KR20210041576A

KR20210041576A - 마이크로 정전형 트랜스듀서의 대량 제조

Info

Publication number: KR20210041576A
Application number: KR1020217005137A
Authority: KR
Inventors: 해리 추; 제프 매그; 버트 파울러; 로렌스 윌슨
Original assignee: 그래프오디오 인코포레이션
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2021-04-15
Also published as: EP3834433A4; EP3834433A1; JP2021535646A; US11425507B2; WO2020033534A1; US20220286786A1; US20210297788A1

Abstract

마이크로 정전형 트랜스듀서 및 이들 장치를 만드는 방법이 기술된다. 상기 마이크로 정전형 트랜스듀서는 저비용 및 대량 생산을 가능하게하는 물질로 제조되는 통합 부품형 트랜스듀서 장치이다. 본 장치는 오디오 신호를 도입하기위해 다이어프램의 위와 아래에 2개의 전극 층을 갖는 다이어프램을 형성하는 그래핀 시트를 포함한다.

Description

마이크로 정전형 트랜스듀서의 대량 제조

본 출원은 35 U.S.C.§119(e)에 따라 미국 가출원 제62/716,062호(2018. 8. 8 출원)에 기초하여 우선권 주장하며, 그의 전체 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

본 출원은 마이크로 정전형 트랜스듀서(micro electrostatic transducer), 이러한 트랜스듀서의 어레이 및 이러한 장치의 제조 방법에 관한 것이다.

마이크로 정전형 트랜스듀서(micro electrostatic transducer)는 일 예로서 다음을 포함하고 저비용, 대량 제조를 가능케하는 물질로 제조된 집적형 부품의 트랜스듀서 장치이다:

- 다이어프램을 형성하기위한 그래핀 시트와;

- 상기 그래핀 다이어프램의 일 면에 접착된 많은 장치를 위한 패터닝이 있는 큰 원형, 시트형 또는 롤형의 제1 스페이서와;

- 상기 그래핀 다이어프램의 일 면 및 제1 스페이서에 근접한 제1 전극과;

- 상기 그래핀 다이어프램의 다른 면에 접착된 유사한 형식의 제2 스페이서와;

- 상기 그래핀 다이어프램의 다른 면 및 제2 스페이서에 근접한 제2 전극.

상기 제1 및 제2 스페이서는 둘 다 실질적으로 원형, 정사각형, 타원형, 신장(kidney) 형, 별형, n-다각형 등의 개방 영역을 포함하며 이는 상기 그래핀 다이어프램 상하에 있는 실질적으로 원형 부분을 정의한다. 상기 장치는 또한 많은 장치를 위한 패터닝이 있는 큰 원형, 시트형 또는 롤형의 제1 전극을 갖는다. 상기 제1 전극은 상기 그래핀 다이어프램의 상기 원형 부분의 일 면과 상기 제1 스페이서에 근접해있다. 상기 장치는 또한 상기 그래핀 다이어프램의 원형 부분의 다른 일 면과 상기 제2 스페이서에 근접한 동일한 형식의 제2 전극을 갖는다. 상기 장치는 외부 음전 신호(acoustic electrical signal)로의 패턴화된 전기전도성 상호 접속부를 갖는다. 총 3개의 인터커넥트(interconnect)가 있는데, 2개는 상기 두 전극 각각에 대해, 그리고 나머지 1개는 상기 다이어프램의 전체 둘레에 연결된다. 상기 장치는 전극 및 다이어프램 인터커넥트에 연결된 전기회로를 추가로 구비하며, 상기 회로는 신호 감지 (전류, 전압, 커패시턴스) 기능을 갖추어 상기 장치가 마이크로서 작동할 수 있으며 또한 상기 다이어프램을 변조하고 음향파를 방출하도록 오디오 신호나 초음파 신호를 전극에 인가하는 기능을 갖추어 상기 장치가 스피커로 작동할 수 있다.

이러한 트랜스튜서 어레이는 일 예로서 전기적으로 연결되고 모노 스피커 또는 대면적 마이크로폰으로 기능하는 복수의 정전형 트랜스듀서를 포함한다. 다른 예에서, 복수의 정전형 트랜스듀서는 개별 또는 클러스터의 스피커가 다중화될 수 있고 동시에 상이한 스피커 채널 및 마이크로폰으로 사용될 수 있도록 전기적으로 연결된다. 또 다른 예에서, 복수의 정전기 트랜스듀서는 제조 동안 다이싱(dicing) 될 수 있는데, 예컨대 개별적으로 또는 단일화되어 다이(die) 당 다수의 정전형 트랜스듀서를 갖는 다이 부분이 제조될 수 있다.

마이크로 정전형 트랜스듀서의 제조방법은, 일 예로서, 제1 전극 및 제1 스페이서 부품을 포함한 제1 다층 구조와, 2-D(2차원) 물질을 포함한 다이어프램과, 제2 전극 및 제2 스페이서를 포함한 제2 다층 구조를 제공하는 단계와, 후속하여 제1 접착제를 사용하여 상기 다이어프램을 상기 제1 다층 구조에 정렬 및 부착하는 단계와, 마지막으로 제2 접착제를 사용하여 상기 제2 다층 구조를 상기 다이어프램에 정렬 및 부착하는 단계를 포함한다. 선택적으로는, 적어도 상기 제1 접착제 또는 제2 접착제는 전류가 상기 접착제를 가로질러 상기 다이어프램으로 통과하도록 할 수 있다. 바람직한 예로서, 상기 2-D 물질은 그래핀을 포함한다.

정전형 트랜스듀서 기술은 잘 확립되어 있으며 스피커 및 마이크와 같은 많은 고급 오디오 제품에 사용되어왔다. 정전형 트랜스듀서 오디오 기능은 공기 감쇠의 효과에 결부되므로 이러한 트랜스듀서를 "미니(mini)" 또는 "마이크로(micro)" 형식으로 확장하거나 축소하는 것은 어려웠다. 이는 특히 다이어프램의 크기가 음 파장 미만으로 떨어지면, 공기 감쇠 계수가 현저하게 감소하기 때문이다. 수용가능한 성능을 갖는 미니 또는 마이크로 사이즈의 트랜스듀서를 만드는 유일한 방법은 다이어프램을 더 얇고 가볍게 만드는 것이지만, 이 해법은 기존 물질로는 불가능했다. 그러나, 초 저질량 및 고강도의 그래핀 필름이 사용된 LBNL(Appl. Phys. Lett. 102, 223109 (2013); https://doi.org/10.1063/1.4806974)에서의 최근 발명으로 이제 광대역의 오디오 응답을 유지하면서 훨씬 더 작은 방식의 트랜스듀서를 제작할 수 있게 되었다.

특히, 이러한 그래핀 필름을 사용하는 정전형 트랜스듀서는 현 세대 물질보다 성능이 더 뛰어나다. 예를 들어, 도 1은 표준의 금속화 폴리머 필름(metalized polymer film)을 다이어프램으로 사용하는 상용의 STAX SRS-002 정전형 이어스피커(ear-speaker)의 성능과 단지 저질량 그래핀 다이어프램이 트랜스듀서에 삽입되어 상기 표준 다이어프램을 대체한 것만을 제외하고는 동일한 트랜스듀서의 성능을 비교한 결과를 보인다. 상기 그래핀 다이어프램을 사용할 경우, 저주파수대 응답에서의 개선이 현저하다.

또한, 고품질/고가격의 마이크로 스피커 및 마이크폰에 대한 많은 기회가 있으므로, 이를 제조하는 비용 효율적인 방법이 매우 중요하다. 로직/메모리 칩, 파워 칩, 와이파이 칩, 안테나, 연성 회로 기판, 개별 소자 및 커넥터 등 당사의 전자 제품을 구성하는 기타 많은 부품과 마찬가지로, 저비용으로 대량 생산되어야한다. 이제 이러한 제품에 미니/마이크로 정전형 트랜스듀서를 실현가능하게되었으므로, 이를 저비용/대량으로 제조하는 방법이 필수적이다.

따라서, 저비용으로 대량으로 제조될 수 있고, 예컨대 도 1에 도시된 바와 같이 현 세대의 정전형 트랜스듀서에 필적하는 응답 프로파일을 갖는 고품질의 트랜스듀서를 제공하는 것이 본 출원의 한 가지 목적이다. 이러한 트랜스듀서 장치는 2-D 물질을 포함한 다이어프램을 포함한다. 예시적인 장치는 그래핀 다이어프램의 일 측이 결합되는 많은 장치들에 대한 패터닝을 갖는 큰 원형, 시트 또는 롤 형태의 제1 스페이서를 가질 수 있다. 또한, 상기 예시적인 장치는 상기 그래핀 다이어프램의 타측에 결합되는 많은 장치들에 대한 패터닝을 갖는 큰 원형, 시트 또는 롤 형태의 제2 스페이서를 가질 수 있으며, 여기서 상기 제1 및 제2 스페이서는 둘 다, 상기 그래핀 다이어프램의 위와 아래의 실질적인 원형 부분을 정의한 원형 개방 영역의 경계를 실질적으로 이룬다. 상기 예시적인 장치는 상기 그래핀 다이어프램의 상기 원형 부분과 상기 제1 스페이서의 일측에 근접한 많은 장치들에 대한 패터닝을 갖는 큰 원형, 시트 또는 롤 형식의 제1 전극을 갖는다. 상기 예시적인 장치는 상기 그래핀 다이어프램의 상기 원형 부분과 상기 제2 스페이서의 타측에 근접한 많은 장치들에 대한 패터닝을 갖는 큰 원형, 시트 또는 롤 형식의 제2 전극을 갖는다.

바람직한 일 구현예에서, 상기 2-D 다이어프램 물질은 원자적으로 단일 또는 다층 그래핀 막(graphene film)(최대 수천 층의 그래핀)이다. 또 다른 바람직한 구현예에서, 상기 다이어프램은 h-BN, MoS₂, 및 2-D 그래핀 다이어프램 물질 및 h-BN, MoS₂, 또는 다른 단일 또는 다층 2-D 막을 포함한 이중층 막으로 구성된 군에서 선택된다.

다른 구현예에서, 상기 트랜스듀서 장치는 상기 그래핀 다이어프램의 일측 또는 양측 상에 형성되어 상기 그래핀 표면을 실질적으로 덮는, SU-8 또는 PMMA와 같은, 폴리이미드 또는 에폭시계 폴리머와 같은, 아크릴, 폴리에스테르, 실리콘, 폴리우레탄, 할로겐화 플라스틱 층 또는 포토레지스트를 갖는다. 일측 또는 양측을 덮는, 이산화규소(silicon Dioxide), 산화알루미늄(aluminium oxide), 질화규소(silicon nitride) 및 다이아몬드(diamond) 및/또는 다이아몬드 유사(diamond-like)와 같은 다른 막들 또한 가능하다. 이러한 층은 선택적으로 전체 그래핀 표면을 덮도록 연속적이거나 또는 상기 그래핀 표면의 특정 영역으로부터 패터닝되고 제거될 수 있다. 어떤 경우이든, 연속적이든 패터닝되든, 그 의도는 전체 표면에 걸쳐서 또는 주요 영역에서만 상기 막을 강화하고, 및/또는 공명 피크를 억제하는 데 도움이 되도록 상기 다이어프램을 조정(tuning)하는 것이다. 하나의 시나리오에서, 상기 패터닝은 상기 다이어프램이 그의 외주를 따라 견고히 고정되는 영역에서 추가의 기계적 강도를 제공하기위해 상기 다이어프램의 외부 외주를 따라서만 유지되도록 할 수 있다. 다른 시나리오에서, 상기 패터닝은 상기 다이어프램을 댐핑 또는 조정하는 수단으로서 상기 막이 가장자리에서 제거되고 중앙 영역에 남겨지도록 하는 것일 수 있다.

또 다른 구현예에서, 트랜스듀서 장치는 노볼락(Novolac), SU-8과 같은 에폭시계 폴리머, 또는 PMMA 물질과 같은 광활성(photo-active) 층 또는 포토레지스트를 구비하고 이는 상기 그래핀 표면을 실질적으로 덮도록 상기 그래핀 다이어프램의 일측 또는 양측에 형성된다. 상기 층은 인가된 정전기력에 응답하여 상기 다이어프램 편위 프로파일(excursion profile)을 조정, 향상 또는 변조하도록, 및/또는 상기 막의 내충격성 및 내구성을 향상시키도록, 임의의 원하는 패턴으로 선택적으로 제거될 수 있다. 또 다른 구현예에서, 상기 광활성 층은 상기 그래핀 표면을 덮기위해 상기 그래핀 다이어프램의 일측 또는 타측면에 선택적으로 형성된다. 따라서, 상기 포토레지스트 층과 그래핀은, 인가된 정전기력에 대한 응답에서 상기 다이어프램의 편위 프로파일을 조정, 향상 또는 변조하기 위해, 또는 미세한 오염 축적을 방지하고 및/또는 상기 다이어프램의 움직임으로 인한 기류를 추가로 제어하고 압력파의 위상 상쇄(phase cancellation)[파괴 간섭(destructive interference)]를 줄이도록 환기 흐름 경로를 제공하기위해, 원하는 패턴으로 선택적으로 제거될 수 있다. 후자의 경우, 상기 그래핀 다이어프램에 원하는 홀(hole)의 패턴을 형성하기위한 일부 영역에서 그래핀의 선택적 제거는, 포토리소그래피, 섀도우 마스크, 리프트 오프, 잉크젯 인쇄, 3D 인쇄, 또는 스크린 인쇄와 같은 기술에 의해 이루어지는 패터닝 단계를 사용한다. 상기 패터닝 단계 다음에는 이온 에칭 또는 용액 에칭에 의해 그래핀이 제거되는 제거 단계가 이어진다.

바람직한 일 구현예에서, 상기 트랜스듀서 장치는 상기 제1 및 제2 전극 각각에 대한 하나의 리드와 상기 다이어프램의 전체 외주의 일부 또는 주위에 배열 된 하나의 리드를 포함하는, 외부의 음향 전기 신호에 대한 복수의 패터닝된 전기 전도성 인터커넥트(interconnect)를 포함한다. 본 구현예는 복수의 패터닝된 전기 전도성 구성요소에 연결된 전기 회로를 가질 수 있으며, 따라서 신호 감지의 기능이나 또는 오디오 또는 초음파 신호를 상기 전극들에 인가하여 상기 다이어프램을 변조하고 음향파를 방출하는 기능을 가질 수 있다.

바람직한 일 구현예에서, 상기 다이어프램은 상기 다이어프램의 양측 상에 개방형의 활성 트랜스듀서 영역을 가지며, 상기 개방형의 활성 트랜스듀서 영역은 원형, 정사각형, 타원형, 신장(kidney) 형, 별형, n-다각형 등의 형상이다.

또 다른 구현예에서, 상기 트랜스듀서는 다음의 갭 거리 및 전압에서 작동한다: (i) 종단지점들(endpoints)을 포함하여, 약 0.1㎜와 약 1㎜ 사이의 다이어프램에서 전극 갭; (ii) 종단지점들을 포함하여, 약 20V와 약 4kV 사이의 다이어프램 상의 V_DC; 및 (iii) 종단지점들을 포함하여, 대략 20V와 대략 4kV 사이인 V_RMS의 제1 및 제2 전극상의 V_signal.

또 다른 바람직한 구현예에서, 상기 트랜스듀서기는 사전 라우팅된(pre-routed) 전극 또는 스페이서 구성 요소에 전기적으로 연결된 평면 내(in-plane) 층상(layered) 장치 컨택을 갖는다.

본 출원의 또 다른 목적은, 종래 다이어프램 물질을 사용하는 현 세대의 더 대형인 정전형 트랜스듀서에 필적하거나 또는 그보다 더 우수한 응답 프로파일을 갖는 트랜스듀서 어레이에서 사용하기위해 대량의 고품질 "마이크로" 트랜스듀서 장치를 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것이다. 특히, 대부분의 현 세대 트랜스듀서 장치는 수용 가능한 저음 응답을 달성하기 위해 기존의 다이나믹 스피커를 사용하는 하이브리드 접근 방식이 여전히 필요하지만, 본 출원의 트랜스듀서 장치는 그래핀 다이어프램을 사용할 경우 저주파 저음 응답에서 상당한 개선을 나타내고 그 뿐만 아니라 가청 범위의 다른 부분에서 전류 생성 장치에 대해 매칭되거나 이를 초과하는 응답을 나타낸다. 상기 어레이는 적어도 예시적인 구현예들의 장치들로부터 형성될 수 있지만, 이러한 구현예들에 제한되는 것으로 간주되어서는 안된다. 이러한 어레이는 선택적으로 맞춤형 어레이 또는 제조된 상태(as-fabricated)의 인접 멀티플렉스 장치의 어레이로 배열될 수 있다.

이러한 어레이의 일 예시적 구현예에서, 복수의 정전형 트랜스듀서가 전기적으로 연결되고 모노 스피커 또는 대면적 마이크로폰으로서 기능한다. 다른 예시적 구현예에서, 복수의 정전형 트랜스듀서가 전기적으로 연결되어 스피커가 개별로 또는 클러스터로 멀티플렉싱될 수 있고 동시에 상이한 스피커 채널들과 마이크로폰으로서 사용될 수 있다.

새로운 기술에 대한 수율 문제는 어레이 구성에서 직접 제조의 실행 가능성에 영향을 미칠 수 있으므로, 장치를 싱귤레이션하고 패키징 방법을 활용하여 츠랜스듀서 어레이를 제조하는 것이 종종 더 현명하다. 그래핀 생산 방법이 개선되고 수율이 증가함에 따라, 작동하지 않는 장치의 단일 커브 컷(single carve cuts) 및 드롭 인 교체(drop in replacements)와 같은 다른 방법이 가능할 수 있다. 또한, 소팅 및 테스트 방법은 직접 사용 또는 추가 패키징을 위해 기능하는 트랜스듀서의 그룹 또는 블록에 대한 싱귤레이션 방법을 최적화할 수 있다.

따라서, 일 구현예에서, 정전형 트랜스듀서를 제조하는 방법은, 제1 전극 및 제1 스페이서 구성요소를 포함하는 제1 다층 구조와, 2-D 물질을 포함하는 다이어프램과, 제2 전극 및 제2 스페이서 구성요소를 포함하는 제2 다층 구조를 제공하는 단계와; 이어서 제1 접착제를 사용하여 상기 다이어프램을 상기 제1 전극 및 제1 스페이서 다층 구조에 정렬 및 부착하는 단계와; 마지막으로, 제2 접착제를 사용하여 상기 제2 전극 및 제2 스페이서 다층 구조를 상기 다이어프램에 정렬 및 부착하는 단계를 포함한다.

선택적으로, 적어도 상기 제1 접착제 또는 제2 접착제는 전류가 상기 접착제를 가로질러 상기 다이어프램으로 통과할 수 있도록 한다. 바람직한 일 구현예에서, 상기 2-D 물질은 그래핀을 포함한다. 다른 바람직한 일 구현예에서, 상기 다이어프램을 상기 제1 다층 구조에 정렬 및 부착하는 것은 이송 보드(transfer board)를 사용하여 수행된다.

본 출원의 추가의 목적, 특징 및 이점은 도면과 함께 고려될 때 아래 제시되는 바람직한 구현예들의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 출원의 일부 도면은 컬러로 표시된다. 또한, 본 출원의 일부 도면은 패턴 음영이 포함된다. 그러나, 이러한 패턴 음영은 MPEP §608.02 (IX)("Drawing Symbols")(9th Ed. March 2014 R-08.2017)에 표시된 내용에 대응하지 않는다.
본 출원의 여러 예시적인 구현예가 아래 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 표준 다이어프램을 대체하기위해 저질량 그래핀 다이어프램을 트랜스 듀서에 삽입한 것만 제외하고는 동일한 트랜스듀서와 비교한 다이어프램으로서 표준 금속화 폴리머 필름을 사용한 시중의 STAX SRS-002 정전형 이어 스피커(ear-speaker)의 성능을 보인다.
도 2는 본 출원에 따른 장치의 일 예시적 구현예를 도시한다.
도 3은 싱귤레이션될 트랜스듀서 시트를 보인다.
도 4는 개별 트랜스듀서의 분해도를 보인다.
도 5는 접철된 상태(collapsed view)의 개별 트랜스듀서를 보인다.
도 6은 모노 채널 구성에서 스피커들로서 구성된 트랜스듀서 어레이를 보인다.
도 7은 다중 채널 구성에서 스피커들과 마이크로폰들로 구성된 트랜스듀서 어레이를 보인다.
도 8a는 전체 다이어프램에 걸쳐 연장되는 다이어프램의 일부인 추가 레이어를 보인다. 다이어프램은 회색으로 표시된다.
도 8b는 다이어프램의 외부 외주에서 짧은 거리만 연장되는 다이어프램의 일부인 추가 레이어를 보인다.
도 8c는 향상된 오디오 품질을 생성하기 위해 다이어프램을 '조정(tune)'하기 위해 원하는 디자인으로 패터닝된 다이어프램의 일부인 추가 레이어를 보인다.
도 9a~9d는 패터닝된 추가 층을 다이어프램에 적용하기위한 예시적인 포토 리소그래피 기술을 보인다.
도 10a~10c는 다이어프램의 일부 영역에서 그래핀을 제거하기 위해 마스크로서 사용되는 패터닝된 물질을 보인다.
도 11은 스탠드 오프 층(stand-off layer)dl 있는 표면에 부착된 트랜스듀서의 어레이를 보인다.
도 12는 다이어프램 처리 공정을 위해 용제 및 진공 성형 기기로 제거할 수있는 희생 막 또는 구조를 보인다.
도 13은 층들로 제조된 1×3 트랜스듀서 어레이를 나타내는 분해 다이어그램이다.
도 14는 도 13과 같이 접철된 1×3 트랜스듀서 어레이를 나타내는 사시도이다.
도 15는 이송 보드가 위에 정렬되고 배치(batch) 다이어프램 본딩을 위해 내려질 준비가 된 하단 어셈블리를 보인다.
도 16은 배치 다이어프램 본딩 공정을 위해 제자리에서 내려진 이송 보드(transfer board)를 보인다.
도 17은 이송 보드가 위에 직각으로 정렬되고 단일 다이어프램 본딩을 위해 내려질 준비가 된 하단 어셈블리를 보인다.
도 18은 단일 다이어프램 본딩 공정을 위해 제자리에 내려진 이송 보드를 보인다.
도 19는 도 13~14에 도시된 바인 1×3 트랜스듀서 어레이에서 하나의 트랜스듀서의 단면도이다.
도 20은 도 14에 따른 분해된 트랜스듀서를 도시하는 사시도이다.
도 21은 도 16에 따른 접철된 트랜스듀서를 도시하는 사시도이다.
도 22는 Graphene 다이어프램이 결합된 단일 10㎜ 테스트 장치 "하단" 어셈블리를 보인다.
도 23은 다이어프램 본딩 공정 동안 내려진 2 위치 이송 보드가 있는 단일 10㎜ 테스트 장치 "하단" 어셈블리를 보인다.
도 24는 오디오 테스트 중의 완전 조립된 단일 10㎜ 테스트 장치를 보인다.
도 25는 완전 분해된 종래의 정전형 트랜스듀서 장치를 보인다.
도 26은 표준 제품 다이어프램을 대체하기위해 특별 제작된 그래핀 다이어프램을 보인다.
도 27은 다이어프램 성능을 직접 비교하기 위해 Graphene 다이어프램을 가진 트랜스듀서 장치의 재 조립을 보인다.
도 28은 그래핀 다이어프램을 포함한 조립된 트랜스듀서 장치를 보인다.
도 29는 제조되는 50㎜ 그래핀 다이어프램을 보인다.
도 30은 이송 보드의 28㎜ 그래핀 다이어프램 서스펜션을 보인다.

용어 "약"이나 "대략" 등은 동의어이며 상기 용어에 의해 수식된 값이 그와 연관된 이해 범위가 있음을 나타내기 위해 사용되며, 여기서 그 범위는 ±20%, ±15%, ±10%, ±5% 또는 ±1%일 수 있다. "실질적으로"라는 용어는 값이 의도된 값에 가깝다는 것을 나타내기 위해 사용되며, 여기서 가깝다는 것은 예를 들어 값이 타겟 값의 80% 이내, 85% 이내, 90% 이내, 95% 이내 또는 99% 이내임을 의미할 수 있다.

음향파(acoustic wave)를 지칭할 때 "초저주파(infrasonic)"라는 용어는 음향파가 사람의 가청범위 미만, 즉 20Hz 미만의 주파수를 가짐을 의미한다. 음향파를 지칭할 때 "초음파(ultrasonic)"라는 용어는 음향파가 사람의 가청범위를 초과하는, 즉 20kHz 초과의 주파수를 가짐을 의미한다. 음향파를 지칭할 때 "인간의 가청 범위(human audible range)" 등의 용어는 음향파가 사람의 가청범위, 즉 20Hz에서 20kHz 사이의 주파수를 가짐을 의미한다.

음향파는 본 출원의 여러 부분에서 음파라고 지칭할 수 있으며 거꾸로 지칭할 수도 있다.

도 1은 표준 다이어프램을 대체하기위해 저질량 그래핀 다이어프램을 트랜스 듀서에 삽입한 것만 제외하고는 동일한 트랜스듀서와 비교한 다이어프램으로서 표준 금속화 폴리머 필름을 사용한 시중의 STAX SRS-002 정전형 이어 스피커(ear-speaker)의 성능을 보인다. X축은 20Hz ~ 20kHz의 주파수를 로그로 표시한 것이고 Y축은 0dB ~ 약 110dB의 데시벨(dB)을 표시한 것이다. 도 1에 표시된 주파수 범위는 인간의 가청범위에 해당한다. 본 출원의 트랜스듀서 장치는 그래핀 층들을 생성하고 장치에서 이들 층을 정렬 및 장착하기위한 신규한 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 일 구현예에서, 도 1에 도시된 그래핀 물질은 Zhou & Zettl 등, Electrostatic Graphene Loudspeaker, Appl. Phys. Lett. 102, 223109 (2013) 논문에 기술된 공정에 대응하여 제조될 수 있다, 다른 일 구현예에서, 본 장치는 아래에서 상세히 기술되는 신규한 공정을 사용하여 제조될 수 있다. 본 출원의 다양한 구현예들의 발명대상에 따라 그래핀 물질들이 사용될 수 있다. 도 1은 그래핀 물질이 인간의 가청범위에 걸쳐, 특히 상기 가청범위의 낮은 대역을 포함하여, 종래의 트랜스듀서 물질을 능가함을 입증한다. 상기 그래핀 물질은 상기 범위 전체에서 일관된 응답을 유지하는 반면, 시중의 STAX 물질은 저주파수에서 더 약한 응답을 생성한다.

일반적으로 도 2, 3, 6 및 7에서 파란색 또는 진한 파란색 물질들은 FR4("난연제 4"로 알려진 글라스 강화 에폭시 라미네이트 물질 계열), 글라스, 세라믹 또는 폴리머 등의 비전도성 유전체 물질이다. 낮은 열팽창계수(낮은 CTE) 및 높은 유리 전이 온도를 갖는 FR4 물질은 FR4 물질계 중에서 바람직하다. 이러한 물질로는, 예컨대, IS400HR(ISOLA)(150℃의 유리 전이 온도(T_g), T_g 미만에서13ppm/℃의 CTE), TERRAGREEN(ISOLA)(200℃의 유리 전이 온도(T_g), T_g 미만에서16ppm/℃의 CTE), 또는 이와 동일 계열로서 가혹한 작동 환경에의 노출용으로서 사용되는 높은 유리 전이 온도의 내열성 수지계를 갖는 기타 제품을 포함한다. 통상의 기술자라면, 이러한 기타 적절한 유전체 물질을 알 것이다. 이들 층은 도 2, 3, 6 및 7에 보이듯이 층(16, 20)을 포함한다. 마찬가지로, 주황색으로 표시된 물질들은 구리 또는 알루미늄 등의 전도체, 또는 전자 장치에 적합한 기타 전도체이다. 이들 층은 도 2, 3, 6 및 7에 보이듯이 층(17, 21)을 포함한다. 또한, 진홍색 층은 비전도성 에폭시, 글라스, 세라믹 또는 폴리머 코팅물 등의 유전성 절연체이다. 통상의 기술자라면 이러한 기타 적절한 유전체 물질을 알 것이다. 이들 층은 도 2, 3, 6 및 7에 보이듯이 층(18)을 포함한다. 자주색 층 및 녹색 층은 본딩을 위한 접착제 층 또는 에폭시 층이다. 통상의 기술자라면 이러한 기타 적절한 본딩물질을 알 것이다. 이들 층은 도 2, 3, 6 및 7에 보이듯이 층(19)를 포함한다. 특히, 본 출원은 이 단락에 나열된 물질에 제한되지 않고 통상의 기술자가 쉽게 예상할 수 있는 모든 물질을 포함한다.

도 2는 본 출원에 따른 정전형 트랜스듀서 장치의 예시적인 구현예를 도시한다. 도 2는 2개의 전극층(E1, E2), 2개의 스페이서 층(S1, S2) 및 1개의 다이어프램(D1)을 보인다. 상기 다이어프램(D1)은 예를 들어 2D 물질일 수 있다. 바람직한 일 구현예에서, 상기 다이어프램은 그래핀을 갖지만, 또한 지지를 제공하거나 향상된 오디오 품질을 위해 그래핀 층을 '튜닝(tune)'하기 위해 포함되는 다른 물질을 포함할 수도 있다. 종래의 정전형 트랜스듀서와 매우 유사하게, 상기 전극층(E1, E2)은 대칭형 장치에 있어서 상기 다이어프램(D1)의 양측에 있는 스페이서 층(S1, S2)에 의해 상기 다이어프램 (D1)에서 분리된다. 전극층(E1, E2)과 다이어프램(D1) 사이에는 이들 스페이서(S1, S2)의 두께에 의해 결정되는 갭(G1, G2) 또한 있다. DC 전하가 상기 다이어프램(D1)에 인가되고 오디오 신호가 전극(E1, E2)에 인가되며 일반적으로 푸시/풀(push/pull) 구조를 사용하여 사운드를 생성한다. 상기 트랜스듀서를 마이크로폰으로 사용하는 경우에는, 일반적으로 한 전극이 접지되고 다른 전극은 상기 다이어프램(D1)의 음향파 변위로 발생하는 커패시턴스 변화에 기인한 전류 흐름에 대해 모니터링되므로 구조가 다르다.

상기 다이어프램(D1)은 변할 수 있는 트랜스듀서 활성 변환 영역(transducer active transduction area: 1)을 갖는다. 일반적으로, 본 출원에서의 트랜스듀서의 두께와 질량에 대하여, 면적은 대략적으로 오디오 응용 분야의 경우에는 1㎜, 초음파 응용 분야의 경우에는 0.1㎜ 정도로 작은 직경을 갖는 원형 서스펜션의 면적일 수 있다. 얼마나 커질 수 있는지에 대한 제한은 없으며, 여기서 핵심은 상기 서스펜션에 대해 동일한 두께의 점점 더 크고 고품질의 다이어프램 필름을 제작할 수 있는지이다. 상기 다이어프램 서스펜션은 예컨대 원형, 타원, 정사각형, 직사각형, 신장(kidney) 형 또는 기타 불규칙한 형상과 같은 다양한 형상을 가질 수 있다.

특히, 다이어프램(D1)의 일 구현예는 순수 그래핀으로, 또는 육각형 질화붕소(HBN: Hexagonal Boron Nitride) 또는 이황화 몰리브덴(Molybdenum Disulfide: MoS₂) 등의 다른 유사한 고강도, 저질량 필름과의 하이브리드 그래핀 복합체 필름으로 제조된다. 이들 필름은 본 명세서에 기재된 발명대상에 따라 제조될 수 있다.

일부 구현예에서, 상기 다이어프램(D1)에 있어서, 상기 다이어프램에 추가적인 기계적 강도를 제공하거나, 또는 상기 다이어프램의 외주를 따라 보다 더 가요성있고 덜 강성인 기계적 지지를 제공하거나, 또는 인가된 정전기력에 대한 응답시 상기 다이어프램의 편위 프로파일(excursion profile)을 본질적으로 '튜닝(tune)'또는 '강화(enhance)'하도록 상기 다이어프램 표면에 걸쳐 원하는 변위 패턴을 생성하도록 하기위해, 상기 그래핀 층의 일측 또는 양측에 HBN, MoS₂ 또는 그 이상의 통상적인 물질의 박층들을 포함하는 복합체 그래핀 구조를 사용함이 바람직할 수 있다. 이러한 패턴은 예를 들어 원형 다이어프램에서, 중앙의 디스크를 패터닝하거나 또는 상기 원형 다이어프램 내로 일정한 폭과 반경을 갖는 링을 패터닝하는 것을 포함한다. 사용될 수 있는 통상의 물질로는 PEEK(폴리에테르 에테르 케톤), FEP(플루오르화 에틸렌 프로필렌), 또는 광범위한 아크릴, 폴리 에스테르, 실리콘, 폴리이미드, 폴리우레탄 및 할로겐화 플라스틱과 같은 폴리머를 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 상기 패터닝된 디스크는 패터닝된 디스크가 없는 다이어프램에 비해 다이어프램의 질량을 증가시키고 그의 변위를 감소시킨다. 다른 패턴, 예를 들어 다이어프램의 외부 가장자리에 있는 링은 다이어프램에 강성을 추가하고 역시 변위를 감소시키지만 내구성을 향상시킨다. 예를 들어, 외주를 따라 패터닝된 링이 있는 다이어프램은 패터닝된 링이 없는 다이어프램에 비해 보다 더 높은 전압에서 구동 가능하다.

이들 추가 층(2)은, 도 8a와 같이 그래핀 다이어프램(D1)의 전체 표면에 걸쳐 확장되어 다이어프램을 완전히 덮거나, 또는 전술한대로 패터닝되거나 도 8b와 같이 그래핀 다이어프램(D1)의 외주(11)로부터 짧은 거리만 확장할 수 있도록 패터닝되어 상기 다이어프램(D1)의 중앙에는 코팅되지 않고 노출된 그래핀 영역(12)을 남기거나, 또는 상기 층들은 도 8c와 같이 임의의 원하는 디자인으로 패터닝될 수 있다.

도 9a~9d에 보이듯이, 반도체 제조 산업에서 일반적으로 사용되는 감광성 물질(3)[PMMA(폴리[메틸 메타크릴레이트]), SU-8(경화시 에폭시로 경화되는 유기 수지 용액) 및 일반적으로 "포토레지스트"라 불리는 많은 기타 물질을 포함하나 이에 국한되지 않는다]이 사용될 수 있고, 예컨대 포토 마스크를 통해 자외선에 노광시킨 후 현상액에 담금으로써 상기 다이어프램의 일부 영역에서 상기 그래핀 표면으로부터 포토레지스트 물질이 제거된 블랭킷 또는 패터닝된 층을 형성할 수 있다. 상기 부가된 물질들을 패터닝하는데는 섀도우 마스크, 리프트 오프, 폴리싱, 잉크젯 프린팅, 3D 프린팅 또는 스크린 프린팅 등의 기타 패터닝 방법 또한 사용할 수도 있다. 이들 물질은 또한 그래핀 분리 단계 및 이송(transfer) 단계 동안 그래핀 다이어프램 물질의 수율을 향상시키는 블랭킷 또는 백커(backer) 필름으로 사용될 수도 있다. 이들 물질은 완전히 제거되거나(즉, 최종 장치에 통합되지않음) 또는 최종 제조된 장치 내에 남아있을 수 있다.

도 9a~9d에 도시된 실시예에서, 감광성 물질(3)이 그래핀 다이어프램(D1)에 적용된다(도 9a). 그런 다음, 상기 감광성 물질(3)은 경화시키는 광원(6)에 노광되는데 이는 상기 광원(6)에 의해 현상되는 하나 이상의 노출 영역(4)이 있도록 마스크(7)로 마스킹된다. 본 실시예에서는 포지티브 포토 레지스트가 사용되지만, 통상의 기술자라면 네거티브 포토 레지스트 또한 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 그런 다음, 상기 마스크(7)를 제거하고 노광된 영역을 현상액으로 제거한다. 도 9c에 보이듯이, 추가 층(2)이 더 이상 감광성 물질(3)로 덮이지 않는 다이어프램(D1) 부분에 부가된다. 마지막으로, 도 9d에 보이듯이 감광성 물질(3)가 제거되어 다이어프램(D1)과 추가 층(2)만이 남는다.

다른 구현예에서, 도 10a~10c에 도시된 바와 같이, 패터닝된 물질(3)은 다이어프램(D1)의 일부 영역에서 그래핀을 제거하기위한 마스크로 자체적으로 사용될 수 있고 따라서 포토 마스크 디자인에 따라 임의의 원하는 형상의 그래핀에서 홀(8)의 원하는 패턴을 형성하고, 이후 감광성 물질(3)은 원하는 최종 다이어프램 구조에 따라 제자리에 남거나 다이어프램 표면에서 완전히 제거될 수 있다. 이러한 방식으로 정전 자극에 대한 다이어프램의 편위 패턴은 상기 홀 패턴의 설계에 의해 튜닝될 수 있다.

본 장치의 그래핀 다이어프램은 Zhou의 논문에 따라 제조될 수 있거나 또는 다른 방법, 즉 본 실시예에서 사용되는 방법으로서 니켈과 같은 시드 층 포일상의 꽤 일반적인 공정 설정에서 메탄 및 H₂ 가스를 사용하여 CVD 성장에 의해 그래핀 다이어프램 층이 제조될 수 있다. 증착 후, 외부에 그래핀이 있는 호일은 선택적으로 PMMA 스핀 코팅되고 베이크되거나 호일의 한면에 다른 그러한 유사한 필름으로 코팅될 수 있다. 그런 다음, 이는 최소 또는 가능하게는 그 이상을 갖는 PSA(Pressure Sensitive Adhesive)로써 "이송 보드(transfer board)" 상에 뒤집어놓는다; 약간 특대의 트랜스듀서 활성영역 개구부. 상기 이송 보드는 트랜스듀서 장치의 "하단(bottom)" 부분인 E1/S1 스택 상의 특징들에 대해 정렬할 수 있도록 정렬 홀이나 마킹으로 포맷된다. 이러한 정렬은 정렬을 위해 핀을 사용하거나 기타 보다 정교한 반도체 또는 반도체 패키징 정렬 방법을 사용하여 수행할 수 있다. 일단 PMMA/그래핀/호일이 상기 이송 보드에 아래로 향하게 부착되면, 호일의 반대측은 산소 플라즈마 애싱 기술을 사용하여 그래핀이 제거된다. 그런 다음, 노출된 니켈 호일을 염화제이철 또는 기타 유사한 유형의 에칭액으로 습식 에칭하되 밑에 있는 그래핀 층이나 복합체 필름은 에칭하지 않고, 이로써 그래핀 또는 선택적으로 이송 보드 개구부 상부에 현가된 이중층 필름을 남겨둔다. 선택적으로 상기 이송 보드와 서스펜션은 이후 처리되어 폴리머 필름을 제거하거나 또는 이 폴리머 필름은 블랭킷이나 패터닝된 형태로 그대로 남겨질 수 있다.

전극(E1, E2) 및 스페이서(S1, S2) 층들은 다양한 제조 공정과 호환되는 다양한 물질들로 제조될 수 있다. 물질에는 경질 또는 가요성의 금속화 코팅 폴리머(metalized coated polymer), FR4, 글라스 또는 플라스틱과 같은 섬유 강화 에폭시 물질(fiber reinforced epoxy materials)이 포함된다. 낮은 열팽창 계수(낮은 CTE) 및 높은 유리 전이 온도를 갖는 FR4 물질이 FR4 물질 계열 중에서 선호된다. 이들 물질에는, 예컨대, IS400HR(ISOLA)(150℃의 유리 전이 온도(T_g), T_g 미만에서13ppm/℃의 CTE), TERRAGREEN(ISOLA)(200℃의 유리 전이 온도(T_g), T_g 미만에서16ppm/℃의 CTE), 또는 이와 동일 계열로서 가혹한 작동 환경에의 노출용으로서 사용되는 높은 유리 전이 온도를 갖는 내열성 수지계를 갖는 기타 제품이 포함된다.

전극(E1, E2)은 구조적 무결성(structural integrity)을 위한 유전체 층 (16)과, 정전 전압 평면(17)을 생성하기위한 내부의 얇은 전도층과, 장치 내부면 상의 전극 아크를 방지하기위한 것으로 선택적으로 전압 평면(18)의 상단에 제2의 얇은 유전체 층을 갖는다. 전극의 "외부" 면은 어레이 구성에서 향후 사용을 위해 사전 제작된 전도성 트레이스를 가질 수 있거나, 또는 이들 트레이스는 나중에 스크린 인쇄, 잉크젯 또는 기타 이러한 방법을 사용하여 전도성 잉크로 형성될 수 있다.

전극(E1, E2)을 포함한 층들을 제조하는 동안, 구리 또는 알루미늄과 같은 전도체로 사전 금속화된 물질을 사용할 수 있거나, 또는 전도성 층들을 제공하기 위해 스퍼터링 또는 도금 등 통상의 전도성 막 증착 방법을 사용하여 상기 전극을 "금속화(metalized)"할 수 있다. 개별로 싱귤레이션(singulation)되도록 의도된 장치의 공정을 단순화하기위해서는 외부의 전극 도체가 필요로 되지 않고, 대신 상기 전극과 스페이서가 조립될 때 필요한 패턴을 사전 라우팅(routing)함으로써 평면 내(in-plane) 적층 장치 컨택들을 탭 형태로 생성할 수 있다.

예를 들어 도 3, 6, 7 및 도 13~17에 보이듯이 어레이 형식으로 사용되도록 의도된 장치의 경우, 도체층들의 "외부" 면에 있는 각 장치를 상호 연결하기위해 다중 레벨 PCB(multilevel PCB), MEMS 장치, 디스플레이 또는 심지어 반도체 장치용으로 개발된 방법을 사용하여 도체층들을 패턴화할 수 있다.

다른 구현예에서, 상기 어레이 구성은 원하는 전기적 라우팅을 제공하는 별도의 인터포저(interposer) 스타일 보드를 사용하여 조립 및 상호 연결될 수 있으며, 개별화되거나 그룹화된 트랜스듀서들로의 전기적 연결을 위한 와이어 본딩과 이들 장치를 접착하기위한 기계적 접착을 갖는다.

상기 전극 층들의 "내부" 면(14)은 V_AC 신호용 금속 전도성 층을 필요로 하며 일반적으로 구리 또는 알루미늄으로 되지만 다른 전도성 막으로 될 수 있다. 이 층은 표준의 에칭 및 패터닝 방법들을 사용하여 패터닝되거나 또는 경우에 따라서 시트 전체에 걸쳐 연속적으로 남겨둘 수 있다. 또한, 이 전도성 층은 만일 다이어프램이 상기 전극 층들과 접촉하게되면 잠재적인 단락 이벤트가 발생하는 것을 막기에 충분한 패시베이션 층을 가질 수 있다. 이러한 패시베이션은 비전도성 에폭시 물질, 또는 스크린 인쇄, 포토리소그래피, 섀도우 마스킹 또는 기타의 이러한 기술을 사용하여 패터닝가능한 기타 유전체 물질로 될 수 있다.

상기 전극들은 스페이서 개구부 상부에 위치한 음향 전달 홀(15)을 구비하며, 이는 활성 트랜스듀서 영역(active transducer area)을 포함하고 음향 전달을 허용한다. 이들 음향 홀은 크기가 다양할 수 있어, 1 마이크론만큼 작고 반도체 에칭 방법으로 제조될 수 있고, 다양한 드릴링 방법을 사용하여 1㎜ 이상 크기로 제조될 수 있다. 상기 홀들의 패턴은 음향적 고려 사항, 크기의 변화, 종횡비, 피치 및 주기성에 따라 달라질 수 있지만, 일반적으로 정전기력과 음향 전달의 균형을 적절히 맞추려면 25~40%의 개방 영역이 필요하다.

상기 스페이서들(S1, S2)은 일반적으로 2개의 층으로 구성된다: (i) 상기 전극과 다이어프램 간에 간격을 만들기위한 유전체 층(들)(20); 및 (ii) 상기 다이어프램이 접착될 수 있는 전도층(21). 상기 전도층(21)은 또한 외부 접촉을 위한 라우팅을 제공할 수 있다. 상기 유전체 막과 전도성 막을 제거하면 활성 트랜스듀서 영역이 생성된다. 상기 유전체 막과 전도성 막의 결합된 두께는 상기 전극의 전압 평면과 다이어프램 간에 "갭" 또는 공간을 생성하게된다. 전술한 바와 같이, 상기 스페이서 층에서의 개구부는 다양한 형태일 수 있지만, 이 층의 전도성 막 부분이이 형태의 전체 외주 주위에서 연속적인 것이 중요하다. 이러한 외주 전도성 막은 상기 다이어프램이 본딩되는 곳이고, 상기 다이어프램은 균일한 품질의 결합으로 결합되어 상기 트랜스듀서의 전체 활성 외주 주위에 일관된 기계적 및 전기적 특성을 제공한다.

상기 전극 층 및 스페이서 층은 둘 다 사용되는 형상 및 전체 제조 방법에 따라 다양한 방식으로 패터닝된 이들 개구부/홀을 가질 수 있다. 표준 PCB 제조의 경우, 기계식 드릴링/라우팅 또는 레이저 드릴링/어블레이션 기술과 같은 기술이 효과적이고, MEMS의 경우, 디스플레이나 반도체 제조, 포토 리소그래피 패터닝 및 에칭 방법도 가능하다. 상기 스페이서 개구부는 트랜스듀서 설계에 따라 형상 및 크기가 가변될 수 있고 상기 전극 홀 패터닝은 원하는 음향 성능에 따라 크기 및 배치가 가변될 수 있다.

시트 투 시트(sheet to shee) 또는 라운드 투 라운드(round to round) 방법을 사용하여 상기 전극 층들을 상기 스페이서 층들에 정렬하고 본딩한다. 일반적인 시트 투 시트 인쇄 회로 기판(PCB)에서, 패널들이 장치의 E1/S1 또는 "하단(bottom)" 및 E2/S2 "상단(top)" 부분들을 만들도록 다양한 방식으로 정렬 및 본딩될 수 있다.

장치를 완성하기 위해, 상기 다이어프램 서스펜션이 있는 상기 이송 보드가 이후에 "하단" 장치 위에 정렬되며, 이는 장치용 스페이서 전도성 외주의 전체 외주에 고르게 도포되는 접착제를 구비한다. 매우 균일하고 완전한 주변 본딩을 하는 것이 중요하므로 스탬핑 또는 기타 제어된 본딩 디스펜싱 방법과 같은 방법이 중요하다. 그런 다음, 상기 이송 보드를 "하단" 상의 위치로 내리고 상기 접착제를 제자리에서 경화시켜 주변 본딩을 완료한다. 상기 다이어프램(D1) 층이 접착제(G)로 장치의 "하단"에 부착된 후, 상기 이송 보드의 외주에서 상기 다이어프램을 전단하고 상기 이송 보드를 들어 올려 상기 이송 보드를 제거한다. 접착제가 있는 "상단"절반은 이제 상기 다이어프램이 부착되어있는 "하단"에 정렬 및 부착되고 따라서 트랜스듀서 다이어프램을 캡슐화하고 그의 구조를 완성한다. 이들 접착 단계 중의 하나 이상은(그린층(G)은 두 부분으로 수행된다) 전도성 물질로 수행되거나 전류의 터널링(또는 누설)이 상기 다이어프램을 충전할 수 있도록 충분히 얇아야 한다.

일반적으로 마지막 단계는 상기 접착제를 적절하게 세팅하기위한 경화 베이킹이다.

개별 트랜스듀서는 도 3, 6, 7 및 13~17에 도시된 것과 같은 어레이로 제조 될 수 있다. 동시에 개별 장치들의 어레이를 제조하기위한 형식은 PCB 제조업체에서 사용하는 바와 같은 시트(sheet) 형식일 수 있지만 롤 투 롤(roll-to-roll) 형식일 수도 있다. 특히 다이어프램 사이즈가 줄어들고 오버레이(레이어 투 레이어(layer to layer) 정렬) 요구사항이 더욱 엄격해짐에 따라, 통상의 반도체 또는 MEMS 제조에 사용되는 웨이퍼와 같은 원형(round) 형식도 가능하다. 그러나, 장치 사이즈가 상대적으로 크면, 제조 공정 및 물질은 대량 생산에 비용 효율적인 방법으로 입증된 시트 투 시트(sheet-to-sheet) 또는 롤 투 롤(roll-to-roll) 공정과 호환된다. 개별 장치들 간의 측면 간격은 다를 수 있으나, 각 층 간에 일관된 수직 간격을 유지하는 것이 중요하다. 따라서, 균일한 층 두께 및 고도의 평면 본딩 방법의 사용이 일부 구현예에서, 특히 상기 다이어프램과 각 전극 간의 개방 영역 또는 공동에서 중요하며, 다이어프램 대 전극 평행성(parallelism)과 상기 다이어프램으로부터 각 전극으로의 동등한 "갭(gapping)"이 중요할 수 있다.

장치의 상단 및 하단을 제조하는 동안, 층들은 접착제/에폭시(자주색 층, 도 2)를 사용하여 본딩되거나, 또는 PCB 방법의 경우에는 "프리 페그(pre-peg)" 물질(일반적으로 열경화성 에폭시를 포함한 복합체 섬유로 사전 함침됨)을 사용할 수 있다. 상기 전극 및 스페이서 층들은 모두 상기 장치에 구조적 무결성과 평면성을 제공한다. 그러나, 롤 투 롤(roll-to-roll)과 같은 가요성있는 형식의 어레이로 제조될 때, 특히 활성 변형 영역에서 장치 평탄성을 유지하기위해 경질 삽입물(rigid inserts) 또는 무연성 폴리머 개질 존(no-flex polymer modified zones)이 사용될 수 있다.

다른 바람직한 구현예에서, 첫번째 중요한 제조 특징은, 다이어프램 서스펜션의 전체 외주를 따라 생성된 연속 전하 전도 경로와, 트랜스듀서의 다양한 층들을 컨택하는 방법을 포함한다는 점이다. 정전형 오디오 트랜스듀서의 다이어프램은 일반적으로 일정한 직류(DC) 전압(V_DC)을 사용하여 충전된다. 일반적으로, 다이어프램에 대한 단순한 컨택 지점은 전하가 전 표면에 걸쳐 정상적인 전도를 통해 분산될 수 있도록 할 것이라고 가정할 수 있다. 실제로 이것은 발생하는 것이지만, 전류 흐름이 그렇게 낮고 기계적 결합이 전기적 요구 사항과 밀접히 연관되어 작동하는 장치에서는 활성 변환 영역의 전체 외주 둘레에 연속적인 전기적 및 기계적 결합을 갖는 것이 바람직하다.

그래핀 다이어프램(D1)의 전기 경로가 반드시 낮은 저항일 필요는 없다. 사실상, 그래핀 외주를 따라 금속 전도체(21)에 그래핀(일반적으로)을 접착하는 데 사용되는 에폭시/접착제 라인(G)은 또한 상기 다이어프램 상에서 거의 일정한 전하 농도를 유지하는 데 도움이 되는 직렬 저항 역할도 할 수 있다. 일부 경우에는, 상기 외주 둘레의 구리 트레이스(copper trace)의 상단에 있는 비전도성 에폭시의 얇은 접착제 라인(G)이 상기 다이어프램에 대한 바람직한 본딩 방법이 될 수 있으며, 접착제라는 것 외에도 또한 직렬 저항 역할도 할 수 있다. 즉, 이는 다이어프램 상에 일정한 전하를 제공하는데 도움을 주어, 다이어프램 전하가 빠르게 변화되도록 될 때 발생할 수 있는 왜곡 및 기타 바람직하지 않은 효과를 줄여 트랜스듀서 오디오 성능을 향상시킨다. 이러한 방식으로 상기 접착제 라인은 시스템에서 적어도 하나의 저항기를 대체할 수 있으므로, 트랜스듀서 사이즈, 중량 및 비용을 낮출 수 있다. 전하 제어 저항으로서 효과적이려면, 접착제 라인 저항 R_GL과 다이어프램 대 전극 커패시턴스 C_DE의 곱셈값이 상기 다이어프램의 전압 시간 응답을 1/f_audio 미만으로 제한할만큼 충분히 높아야한다(이때 f_audio는 R_GLC_DE＜ 1/f_audio가 되도록 하는 트랜스듀서의 최소 오디오 주파수이다).

다른 바람직한 구현예에서, 두 번째 중요한 제조 특징은, V_DC를 다이어프램(D1)으로 전송하고 교류(AC) 오디오 전압 신호(V_AC신호)를 전극(E1, E2)으로 전송하기 위해 상기 장치의 전도 표면을 컨택하는 방법을 포함한다는 점이다. 통상의 제조 접근방식에서, 기존의 컨택 방법은 PCB 층들을 통해 수직으로 이어진 금속화 홀(metalized hole)을 갖는 비아들(VIAs: 수직 상호접속 아키텍처)을 사용한다. 이것은 일반 전자 장치 및 회로 기판 설계에서 매우 성공적으로 작동한다. 그러나, 정전형 트랜스듀서는 일반적으로 맞닥뜨리는 것보다 더 높은 전압을 사용하며 일부 층(예컨대, 다이어프램)이 올바르게 작동하려면 매우 높은 임피던스가 필요하다. 여기서는 다른 컨택 방법을 기술하며, 이는 장치(E1, E2 및 D1)의 각 전기 평면이 장치 아키텍처 내에 개방 영역들을 통합해야하는 에지 커넥터(edge connector) 방법을 통해 직접 컨택하여 장치 싱귤 레이션 후에 전기적으로 액세스될 수 있는 "패드(pad)"를 갖는 탭(Tab)을 형성한다.

다른 바람직한 구현예에서, 세 번째 중요한 제조 특징은, 두 전극 간에 조립되기 이전에 얇은 그래핀 다이어프램을 처리하는 것이다. 그래핀은 큰 오디오 신호를 생성할 수 있을만큼 강한 반면, 다이어프램은 싱귤레이션 이전에 구멍이 뚫리거나 찢어지기 쉽다. 반복 가능한 장치 성능을 보장하기 위해, 다이어프램을 정렬하고, 기계적으로 지지하고, 물리적으로 스트레칭하는 공정 단계들이 사용된다. 예를 들어 도 12에 도시하듯이 용매 및 진공 성형 기기로 제거할 수 있는 폴리머 필름과 같은 희생 막들 및 구조들(24)은 다이어프램 처리 공정의 핵심이지만 싱귤레이션 이후 최종 장치에 남아있을 수도 있고 남아 있지 않을 수도 있다.

다중 장치 어레이 구성에 있어서 임피던스 및 컨택 문제를 신중하게 고려해야하며 이들 구성에서 전기적 라우팅(electrical routing)을 수용하기 위해 새로운 설계 규칙을 고려해야 할 수 있다. 싱귤레이션된 모노 채널 어레이 장치의 경우, 에지 커넥터 평면 커넥터는 간단한 해결책이고 비아 및 소면적 컨택 문제를 방지한다. 장치 패드의 연결을 최종 제품의 기능으로 바꾸도록 단순한 에지 스타일 마이크로 커넥터를 개발할 수 있다. 어레이로서 외부 전기적 라우팅은 두 외부 전극에서 발생한다. 이들 장치 연결은 와이어 본딩 방법으로 탭 패드로부터 신호 라우팅으로 얻을 수 있다. 필요한 경우 고전압 설계 규칙을 기반으로 보다 복잡한 스루 홀 비아 장치 접촉 방식을 개발할 수 있다.

어레이로서 상기 장치는 음파(아음속, 가청음 및 초음파)를 생성하는 데 전적으로 전담하거나, 초 광대역 마이크로폰 전용으로 전담하거나, 각 작업들을 동시에 수행하는 트랜스듀서들로 분할될 수 있다. 이러한 어레이는 다중 다이어프램 (D1, D2, D3)을 구비한다. 일 구현예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 모든 트랜스듀서는 스피커 또는 마이크로폰으로서 고정될 수 있다. 또 다른 경우에는 도 7과 같이 각 트랜스듀서를 마이크로폰에서 스피커로 전환함으로써 전체 장치 구성이 의도한 애플리케이션에 맞게 변경될 수 있다. 이러한 구성은 전도성 물질(22)뿐만 아니라 유전체 물질(23)을 포함함으로써 각 트랜스듀서가 개별적으로 어드레싱될 수 있도록 한다(즉, 어레이의 회로는 멀티플렉싱 어레이에서 개별 트랜스듀서들을 어드레싱하고 제어하는 기능을 갖추게되고, 이로써 상기 어레이는 동시에 일부 트랜스듀서는 오디오 스피커로서, 다른 트랜스듀서는 마이크로폰으로서 작동하게 할 수 있는 기능을 갖는다).

마이크로폰으로서, 상기 장치 어레이는 전술한 바와 유사한 방법으로 하나의 채널 또는 다중 채널을 통해 사운드를 감지할 수 있다. 마이크로폰으로 사용할 때 하나의 트랜스듀서 전극이 접지 단자에 연결되고 두 번째 전극은 모노 또는 다중 채널 모드로 감지 회로에 연결되며, 상기 감지 회로는, 음파가 상기 다이어프램에서 진동을 유도하여 다이어프램 대 전극 간 간격을 변화시키고 이로써 커패시턴스와 전압 역시 변화됨에 따라, 전압(또는 커패시턴스)의 변화를 감지한다.

도 11에 도시하듯이, 어레이 장치(A)가 표면(13) 또는 기타 기판에 부착될 경우, 부착 지점과 트랜스듀서 어레이(A) 간에 스탠드오프(stand-off) 층(10)을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 스탠드오프 층(10)은 트랜스듀서의 백 볼륨 음향(back-volume acoustics)을 조정하기위한 것이며 어레이 장치에 유익한 음향을 생성하기 위해 경로(들) 및 단면적이 설계될 수 있다.

도 13~17에 도시된 바와 같이, 본원 특허청구범위에 따른 트랜스듀서 장치는 어레이, 예컨대 1×3 어레이로 제조될 수 있다. 이들 어레이는 개별적으로 싱귤레이션되거나 멀티플렉싱될 수 있다. 도 13은 층들로 제조된 1×3 트랜스듀서 어레이를 나타내는 분해 사시도이다. 도 14는 도 13에 따른 접철된 장치 어레이를 도시한다. 시트 배치(batch) 제조 방법을 위해 예컨대 3×3 어레이나 더 큰 크기의 어레이와 같이 장치들의 더 큰 시트가 쉽게 제조될 수 있는 것처럼, 더 긴 단일 장치 스트립들과 단일 장치 제조 방법들이 사용될 수 있다. 도 15는 현가된 다이어프램(suspended diaphragm)이 있는 전송 보드를 갖는 제조된 "하단(bottom)" 장치를 도시한다. 이 경우 세 장치 모두 배치(batch) 공정으로 결합된 현가된 다이어프램을 가질 수 있다. 도 16은 하단 어셈블리 위에 제자리에서 내려진 전송 보드를 보인다. 도 17 및 18은 상승 및 하강 위치들을 보이지만, 배치(batch) 결합을 위해 매칭시키는 대신에, 장치들은 하단 어셈블리 및 이송 보드의 직교 스트립들에서 개별적으로 인덱싱되고 각 다이어프램을 한 번에 하나씩 결합하도록 배치된다. 이러한 공정 후에 각 스트립 또는 시트는 상단 어셈블리를 본딩하고 경화시켜 장치 어셈블리를 완성한다. 그런 다음, 이 시점에서 상기 장치들을 테스트하고 작은 탭들을 절단하여 싱귤레이션할 수 있다.

도 19는 도 13~14에 도시된 바와 같이 1×3 트랜스듀서 어레이에서 한 트랜스듀서의 단면도를 도시한다. 도 20은 도 14에 따른 분해된 트랜스듀서를 도시하는 사시도이다. 도 21은 도 20에 따른 접철된 트랜스듀서를 도시하는 사시도이다. 도 13~21에 도시된 장치들의 바람직한 구현예에서, 장치에서 다이어프램의 직경은 대략 10㎜이다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 대략 20㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 1㎛ 내지 10㎛의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 10㎛ 내지 100㎛의 직경을 갖는다. 또 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 100㎛ 내지 1㎜의 직경을 갖는다. 또 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 40㎛ 내지 1㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 1㎜ 내지 10㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 1㎜ 내지 35㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 1㎜ 내지 100㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 10㎜ 내지 20㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 10㎜ 내지 100㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 100㎜ 내지 1000㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 1000㎜ 내지 10㎝의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 대략 1㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 대략 10㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 대략 20㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 대략 30㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 대략 40㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 대략 50㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 대략 60㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 대략 70㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 대략 80㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 대략 90㎜의 직경을 갖는다. 다른 바람직한 구현예에서, 다이어프램은 대략 100㎜의 직경을 갖는다.

본 발명 대상의 바람직한 구현예들에 있어서, 상기 전극과 다이어프램 간의 갭은 500㎛ 내지 5㎜이다. 다른 바람직한 구현예에서, 상기 갭은 500㎛ 내지 1㎜이다. 다른 바람직한 구현예에서, 상기 갭은 100㎛ 내지 1㎜이다. 다른 바람직한 구현예에서, 상기 갭은 1㎜ 내지 2㎜이다. 다른 바람직한 구현예에서, 상기 갭은 2㎜ 내지 3㎜이다. 다른 바람직한 구현예에서, 상기 갭은 3㎜ 내지 4㎜이다. 다른 바람직한 구현예에서, 상기 갭은 4㎜ 내지 5㎜이다.

본 발명 대상의 바람직한 구현예에서, 상기 다이어프램 및/또는 전극에 인가되는 전압은 1 볼트(V) 내지 대략 6kV이다. 다른 바람직한 구현예에서, 상기 전압은 1V 내지 10V이다. 다른 바람직한 구현예에서, 상기 전압은 10V 내지 100V이다. 다른 바람직한 구현예에서, 상기 전압은 100V 내지 1kV이다. 다른 바람직한 구현예에서, 상기 전압은 1~4 kV이다. 다른 바람직한 구현예에서, 상기 전압은 1~6 kV이다. 다른 바람직한 구현예에서, 상기 전압은 4~6 kV이다.

도 22는 그래핀 다이어프램이 어셈블리에 접착된 10㎜ "하단(bottom)" 테스트 장치를 보인다. 도 23은 상기 그래핀이 본딩되는 과정에서 아래로 내려진 이송 보드를 보인다. 도 24는 사운드를 생성하기 위해 와이어링된 테스트 장치를 보인다.

도 25는 영구적인 통합형 트랜스듀서 어셈블리(integrated transducer assembly)가 아닌 더 종래의 정전형 스피커의 구조를 보인다. 이 방법은 새로운 다이어프램 구조의 실행 가능성을 검증하기위해 사용되었지만, 다이어프램에 대한 적절한 보호를 제공하지 않으므로, 본 발명의 초박막 장치에 적합한 수단이 아니다. 이러한 방식으로 제조된 트랜스듀서는 주의하면서 취급하면 잘 작동하지만, 표준 제품 낙하 테스트에서는 견뎌내지 못한다. 초기 HVM 테스트는 이러한 방식으로 제조된 통합형 어셈블리 장치가 이들 동일 유형의 테스트를 통과할 수 있음을 보인다. 상기 어셈블리의 또 다른 단점은 대량 생산이 어렵기때문에 상당한 수작업 조립이 요구된다는 점이다. 도 26은 종래의 정전형 스피커와 호환되는 링 구조에 고정된 그래핀 다이어프램을 보인다. 도 27은 종래의 다이어프램 대신에 상기 그래핀 다이어프램을 사용하여 상기 종래 정전형 스피커를 수동 조립한 형상을 보인다. 도 28은 종래의 다이어프램 대신에 내부에 상기 그래핀 다이어프램을 갖는 완전 조립된 종래의 정전형 스피커를 보인다.

다른 구현예에서, 각 오디오 트랜스듀서에 대한 개방형 "변환(transducing)" 사이즈는 20Hz에서 최대 약 20kHz까지의 전범위의 오디오 스펙트럼 응답에 대해 1㎜ 직경만큼 작을 수 있다. 다른 구현예에서, 초음파 트랜스듀서의 경우, 그 사이즈는 20kHz에서 최대 약 0.5MHz까지의 초음파 스펙트럼 응답에 대해 40 마이크론 직경만큼 작을 수 있다. 소형 오디오 트랜스듀서는, 오디오 신호가 외이도 내로 직접 전달되기 때문에, 낮은 SPL(음압 음량: Sound Pressure Loudness)이 허용되는 보청기 등과 같은 애플리케이션에 적합하다. 전극과 다이어프램 간의 갭은 다이어프램 사이즈가 감소함에 따라 더 작게 만들어 질 수 있으며, 이는 전극과 다이어프램 간의 전계를 증가시키고(따라서, 다이어프램에 인가되는 힘을 증가시키고) 따라서 주어진 인가 전압에 대해 트랜스듀서를 더 세게 구동한다. 여기 기술된 그래핀 성장 및 트랜스듀서 패키징 공정은 확장 가능하므로, 현격하게 더 큰 다이어프램 및 갭 사이즈가 가능하다. 실질적으로, 더 큰 다이어프램 서스펜션은 더 큰 갭을 필요로 하므로, 갭이 작은 장치에 비해 동일한 사운드 출력을 생성하려면 더 높은 전압이 필요하다.

본 발명의 일 구현예에서, 500㎛의 갭은 직경 20㎜의 다이어프램 서스펜션과 580V_DC의 최대 DC 전압 및 230V_rms의 최대 AC 전압과 함께 사용된다. 특정 구현예에서, 전압 요건은 갭 크기에 따라 증가하므로, 대략적으로, 40㎜ 직경 트랜스듀서는 다이어프램의 각 측면에 1㎜ 갭을 필요로 할 수 있고, 이는 결국 작동하는 데 대략 1.5kV가 필요할 수 있다. 신호 주파수가 감소함에 따라 더 큰 다이어프램 편위가 발생하기 때문에, 일반적으로 저주파 신호에는 더 큰 갭이 필요로 된다. 그 결과로서, 본 발명의 또 다른 구현예는 보다 더 작은 갭을 사용가능하여 그래핀 기반의 트랜스듀서를 미드 레인지(mid-range) 및 트위터 스피커(tweeter speaker)로서 사용하는 것인 반면에, 통상의 스피커는 오디오 스펙트럼의 저단부를 커버하는 서브 우퍼(sub-woofer)로서 사용되어진다. 이 경우, 상기 그래핀 기반 트랜스듀서의 대역폭은 크로스오버 네트워크(cross-over network)를 사용하여 더 높은 주파수 대역으로 한정된다. 따라서, 본원의 발명 대상은 마이크로 스피커에 대해 예상되는 사이즈를 훨씬 넘어서 데스크탑(desktop) 그리고 룸 스피커(room speaker)의 제조에 사용될 수 있는 트랜스듀서를 제조하는 데 사용될 수 있다.

바람직한 구현예들의 전술한 설명은 단지 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이는 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하거나 망라하도록 의도된 것이 아니며, 수정과 변경이 가능하고 및/또는 상기 교시들에 비추어 명백하거나 또는 본 발명의 실시로부터 획득될 수 있다. 상기 구현예들은 통상의 기술자가 고려되는 특정의 사용에 적합한 다양한 구현예와 다양한 수정으로 본 발명을 이용할 수 있도록 본 발명의 원리 및 그 실제 응용을 설명하도록 선택되고 기술된 것이다. 본 발명의 범위는 여기의 특허청구범위에 의해 정의되고 상기 특허청구범위는 개시된 상기 구현예들 및 그 등가물들을 포함하여 본 발명의 모든 실시양태를 망라하는 것으로 의도된다.

A: 트랜스듀서 어레이
D1, D2, D3: 다이어프램
E1, E2: 전극층
G: 접착제
G1, G2: 간격
S1, S2: 스페이서 층
1: 활성 변환 영역(active transduction area)
2: 그래핀 다이어프램 상의 추가 층
3: 감광성 물질
4: 노광된 감광성 물질
5: 노광되지않은 감광성 물질
6: 광원
7: 마스크
8: 홀
9: 인터커넥트
10: 스탠드 오프 층
11: 다이어프램의 외주
12: 노광된 그래핀 영역
13: 표면
14: 전극층 내부
15: 전극 내 개구부
16: 전극층의 유전체 층
17: 전극층의 전도성 층
18: 전극층의 제2 유전체층
19: 스페이서 층의 에폭시 층
20: 스페이서 층의 유전체 층
21: 스페이서 층의 전도성 층
22: 인터커넥트 전도성 물질
23: 인터커넥트 유전체 물질
24: 희생 막 또는 구조

Claims

2-D 물질을 포함하는 다이어프램과;
상기 다이어프램의 일측이 결합된 다수의 장치에 대한 패터닝을 갖고, 상기 다이어프램 상하에서 실질적으로 원형 부분을 정의한 원형 개방 영역의 경계를 실질적으로 이루는, 대형 원형, 시트 또는 롤 형식의 제1 스페이서와;
상기 다이어프램의 타측에 결합된 다수의 장치에 대한 패터닝을 갖고, 상기 다이어프램 상하에서 실질적으로 상기 원형 부분을 정의한 상기 원형 개방 영역의 경계를 실질적으로 이루는, 대형 원형, 시트 또는 롤 형식의 제2 스페이서와;
상기 다이어프램의 상기 원형 부분과 상기 제1 스페이서의 일측에 근접한 다수의 장치에 대한 패터닝이 있는 대형 원형, 시트 또는 롤 형식으로 된 제1 전극과;
상기 다이어프램의 상기 원형 부분과 상기 제2 스페이서의 타측에 근접한 다수의 장치에 대한 패터닝이 있는 대형 원형, 시트 또는 롤 형식으로 된 제2 전극을 포함하는 정전형 트랜스듀서.
제1항에 있어서,
2-D 물질을 포함하는 상기 다이어프램은 원자적으로 단일 또는 다층 그래핀 막인 정전형 트랜스듀서.
제1항에 있어서,
2-D 물질을 포함하는 상기 다이어프램은 h-BN, MoS₂, 및 원자적으로 단일 또는 다층 그래핀 및 h-BN, MoS₂, 또는 다른 단일층 2-D 막을 포함한 이중층 막으로 구성된 군에서 선택되는 정전형 트랜스듀서.
제1항에 있어서,
상기 제1 전극 및 제2 전극 각각에 대한 하나의 리드와 상기 다이어프램의 전체 외주의 일부 또는 주위에 배열된 하나의 리드를 포함하는, 외부의 음향 전기 신호에 대한 복수의 패터닝된 전기 전도성 인터커넥트와;
신호 감지 기능, 또는 오디오 또는 초음파 신호를 상기 전극에 인가하여 상기 다이어프램을 변조하고 음향파를 방출하는 기능을 갖는, 상기 복수의 패터닝된 전기 전도성 인터커넥트에 연결된 전기 회로를 더 포함하는 정전형 트랜스듀서.
제1항에 있어서,
상기 다이어프램은 개방형의 활성 트랜스듀서 영역을 갖고, 상기 개방형의 활성 트랜스듀서 영역은 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 둥근 직사각형, 신장(kidney) 형 또는 다른 불규칙한 형태인 정전형 트랜스듀서.
제1항에 있어서,
상기 트랜스듀서는 하기의 갭 거리 및 전압에서 작동하는 정전형 트랜스듀서.
약 0.1㎜에서 약 1㎜ 사이의 다이어프램과 전극 갭 간의 거리와;
약 20V에서 약 4kV 사이의 다이어프램에서의 V_DC와;
약 20V에서 약 4kV 사이인 V_RMS의 제1 전극 및 제2 전극에서의 V_signal.
제6항에 있어서,
상기 트랜스듀서는 하기의 갭 거리 및 전압에서 작동하는 정전형 트랜스듀서.
약 1mm의 다이어프램과 전극 갭 간의 거리와;
약 4kV의 다이어프램에서의 V_DC와;
약 4kV인 V_RMS의 제1 전극 및 제2 전극에서의 V_signal.
제6항에 있어서,
상기 트랜스듀서는 하기의 갭 거리 및 전압에서 작동하는 정전형 트랜스듀서.
0.1mm의 다이어프램과 전극 갭 간의 거리와;
최대 20V의 다이어프램에서의 V_DC와;
20V의 V_RMS인 제1 전극 및 제2 전극에서의 V_signal.
제2항에 있어서,
상기 그래핀 표면을 실질적으로 커버하도록 상기 다이어프램의 일측 또는 양측 상에 형성된 아크릴, 폴리에스테르, 실리콘, 폴리우레탄 또는 할로겐화 플라스틱 층을 더 포함하고,
상기 층은 전체 그래핀 표면을 커버하도록 연속적일 수 있거나, 상기 층은, 상기 다이어프램이 상기 다이어프램의 외주를 따라 클램핑되는 영역에 추가의 기계적 강도를 제공하기위해 상기 다이어프램의 외주 둘레를 따라서만 남게되도록, 상기 그래핀 표면의 중앙 영역으로부터 패터닝 및 제거된 정전형 트랜스듀서.
제2항에 있어서,
상기 그래핀 막의 일측 또는 양측 상에 형성된 산화규소, 산화알루미늄, 질화규소 또는 다이아몬드 및/또는 다이아몬드 유사(diamond-like) 층을 포함하는 커버 층을 더 포함하고,
상기 커버 층은 실질적으로 상기 그래핀 막의 상부 표면 및/또는 하부 표면을 커버하는 정전형 트랜스듀서.
제10항에 있어서,
상기 커버 층은, 상기 그래핀 막이 상기 그래핀 막의 외주를 따라 클램핑되는 영역에 추가적인 기계적 강도를 제공하기위해 상기 커버 층이 상기 그래핀 막의 외주를 따라서만 남게되도록, 상기 그래핀 막의 중앙 영역으로부터 패터닝 및 제거된 정전형 트랜스듀서.
제2항에 있어서,
상기 그래핀 표면을 실질적으로 커버하도록 상기 다이어프램의 일측 또는 양측 상에 형성된 포토레지스트와 같은 광활성 층을 더 포함하고,
상기 광활성 층은 인가된 정전기력에 대한 응답에서 다이어프램 편위 프로파일을 조정, 향상 또는 변조하도록 임의의 원하는 패턴으로 선택적으로 제거된 정전형 트랜스듀서.
제10항에 있어서,
포토레지스트와 같은 상기 광활성 층은 상기 그래핀 표면을 실질적으로 커버하도록 상기 다이어프램의 일측 또는 양측 상에 형성되고,
상기 포토 레지스트 층 및 그래핀은 모두 인가된 정전기력에 대한 응답에서 상기 다이어프램의 편위 프로파일을 조정, 향상 또는 변조하도록 임의의 원하는 패턴으로 선택적으로 제거된 정전형 트랜스듀서.
제1항에 있어서,
사전-라우팅된 전극 또는 스페이서 구성요소에 전기적으로 연결된 평면 내(in-plane) 층상 장치 컨택을 더 포함하는 정전형 트랜스듀서.
복수의 제1항에 따른 정전형 트랜스듀서를 포함하고, 상기 복수의 정전형 트랜스듀서는 주문형 어레이 또는 제조된 상태(as-fabricated)의 인접 멀티플렉스 장치 어레이로 배열된 어레이.
제15항에 있어서,
상기 복수의 정전형 트랜스듀서는 전기적으로 연결되고 모노 스피커 또는 대 면적 마이크로폰으로서 기능하는 어레이.
제15항에 있어서,
상기 복수의 정전형 트랜스듀서는 스피커가 개별로 또는 클러스터로 멀티플렉싱될 수 있고 동시에 상이한 스피커 채널 및 마이크로폰으로서 사용될 수 있도록 전기적으로 연결된 어레이.
제1항에 따른 정전형 트랜스듀서의 제조 방법에 있어서,
제1 전극 및 제1 스페이서 구성요소를 포함하는 제1 다층 구조와, 2-D 물질을 포함하는 다이어프램과, 제2 전극 및 제2 스페이서 구성요소를 포함하는 제2 다층 구조를 제공하는 단계와;
이어서 제1 접착제를 사용하여 상기 다이어프램을 상기 제1 다층 구조에 정렬 및 부착하는 단계와;
제2 접착제를 사용하여 상기 제2 다층 구조를 상기 다이어프램에 정렬 및 부착하는 단계를 포함하는 정전형 트랜스듀서의 제조 방법.
제18항에 있어서,
상기 2-D 물질은 원자적으로 단일 또는 다층 그래핀을 포함하는 정전형 트랜스듀서의 제조 방법.
제19항에 있어서,
적어도 상기 제1 접착제 또는 상기 제2 접착제는 전류가 상기 제1 접착제 또는 상기 제2 접착제를 가로질러 상기 다이어프램으로 통과할 수 있도록 하는 정전형 트랜스듀서의 제조 방법.
제19항에 있어서,
상기 다이어프램을 상기 제1 다층 구조에 정렬 및 부착하는 단계는 이송 보드를 사용하여 수행되는 정전형 트랜스듀서의 제조 방법.
제20항에 있어서,
상기 그래핀을 부착하기 이전에 상기 다이어프램의 그래핀 상에 그래핀 이외의 물질의 추가 박층을 패터닝하고,
상기 추가 박층은,
(a) 상기 다이어프램의 외부 외주를 따라서만 위치되도록, 또는
(b) 인가된 정전기력에 대한 응답에서 상기 다이어프램의 편위 프로파일을 본질적으로 조정하거나 향상시키기위해 상기 다이어프램 표면에 걸쳐 원하는 변위 패턴을 생성하게 위치되도록, 또는
(c) 상기 다이어프램에 원하는 패턴의 홀을 형성하기위해 일부 영역에서 그래핀을 선택적으로 제거할 수 있게 위치되도록,
패터닝되는 정전형 트랜스듀서의 제조 방법.
제22항에 있어서,
상기 패터닝은 포토리소그래피, 섀도우 마스크, 리프트 오프, 폴리싱, 잉크젯 인쇄, 3D 인쇄 또는 스크린 인쇄로 구성된 군에서 선택된 기술을 사용하는 정전형 트랜스듀서의 제조 방법.
제23항에 있어서,
상기 다이어프램은 상기 다이어프램이 정렬되고 부착된 이후에 제거되는 희생 층이 제공되는 방법.