KR20190029829A - 신축성 스피커 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대향하는 한 쌍의 신축성 전극 사이에 하드 세그먼트로서 압전 물질과 소프트 세그먼트로 신축성 스페이서가 일정한 폭으로 교호로 배치된 신축성 스피커 및 이를 포함하는 웨어러블 디바이스에 관한 것으로, 본 발명의 신축성 스피커는 유연하고 신축성이 우수하여 신체에 맞게 구부리거나 착용하고 임의의 3차원 구조체에서 필요한 형상으로 부착할 수 있어 착용감과 편의성을 향상시킬 수 있다.

Description

신축성 스피커{STRETCHABLE SPEAKER}

본 발명은 신축성 스피커에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구부러지고 신축성 있는 소재를 사용하여 옷에 휘감거나 3차원 물체에 감아서 쉽게 탈부착할 수 있는 신축성 스피커에 관한 것이다.

최근 전기전자 기술의 눈부신 발전에 힘입어 다양한 기능의 전기소자 및 전자기기들이 개발되고 있다. 예컨대, 전기적인 신호를 이용하여 빛을 내는 발광소자나 정보를 저장하는 메모리 소자, 근/장거리 무선통신소자, 센서소자 등 각종 전기소자의 개발이 계속되고 있고, 이러한 소자들을 사용하여 디스플레이 장치나 휴대폰, MP3 플레이어, 디지털 카메라 등의 휴대용 단말기나 디지털 기기, 정보통신기기가 다양하게 개발되고 있다.

더욱이, 최근에는 인간의 신체에 착용할 수 있는 웨어러블 전자기기들이 미래의 인간 삶을 영위하는데 중요한 역할을 할 것으로 기대되어 각광받고 있다. 이러한 웨어러블 기기들은 매우 얇은 가요성 기판과 가요성 있는 전극을 이용하여 신축성 있게 제작되고 있다.

스피커는 전기에너지를 음성에너지로 변화시키는 전기 음향 변환장치로 각종 스마트 기기와 함께 사용되는 중요한 기기로서, 최근에는 완구에서 통신기기에 이르기까지 거의 모든 전자제품에 소요되는 필수 부품이다. 스피커는 일반적으로 무빙 코일(Moving Coil) 스피커가 가장 많이 사용되고, 특수하게는 정전형(Electrostatic) 스피커와 리본(Ribbon) 스피커, 압전형(Piezoelectric) 스피커 등이 있으며 최근에는 진동면이 얇은 필름으로 구성되는 박막형 스피커가 개발되고 있다.

박막형 스피커는 전기적인 신호를 가하게 되면 기계적 진동이 일어나는 압전 필름을 이용한다. 박막형 스피커는 자석이 없는 비자기 구동방식으로 압전 필름의 역압전 효과를 이용하여 음향을 재생하며, 스피커의 무게와 두께 및 제조비용을 현격히 줄일 수 있는 장점을 제공한다. 박막형 스피커의 일례로 국내특허 제10-0887337호는 압전 폴리머 필름, 및 상기 압전 폴리머 필름의 양면에 투명 전도 산화물 박막이 포함되어 이루어지되, 투명 전도 산화물 박막이 SiO₂로 이루어지는 투명 절연 산화물 박막이 포함되는 유연박막 스피커를 개시하고 있다. 그러나 투명 전도 산화물 박막은 신체에 맞게 구부리거나 필요에 의해 늘어나게 할 경우에 전극이 깨지거나 손상되어 초기 전극의 역할을 할 수 없기 때문에, 유연하고 신축성 있는 스피커를 만들기에는 적합하지 않은 한계가 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 하나의 목적은 신축성을 가지면서도 전도성을 갖는 신축성 전극을 형성하고 압전층으로 압전필름 또는 압전섬유를 이용하여, 자유자재로 감을 수 있고 3차원의 다양한 곡면에 감아서 부착할 수 있는 신축성 스피커를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 자유롭게 의복에 탈부착하거나 영구적으로 직조에 의해 고정하여 사용할 수 있고, 함께 세탁도 가능하며, 매우 저렴한 비용으로 간단하게 구현할 수 있는 신축성 스피커를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, 대향하는 한 쌍의 신축성 전극 사이에 하드 세그먼트로서 압전 물질과 소프트 세그먼트로 신축성 스페이서가 일정한 폭으로 교호로 배치된 신축성 스피커에 관한 것이다.

하나의 실시예에서, 상기 신축성 전극은 도전성 고무와 도전성 물질로 구성되는 고무전극이고, 압전물질은 압전필름일 수 있다. 이때 상기 도전성 고무는 실리콘계 고무이고, 상기 도전성 물질은 탄소물질일 수 있다.

다른 실시예에서, 상기 신축성 전극은 신축성 텍스타일 전극이고, 상기 압전물질은 압전섬유로 구성될 수 있다. 상기 신축성 텍스타일 전극은 탄성섬유와 신축성 도전사로 구성될 수 있다.

상기 신축성 스페이서는 본 발명의 신축성 스피커의 신축 시에 신축하는 것으로, 천연고무 또는 합성고무로 구성될 수 있다.

상기 압전 물질은 불화폴리비닐리덴(Polyvinyllidene Fluoride, PVDF), 폴리테트라불화에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTEE) 또는 불화에틸렌프로필렌(Fluorinated Ethylene Propylene, FEP) 필름 또는 섬유를 사용할 수 있다.

본 발명에서는 압전 물질 위에 수용성 폴리아닐린, 수용성 폴리피롤, 수용성 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌티오펜), π-공액계 전도성 고분자, 탄소나노튜브 및 그래핀 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 재료를 포함하는 코팅층이 추가로 형성할 수 있다.

상기 신축성 스피커는, 대향하는 한 쌍의 전극들을 서로 접착하고 압전 물질을 고정하기 위한 비전도성 신축성 소재로 구성되는 접착층을 추가로 포함할 수 있다.

상기 신축성 스피커는, 중저음역의 음을 보강하기 위해서 상기 압전층의 양면 중 하나 이상의 면에 다공성 시트이 부착될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 본 발명의 신축성 스피커를 포함하는 웨어러블 디바이스에 관한 것이다.

본 발명의 다양한 실시예의 신축성 스피커에 의하면, 전극 재료로서 고무전극이나 신축성 섬유 전극을 이용하고, 압전층으로서 압전필름이나 압전섬유층을 이용하여, 유연하면서도 신축성이 있는 스피커를 제작하여, 착용할 수 있는 신축성 스피커를 제공할 수 있다.

본 발명의 신축성 스피커는 압전기능을 하는 하드 세그먼트와 신축하는 소프트 세그먼트로 구성되어, 신축성과 구부림성을 확보하여 옷에 휘감거나 3차원 물체 등에 감아서 쉽게 탈부착할 수 있고, 심하게 구부린 후에도 신뢰도에 문제가 없어 여러 분야에 신축성 스피커를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 신축성 스피커의 개략사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 신축성 스피커의 평면도 및 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 신축성 스피커의 개략사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예의 신축성 스피커의 평면도 및 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 신축성 스피커가 늘어나고 수축할 때의 상태를 보여주는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 신축성 스피커를 팔에 감은 상태를 나타낸 사진이다.

이하, 본 발명에 대해서 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 더욱 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면들 중 도면 부호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 도면부호들로 표시하였다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 일 실시예의 신축성 전극은 대향하는 한 쌍의 신축성 전극 사이에 하드 세그먼트로서 압전 물질과 소프트 세그먼트로 신축성 스페이서가 일정한 폭으로 교호로 배치되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 신축성 스피커는 자유자재로 감을 수 있고, 다양한 3차원 곡면에 부착할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 스피커를 설명하기 위한 개략사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예의 신축성 스피커의 개략적인 평면도 및 측단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 스피커는 제1 신축성 전극(110); 상기 제1 신축성 전극과 대향하여 형성되는 제2 신축성 전극(120); 상기 제1 신축성 전극과 제2 신축성 전극 사이에 형성되는 압전 물질(200)과 신축성 스페이서(220)로 구성되는 압전층을 포함한다. 본 발명의 신축성 스피커에는 단자부(미도시)가 전기적으로 접속될 수 있다.

상기 신축성 전극은 고무전극일 수 있다. 고무전극은 고무와 도전성 물질로 구성될 수 있는데, 일예에서 고무는 실리콘계 고무이고, 상기 도전성 물질은 탄소물질일 수 있다. 본 발명에서 고무전극은 유기폴리실록산에 도전성 물질을 첨가한 조성물에 의해 만들어질 수 있다. 이때 유기폴리실록산으로는 주쇄가 디메틸실록산 단위의 반복으로 이루어지는 것, 또는 이 주쇄를 구성하는 디메틸실록산 단위의 반복으로 이루어지는 디메틸폴리실록산 구조의 일부에 비닐기, 페닐기, 트리플루오로프로필기 등을 도입한 것으로, 분자쇄 말단이 트리오르가노실록시기 또는 수산기로 봉쇄된 직쇄상 구조의 것이 바람직하다. 이 트리오르가노실록시기로서는, 트리메틸실록시기, 디메틸비닐실록시기, 트리비닐실록시기 등이 예시된다.

상기 고무 전극은 전도성 소재와 신축성 소재의 화합물로서 물리적 결합에 의해 형성할 수 있다. 또한 물리적, 화학적 안정을 위해 경화제를 넣어줌으로써 손에 묻지 않고 강도가 강해지는 과정을 취할 수도 있다.

도전성 실리콘 고무에 첨가하는 도전성 물질로서는 예를 들어 카본블랙, 그래파이트, 탄소섬유 등의 탄소계 물질이 바람직하고, 이외에도 은, 니켈, 구리 등의 각종 금속 분말, 섬유 표면을 전도성 금속으로 피복처리한 것, 탄소섬유와 금속 섬유 등을 혼합한 것을 사용할 수 있다. 이러한 재료는 실리콘 고무가 갖는 신축적인 특성을 손상시키지 않고 실리콘 고무의 체적고유저항을 필요한 수준으로 유지할 수 있다.

본 발명에서 압전 물질은 전기적인 신호, 즉 음향 신호에 상응하는 전압이 인가되면 역압전 효과에 의해 기계적인 진동을 함으로써 음향을 재생할 수 있게 한다. 역압전 효과란 압전성을 가지는 진동판에 고주파 전압을 걸면 판이 주기적으로 신축하며, 특히 전압의 주파수를 판의 고유 진동수에 맞추면 공진하여 압전층이 강하게 진동하는 현상을 일컫는다. 압전층은 압전물질(200)과 신축성 스페이서(220)로 구성된다. 압전 물질(200)의 예들은 불화폴리비닐리덴(Polyvinyllidene Fluoride, PVDF), 폴리테트라불화에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTEE) 또는 불화에틸렌프로필렌(Fluorinated Ethylene Propylene, FEP) 등을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다. 압전층은 상기 압전 폴리머를 전기방사(electrospinning), 에어 전기방사(AES: Air-Electrospinning), 전기분사(electrospray), 전기분사방사(electrobrown spinning), 원심전기방사(centrifugal electrospinning), 플래쉬 전기방사(flash-electrospinning) 중 어느 하나의 방사방법에 의해 방사하여 나노웹으로 형성한 것을 사용할 수 있다. 나노웹은 고분자 물질을 전기방사법으로 방사하여 다수의 기공을 갖는 3차원 네트워크 구조로 이루어진 것으로서, 내구성이 우수하고, 유연성이 향상된다.

압전층 형성 시에 PVDF의 분극을 증가시키기 위해 다음과 같은 방법을 사용할 수 있다. PVDF의 극성유기용액에 AgNO₃를 첨가하는 방법, 클레이를 첨가하는 방법, 극성용제를 사용하여 용액주조 온도를 70℃ 이하로 하는 방법 등이 있고, PVDF계 공중합체 고분자를 이용하는 방법 등이 보고된 바 있다.

본 발명에서는 하드 세그먼트인 압전물질(200) 위에 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌티오펜) 및 이들의 유도체나 공중합물과 π-공액계 전도성 고분자와 카본 전도성 소재로 탄소나노튜브나 그래핀에서 선택된 재료를 코팅하여 압전물질의 임피던스를 줄일 수 있다.

본 발명에서 신축성 스페이서(220)는 소정의 폭의 압전 필름들 사이에 형성되고, 천연고무 또는 합성고무로 구성될 수 있다. 상기 신축성 스페이서(220)는 니트릴 부타디엔 고무(NBR), 스티렌-부타디엔 고무, 클로로프렌 고무, 폴리우레탄 등을 사용할 수 있다. 상기 신축성 스페이서는 전기가 통하지 않도록 압전물질의 바깥쪽 양면에 배치하여 절연체로서의 역할도 해준다.

상기 신축성 스피커는 상기 압전층의 양면 중 하나 이상의 면에 다공성 시트(미도시)가 부착될 수 있다. 상기 다공성 시트는 다양한 종류의 부직포나 직물과 같은 유연한 재질의 연질 시트로 구성될 수 있다. 이러한 다공성 시트는 파장이 상대적으로 긴 중저음대역의 음파는 그대로 통과시키지만, 파장이 짧은 고음대역의 음파는 이를 적절하게 감쇄, 흡수시켜서 중저음이 보강된 부드러운 소리를 표현할 수 있도록 한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예의 신축성 전극의 개략사시도이다. 본 발명의 다른 실시예의 신축성 전극은 한 쌍의 신축성 전극 사이에 하드 세그먼트로서 압전 물질과 소프트 세그먼트로 신축성 스페이서가 일정한 폭으로 교호로 배치되고, 상기 신축성 전극은 탄성섬유와 신축성 도전사로 구성되는 신축성 텍스타일 전극이고, 압전 물질은 압전 섬유로 구성될 수 있다. 이러한 실시예의 신축성 스피커는 섬유기판 (310), 신축성 섬유 전극(130, 140), 압전섬유체(400) 그리고 신축성 섬유전극과 신축성 섬유전극 및 신축성 섬유전극과 압전섬유체를 결합시켜 주는 접착층(330)으로 구성될 수 있다.

신축성 섬유 전극(130, 140)은 신축성을 갖는 스판덱스 섬유 폴리에테르에스테르계 탄성사, 폴리우레탄우레아계 탄성사 등과 같은 섬유 기판(310)에 전도성을 갖는 도전사를 붙이거나 함께 직조하여 형성할 수 있다. 도 4를 참조하면, 신축성 섬유와 같이 도전사를 늘어나게 하기 위해서 일정한 모양으로 붙이고 압전소재 (300)가 붙어있는 부분에서는 충분한 전기적 신호를 인가하기 위해서 그리드 형태나 스파이럴 형태 또는 사각형 모양의 형태로 붙이거나 직조한다.

본 발명에서 사용가능한 압전섬유로는 압전성을 갖는 섬유로서, 압전성 섬유는 압전성 고분자로 이루어지는 것이 바람직하다. 압전성 고분자로는, 폴리불화비닐리덴, 폴리락트산 등 압전성을 나타내는 고분자이면 어느 것이나 이용할 수 있다. 압전성 고분자를 압전성 섬유로 하기 위해서는, 압전성 고분자를 압출 성형하여 섬유화하는 방법, 압전성 고분자를 용융 방사하여 섬유화하는 방법, 압전성 고분자를 건식 혹은 습식 방사에 의해 섬유화하는 수법, 압전성 고분자를 전기방사에 의해 섬유화하는 방법 등을 채용할 수 있다.

신축성 섬유 전극(130, 140)은 섬유의 표면에 도전성 물질을 피복할 것일 수 있다. 도전성 재료로는 본 발명의 효과를 발휘하는 한, 어느 것을 사용해도 된다. 예를 들어, 금, 은, 백금, 동, 니켈, 주석, 아연, 팔라듐, 동, 산화인듐 주석 등 및 이들의 혼합물이나 합금 등을 사용할 수 있다. 또한, 코팅 방법이나 그 수단도 제한되지 않는다. 금속을 포함하는 페이스트를 도포하거나, 전해 도금, 화학 도금, 혹은 진공 증착 등에 의해 도전성 재료를 코팅한 섬유에 대해 본 발명을 널리 적용할 수 있다. 이러한 도전사의 예로는 금속도전사, 또는 유기물에 의해 피복된 피복 도전사이어도 된다.

상기 접착층(330)은 실리콘, 에폭시 수지, 우레탄 수지, 아크릴 수지 및 접착시트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 다른 양상은 본 발명의 신축성 스피커를 포함하는 웨어러블 디바이스에 관한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 신축성 스피커는 압전물질 사이에 신축성 스페이서를 삽입하여 스피커 자체가 늘어날 수 있고, 도 6에 도시된 바와 같이 팔에 휘감을 수 있을 정도로 유연성이 뛰어나면서도 신뢰도도 우수하여, 각종 웨어러블 디바이스에 연결 시 웨어러블 디바이스의 소형화 및 경량화, 박막화가 가능해지고, 휴대성 및 이동성이 향상된 고효율, 다기능 전자기기의 제작이 가능해지며, 비용 절감 등의 이점을 제공할 수 있게 된다.

이상 본 발명의 구체적 실시예와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.

110: 제1 신축성 전극 120: 제2 신축성 전극
130: 제1 신축성 섬유 전극 140: 제2 신축성 섬유전극
200: 압전 물질 220: 신축성 스페이서
130, 140: 신축성 섬유 전극 310: 섬유기판
330: 접착층 400: 압전 섬유체

Claims (11)

1. 대향하는 한 쌍의 신축성 전극 사이에 하드 세그먼트로서 압전 물질과 소프트 세그먼트로 신축성 스페이서가 일정한 폭으로 교호로 배치된 신축성 스피커.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 신축성 전극은 도전성 고무와 도전성 물질로 구성되는 고무전극이고, 압전물질은 압전필름인 것을 특징으로 하는 신축성 전극.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 도전성 고무는 실리콘계 고무이고, 상기 도전성 물질은 탄소물질인 것을 특징으로 하는 신축성 스피커.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 신축성 전극은 신축성 텍스타일 전극이고, 상기 압전물질은 압전섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 신축성 스피커.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 신축성 텍스타일 전극은 탄성섬유와 신축성 도전사로 구성되는 것을 특징으로 하는 신축성 스피커.
6. 제1항에 있어서, 상기 신축성 스페이서가 천연고무 또는 합성고무로 구성되는 것을 특징으로 하는 신축성 스피커.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 압전 물질은 불화폴리비닐리덴(Polyvinyllidene Fluoride, PVDF), 폴리테트라불화에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTEE) 또는 불화에틸렌프로필렌(Fluorinated Ethylene Propylene, FEP)로 구성되는 필름 또는 섬유체인 것을 특징으로 하는 신축성 스피커.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 압전 물질 위에 폴리아닐린, 폴리피롤, 수용성 폴리티오펜, 폴리(3,4-에틸렌티오펜) 및 π-공액계 전도성 고분자, 탄소나노튜브 및 그래핀 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 하나 이상의 재료를 포함하는 코팅층이 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 신축성 스피커.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 신축성 스피커는, 대향하는 한 쌍의 전극들을 서로 접착하고 압전층을 고정하기 위한 비전도성 신축성 소재로 구성되는 접착층을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 스피커.
10. 제1항에 있어서, 상기 신축성 스피커는, 상기 압전층의 양면 중 하나 이상의 면에 다공성 시트이 부착된 것을 특징으로 하는 신축성 스피커.
    
11. 제1항 또는 제10항 중 어느 하나의 항의 신축성 스피커를 포함하는 웨어러블 디바이스.
    
    

Images