KR20190122090A - 압전 소자, 이 소자를 포함하는 압전 액츄에이터, 및 이 액츄에이터를 포함하는 압전 모듈 - Google Patents

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김갑영
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Abstract

실시예에 의한 압전 소자는 압전부, 상기 압전부 내에서 교대로 소정 간격으로 이격되어 적층되는 복수의 제 1전극 및 복수의 제 2전극 및 상기 압전부의 측면에 배치되어 상기 복수의 제 1전극에 연결되는 제 1 외측 전극과 상기 복수의 제 2전극에 연결되는 제 2 외측 전극을 포함하고, 상기 복수의 제 1전극 및 상기 복수의 제 2 전극 사이에 형성되는 복수의 이격 간격 중 하나의 이격 간격은 다른 하나의 이격 간격과 다를 수 있다.

Description

압전 소자, 이 소자를 포함하는 압전 액츄에이터, 및 이 액츄에이터를 포함하는 압전 모듈{Piezoelectric device, piezoelectric actuator including the device, and piezoelectric module including the actuator}
실시 예는 압전 소자, 이 소자를 포함하는 압전 액츄에이터, 및 이 엑츄에이터를 포함하는 압전 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 압전 소자는 전기적 에너지와 기계적 에너지를 서로 간에 변화시킬 수 있는 특성을 지닌 소자를 말한다.
압전 스피커는 이러한 압전 소자의 기계적 움직임을 진동판에 의해 음향적으로 변환시켜서 원하는 주파수 대역의 음향을 발생시키는 음향 부품의 대표적인 제품이다. 이때 압전 소자는 압전 세라믹에 가해지는 힘에 의해 전압이 발생하고, 그 힘의 세기에 따라 발생되는 전압의 양이 달라진다.
특히, 최근의 모바일 기기는 방수나 방진 목적은 물론 디자인의 자유도를 위해서도 외부로 드러나는 스피커 홀을 삭제하는 경향이 두드러져 압전 스피커의 수요가 증가하고 있는 실정이다. 예를 들어, 이러한 압전 스피커는 스마트폰이나 스마트 태블릿과 같은 모바일 기기의 디스플레이 하부에 배치되어 디스플레이 패널 자체를 진동시켜 음향을 출력하도록 한다.
일반적으로 특성이 좋은 압전 스피커는 높은 출력이 구현되고, 주파수별 음압이 높으며 평탄한 형태를 가지면서 넓은 음역을 가지는 것을 의미한다. 그러나, 기존의 압전 소자의 경우, 20Khz 이하의 주파수 영역에서는 공진 변위가 발생하기 어렵기 때문에 저음을 출력하기 어려운 문제점을 갖는다.
실시 예는 낮은 공진 주파수를 갖되 소모 전력과 발열량이 낮은 압전 소자, 이 소자를 포함하는 압전 액츄에이터, 및 이 엑츄에이터를 포함하는 압전 모듈을 제공한다.
일 실시예에 따른 압전소자는 압전부; 상기 압전부의 두께 방향으로 이격되되 교번순으로 배치되는 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극; 및 상기 압전부의 서로 대면하는 두 측면에 각각 배치되는 제1 외측전극과 제2 외측전극을 포함하되, 상기 교번순으로 배치되는 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극 중 서로 대면하는 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격은, 상기 압전부의 두께 방향의 센터로 가면서 변화할 수 있다.
예를 들어, 상기 압전부는 상기 서로 대면하는 제1 전극과 제2 전극에 의해 정의되는 복수의 분극부를 포함하고, 상기 복수의 분극부의 분극 방향은 상기 서로 대면하는 제1 전극과 제2 전극에 의해 인가되는 전기장의 방향과 일치할 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 분극부 각각의 분극 방향은 상기 두께 방향으로 서로 인접한 분극부와 반대 방향일 수 있다.
예를 들어, 상기 복수의 제1 전극은 상기 압전부의 상기 두 측면 중 일측면에 노출되어 상기 제1 외측 전극과 전기적으로 연결되고, 상기 복수의 제2 전극은 상기 일측면과 대향하는 타측면에 노출되어 상기 제2 외측 전극과 전기적으로 연결될 수 있다.
예를 들어, 상기 서로 대면하는 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격은, 상기 압전부의 두께 방향의 상측에서 하측으로 가면서 증가할 수 있다.
예를 들어, 상기 압전부의 두께 방향의 상측에서 하측으로 가면서 증가하는 상기 서로 인접하여 대면하는 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격의 증가폭은 8% 내지 15%일 수 있다.
예를 들어, 상기 압전부는 5개 이상의 상기 분극부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 압전부는 상기 제1 외측 전극 및 상기 제2 외측 전극을 통해 전원이 인가될 때 굴곡 모드로 진동하되, 10kHz 이하의 영역에 적어도 하나의 공진 주파수를 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 압전 액츄에이터는, 상기 압전 소자 위에 배치된 디스플레이부; 상기 압전 소자와 상기 디스플레이부 사이에 배치된 접착층; 및 상기 디스플레이부 위에 배치된 커버 부재를 포함하고, 상기 압전 소자는 압전부; 상기 압전부의 두께 방향으로 이격되되 교번순으로 배치되는 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극; 및 상기 압전부의 서로 대면하는 두 측면에 각각 배치되는 제1 외측전극과 제2 외측전극을 포함하되, 상기 교번순으로 배치되는 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극 중 서로 대면하는 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격은, 상기 압전부의 두께 방향의 센터로 가면서 변화할 수 있다.
일 실시예에 따른 압전 모듈은, 압전 액츄에이터; 및 상기 압전 액츄에이터를 구동하는 구동 제어부를 포함하고, 상기 압전 액츄에이터는 압전 소자; 상기 압전 소자 위에 배치된 디스플레이부; 상기 압전 소자와 상기 디스플레이부 사이에 배치된 접착층; 및 상기 디스플레이부 위에 배치된 커버 부재를 포함하고, 상기 압전 소자는 판 형상을 갖는 압전부; 상기 압전부의 두께 방향으로 이격되되 교번순으로 배치되는 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극; 및 상기 압전부의 서로 대면하는 두 측면에 각각 배치되는 제1 외측전극과 제2 외측전극을 포함하되, 상기 교번순으로 배치되는 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극 중 서로 대면하는 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격은 상기 압전부의 두께 방향의 센터로 가면서 변화할 수 있다.
실시 예에 따른 압전 소자, 이 소자를 포함하는 압전 액츄에이터, 및 이 엑츄에이터를 포함하는 압전 모듈은 낮은 주파수에서 공진 변위가 발생하여 저음 출력이 탁월하며, 압전 레이어 간의 간격 증대로 인해 전극간 정전용량이 감소하여 낮은 소모 전력과 발열량을 갖는다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 압전체의 분극 방향과 전압(또는 전기장) 방향에 따른 변형 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 진동 모드별 공진 주파수 대역 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 의한 압전 소자의 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 압전 소자의 외관 사시도의 일례를 나타낸다.
도 5는 도 3의 ‘A’ 부분을 확대한 단면도이다.
도 6은 실시예에 따른 압전 소자의 제조 공정을 나타내는 순서도이다.
도 7은 실시예에 따른 공정 사시도의 일례를 나타낸다.
도 8은 비교례에 따른 압전 소자의 단면도를 나타낸다.
도 9는 실시예에 따른 압전 소자와 비교례에 따른 압전 소자의 공진 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 다른 실시예에 의한 압전 소자의 단면도를 나타내고, 도 11은 도 10에 도시된 압전 소자의 외관 사시도의 일례를 나타낸다.
도 12는 비교례에 따른 압전 소자의 단면도를 나타내고, 도 13은 다른 실시예에 따른 압전 소자와 비교례에 따른 압전 소자의 변위 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 또 다른 실시예에 의한 압전 소자의 단면도를 나타내고, 도 15는 도 14에 도시된 압전 소자의 외관 사시도의 일례를 나타낸다.
도 16은 실시예에 따른 압전소자의 종폭과 횡폭의 비율에 따른 변위차를 나타내는 그래프이다.
도 17은 일 실시 예에 의한 압전 엑츄에이터의 단면도를 나타낸다.
도 18은 다른 실시 예에 의한 압전 엑츄에이터의 단면도를 나타낸다.
도 19는 일 실시 예에 의한 압전 모듈의 사시도를 나타낸다.
도 20은 스피커 역할을 하는 압전 소자의 실시 예에 의한 구동 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 21은 수신기 역할을 하는 압전 소자의 실시 예에 의한 구동 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 22는 실시 예에 의한 제1 음향신호의 왜곡 보상 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 23a는 기존의 휴대 전화의 외관 사시도를 개략적으로 나타내고, 도 23b는 실시 예에 의한 휴대 전화의 외관 사시도를 나타낸다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서 이용될 수도 있다.
이하, 실시 예에 의한 압전 소자(1000A, 1000B, 1000C), 이 소자(1000A, 1000B, 1000C)를 포함하는 압전 액츄에이터(2000A 내지 2000C), 및 이 엑츄에이터를 포함하는 압전 모듈(3000)을 데카르트 좌표계를 이용하여 설명하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 데카르트 좌표계에 의하면, x축, y축 및 z축은 서로 직교하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, x축, y축, z축은 직교하는 대신에 서로 교차할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 실시 예에 따른 압전 소자, 이 소자를 포함하는 압전 액츄에이터, 및 이 엑츄에이터를 포함하는 압전 모듈을 설명하기 앞서, 공진 타입 압전 액츄에이터의 구동 방식과 진동 모드별 주파수 특성을 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 압전체의 분극 방향과 전압(또는 전기장) 방향에 따른 변형 형태를 설명하기 위한 도면이며, 도 2는 진동 모드별 공진 주파수 대역 특성을 설명하기 위한 도면이다.
공진 타입의 압전 액츄에이터는 압전체에 교류 전계를 인가하여 고유 진동수와 유사한 팽창과 수축을 반복하는 주기적인 진동을 발생시키는 방법으로 구동된다. 예를 들어, 도 1의 좌측에 도시된 바와 같이 압전체(10)의 분극 방향이 화살표 방향으로 표시될 때, 분극 방향과 전압 방향이 일치할 경우 압전체(10)는 수직방향으로 팽창하며, 평면 방향으로는 수축한다. 반대로, 도 1의 우측에 도시된 바와 같이 압전체(10)의 분극 방향과 전압 방향이 반대일 경우 압전체(10)는 평면 방향으로 팽창하며, 수직 방향으로는 수축한다.
다음으로, 도 2를 참조하면, 압전체의 공진 모드는, 굴곡(flextural) 모드, 길이(length) 모드, 면 팽창(Area expansion) 모드, 두께 전단(Thickness shear) 모드, 두께 팽창(Thickness expansion) 모드, 표면 음향파(Surface Acoustic Wave) 모드 및 BGS(Bleustein-Gulyaev-Shimizu)/SH(shear horizontal) 파(wave) 모드 등 7가지로 구분될 수 있다. 7 종의 서로 다른 공진 모드는 각각에 대응되는 공진 주파수 대역을 갖는다. 결국, 표 2에 의하면 굴곡 모드만이 10kHz 이하의 낮은 공진 주파수를 가짐을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에서는 압전체가 굴곡 모드로 진동하도록 하여, 우수한 저음 출력 특성을 갖는 압전 소자, 이 소자를 포함하는 압전 액츄에이터, 및 이 엑츄에이터를 포함하는 압전 모듈이 제안된다.
도 3은 일 실시예에 의한 압전 소자(1000A)의 단면도를 나타내고, 도 4는 도 3에 도시된 압전 소자(1000A)의 외관 사시도의 일례를 나타낸다. 또한, 도 5는 도 3의 ‘A’ 부분을 확대한 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 일 실시 예에 의한 압전 소자(1000A)는 압전부(100A), 제1 전극부(PE1), 제2 전극부(NE1) 및 외측 전극부(OE11, OE12)를 포함할 수 있다.
실시 예에 의한 압전 소자(1000A)는 전기적 신호를 음향 신호로 변환하는 일종의 스피커로서 동작할 수 있다. 또한, 실시 예에 의한 압전 소자(1000A)는 음향 신호를 전기적 신호로 변환하는 일종의 수신기(receiver)(또는, 마이크)로서 동작할 수도 있다.
압전부(100A)는 Z축 방향으로 높이(또는, 두께)(Z1), 횡폭(Y1) 및 종폭 (X1)을 갖는 판 형상일 수 있으나, 실시 예는 압전부(100A)의 특정한 형상에 국한되지 않는다. 여기서, 횡폭(Y1) 및 종폭(X1)은 적어도 높이(Z1)보다 클 수 있다.
압전부(100A)는 세라믹계 압전 물질을 포함할 수 있다. 세라믹계 압전 물질은 단결정일 수도 있고, 다결정일 수도 있다. 예를 들어, 단결정 세라믹계 압전 물질은 PZN-PT[Pb(Zn2/3Nb1/3)O3-PbTiO3] 또는 PMN-PT [Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3] 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는, 다결정 세라믹계 압전 물질은 Pb계 또는 non-Pb계 기본 조성을 포함할 수 있다. 예를 들어, Pb계 기본 조성을 갖는 다결정 세라믹계 압전 물질은 Pb(Zr, Ti)O3 또는 PZT(Pb Zirconate Titanate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는, non-Pb계 기본 조성을 갖는 다결정 세라믹계 압전 물질은 K0.5Na0.5NbO3 또는 KNN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그러나, 압전부(100A)의 재질은 세라믹계 압전 물질에 국한되지 않는다. 즉, 적층이 가능하고, 제1 전극부(PE1), 제2 전극부(NE1) 및 외측 전극부(OE11, OE12)를 증착, 인쇄 또는 부착시킬 수 있다면, 압전부(100A)의 재질은 특정한 종류의 압전 물질에 국한되지 않는다. 예를 들어, 제1 전극부(PE1), 제2 전극부(NE1) 및 외측 전극부(OE11, OE12) 중 적어도 하나는 스크린 프린팅(screen printing) 기법으로 인쇄되어 형성될 수 있다.
다른 실시 예에 의하면, 압전부(100A)의 재질은 폴리머계 압전 물질일 수도 있다.
한편, 제1 전극부(PE1) 및 제2 전극부(NE1)는 압전부(100A)의 내부 또는 외부에서 두께 방향(예를 들어, Z축 방향)으로 적어도 일부가 서로 중첩되되, 두께 방향으로 서로 이격되며, X-Y 평면을 따라 나란히 배치될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 제1 전극부(PE1) 및 제2 전극부(NE1) 각각은 다수의 평판형 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극부(PE1)는 압전부(100A)의 상면에 배치되는 제1-1 전극(PE11), 압전부(100A) 내부에 배치되는 제1-2 전극(PE12), 제1-3 전극(PE13), 제1-4 전극(PE14) 및 압전부(100A) 저면에 배치되는 제1-5 전극(PE15)을 포함할 수 있다. 따라서, 적어도 제1-1 전극(PE11)의 상면 및 제1-5 전극(PE15)의 저면은 압전부(100A)의 외부로 노출되고, 제1-2 전극(PE12), 제1-3 전극(PE13) 및 제1-4 전극(PE14)은 압전부(100A) 내부에 배치되는 것으로 볼 수 있다. 물론, 실시예에 따라 제1-2 전극(PE12), 제1-3 전극(PE13) 및 제1-4 전극(PE14)의 적어도 일부는 압전부(100A)의 측면에 노출될 수도 있다. 또한, 다른 실시예의 의하면, 제1-1 전극(PE11) 및 제1-5 전극(PE15) 중 적어도 하나는 생략될 수도 있다.
아울러, 도 5에 도시된 바와 같이 압전부(100A)의 최외곽에 배치되는 전극, 예를 들어, 제1-1 전극(PE11)의 저면은 압전부(100A)의 상면보다 낮을 수 있다. 즉, 제1-1 전극(PE11)의 적어도 일부는 압전부(100A)에 매립된 형태를 가질 수 있다. 물론, 다른 실시예에 의하면 제1-1 전극(PE11)의 저면은 압전부(100A)의 상면과 나란할 수도 있다. 이를 통해 제1-1 전극(PE11)와 압전부(100A)의 밀착력을 향상시킬 수 있어 압전소자(1000A)의 신뢰성을 향상 시킬 수 있다.
제2 전극부(NE1)는 압전부(100A) 내부에 배치되는 제2-1 전극(NE11), 제2-2 전극(NE12), 제2-3 전극(NE13) 및 제2-4 전극(NE14)을 포함할 수 있다. 이때, 제2 전극부(NE1)의 각 전극은 제1 전극부(PE1)의 각 전극과 압전부(100A)의 두께 방향(예를 들어, Z축)으로 서로 이격되어 상호 교호적으로 반복하여 배치될 수 있다.
외측 전극부(OE11, OE12)는 제1 외측 전극(OE11)과 제2 외측 전극(OE12)을 포함할 수 있다. 제1 외측 전극(OE11)은 압전부(100A)의 일 측면에 배치되고, 제2 외측 전극(OE12)은 제1 외측 전극(OE11)이 배치된 일측면과 대향하는 타측면에 배치될 수 있다. 여기서, 압전부(100A)의 측면이란, 도 3에서 높이(Z1)와 종폭(X1)에 의해 정의되는 면을 의미할 수 있다.
제1 외측 전극(OE11)은 압전부(100A)의 일측면에 노출된 제1 전극부(PE1)의 평판형 전극들의 일단과 전기적으로 연결되며, 제2 외측 전극(OE12)은 압전부(100A)의 타측면에 노출된 제2 전극부(NE1)의 평판형 전극들의 일단과 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 제1 전극부(PE1)의 평판형 전극들은 Y축 방향으로 압전부(100A)의 타측면과 이격되고, 제2 전극부(NE1)의 평판형 전극들은 압전부(100A)의 일측면과 이격된다. 이를 통해 후술될 구동 제어부(2500) 와 효율적으로 신호 전달을 할 수 있다.
또한, 제1 전극부(PE1)와 제1 외측 전극(OE11)은 양(+)의 전극이고 제2 전극부(NE1)와 제2 외측 전극(OE12)은 음(-) 또는 그라운드 전극일 수 있다. 또는, 제1 전극부(PE1)와 제1 외측 전극(OE11)은 음(-) 또는 그라운드 전극이고, 제2 전극부(NE1)와 제2 외측 전극(OE12)은 양(+)의 전극일 수 있다.
압전부(100A)는 복수의 분극부(또는 분극된 압전체 레이어)를 포함할 수 있다. 각각의 분극부는 제1 전극부(PE1)와 제2 전극부(NE1) 중 서로 인접하여 대면하는 전극을 통해 정의될 수 있다. 예를 들어, 압전부(100A) 중 제1-1 전극(PE11)과 제2-1 전극(NE11) 사이에 위치하는 부분을 하나의 분극부로 볼 수 있다. 다른 예로, 압전부(100A) 중 제2-1 전극(NE11)과 제1-2 전극(PE12) 사이에 위치하는 부분도 하나의 분극부로 볼 수 있다. 따라서, 압전부(100A)는 동일한 평면 형상(예를 들어, 사각형 평면 형상)을 갖는 판상형의 복수의 분극부가 두께 방향으로 적층된 것으로 볼 수 있으며, 도 3의 경우에는 총 8개의 분극부가 존재하는 것으로 볼 수 있다.
압전부(100A)는 분극부 단위로 두께 방향(예를 들어, Z축 방향)으로 분극될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 분극 방향은 두께 방향을 따라 교호적으로 변경될 수 있다. 이때, 각 분극부의 분극 방향은 해당 분극부의 상하에 배치된 전극에 걸리는 전기장의 방향과 동일한 방향일 수 있다.
아울러, 제1 전극부(PE1) 및 제2 전극부(NE1) 중 서로 인접하여 대면하는 두 전극 사이의 두께 방향 이격 거리(즉, 각 분극부의 두께)는 압전부(100A)의 두께 방향을 따라 센터로 가면서 변화할 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4에 도시된 압전 소자(1000A)에서 서로 인접한 두 전극 사이의 거리(T1 내지 T8)는 두께 방향을 따라 일 방향으로 갈수록 점차 증가할 수 있다. 이는 복수의 분극부 각각의 두께가 수직 방향을 따라 일 방향으로 갈수록 커짐을 의미할 수 있다. 이를 통해 각 분극부의 팽창/수축 율이 달라 짐으로 인해 굴곡 모드를 형성 할 수 있다.
이때, 서로 인접한 분극부 간의 두께 변동폭은 1% 내지 50%일 수 있다. 그런데, 두께 변동폭이 너무 크면 압전부(100A)의 전체적 변위가 감소하며, 두께 변동폭이 너무 작으면 압전부(100A)에서 굴곡 모드에 해당하는 진동이 약해진다. 따라서, 두께 변동폭은 15% 내지 25%일 수 있으며, 보다 바람직하게는 8% 내지 15%일 수 있다. 예를 들어, 도 3에서 각 전극간 거리(T1 내지 T8)는 아래 표 1과 같이 설정될 수 있다.
구분 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8
두께(um) 36 40 44 50 55 61 67 74
표 1에서는 매 분극부마다 두께가 변동하는 경우를 나타내나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 분극층의 두께 관계는 “T1=T2<T3=T4<T5…” 등과 같이 두 개(또는 N개, N>1인 자연수)의 서로 인접한 분극층이 동일한 두께를 갖는 등의 규칙성을 가질 수도 있고, 불규칙한 패턴으로 증가할 수도 있다.
전술한 바와 같이 두께 방향을 따라 전극간 간격(또는 분극부의 두께)이 변화함으로 인해, 압전소자(1000A)에 전원이 인가될 때 굴곡 모드 동작이 보장될 수 있다. 예를 들어, 도 3과 같은 구조에서 표 1과 같은 분극부 두께 변동을 갖는다고 가정하면, 분극 방향과 전기장의 방향이 동일한 바, 도 1의 좌측과 같은 압전부(100A) 변형이 발생한다. 이때, 압전부(100A)의 상측에 위치하는 분극부는 하측에 위치하는 분극부보다 상대적으로 두께가 작기 때문에, 변형의 폭이 작다. 따라서, 압전부(100A)의 하측이 상측보다 평면 방향으로의 수축이 커지기 때문에 평면 상에서 압전부(100A)의 중심은 상대적으로 올라가고, 가장자리는 상대적으로 내려가는 형태로 압전부(100A)에 굴곡이 발생하게 된다.
충분한 음향 출력을 위해, 압전부(100A)의 두께는 40um보다는 큰 것이 바람직하다. 이는 실시예에 따른 압전소자(1000A)가 디스플레이 하부에 배치됨을 가정할 때, 일반적으로 약 500um 두께를 갖는 디스플레이 패널에 충분한 변위를 만들기 위함이다. 또한, 압전부(100A)는 두께 방향으로 5 개 이상의 분극부를 포함하는 것이 바람직하다. 이는 후술할 제조 과정에서 하나의 분극부에 해당하는 압전 박막의 두께가 10um 이하로는 제조되기 어렵기 때문이다.
한편, 도시되지는 아니하였으나, 실시예에 따른 압전 소자(1000A)는 최외곽의 적어도 일부에 각 전극부 및 압전부(100A)의 손상을 방지하기 위한 보호부(passivation layer)를 더 포함할 수도 있다. 보호부는 전기적 절연성과 방수성이 우수한 재질로 구현될 수 있다. 아울러, 보호부는 접착력이 높고, 기계적 변형률이 낮은 재질로 구현될 수 있다. 예를 들어, 보호부는 Urethane, Epoxy, Silicone 또는 Acryl 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 보호부는 2 MPa 내지 300 MPa의 탄성율(modulus)과, 5MPa 내지 45 MPa의 접착력과, 30 내지 70의 경도와, 20 ㎛ 내지 70 ㎛의 두께(t1) 및 1x109Ω 이상의 절연률을 가질 수 있다. 전술한 보호부(400)가 배치됨으로써, 큰 폭으로 진동하는 압전 소자(1000A)의 외측 전극(OE11, OE12)의 깨지거나 들뜨는 현상이 방지될 수 있고, 외부로부터 각 전극부(PE1, NE1)를 완전히 절연시킴으로써, 압전부(100A)의 휨 강도(bending strength)를 보강할 수 있다.
게다가, 추후에 설명되는 바와 같이, 외측 전극(OE11, OE12)이 배선(2610, 2620)을 통해 구동 제어부(2500)와 연결될 때, 외측 전극(OE11, OE12)과 배선(2610, 2620)이 접합되는 접합부(예를 들어, 솔더링(soldering)부)를 보호부로 감싸도록 배치함으로써, 접합부의 부착력을 보강할 수도 있다.
이하, 도 3 내지 도 5에 도시된 압전 소자(1000A)의 제조 방법을 첨부된 도 6 내지 도 7을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 그러나, 도 3 내지 도 5에 도시된 압전 소자(1000A)는 도 6 내지 도 7과 다른 방법으로 제조될 수도 있다.
도 6은 실시예에 따른 압전 소자(1000A)의 제조 공정(600)을 나타내는 순서도이고, 도 7은 실시예에 따른 공정 사시도의 일례를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 먼저 파우더 형태의 압전 물질이 솔벤트와 혼합될 수 있다(610).
혼합의 결과물은 슬러리(slurry) 형태를 가질 수 있으며, 이러한 결과물로 롤러 압출 등의 방식을 통해 압전 박막이 제조될 수 있다(620). 여기서, 한 층의 압전 박막이 후술할 분극 과정을 거치면 하나의 분극부에 해당할 수 있으며, 압전 박막의 두께는 압출시 롤러간의 간격 조절을 통해 제어될 수 있다.
서로 다른 두께를 갖는 압전 박막이 준비되면, 압전 박막과 전극이 교번순으로 적층될 수 있다(630). 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이 하나의 압전 박막(PF1) 위에 제2 전극부(NE1)를 구성하는 하나의 전극(예를 들어, NE14)이 생성될 수 있다. 전극(NE14)이 생성된 후 다시 그(NE14) 위에 압전 박막(PF2)이 적층되며, 그(PF2) 위에 다시 제1 전극부(PE1)를 구성하는 하나의 전극(예를 들어, PE14)이 생성될 수 있다.
압전 박막과 전극의 교번순 적층이 완료되면, 건조 소성을 통해 솔벤트가 휘발되면서 인접한 압전 박막끼리 접촉하는 면의 경계가 사라지며, 이를 통해 압전부(100A)의 형태가 고정될 수 있다(640).
이후 압전부(100A)의 서로 대면하는 두 측면에 외측 전극이 각각 부착될 수 있으며, 외측 전극에 전압을 인가하여 압전부(100A)가 분극부 단위로 분극될 수 있다(S650). 예를 들어, 분극 과정은 압전부(100A)를 구성하는 압전 물질의 큐리 온도의 약 1/3에 해당하는 온도에서 전극간 두께 방향 이격거리를 기준으로 1 내지 2.5kV/mm에 해당하는 전압을 15분 내지 1시간 동안 인가하는 형태로 수행될 수 있다.
이하에서는 도 8 내지 도 9를 참조하여, 실시예에 따른 압전소자(1000A)의 효과를 비교례와의 비교를 통해 설명한다.
도 8은 비교례에 따른 압전 소자(1000A’)의 단면도를 나타내고, 도 9는 실시예에 따른 압전 소자(1000A)와 비교례에 따른 압전 소자(1000A’)의 공진 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 비교례에 따른 압전 소자(1000A’)는 도 3에 도시된 실시예에 따른 압전 소자(1000A)와 실질적으로 동일한 크기를 갖는 것으로 가정한다. 다만, 실시예에 따른 압전 소자(1000A)는 두께 방향을 따라 인접한 두 전극 간의 거리가 변동하나, 비교례에 따른 압전 소자(1000A’)에서는 두께 방향을 따라 인접한 두 전극 간의 거리가 동일한 것(즉, 복수의 분극부의 두께가 균일)으로 가정한다.
예를 들어, 서로 인접한 두 전극 간의 거리(T’)가 모두 36um이라 가정하고, 압전부(100A’)의 전체 높이가 약 430um(즉, 표 1의 T1 내지 T8의 합과 유사)이라 가정하면, 비교례에 따른 압전 소자(1000A)는 총 12개의 분극부를 갖게 된다. 따라서, 제1 전극부(PE1’)와 제2 전극부(NE1’)를 구성하는 각 전극의 개수도 증가한다. 이러한 경우, 수직 방향으로 분극부의 두께 차이가 없기 때문에 각 전극에 전원이 인가되는 경우, 압전부(100A’)의 진동은 굴곡 모드 형태가 되기 어려우며, 압전부(100A’)의 종폭과 횡폭 중 큰 폭에 대한 길이 모드(Length mode) 형태로 나타난다.
상술한 가정 하에서, 실시예에 따른 압전소자(1000A)와 비교례에 따른 압전 소자(1000A’)에 동일한 전압을 인가한 경우, 공진 특성이 도 9에 도시된다. 도 9에서는 두 개의 그래프가 도시되되, 공통적으로 가로축은 주파수를, 세로축은 어드미턴스(즉, 임피던스의 역수)를 각각 나타낸다.
먼저, 비교례에 해당하는 상단 그래프를 참조하면, 10kHz 이하에서는 공진 주파수가 나타나지 않으며, 압전부(100A’)의 종폭과 횡폭 중 장변의 길이를 40 내지 50mm라 가정할 때, 20 내지 30kHz 영역에서 길이 모드 공진이 최초로 발생할 것으로 예측될 수 있다. 이는 장변을 L이라 하고, f를 공진 주파수라 가정할 때, “L= λf”를 만족하되, λ는 2L에 해당하기 때문이다.
비교례와 달리, 실시예에 해당하는 하단 그래프를 참조하면, 680Hz 영역에서 공진 변위가 발생하고, 4.9kHz 영역에서 또 다른 공진 변위가 발생함을 알 수 있다. 이러한 어드미턴스 변화는 비교례에서와 같이 압전부(100A)의 장변 길이가 40 내지 50mm라고 가정할 경우, 각각 1.12mm와 0.32mm의 공진 변위에 해당한다.
따라서, 실시예에 따른 압전소자(1000A)는 10kHz 이하에서 복수의 공진 주파수를 갖게 되므로, 저음 영역에서 굴곡 모드 진동이 발생하여 저음 출력 성능이 뛰어남을 알 수 있다.
뿐만 아니라, 동일한 크기의 압전체를 구성할 경우, 실시예의 경우 비교례보다 더 적은 수의 분극부, 즉, 더 적은 수의 전극을 가지므로 제조시 공정 효율이 향상될 수 있다.
아울러, 실시예에서는 두께 방향으로 전극간 거리가 점진적으로 변경됨에 따라 상대적으로 전극간 거리가 비교례보다 커지게 된다. 정전 용량은 전극간 간격에 반비례하는 바, 이는 실시예에 따른 각 분극부의 정전 용량이 비교례 대비 감소함을 의미한다. 결국, 인가되는 교류 전원이 동일할 때, 전체 소자에 흐르는 전류는 정전 용량에 비례하는 바(즉, IPeak = 2π x f x C x VPeak), 실시예의 경우 비교례보다 전류값이 낮아진다. 그런데, 전류값이 낮아짐은 소비 전력(즉, PAvg = π/4 x f x C x Vpp^2)이 낮아짐을 의미하며, 이는 곧 발열량(즉, PHeat = PAvg x tanδ)도 낮음을 의미한다. 따라서, 실시예에 따른 압전 소자(1000A)는 비교례 대비 낮은 소모 전력과 낮은 발열량을 갖는 바, 높은 에너지 효율과 우수한 발열 특성 또한 가짐을 알 수 있다.
전술된 일 실시예에서는 압전부의 두께 방향을 따라 전극간 거리가 점진적으로 변경되었다. 이와 달리, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 압전부의 두께 방향의 센터에서 외측으로 갈수록 전극간 거리가 점진적으로 변경될 수 있다. 또한, 센터를 기준으로 두께 방향으로 일측은 압전부의 분극방향과 전기장의 방향이 일치하며, 타측은 압전부의 분극방향과 전기장의 방향이 반대일 수 있다.
이를 도 10 및 도 11을 참조하여 설명한다.
도 10은 다른 실시예에 의한 압전 소자(1000B)의 단면도를 나타내고, 도 11은 도 10에 도시된 압전 소자(1000B)의 외관 사시도의 일례를 나타낸다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 다른 실시 예에 의한 압전 소자(1000B)는 압전부(100B), 제1 전극부(PE2), 제2 전극부(NE2) 및 외측 전극부(OE21, OE22)를 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 의한 압전 소자(1000B) 또한 전기적 신호를 음향 신호로 변환하는 일종의 스피커로서 동작할 수 있다. 아울러, 다른 실시 예에 의한 압전 소자(1000B)는 음향 신호를 전기적 신호로 변환하는 일종의 수신기(receiver)(또는, 마이크)로서 동작할 수도 있다.
압전부(100B)는 Z축 방향으로 높이(또는, 두께)(Z2), 횡폭(Y2) 및 종폭 (X2)을 갖는 판 형상일 수 있으나, 실시 예는 압전부(100B)의 특정한 형상에 국한되지 않는다. 여기서, 횡폭(Y2) 및 종폭(X2)은 적어도 높이(Z2)보다 클 수 있다.
압전부(100B)의 재질은 전술한 일 실시예에 따른 압전부(100A)의 구성과 같으므로 중복되는 기재는 생략하기로 한다.
제1 전극부(PE2) 및 제2 전극부(NE2)는 압전부(100B)의 내부 또는 외부에서 두께 방향(예를 들어, Z축 방향)으로 적어도 일부가 서로 중첩되되, 두께 방향으로 서로 이격되며, X-Y 평면을 따라 나란히 배치될 수 있다.
일 실시 예에 의하면, 제1 전극부(PE2) 및 제2 전극부(NE2) 각각은 다수의 평판형 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극부(PE2)는 압전부(100B)의 상면에 배치되는 제1-1 전극(PE21), 압전부(100B) 내부에 배치되는 제1-2 전극(PE22), 제1-3 전극(PE23), 제1-4 전극(PE24), 제1-5 전극(PE25) 및 압전부(100B) 저면에 배치되는 제1-6 전극(PE26)을 포함할 수 있다. 따라서, 적어도 제1-1 전극(PE21)의 상면 및 제1-6 전극(PE26)의 저면은 압전부(100B)의 외부로 노출되고, 제1-2 전극(PE22), 제1-3 전극(PE23), 제1-4 전극(PE24) 및 제1-5 전극(PE25)은 압전부(100B) 내부에 배치되는 것으로 볼 수 있다. 물론, 실시예에 따라 제1-2 전극(PE22), 제1-3 전극(PE23), 제1-4 전극(PE24) 및 제1-5 전극(PE25)의 적어도 일부는 압전부(100B)의 측면에 노출될 수도 있다. 또한, 다른 실시예의 의하면, 제1-1 전극(PE21) 및 제1-6 전극(PE26) 중 적어도 하나는 생략될 수도 있다.
아울러, 도 5에 도시된 바와 유사하게, 본 발명의 다른 실시예에서도 압전부(100B)의 최외곽에 배치되는 전극, 예를 들어, 제1-1 전극(PE21)의 저면은 압전부(100B)의 상면보다 낮을 수 있다. 즉, 제1-1 전극(PE21)의 적어도 일부는 압전부(100B)에 매립된 형태를 가질 수 있다. 물론, 다른 실시예에 의하면 제1-1 전극(PE21)의 저면은 압전부(100B)의 상면과 나란할 수도 있다.
제2 전극부(NE1)는 압전부(100B) 내부에 배치되는 제2-1 전극(NE21), 제2-2 전극(NE22), 제2-3 전극(NE23) 및 제2-4 전극(NE24)을 포함할 수 있다. 이때, 제2 전극부(NE1)의 각 전극은 제1 전극부(PE2)의 각 전극과 압전부(100B)의 두께 방향(예를 들어, Z축)으로 서로 이격되어 상호 교호적으로 반복하여 배치될 수 있다. 다만, 후술되는 분극부(DL)의 상하로는 제1 전극부(PE2) 및 제2 전극부(NE2) 중 어느 하나에 해당하는 두 전극만이(예를 들어, 도 10에서는 제1-3 전극(PE23) 및 제1-4 전극(PE24)) 배치된다.
외측 전극부(OE21, OE22)는 제1 외측 전극(OE1)과 제2 외측 전극(OE2)을 포함할 수 있다. 제1 외측 전극(OE11)은 압전부(100A)의 일 측면에 배치되고, 제2 외측 전극(OE22)은 제1 외측 전극(OE21)이 배치된 일측면과 대향하는 타측면에 배치될 수 있다. 여기서, 압전부(100B)의 측면이란, 도 11에서 높이(Z2)와 종폭(X2)에 의해 정의되는 면을 의미할 수 있다.
제1 외측 전극(OE21)은 압전부(100B)의 일측면에 노출된 제1 전극부(PE2)의 평판형 전극들의 일단과 전기적으로 연결되며, 제2 외측 전극(OE22)은 압전부(100B)의 타측면에 노출된 제2 전극부(NE2)의 평판형 전극들의 일단과 전기적으로 연결된다. 이를 위해, 제1 전극부(PE2)의 평판형 전극들은 Y축 방향으로 압전부(100B)의 타측면과 이격되고, 제2 전극부(NE2)의 평판형 전극들은 압전부(100B)의 일측면과 이격된다.
또한, 제1 전극부(PE2)와 제1 외측 전극(OE21)은 양(+)의 전극이고 제2 전극부(NE2)와 제2 외측 전극(OE22)은 음(-) 또는 그라운드 전극일 수 있다. 또는, 제1 전극부(PE2)와 제1 외측 전극(OE21)은 음(-) 또는 그라운드 전극이고, 제2 전극부(NE2)와 제2 외측 전극(OE22)은 양(+)의 전극일 수 있다.
압전부(100B)는 하나의 더미부(DL)와 복수의 분극부(또는 분극된 압전체 레이어)를 포함할 수 있다.
여기서, 더미부(DL)는 압전부(100B)의 두께 방향의 센터에 위치할 수 있으며, 제1 전극부(PE2) 및 제2 전극부(NE2) 중 어느 하나에 해당하되 서로 인접하여 대면하는 두 전극을 통해 정의될 수 있다. 예컨대, 압전부(100B) 중 제1-3 전극(PE23)과 제1-4 전극(PE24) 사이에 위치하는 부분이 더미부(DL)에 해당한다. 더미부(DL)는 분극부와 달리 동일한 극성을 갖는 두 전극 사이에 위치하므로 전기장이 걸리지 않을 수 있으며, 분극도 되지 않은 상태일 수 있다. 또한, 더미부의 수직 방향(예를 들어, Z축)으로의 두께(T15)는 복수의 분극부 각각의 두께(T11 내지 T14 및 T16 내지 T19)보다 클 수 있다.
각각의 분극부는 제1 전극부(PE2)와 제2 전극부(NE2) 중 서로 인접하여 대면하는 전극을 통해 정의될 수 있다. 예를 들어, 압전부(100B) 중 제1-1 전극(PE21)과 제2-1 전극(NE21) 사이에 위치하는 부분을 하나의 분극부로 볼 수 있다. 다른 예로, 압전부(100B) 중 제2-1 전극(NE21)과 제1-2 전극(PE22) 사이에 위치하는 부분도 하나의 분극부로 볼 수 있다. 따라서, 압전부(100B)는 동일한 평면 형상(예를 들어, 사각형 평면 형상)을 갖는 판상형의 복수의 분극부가 두께 방향으로 적층된 것으로 볼 수 있으며, 도 10의 경우에는 총 8개의 분극부가 존재하는 것으로 볼 수 있다.
복수의 분극부 각각은 분극부 단위로 두께 방향(예를 들어, Z축 방향)으로 분극될 수 있으며, 도 10에 도시된 바와 같이 분극 방향은 두께 방향을 따라 더미부(DL)에서부터 두께방향을 따라 교번순으로 변경될 수 있다. 이때, 각 분극부의 분극 방향은 해당 분극부의 상하에 배치된 전극에 걸리는 전기장의 방향과 동일한 방향이거나 반대 방향일 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 더미부(DL)를 기준으로 두께 방향의 상측에 위치하는 분극부들은 전기장의 방향과 분극 방향이 일치하나, 더미부(DL)를 기준으로 두께 방향의 하측에 위치하는 분극부들은 전기장의 방향과 분극 방향이 반대일 수 있다.
아울러, 제1 전극부(PE1) 및 제2 전극부(NE1) 중 서로 인접하여 대면하는 두 전극 사이의 두께 방향 이격 거리(즉, 각 분극부의 두께)는 압전부(100B)의 두께 방향을 따라 센터에서 상측 또는 하측으로 가면서 변화할 수 있다. 예를 들어, 도 10 및 도 11에 도시된 압전 소자(1000B)에서 압전부(100B)의 두께 방향을 따라 센터에서 상측으로 갈수록 서로 인접한 두 전극 사이의 거리(T11 내지 T14)는 점차 감소할 수 있다. 이는 복수의 분극부 각각의 두께가 센터에서 상측으로 갈수록 작아짐을 의미할 수 있다.
또한, 압전 소자(1000B)에서 압전부(100B)의 두께 방향을 따라 센터에서 하측으로 갈수록 서로 인접한 두 전극 사이의 거리(T16 내지 T19)는 점차 감소할 수 있다. 이는 복수의 분극부 각각의 두께가 센터에서 하측으로 갈수록 작아짐을 의미할 수 있다.
이때, 서로 인접한 분극부 간의 두께 변동폭은 1% 내지 50%일 수 있다. 그런데, 두께 변동폭이 너무 크면 압전부(100B)의 전체적 변위가 감소하며, 두께 변동폭이 너무 작으면 압전부(100B)에서 굴곡 모드에 해당하는 진동이 약해진다. 따라서, 두께 변동폭은 15% 내지 25%일 수 있으며, 보다 바람직하게는 8% 내지 15%일 수 있다. 예를 들어, 도 10에서 각 전극간 거리(T11 내지 T19)는 아래 표 2와 같이 설정될 수 있다.
구분 T11 T12 T13 T14 T15 T16 T17 T18 T19
두께(um) 36 41 47 54 62 54 47 41 36
표 2에서는 매 분극부마다 두께가 변동하는 경우를 나타내나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 분극층의 두께 관계는 “T11=T12<T13=T14<T15…” 등과 같이 두 개(또는 N개, N>1인 자연수)의 서로 인접한 분극층이 동일한 두께를 갖는 등의 규칙성을 가질 수도 있고, 불규칙한 패턴으로 두께 방향의 센터를 향해 증가할 수도 있다.
두께 방향을 따라 전극간 간격(또는 분극부의 두께)이 변화함과 함께, 더미부(DL)를 기준으로 분극 방향의 반전으로 인해, 압전소자(1000B)에 전원이 인가될 때 굴곡 모드 동작이 보장될 수 있다. 예를 들어, 도 10과 같은 구조에서 표 2과 같은 분극부 두께 변동을 갖는다고 가정하면, 더미부(DL)를 기준으로 압전부(100B)의 상측에 위치하는 분극부는 분극 방향과 전기장의 방향이 동일한 바, 도 1의 좌측과 같은 압전부(100B) 변형이 발생한다. 또한, 더미부(DL)를 기준으로 압전부(100B)의 하측에 위치하는 분극부는 분극 방향과 전기장의 방향이 반대인 바, 도 1의 우측과 같은 압전부(100B) 변형이 발생한다.
따라서, 더미부(DL)를 기준으로 압전부(100B)의 상측에 위치하는 분극부는 평면 방향에서 수축이 발생하고, 더미부(DL)를 기준으로 압전부(100B)의 하측에 위치하는 분극부는 평면 방향에서 팽창이 발생한다. 이에 더하며, 각 분극부의 두께가 상이하기 때문에 일 실시예에 따른 압전부(100A)의 변형 원리가 더해지게 된다. 결국, 압전부(100B)의 하측이 상측보다 평면 방향으로의 팽창이 커지기 때문에 평면 상에서 압전부(100B)의 중심은 상대적으로 내려가고, 가장자리는 상대적으로 올라가는 형태로 압전부(100B)에 굴곡이 발생하게 된다.
충분한 음향 출력을 위해, 압전부(100B)의 두께는 40um보다는 큰 것이 바람직하다. 이는 실시예에 따른 압전소자(1000B)가 디스플레이 하부에 배치됨을 가정할 때, 일반적으로 약 500um 두께를 갖는 디스플레이 패널에 충분한 변위를 만들기 위함이다. 또한, 압전부(100B)는 두께 방향으로 5 개 이상의 분극부를 포함하는 것이 바람직하다. 이는 후술할 제조 과정에서 하나의 분극부에 해당하는 압전 박막의 두께가 10um 이하로는 제조되기 어렵기 때문이다.
한편, 도시되지는 아니하였으나, 실시예에 따른 압전 소자(1000B)는 최외곽의 적어도 일부에 각 전극부 및 압전부(100B)의 손상을 방지하기 위한 보호부(passivation layer)를 더 포함할 수도 있다. 보호부는 특성과 재질은 일 실시예에 따른 압전 소자(1000A)에서 기술된 바와 같으므로 중복되는 기재는 생략하기로 한다.
아울러, 제조 방법에 있어서도 도 6 내지 도 7을 참조하여 전술된 바와 유사하므로 중복되는 기재를 생략하기로 한다.
이하에서는 도 12 및 도 13을 참조하여, 실시예에 따른 압전소자(1000B)의 효과를 비교례와의 비교를 통해 설명한다.
도 12는 비교례에 따른 압전 소자(1000B’)의 단면도를 나타내고, 도 13은 다른 실시예에 따른 압전 소자(1000B)와 비교례에 따른 압전 소자(1000B’)의 변위 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 비교례에 따른 압전 소자(1000B’)는 도 10에 도시된 실시예에 따른 압전 소자(1000B)와 실질적으로 동일한 크기를 갖는 것으로 가정한다. 다만, 실시예에 따른 압전 소자(1000B)는 두께 방향을 따라 인접한 두 전극 간의 거리가 변동하나, 비교례에 따른 압전 소자(1000B’)에서는 두께 방향을 따라 인접한 두 전극 간의 거리가 동일한 것(즉, 복수의 분극부의 두께가 균일)으로 가정한다.
예를 들어, 서로 인접한 두 전극 간의 거리(T”)가 모두 36um이라 가정하고, 압전부(100B’)의 전체 높이가 약 430um(즉, 표 1의 T11 내지 T19의 합과 유사)이라 가정하면, 비교례에 따른 압전 소자(1000B)는 총 11개의 분극부와 하나의 더미부(DL')를 갖게 된다. 따라서, 제1 전극부(PE2’)와 제2 전극부(NE2’)를 구성하는 각 전극의 개수도 증가한다. 이러한 경우, 각 전극에 전원이 인가되는 경우 비록 더미부(DL’)를 기준으로 두께 방향의 상측과 하측에 위치하는 각 분극부의 팽창 형태가 상이하더라도 수직 방향으로 분극부의 두께 차이가 없기 때문에, 도 10에 도시된 압전 소자(1000B)보다 적은 변위를 가지게 된다.
상술한 가정 하에서, 실시예에 따른 압전소자(1000B)와 비교례에 따른 압전 소자(1000B’)에 동일한 전압을 인가한 경우, 변위 특성이 도 13에 도시된다.
도 13에는 두 개의 그래프가 도시되며, 공통적으로 가로축은 하모닉 크기(harmonic magnitude)를, 세로축은 Z축 방향(즉, 두께 방향)의 변위를 각각 나타낸다. 또한, 도 13에서 상단 그래프(제2 비교례)는 도 12에 도시된 비교례에 따른 압전소자(1000B’)의 변위를 나타내고, 하단 그래프(제2 실시예)는 도 10에 도시된 다른 실시예에 따른 압전소자(1000B)의 변위를 각각 나타낸다.
도 13을 참조하면, 비교례에 따른 상단 그래프에서는 최대 변위가 약 0.00259로 나타나고, 다른 실시예에 따른 하단 그래프에서는 최대 변위가 약 0.00574로, 실시예에 따른 압전소자(1000B)는 비교례(1000B’) 대비 약 2배의 변위를 가짐을 알 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 압전소자(1000B)는 동일 구동 전압을 인가할 때 보다 큰 음향 출력 성능을 가짐을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 동일한 크기의 압전체를 구성할 경우, 실시예의 경우 비교례보다 더 적은 수의 분극부, 즉, 더 적은 수의 전극을 가지므로 제조시 공정 효율이 향상될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 전술한 다른 실시예에 의한 압전소자(1000B)와 유사한 구조를 갖되, 보다 많은 외측 전극이 배치될 수 있다.
이를 도 14 및 도 15를 참조하여 설명한다.
도 14는 또 다른 실시예에 의한 압전 소자(1000C)의 단면도를 나타내고, 도 15는 도 14에 도시된 압전 소자(1000C)의 외관 사시도의 일례를 나타낸다.
도 14 및 도 15의 구성에서, 또 다른 실시 예에 의한 압전 소자(1000C)는 압전부(100C), 제1 전극부(PE3), 제2 전극부(NE3) 및 외측 전극부(OE31, OE32, OE33, OE34)를 포함하되, 외측 전극부(OE31, OE32, OE33, OE34)를 제외한 구성은 도 10 및 도 11을 참조하여 전술한 바와 같으므로, 중복되는 기재는 생략하고 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
제1 전극부(PE3) 및 제2 전극부(NE3)는 압전부(100C)의 내부 또는 외부에서 두께 방향(예를 들어, Z축 방향)으로 적어도 일부가 서로 중첩되되, 두께 방향으로 서로 이격되며, X-Y 평면을 따라 나란히 배치될 수 있다.
본 실시예에 의하면, 외측 전극부(OE31, OE32, OE33, OE34)는 제1 외측 전극(OE31, OE33)과 제2 외측 전극(OE32, OE34)을 포함할 수 있다. 제1 외측 전극(OE31, OE33)은 압전부(100A)의 일 측면에 배치되고, 제2 외측 전극(OE32, OE34)은 제1 외측 전극(OE21)이 배치된 일측면과 대향하는 타측면에 배치될 수 있다. 여기서, 압전부(100C)의 측면이란, 도 15에서 높이(Z3)와 종폭(X3)에 의해 정의되는 면을 의미할 수 있다.
또한, 제1 외측 전극(OE31, OE33)은 제1-1 외측 전극(OE31)과 제1-2 외측 전극(OE32)을 포함할 수 있으며, 제2 외측 전극(OE32, OE34)은 제2-1 외측 전극(OE32)과 제2-2 외측 전극(OE34)을 포함할 수 있다. 여기서 제1-1 외측 전극(OE31)과 제1-2 외측 전극(OE32)은 서로 절연될 수 있다. 예를 들어, 제1-1 외측 전극(OE31)과 제1-2 외측 전극(OE32)은 서로 접촉하지 않도록 더미부(DL)의 일 측면에서 두께 방향으로 이격될 수 있다. 또한, 제2-1 외측 전극(OE32)과 제2-2 외측 전극(OE34)은 서로 절연될 수 있다. 예를 들어, 제2-1 외측 전극(OE32)과 제2-2 외측 전극(OE34)은 서로 접촉하지 않도록 더미부(DL)의 타 측면에서 두께 방향으로 이격될 수 있다. 따라서, 제1-1 외측 전극(OE31)은 제1 전극(PE3) 중 제1-1 전극(PE31), 제1-2 전극(PE32) 및 제1-3 전극(PE33)과 전기적으로 연결되고, 제1-2 외측 전극(OE33)은 제1 전극(PE3) 중 제1-4 전극(PE34), 제1-5 전극(PE35) 및 제1-6 전극(PE36)과 전기적으로 연결된다. 또한, 제2-1 외측 전극(OE32)은 제2 전극(NE3) 중 제2-1 전극(NE31)과 제2-2 전극(NE32)과 전기적으로 연결되고, 제2-2 외측 전극(OE34)은 제2-3 전극(NE33)과 제2-4 전극(NE34)과 전기적으로 연결된다.
한편, 두께 방향을 따라 제1-1 외측 전극(OE31)과 제2-1 외측 전극(OE32)은 더미부(DL)의 상측에 배치된 전극들(PE31, PE32, PE33, NE31, NE32)과 연결되고, 제1-2 외측 전극(OE33)과 제2-2 외측 전극(OE34)은 더미부(DL)의 하측에 배치된 전극들(PE34, PE35, PE36, NE33, NE34)과 연결된다. 따라서, 두께 방향을 따라 더미부(DL)의 상측에 배치된 전극들(PE31, PE32, PE33, NE31, NE32)을 “제1 군 전극”이라 칭하고, 더미부(DL)의 하측에 배치된 전극들(PE34, PE35, PE36, NE33, NE34)을 “제2 군 전극”이라 칭할 수 있다. 이러한 경우, 제1 군 전극의 최하부 전극(PE33)은 제2 군 전극의 최상부 전극(PE34)과 더미부(DL)를 사이에 두고 대면하는 것으로 볼 수 있다. 물론, 이러한 전극의 분류(즉, 제1 군 전극 및 제2 군 전극)는 도 10 및 도 11에 도시된 압전소자(1000B)에도 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이 네 개의 외측 전극이 배치될 경우의 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 따른 압전소자(1000C)의 구동시에는 제1 외측 전극(OE31, OE33)과 제2 외측 전극(OE32, OE34)은 서로 다른 극성의 전원이 인가된다. 예를 들어, 제1-1 외측 전극(OE31)과 제1-2 외측 전극(OE32)은 양의 전극이며, 제2-1 외측 전극(OE32)과 제2-2 외측 전극(OE34)은 음의 전극일 수 있다. 그러나, 도 6을 참조하여 전술한 분극 과정(650)에서는 두께 방향으로 더미부(DL)를 기준으로 전기장의 방향과 분극 방향이 반전된다. 따라서, 제1 군 전극들(PE31, PE32, PE33, NE31, NE32)에 연결된 외측 전극(OE31, OE32)은 분극 과정(650)과 구동 상황에서의 극성이 동일하나, 제2 군 전극들(PE34, PE35, PE36, NE33, NE34)에 연결된 외측 전극(OE33, OE34)은 분극 과정(650)과 구동 상황에서의 극성이 반대이다. 다시 말해, 제1-1 외측 전극(OE31)은 분극 과정(650)과 구동 상황 모두에서 양의 전극이 되며, 제2-1 외측 전극(OE32)는 분극 과정(650)과 구동 상황 모두에서 음의 전극이 된다. 그러나, 제1-2 외측 전극(OE33)은 분극 과정(650)에서는 음의 전극이 되고, 구동 상황에서는 양의 전극이 된다. 또한, 제2-2 외측 전극(OE34)은 분극 과정(650)에서는 양의 전극이 되고, 구동 상황에서는 음의 전극이 된다.
결국, 본 실시예와 같이 네 개 또는 그 이상의 외측 전극이 준비되는 경우, 분극 과정과 구동 상황 모두에서 각 외측 전극에 연결되는 전원의 극성만 바뀌면 되므로, 분극 과정과 구동 상황에서 별도의 외측 전극이 추가로 배치되거나 제거될 필요가 없으므로 공정 효율이 향상될 수 있다.
상술한 본 발명의 또 다른 실시예에서, 외측 전극은 4개인 것으로 기술되었으나, 이는 예시적인 것으로 개별 전극과의 전기적 연결 관계를 달리하여 이보다 많은 외측 전극이 구비될 수도 있다.
한편, 도시되지는 아니하였으나, 본 실시예에 따른 압전 소자(1000C)는 최외곽의 적어도 일부에 각 전극부 및 압전부(100C)의 손상을 방지하기 위한 보호부(passivation layer)를 더 포함할 수도 있다. 보호부는 특성과 재질은 일 실시예에 따른 압전 소자(1000A)에서 기술된 바와 같으므로 중복되는 기재는 생략하기로 한다.
아울러, 제조 방법에 있어서도 도 6 내지 도 7을 참조하여 전술된 바와 유사하므로 중복되는 기재를 생략하기로 한다.
지금까지의 설명에서는 수직 방향으로의 전극간 간격 및 분극부의 두께 변화에 따른 효과를 중심으로 기재되었다. 이하에서는 압전소자(1000A, 1000B, 1000C)의 외형, 즉, 종폭(예를 들어, 도 11의 X2)과 횡폭(예를 들어, 도 11의 Y2)의 비율 변화에 따른 효과를 설명한다.
실시예에 의한 압전소자(예컨대, 1000B)의 종폭(X2)과 횡폭(Y2)을 상대적인 길이에 따라 각각 단축(X)과 장축(Y)이라 가정할 때, 단축(X)과 장축(Y)의 길이 차이가 적을수록 우수한 변위 특성을 보인다. 예를 들어, 동일한 전원을 압전소자(1000B)에 인가할 때 변위의 크기는 X:Y가 1:3인 경우보다 5:7인 경우가 크며, X:Y가 5:7인 경우보다 1:1인 경우가 크게 나타난다. 이를 도 16을 참조하여 설명한다.
도 16은 실시예에 따른 압전소자의 종폭과 횡폭의 비율에 따른 변위차를 나타내는 그래프이다.
도 16에는 두 개의 그래프가 도시되며, 공통적으로 가로축은 하모닉 크기(harmonic magnitude)를, 세로축은 Z축 방향(즉, 두께 방향)의 변위를 각각 나타낸다. 또한, 도 10에서 상단 그래프는 X:Y 비율이 5:7인 경우를, 하단 그래프는 X:Y 비율이 1:1인 경우를 각각 나타낸다. 도 10을 참조하면, 상단 그래프에서는 최대 변위가 약 0.0045로 나타나고, 하단 그래프에서는 최대 변위가 약 0.007로, X:Y 비율이 1:1인 경우가 5:7인 경우 대비 50% 이상 큰 변위를 나타냄을 알 수 있다.
실시 예에서와 같이, 압전 소자(1000A, 1000B, 1000C)의 진동력이 높을 경우, 압전 소자(1000A, 1000B, 1000C)는 스피커나 수신기 이외에 햅틱(haptic) 기능을 제공할 수 있으며, 근접 센서에도 적용될 수 있다.
이하, 전술한 실시 예에 의한 압전 소자(1000A, 1000B, 1000C)를 포함하는 압전 엑츄에이터의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 17은 일 실시 예에 의한 압전 엑츄에이터(2000A)의 단면도를 나타낸다.
도 17에 도시된 압전 엑츄에이터(2000A)는 커버 부재(1100), 디스플레이부(1200A), 접착층(1300) 및 압전 소자(1400)를 포함할 수 있다.
디스플레이부(1200A)는 커버 부재(1100)의 아래에 배치될 수 있다.
커버 부재(1100)는 리지드(rigid)하거나 또는 플렉서블(flexible)할 수 있다. 바람직하게는, 커버 부재(1100)는 휘어지거나(bending) 접힐 수 있도록(foldable) 플렉서블할 수 있다.
예를 들어, 커버 부재(1100)는 플라스틱이나 글래스(glass)를 포함할 수 있다. 자세하게, 커버 부재(1100)는 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 프로필렌 글리콜(propylene glycol, PPG), 폴리 카보네이트(PC) 등의 강화 혹은 연성 플라스틱을 포함하거나 사파이어를 포함할 수 있다.
또한, 커버 부재(1100)는 광등방성 필름을 포함할 수 있다. 일례로, 커버 부재(1100)는 COC(Cyclic Olefin Copolymer), COP(Cyclic Olefin Polymer), 광등방 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 또는 광등방 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등을 포함할 수 있다.
디스플레이부(1200A)는 유기전계발광표시(OLED) 패널 기판일 수 있다. 이 경우, 디스플레이부(1200A)는 별도의 광원이 필요하지 않은 자발광 소자를 포함한다.
접착층(1300)은 디스플레이부(1200A)와 압전 소자(1400) 사이에 배치되어, 이들(1200A, 1400)을 접착시키는 역할을 한다. 예를 들어, 접착층(1300)은 광학용 투명 접착제일 수 있으나, 실시 예는 접착층(1300)의 특정한 재질에 국한되지 않는다.
일 실시 예에 의하면, 압전 소자(1400)는 전술한 실시 예에 의한 압전 소자(1000A, 1000B, 1000C)에 해당할 수 있다. 즉, 압전 소자(1400)는 후술되는 구동 제어부(2500)로부터 펄스를 제공받아, 압전부(100A, 100B, 100C)를 진동시킴으로써 생성한 음향 신호를 전달하는 일종의 스피커의 역할을 수행할 수 있다.
또 다른 실시 예에 의하면, 압전 소자(1400)는 복수의 압전 소자(1000A, 1000B, 1000C)를 포함할 수도 있다.
도 18은 다른 실시 예에 의한 압전 엑츄에이터(2000B)의 단면도를 나타낸다.
도 18에 도시된 압전 엑츄에이터(2000B)는 커버 부재(1100), 디스플레이부(1200B), 접착층(1300), 압전 소자(1400) 및 백 플레이트(back plate)(1500)를 포함할 수 있다.
도 18에 도시된 커버 부재(1100), 접착층(1300) 및 압전 소자(1400)는 도 17에 도시된 커버 부재(1100), 접착층(1300) 및 압전 소자(1400)에 각각 해당하므로, 동일한 참조부호를 사용하였으며, 중복되는 설명을 생략한다.
디스플레이부(1200B)는 커버 부재(1100)의 아래에 배치될 수 있으며, 박막트랜지스터(TFT:Thin Film Transistor)를 포함할 수 있다.
백 플레이트(1500)는 접착층(1300)과 디스플레이부(1200B) 사이에 배치되어 디스플레이부(1200B)를 보호하는 역할을 수행한다.
도 17 및 도 18에서, 압전 소자(1400)가 진동할 때, 압전 소자(1400)의 상부에 배치된 디스플레이부(1200A, 1200B)도 진동한다. 이때, 디스플레이부(1200A, 1200B)의 화소가 진동에 의해 깨질 수도 있다. 그러나, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 접착층(1300)이 디스플레이부(1200A, 1200B)와 압전 소자(1400) 사이에 배치될 경우, 디스플레이부(1200A, 1200B)의 화소가 진동에 의해 깨질 염려가 해소될 수 있다.
압전소자(1400)와 마주보는 디스플레이부(1200A, 1200B)의 하면은 압전소자(1400)의 진동력을 전달받아 진동한다. 하면이 수축과 팽창을 반복하면서 소리를 발생시킬 수 있으며, 이때 디스플레이부(1200A, 1200B)는 평판형 스피커의 진동판 역할을 할 수 있다. 또한, 디스플레이부(1200A, 1200B)에 발생하는 파형은 굴곡파 형태일 수 있다. 구체적으로 단일의 압전소자(1400)를 디스플레이 영역에 대하여 상하 및/또는 좌우 비대칭 배치하거나, 복수 개의 압전소자(1400)를 사용하는 등의 방법을 통하여 분산 모드(distributed mode)의 스피커를 구현할 수 있다. 분산 모드는 낮은 지향성 및 넓은 주파수 특성을 가지고 있으나, 진동력이 낮은 경향이 있다.
실시 예의 압전소자(1400)를 적용하면 진동력을 증가시킬 수 있으며, 공진 주파수도 낮출 수 있어, 가청 주파수 대역에서 원활한 출력을 가지는 분산 모드의 평판형 스피커를 구현할 수 있다.
이하, 전술한 실시 예에 의한 압전 액츄에이터를 포함하는 압전 모듈의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 19는 일 실시 예에 의한 압전 모듈(3000)의 사시도를 나타낸다.
도 19에 도시된 압전 모듈(3000)은 압전 액츄에이터, 구동 제어부(2500) 및 배선(2610, 2620)을 포함할 수 있다.
압전 액츄에이터는 도 17 내지 도 18에 예시된 압전 액츄에이터(2000A 내지 2000B)에 해당할 수 있다. 설명의 편의상, 도 19에서 압전 액츄에이터에서 압전 소자 이외의 구성 요소들은 생략되었다.
도 19에 도시된 압전 소자는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 압전부(100A) 및 외측 전극(OE11, OE12)을 포함할 수 있다. 구동 제어부(2500)는 압전 액츄에이터를 구동시키는 역할을 한다. 특히, 구동 제어부(2500)는 배선(2610, 2620)을 통해 압전 소자와 연결되어, 압전 소자를 구동시키는 역할을 한다. 배선은 구동 제어부(2500)와 제1 외측 전극(OE11)을 전기적으로 연결하는 제1 배선(2610)과, 구동 제어부(2500)와 제2 외측 전극(OE12)을 전기적으로 연결하는 제2 배선(2620)을 포함할 수 있다.
구동 제어부(2500)는 FPCB(Flexible Printed Circuit Board) 등의 기판(미도시)에 연결될 수 있다. FPCB는 구동 제어부(2500)로부터 외부 전극(300)으로 인가될 펄스를 구동 제어부(2500)로 제공할 수도 있고, 구동 제어부(2500)로부터 제공되는 제2 음향신호에 해당하는 전기적 신호를 제공받을 수도 있다.
구동 제어부(2500)가 압전 액츄에이터의 압전 소자를 구동시키는 동작에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 20은 스피커 역할을 하는 압전 소자의 실시 예에 의한 구동 방법(3100)을 설명하기 위한 플로우차트이다.
먼저, 압전 소자가 스피커의 역할을 할 경우, 구동 제어부(2500)는 압전 소자를 다음과 같이 구동시킨다.
구동 제어부(2500)는 압전부(100)를 진동시키기 위해 적합한 레벨을 갖는 구동 펄스를 외부 전극(300)을 통해 내부 전극(200)으로 인가한다(제3102 단계). 예를 들어, 펄스 신호가 전압 형태일 경우, 양(+)의 전압을 제1 외측 전극(OE11)을 통해 제1 전극부(PE1)로 인가하고, 음(-)의 전압을 제2 외측 전극(OE12)을 통해 제2 전극부(NE1)로 인가할 수 있다. 물론, 전압 방향이 반대로 인가될 수도 있다.
제1 전극부(PE1) 및 제2 전극부(NE1)에 양 및 음의 전압을 각각 인가되면, 압전부(100)가 굴곡 모드로 진동한다(제3104 단계).
이때, 압전부(100)가 진동하고, 이러한 진동이 압전 소자(100)의 횡폭(W)과 종폭(L)에 의해 정의되는 일면을 통해 압전 액츄에이터의 디스플레이부(1200A, 1200B)로 전달되면, 가진 점에서 디스플레이부(1200A, 1200B)가 진동함으로 음향신호가 전달될 수 있다(제3106 단계). 여기서, 가진 점이란, 압전 액츄에이터가 배치되는 지점을 의미한다.
도 21은 수신기 역할을 하는 압전 소자의 실시 예에 의한 구동 방법(3200)을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 19에 도시된 압전 소자가 수신기의 역할을 할 경우, 구동 제어부(2500)는 압전 소자를 다음과 같이 구동시킨다.
외부로부터 제2 음향신호가 압전부(100)로 전달될 경우, 압전부(100)는 진동한다(제3202 단계).
이러한 진동은 각 전극을 통해 전기적 신호 형태로 변환되어 구동 제어부(2500)로 전달된다(제3204 단계).
구동 제어부(2500)는 진동에 상응하여 생성된 전기적 신호를 이용하여 음향 신호를 감지한다(제3206 단계).
도 20 및 도 21에서 설명된 바와 같이, 압전 소자는 전기적 신호를 제1 음향 신호로 변환할 수도 있고, 제2 음향신호를 전기적 신호로 변환할 수도 있다.
한편, 압전부(100)의 진동에 의해 제1 음향신호가 전달되고 있는 동안, 전달되는 제1 음향 신호가 외부의 조건 변화에 의해 왜곡될 수 있다. 예를 들어, 제1 음향신호가 전달되고 있는 동안 사용자가 디스플레이부(2100A, 2100B)를 터치할 경우, 전달되는 제1 음향 신호에 왜곡이 야기될 수 있다.
이하, 압전 모듈에서 제1 음향신호의 왜곡을 보상하는 실시 예에 의한 왜곡 보상 방법을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 22는 실시 예에 의한 제1 음향신호의 왜곡 보상 방법(3300)을 설명하기 위한 플로우차트이다.
구동 제어부(2500)는 제1 음향신호를 전달하는 디스플레이부의 패널(이하, '디스플레이 패널'이라 함)의 변위에 변화가 있는가를 검사한다(제3302 단계).
만일, 디스플레이 패널의 변위 변화가 있을 경우, 변위 변화량을 구한다(제3304 단계).
이후, 변위 변화량을 보상하도록, 인가 펄스 즉, 전기적 신호의 레벨을 조정하고, 조정된 레벨을 갖는 펄스를 배선(2610, 2620)과 외측 전극(OE11, OE12)을 통해 제1 전극 및 제2 전극(PE1, NE1)으로 공급한다(제3306 단계). 따라서, 제1 음향 신호의 왜곡이 보상될 수 있다.
전술한 실시 예에 의한 압전 모듈은 스피커 또는 수신기 중 적어도 하나를 갖는 다양한 기기에 응용될 수 있다. 예를 들어, 실시 예에 의한 압전 모듈은 모바일 전화, 멀티미디어 인터넷 휴대 전화, 무선 장치, 스마트 폰, 블루투스 장치, 휴대 정보 단말기(PDA), 휴대용 컴퓨터, 넷북(netbook), 노트북, 스마트북, 테블릿(tablets), 자동차용 디스플레이 장치(주행계 및 속도계 포함), 조종석 제어 장치나 디스플레이 장치 등의 전자 기기에 포함될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
도 23a는 기존의 휴대 전화(4000A)의 외관 사시도를 개략적으로 나타내고, 도 23b는 실시 예에 의한 휴대 전화(4000B)의 외관 사시도를 나타낸다.
도 23a에 도시된 기존의 휴대 전화(4000A)는 제1 음향신호를 전달하기 위한 스피커(4100)와 제2 음향 신호를 외부로부터 전달받기 위한 수신기(4200)를 갖는다. 따라서, 기존의 휴대 전화(4000A)는 스피커(4100)와 수신기(4200)를 위한 홀을 마련해야 한다. 특히, 수신기(4200)가 베젤에 배치될 경우, 휴대 전화(4000A)는 베젤을 반드시 요구하는 등, 설계의 자유도가 제한되는 문제점이 있다.
반면에, 실시 예에 의한 휴대 전화(4000B)는 압전 소자(1000)를 이용하여 제1 음향신호(4300)를 전달하거나, 제2 음향신호(4300)를 전달받을 수 있으므로, 도 23a에 도시된 스피커(4100)나 수신기(4200)를 위한 홀이 필요없게 된다. 따라서, 베젤의 폭을 줄여 휴대 전화(4000B)의 디스플레이 면의 거의 전체를 디스플레이 표시 영역이 차지할 수 있도록 구현하는 등 기존보다 설계의 자유도가 높으면서 고출력의 스피커를 구현할 수 있다.
특히 휴대 전화(4000B)의 경우, 내부 공간이 협소하다. 홀을 제거하는 경우, 디스플레이부를 진동판으로 사용해야 하며, 진동소자 또한 얇은 형태로 부착되어야 하며, 따라서 평판형태의 압전 소자가 필요하다. 기존 홀에 사용되던 스피커의 진동판과, 진동판의 역할을 하는 디스플레이의 강성, 탄성 또는 질량 등 중 적어도 하나가 상이하며, 디스플레이는 기존 진동판에 비해 상대적으로 진동을 발생시키기 위해서는 더 많은 진동력이 필요하다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10, 1000A, 1000B, 1000C, 1400: 압전 소자
100A, 100B, 100C: 압전부 1100: 커버 부재
1200A, 1200B: 디스플레이부 1300: 접착층
1500: 백 플레이트 1600: 진동판
1700: 고정판 2000A, 2000B: 압전 액츄에이터
2500: 구동 제어부 2610, 2620: 배선
3000: 압전 모듈 4000A, 4000B: 휴대 전화
4100: 스피커 4200: 수신기

Claims (11)

  1. 압전부;
    상기 압전부 내에서 교대로 소정 간격으로 이격되어 적층되는 복수의 제 1전극 및 복수의 제 2전극; 및
    상기 압전부의 측면에 배치되어 상기 복수의 제 1전극에 연결되는 제 1 외측 전극과 상기 복수의 제 2전극에 연결되는 제 2 외측 전극을 포함하고,
    상기 복수의 제 1전극 및 상기 복수의 제 2 전극 사이에 형성되는 복수의 이격 간격 중 하나의 이격 간격은 다른 하나의 이격 간격과 다른, 압전 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 이격 간격은 상기 압전부의 두께 방향의 센터로 가면서 변화하는, 압전 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 압전부는,
    서로 인접하는 제1 전극과 제2 전극에 의해 정의되는 복수의 분극부를 포함하고,
    상기 복수의 분극부의 분극 방향은,
    상기 서로 인접하는 제1 전극과 제2 전극에 의해 인가되는 전기장의 방향과 일치하는, 압전 소자.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 분극부 각각의 분극 방향은,
    상기 두께 방향으로 서로 인접한 분극부와 반대 방향인, 압전 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 전극은 상기 압전부의 상기 측면 중 일측면에 노출되어 상기 제1 외측 전극과 전기적으로 연결되고,
    상기 복수의 제2 전극은 상기 일측면과 대향하는 타측면에 노출되어 상기 제2 외측 전극과 전기적으로 연결되는, 압전 소자.
  6. 제2 항에 있어서,
    서로 인접하는 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격은,
    상기 압전부의 두께 방향의 상측에서 하측으로 가면서 증가하는, 압전 소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 압전부의 두께 방향의 상측에서 하측으로 가면서 증가하는 상기 서로 인접하는 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격의 증가폭은 8% 내지 15%인, 압전 소자.
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 압전부는, 5개 이상의 상기 분극부를 포함하는, 압전 소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 압전부는,
    상기 제1 외측 전극 및 상기 제2 외측 전극을 통해 전원이 인가될 때 굴곡 모드로 진동하되,
    10kHz 이하의 영역에 적어도 하나의 공진 주파수를 갖는, 압전 소자.
  10. 압전 소자;
    상기 압전 소자 위에 배치된 디스플레이부;
    상기 압전 소자와 상기 디스플레이부 사이에 배치된 접착층; 및
    상기 디스플레이부 위에 배치된 커버 부재를 포함하고,
    상기 압전 소자는
    압전부;
    상기 압전부의 두께 방향으로 이격되되 교번순으로 배치되는 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극; 및
    상기 압전부의 서로 대면하는 두 측면에 각각 배치되는 제1 외측전극과 제2 외측전극을 포함하되,
    상기 교번순으로 배치되는 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극 중 서로 인접하는 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격이 서로 다른 부분이 둘 이상 존재하는, 압전 액츄에이터.
  11. 압전 액츄에이터; 및
    상기 압전 액츄에이터를 구동하는 구동 제어부를 포함하고,
    상기 압전 액츄에이터는
    압전 소자;
    상기 압전 소자 위에 배치된 디스플레이부;
    상기 압전 소자와 상기 디스플레이부 사이에 배치된 접착층; 및
    상기 디스플레이부 위에 배치된 커버 부재를 포함하고,
    상기 압전 소자는
    압전부;
    상기 압전부의 두께 방향으로 이격되되 교번순으로 배치되는 복수의 제1 전극 및 복수의 제2 전극; 및
    상기 압전부의 서로 대면하는 두 측면에 각각 배치되는 제1 외측전극과 제2 외측전극을 포함하되,
    상기 교번순으로 배치되는 상기 복수의 제1 전극과 상기 복수의 제2 전극 중 서로 인접하는 제1 전극과 제2 전극 사이의 간격이 서로 다른 부분이 둘 이상 존재하는, 압전 모듈.
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