KR20190040894A

KR20190040894A - 나노 멤브레인, 나노 멤브레인 제조방법 및 나노 멤브레인을 이용한 스피커 및 마이크로폰 장치

Info

Publication number: KR20190040894A
Application number: KR1020180111329A
Authority: KR
Inventors: 고현협; 강세원; 조승세
Original assignee: 울산과학기술원
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2019-04-19
Also published as: US11381918B2; US11930339B2; US20190182597A1; US20200336837A1; US11140487B2; KR102200305B1; US20200336836A1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인은 금속 나노와이어들의 직경에 대응되는 두께로, 내부에 상기 금속 나노와이어들이 포함되도록 형성된 절연층; 및 교차 배열되고, 옆면의 일부가 상기 절연층의 일면에서 돌출된 금속 나노와이어들을 포함한다.

Description

나노 멤브레인, 나노 멤브레인 제조방법 및 나노 멤브레인을 이용한 스피커 및 마이크로폰 장치{NANO MEMBRANE, METHOD FOR MANUFACTURING NANO MEMBRANE AND APPARATUS FOR SPEAKER AND MICROPHONE USING NANO MEMBRANE}

본 발명은 금속 나노와이어 복합체 기반의 전도성 나노 멤브레인, 이러한 나노 멤브레인의 제조방법 및 이 나노 멤브레인을 이용한 스피커 및 마이크로폰 장치에 관한 것이다.

인간과 기계를 상호 연결하는 "IoT (Internet of Things)"의 급속한 성장에 따라 개인용 전자 장치는 스마트하고, 휴대 가능하며, 소형화된 장치로 발전되었다.

그럼에도 불구하고, 이러한 개인용 전자 장치는 여전히 착용 가능한 장치의 최근 발전에서 다른 전자 장치와의 긴밀한 통합을 방해한다.

편의성과 외관을 위하여 가볍고, 다기능의 투명한 물성을 지닌 착용 가능한 전자 장치 개발이 필요하다. 이러한 기술개발은 눈에 띠지 않는 전자 장치, 피부에 부착 가능한 전자 피부 (전자 피부) 및 컨포멀(Conformal) 전자 제품과 같은 신기술을 만들어 낼 수 있다.

특히 미크론 두께의 초박형 유연 기판을 사용한 전자 장치는 임의의 표면과 밀착된 접촉이 가능하며, 눈에 잘 띄지 않는 외관을 제공한다. 이러한 전자 장치는 본질적으로 피부에 부착할 수 있고, 복잡한 토폴로지의 곡선이 있거나 평평하지 않은 표면에도 직접 부착될 수 있다.

나노 크기의 두께를 가진 독립형 나노 멤브레인(Nano Membrane)은 가볍고 우수한 유연성, 광학 투명성, 순응성과 같은 많은 기능을 제공하는 눈에 띄지 않는 전자 제품을 위한 강력한 플랫폼을 제공할 수 있다. 이러한 유연성은 기존 벌크 재료로는 달성할 수 없다.

종래에는 극소 중합체 나노 멤브레인 기판상에 그래핀 기반의 등각 소자가 피부 장착 장치용으로 개발되었다. 또한, MoS₂ 반도체 기반의 컨포멀한 촉각 센서가 뛰어난 광학 투명성과 기계적 유연성을 통해 입증되었다.

이러한 나노 멤브레인 기반의 전자 장치는 극히 낮은 굽힘 강성을 나타내므로 고르지 않은 표면에 컨포멀하게 접촉할 수 있지만, 폴리머 나노 멤브레인의 기계적 성질은 낮은 파괴 인성에 의해 외부 응력 또는 변형에 의한 기계적 파손을 초래하는 문제가 있다.

폴리머 나노 멤브레인과는 달리, 하이브리드 복합체 나노 멤브레인은 금속 나노입자(Nano Particle), 금속 나노와이어(Nano Wire), 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 및 그래핀과 같은 로딩 물질의 유형을 제어함으로써 다양한 전기적, 광학적 및 기계적 특성을 제공할 수 있다.

특히, 은 나노와이어는 우수한 전기적, 광학적 및 기계적 특성을 지니고 있기 때문에 하이브리드 나노 멤브레인에 적합하다. 또한, 전도성 은 나노와이어 네트워크는 스핀 코팅, 드롭 캐스팅, 로드 코팅 및 스프레이 코팅과 같은 비용이 효율적이고 대규모 솔루션 기반 공정으로 준비될 수 있다.

또한, 종래에는 피부에 부착 가능한 전자 장치에 대규모의 전도성 은 나노와이어 복합 나노 멤브레인을 개발하려는 시도가 없었다.

Akihito Miyamoto et al. Inflammation-free, gas-permeable, lightweight, stretchable on-skin electronics with nanomeshes. Nat. Nanotech. 12, 907 (2017)

본 발명은 아주 얇고, 투명하고, 전도성이 있는 강건한 은 나노와이어 복합 나노 멤브레인에 관한 것으로, 탁원한 투명성 및 컨포멀한 표면 접촉 능력으로 눈에 거슬리지 않는 외관을 제공하며, 신체에 부착 가능한 나노 멤브레인, 나노 멤브레인을 이용한 스피커 및 마이크로폰 장치 및 나노 멤브레인의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인은 금속 나노와이어들의 직경에 기반하여 기설정된 두께로, 내부에 상기 금속 나노와이어들이 포함되도록 형성된 절연층; 및 교차 배열되고, 옆면의 일부가 상기 절연층의 일면에서 돌출된 금속 나노와이어들을 포함할 수 있다.

상기 금속 나노와이어들은, 길이방향이 제1 방향으로 배열된 금속 나노와이어들 위에, 길이 방향이 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 금속 나노와이어들이 포개어질 수 있다.

상기 금속 나노와이어들은, 네트워크 구조로 상호간에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인 제조 방법은 기판(substrate)상에 희생층(sacrificial layer)을 형성하는 단계; 상기 형성된 희생층상에 금속 나노와이어들을 코팅하는 단계; 상기 금속 나노와이어들이 코팅된 희생층상에 고분자 코팅 원료를 증착시켜 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 희생층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 금속 나노와이어들을 코팅하는 단계는, 길이방향이 제1 방향을 향하도록 금속 나노와이어들을 코팅하는 단계; 및 상기 금속 나노와이어들이 코팅된 희생층상에, 길이방향이 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 향하도록 나머지 금속 나노와이어들을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 절연층을 형성하는 단계는, 상기 금속 나노와이어들의 직경에 기반하여 기설정된 두께로, 상기 금속 나노와이어들이 포함되도록 상기 고분자 코팅 원료를 증착시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 금속 와이어들은, 옆면의 일부가 상기 절연층의 일면에서 돌출되도록 상기 절연층의 내부에 포함될 수 있다.

상기 희생층을 제거하는 단계는, 상기 희생층이 용해되는 용액을 이용하여, 상기 희생층을 식각(etching)하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치는 나노 멤브레인; 및 상기 나노 멤브레인에 교류 전압을 인가하는 전압부를 포함할 수 있다.

상기 전압부는, 상기 교류 전압의 주파수를 설정된 주기마다 변경하고, 상기 변경된 주파수의 교류 전압을 상기 나노 멤브레인에 인가할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치는 입력된 소리 신호의 시간별 주파수를 측정하는 주파수 측정부를 더 포함할 수 있다.

상기 전압부는, 상기 측정된 주파수에 대응되도록 상기 교류 전압의 주파수를 변경하고, 상기 변경된 주파수의 교류 전압을 상기 나노 멤브레인에 인가할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치는 나노 멤브레인; 상기 나노 멤브레인의 윗면에 결합된 제1 고분자 필름; 및 상기 나노 멤브레인의 아랫면에 결합된 제2 고분자 필름을 포함할 수 있다.

상기 제1 고분자 필름은, 평평한(flat) 형상으로, 평면을 관통하는 홀을 포함할 수 있다.

상기 제2 고분자 필름은, 표면상에 규칙적으로 배열된 복수의 뿔들을 포함하고, 상기 뿔들의 꼭짓점들은 상기 나노 멤브레인의 아랫면에 접촉할 수 있다.

상기 제2 고분자 필름은, 표면상에 규칙적으로 배열된 복수의 마이크로돔(Microdome)들을 포함하고, 상기 마이크로돔들은 상기 나노 멤브레인의 아랫면에 접촉할 수 있다.

상기 제2 고분자 필름은, 표면상에 규칙적으로 배열된 복수의 마이크로필러(Micropillar)들을 포함하고, 상기 마이크로필러들은 상기 나노 멤브레인의 아랫면에 접촉할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치는 상기 마이크로폰 장치에 소리 압력이 가해질 때, 상기 나노 멤브레인의 진동에 의해 발생하는 마찰 전기 출력 전압 및 상기 마찰 전기 출력 전압의 주파수를 측정하는 측정부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인은 투명하고, 나노 단위의 두께를 갖기 때문에 신체 등 3차원 면에도 쉽게 부착될 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 및 마이크로폰 장치는 투명하고 신체에 부착할 수 있어, 웨어러블 장치에 활용될 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 특징을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 피부에 부착한 예시를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인의 기계적 특성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인의 기계적 성질을 측정하기 위한 압입 테스트의 예시를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치를 도시한 도면이다.
도 6은 PET 표면상에 코팅된 은 나노와이어들의 배열에 따른 열 특성을 실험한 데이터를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치(NM loudspeaker) 및 일반적인 기판을 이용한 스피커 장치(Thick film loudspeaker)의 전력(Input power)에 따른 음압 레벨(Sound Pressure Level, SPL)을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커를 신체에 부착한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치에 포함된 고분자 필름의 패턴들을 비교 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치의 소리 감지 성능을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인의 희생층을 제거하는 과정을 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인의 두께를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시에에 따른 나노 멤브레인에서, 은 나노와이어의 코팅 횟수에 따른 투과율을 비교 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인의 단면을 간략히 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 반으로 접은 후 촬영한 SEM 이미지를 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 PDMS에 부착한 후 촬영한 SEM 이미지를 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치에 있어서, 나노 멤브레인의 두께에 따른 PDMS 표면에 배열된 피라미드 패턴의 스텝 표면 커버리지(step surface coverage)를 도시한 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인과 패릴린으로만 이루어진 나노 멤브레인의 모세관 주름 테스트 비교 결과이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인과 폴리머로만 제작된 나노 멤브레인의 히스테리시스(Hysterisis) 압입 하중 시험(Loading-unloading indentation test) 결과를 도시한 도면이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치와 일반적인 두께의 PET 기판을 포함한 스피커 장치의 음압 레벨(Sound Pressure Level, SPL)을 이론적으로 비교 도시한 도면이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치와 평평한 고분자 필름을 포함한 마이크로폰 장치를 비교 도시한 도면이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치를 음성지문 보안 시스템에 이용한 결과를 도시한 결과이다.
도 24는 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치와 상업용 마이크로폰 장치를 비교 시험한 결과를 도시한 도면이다.

본 명세서에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 즉, 구성요소들을 상기 용어들에 의해 한정하고자 함이 아니다.

본 명세서에서 '포함하다' 라는 표현으로 언급되는 구성요소, 특징, 및 단계는 해당 구성요소, 특징 및 단계가 존재함을 의미하며, 하나 이상의 다른 구성요소, 특징, 단계 및 이와 동등한 것을 배제하고자 함이 아니다.

본 명세서에서 단수형으로 특정되어 언급되지 아니하는 한, 복수의 형태를 포함한다. 즉, 본 명세서에서 언급된 구성요소 등은 하나 이상의 다른 구성요소 등의 존재나 추가를 의미할 수 있다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(통상의 기술자)에 의하여 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다.

즉, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 나노 멤브레인, 나노 멤브레인 제조 방법, 나노 멤브레인을 이용한 스피커 및 마이프로폰 장치에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 도시한 도면이다.

구체적으로, 도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인의 제작 과정을 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인은 기판상에 희생층을 형성하는 단계, 증착된 희생층상에 금속 나노와이어들을 코팅하는 단계, 금속 나노와이어들이 코팅된 희생층상에 절연성 고분자 코팅 원료를 증착시켜 절연층을 형성하는 단계 및 희생층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

기판상에 희생층을 형성하는 단계는 기판상에 추후에 제거될 희생층을 형성하는 단계로서, 예컨대, 실리콘(Si) 기판상에 산화아연(ZnO)을 증착시켜 희생층이 형성될 수 있다.

증착된 희생층상에 금속 나노와이어들을 코팅하는 단계는, 용액 기반의 바-코팅(bar-coating) 공정을 통해 희생층상에 은 나노와이어를 코팅하는 단계이다.

증착된 희생층상에 금속 나노와이어들을 코팅하는 단계는 길이방향이 제1 방향을 향하도록 금속 나노와이어들을 코팅하고, 길이방향이 제1 방향에 수직한 제2 방향을 향하도록 나머지 금속 나노와이어들을 코팅하는 단계이다.

즉, 길이방향이 제1 방향으로 배열된 금속 나노와이어들 위에, 길이방향이 제2 방향으로 배열된 금속 나노와이어들이 포개어질 수 있다. 금속 나노와이어들은 직각으로 교차하여 배열되고, 금속 나노와이어들은 네트워크 구조로 코팅되기 때문에, 각각의 금속 나노와이어가 연결(connected)될 수 있다.

금속 나노와이어들이 코팅된 희생층상에 절연성 고분자 코팅 원료를 증착시켜 절연층을 형성하는 단계는 금속 나노와이어들이 코팅된 희생층상에 고분자 코팅 원료인 패릴린-C(parylene-C)를 증착시켜 절연층을 형성하는 단계이다.

절연층은 금속 나노와이어들의 직경에 기반하여 기설정된 두께로 형성될 수 있다. 즉, 금속 나노와이어들이 교차하는 부분의 높이는 금속 나노와이어들의 직경보다 높기 때문에, 절연층은 금속 나노와이어들의 직경에 대응하여 금속 나노와이어들이 교차하는 부분의 높이를 고려한 두께로 형성될 수 있다.

예컨대, 절연층은 금속 나노와이어들이 교차하는 부분의 높이 이상 100nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.

금속 나노와이어들은 옆면의 일부가 절연층의 일면에서 돌출되도록 절연층의 내부에 포함될 수 있다.

희생층을 제거하는 단계는 희생층이 용해되는 용액을 사용하여 희생층을 식각(ethcing)하는 단계로서, 예컨대, 구연산 용액(10wt% in water)을 이용하여 희생층을 식각(etching)함으로써 실리콘 기판과 독립된 은 나노와이어 복합 나노 멤브레인(이하, 나노 멤브레인)이 획득될 수 있다.

도 1b는 희생층상에 증착된 나노 멤브레인을 도시한 도면이고, 도 1c는 희생층이 식각된 나노 멤브레인을 도시한 도면이다.

희생층상에 증착된 나노 멤브레인을 구연산 용액위에 띄움으로써, 산화아연 희생층이 구연산 용액에 의해 용해되어 실리콘 기판과 나노 멤브레인이 분리될 수 있다.

도 1d는 교차 정렬된 은 나노와이어 배열의 암시야 광학 현미경 이미지 및 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 이미지를 도시한 도면이다. 도 1d를 참조하면, 은 나노와이어가 교차 구조로 고도로 정렬되어 있음을 알 수 있다.

도 1e는 희생층상에 증착된 나노 멤브레인의 단면 SEM 이미지를 도시한 도면이다. 도 1e를 참조하면, 고분자 코팅 원료는 희생층상에 100nm 이하의 두께로 증착될 수 있다.

도 1f는 가시광선 400nm 내지 800nm 범위에서 종래의 나노 멤브레인, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인, PET 및 유리의 평균 광학 투과율을 도시한 도면이다.

도 1f를 참조하면, 400nm 내지 800nm 가시광선 파장 범위에서 은 나노와이어를 포함하지 않은 종래의 나노 멤브레인(Pure NM)의 평균 광학 투과율은 약 98.2%이고, PET의 평균 광학 투과율은 약 92.9%, 유리(Glass)의 평균 광학 투과율은 약 93.5%이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인(Hybrid NM)의 평균 광학 투과율은 550nm 내지 800nm 가시광선 파장 범위에서 PET 및 유리의 평균 광학 투과율보다 평균 광학 투과율이 높게 측정되었다.

도 1g는 와이어 루프에 의해 지지되는 나노 멤브레인의 사진을 도시한 도면이다.

도 1g를 참조하면, 삽입도는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 통해 촬영된 사진을 확대한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인은 광학적으로 투명하고, 은 나노와이어들이 직교 배열되어 우수한 전기 전도성를 제공한다.

도 1h는 굴곡진 표면에 부착된 나노 멤브레인의 사진을 도시한 도면이고, 도 1i는 신체에 부착된 나노 멤브레인의 사진을 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인은 투명하고, 기계적 손상 없이 곡선이면서 복잡한 표면을 가진 임의의 기판 위에 자유롭게 부착될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 피부에 부착한 예시를 도시한 도면이다.

구체적으로, 도 2a는 피부 표면에 나노 멤브레인을 부착했을 때의 개략도를 도시한 도면이고, 도 2b는 엄지손가락에 부착된 나노 멤브레인의 사진을 도시한 도면이다.

도 2a 및 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인은 나노 스케일 두께로 인한 매우 낮은 굽힘 강성으로 인해 높은 수준의 굽힘성을 제공하여, 3차원 표면에서도 용이하게 부착될 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인은 곡선 및 불균일한 복잡한 지형을 갖는 인간의 피부 상에 적합하게 접착될 수 있으므로, 웨어러블 기기에 적용될 수 있는 장점이 있다.

도 2c 및 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 각각 20㎛ 및 120㎛ 폭을 가진 라인 패턴 3D 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS) 미세 구조에 부착한 후 촬영한 SEM 이미지이다.

3D 미세 구조에서 나노 멤브레인의 컨포멀한(conformal) 접촉을 더 연구하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 라인 폭이 20㎛ 및 120㎛인 PDMS 표면에 전사하였다. 나노 멤브레인은 PDMS 각각의 라인 패턴의 가장자리를 따라 3D PDMS 미세 구조의 선 패턴에 컨포멀하게 접촉하였으며, 이는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인이 낮은 굽힘 강성으로 인해 우수한 구부림 성을 소유함을 보여준다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인의 기계적 특성을 도시한 도면이다.

구체적으로, 도 3a는 은 나노와이어의 밀도에 따라, 표면에 떨어진 물방울에 의해 생기는 나노 멤브레인의 표면의 주름을 측정하는 모세관 주름 테스트의 결과를 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인의 영률(young’s modulus)을 측정하기 위해, 순수한 폴리머(Only parylene), 나노 멤브레인(Orthogonal x1), 은 나노와이어의 밀도가 2배인 나노 멤브레인(Orthogonal x2) 및 은 나노와이어의 밀도가 3배인 나노 멤브레인(Orthogonal x3)의 중심에 물방울을 놓는 모세관 주름 테스트를 수행하였다.

나노 멤브레인의 중심에 물방을 떨어뜨린 경우, 모세관력에 의해 나노 멤브레인의 표면에 주름이 형성되는데, 교차 정렬된 은 나노와이어의 밀도가 증가할수록 나노 멤브레인에 형성되는 주름의 수가 감소하였다. 즉, 은 나노와이어의 밀도가 증가함에 따라 나노 멤브레인의 영률이 증가함을 확인하였다.

도 3b는 물방울에 의해 생기는 나노 멤브레인 표면의 주름의 수를 도시한 도면이다.

도 3b를 참조하면, 나노 멤브레인의 영률에 대한 교차 정렬된 은 나노와이어 어레이의 효과를 더 조사하기 위해, 나노 멤브레인의 주름 수(N)를 함수 a^1/2h^-3/4로 나타내었으며, 여기서 a는 물방울의 반경이고, h는 나노 멤브레인의 두께이다.

나노 멤브레인의 탄성 계수는 다음의 수학식 1에 따라 계산될 수 있다.

여기서, Λ는 푸아송 비, γ는 물방울의 표면 장력, E는 나노 멤브레인의 영률(Young’s modulus), C_N은 계수이다. 도 3b의 그래프에서 계수 C_N은 3.2로 계산되었다.

도 3c는 주름 테스트를 통해 계산된 은 나노와이어의 밀도에 따른 나노 멤브레인의 영률을 도시한 도면이다.

도 3c를 참조하면, 직교 배열된 은 나노와이어들의 수(Number of orthogonal AgNW array)가 증가할수록 나노 멤브레인의 영률이 선형적으로 증가하였다.

도 3d는 교차 정렬된 은 나노와이어 배열의 밀도에 따라 나노 멤브레인의 변위에 대한 압입 경도(Load)를 도시한 도면이다.

도 3d를 참조하면, 나노 멤브레인은 순수한 폴리머(Only parylene NM)에 비해 높은 압입 경도를 가졌으며, 나노 멤브레인들 간에는 은 나노와이어의 밀도가 클수록 압입 경도가 높게 측정되었다.

도 3e는 은 나노와이어 밀도에 따라 나노 멤브레인의 최대 변위(Maximum displacement)에 대한 최대 압입 경도(Maximum load)를 도시한 도면이다.

도 3e를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인의 최대 압입 경도는 직교 배열된 은 나노와이어 배열의 밀도의 증가에 따라 점진적으로 증가된다.

은 나노와이어의 밀도가 가장 큰 나노 멤브레인(Orthogonal array x3)의 최대 압입 경도는 약 85mN이고, 은 나노와이어를 포함하지 않고 페릴린만을 포함하는 나노 멤브레인(Only parylene NM)의 최대 압입 경도는 약 45mN으로, 직교배열된 은 나노와이어를 포함하는지 유무에 따라 나노 멤브레인의 최대 압입 경도가 약 2배정도 차이나는 것을 확인하였다.

직교 배열된 은 나노와이어 네트워크의 효율적인 기계적 보강으로 효과적인 계면이 가능하고, 나노 복합 재료 시스템에서 폴리머 매트릭스 내에서 효율적인 로드 전달을 유도한다. 이러한 결과는 직교 배열된 은 나노와이어가 나노 멤브레인의 기계적 성질을 향상시키는 좋은 로딩 물질이 될 수 있음을 시사한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인의 기계적 성질을 측정하기 위한 압입 테스트의 예시를 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 따른 나노 멤브레인의 기계적 인성을 측정하기 위하여 교차 정렬된 은 나노와이어 배열의 밀도에 따른 압입 경도 측정 실험을 수행하였다. 압입 경도 측정 실험을 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 지름 10mm 구멍이 뚫린 지지판에 부착하고, 금속 막대(Metal rod)로 힘을 가하여 변형시켜 나노 멤브레인의 최대 하중 한계를 측정하였다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치는 예컨대 100nm 이하의 두께로 신체에 용이하게 부착될 수 있어, 웨어러블 스피커 장치에 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치는 나노 멤브레인에 교류 전압을 인가하는 전압부를 포함할 수 있다.

전압부는 교류 전압의 주파수를 설정된 주기마다 변경하고, 변경된 주파수의 교류 전압을 나노 멤브레인에 인가할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치는 입력된 소리 신호의 시간별 주파수를 측정하는 주파수 측정부를 더포함할 수 있다.

주파수 측정부는 입력된 소리 신호의 시간별 주파수를 측정하고, 전압부는 측정된 주파수에 대응되도록 교류 전압의 주파수를 변경하여, 변경된 주파수의 교류 전압을 나노 멤브레인에 인가할 수 있다.

예컨대, 전압부가 동일한 주파수의 교류 전압을 나노 멤브레인에 인가하면 나노 멤브레인에서는 동일한 한 음의 소리가 출력되지만, 주파수 측정부에 의해 측정된 주파수에 대응되도록 교류 전압의 주파수를 변경하면서 나노 멤브레인에 교류 전압을 인가하면 노래 소리가 출력될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치는 나노 멤브레인에 교류 전압을 인가하여 발생되는 열에 의해 주변 공기가 팽창 및 수축하여 진동이 일어나면서 음향 방출이 일어난다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치에 교류 전압이 인가되면, 나노 멤브레인에 포함되어 있는 금속 나노와이어에서 생성된 저항에 의해 줄(Joule) 열이 발생하고, 발생된 줄 열에 의해 주변 공기가 팽창 및 수축하면서 진동하여, 열 음향학적 소리의 방출이 발생된다.

도 6은 PET 표면상에 코팅된 은 나노와이어들의 배열에 따른 열 특성을 실험한 데이터를 도시한 도면이다.

도 6a 및 6b는 각각 PET 표면상에 직교 배열된 은 나노와이어(이하, Rectangular 은 나노와이어)와 은 무작위로 배열된 은 나노와이어(이하, Random 은 나노와이어)의 줄(Joule) 열 특성을 적외선 카메라로 촬영한 사진이다.

도 6a 및 6b를 참조하면, 동일한 직류 전압을 인가하였을 때, Rectangular 은 나노와이어는 Random 은 나노와이어에 비해 균일한 열 분포와 향상된 줄 열 성능을 띠는 것으로 확인되었다.

직교 배열되어 균일하게 분포된 은 나노와이어들 간의 접점과 교차 정렬된 은 나노와이어 배열에 따른 낮은 퍼콜레이션(percolation) 임계값에 의해, Rectangular 은 나노와이어의 열 분포 및 줄 열 성능이 Random 은 나노와이어의 열 분포 및 줄 열 성능보다 향상된 것으로 확인되었다.

특히, Random 은 나노와이어는 열 분포가 균일하지 않기 때문에, "핫스팟"을 초래하여 줄 열 성능의 저하를 유발할 수 있다.

도 6c는 AC 10V를 10kHz 주파수에서 인가하였을 때, 은 나노와이어들이 직교 배열된 Rectangular 은 나노와이어 네트워크의 줄(Joule) 열 특성을 적외선 카메라로 촬영한 사진이다.

도 6c를 참조하면, Rectangular 은 나노와이어는 은 나노와이어들이 직교 배열되었기 때문에 열 분포가 균일하여 "핫스팟"을 초래하지 않으므로, 줄 열 성능이 저하되지 않는 장점이 있다.

도 6d 및 6e는 각각 Rectangular 은 나노와이어 및 Random 은 나노와이어에 직류 전압을 인가했을 때 시간에 따른 온도 변화를 도시한 도면이다.

도 6d 및 6e를 참조하면, 인가된 전압을 3V ~ 10V 범위에서 변경하면서, Rectangular 은 나노와이어 및 Random 은 나노와이어의 온도 프로파일을 측정하였다.

측정된 온도 프로파일에서 볼 수 있듯이, Rectangular 은 나노와이어는 균일한 전도성 네트워크를 통한 유효 전류 흐름 및 낮은 퍼콜레이션 임계값에 기인하여 Random 은 나노와이어보다 훨씬 높은 줄 열 성능 수준을 보였다.

은 나노와이어 네트워크에 의해 생성된 열을 계산하기 위해 Joule의 법칙을 사용하였고, 은 나노와이어 네트워크의 포화 온도 Ts는 다음의 수학식 2에 따라 계산될 수 있다.

여기서, T_i는 초기 온도, U는 인가 전압, t는 가열 시간, R은 가열 필름의 저항, Q_d는 소산 열, C는 가열 필름의 열용량 비이고, m은 가열 필름의 질량이다.

가열 필름 내의 은 나노와이어의 질량(또는 퍼콜레이션 역치)이 은 나노와이어 네트워크의 열 발산 성능에 영향을 미치는 것으로 측정되었다.

도 6a 내지 6e를 참조하면, 동일한 전압을 인가하였을 때, Rectangular 은 나노와이어는 Random 은 나노와이어에 비해 온도가 빠르고, 균일하게 증가하기 때문에, Rectangular 은 나노와이어의 열 발산 성능이 Random 은 나노와이어의 열 발산 성능보다 우수한 것을 알 수 있다.

즉, 동일한 시간동안 동일한 전압을 인가하였을 때, Rectangular 은 나노와이어는 Random 은 나노와이어에 비해 더 많은 양의 열을 발산한다.

결과적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치는 은 나노와이어들이 랜덤하게 배열된 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치보다 주변 공기를 더 잘 가열시키기 때문에, 주변 공기의 떨림에 의해 소리가 발생되는 소리 출력 성능이 더 뛰어난 것을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치(NM loudspeaker) 및 일반적인 기판을 이용한 스피커 장치(Thick film loudspeaker)의 전력(Input power)에 따른 음압 레벨(Sound Pressure Level, SPL)을 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치(NM loudspeaker)의 측정 음압 레벨(NM loudspeaker_exp.)은 약 13KHz 이하에서 이론적 음압 레벨(NM loudspeaker_theo.)보다 높게 측정되었다.

반면에, 약 220㎛ 두께의 일반적인 기판을 이용한 스피커 장치(Thick film loudspeaker)의 측정 음압 레벨(Thick film loudspeaker_exp.)은 약 3KHz 이상에서는 이론적 음압 레벨(NM loudspeaker_theo.)보다 낮게 측정되었다.

또한, 모든 소리 주파수 영역에서 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치(NM loudspeaker)의 음압 출력 성능이 일반적인 기판을 이용한 스피커 장치(Thick film loudspeaker)의 음압 출력 성능보다 향상된 것을 확인하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치(NM loudspeaker)는 직교 배열된 은 나노와이어 및 약 100nm의 매우 얇은 필름 두께로 인해, 교류 전압을 인가할 경우 은 나노와이어에서 발생되는 저항열의 손실을 최소화 할 수 있기 때문에, 일반적인 두께(220 미크론)의 기판을 이용한 스피커보다 모든 소리 주파수 영역에서 향상된 음압 성능을 출력할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커를 신체에 부착한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인은 나노 스케일 두께로 인한 매우 낮은 굽힘 강성으로 인해 높은 수준의 굽힘성을 제공하여, 피부와 같은 3차원 표면에서도 용이하게 부착될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치를 도시한 도면이다.

구체적으로, 도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치의 마찰 전기 음향 탐지 메커니즘을 도시한 도면이다.

도 9a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치는 나노 멤브레인, 나노 멤브레인의 윗면에 결합된 제1 고분자 필름 및 나노 멤브레인의 아랫면에 결합된 제2 고분자 필름을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치에 소리 압력이 가해질 때, 나노 멤브레인의 진동에 의해 발생하는 마찰 전기 출력 전압 및 마찰 전기 출력 전압의 주파수를 측정하는 측정부를 더 포함할 수 있다.

예컨대, 고분자 필름은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS) 필름이고, 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로폰 장치는 제1 고분자 필름, 나노 멤브레인 및 제2 고분자 필름이 샌드위치 구조로 결합될 수 있다. 이때, 나노 멤브레인의 양면 중 은 나노와이어들이 위치한 면이 제2 고분자 필름에 접촉되도록 결합될 수 있다.

제1 고분자 필름은 평평한(flat) 형상으로, 평면을 관통하는 홀을 포함할 수 있다.

제2 고분자 필름은 표면상에 규칙적으로 배열된 복수의 뿔, 마이크로돔(Microdome) 또는 마이크로필러(Micropillar) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

예컨대, 제2 고분자 필름의 표면상에 복수의 뿔들이 배열된 경우, 뿔들의 꼭짓점들은 나노 멤브레인의 아랫면에 접촉될 수 있다. 마찬가지로 제2 고분자 필름의 표면상에 복수의 마이크로돔 또는 마이크로필러가 배열된 경우, 마이크로돔 또는 마이크로필러가 나노 멤브레인의 아랫면에 접촉될 수 있다.제1 고분자 필름의 구멍을 통해서 음압이 나노 멤브레인에 전달되면, 나노 멤브레인이 진동하게 되고, 나노 멤브레인이 진동하면서 제2 분자 필름의 뿔들의 꼭짓점과 마찰하여 마찰전기 신호가 생성될 수 있다. 생성된 마찰전기 신호를 측정부에서 측정하여 마찰전기 신호의 파형을 분석하고, 분석된 파형에 대응되는 교류 신호를 생성할 수 있다.

도 9b 및 9c는 각각 주파수 및 음압 레벨에 따라, 표면에 마이크로피라미드가 배열된 제2 고분자 필름을 포함한 마이크로폰 장치(NM microphone)와 표면이 평평한 제2 고분자 필름을 포함한 마이크로폰 장치(planar film microphone)에서 발생된 마찰 전기 출력 전압을 측정한 실험 데이터를 도시한 도면이다.

도 9b를 참조하면, 동일한 주파수가 입력된 경우 NM microphone에서 발생된 마찰 전기 출력 전압은 Planar film microphone에서 발생된 마찰 전기 출력 전압보다 크게 측정되었다.

도 9c를 참조하면, 동일한 음압 레벨(SPL)이 입력된 경우 NM microphone에서 발생된 마찰 전기 출력 전압은 Planar film microphone에서 발생된 마찰 전기 출력 전압보다 크게 측정되었다.

즉, 표면이 평평한 제2 고분자 필름은 나노 멤브레인과 강하게 접촉하기 때문에, Planar film microphone에 포함된 나노 멤브레인의 떨림이 NM microphone에 포함된 나노 멤브레인의 떨림보다 적게 일어날 수 있다.

나노 멤브레인의 떨림이 크게 일어날수록 마찰 전기 출력 전압이 증가하고, 마찰 전기 출력 전압이 증가할수록 마이크로폰 장치의 소리 감지 성능이 뛰어난 것이기 때문에, 표면이 평평한 제2 고분자 필름을 포함한 NM microphone의 소리 감지 성능이 Planar film microphone의 소리 감지 성능보다 뛰어난 것으로 확인되었다.

도 9d는 종래의 음파 분석기(왼쪽), NM microphone(가운데) 및 Planar film microphone(오른쪽)에서 동일한 소리를 입력했을 때, 입력된 신호의 파형 및 short-time Fourier Transform(STFT)을 도시한 도면이다.

도 9d를 참조하면, “There's plenty of room at the bottom” 문장을 음파 분석기, NM microphone 및 Planar film microphone에 입력했을 때, 종래의 음파 분석기 및 NM microphone은 출력 전압의 파형(Waveform)과 스펙트로그램(Spectrograms)이 일치하였다.

하지만, 음파분석기와 Planar film microphone의 출력 전압의 파형과 스펙트로그램은 매우 상이하게 측정되어, NM microphone의 소리 감지 성능이 Planar film microphone의 소리 감지 성능보다 뛰어난 것을 실험을 통해 확인하였다.

도 9e는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치를 신체에 부착하여 음향 감지 테스트를 수행하는 예시를 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인과 마찬가지로, 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치는 얇은 탄성고분자 PDMS 필름을 기반으로 하기 때문에, 신체와 같이 굴곡진 3차원 면에도 쉽게 부착될 수 있다.

또한, 나노 멤브레인, 고분자 필름이 모두 투명하기 때문에, 사람의 목에 부착시켜도 시야에 방해를 주지 않는 장점이 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치에 포함된 고분자 필름의 패턴들을 비교 도시한 도면이다.

도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치에 포함된 제2 고분자 필름의 표면 패턴을 도시한 도면이다.

도 10a를 참조하면, 제2 고분자 필름의 표면상에 마이크로돔(Microdome), 마이크로필러(Micropillar) 또는 마이크로피라미드(Micropyramid) 중 어느 하나가 규칙적으로 배열될 수 있다.

도 10b는 제1 및 제2 고분자 필름 사이의 접착력(Adhesion force)을 측정하는 개념도를 도시한 도면이다.

도 10c는 제1 및 제2 고분자 필름 사이의 접착력을 측정한 실험 데이터를 도시한 도면이다.

도 10c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치의 제2 고분자 필름의 표면이 평평한 구조(Flat), 필러 구조(Micropillar), 돔 구조(Microdome) 또는 피라미드 구조(Micropyramid)일 때, 각 구조에서 평평한 구조의 제1 고분자 필름과의 접착력을 측정하였다.

평평한 구조(Flat)의 제2 고분자 필름이 제1 고분자 필름과 결합되면, 제1 고분자 필름과 제2 고분자 필름이 부착되어 잘 떨어지지 않기 때문에 약 20.8초에서 접착력이 가장 높게 측정되었다.

표면이 필러 구조, 돔 구조 또는 피라미드 구조인 제2 고분자 필름의 경우, 표면이 평평한 구조(Flat)인 제2 고분자 필름보다 접착력이 낮게 측정되었다. 특히 표면이 피라미드 구조인 제2 고분자 필름의 접착력이 가장 낮게 측정되어, 표면이 필러 구조 및 돔 구조인 제2 고분자 필름보다 성능이 뛰어난 것으로 측정되었다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치의 소리 감지 성능을 도시한 도면이다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치를 목에 부착한 후, ‘A’, ‘B’, ‘C’ 및 ‘D’를 말했을 때, 마이크로폰 장치에서 각각의 음성을 명확하게 감지하는 것을 확인하였다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인의 희생층을 제거하는 과정을 도시한 도면이다.

도 12a와 같이 실리콘 기판상에 ZnO 희생층이 형성되고, ZnO 희생층상에 형성된 나노 멤브레인을 에천트 용액에(etchant solution) 띄우면, 시간이 지날수록 도 12b와 같이 에천트 용액에 의해 ZnO 희생층이 용해되고, 희생층이 모두 용해되어 제거되면 도 12c와 같이 실리콘 기판과 나노 멤브레인이 분리된다.

도 12d는 양극산화 알루미늄(Anodic Aluminum Oxide, AAO) 주형에 나노 멤브레인을 부착하고 찍은 SEM 이미지를 도시한 도면이다. 스케일 바의 크기는 500nm이다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인의 두께를 도시한 도면이다.

도 13을 참조하면, 원자력 현미경(atomic force microscopy)을 이용해 나노 멤브레인의 두께를 측정한 결과, 나노 멤브레인의 두께가 약 100nm으로 측정되었다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인은 약 100nm 두께로 얇기 때문에 굽힘성이 강해 신체, 굴곡진 면 등에 부착력이 뛰어난 장점이 있다.

또한, 나노 멤브레인의 얇은 두께로 인해, 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치 및 마이크로폰 장치도 신체 부착력이 뛰어나 웨어러블 기기로 적용될 수 있는 장점이 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시에에 따른 나노 멤브레인에서, 은 나노와이어의 코팅 횟수에 따른 투과율을 비교 도시한 도면이다.

도 14를 참조하면, 400 내지 800nm 파장 범위에서 은 나노와이어들의 코팅 횟수가 증가할수록(Orthogonal array의 수가 증가할수록) 투과율이 낮은 것을 알 수 있다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인의 단면을 간략히 도시한 도면이다.

도 15를 참조하면, 반지름이 r이고 영률(Young’s modulus)이 83GPa인 n개의 은 나노와이어들이 크기가 b x h이고, 영률이 3.2GPa인 패릴린(Parylene) 박막에 포함되어 있다.

박막의 중심축(Neutral axis)과 바닥 사이의 거리(y₀)는 다음의 수학식 3에 따라 계산된다.

여기서, y₀는 박막의 중립축과 바닥 사이의 거리, h는 박막의 두께, h’는 은 나노와이어와 박막의 바닥 사이의 거리, r은 은 나노와이어의 반경, b는 패릴린 박막의 폭, E_Ag 및 E_Pa는 각각 은 나노와이어와 패릴린 박막의 영률이다.

수학식 3에 따라 계산된 y₀에 기반하여, 아래의 수학식 4를 이용하여 나노 멤브레인의 굽힘 강성(bending stiffness)이 계산될 수 있다.

수학식 4와 별개로, 수학식 3에 따라 계산된 y₀에 기반하여, 아래의 수학식 5를 이용하여도 나노 멤브레인의 굽힘 강성(bending stiffness)이 계산될 수 있다.

여기서 E_Hybrid는 직교 배열된 은 나노와이어들이 포함된 나노 멤브레인의 영률로서, 도 3a의 모세관 주름 테스트를 통해 실험적으로 산출되었다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 반으로 접은 후 촬영한 SEM 이미지를 도시한 도면이다.

도 16을 참조하면, 반으로 접힌 나노 멤브레인은 2.2㎛ 이하의 굴곡 반경을 가진다. 도 16의 좌측 상단의 스케일 바의 크기는 5㎛이고, 삽입도(Inset)에 포함된 스케일 바의 크기는 1㎛이다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 PDMS에 부착한 후 촬영한 SEM 이미지를 도시한 도면이다.

도 17을 참조하면, 폭이 20㎛인 PDMS의 표면의 라인 패턴의 에지를 따라 밀착되었다. 스케일 바의 크기는 10㎛이다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치에 있어서, 나노 멤브레인의 두께에 따른 PDMS 표면에 배열된 피라미드 패턴의 스텝 표면 커버리지(step surface coverage)를 도시한 도면이다.

도 18a는 나노 멤브레인이 부착되지 않은 PDMS의 피라미드 패턴이고, 도 18b 내지 18d는 각각 40㎚, 100nm 및 200nm 두께의 나노 멤브레인이 부착된 PDMS의 피라미드 패턴이다.

도 18e는 PDMS 표면에 배열된 피라미드 패턴의 스텝 표면 커버리지를 계산하기 위한 개념도를 도시한 도면이다.

도 18e를 참조하면, 피라미드 패턴의 스텝 표면 커버리지는 h/h₀*100으로 계산될 수 있다. 여기서 h는 나노 멤브레인으로 커버되는 높이이고, h₀는 나노 멤브레인이 부착되지 않았을 때의 피라미드 패턴의 높이이다.

도 18f는 나노 멤브레인의 두께별로 PDMS 표면에 배열된 피라미드 패턴의 스텝 표면 커버리지를 산출하여 도시한 도면이다.

도 18f를 참조하면, 나노 멤브레인의 두께가 얇을수록 PDMS 표면에 배열된 피라미드 패턴의 스텝 표면 커버리지가 높게 측정되었다.

즉, 나노 멤브레인의 두께가 얇을수록, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인, 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치 및 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치의 3차원 표면 부착력이 향상되어, 신체 또는 굴곡진 면 등에 잘 부착될 수 있음을 실험적으로 확인하였다.

도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인과 패릴린으로만 이루어진 나노 멤브레인의 모세관 주름 테스트 비교 결과이다.

도 19를 참조하면, 모세관 주름 테스트 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인은 직교 배열된 은 나노와이어를 포함하고 있기 때문에, 패릴린만으로 제조된 나노 멤브레인보다 모세관 주름 수가 적게 나타났다.

은 나노와이어가 포함됨으로써 나노 멤브레인의 영률이 증가하였고, 추가적으로 도 3a를 참조하면, 은 나노와이어의 밀도가 증가할수록 모세관 주름 수가 적어지므로 영률이 증가하는 것을 알 수 있다.

도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인과 폴리머로만 제작된 나노 멤브레인의 히스테리시스(Hysterisis) 압입 하중 시험(Loading-unloading indentation test) 결과를 도시한 도면이다.

도 20a 및 20b는 압입 부하(Load)가 27mN 이하일 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인(Hybrid NM)과 폴리머로만 제작된 나노 멤브레인(Polymer NM)의 히스테리시스 압입 하중 시험 결과이다.

도 20a 및 20b를 참조하면, 폴리머로만 제작된 나노 멤브레인(Polymer NM)은 반복적인 압입 하중을 인가했을 때, 측정된 이력곡선(Hysterisis)이 비슷한 경향을 보였다.

반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인(Hybrid NM)은 첫 압입하중 인가 시, 폴리머로만 제작된 나노 멤브레인 보다 넓은 범위를 가지는 이력곡선을 보이는 반면, 이를 반복했을 때 이력곡선의 경향이 크게 달라지는 것을 보였다.

도 20c 및 20d는 압입 부하(Load)가 11mN 이하일 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인(Hybrid NM)과 폴리머로만 제작된 나노 멤브레인(Polymer NM)의 히스테리시스 압입 하중 시험 결과이다.

도 20c 및 20d를 참조하면, 압입 부하가 11mN 이하일 때는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인(Hybrid NM)과 폴리머로만 제작된 나노 멤브레인(Polymer NM)이 유사한 경향을 보이는 것으로 측정되었다.

도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치와 일반적인 두께의 PET 기판을 포함한 스피커 장치의 음압 레벨(Sound Pressure Level, SPL)을 이론적으로 비교 도시한 도면이다.

도 21a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치(Parylene film_theo.)와 PET 기판을 포함한 스피커 장치(PET film_theo.)의 두께가 100nm일 때에는 주파수별 음압레벨(SPL)이 동일하였다.

도 21b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치(Parylene film_theo.)와 PET 기판을 포함한 스피커 장치(PET film_theo.)의 두께가 220μm인 경우에는 모든 주파수 범위에서 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치(Parylene film_theo.)의 음압레벨(SPL)이 높게 측정되었다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치(Parylene film_theo.)의 소리 방출 성능이 PET 기판을 포함한 스피커 장치(PET film_theo.)보다 더 뛰어난 것을 실험을 통해 확인하였다.

도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치와 평평한 고분자 필름을 포함한 마이크로폰 장치를 비교 도시한 도면이다.

도 22a는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치(NM microphone)이고, 도 22b는 평평한 고분자 필름을 포함한 마이크로폰 장치(Thin-film microphone)이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치는 소리 압력이 가해질 때, 제1 및 제2 고분자 필름 사이에서 나노 멤브레인이 진동하고, 그 진동에 의해 마찰 전기가 발생하고, 발생된 마찰 전기 출력 전압 및 주파수를 측정한다.

도 22a와 같이 제1 고분자 필름의 가운데 구멍이 뚫린 경우 나노 멤브레인이 진동할 공간이 충분하여 원활하게 진동하지만, 도 22b와 같이 제1 고분자 필름이 평평할 경우 나노 멤브레인이 고분자 필름에 접착되어 진동하지 않기 때문에 마이크로폰 장치의 성능이 저하될 수 있다.

도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치를 음성지문 보안 시스템에 이용한 결과를 도시한 결과이다.

본 음성지문 보안 시스템은 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치를 이용하여 사용자의 목소리 파형을 등록하고, 목소리 파형 및 주파수 패턴 분석을 통해 등록된 목소리의 파형 및 주파수 패턴이 유사한 사용자 목소리에 한해 접속을 허가하는 프로그램이다.

도 23a는 등록자(registrant), 허가받은 자(authorized user) 및 거부된 자(denied user)가 “nano membrane”이라는 단어를 말했을 때 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치에서 측정된 주파수별 데시벨(dB)을 도시한 도면이다.

등록자, 허가받은 자 및 거부된 자로부터 입력된 소리의 파형에 대해 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 수행하였다.

도 23b는 등록자, 1명의 남성 및 2명의 여성이 “hello”라는 단어를 말했을 때 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치에서 측정된 주파수별 데시벨(dB)을 도시한 도면이다.

도 23b를 참조하면, 등록자, 1명의 남성 및 2명의 여성 총 4명으로부터 추출한 소리의 파형에 대해 고속 푸리에 변환을 10번씩 반복 수행하였다.

측정된 주파수별 데시벨의 피크(peak)가 사람들마다 다르게 측정되어, 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치의 음성 측정 및 분류 성능을 실험적으로 확인하였다.

도 24는 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치와 상업용 마이크로폰 장치를 비교 시험한 결과를 도시한 도면이다.

도 24를 참조하면, 등록자가 단어를 말한 후, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치(NM microphone)와 시중에서 판매되는 상업용 마이크로폰 장치(Commercial microphone, 40PH G.R.A.S.)에 녹음된 음성을 분석하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치와 상업용 마이크로폰 장치에서 녹음된 음성을 고속 푸리에 변환하여 주파수별 데시벨을 비교한 결과 매우 유사하게 측정되었다.

비록 본 명세서에서의 설명은 예시적인 몇 가지 양상으로 나타났지만, 다양한 수정이나 변경이 후술되는 특허청구범위에 의해 정의되는 범주로부터 이루어질 수 있으며, 본 발명의 기술적인 보호범위는 다음의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims

금속 나노와이어들을 포함하는 나노 멤브레인에 있어서,
상기 금속 나노와이어들의 직경에 기반하여 기설정된 두께로, 내부에 상기 금속 나노와이어들이 포함되도록 형성된 절연층; 및
교차 배열되고, 옆면의 일부가 상기 절연층의 일면에서 돌출된 금속 나노와이어들을 포함하는,
나노 멤브레인.
제1항에 있어서,
상기 금속 나노와이어들은,
길이방향이 제1 방향으로 배열된 금속 나노와이어들 위에, 길이 방향이 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 배열된 금속 나노와이어들이 포개어진,
나노 멤브레인.
제1항에 있어서,
상기 금속 나노와이어들은,
네트워크 구조로 상호간에 연결된(connected),
나노 멤브레인,
기판(substrate)상에 희생층(sacrificial layer)을 형성하는 단계;
상기 형성된 희생층상에 금속 나노와이어들을 코팅하는 단계;
상기 금속 나노와이어들이 코팅된 희생층상에 고분자 코팅 원료를 증착시켜 절연층을 형성하는 단계; 및
상기 희생층을 제거하는 단계를 포함하는,
나노 멤브레인 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 금속 나노와이어들을 코팅하는 단계는,
길이방향이 제1 방향을 향하도록 금속 나노와이어들을 코팅하는 단계; 및
상기 금속 나노와이어들이 코팅된 희생층상에, 길이방향이 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향을 향하도록 나머지 금속 나노와이어들을 코팅하는 단계를 포함하는,
나노 멤브레인 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 절연층을 형성하는 단계는,
상기 금속 나노와이어들의 직경에 기반하여 기설정된 두께로, 상기 금속 나노와이어들이 포함되도록 상기 고분자 코팅 원료를 증착시키는 단계를 포함하는,
나노 멤브레인 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 금속 와이어들은,
옆면의 일부가 상기 절연층의 일면에서 돌출되도록 상기 절연층의 내부에 포함된,
나노 멤브레인 제조 방법.
제4항에 있어서,
상기 희생층을 제거하는 단계는,
상기 희생층이 용해되는 용액을 이용하여, 상기 희생층을 식각(etching)하는 단계를 포함하는,
나노 멤브레인 제조 방법.
제1항의 나노 멤브레인; 및
상기 나노 멤브레인에 교류 전압을 인가하는 전압부를 포함하는,
나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치.
제9항에 있어서,
상기 전압부는,
상기 교류 전압의 주파수를 설정된 주기마다 변경하고, 상기 변경된 주파수의 교류 전압을 상기 나노 멤브레인에 인가하는,
나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치.
제9항에 있어서,
입력된 소리 신호의 시간별 주파수를 측정하는 주파수 측정부를 더 포함하고,
상기 전압부는,
상기 측정된 주파수에 대응되도록 상기 교류 전압의 주파수를 변경하고, 상기 변경된 주파수의 교류 전압을 상기 나노 멤브레인에 인가하는,
나노 멤브레인을 이용한 스피커 장치.
제1항의 나노 멤브레인;
상기 나노 멤브레인의 윗면에 결합된 제1 고분자 필름; 및
상기 나노 멤브레인의 아랫면에 결합된 제2 고분자 필름을 포함하는,
나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치.
제12항에 있어서,
상기 제1 고분자 필름은,
평평한(flat) 형상으로, 평면을 관통하는 홀을 포함하는,
나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치.
제12항에 있어서,
상기 제2 고분자 필름은,
표면상에 규칙적으로 배열된 복수의 뿔들을 포함하고,
상기 뿔들의 꼭짓점들은 상기 나노 멤브레인의 아랫면에 접촉하는,
나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치.
제12항에 있어서,
상기 제2 고분자 필름은,
표면상에 규칙적으로 배열된 복수의 마이크로돔(Microdome)들을 포함하고,
상기 마이크로돔들은 상기 나노 멤브레인의 아랫면에 접촉하는,
나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치.
제12항에 있어서,
상기 제2 고분자 필름은,
표면상에 규칙적으로 배열된 복수의 마이크로필러(Micropillar)들을 포함하고,
상기 마이크로필러들은 상기 나노 멤브레인의 아랫면에 접촉하는,
나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치.
제12항에 있어서,
상기 마이크로폰 장치에 소리 압력이 가해질 때, 상기 나노 멤브레인의 진동에 의해 발생하는 마찰 전기 출력 전압 및 상기 마찰 전기 출력 전압의 주파수를 측정하는 측정부를 포함하는,
나노 멤브레인을 이용한 마이크로폰 장치.