파 출력부(100) 상에 마련되는 제 2 음파 출력부(200)와, 제 1 및 제 2 음파 출력부(100, 200)의 적어도 하나를 수용하는 하우징(300)을 포함할 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 음파 출력부(100, 200)가 하우징(300) 내에서 소정 간격 이격되어 마련될 수 있다. 제 1 음파 출력부(100)는 보이스 코일(140) 및 진동 부재(150)를 포함하여 보이스 코일(140)의 전류 변화에 따라 진동하고 이를 이용하여 진동 부재(150)를 진동시켜 음파를 출력하는 다이나믹 스피커를 포함할 수 있다. 또한, 제 2 음파 출력부(200)는 압전 소자(210) 및 진동판(220)을 포함하여 압전 소자(210)의 기계적 움직임을 진동판(220)에 의해 음파적으로 변환시키는 압전 스피커를 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 음파 출력부(100)는 서로 다른 주파수의 음파를 출력하는데, 제 1 음파 출력부(100)는 가청 주파수 대역의 음파, 즉 20㎐∼20㎑의 음파를 출력하고, 제 2 음파 출력부(200)는 가청 주파수 대역 이외의 음파를 출력한다. 이때, 제 2 음파 출력부(200)는 예를 들어 8㎐∼14㎐의 저음파와 20㎑를 초과하는 초음파가 변조된 음파를 출력한다. 따라서, 제 2 음파 출력부(200)의 출력 음파에 의해 사용자의 뇌가 자극되고 정신 집중 뇌파가 유도될 수 있다. 물론, 제 2 음향 출력부(200)를 통해 가청 주파수 대역의 음파가 출력될 수도 있다. 즉, 제 1 음향 출력부(100)는 가청 주파수 대역의 음파를 출력하고, 제 2 음향 출력부(200)는 가청 주파수 뿐만 아니라 그 이외의 주파수 대역의 음파를 출력할 수 있다.
1. 제 1 음파 출력부
제 1 음파 출력부(100)는 소정의 두께를 갖는 대략 원형으로 마련될 수 있다. 이러한 제 1 음파 출력부(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 내측에 수용 공간이 마련되는 요크(110) 및 프레임(115)과, 요크(110) 내의 수용 공간에 마련된 마그넷(120)과, 마그넷(120) 상에 마련된 플레이트(130)와, 프레임(115)의 내측으로부터 요크(110)와 마그넷(120) 사이에 마련되는 보이스 코일(140)과, 플레이트(130)의 상부에 마련되고 가장자리가 프레임(115)에 고정되며 보이스 코일(140)이 고정되는 진동 부재(150)를 포함할 수 있다.
요크(110)는 소정의 높이를 갖고 대략 원형으로 마련되고, 프레임(115)은 요크(110)의 상측에 마련되며 소정의 높이를 갖고 대략 원형으로 마련된다. 이때, 프레임(115)의 높이는 요크(110)의 높이보다 높고 프레임(115)의 폭은 요크(110)의 폭보다 클 수 있다. 물론, 프레임(115)의 높이는 요크(110)의 높이와 같거나 낮을 수 있다. 여기서, 프레임(115)의 상측 가장자리가 하우징(300)의 적어도 일 영역과 접촉되어 하우징(300) 내에 수용될 수 있다. 또한, 요크(110)의 내측에 마그넷(120) 및 플레이트(130)가 수용되고, 프레임(115)의 내측에 보이스 코일(140)이 수용되며, 진동 부재(150)는 프레임(115)을 덮도록 그 상측에 마련될 수 있다. 이러한 요크(110) 및 프레임(115)은 마그넷(120)에 의해 형성된 자기장을 플레이트(130) 측으로 유도하며 보이스 코일(140)에 마그넷(120)에 의한 자기력을 최대로 미치도록 한다.
마그넷(120)은 요크(110)의 바닥면에 고정된다. 즉, 마그넷(120)의 하면은 요크(110) 내측의 바닥면과 접촉되어 고정된다. 이러한 마그넷(120)은 요크(110)의 내부 형상에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 요크(110)의 내측이 대략 원통형으로 마련되고, 마그넷(120)은 대략 원기둥 형상으로 마련된다. 이때, 마그넷(120)의 높이는 요크(110)의 높이보다 낮거나 같을 수 있다. 또한, 마그넷(120)의 직경은 요크(110)의 내경보다 작을 수 있다. 따라서, 마그넷(120)은 요크(110)의 내측에 요크(110)의 내측벽과 소정 간격 이격되어 마련될 수 있다.
플레이트(130)는 마그넷(120)의 상면에 마련된다. 플레이트(130)는 마그넷(120)의 평면 형상과 동일 형상으로 마련될 수 있다. 즉, 플레이트(130)는 소정의 두께를 갖는 원형의 판 형상으로 마련될 수 있다. 여기서, 플레이트(130)는 요크(110)의 내경보다 작은 직경을 가지며, 마그넷(120)의 직경과 동일하거나 큰 직경으로 마련될 수 있다. 따라서, 플레이트(130)의 외측은 요크(110)의 내측면과 소정 간격 이격될 수 있다. 또한, 마그넷(120)과, 그 상부에 마련된 플레이트(130)의 높이는 요크(110)의 높이와 같을 수 있다. 즉, 플레이트(130)와 요크(110)의 상부는 동일 평면을 이룰 수 있다. 이러한 플레이트(130)는 마그넷(120)에 의해 발생하는 자기력선을 보이스 코일(140) 측으로 집속하도록 한다.
보이스 코일(140)은 진동 부재(150)의 하면에 부착되며, 프레임(115)의 내측으로부터 요크(110)와 마그넷(120) 사이에 마련될 수 있다. 예를 들어, 보이스 코일(140)은 플레이트(130) 및 마그넷(120)의 일부 높이를 감싸도록 이들과 요크(110)의 사이에 마련되며, 상부가 진동 부재(150)의 하면에 부착된다. 이러한 보이스 코일(140)은 지속적으로 변화하면서 입력되는 전기적 신호에 의해 지속적으로 변화되는 자기장을 형성함으로써 마그넷(120)에 의해 형성된 자기장과의 간섭에 의한 상호 작용에 의해 진동한다.
진동 부재(150)는 가장자리가 프레임(115)의 내측에 고정되어 프레임(115)의 상측을 덮도록 마련된다. 또한, 진동 부재(150)는 적어도 일 영역이 볼록하게 마련될 수 있다. 예를 들어, 프레임(115)의 중심 영역에 대응되는 영역이 가장 높고 그로부터 외측으로 낮아지는 형태로 마련될 수 있다. 즉, 진동 부재(150)는 마그넷(120) 및 플레이트(130)의 중심에 대응되는 영역으로부터 그 외측으로 낮아지는 볼록한 형상으로 마련될 수 있다. 또한, 진동 부재(150)의 가장 낮은 영역의 하측에는 보이스 코일(140)이 고정될 수 있다.
이러한 제 1 음파 출력부(100)는 마그넷(120)에서 발생된 자기장이 마그넷(120) 상에 마련된 플레이트(130)를 통해 하측의 요크(110)로 이동하고, 다시 마그넷(120)으로 이동하는 폐회로를 구성한다. 플레이트(130)와 하측의 요크(110) 사이의 공간으로 이동하는 자기장은 보이스 코일(140)에 전류가 인가되어 보이스 코일(140)이 자성을 띠게 되면 보이스 코일(140)의 자력 극성에 따라 보이스 코일(140)을 당기거나 밀어내게 된다. 즉, 보이스 코일(140)의 자력 극성이 플레이트(130)와 하측의 요크(110)의 자력 극성과 같으면 상호 반발하여 보이스 코일(140)을 밀어내어 보이스 코일(140)을 앞으로 이동시키고, 플레이트(130)와 하측의 요크(110)의 자력 극성과 다르면 서로 흡인하여 보이스 코일(140)을 뒤로 당기게 된다. 이와 같이 보이스 코일(140)이 움직이면 보이스 코일(140)이 고정되어 있는 진동 부재(150)가 앞뒤로 이동하면서 공기를 진동시켜 소리를 발생시키게 된다.
2. 제 2 음파 출력부
제 2 음파 출력부(200)는 압전 소자(210)와, 진동판(220)을 포함할 수 있다. 압전 소자(210)는 소정의 두께를 갖는 예를 들어 원형의 판 형상으로 마련될 수 있다. 물론, 압전 소자(210)는 원형 뿐만 아니라 정사각형, 직사각형, 타원형, 다각형 등 다양한 형상으로 마련될 수도 있다. 이러한 압전 소자(210)는 베이스와, 베이스의 적어도 일면에 형성된 압전층을 포함할 수 있다. 이러한 압전 소자(210)에 대해서는 추후 더욱 상세히 설명한다. 압전 소자(210)는 접착제 등을 이용하여 진동판(220)의 적어도 일면에 부착된다. 이때, 진동판(220)의 양측이 동일 길이로 잔류하도록 압전 소자(210)는 진동판(220)의 중앙부에 부착될 수 있다. 또한, 압전 소자(210)는 진동판(220)의 상면에 부착될 수 있고, 진동판(220)의 하면에 부착될 수도 있으며, 진동판(220)의 상하 양면에 부착될 수도 있다. 즉, 본 실시 예는 압전 소자(210)가 진동판(220)의 상면에 부착되는 경우를 도시하여 설명하고 있지만, 압전 소자(210)는 진동판(220)의 상면에 부착될 수도 있고, 진동판(220)의 상면 및 하면에 부착될 수도 있다. 여기서, 압전 소자(210)와 진동판(220)는 접착 이외에 다양한 방법으로 고정될 수 있다. 예를 들어, 진동판(220)과 압전 소자(210)를 점착제를 이용하여 점착하고, 진동판(220)과 압전 소자(210)의 측면을 접착제 등을 이용하여 접착함으로써 고정할 수도 있다. 한편, 압전 소자(210)의 일 면의 상부에는 구동 신호가 인가되는 전극 패턴(미도시)이 형성될 수 있다. 전극 패턴은 서로 이격되어 적어도 둘 이상 형성될 수 있고, 연결 단자(미도시)와 연결되어 이를 통해 전자기기, 예를 들어 보조 모바일 기기로부터 음파 신호를 입력받을 수 있다.
진동판(220)은 대략 원형의 판 형상으로 마련되며, 압전 소자(210)보다 크게 마련될 수 있다. 진동판(220)의 적어도 일면, 예를 들어 하면에는 압전 소자(210)가 접착제에 의해 접착될 수 있다. 이러한 진동판(220)은 금속, 플라스틱 EMED을 이용하여 제작할 수도 있고, 서로 다른 이종의 소재를 적층하여 적어도 2중 구조를 이용할 수도 있다. 또한, 진동판(220)은 폴리머계 또는 펄프계 물질을 이용할 수 있다. 예를 들어, 진동판(220)은 수지 필름을 이용할 수 있는데, 에틸렌 플로필렌 고무계, 스티렌 부타디엔 고무계 등 영율이 1MPa∼10GPa로 손실 계수가 큰 재료를 이용할 수 있다. 또한, 진동판(220)은 하측 가장자리가 하우징(300)의 내면에 접촉될 수 있다. 즉, 진동판(220)과 그 중앙부에 접착된 압전 소자(210)가 하우징(300) 내부의 공간에 마련될 수 있다. 이러한 제 2 음파 출력부(200)는 소정의 신호에 따라 구동되며 고음 특성이 우수한 음파를 출력할 수 있다. 이때, 압전 소자(210)의 직경은 진동판(220)의 직경보다 작거나 같을 수 있다.
한편, 제 2 음파 출력부(200)는 적어도 일부에 코팅층(미도시)이 더 형성될 수 있다. 코팅층은 파릴렌(parylene) 등의 방수 재료를 이용하여 형성될 수 있다. 파릴렌은 압전 소자(210)가 진동판(220) 상에 접합된 상태에서 압전 소자(210)의 상면 및 측면과 압전 소자(210)에 의해 노출된 진동판(220)의 상면 및 측면에 형성될 수 있다. 즉, 파릴렌은 압전 소자(210) 및 진동판(220)의 상면 및 측면에 형성될 수 있다. 또한, 파릴렌은 압전 소자(210)가 진동판(220) 상에 접합된 상태에서 압전 소자(210)의 상면 및 측면과 진동판(220)의 상면, 측면 및 하면에 형성될 수 있다. 즉, 파릴렌은 압전 소자(210) 및 진동판(220)의 상면, 측면 및 하면에 형성될 수 있다. 그리고, 압전 소자(210)가 진동판(220)의 중앙부에 형성된 개구 상에 마련되는 경우 파릴렌은 압전 소자의 상면, 측면 및 개구에 의해 노출된 하면 상에 형성되고, 이와 동시에 진동판(220)의 상면, 측면 및 하면에 형성될 수 있다. 이렇게 파릴렌이 압전 소자(210) 및 진동판(220)의 적어도 일면에 형성됨으로써 제 2 음파 출력부(200)로의 습기 침투를 방지할 수 있고 산화를 방지할 수 있다. 또한, 폴리머 등의 얇은 재질의 진동판(220)을 이용하는 경우 발생되는 편진동을 개선할 수 있고, 진동판(220)의 경도 증가에 의한 응답 속도가 향상되어 깊은 음파 특성을 완화시키고 고음역을 안정화시킬 수 있다. 그리고, 파릴렌의 코팅 두께에 따라 공진 주파수를 조절할 수 있어 음압 개선점 조절이 가능하다. 물론, 파릴렌은 압전 소자(210)에만 코팅될 수도 있는데, 압전 소자(210)의 상면, 측면 및 하면에 코팅될 수 있고, 압전 소자(210)와 연결되어 압전 소자(210)에 전원을 공급하기 위한 FPCB에 코팅될 수도 있다. 파릴렌이 압전 소자(210)에 형성됨으로써 압전 소자의 수분 침투를 방지할 수 있고 산화를 방지할 수 있다. 또한, 형성 두께를 조절함으로써 공진 주파수를 조절할 수 있다. 한편, 파릴렌이 FPCB 상에 형성되는 경우 FPCB와 솔더, 소자 이음부에서 발생되는 이상음을 개선할 수도 있다. 이러한 파릴렌은 압전 소자(210) 또는 진동판(220)의 재질과 특성에 따라 두께를 다르게 하여 코팅될 수 있는데, 압전 소자(210) 또는 진동판(220)의 두께보다 얇게 형성될 수 있으며, 예를 들어 0.1㎛∼10㎛의 두께로 형성될 수 있다. 이렇게 파릴렌을 코팅하기 위해 예를 들어 파릴렌을 기화기(Vaporizer)에서 1차 가열하여 기화시켜 다이머(dimer) 상태로 만든 후 2차 가열하여 모노머(Monomer) 상태로 열분해시키고, 파릴렌을 냉각시키면 파릴렌은 모노머 상태에서 폴리머 상태로 변환되어 제 2 음파 출력부(200)의 적어도 일면 상에 코팅될 수 있다. 한편, 파릴렌 등의 방수층은 제 2 음파 출력부(200)의 적어도 일부 뿐만 아니라 제 1 음파 출력부(100) 및 하우징(200)의 적어도 일부에 코팅될 수도 있다.
한편, 제 2 음파 출력부(200)는 압전 소자(210)로 이루어질 수 있다. 즉, 상기한 바와 같이 진동판(220)의 적어도 일면에 압전 소자(210)가 마련되어 제 2 음파 출력부(200)가 구현될 수 있고, 진동판(220)을 구비하지 않고 압전 소자(210)로 제 2 음파 출력부(200)가 구현될 수도 있다. 제 2 음파 출력부(200)가 압전 소자(210)로 구현되는 경우 압전 소자(210)의 가장자리가 하우징(300)의 제 1 부재(310)상에 지지될 수 있다.
3. 하우징
하우징(300)은 대략 원통형으로 마련될 수 있다. 즉, 하우징(300)은 적어도 일 방향으로 개방된 대략 원형의 통 형상으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 하우징(300)은 상하 관통형으로 마련될 수도 있고, 내부의 소정 영역이 막히고 그로부터 상부 및 하부가 개방된 형상으로 마련될 수도 있다. 상하 관통형의 하우징(300)은 외형이 대략 링 형상의 제 1 부재(310)와, 제 1 부재(310)의 소정 영역으로부터 상측 및 하측 방향으로 마련된 제 2 부재(320)를 포함할 수 있다. 즉, 제 1 부재(310)를 감싸도록 제 2 부재(320)가 마련될 수 있다. 여기서, 제 1 부재(310)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 개구가 형성될 수 있다. 예를 들어, 중앙부에 대략 원형의 제 1 개구가 형성되고, 제 1 개구의 외측에 복수의 제 2 개구가 형성될 수 있다. 즉, 제 1 개구로부터 제 2 부재(320) 방향으로 복수의 연장부가 형성되어 제 1 부재(310)는 중앙부에 하나의 제 1 개구와, 제 1 개구와 제 2 부재(320) 사이에 예를 들어 4개의 제 2 개구가 형성될 수 있다. 여기서, 제 1 개구 상에는 제 2 음파 출력부(200)가 마련될 수 있다. 즉, 제 1 개구 내측으로 압전 소자(210)가 마련되고 제 1 개구 외측의 제 1 부재(310) 상에 진동판(320)가 마련될 수 있다. 또한, 복수의 제 2 개구는 제 1 음파 출력부(100)에서 발생된 음파가 외부로 방출되는 음파 방출구로 기능할 수 있다. 한편, 제 2 부재(320)는 소정 영역에 상하 방향으로 절개 영역(미도시)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 부재(320)는 제 1 부재(310)를 둘러싸고 소정 영역에서 이격될 수 있다. 절개 영역에는 제 2 음파 출력부(200)에 신호를 공급하는 신호 라인이 마련될 수 있다. 이때, 제 2 부재(320)의 절개 영역의 폭, 즉 제 2 부재(320)의 말단 사이의 간격이 제 2 부재(320) 폭의 1% 내지 5%로 마련될 수 있다. 즉, 본 발명은 제 2 부재(320)에 제 2 음파 출력부(200)에 연결된 신호 공급 라인을 마련하기 위해 절개 영역이 형성되지만, 제 1 음파 출력부(100)로부터 출력된 음파를 방출하기 위한 방출 홀은 형성되지 않는다. 결국, 제 2 부재(320)는 하우징(300)의 내부 공간을 밀폐하도록 형성될 수 있다. 그러나, 제 2 부재(320)에 절개 영역이 형성되지 않고 측면에 소정의 홀이 형성될 수도 있다. 즉, 제 2 부재(320)에 홀이 형성되고 홀을 통해 신호 라인이 연결될 수도 있다. 물론, 신호 라인은 제 2 음파 출력부(200)와 제 2 부재(320) 사이를 통해 연결되는 등 다양한 방식으로 연결할 수 있다.
또한, 제 2 부재(320)의 내측에는 돌출부(330)가 마련될 수 있다. 즉, 제 2 부재(320)의 내벽으로부터 내측으로 돌출되도록 돌출부(330)가 마련될 수 있다. 또한, 돌출부(330) 상에 제 1 부재(310)가 안착될 수 있다. 이러한 제 1 부재(310) 및 제 2 부재(320)는 별개로 제작된 후 제 2 부재(320)의 돌출부(330) 상에 제 1 부재(310)가 안착되도록 접합될 수도 있고, 제 1 부재(310) 및 제 2 부재(320)가 일체로 제작될 수 있다. 물론, 돌출부(330)가 마련되지 않고 제 1 부재(310)의 외측이 제 2 부재(320)의 내측에 접촉되도록 접합되거나 일체로 제작될 수도 있다. 이러한 하우징(300)은 제 1 부재(310)의 상면, 즉 제 1 개구의 상측에 제 2 음파 출력부(200), 즉 압전 스피커의 진동판(220)이 접촉될 수 있고, 제 1 부재(310)의 돌출부(330) 하측에는 제 1 음파 출력부(100), 즉 다이나믹 스피커가 접촉될 수 있다. 즉, 제 1 음파 출력부(100)와 제 2 음파 출력부(200)가 제 1 부재(310) 및 돌출부(330)를 사이에 두고 이격되어 마련될 수 있다.
이러한 음파 출력 장치는 차량용 스피커, 가정용 스피커 등의 스피커 또는 앰프와 이어폰으로 제작될 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 음파 출력 장치는 커널형 이어폰 등의 이어폰으로 제작되고, 이 경우 하우징(300)은 대략 귀에 삽입될 수 있는 크기로 제작될 수 있다. 이때, 제 2 음파 출력부(200)로부터 귀에 삽입될 수 있다. 따라서, 제 2 음파 출력부(200)로부터의 음파가 먼저 출력된 후 제 1 음파 출력부(100)로부터의 음파가 이후 개구를 통해 출력되어 귀 안에서 두 음파가 서로 섞이게 된다. 또한, 본 발명은 하우징(300) 내측에 서로 이격되도록 제 1 음파 출력부(100) 및 제 2 음파 출력부(200)를 삽입하여 제작할 수도 있고, 제 1 음파 출력부(100)가 삽입된 하우징(300)의 일부와 제 2 음파 출력부(200)가 삽입된 하우징(300)의 다른 일부를 결합하여 음파 출력 장치를 제작할 수도 있다.
한편, 본 발명의 음파 출력 장치는 0.1V∼5.0V의 저전압 구동이 가능하며, 바람직하게는 0.1V∼2.0V, 더욱 바람직하게는 0.1V∼0.5V의 저전압 구동이 가능하다. 특히 이어폰에 적용되는 경우 0.1V∼0.2V의 저전압 구동이 가능하며, 바람직하게는 0.1V∼0.18V의 저전압 구동이 가능하다. 즉, 제 2 음파 출력부(200)의 압전 소자(210)는 복수의 압전층이 적층되고 각 압전층 사이에 내부 전극이 형성되는데, 압전층이 5㎛∼20㎛의 두께로 형성되므로 제 2 음파 출력부(200)는 저전압 구동이 가능하다. 일반 압전 스피커의 구동 전압이 5V 이상인데 반해, 본 발명에 따른 제 2 음파 출력부(200)는 별도의 압전 스피커용 증폭기를 이용하지 않아도 0.1V∼0.5V의 저전압 구동이 가능하고, 그에 따라 다이나믹 스피커와 결합하여 저전압 구동이 가능하다. 또한, 본 발명의 음파 출력 장치는 제 1 및 제 2 음파 출력부(100, 200)에 동일 신호가 인가되어 동시에 구동될 수 있다. 즉, 신호원으로부터 공급되는 신호가 제 1 음파 출력부(100)에 그대로 인가되고 고대역 필터를 통과하여 제 2 음파 출력부(200)에 인가되어 제 1 및 제 2 음파 출력부(100, 200)에 저주파 및 고주파 대역의 신호가 각각 인가될 수 있으나, 본 발명은 제 1 및 제 2 음파 출력부(100, 200)에 동일 레벨의 신호가 동시에 인가될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 음파 출력 장치는 제 1 음파 출력부(100)가 가청 주파수 대역의 음파를 출력하고, 제 2 음파 출력부(200)가 가청 주파수 대역 이외의 주파수 대역의 음파를 출력할 수 있다. 예를 들어, 제 1 음향 출력부(100)를 통해 20㎐∼20㎑의 음파가 출력되고, 제 2 음향 출력부(200)를 통해 4㎐∼14㎐의 음파가 출력될 수 있다. 즉, 사용자의 용도 또는 선택에 따라 제 2 음향 출력부(200)를 통해 4㎐∼7㎐ 또는 8㎐∼14㎐의 음파가 출력될 수 있다. 이때, 4㎐∼7㎐ 또는 8㎐∼14㎐의 저음파는 20㎑ 이상, 예를 들어 20㎑∼60㎑의 초음파에 변조되어 제 2 음향 출력부(200)를 통해 사용자에게 출력될 수 있다. 즉, 저음파와 초음파가 변조되어 출력되므로 초음파에 의해 사용자의 뇌가 자극되고 저음파에 의해 소정의 뇌파가 유도될 수 있다. 따라서, 사용자는 제 1 음파 출력부(100)를 통해 가청 주파수 대역의 음파를 청취할 수 있고, 제 2 음파 출력부(200)를 통해 출력되는 변조 음파에 의해 뇌파가 유도될 수 있다. 결국, 본 발명의 음파 출력 장치를 이용함으로써 음향을 청취하는 동시에 원하는 뇌파를 유도시킬 수 있다.
도 4 및 도 5는 압전 소자의 사이즈 및 형상에 따른 특성 그래프로서, 도 4는 원형의 압전 소자의 사이즈 및 형상에 따른 임피던스 특성 그래프이고, 도 5는 정사각형의 압전 소자의 사이즈 및 형상에 따른 임피던스 특성 그래프이다. 여기서, 도 4의 도면 부호 11은 5㎜의 외경과 0.3㎜의 두께를 갖는 원형 압전 소자의 특성 그래프이고, 도면 부호 12는 5㎜의 외경, 2.5㎜의 내경 및 0.3㎜의 두께를 갖는 링 형상의 압전 소자의 특성 그래프이며, 도면 부호 13은 10㎜의 외경, 7.5㎜의 내경 및 0.3㎜의 두께를 갖는 링 형상의 압전 소자의 특성 그래프이다. 즉, 도면 부호 12 및 13은 원형의 판 형상에서 중앙부를 제거한 링 형상으로서 크기가 다르고 두께가 동일하다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 외경이 5㎜인 원형의 압전 소자는 약 46㎑의 주파수 특성을 가지며, 외경이 5㎜이고 내경이 2.5㎜인 링 형상의 압전 소자는 약 48㎑의 주파수 특성을 갖는다. 그런데, 외경이 10㎜이고 내경이 7.5㎜인 링 형상의 압전 소자는 약 20㎑의 주파수 특성을 갖는다. 따라서, 압전 소자의 크기 및 형상에 따라 20㎑ 이상의 주파수 특성을 가지며, 그에 따라 뇌를 자극시키는 초음파와 뇌파를 유도시키는 저음파를 변조시킨 음파를 발생시키는 제 2 음파 출력부로서 이용될 수 있다.
도 5의 도면 부호 21은 가로 및 세로의 길이가 각각 3.5㎜이고 두께가 0.3㎜인 정사각형 압전 소자의 특성 그래프이고, 도면 부호 22는 가로 및 세로의 길이가 각각 4.25㎜이고 두께가 0.3㎜인 정사각형 압전 소자의 특성 그래프이며, 도면 부호 23은 가로 및 세로의 길이가 각각 5㎜이고 두께가 0.3㎜인 정사각형 압전 소자의 특성 그래프이다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 가로 및 세로의 길이가 각각 3.5㎜인 압전 소자는 약 31㎑의 주파수 특성을 가지며, 가로 및 세로의 길이가 각각 4.25㎜인 압전 소자는 약 43㎑의 주파수 특성을 갖는다. 또한, 가로 및 세로의 길이가 각각 5㎜인 압전 소자는 약 62㎑의 주파수 특성을 갖는다. 따라서, 압전 소자의 크기 및 형상에 따라 30㎑ 이상의 주파수 특성을 가지며, 그에 따라 뇌를 자극시키는 초음파와 뇌파를 유도시키는 저음파를 변조시킨 음파를 발생시키는 제 2 음파 출력부로서 이용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 음파 출력 장치의 분해 사시도이고, 도 7은 결합 사시도이며, 도 8은 결합 단면도이다. 또한, 도 9 및 도 10은 제 2 실시 예의 변형 예에 따른 개략도이다.
도 6 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 음파 출력 장치는 제 1 음파 출력부(100)와, 제 1 음파 출력부(100) 상에 마련되는 제 2 음파 출력부(200)와, 제 2 음파 출력부(200) 상에 마련되는 제 3 음파 출력부(400)와, 제 1 내지 제 3 음파 출력부(100, 200, 400)의 적어도 하나를 수용하는 하우징(300)을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 제 2 실시 예는 제 1 실시 예에 비해 제 3 음파 출력부(400)가 더 마련될 수 있다. 여기서, 제 1 음파 출력부(100)는 보이스 코일(140) 및 진동 부재(150)를 포함하는 다이나믹 스피커를 포함할 수 있고, 제 2 음파 출력부(200)는 제 1 압전 소자(210) 및 제 1 진동판(220)을 포함하는 제 1 압전 스피커를 포함할 수 있으며, 제 3 음파 출력부(400)는 제 2 압전 소자(410) 및 제 2 진동판(420)을 포함하는 제 2 압전 스피커를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 제 2 실시 예는 하나의 다이나믹 스피커와 둘 이상의 압전 스피커를 포함할 수 있다. 또한, 제 3 음파 출력부(400), 즉 제 2 압전 스피커는 제 2 음파 출력부(200), 즉 제 1 압전 스피커보다 사이즈가 크게 마련될 수 있다. 즉, 제 2 압전 소자(410)는 제 1 압전 소자(210)보다 직경이 크게 마련될 수 있고, 제 2 진동판(420)은 제 1 진동판(220)보다 직경이 크게 마련될 수 있다. 이렇게 제 3 음파 출력부(400)를 더 포함함으로써 고음을 구현할 수 있다. 즉, 제 2 음파 출력부(200)는 초음파를 발생시키는 제 1 음파 출력부(100)는 가청 주파수를 발생시키지만, 제 1 음파 출력부(100)는 다이나믹 스피커로 구현되어 저음을 구현하는데는 적합하지만 고음을 구현하는데는 한계가 있다. 따라서, 제 3 음파 출력부(400)를 더 구비함으로써 고음을 구현할 수 있고, 제 1 및 제 3 음파 출력부(100, 400)를 구비함으로써 저음 및 고음 특성이 모두 우수한 음파 출력 장치를 구현할 수 있다. 한편, 제 1 및 제 2 음파 출력부(100, 200)는 본 발명의 제 1 실시 예에서 설명한 내용과 동일하므로 생략하고 제 1 실시 예와 차이나는 내용을 중심으로 제 2 실시 예를 설명하겠다.
3. 하우징
하우징(300)은 제 2 부재(320)의 상면에 제 3 음파 출력부(400), 즉 제 2 압전 스피커의 제 2 진동판(420)이 접촉될 수 있고, 제 2 부재(320)의 돌출부(330) 하측에는 제 1 음파 출력부(100), 즉 다이나믹 스피커가 접촉될 수 있다. 즉, 제 1 음파 출력부(100)와 제 2 음파 출력부(200)가 제 1 부재(310) 및 돌출부(330)를 사이에 두고 마련될 수 있고, 제 3 음파 출력부(400)가 제 2 부재(320)의 상면에 마련되므로 제 2 및 제 3 음파 출력부(200, 400)가 소정 간격 이격될 수 있다. 제 2 진동판(420)이 제 2 부재(320) 상에 마련되므로 제 2 진동판(420)의 직경은 제 2 부재(320)의 외경과 같을 수 있다. 즉, 제 2 진동판(420)은 하우징(300)의 외경과 같은 직경을 가질 수 있다. 이때, 제 2 압전 소자(410)의 직경은 하우징(300)의 외경보다 작을 수 있으며, 하우징(300)의 내경보다 작을 수도 있다.
4. 제 3 음파 출력부
제 3 음파 출력부(400)는 제 2 압전 소자(410)와, 제 2 진동판(420)과, 제 3 음파 출력부(400)의 소정 영역에 관통 형성된 적어도 하나의 개구(430)를 포함할 수 있다. 즉, 개구(430)는 제 2 압전 소자(210)와 제 2 진동판(420)의 소정 영역을 관통하도록 형성될 수 있다. 제 2 압전 소자(410)와 제 2 진동판(420)은 본 발명의 제 1 실시 예에서 설명한 압전 소자(210) 및 진동판(220)과 사이즈가 다르고 재질, 형상 등은 이전 설명과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 이때, 제 2 압전 소자(410) 및 제 2 진동판(420)의 두께는 압전 소자(210) 및 진동판(220)의 두께와 같거나 다를 수 있는데, 제 2 압전 소자(410) 및 제 2 진동판(420)이 압전 소자(210) 및 진동판(220)보다 두껍거나 두께가 같을 수 있다.
개구(430)는 제 3 음파 출력부(400)의 소정 영역에 적어도 하나 마련될 수 있다. 즉, 적어도 하나의 개구(430)는 제 2 압전 소자(410) 및 제 2 진동판(420)의 소정 영역을 상하 관통하도록 형성될 수 있다. 즉, 개구(430)는 제 2 압전 소자(410)의 적어도 일 영역에 형성된 제 1 개구(431)와 제 2 진동판(420)의 적어도 일 영역에 형성된 제 2 개구(432)를 포함할 수 있다. 이러한 개구(430)는 제 2 압전 소자(410) 및 제 2 진동판(420)의 형상을 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 개구(430)는 원형으로 형성될 수 있다. 그러나, 개구(430)는 제 2 압전 소자(410) 및 제 2 진동판(420)과 다른 형상으로 형성될 수도 있고, 정사각형, 직사각형, 타원형, 다각형 등 다양한 형상으로 형성될 수도 있다. 또한, 제 1 개구(431)와 제 2 개구(432)는 제 2 압전 소자(410) 및 제 2 진동판(420)의 예를 들어 중앙 영역에 형성될 수 있으며, 중첩되어 형성될 수 있다. 즉, 제 1 개구(431) 및 제 2 개구(432)는 동일 크기로 형성될 수 있으며, 중첩되도록 형성될 수 있다. 물론, 제 1 및 제 2 개구(231, 232)는 서로 다른 크기로 형성될 수도 있고, 바람직하게는 중심 영역이 중첩되도록 형성될 수 있다. 즉, 제 2 진동판(420)의 크기가 제 2 압전 소자(410)의 크기보다 크고 제 2 진동판(420)에 형성된 제 2 개구(432)가 제 2 압전 소자(410)에 형성된 제 1 개구(431)보다 클 수 있지만, 제 1 개구(431)가 제 2 개구(432)와 중첩되도록 형성될 수 있다. 따라서, 제 2 압전 소자(410)와 제 2 진동판(420)에 각각 형성된 제 1 및 제 2 개구(431, 432)의 크기가 다를 경우 개구(430)는 제 1 및 제 2 개구(431, 432) 중에서 작은 크기를 갖게 된다. 물론, 개구(430)는 제 2 압전 소자(410) 및 제 2 진동판(420)의 중심부 이외에 다른 영역에 형성될 수도 있다. 또한, 개구(430)는 복수로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 제 1 개구(431a, 431b)는 제 2 압전 소자(410)의 중앙 영역 및 주변 영역에 복수 형성될 수 있고, 제 2 개구(432a, 432b)는 제 2 진동판(420)의 중앙 영역 및 주변 영역에 복수 형성될 수 있다. 한편, 복수의 개구(430)는 적어도 하나가 다른 크기로 형성될 수 있다. 즉, 제 2 압전 소자(410)에 형성되는 복수의 제 1 개구(431)는 적어도 하나가 다른 크기로 형성될 수 있고, 제 2 진동판(420)에 형성되는 복수의 제 2 개구(432)는 적어도 하나가 다른 크기로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 중앙 영역에 형성된 제 1 및 제 2 개구(431a, 432a)는 주변 영역에 형성된 적어도 하나의 제 1 및 제 2 개구(431b, 432b)보다 크게 형성될 수 있고, 주변 영역에 형성된 적어도 하나의 제 1 및 제 2 개구(431b, 432b)는 서로 동일 크기 또는 적어도 하나가 다른 크기로 형성될 수 있다. 이때, 각각 복수의 제 1 개구(431a, 431b) 및 제 2 개구(432a, 432b)는 중심 영역에서 중첩되도록 형성될 수 있다. 물론, 제 2 압전 소자(410) 및 제 2 진동판(420)에 각각 형성되며 서로 중첩되는 개구(430)는 동일 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 개구(430)는 제 2 압전 소자(410) 면적의 예를 들어 0.09% 내지 50%의 크기로 형성될 수 있다. 즉, 제 2 압전 소자(410)의 면적에 대해 적어도 하나의 개구(430)가 0.09% 내지 50%의 크기로 형성될 수 있다. 이때, 개구(430)가 복수로 형성되는 경우 복수의 개구(430)의 전체 면적이 제 2 압전 소자(410) 면적에 대해 0.09% 내지 50%의 크기로 형성될 수 있다. 한편, 개구(430)는 제 2 압전 소자(410) 및 제 2 진동판(420)의 직경 대비 3% 내지 70%의 직경으로 형성될 수도 있다. 즉, 제 2 압전 소자(410)가 원형으로 형성되고, 개구(430) 또한 원형으로 형성되는 경우, 개구(430)의 직경은 제 2 압전 소자(410)의 직경 대비 3% 내지 70%의 직경으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 압전 소자(410)가 10㎜의 직경을 가질 경우 개구(430)는 0.3㎜ 내지 7㎜의 직경으로 형성될 수 있다. 만약, 개구(430)가 다각형으로 형성되는 경우 개구(430)의 평균 직경이 제 2 압전 소자(410)의 직경 대비 3% 내지 70%로 형성될 수 있다. 한편, 제 2 진동판(420)에 형성되는 개구(430)는 제 2 압전 소자(410)에 형성되는 개구(430)와 동일 위치에 동일 크기로 형성될 수 있다. 물론, 제 2 진동판(420)에 형성되는 개구(430)가 제 2 압전 소자(420)에 형성되는 개구(430)보다 크거나 작게 형성될 수도 있다. 제 2 압전 소자(410)의 면적 또는 직경 대비 개구(430)의 크기가 0.09% 미만으로 형성되거나 개구(430)의 직경이 3% 미만으로 형성되면 제 1 음파 출력부(100)로부터 출력된 음파의 개구(430)를 통해 배출되는 양이 적어 음파 특성이 저하될 수 있고, 개구(430)의 크기가 50%를 초과하거나 개구(430)의 직경이 70%를 초과하여 형성될 경우 제 2 압전 소자(410)의 압전 특성 및 제 2 진동판(420)의 진동 특성을 저해하여 오히려 음파 특성을 저하시킬 수 있다. 이렇게 제 3 음파 출력부(400)에 개구(430)가 형성됨으로써 제 1 음파 출력부(100)로부터 출력된 음파가 개구(430)를 통해 출력될 수 있다. 따라서, 제 3 음파 출력부(300)로부터 출력된 음파과 제 1 음파 출력부(100)로부터 출력되어 개구(430)를 통해 출력된 음파가 하우징 외부에서 섞이게 되고, 그에 따라 가청 주파수 대역에서의 음압 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 음파 출력 장치는 제 3 음파 출력부(400)의 적어도 일 영역에 마련된 웨이트 부재(440)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이 제 2 진동판(420)의 적어도 일면 상에 마련된 웨이트 부재(440)를 더 포함할 수 있다. 즉, 제 2 진동판(420)의 일면 상에 제 2 압전 소자(410)가 마련되고 타면 상에 웨이트 부재(440)가 마련될 수 있다. 물론, 웨이트 부재(440)는 제 2 압전 소자(410) 상에 마련될 수도 있다. 즉, 제 2 진동판(420)의 일면 상에 제 1 압전 소자(410)가 마련되고, 제 1 압전 소자(410) 상에 웨이트 부재(440)가 마련될 수 있다. 여기서, 웨이트 부재(440)는 소정의 접착 부재를 이용하여 제 2 진동판(420) 또는 제 2 압전 소자(410) 상에 고정될 수 있다. 접착 부재로는 양면 테이프, 쿠션 테이프, 에폭시 본드, 실리콘 본드, 실리콘 패드 등을 포함하는 테이프나 본드류를 이용할 수 있다. 또한, 웨이트 부재(440)는 개구(430)를 막지 않도록 마련될 수 있다. 즉, 웨이트 부재(440)는 압전 소자(410) 및 진동판(420)에 각각 형성된 개구(431, 432)에 대응되어 개구(433)가 형성될 수 있다. 이때, 웨이트 부재(440)에 형성된 개구(433)는 압전 소자(410) 및 진동판(420)에 각각 형성된 개구(431, 432)와 같은 크기 및 형상으로 형성될 수 있고, 개구(431, 432)보다 크게 형성될 수도 있다. 즉, 웨이트 부재(440)에 의해 개구(430)의 적어도 일부가 막히지 않도록 웨이트 부재(440)에는 개구(431, 432)와 같거나 크게 개구(433)가 형성될 수 있다. 물론, 웨이트 부재(440)는 개구(430)와 이격된 영역에 마련될 수도 있다.
이러한 웨이트 부재(440)는 소정의 질량을 갖는 예를 들어 금속 재질로 마련될 수 있다. 예를 들어, 웨이트 부재(440)는 압전 소자(410)보다 질량이 무겁거나 동일한 SUS, 텅스텐 등의 금속 재질로 마련될 수 있다. 소정의 질량을 갖는 웨이트 부재(440)가 제 3 음파 출력부(400)의 적어도 일부에 마련됨으로서 제 3 음파 출력부(400)에 무게를 실어주게 된다. 따라서, 진동체, 즉 압전 소자(410) 및/또는 진동 소자(420)의 무게가 증가한 결과가 되고, 그에 따라 웨이트 부재(440)를 이용하지 않는 경우에 비해 음파 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 웨이트 부재(440)를 마련하면 압전 소자(410)의 사이즈를 줄이면서 압전 소자(410)의 사이즈를 줄이지 않는 경우와 동일 음파 특성을 나타낼 수 있다. 즉, 웨이트 부재(440)를 마련함으로써 제 1 직경의 압전 소자(410)가 갖는 음파 특성과 동일하거나 유사한 음파 특성을 제 1 직경보다 작은 제 2 직경의 압전 소자(410)가 가질 수 있다. 결국, 웨이트 부재(440)를 마련하는 경우 공진 주파수를 낮출 수 있고, 그에 따라 제 3 음파 출력부(400)의 사이즈, 특히 압전 소자(410)의 사이즈를 줄일 수 있어 본 발명에 따른 음파 출력 장치의 전체 사이즈를 줄일 수 있다. 즉, 압전 소자(410)의 직경을 줄일 수 있고, 그에 따라 하우징(300)의 외경을 줄일 수 있다. 여기서, 공진 주파수는 웨이트 부재(440)의 사이즈, 질량 등에 따라 조절할 수 있으며, 그에 따라 본 발명에 따른 음파 출력 장치의 직경, 즉 하우징(300)의 외경을 8㎜ 정도, 더 바람직하게는 6㎜ 정도로 줄일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 음파 출력 장치는 6㎜∼13㎜ 정도의 외경을 가질 수 있다.
한편, 웨이트 부재(440)의 개구(433)에는 메쉬 구조를 형성할 수 있다. 즉, 진동판(420)과 접촉되는 부분과 동일 재질로 메쉬 구조를 형성하여 개구(433) 상에 마련할 수 있다. 이때, 메쉬의 기공 사이즈에 따라 제 1 음파 출력부(100)의 특성을 조절할 수 있다. 즉, 메쉬의 기공 사이즈에 따라 20㎐∼1㎑ 정도의 주파수 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 기공의 사이즈가 작으면 상기 주파수 대역에서 음압이 올라가고 기공의 사이즈가 작으면 상기 주파수 대역에서 음압이 내려갈 수 있다.
상기한 바와 같이, 제 3 음파 출력부(400)의 적어도 일 영역에 웨이트 부재(440)를 마련함으로써 압전 소자(410)의 공진 주파수를 낮출 수 있다. 따라서, 동일 공진 주파수에서 압전 소자(410)의 사이즈를 줄일 수 있고, 그에 따라 음파 출력 장치의 전체 사이즈를 줄일 수 있다.
한편, 제 3 음파 출력부(400)는 제 2 음파 출력부(200)와 마찬가지로 적어도 일부에 코팅층(미도시)이 더 형성될 수 있다. 코팅층은 파릴렌(parylene) 등의 방수 재료를 이용하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 음파 출력 장치는 0.1V∼5.0V의 저전압 구동이 가능하며, 바람직하게는 0.1V∼2.0V, 더욱 바람직하게는 0.1V∼0.5V의 저전압 구동이 가능하다. 특히 이어폰에 적용되는 경우 0.1V∼0.2V의 저전압 구동이 가능하며, 바람직하게는 0.1V∼0.18V의 저전압 구동이 가능하다. 즉, 제 2 및 제 3 음파 출력부(200, 400)의 압전 소자(210, 410)는 복수의 압전층이 적층되고 각 압전층 사이에 내부 전극이 형성되는데, 압전층이 5㎛∼20㎛의 두께로 형성되므로 제 2 및 제 3 음파 출력부(200, 400)는 저전압 구동이 가능하다.
한편, 본 발명의 실시 예들에 따른 음파 출력 장치는 적어도 하나의 음파 출력부를 선택적으로 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1 음파 출력부(100)를 구동시키거나, 제 2 음파 출력부(200)를 구동시킬 수도 있다. 또한, 제 1 및 제 2 음파 출력부(100, 200)을 동시에 구동시키거나 제 1 및 제 3 음파 출력부(100, 400)을 구동시킬 수도 있고, 제 1 내지 제 3 음파 출력부(100, 200, 400)을 모두 구동시킬 수 있다. 즉, 제 1 음파 출력부(100)를 구동시켜 중저음 음파를 청취할 수 있고, 제 2 음파 출력부(200)를 구동시켜 뇌를 자극하고 뇌파를 유도시키는 음파를 발생시킬 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 음파 출력부(100, 200)를 동시에 구동시켜 중저음 음파를 청취하면서 뇌를 자극하고 뇌파를 유도시키는 음파를 발생시킬 수 있고, 제 1 및 제 3 음파 출력부(100, 400)를 동시에 구동시켜 고음이 향상된 음파를 청취할 수도 있다. 그리고, 제 1 내지 제 3 음파 출력부(100, 200, 400)을 모두 구동시켜 중저음 뿐만 아니라 고음이 향상된 음파를 청취하면서 뇌를 자극하고 뇌파를 유도시키는 음파를 발생시킬 수 있다.
이어서, 본 발명의 제 2 및 제 3 음파 출력부(200, 400)로 이용되는 압전 소자(210, 410)에 대해 도면을 이용하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 압전 소자의 사시도이고, 도 12 내지 도 14는 도 11의 A-A', B-B', C-C' 및 D-D' 라인을 절단한 단면도이다. 또한, 도 15 및 도 16은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 압전 소자를 설명하기 위한 도면이다. 도면에서는 개구가 형성된 제 2 압전 소자를 예로 들어 도시하였지만, 개구가 형성되지 않은 제 1 압전 소자 또한 개구를 제외하고 제 2 압전 소자와 동일하다.
2.1. 압전 소자의 일 예
도 11에 도시된 바와 같이, 압전 소자는 소정의 두께를 갖는 판 형상으로 마련될 수 있다. 예를 들어, 압전 소자는 0.1㎜∼1㎜의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 음파 출력 장치의 크기 및/또는 제 2 및 제 3 음파 출력부의 크기 등에 따라 압전 소자의 두께는 상기 두께 범위 이하이거나 이상일 수 있다. 또한, 압전 소자는 원형으로 마련될 수 있으며, 예를 들어 4㎜∼15㎜의 직경을 가질 수 있다. 이때, 압전 소자의 직경은 진동판의 직경보다 작거나 같을 수 있다. 물론, 압전 소자는 음파 출력 장치의 형태에 따라 사각형, 타원형 등 다양한 형상으로 마련될 수 있고, 진동판과 다른 형태를 가질 수도 있다. 예를 들어, 진동판이 직사각형으로 마련되고 압전 소자가 원형으로 마련될 수 있으며, 진동판이 원형으로 마련되고 압전 소자가 직사각형으로 마련될 수도 있다. 이렇게 압전 소자와 진동판이 다른 형태를 갖는 경우 압전 소자의 적어도 일 영역이 진동판의 외측으로 벗어나지 않도록 압전 소자가 진동판보다 작은 것이 바람직하다.
이러한 압전 소자는 도 11 내지 도 14에 도시된 바와 같이 베이스(2110)와, 베이스(2110)의 적어도 일면 상에 마련된 적어도 하나의 압전층(2120)과, 압전층(2120) 상에 형성된 적어도 하나의 내부 전극(2130)을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 압전층(2120)이 적층된 적층체의 표면에 형성된 커버층(2141, 2142; 2140)과, 내부 전극(2130)과 선택적으로 연결되도록 적층체의 외부에 형성된 외부 전극(2510, 2520, 2530, 2540; 2500)을 더 포함할 수 있다. 압전 소자(210)는 베이스(2110)의 양면에 압전층(2120)이 형성된 바이모프 타입으로 형성될 수도 있고, 베이스(2110)의 일면에 압전층(2120)이 형성된 유니모프 타입으로 형성될 수도 있다. 또한, 변위와 진동력을 증가시키고, 저전압 구동을 가능하게 하기 위해 베이스(2110)의 일면 상에 압전층(2120)을 복수로 적층하고 유니모프 타입으로 형성할 수도 있다. 예를 들어, 도 11 내지 도 14에 도시된 바와 같이 베이스(2110)의 일면 및 타면 상에 복수의 압전층(2121 내지 2126; 2120)이 적층 형성되고, 압전층(2120) 사이에 도전층이 형성되어 복수의 내부 전극(2131 내지 2138; 2130)이 형성될 수 있다. 한편, 내부 전극(2130)의 적어도 하나는 베이스(2110)의 표면 상에 형성될 수도 있는데, 이때 베이스(2110)는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 압전 소자(210)는 내부 전극(2130)과 연결되도록 적층체의 외부에 형성된 외부 전극(2141, 2142; 2140)을 더 포함할 수도 있다.
베이스(2110)는 압전층(2120)이 적층된 구조를 유지하면서 진동이 발생할 수 있는 특성을 갖는 물질을 이용할 수 있다. 예를 들어, 베이스(2110)는 금속, 플라스틱, 절연성 세라믹 등을 이용할 수 있다. 한편, 베이스(2110)는 금속, 플라스틱, 절연성 세라믹 등의 압전층(2120)과 이종의 물질을 이용하지 않을 수 있다. 즉, 베이스(2110)는 분극되지 않은 압전층을 이용하여 마련될 수도 있다. 이때, 베이스(2110)가 분극되지 않은 압전층 또는 금속으로 마련될 경우 베이스(2110)의 표면에는 내부 전극(2130)이 형성되지 않을 수 있다. 한편, 분극되지 않은 압전층으로 마련된 베이스(2110)는 그 상측 및 하측에서 역방향으로 동작하는 각각의 압전층(2120)의 경계로 작용할 수도 있다. 예를 들어, 베이스(2110)를 기준으로 하측의 압전층들(2121 내지 2124)이 수축할 때 상측의 압전층들(2125 내지 2128)이 팽창하여 서로 반대 방향으로 동작할 수 있다. 물론, 베이스(2110)는 분극된 압전층을 이용하여 마련될 수 있고, 그에 따라 압전층으로서 기능할 수도 있다. 또한, 베이스(2110)는 압전 소자(210)의 형상을 따라 원형으로 마련될 수 있고, 중앙부에 개구(230)가 형성될 수 있다. 베이스(2110)는 압전 소자(210) 전체 두께 대비 1/3 내지 1/150의 두께로 마련될 수 있다. 예를 들어, 베이스(2110)의 두께는 2㎛∼200㎛일 수 있다. 이때, 베이스(2110)의 두께는 압전층(2120) 전체의 두께보다 얇고, 복수로 적층된 압전층(2120) 각각의 두께보다 같거나 두꺼울 수 있다. 물론, 베이스(2110)의 두께가 압전층(2120) 각각의 두께보다 얇을수도 있다. 그러나, 베이스(2110)가 두꺼울수록 압전층(2120)의 두께가 얇아지거나 압전층(2120)의 적층 수가 적어지므로 압전 현상이 적게 발생할 수 있다. 따라서, 베이스(2110)의 두께는 압전층(2120) 전체의 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 한편, 베이스(2110)는 압전 소자(2100)의 중앙부 뿐만 아니라 상부 또는 하부에 마련될 수 있다. 즉, 베이스(2110)는 압전 소자(2100)의 상부 표면 또는 하부 표면에 마련될 수 있다. 베이스(2110)가 압전 소자(2100)의 일 표면에 마련되면 베이스(2110)의 일면 상에 복수의 압전층(2120) 및 내부 전극(2130)이 적층될 수 있다. 즉, 베이스(2110)가 복수의 압전층(2120) 및 내부 전극(2130)을 형성하기 위한 지지층으로 이용될 수 있다. 또한, 베이스(2110)는 압전 소자(2100) 내부에 둘 이상 마련될 수도 있다. 예를 들어, 베이스(2110)는 압전 소자(2100)의 상부 및 하부에 각각 마련되거나, 압전 소자(2100)의 상부, 중앙부 및 하부에 각각 마련될 수도 있다. 물론, 압전 소자(2100)의 상부 및 하부의 어느 하나와 중앙부에 베이스(2110)가 마련될 수도 있다. 한편, 압전 소자(2100)의 상부 및 하부에 마련되는 베이스(2110)는 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 절연성 베이스(2110)에 의해 표면 전극(2139) 및 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다. 즉, 절연성 베이스(2110)가 표면 전극(2139)를 덮도록 마련될 수 있고, 절연성 베이스(2110)에 의해 산소 또는 수분 등의 침투가 방지되어 표면 전극(2139) 및 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다. 이렇게 둘 이상의 베이스(2110)가 마련되는 경우에도 베이스(2110)의 전체 두께는 압전층(2120) 전체 두께보다 얇은 것이 바람직하다.
압전층(2120)은 베이스(2110)과 동일 형상 및 동일 크기를 가질 수 있다. 즉, 압전층(2120)은 원형으로 마련되며 중앙부에 개구(230)가 형성될 수 있다. 물론, 압전층(2120)에는 개구가 형성되지 않을 수 있다. 즉, 압전 소자(210)이 도 1 내지 도 3을 이용한 본 발명의 일 실시 예의 구조를 가질 경우 압전층(2120)에는 개구가 형성되지 않을 수 있다. 여기서, 압전층(2120)과 베이스(2110)의 개구(230)는 동일 크기 및 형상을 가질 수 있다. 또한, 압전층(2120)은 예를 들어 2층 내지 70층으로 적층될 수 있는데, 바람직하게는 2층 내지 50층, 더욱 바람직하게는 6층 내지 30층으로 적층될 수 있다. 여기서, 압전층(2120)의 적층 수에 따라 음압이 조절될 수 있는데, 적층 수가 증가함에 따라 음압이 상승할 수 있다. 그러나, 압전층(2120)이 70층 이상으로 적층될 경우 압전 소자(210)의 두께가 증가하고 음압 상승폭이 미미하므로 압전층(2120)의 적층 수는 2층 내지 50층이 바람직하고, 6층 내지 30층이 더욱 바람직하다. 한편, 압전층(2120)은 베이스(2110)의 일면 및 타면에 동일 수로 적층될 수 있다. 예를 들어, 베이스(2110)의 일면에 제 1 내지 제 3 압전층(2121 내지 2123)이 적층되고, 베이스(2110)의 타면에 제 4 내지 제 6 압전층(2124 내지 2126)이 적층될 수 있다. 또한, 압전층(2120) 각각의 두께는 압전 소자(210) 두께의 1/3 내지 1/100일 수 있다. 예를 들어, 압전층(2120) 각각은 1㎛∼300㎛의 두께를 가질 수 있는데, 바람직하게는 2㎛∼30㎛, 더욱 바람직하게는 2㎛∼20㎛의 두께를 가질 수 있다. 압전 소자(210)를 포함하는 음향 출력 장치는 전자기기, 예를 들어 스마트폰 등의 휴대용 전자기기에서 공급되는 전압에 의해 구동되어야 한다. 이때, 전자기기에서 공급되는 전압은 0.2V 정도로 매우 낮기 때문에 압전층(2120)의 두께를 적절하게 하여 압전 소자(210)의 성능을 극대화해야 한다. 따라서, 압전층(2120)의 두께는 2㎛∼30㎛가 바람직하고, 2㎛∼20㎛의 두께가 더욱 바람직할 수 있다. 압전층(2120)은 예를 들어 PZT(Pb, Zr, Ti), NKN(Na, K, Nb), BNT(Bi, Na, Ti) 계열의 압전 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 그러나, 압전층(2120)은 이러한 물질에 한정되지 않고 다양한 압전 물질을 이용할 수 있다. 즉, 압전층(2120)은 압력을 가하면 전압이 발생하고, 전압을 가하면 압력 변화로 인한 부피나 길이의 증감이 발생하는 다양한 종류의 압전 물질을 이용할 수 있다. 한편, 압전층(2120)은 적어도 일 영역에 형성된 적어도 하나의 기공(미도시)을 포함할 수 있다. 이때, 기공은 적어도 하나의 크기 및 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 기공은 불규칙한 형상 및 크기로 불규칙하게 분포될 수 있다. 또한, 압전층(2120)은 적어도 일 방향으로 분극될 수 있다. 예를 들어, 인접한 두 압전층(2120)이 서로 다른 방향으로 분극될 수 있다. 즉, 서로 다른 방향으로 분극된 복수의 압전층(2120)이 교대로 적층될 수 있다. 예를 들어, 제 1, 제 3 및 제 5 압전층(2121, 2123, 2125)이 하측 방향으로 분극되고, 제 2, 제 4 및 제 6 압전층(2122, 2124, 2126)이 상측 방향으로 분극될 수 있다.
내부 전극(2130)은 외부 전압을 압전층(2120)에 인가하기 위해 마련될 수 있다. 즉, 내부 전극(2130)은 압전층(2120)의 분극을 위한 제 1 전원 및 압전층(2120)의 구동을 위한 제 2 전원을 압전층(2120)에 인가할 수 있다. 분극을 위한 제 1 전원 및 구동을 위한 제 2 전원은 외부 전극(2150)을 통해 내부 전극(2130)으로 인가될 수 있다. 이러한 내부 전극(2130)은 베이스(2110)와 복수의 압전층(2120) 사이에 각각 형성될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)은 베이스(2110) 및 압전층(2120)의 형상을 따라 원형으로 형성될 수 있다. 물론, 내부 전극(2130)은 사각형 등의 다각형 형태로 형성될 수 있다. 이때, 내부 전극(2130)은 개구(230)가 형성된 영역을 제외한 영역에 형성될 수 있고, 압전층(2120)의 가장자리와 소정 간격 이격되어 형성될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)은 개구(230)와 소정 간격 이격되어 형성될 수도 있다. 따라서, 내부 전극(2130)은 압전층(2120)보다 작은 면적으로 형성될 수 있다. 그리고, 내부 전극(2130)은 압전층(2200)이 적층된 적층체의 외부에 형성된 외부 전극(2150)과 선택적으로 연결되도록 형성될 수 있다. 즉, 두개의 내부 전극(2130)이 하나의 외부 전극(2150)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 3 내부 전극(2131, 2133)은 제 1 외부 전극(2151)과 연결되고, 제 2 및 제 4 내부 전극(2132, 2134)은 제 2 외부 전극(2152)와 연결되며, 제 5 및 제 7 내부 전극(2135, 2137)은 제 3 외부 전극(2153)과 연결되고, 제 6 및 제 8 내부 전극(2136, 2138)은 제 4 외부 전극(2154)와 연결될 수 있다. 이를 위해, 내부 전극(2130)은 소정 영역에서 외부 전극(2150) 방향으로 인출되는 인출 전극을 포함할 수 있다. 즉, 내부 전극(2120)은 압전층(2200)의 형상을 따라 대략 원형으로 형성된 메인 전극과, 메인 전극의 소정 영역으로부터 소정의 폭으로 외부 전극(2150) 방향으로 인출되는 인출 전극을 포함할 수 있다. 도 6 내지 도 9에서 내부 전극(2130)의 수직 방향으로 동일 크기로 형성된 부분이 메인 전극이고, 외부 전극(2150)과 연결되도록 더 길게 연장된 부분이 인출 전극이다. 한편, 내부 전극(2130)은 도전성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 Al, Ag, Au, Pt, Pd, Ni, Cu 중 어느 하나 이상의 성분을 포함하는 금속 또는 금속 합금으로 형성될 수 있다. 합금의 경우 예를 들어 Ag와 Pd 합금을 이용할 수 있다. 한편, 내부 전극(2130)은 압전층(2120)보다 얇거나 같은 두께로 형성될 수 있는데, 예를 들어 1㎛∼10㎛의 두께로 형성될 수 있다. 여기서, 내부 전극(2130)은 적어도 일 영역의 두께가 다르게 형성될 수도 있고, 적어도 일 영역이 제거되어 형성될 수 있다. 즉, 동일 내부 전극(2130)은 적어도 일 영역의 두께가 다른 영역보다 얇거나 두껍게 형성될 수도 있고, 적어도 일 영역이 제거되어 압전층(2120)이 노출되도록 형성될 수도 있다. 그러나, 내부 전극(2130)의 적어도 일 영역의 두께가 얇거나 적어도 일 영역이 제거되더라도 전체적으로 연결된 상태를 유지하므로 전기 전도성에는 전혀 문제가 발생되지 않는다. 또한, 다른 내부 전극(2130)은 동일 영역에서 서로 다른 두께로 형성되거나 서로 다른 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 복수의 내부 전극(2130) 중에서 수직 방향으로 소정의 길이 및 폭에 해당하는 동일 영역의 적어도 하나의 내부 전극(2130)이 다른 내부 전극(2130)과는 다른 두께로 형성될 수 있고, 다른 형상으로 형성될 수 있다. 여기서, 다른 형상은 오목하거나 볼록하거나 패인 형상 등으로 포함할 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)은 압전층(2120) 각각의 면적 대비 10% 내지 97%의 면적으로 각각 형성될 수 있다. 한편, 압전 소자(210)는 내부 전극(2130) 사이의 거리가 전체 두께 대비 1/3 내지 1/100일 수 있다. 즉, 내부 전극(2130) 사이의 압전층(2120) 각각의 두께는 압전 소자(210) 전체 두께의 1/3 내지 1/100일 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(210) 두께가 300㎛일 경우 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120) 각각의 두께는 3㎛ 내지 100㎛일 수 있다. 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120)의 두께에 의해 구동 전압이 변경될 수 있으며, 내부 전극(2130) 사이의 거리가 가까울수록 구동 전압은 감소될 수 있다. 그런데, 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120)의 두께가 압전 소자(210) 전체 두께의 1/3을 초과할 경우 구동 전압이 증가하게 되고, 그에 따라 높은 구동 전압을 생성하기 위한 고비용의 구동 IC가 필요하게 되어 원가 상승의 원인이 될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130) 사이의 거리, 즉 압전층(2120)의 두께가 압전 소자(210) 전체 두께의 1/100 미만이면 공정상 두께 편차 발생 빈도가 높고 그에 따라 압전층(2120)의 두께가 일정하지 않아 특성 저하의 문제가 발생될 수 있다.
커버층(2140)은 적층체의 하부 및 상부 표면에 적어도 하나 형성될 수 있다. 즉, 커버층(2140)은 적층체의 하부에 형성된 하부 커버층(2141) 및 적층체의 상부에 형성된 상부 커버층(2142) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 커버층(2140)은 절연성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 분극되지 않은 압전 물질로 형성될 수 있다. 이러한 커버층(2140)에 의해 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다. 즉, 커버층(2140)이 외부로 노출된 제 1 및 제 8 내부 전극(2131, 2138)을 덮도록 마련될 수 있고, 커버층(2140)에 의해 산소 또는 수분 등의 침투가 방지되어 내부 전극(2130)의 산화가 방지될 수 있다.
외부 전극(2150)은 압전층(2120)의 구동 전압을 인가하기 위해 형성될 수 있다. 이를 위해 외부 전극(2150)은 적층체의 적어도 일 표면에 형성되며, 내부 전극(2130)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 외부 전극(2150)은 적층체의 측면에 소정 간격 이격되어 복수 마련될 수 있다. 물론, 외부 전극(2150)은 적층체의 측면 뿐만 아니라 상면 및 하면 중 적어도 어느 한면에 연장 형성될 수 있다. 이러한 외부 전극(2150)은 인쇄, 증착, 스퍼터링, 도금 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있으며, 적어도 하나의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 외부 전극(2150)은 적층체와 접촉되는 제 1 층이 도전성 페이스트를 이용한 인쇄 방법으로 형성되고, 그 상부에 제 2 층이 도금 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 내부 전극(2130)과 연결되는 외부 전극(2150)의 적어도 일부 영역은 내부 전극(2130)과 동일 재질의 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 내부 전극(2130)이 구리로 형성되고, 적층체의 표면에 형성되며 내부 전극(2140)과 접촉되는 외부 전극(2130)의 제 1 층이 구리로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명은 베이스(2110)를 구비하지 않을 수도 있다. 즉, 도 16에 도시된 바와 같이 베이스(2110)를 구비하지 않고 복수의 압전층(2120)과 복수의 내부 전극(2130)이 교대로 적층될 수 있다. 이 경우 일 내부 전극(2120)에 의해 상측 및 하측 압전층(2120)의 동작이 구분될 수 있다. 예를 들어, 수직 방향으로 중앙부에 마련된 내부 전극(2134) 상측의 압전층(2124, 2125, 2126)이 수축할 때 내부 전극(2134) 하측의 압전층(2121, 2122, 2123)은 팽창할 수 있다. 물론, 복수의 압전층(2120)이 서로 다른 방향으로 분극되어 마련되므로 두 압전층(2120) 사이의 내부 전극(2130)을 기준으로 그 하측 및 상측의 압전층(2120)이 서로 다른 동작을 할 수도 있다. 예를 들어, 내부 전극(2132)를 기준으로 그 상측의 압전층(2122)이 팽창하고 그 하측의 압전층(2121)이 수축할 수 있다. 한편, 베이스(2110)를 구비하지 않는 경우 외부 전극(2140) 중 어느 하나, 예를 들어 제 2 외부 전극(2142)은 분극을 위해 중심부의 내부 전극(2134)를 기준으로 상측 및 하측으로 분리되어 1차로 형성되고(2142a, 2142b) 분극이 완료된 후 이들을 연결하도록 2차로 형성(2142c)될 수 있다. 즉, 제 2 외부 전극(2142)은 수직 방향으로 이격되어 도 17의 (a)에 도시된 바와 같이 1차 외부 전극(2142a, 2142b)이 형성되고 분극 후 1차 외부 전극(2142a, 2142b)이 연결되도록 도 17의 (b)에 도시된 바와 같이 2차 외부 전극(2142c)이 형성될 수 있다.
2.2. 압전 소자의 다른 예
한편, 압전층(2120)은 압전 물질로 형성되는 배향 원료 조성물과, 배향 원료 조성물 내에 분포하며 ABO3(A는 2가의 금속 원소, B는 4가의 금속 원소)의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물 포함하는 압전 세라믹 조성물을 소결하여 형성된 압전 세라믹 소결체를 이용할 수도 있다. 즉, 압전 소자는 베이스(2110)과, 베이스(2110)의 적어도 일면 상에 형성된 압전층(2120) 및 내부 전극(2130)을 포함하며, 압전층(2120)이 시드 조성물을 포함하는 압전 세라믹 소결체를 포함할 수 있다. 여기서, 배향 원료 조성물은 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지는 압전 물질로 형성될 수 있다. 또한, 배향 원료 조성물은 페로브스카이트 결정 구조와 다른 결정 구조를 가지는 물질이 고용체를 형성하는 조성물을 이용할 수 있는데, 예를 들어 정방정계 구조를 가지는 PbTiO3[PT]와 능면체 구조를 가지는 PbZrO3[PZ]가 고용체를 형성하는 PZT계 물질을 이용할 수 있다.
그리고, 배향 원료 조성물은 PZT계 물질에 릴랙서(relaxor)로서 Pb(Ni,Nb)O3[PNN], Pb(Zn,Nb)O3[PZN] 및 Pb(Mn,Nb)O3[PMN] 중 적어도 하나를 고용한 조성물을 사용하여 PZT계 물질의 특성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, PZT계 물질에 PZN계 물질과 PNN계 물질을 이용하여 높은 압전 특성과 낮은 유전율 및 소결 용이성을 갖는 PZNN계 물질을 릴랙서로서 고용하여 배향 원료 조성물을 형성할 수 있다. PZT계 물질에 PZNN계 물질을 릴랙서로서 고용한 배향 원료 조성물은 (1-x)Pb(Zr0.47Ti0.53)O3-xPb((Ni1-yZny)1/3Nb2/3)O3의 조성식을 가질 수 있다. 여기서, x는 0.1<x<0.5 범위 내의 값을 가질 수 있으며, 바람직하게는 0.30≤x≤0.32 범위 내의 값을 가질 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.31의 값을 가질 수 있다. 또한, y는 0.1<y≤0.9 범위 내의 값을 가질 수 있으며, 바람직하게는 0.39≤y≤0.41 범위 내의 값을 가질 수 있으며, 가장 바람직하게는 0.40의 값을 가질 수 있다.
압전 세라믹 소결체의 경우 상 공존 경계(Morphotropic Phase Boundary: MPB) 영역에서 압전 특성의 급격한 향상이 나타나므로 압전 특성 향상을 위하여 MPB 부근의 조성을 찾아야 한다. 시드 조성물을 첨가하여 소결되는 배향 원료 조성물의 조성은 시드 조성물이 첨가되지 않았을 때와 다른 상을 가지게 되고, 시드 조성물의 첨가량에 따라 새로운 MPB 조성을 형성함으로써 우수한 압전 특성을 유도할 수 있다. 이러한 MPB 조성은 배향 원료 조성물의 x 값과 y 값을 변화시켜 조절 가능하며, 상기와 같이 x가 0.31의 값을 가지고, y가 0.40의 값을 가지는 경우 가장 높은 압전 특성 및 유전 특성을 가지므로 가장 바람직하게 된다.
또한, 배향 원료 조성물은 납(Pb)을 포함하지 않는 무연계 압전 물질을 사용할 수도 있다. 이와 같은 무연계 압전 물질로는 Bi0 .5K0. 5TiO3, Bi0 . 5Na0 . 5TiO3, K0.5Na0.5NbO3, KNbO3, NaNbO3, BaTiO3, (1-x)Bi0 . 5Na0 . 5TiO3-xSrTiO3, (1-x)Bi0 . 5Na0 . 5TiO3-xBaTiO3, (1-x)K0. 5Na0 . 5NbO3-xBi0 . 5Na0 . 5TiO3, BaZr0 . 25Ti0 . 75O3 등 중에서 선택된 적어도 하나의 압전 물질을 포함하는 무연계 압전 물질일 수 있다.
시드 조성물은 ABO3의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는데, ABO3는 배향성을 갖는 판 형상의 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가지는 산화물로 A는 2가의 금속 원소로 이루어지며, B는 4가의 금속 원소로 이루어진다. ABO3의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물은 CaTiO3, BaTiO3, SrTiO3, PbTiO3 및 Pb(Ti,Zr)O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이 중 BaTiO3를 시드 조성물로 사용하는 경우 압전 성능을 향상시킬 수 있다. 시드 조성물로 BaTiO3를 사용하는 경우, BaTiO3는 오르빌리우스(aurivillius) 판상 구조체인 Bi4Ti3O12를 염용융 합성법으로 합성하고, 구조 화학적 미세 결정 치환(TMC: Topochemical Microcrystal Conversion)을 통하여 치환하여 제조될 수 있다. 여기서, 시드 조성물은 배향 원료 조성물에 대하여 1vol% 내지 10vol%의 부피비로 포함될 수 있다. 시드 조성물이 배향 원료 조성물에 대하여 1vol% 미만으로 포함되면 시드 조성물에 의하여 결정 배향성이 향상되는 효과가 미미하며, 10vol%를 초과하여 포함되면 압전 세라믹 소결체의 압전 성능이 저하된다. 여기서, 시드 조성물이 배향 원료 조성물에 대하여 10 vol%로 포함되는 경우 변위(strain)량이 극대화되고 최적의 압전 특성을 나타낼 수 있다.
상기와 같이 배향 원료 조성물 및 시드 조성물을 포함하는 압전 세라믹 조성물은 판상 입형 성장법(TGG: Templated Grain Growth)에 의하여 시드 조성물과 동일한 방향성을 가지며 성장하게 된다. 즉, 압전 세라믹 소결체는, 예를 들어 0.69Pb(Zr0.47Ti0.53)O3-0.31Pb((Ni0.6Zn0.4)1/3Nb2/3)O3의 조성식을 가지는 배향 원료 조성물에 BaTiO3를 시드 조성물로 사용함으로써 1000℃ 이하의 낮은 온도에서도 소결이 가능할 뿐만 아니라, 결정 배향성을 향상시키고, 전기장에 따른 변위량을 극대화할 수 있어 단결정 물질과 유사한 높은 압전 특성을 가지게 된다. 즉, 배향 원료 조성물에 결정 배향성을 향상시키는 시드 조성물을 첨가하고 이를 소결하여 압전 세라믹 소결체를 제조함으로써, 전기장에 따른 변위량을 극대화하고, 압전 특성을 현저하게 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 압전 세라믹 소결체는 로트게링 배향도(Lotgering factor)가 85% 이상의 값을 가질 수 있다.
도 18의 (a)는 로트게링 배향도 별 전기장에 따른 변형률을 나타내는 그래프이고, 도 18의 (b)는 로트게링 배향도 별 변형률의 증가율을 도시한 표이다. 또한, 도 19는 로트게링 배향도에 따른 압전 상수(d33)를 나타내는 그래프이다.
도 18을 참조하면, 압전 세라믹 소결체는 로트게링 배향도가 높은 값을 가질 수록 변형률이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 결정 배향이 이루어지지 않은 압전 세라믹 소결체(Normal)의 경우 전기장에 따른 변형률은 0.165%의 값을 가진다. 이러한 압전 세라믹 소결체에 대하여 판상 입형 성장법에 의하여 결정 배향성을 증가시키는 경우, 63%의 로트게링 배향도 값을 가지는 압전 세라믹 소결체에서는 변형률이 0.106%로 약 35.76% 감소하나, 로트게링 배향도 값이 75%, 85%, 90%의 값으로 증가함에 따라 변형률도 0.170%, 0.190%, 0.235% 값으로 증가하는 것을 알 수 있다.
압전 세라믹 소결체의 로트게링 배향도는, 최대값인 100%에 대하여 85% 이상의 값을 가지는 경우 전기장에 따른 변형률의 증가율이 급격하게 증가한다. 즉, 압전 세라믹 소결체의 로트게링 배향도가 75%에서 85%로 증가하는 경우 변형률의 증가율은 약 12%의 값을 가지나, 로트게링 배향도가 85%에서 90%로 증가하는 경우 변형률의 증가율은 약 27%의 값을 가지게 되어 약 4배 이상의 증가율을 보임을 알 수 있다.
또한, 압전 세라믹 소결체는 로트게링 배향도가 85% 이상의 값을 가지는 경우 압전 상수(d33)의 값이 급격하게 증가한다. 압전 상수(d33)는 재료에 압력을 가했을 때 압력 방향으로 발생한 전하의 양을 나타내는 것으로 압전 상수(d33)가 높은 값을 가질수록 감도가 좋은 고정밀의 압전 소자를 제조할 수 있다. 도 19에 도시된 바와 같이, 압전 세라믹 소결체의 로트게링 배향도가 75%에서 85%로 증가하는 경우 압전 상수(d33)는 345 pC/N에서 380 pC/N으로 약 35 pC/N 증가함을 알 수 있다. 그러나, 압전 세라믹 소결체의 로트게링 배향도가 85%에서 90%로 증가하는 경우 압전 상수(d33)는 380 pC/N에서 430 pC/N으로 약 50 pC/N 증가하게 되어, 3배 이상의 증가율을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 압전 세라믹 소결체의 경우, 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지는 압전 물질로 형성되는 배향 원료 조성물과 상기 배향 원료 조성물 내에 분포하며, ABO3(A는 2가의 금속 원소, B는 4가의 금속 원소)의 일반식을 가지는 산화물로 형성되는 시드 조성물에 의하여 압전 세라믹 소결체를 제조함으로써 85% 이상의 로트게링 배향도(Lotgering factor)를 가지는 압전 세라믹 소결체를 제조하고, 향상된 변형률과 높은 감도를 가지는 압전 소자를 제조할 수 있게 된다.
이러한 본 발명에 따른 시드 조성물이 포함된 압전층의 특성(실시 예)을 시드 조성물이 포함되지 않은 압전층의 특성(비교 예)과 비교하였다. 실시 예를 위해 순도 98% 이상의 PbO, ZrO2, TiO2, ZnO, NiO, Nb2O5 분말을 이용하여 0.69Pb(Zr0.47Ti0.53)O3-0.31Pb((Ni0.6Zn0.4)1/3Nb2/3)O3의 배향 원료 조성물을 합성하였다. 또한, 오르빌리우스 판상 구조체인 Bi4Ti3O12를 염용융 합성법으로 합성하고, 구조 화학적 미세 결정 치환을 통하여 BaTiO3 시드 조성물을 합성하였다. 이러한 배향 원료 조성물에 시드 조성물이 10vol% 포함되도록 혼합하고 사출 및 성형하여 압전 시편을 제조하였다. 또한, 압전 시편을 분당 5℃로 승온하여 950℃에서 10시간 동안 소결 공정을 진행하였다. 이에 비해, 비교 예는 시드 조성물로서 BaTiO3를 첨가하지 않은 점에서만 차이가 있을 뿐 실시 예와 동일하게 제조되었다. 즉, 비교 예는 BaTiO3를 투입하지 않아 시드 조성물이 없는 압전 시편을 제조하였다.
도 20은 비교 예와 실시 예의 압전 세라믹 소결체 즉, 비교 예의 압전 시편(ⓐ)과 실시 예의 압전 시편(ⓑ)의 표면 X선 회절 패턴들을 각각 나타내는 그래프이다. 본 그래프에서의 배향 정도는 로트게링 배향도(Lotgering factor)의 계산식에 따라 계산하였으며, 로트게링 배향도를 계산하는 계산식 및 구체적 과정에 대한 설명은 생략하기로 한다. 도 20에 도시된 바와 같이, 비교 예의 압전 시편(ⓐ)은 표면에서 모든 결정 방향으로 성장되었으며, 특히 (110) 평면의 법선 방향으로 결정이 두드러지게 성장하였음을 알 수 있다. 반면, 실시 예의 압전 시편(ⓑ)은 표면에서 (001) 평면의 법선 방향 및 동일한 방향을 가지는 (002) 평면의 법선 방향으로만 결정이 성장되어 있음을 알 수 있으며, 비교 예의 (110) 평면의 법선 방향으로는 결정 성장이 억제되어 있다. 또한, 본 그래프의 높이는 X선 피크의 강도를 나타내며, 각 X선 피크 강도로부터 실시 예의 압전 시편(ⓑ)의 경우 로트게링 배향도가 95.3%의 값을 가지는 것을 알 수 있었다. 이를 통하여 시드 조성물이 포함된 압전 세라믹 소결체는 (001) 방향으로 배향 성장되어 결정 배향성이 현저하게 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 21은 압전 세라믹 소결체의 스캔 전자 현미경 이미지를 나타내는 이미지이다. 즉, 도 21의 (a)는 비교 예에 의하여 제조된 압전 시편의 단면 이미지이고, 도 21의 (b)는 실시 예에 의하여 제조된 압전 시편의 단면 이미지이다. 도 21의 (a)에 나타난 바와 같이, 시드 조성물이 첨가되지 않은 압전 세라믹 소결체의 경우 입자가 육각형의 형상으로 성장되었음을 알 수 있다. 이는 결정이 다수의 평면 방향으로 각각 성장하는 도 16의 결과와도 일치한다. 반면, 도 21의 (b)에 나타난 바와 같이 시드 조성물이 첨가된 압전 세라믹 소결체는 수평 위치된 시드 조성물(도 21의 (b)의 검은색 영역)에 의하여 사각형의 형상으로 성장되어 결정 배향성이 향상되었음을 확인할 수 있다.
또한, 도 22는 압전 세라믹 소결체를 압전층으로 이용한 압전 소자의 단면 이미지이다. 즉, 도 22의 (a)는 비교 예에 따른 압전 세라믹 소결체를 압전층으로 이용한 압전 소자의 단면 이미지이고, 도 22의 (b)는 실시 예에 따른 압전 세라믹 소결체를 압전층으로 이용한 압전 소자의 단면 이미지이다. 도 22의 (b)에 도시된 바와 같이 실시 예를 이용한 압전 소자는 시드 조성물(도 22의 (b)의 검은색 영역)이 존재하고, 도 22의 (a)에 도시된 바와 같이 비교 예를 이용한 압전 소자는 시드 조성물이 존재하지 않음을 알 수 있다. 이때, 시드는 적어도 일 방향으로 1㎛∼50㎛의 길이로 배향될 수 있다. 즉, 시드의 배향 정도가 일 방향 및 이와는 다른 적어도 하나의 타 방향으로 각각 1㎛∼50㎛ 정도 배향될 수 있으며, 바람직하게는 5㎛∼20㎛, 더욱 바람직하게는 7㎛∼10㎛ 정도 배향될 수 있다.
도 23은 실시 예와 비교 예에 따른 압전 세라믹 소결체를 압전층으로 이용한 압전 소자를 구비하는 음파 출력부의 음파 특성을 나타낸 그래프이다. 도 23에 도시된 바와 같이 시드 조성물이 첨가된 실시 예의 경우 시드 조성물이 첨가되지 않은 비교 예의 경우에 비해 음파 특성이 향상됨을 알 수 있다. 즉, 200㎐ 이상의 고음역대에서 3dB 이상 음압이 향상됨을 알 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시 예들에 따른 음파 출력 장치를 이용하여 가청 주파수의 음파와 뇌를 자극하여 뇌파를 유도시키기 위한 음파를 출력한다. 이이를 위해 음파 출력 장치에 가청 주파수의 음파와 뇌파 유도 음파를 동시에 공급하는 음파 공급 장치가 필요하다. 즉, 제 1 음파 출력부(100) 및/또는 제 3 음파 출력부(400)에 가청 주파수의 음파를 공급하고 제 2 음파 출력부(200)에 뇌를 자극하기 위한 초음파와 뇌파를 유도시키기 위한 저음파를 변조시킨 음파를 동시 또는 순차적 공급하기 위해 음파 공급 장치가 필요하다. 이러한 음파 발생 장치의 일 예를 도 24에 도시하였다.
도 24는 본 발명의 일 실시 예에 따른 가청 주파수의 음파 및 뇌파 유도 음파를 공급하기 위한 음파 공급부를 포함하는 음파 발생 장치의 구성도이다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 음파 발생 장치는 서로 다른 주파수 대역의 음파를 각각 출력하기 위한 음파 출력부(1000)와, 음파 출력부(1000)에 서로 다른 주파수의 음파를 공급하기 위한 음파 공급부(2000)를 포함할 수 있다.
1. 음파 출력부
음파 출력부(1000)는 가청 주파수의 음파를 출력하는 제 1 음파 출력부(100)와, 가청 주파수 이외의 음파로서 뇌 자극 초음파와 뇌파 유도 저주파가 변조된 음파를 출력하는 제 2 음파 출력부(200)를 포함할 수 있다. 또한, 도시되지 않았지만 가청 주파수 음파를 출력하는 제 3 음파 출력부를 더 포함할 수 있다. 여기서, 가청 주파수는 20㎐∼20㎑일 수 있고, 뇌 자극을 위한 초음파는 20㎑∼60㎑의 고주파일 수 있으며, 뇌파 유도 저음파는 8㎐∼14㎐일 수 있다. 물론, 용도에 따라 뇌파 유도 저음파는 4㎐∼7㎐일 수 있다. 즉, 휴식을 필요로 하거나 집중력을 필요로 할 때 등 용도에 따라 다른 저음파를 발생시킬 수 있다. 제 1 및 제 2 음파 출력부(100, 200), 그리고 제 3 음파 출력부는 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시 예에서 설명한 다이나믹 스피커 및 압전 스피커를 각각 포함할 수 있다. 따라서, 음파 출력부(1000)의 상세한 내용은 생략하기로 한다. 한편, 음파 출력부(1000)는 스피커, 이어폰 등일 수 있으며, 전자기기 내에 고정될 수도 있고, 전자기기에 분리 및 결합될 수도 있다. 예를 들어, 음파 출력부(1000)는 전자기기에 삽입되는 이어폰일 수 있다.
2. 음파 공급부
음파 공급부(2000)는 음파 출력부(1000)에 주파수가 다른 둘 이상의 음파를 공급한다. 예를 들어, 음파 공급부(2000)는 가청 주파수의 제 1 음파와, 가청 주파수 이외의 제 2 음파를 공급할 수 있다. 여기서, 제 2 음파는 뇌파 유도 음파로서, 뇌 자극 초음파와 뇌파 유도 저음파를 포함할 수 있다. 즉, 제 2 음파는 초음파와 저음파를 믹싱, 즉 변조하여 공급할 수 있다. 또한, 음파 공급부(2000)는 제 1 음파와 제 2 음파를 동시에 공급할 수 있다. 물론, 음파 공급부(2000)는 제 1 음파와 제 2 음파 중 어느 하나를 공급할 수도 있고, 어느 하나를 공급한 후 다른 하나를 공급할 수도 있다. 즉, 음파 공급부(2000)는 제 1 및 제 2 음파 중 적어도 하나를 공급할 수 있고, 동시 공급하거나 순차 공급할 수도 있다. 음파의 선택 및 공급 순서 등은 사용자에 의해 선택될 수 있다. 음파 공급부(2000)는 가청 주파수의 제 1 음파를 제 1 음파 출력부(100)에 공급하고 뇌파 유도 음파를 제 2 음파 출력부(200)에 공급한다. 이러한 음파 공급부(2000)는 전자기기 내에 고정될 수도 있고, 전자기기와 분리 및 결합될 수도 있다. 즉, 음파 공급부(2000)는 전자기기 내부에 마련되어 음파를 공급할 수도 있고, 전자기기의 외부에서 전자기기와 결합되어 전자기기로부터 공급되는 신호에 따라 서로 다른 주파수 대역의 제 1 및 제 2 음파를 발생시켜 공급할 수 있다. 이때, 음파 공급부(2000)는 음파 출력부(1000)와 동일 모듈로 구성될 수 있는데, 예를 들어 음파 공급부(2000)는 음파 출력부(1000)와 함께 하나의 이어폰 또는 스피커로 구성될 수 있다. 또한, 음파 공급부(2000)는 전자기기에 프로그램 또는 어플리케이션 형태로 설치될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰, 태블릿 PC 등의 전자기기에 음파 공급부(2000)가 어플리케이션 형태로 설치되고 음파 공급부(2000)로부터 음파가 공급되거나 음파 공급부(2000)의 제어에 따라 전자기기 내로부터 음파가 공급될 수 있다.
이러한 음파 공급부(2000)는 음파 발생부(2100)와, 변조부(2200)와, 증폭부(2300)를 포함할 수 있다. 또한, 음파 발생부(2100)에서 필요한 전원을 공급하기 위한 전원부(미도시)와, 음파 공급부(2000)의 동작을 제어하기 위한 제어부(2400)를 더 포함할 수 있다.
전원부는 음파 공급부(2000)에서 필요한 전원을 인가하기 위한 것으로서, 교류 전원 또는 직류 전원을 포함할 수 있다. 전원부로 교류 전원을 사용할 경우, 외부 교류 전원을 입력받아 사용할 수 있다. 이 경우 외부 교류 전원을 입력받기 위해 외부 전원 입력 부재를 구비하여야 하며, 이러한 외부 전원 입력 부재는 예를 들어, 콘센트와 결합될 수 있는 전원 플러그가 될 수 있다. 또한, 외부 교류 전원의 크기를 음파 공급부(2000)에 필요한 크기로 변환하기 위해 변환기가 더 구비될 수도 있다. 전원부로 직류 전원을 사용할 경우, 건전지와 같은 직류 전원을 사용하거나 외부 교류 전원을 정류하여 사용할 수 있다.
음파 발생부(2100)는 주파수가 다른 둘 이상의 음파를 발생시킨다. 이러한 음파 발생부(2100)는 가청 음파부(2110)와 뇌파 유도 음파부(2120)를 포함할 수 있다. 가청 음파부(2110)는 가청 주파수 대역의 음파를 발생시키는데, 음악 등 사용자가 청취할 수 있는 다양한 음파를 발생시킨다. 뇌파 유도 음파부(2120)는 뇌를 자극시켜 뇌파를 유도시키기 위한 음파를 발생시킨다. 예를 들어 뇌파 유도 음파부(2120)는 뇌를 자극하는 초음파와 뇌파를 유도시키는 저음파를 변조하여 출력할 수 있다. 즉, 뇌파 유도 저음파만으로는 뇌를 자극시켜 뇌파를 유도시키지 못하므로 뇌파 유도 음파부(2120)는 뇌파 유도 저음파와 뇌 자극 초음파를 발생시킨다. 한편, 음파 발생부(2100)는 가청 주파수 대역의 음파 및 뇌파 유도 음파를 각각 생성할 수도 있지만, 전자기기 내에 저장된 해당 신호를 선택하여 발생할 수도 있다.
변조부(2200)는 음파 발생부(2100)에서 생성된 음파를 변조한다. 예를 들어, 변조부(2200)는 뇌파 유도 음파부(2120)에서 발생된 뇌파 유도 저음파와 뇌 자극 초음파를 변조할 수 있다. 즉, 변조부(2200)는 뇌 자극 초음파를 뇌파 유도 저음파의 주기에 대응되도록 변환시킨다. 또한, 변조부(2200)는 뇌파 유도 음파와 가청 음파를 변조할 수도 있다. 즉, 변조부(2200)는 뇌파 유도 음파를 가청 주파수 음파의 주기와 대응되도록 변환시킨다. 이때, 뇌파 유도 음파는 뇌 자극 초음파와 뇌파 유도 저음파가 변조된 음파일 수 있다. 즉, 뇌 자극 초음파와 뇌파 유도 저음파를 1차 변조하여 뇌파 유도 음파를 발생시키고, 1차 변조된 뇌파 유도 음파와 가청 음파를 변조하여 2차 변조 음파를 발생시킬 수 있다. 이렇게 뇌파 유도 음파와 가청 음파를 변조함으로써 음파 발생부(2100)로부터 발생된 가청 음파 및 뇌파 유도 음파가 서로 잘 혼합될 수 있고, 보다 자연의 소리에 가까운 음파가 생성될 수 있다. 또한, 뇌파 유도 음파와 가청 주파수 음파를 변조함으로써 음파의 손실률도 최소화할 수 있다. 그러나, 뇌파 유도 음파와 가청 주파수 음파의 진폭 및 주기는 가변될 수 있으며, 뇌파 유도 음파와 가청 주파수 음파의 진폭은 서로 다를 수도 있다.
증폭부(2300)는 변조부(2200)에서 변조된 음파를 공급받아 이를 증폭한다. 증폭부(2300)는 가청 음파 및 변조된 뇌파 유도 음파 중 적어도 하나를 증폭할 수도 있다. 즉, 증폭부(2300)는 가청 음파를 증폭할 수도 있고, 변조된 뇌파 유도 음파를 증폭할 수도 있으며, 가청 음파와 뇌파 유도 음파가 변조된 음파를 증폭할 수도 있다. 따라서, 증폭부(2300)는 가청 음파 및 변조된 뇌파 유도 음파를 각각 증폭하기 위한 제 1 및 제 2 증폭부를 포함할 수 있고, 가청 음파와 뇌파 유도 음파가 변조된 음파를 증폭하는 하나의 증폭부로 이루어질 수도 있다. 또한, 증폭부(2300)는 변조 음파를 반전 및 비반전시켜 출력할 수 있다. 즉, 비반전된 신호와 반전된 신호를 음향 출력부(1000)에 인가할 수 있다. 여기서, 비반전 신호 및 반전 신호는 서로 180도 위상차가 날 수 있다. 이를 위해 증폭부(2300)는 예를 들어 둘 이상의 인버터를 포함할 수 있다. 비반전된 신호는 예를 들어 두개의 인버터를 통해 출력될 수 있고, 반전된 신호는 예를 들어 하나의 인버터를 통해 출력될 수 있다. 즉, 짝수개의 인버터를 통해 비반전된 신호가 음파 출력부(1000)의 제 1 입력단으로 출력될 수 있고, 홀수개의 인버터를 통해 반전된 신호가 음파 출력부(100)의 제 2 입력단으로 출력될 수 있다. 짝수개의 인버터를 통해 신호가 출력됨으로써 신호가 필터링 및 비반전되고, 홀수개의 인버터를 통해 신호가 출력됨으로써 신호가 필터링 및 반전될 수 있다.
제어부(2400)는 음파 공급부(1000)의 동작을 제어할 수 있다. 즉, 제어부(2400)는 음파 발생부(2100), 변조부(2200) 및 증폭부(2300)에 공급되는 전원을 제어하여 이들의 구동을 제어할 수 있고, 이들 각각의 구동을 제어할 수도 있다. 또한, 제어부(2400)는 음파 발생부(2100)에서 생성된 음파를 제어할 수 있으며, 가청 음파부(2110) 및 뇌파 유도 음파부(2120)를 각각 제어할 수 있다. 따라서, 제어부(2400)에 의해 가청 음파만이 발생하거나, 뇌파 유도 음파만이 발생하거나, 가청 음파 및 뇌파 유도 음파를 모두 발생시킬 수 있다. 즉, 제어부(2400)에 의해 가청 음파 및 뇌파 유도 음파 중 적어도 하나가 선택되어 발생될 수 있다. 이러한 제어부(2400)는 전자기기 내에 마련되어 전자기기를 제어하는 마이크로프로세서 등의 제어 장치를 이용할 수 있고, 음파 발생 장치 내부에 별도로 마련되어 음파 발생 장치를 제어할 수도 있다.
도 25는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 음파 발생 장치의 구성도이고, 도 26은 음파 발생 장치의 주파수 및 변조 주파수의 파형도이다. 즉, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 음파 발생 장치는 음파 출력부(1000)와, 음파 공급부(2000)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시 예는 음파 공급부(2000)가 음파 발생부(2100), 변조부(2200), 증폭부(2300) 및 제어부(2400)를 포함할 수 있다. 이러한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 음파 발생 장치를 도 25를 이용하여 설명한 본 발명의 일 실시 예와 다른 부분을 중심으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 음파 발생부(2100)는 주파수가 다른 복수의 음파를 발생시킨다. 음파 발생부(2100)는 제 1 주파수의 음파를 발생시키는 제 1 음파 발생부(2111)와, 제 2 주파수의 음파를 발생시키는 제 2 음파 발생부(2121)와, 제 3 주파수의 음파를 발생시키는 제 3 음파 발생부(2122)를 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 음파 발생부(2111)는 20㎐∼20㎑의 가청 주파수 대역의 음파를 발생시키고, 제 2 음파 발생부(2121)는 가청 주파수 대역 이상, 예를 들어 20㎑∼60㎑의 음파를 발생시키고, 제 3 음파 발생부(2122)는 가청 주파수 대역 이하, 예를 들어 8㎐∼14㎐의 음파를 발생시킬 수 있다. 즉, 제 1 음파 발생부(2111)는 도 22의 가청 음파부(2110)에 대응되며, 제 2 및 제 3 음파 발생부(2121, 2122)는 도 22의 뇌파 유도 음파부(2120)에 대응된다. 물론, 제 1 내지 제 3 음파 발생부(2111, 2121, 2122)로부터 발생되는 제 1 내지 제 3 주파수의 음파와는 다른 주파수의 음파를 발생시키는 적어도 하나의 음파 발생부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 음파 발생부(2100)에서 발생되는 음파는 사인파 또는 펄스파의 주파수 신호일 수 있다.
변조부(2200)는 음파 발생부(2100)에서 발생된 적어도 일부 음파를 변조한다. 예를 들어, 변조부(2200)는 제 2 및 제 3 음파 발생부(2121, 2122)에서 각각 발생된 제 2 및 제 3 주파수의 음파를 변조한다. 따라서, 변조부(2200)는 20㎑∼60㎑ 정도의 초음파와, 8㎐∼14㎐ 정도의 뇌파 유도 저음파를 변조할 수 있다. 이렇게 초음파 및 저음파를 변조함으로써 뇌를 자극시켜 뇌파를 유도시킬 수 있다. 즉, 저음파만으로는 뇌를 자극시켜 뇌파를 유도시킬 수 없으므로 뇌를 자극시킬 수 있는 초음파와 뇌파를 유도시킬 수 있는 저음파를 변조함으로써 뇌를 자극시켜 원하를 뇌파를 유도시킬 수 있다. 이때, 변조부(2200)는 주기가 긴 주파수의 음파에 주기가 짧은 주파수의 음파를 변조한다. 예를 들어, 도 26의 (a)에 도시된 바와 같은 8㎐∼14㎐ 정도의 뇌파 유도 저음파(제 3 주파수 음파)에 도 26의 (b)에 도시된 바와 같은 20㎑∼60㎑ 정도의 초음파(제 2 주파수 음파)를 변조하여 도 26의 (c)에 도시된 바와 같은 파형의 주파수를 생성할 수 있다. 이렇게 저음파와 초음파를 변조함으로써 뇌를 자극시켜 뇌파를 유도시킬 수 있고, 음파의 손실률을 최소화시킬 수 있다.
증폭부(2300)는 제 1 음파 발생부(2111)에서 발생된 가청 주파수 음파를 증폭하고 변조부(2200)에서 서로 다른 주파수를 갖는 둘 이상의 음파가 변조된 음파를 증폭한다. 이를 위해 증폭부(2300)는 제 1 주파수의 음파를 증폭하기 위한 제 1 증폭부(미도시)와, 변조부(2200)에서 변조된 음파를 증폭하기 위한 제 2 증폭부(미도시)를 포함할 수 있다. 즉, 증폭부(2300)는 제 1 주파수의 음파와 변조된 음파를 각각 증폭할 수 있다. 물론, 증폭부(2300)는 제 1 주파수의 음파와 변조된 음파 중 어느 하나를 증폭할 수도 있다. 즉, 증폭부(2300)는 제 1 주파수의 음파와 변조된 음파 중 적어도 어느 하나를 증폭할 수 있다. 또한, 제 1 증폭부는 제 1 주파수의 음파를 반전 및 비반전시켜 출력할 수 있고, 제 2 증폭부 또한 변조된 음파를 반전 및 비반전시켜 출력할 수 있다. 여기서, 비반전 신호 및 반전 신호는 서로 180도 위상차가 날 수 있다. 비반전 신호는 짝수개의 인버터를 통해 출력되고 반전된 신호는 홀수개의 인버터를 통해 출력될 수 있다. 이렇게 제 1 증폭부를 통해 비반전된 신호와 반전된 신호를 제 1 음향 출력부(100)의 양단에 인가할 수 있고, 제 2 증폭부를 통해 비반전된 신호와 반전된 신호를 제 2 음향 출력부(200)의 양단에 인가할 수 있다.
제어부(2400)는 음파 발생부(2100), 변조부(2200) 및 증폭부(2300)에 공급되는 전원을 제어하여 이들의 구동을 제어할 수 있고, 이들 각각의 구동을 제어할 수도 있다.
도 27은 본 발명의 또다른 실시 예에 따름 음파 발생 장치의 구성도이다.
도 27을 참조하면, 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 음파 발생 장치는 음파 출력부(1000)와, 음파 공급부(2000)를 포함하며, 음파 공급부(2000)는 음파 발생부(2100)와, 변조부(2200)와, 선택부(2500)와, 증폭부(2300)와, 제어부(2400)를 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 또다른 실시 예는 본 발명의 다른 실시 예에 비해 선택부(2500)를 더 포함하고, 음파 발생부(2100)가 주파수가 다른 넷 이상의 음파를 발생시킨다.
음파 발생부(2100)는 주파수가 다른 넷 이상의 음파를 발생시킬 수 있다. 즉, 음파 발생부(2100)는 제 1 내지 제 4 음파 발생부(2111, 2121, 2122, 2123)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 음파 발생부(2111)는 20㎐∼20㎑의 가청 주파수 대역의 음파를 발생시키고, 제 2 음파 발생부(2121)는 20㎑∼60㎑의 음파를 발생시키고, 제 3 음파 발생부(2122)는 8㎐∼14㎐의 음파를 발생시킬 수 있다. 또한, 제 4 음파 발생부(2123)는 4㎐∼7㎐의 음파를 발생시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 또다른 실시 예는 본 발명의 다른 실시 예에 비해 4㎐∼7㎐의 음파를 발생시키는 제 4 음파 발생부(2123)을 더 포함할 수 있다.
선택부(2500)는 음파 발생부(2100)로부터 발생된 주파수가 다른 셋 이상의 음파 중 적어도 하나를 선택하여 변조부(2200)에 공급할 수 있다. 즉, 선택부(2400)는 제 3 및 제 4 음파 발생부(2122, 2123)에서 각각 발생된 제 3 및 제 4 음파를 선택하여 변조부(2200)에 공급할 수 있다. 한편, 변조부(2200)는 제 2 음파 발생부(2121)에서 발생된 제 2 주파수의 음파와 선택부(2400)에 의해 선택된 제 3 또는 제 4 주파수의 음파를 변조한다. 따라서, 사용자의 필요에 따라 둘 이상의 뇌파가 선택되어 발생될 수 있다. 이를 위해 음파 공급부(2000)가 전자기기의 어플리케이션 형태로 마련되는 경우 사용자가 화면에 표시된 복수의 음파를 선택하면, 선택부(2400)가 구동되어 적어도 하나 이상의 음파를 선택할 수 있다.
한편, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 제 1 음파 출력부 200 : 제 2 음파 출력부
300 : 하우징 400 : 제 3 음파 출력부
1000 : 음파 출력부 2000 : 음파 공급부

Claims (16)

  1. 주파수가 다른 둘 이상의 음파를 출력하는 음파 출력부; 및
    상기 음파 출력부로부터 출력되는 음파보다 많고 주파수가 다른 음파를 발생시켜 상기 음파 출력부에 공급하는 음파 공급부를 포함하고,
    상기 음파 공급부는 주파수가 다른 둘 이상의 음파를 변조하여 공급하는 음파 발생 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 음파 출력부는 가청 주파수의 음파를 출력하는 제 1 음파 출력부와, 가청 주파수 이외의 주파수의 음파를 출력하는 제 2 음파 출력부를 포함하는 음파 발생 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 음파 출력부는 상기 가청 주파수의 음파를 출력하는 제 3 음파 출력부를 더 포함하는 음파 발생 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제 1 음파 출력부는 다이나믹 스피커를 포함하고, 상기 제 2 및 제 3 음파 출력부는 각각 압전 소자 및 진동판을 포함하는 압전 스피커를 포함하는 음파 발생 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제 2 음파 출력부는 압전판의 형태 및 사이즈 중 적어도 하나에 의해 주파수가 조절되는 음파 발생 장치.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 제 3 음파 출력부는 상기 제 2 음파 출력부보다 상기 압전 소자 및 상기 진동판 중 적어도 하나의 사이즈가 더 큰 음파 발생 장치.
  7. 청구항 2에 있어서, 상기 제 2 음파 출력부는 가청 주파수 이상의 초음파와 가청 주파수 이하의 저음파가 변조된 음파를 출력하는 음파 발생 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제 2 음파 출력부는 20㎑ 내지 60㎑의 초음파와 8㎐ 내지 14㎐의 제 1 저음파 또는 4㎐ 내지 7㎐의 제 2 저음파가 변조된 음파를 출력하는 음파 발생 장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 음파 공급부는 서로 다른 주파수의 복수의 음파를 발생시키는 음파 발생부와,
    상기 복수의 음파 중 적어도 두 음파를 변조하는 변조부와,
    상기 음파 발생부로부터 발생된 적어도 하나의 음파 및 상기 변조된 음파 중 적어도 어느 하나를 증폭하는 증폭부를 포함하는 음파 발생 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 음파 발생부는 가청 주파수의 음파를 발생시키는 제 1 음파 발생부와, 가청 주파수 이상의 초음파를 발생시키는 제 2 음파 발생부와, 가청 주파수 이하의 저음파를 발생시키는 제 3 음파 발생부를 포함하는 음파 발생 장치.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 변조부는 상기 제 2 및 제 3 음파 발생부로부터 발생된 초음파와 저음파를 변조하는 음파 발생 장치.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 음파 발생부는 상기 제 3 음파 발생부로부터 발생되는 저음파보다 낮은 주파수의 저음파를 발생시키는 제 4 음파 발생부를 더 포함하는 음파 발생 장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 제 3 및 제 4 음파 발생부로부터 각각 발생된 저음파 중 어느 하나를 선택하는 선택부를 더 포함하는 음파 발생 장치.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 변조부는 상기 선택부에 의해 선택된 저음파와 상기 초음파를 변조하는 음파 발생 장치.
  15. 청구항 9에 있어서, 상기 음파 공급부 및 음파 출력부는 각각 전자기기 내에 마련되거나, 어느 하나가 전자기기 내에 마련되고 다른 하나가 전자기기와 분리 및 결합 가능하게 마련되는 음파 발생 장치.
  16. 청구항 15에 있어서, 상기 음파 출력부는 전자기기에 결합 가능한 이어폰이고, 상기 음파 공급부는 전자기기 내에 설치된 음파 발생 장치.
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