KR20220100013A - 압전 필름 - Google Patents

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Abstract

압전체층의 양면에 전극층을 갖는 컷 시트 형상의 압전 필름에 있어서, 전극층의 쇼트를 방지할 수 있는 압전 필름의 제공을 과제로 한다. 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 포함하는 압전체층과, 압전체층의 양면에 마련되는 전극층을 갖는, 컷 시트 형상의 압전 필름으로서, 단부에 있어서의 전극층의 두께 방향의 거리가, 압전체층의 두께에 대하여 40% 이상임으로써, 과제를 해결한다.

Description

압전 필름
본 발명은, 전기 음향 변환기 등에 이용되는 압전 필름에 관한 것이다.
액정 디스플레이 및 유기 EL(Electro Luminescence) 디스플레이 등, 디스플레이의 박형화 및 경량화에 대응하여, 이들 박형 디스플레이에 이용되는 스피커에도 박형화 및 경량화가 요구되고 있다. 또, 플라스틱 등의 가요성(可撓性) 기판을 이용한 플렉시블 디스플레이의 개발에 대응하여, 이것에 이용되는 스피커에도 가요성이 요구되고 있다.
종래의 스피커의 형상은, 깔때기 형상의 이른바 콘형, 및, 구면 형상의 돔형 등이 일반적이다. 그러나, 이와 같은 스피커를 상술한 박형의 디스플레이에 내장하려고 하면, 충분히 박형화를 도모할 수 없고, 또, 경량성 및 가요성 등을 저해할 우려가 있다. 또, 스피커를 외장형으로 한 경우, 휴대 등이 번거롭다.
따라서, 박형이고, 경량성 및 가요성 등을 저해하지 않으며, 박형의 디스플레이 및 플렉시블 디스플레이 등에 일체화 가능한 스피커로서, 시트 형상이고 가요성을 가지며, 인가 전압에 응답하여 신축하는 성질을 갖는 압전 필름을 이용하는 것이 제안되고 있다.
예를 들면, 본건 출원인은, 시트 형상이고, 가요성을 가지며, 또한, 고음질의 소리를 안정적으로 재생할 수 있는 압전 필름으로서, 특허문헌 1에 개시되는 압전 필름(전기 음향 변환 필름)을 제안했다.
특허문헌 1에 개시되는 압전 필름은, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료로 이루어지는 점탄성 매트릭스 중에 압전체 입자를 분산하여 이루어지는 고분자 복합 압전체(압전체층)와, 고분자 복합 압전체의 양면에 형성된 전극층과, 전극층의 표면에 형성된 보호층을 갖는 것이다. 또, 특허문헌 1에 개시되는 압전 필름은, 고분자 복합 압전체를 X선 회절법으로 평가했을 때의, 압전체 입자에서 유래하는 (002)면 피크 강도와 (200)면 피크 강도의 강도 비율 α1=(002)면 피크 강도/((002)면 피크 강도+(200)면 피크 강도)가, 0.6 이상 1 미만이라는 특징을 갖는다.
국제 공개공보 제2017/018313호
이와 같은 압전 필름은, 예를 들면, 굴곡된 상태로 유지함으로써, 압전 스피커로서 기능한다. 즉, 압전 필름을 굴곡 상태로 유지하여, 전극층에 구동 전압을 인가함으로써, 압전체 입자의 신축에 의하여 고분자 복합 압전체가 신축되고, 이 신축을 흡수하기 위하여 진동한다. 압전 필름은, 이 진동에 의하여 공기를 진동시켜, 전기 신호를 소리로 변환하고 있다.
이 압전 필름은, 압전체층의 양면에 전극층을 갖고, 그 양면에 보호층을 마련한 구성을 갖는다. 이와 같은 압전 필름에 있어서, 압전체층은, 예를 들면, 300μm 이하가 바람직하고, 매우 얇다. 또, 압전 필름은, 원하는 형상으로 절단되어, 컷 시트로서 이용되는 경우가 많다.
그 때문에, 압전 필름의 단부(절단면)에 있어서, 압전체층의 양면의 전극이 쇼트되기 쉬워, 압전 필름이 적정하게 동작하지 않게 되어 버리는 경우가 있다.
본 발명의 목적은, 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하는 것에 있고, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 포함하는 압전체층의 양면에 전극층을 갖는 컷 시트 형상의 압전 필름에 있어서, 단부에 있어서의 전극층의 쇼트에 의한 동작 불량을 방지할 수 있는 압전 필름을 제공하는 것에 있다.
이 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은, 이하의 구성을 갖는다.
[1]
고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 포함하는 압전체층과, 압전체층의 양면에 마련되는 전극층을 갖는, 컷 시트 형상의 압전 필름으로서,
단부에 있어서의 전극층의 두께 방향의 거리가, 압전체층의 두께에 대하여 40% 이상인 것을 특징으로 하는 압전 필름.
[2]
전극층의 적어도 일방을 덮는 보호층을 갖는, [1]에 기재된 압전 필름.
[3]
단부에 있어서의 전극층의 두께 방향의 거리가, 압전체층의 두께에 대하여 95% 이하인, [1] 또는 [2]에 기재된 압전 필름.
[4]
고분자 재료가 사이아노에틸기를 갖는, [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 압전 필름.
[5]
고분자 재료가 사이아노에틸화 폴리바이닐알코올인, [4]에 기재된 압전 필름.
본 발명에 의하면, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 포함하는 압전체층의 양면에 전극층 및 보호층을 갖는 컷 시트 형상의 압전 필름에 있어서, 단부에 있어서의 전극층의 쇼트를 방지할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 압전 필름의 일례를 개념적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 압전 필름에 있어서의 압전체층의 두께에 대한 전극 간 거리의 비율 측정 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은, 본 발명의 압전 필름에 있어서의 압전체층의 두께에 대한 전극 간 거리의 비율 측정 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는, 본 발명의 압전 필름의 제조 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는, 본 발명의 압전 필름의 제조 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은, 본 발명의 압전 필름의 제조 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은, 본 발명의 압전 필름의 제조 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 8은, 본 발명의 압전 필름의 제조 방법의 일례를 설명하기 위한 개념도이다.
도 9는, 본 발명의 압전 필름을 이용하는 평면 스피커의 일례의 개념도이다.
도 10은, 실시예에 있어서의 측정 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
이하, 본 발명의 압전 필름에 대하여, 첨부한 도면에 나타나는 적합 실시형태를 근거로 하여, 상세하게 설명한다.
이하에 기재하는 구성 요건의 설명은, 본 발명의 대표적인 실시형태에 근거하여 이루어지는 경우가 있지만, 본 발명은 그와 같은 실시형태에 제한되는 것은 아니다. 또, 이하에 나타내는 도면은, 모두, 본 발명을 설명하기 위한 개념적인 도면이며, 각층(各層)의 두께, 구성 부재의 크기, 및, 구성 부재의 위치 관계 등은, 실제의 것과는 상이하다.
또한, 본 명세서에 있어서, "~"를 이용하여 나타나는 수치 범위는, "~"의 전후에 기재되는 수치를 하한값 및 상한값으로서 포함하는 범위를 의미한다.
본 발명의 압전 필름은, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 포함하는 압전체층과, 이 압전체층의 양면에 마련되는 전극층을 갖는 것이다. 또, 압전체층의 두께에 대하여, 단부에 있어서의 전극 간의 두께 방향의 거리가 40% 이상이다.
본 발명의 압전 필름은, 바람직하게는 일방의 전극층을 덮고, 보다 바람직하게는 양방의 전극층을 덮어, 보호층을 갖는다.
이와 같은 본 발명의 압전 필름은, 일례로서, 전기 음향 변환 필름으로서 이용되는 것이다. 구체적으로는, 본 발명의 압전 필름은, 압전 스피커, 마이크로폰, 및, 음성 센서 등의 전기 음향 변환기의 진동판으로서 이용된다.
전기 음향 변환기는, 압전 필름에 대한 전압 인가에 의하여, 압전 필름이 면방향으로 신장되면, 이 신장분을 흡수하기 위하여, 압전 필름이, 상방(소리의 방사 방향)으로 이동하고, 반대로, 압전 필름에 대한 전압 인가에 의하여, 압전 필름이 면방향으로 수축되면, 이 수축분을 흡수하기 위하여, 압전 필름이, 하방으로 이동한다.
전기 음향 변환기는, 이 압전 필름의 신축의 반복에 의한 진동에 의하여, 진동(소리)과 전기 신호를 변환하는 것이고, 압전 필름에 전기 신호를 입력하여 전기 신호에 따른 진동에 의하여 소리를 재생하거나, 음파를 받는 것에 의한 압전 필름의 진동을 전기 신호로 변환하거나, 진동에 의한 촉감 부여 및 물체의 수송 등에 이용된다.
구체적으로는, 압전 필름의 용도로서는, 풀 레인지 스피커, 트위터, 스쿼커 및 우퍼 등의 스피커, 헤드폰용 스피커, 노이즈 캔슬러, 마이크로폰, 및, 기타 등의 악기에 이용되는 픽업(악기용 센서) 등, 각종 음향 디바이스를 들 수 있다. 또, 본 발명의 압전 필름은 비자성체이기 때문에, 노이즈 캔슬러 중에서도 MRI용 노이즈 캔슬러로서 적합하게 이용하는 것이 가능하다.
또, 본 발명의 압전 필름을 이용하는 전기 음향 변환기는, 얇고, 가벼우며, 구부러지기 때문에, 모자, 머플러 및 의복과 같은 웨어러블 제품, 텔레비전 및 디지털 사이니지 등의 박형 디스플레이, 및, 음향 기기 등으로서의 기능을 갖는 건축물, 자동차의 천장, 커튼, 우산, 벽지, 창 및 침대 등에 적합하게 이용된다.
도 1에, 본 발명의 압전 필름의 일례를 개념적으로 나타낸다.
도 1에 나타내는 압전 필름(10)은, 압전체층(12)과, 압전체층(12)의 일방의 면에 적층되는 제1 전극층(14)과, 제1 전극층(14)에 적층되는 제1 보호층(18)과, 압전체층(12)의 타방의 면에 적층되는 제2 전극층(16)과, 제2 전극층(16)에 적층되는 제2 보호층(20)을 갖는다.
본 발명의 압전 필름(10)은, 예를 들면, 롤·투·롤에 의하여 제작된 장척인 압전 필름, 또는, 대판(大判)의 압전 필름으로부터, 원하는 형상으로 잘라낸, 컷 시트 형상(매엽지 형상)의 필름이다. 따라서, 압전 필름(10)의 단면은, 절단면이다.
본 발명의 압전 필름(10)에 있어서, 압전체층(12)은, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스(24) 중에, 압전체 입자(26)를 포함하는, 고분자 복합 압전체층이다.
여기에서, 고분자 복합 압전체(압전체층(12))는, 다음의 용건을 구비한 것인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서, 상온이란, 0~50℃이다.
(i) 가요성
예를 들면, 휴대용으로서 신문 및 잡지 등과 같이 서류 감각으로 느슨하게 휘게 한 상태에서 파지하는 경우, 끊임없이 외부로부터, 수Hz 이하의 비교적 느린, 큰 굽힘 변형을 받게 된다. 이때, 고분자 복합 압전체가 단단하면, 그만큼 큰 굽힘 응력이 발생하고, 고분자 매트릭스와 압전체 입자의 계면에서 균열이 발생하여, 결국에는 파괴로 이어질 우려가 있다. 따라서, 고분자 복합 압전체에는 적절한 유연함이 요구된다. 또, 왜곡 에너지를 열로서 외부로 확산시킬 수 있으면 응력을 완화할 수 있다. 따라서, 고분자 복합 압전체의 손실 탄젠트가 적절히 클 것이 요구된다.
(ii) 음질
스피커는, 20Hz~20kHz의 오디오 대역의 주파수로 압전체 입자를 진동시켜, 그 진동 에너지에 의하여 진동판(고분자 복합 압전체) 전체가 일체가 되어 진동함으로써 소리가 재생된다. 따라서, 진동 에너지의 전달 효율을 높이기 위하여 고분자 복합 압전체에는 적절한 경도가 요구된다. 또, 스피커의 주파수 특성이 평활하면, 곡률의 변화에 따라 최저 공진 주파수 f0이 변화했을 때의 음질의 변화량도 작아진다. 따라서, 고분자 복합 압전체의 손실 탄젠트는 적절히 클 것이 요구된다.
스피커용 진동판의 최저 공진 주파수 f0은, 하기 식으로 주어지는 것은 주지이다. 여기에서, s는 진동계의 스티프니스, m은 질량이다.
[수학식 1]
Figure pct00001
이때, 압전 필름의 만곡 정도 즉 만곡부의 곡률 반경이 커질수록 기계적인 스티프니스 s가 낮아지기 때문에, 최저 공진 주파수 f0은 작아진다. 즉, 압전 필름의 곡률 반경에 의하여 스피커의 음질(음량, 주파수 특성)이 바뀌게 된다.
이상을 정리하면, 고분자 복합 압전체는, 20Hz~20kHz의 진동에 대해서는 단단하고, 수Hz 이하의 진동에 대해서는 부드럽게 거동할 것이 요구된다. 또, 고분자 복합 압전체의 손실 탄젠트는, 20kHz 이하의 모든 주파수의 진동에 대하여, 적절히 클 것이 요구된다.
일반적으로, 고분자 고체는 점탄성 완화 기구를 갖고 있으며, 온도 상승 혹은 주파수의 저하와 함께 큰 스케일의 분자 운동이 저장 탄성률(영률)의 저하(완화) 혹은 손실 탄성률의 극대(흡수)로서 관측된다. 그중에서도, 비정질 영역의 분자쇄의 마이크로 브라운 운동에 의하여 야기되는 완화는, 주(主)분산이라고 불리고, 매우 큰 완화 현상이 보인다. 이 주분산이 일어나는 온도가 유리 전이점(Tg)이며, 가장 점탄성 완화 기구가 현저하게 나타난다.
고분자 복합 압전체(압전체층(12))에 있어서, 유리 전이점이 상온에 있는 고분자 재료, 바꾸어 말하면, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료를 매트릭스에 이용함으로써, 20Hz~20kHz의 진동에 대해서는 단단하고, 수Hz 이하의 느린 진동에 대해서는 부드럽게 거동하는 고분자 복합 압전체가 실현된다. 특히, 이 거동이 적합하게 발현하는 등의 점에서, 주파수 1Hz에서의 유리 전이점 Tg가 상온에 있는 고분자 재료를, 고분자 복합 압전체의 매트릭스에 이용하는 것이 바람직하다.
매트릭스(24)가 되는 고분자 재료는, 상온에 있어서, 동적 점탄성 시험에 의한 주파수 1Hz에 있어서의 손실 탄젠트 Tanδ의 극댓값이, 0.5 이상인 것이 바람직하다.
이로써, 고분자 복합 압전체가 외력에 의하여 천천히 구부러졌을 때에, 최대 굽힘 모멘트부에 있어서의 고분자 매트릭스/압전체 입자 계면의 응력 집중이 완화되어, 높은 가요성을 기대할 수 있다.
또, 매트릭스(24)가 되는 고분자 재료는, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 저장 탄성률(E')이, 0℃에 있어서 100MPa 이상, 50℃에 있어서 10MPa 이하인 것이 바람직하다.
이로써, 고분자 복합 압전체가 외력에 의하여 천천히 구부러졌을 때에 발생하는 굽힘 모멘트를 저감시킬 수 있음과 동시에, 20Hz~20kHz의 음향 진동에 대해서는 단단하게 거동할 수 있다.
또, 매트릭스(24)가 되는 고분자 재료는, 비유전율이 25℃에 있어서 10 이상이면, 보다 적합하다. 이로써, 고분자 복합 압전체에 전압을 인가했을 때에, 고분자 매트릭스 중의 압전체 입자에는 보다 높은 전계가 가해지기 때문에, 큰 변형량을 기대할 수 있다.
그러나, 그 반면, 양호한 내습성의 확보 등을 고려하면, 고분자 재료는, 비유전율이 25℃에 있어서 10 이하인 것도, 적합하다.
이와 같은 조건을 충족시키는 고분자 재료로서는, 사이아노에틸화 폴리바이닐알코올(사이아노에틸화 PVA), 폴리아세트산 바이닐, 폴리바이닐리덴 클로라이드코아크릴로나이트릴, 폴리스타이렌-바이닐폴리아이소프렌 블록 공중합체, 폴리바이닐메틸케톤, 및, 폴리뷰틸메타크릴레이트 등이 적합하게 예시된다.
또, 이들 고분자 재료로서는, 하이브라 5127(구라레사제) 등의 시판품도, 적합하게 이용 가능하다.
매트릭스(24)를 구성하는 고분자 재료로서는, 사이아노에틸기를 갖는 고분자 재료를 이용하는 것이 바람직하고, 사이아노에틸화 PVA를 이용하는 것이 특히 바람직하다. 즉, 본 발명의 압전 필름(10)에 있어서, 압전체층(12)은, 매트릭스(24)로서, 사이아노에틸기를 갖는 고분자 재료를 이용하는 것이 바람직하고, 사이아노에틸화 PVA를 이용하는 것이 특히 바람직하다.
이하의 설명에서는, 사이아노에틸화 PVA를 대표로 하는 상술한 고분자 재료를, 통틀어 "상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료"라고도 한다.
또한, 이들 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료는, 1종만을 이용해도 되고, 복수 종을 병용(혼합)하여 이용해도 된다.
본 발명의 압전 필름(10)에 있어서, 압전체층(12)의 매트릭스(24)에는, 필요에 따라, 복수의 고분자 재료를 병용해도 된다.
즉, 고분자 복합 압전체를 구성하는 매트릭스(24)에는, 유전 특성 및 기계적 특성 등의 조절 등을 목적으로 하여, 상술한 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료에 더하여, 필요에 따라, 그 외의 유전성 고분자 재료를 첨가해도 된다.
첨가 가능한 유전성 고분자 재료로서는, 일례로서, 폴리 불화 바이닐리덴, 불화 바이닐리덴-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 불화 바이닐리덴-트라이플루오로에틸렌 공중합체, 폴리 불화 바이닐리덴-트라이플루오로에틸렌 공중합체 및 폴리 불화 바이닐리덴-테트라플루오로에틸렌 공중합체 등의 불소계 고분자, 사이안화 바이닐리덴-아세트산 바이닐 공중합체, 사이아노에틸셀룰로스, 사이아노에틸하이드록시사카로스, 사이아노에틸하이드록시셀룰로스, 사이아노에틸하이드록시풀루란, 사이아노에틸메타크릴레이트, 사이아노에틸아크릴레이트, 사이아노에틸하이드록시에틸셀룰로스, 사이아노에틸아밀로스, 사이아노에틸하이드록시프로필셀룰로스, 사이아노에틸다이하이드록시프로필셀룰로스, 사이아노에틸하이드록시프로필아밀로스, 사이아노에틸폴리아크릴아마이드, 사이아노에틸폴리아크릴레이트, 사이아노에틸풀루란, 사이아노에틸폴리하이드록시메틸렌, 사이아노에틸글리시돌풀루란, 사이아노에틸사카로스 및 사이아노에틸소비톨 등의 사이아노기 또는 사이아노에틸기를 갖는 폴리머, 및, 나이트릴 고무 및 클로로프렌 고무 등의 합성 고무 등이 예시된다.
그중에서도, 사이아노에틸기를 갖는 고분자 재료는, 적합하게 이용된다.
또, 압전체층(12)의 매트릭스(24)에 있어서, 이들 유전성 고분자 재료는, 1종에 제한은 되지 않고, 복수 종을 첨가해도 된다.
또, 유전성 고분자 재료 이외에도, 매트릭스(24)의 유리 전이점 Tg를 조절할 목적으로, 염화 바이닐 수지, 폴리에틸렌, 폴리스타이렌, 메타크릴 수지, 폴리뷰텐 및 아이소뷰틸렌 등의 열가소성 수지, 및, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 알카이드 수지 및 마이카 등의 열경화성 수지 등을 첨가해도 된다.
또한, 점착성을 향상시킬 목적으로, 로진에스터, 로진, 터펜, 터펜페놀, 및, 석유 수지 등의 점착 부여제를 첨가해도 된다.
압전체층(12)의 매트릭스(24)에 있어서, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료 이외의 고분자 재료를 첨가할 때의 첨가량에는 제한은 없지만, 매트릭스(24)에서 차지하는 비율로 30질량% 이하로 하는 것이 바람직하다.
이로써, 매트릭스(24)에 있어서의 점탄성 완화 기구를 저해하지 않고, 첨가하는 고분자 재료의 특성을 발현할 수 있기 때문에, 고유전율화, 내열성의 향상, 압전체 입자(26) 및 전극층과의 밀착성 향상 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
압전체층(12)이 되는 고분자 복합 압전체는, 이와 같은 고분자 매트릭스에, 압전체 입자(26)를 포함하는 것이다. 압전체 입자(26)는, 고분자 매트릭스에 분산되어 있다. 바람직하게는, 압전체 입자(26)는, 고분자 매트릭스에 균일(대략 균일)하게 분산된다.
압전체 입자(26)는, 바람직하게는, 페로브스카이트형 또는 우르차이트형의 결정 구조를 갖는 세라믹스 입자로 이루어지는 것이다.
압전체 입자(26)를 구성하는 세라믹스 입자로서는, 예를 들면, 타이타늄산 지르코늄산 납(PZT), 타이타늄산 지르코늄산 란타넘산 납(PLZT), 타이타늄산 바륨(BaTiO3), 산화 아연(ZnO), 및, 타이타늄산 바륨과 비스무트페라이트(BiFe3)의 고용체(固溶體)(BFBT) 등의 입자가 예시된다.
압전체 입자(26)의 입경은, 압전 필름(10)의 사이즈, 및, 압전 필름(10)의 용도 등에 따라, 적절히, 선택하면 된다. 압전체 입자(26)의 입경은, 1~10μm가 바람직하다.
압전체 입자(26)의 입경을 상기 범위로 함으로써, 높은 압전 특성과 플렉시빌리티를 양립시킬 수 있는 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
압전 필름(10)에 있어서, 압전체층(12) 중에 있어서의 매트릭스(24)와 압전체 입자(26)의 양비는, 압전 필름(10)의 면방향의 크기, 압전 필름(10)의 두께, 압전 필름(10)의 용도, 및, 압전 필름(10)에 요구되는 특성 등에 따라, 적절히, 설정하면 된다.
압전체층(12) 중에 있어서의 압전체 입자(26)의 체적 분율은, 30~80%가 바람직하고, 50~80%가 보다 바람직하다.
매트릭스(24)와 압전체 입자(26)의 양비를 상기 범위로 함으로써, 높은 압전 특성과 플렉시빌리티를 양립시킬 수 있는 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
또, 압전 필름(10)에 있어서, 압전체층(12)의 두께에는 제한은 없고, 압전 필름(10)의 사이즈, 압전 필름(10)의 용도, 압전 필름(10)에 요구되는 특성 등에 따라, 적절히, 설정하면 된다.
압전체층(12)의 두께는, 8~300μm가 바람직하고, 8~200μm가 보다 바람직하며, 10~150μm가 더 바람직하고, 15~100μm가 특히 바람직하다.
압전체층(12)의 두께를, 상기 범위로 함으로써, 강성의 확보와 적절한 유연성의 양립 등의 점에서 바람직한 결과를 얻을 수 있다.
압전체층(12)은, 두께 방향으로 분극 처리(폴링)되어 있는 것이 바람직하다. 분극 처리에 관해서는, 이후에 상세하게 설명한다.
압전체층(12)에는, 금속 불순물이 혼입되는 경우가 있다.
예를 들면, 압전체층(12)은, 후술하는 바와 같이, 압전체층(12)을 형성하기 위한 도료를 이용하여 형성한다. 이 도료는, 유기 용매에, 매트릭스(24)가 되는 고분자 재료와 압전체 입자(26)을 투입하여, 교반함으로써 조제한다. 이 도료의 조제 때의 교반 시에, 교반을 행하는 금속제의 프로펠러가 파손되어, 도료 중에 혼입되어 버려, 금속 불순물로서 압전체층(12) 중에 혼입되는 경우가 있다.
이와 같은 금속 불순물이 압전체층(12)에 혼입되면, 금속 불순물에 기인하여, 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)이 쇼트되어 버려, 압전 필름(10)이 적정하게 작동하지 않게 되어 버리는 경우가 있다.
따라서, 압전체층(12)은, 이와 같은 금속 불순물의 양이 적은 것이 바람직하다. 구체적으로는, 압전체층(12) 중에 있어서의 금속 불순물의 양은, 200ppm 이하가 바람직하고, 100ppm 이하가 보다 바람직하며, 전혀 포함하지 않는 것이 더 바람직하다.
또한, 압전체층(12) 중에 있어서의 금속 불순물의 양은, 압전체층(12)을 강산 등으로 처리하여 회화(灰化)를 행하여, ICP(Inductively Coupled Plasma(유도 결합 플라즈마)) 분석에 의하여 측정하면 된다. 검출 대상 금속은, 일례로서, Li, B, Na, Mg, Al, K, Ca, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, In, Ba, Tl, 및, Bi로 한다. 이들 금속이 바람직한 범위에 있으면, 쇼트를 억제할 수 있다.
도 1에 나타내는 압전 필름(10)의 적층 필름은, 이와 같은 압전체층(12)의 일방의 면에, 제2 전극층(16)을 갖고, 제2 전극층(16)의 표면에 제2 보호층(20)을 가지며, 압전체층(12)의 타방의 면에, 제1 전극층(14)을 갖고, 제1 전극층(14)의 표면에 제1 보호층(18)을 가져 이루어지는 구성을 갖는다. 압전 필름(10)에서는, 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)이 전극쌍을 형성한다.
바꾸어 말하면, 본 발명의 압전 필름(10)을 구성하는 적층 필름은, 압전체층(12)의 양면을 전극쌍, 즉, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)으로 협지하고, 또한, 제1 보호층(18) 및 제2 보호층(20)으로 협지하여 이루어지는 구성을 갖는다.
이와 같이, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)으로 협지된 영역은, 인가된 전압에 따라 구동된다.
또한, 본 발명에 있어서, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16) 등에 있어서의 제1 및 제2란, 본 발명의 압전 필름(10)을 설명하기 위하여, 편의적으로 붙이고 있는 것이다.
따라서, 본 발명의 압전 필름(10)에 있어서의 제1 및 제2에는, 기술적인 의미는 없고, 또, 실제의 사용 상태와는 무관하다.
본 발명의 압전 필름(10)은, 이들 층에 더하여, 예를 들면, 전극층과 압전체층(12)을 첩착하기 위한 첩착층, 및, 전극층과 보호층을 첩착하기 위한 첩착층을 가져도 된다.
첩착제는, 접착제여도 되고 점착제여도 된다. 또, 첩착제는, 압전체층(12)으로부터 압전체 입자(26)를 제거한 고분자 재료 즉 매트릭스(24)와 동일한 재료도, 적합하게 이용 가능하다. 또한, 첩착층은, 제1 전극층(14) 측 및 제2 전극층(16) 측의 양방에 가져도 되고, 제1 전극층(14) 측 및 제2 전극층(16) 측의 일방에만 가져도 된다.
압전 필름(10)에 있어서, 제1 보호층(18) 및 제2 보호층(20)은, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)을 피복함과 함께, 압전체층(12)에 적절한 강성과 기계적 강도를 부여하는 역할을 담당하고 있다. 즉, 본 발명의 압전 필름(10)에 있어서, 매트릭스(24)와 압전체 입자(26)를 포함하는 압전체층(12)은, 느린 굽힘 변형에 대해서는, 매우 우수한 가요성을 나타내는 한편, 용도에 따라서는, 강성 및 기계적 강도 등이 부족한 경우가 있다. 압전 필름(10)은, 그것을 보완하기 위하여 제1 보호층(18) 및 제2 보호층(20)이 마련된다.
제1 보호층(18)과 제2 보호층(20)은, 배치 위치가 상이할 뿐이고, 구성은 동일하다. 따라서, 이하의 설명에 있어서는, 제1 보호층(18) 및 제2 보호층(20)을 구별할 필요가 없는 경우에는, 두 부재를 통틀어, 보호층이라고도 한다.
보호층에는, 제한은 없고, 각종 시트 형상물이 이용 가능하며, 일례로서, 각종 수지 필름이 적합하게 예시된다. 그중에서도, 우수한 기계적 특성 및 내열성을 갖는 등의 이유에 의하여, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 폴리스타이렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에터이미드(PEI), 폴리이미드(PI), 폴리아마이드(PA), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 트라이아세틸셀룰로스(TAC), 및, 환상 올레핀계 수지 등으로 이루어지는 수지 필름이 적합하게 이용된다.
보호층의 두께에도, 제한은 없다. 또, 제1 보호층(18) 및 제2 보호층(20)의 두께는, 기본적으로 동일하지만, 상이해도 된다.
보호층의 강성이 과하게 높으면, 압전체층(12)의 신축을 구속할 뿐만 아니라, 가요성도 저해된다. 그 때문에, 기계적 강도 및 시트 형상물로서의 양호한 핸들링성 등이 요구되는 경우를 제외하면, 보호층은, 얇을수록 유리하다.
제1 보호층(18) 및 제2 보호층(20)의 두께가, 각각, 압전체층(12)의 두께의 2배 이하이면, 강성의 확보와 적절한 유연성의 양립 등의 점에서 바람직한 결과가 얻어진다.
예를 들면, 압전체층(12)의 두께가 50μm이며 제1 보호층(18) 및 제2 보호층(20)이 PET로 이루어지는 경우, 제1 보호층(18) 및 제2 보호층(20)의 두께는 각각, 100μm 이하가 바람직하고, 50μm 이하가 보다 바람직하며, 그중에서도 25μm 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 압전 필름에 있어서, 보호층은, 필수 구성 요건은 아니다. 따라서, 본 발명의 압전 필름은, 제1 보호층(18) 및 제2 보호층(20) 중 어느 하나를 갖지 않아도 되고, 양방을 갖지 않아도 된다.
그러나, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)의 보호, 압전체층(12)의 보호, 및, 압전 필름의 취급성(핸들링성) 등을 고려하면, 본 발명의 압전 필름은, 제1 보호층(18) 또는 제2 보호층(20)을 갖는 것이 바람직하고, 제1 보호층(18) 및 제2 보호층(20)의 양방을 갖는 것이 바람직하다.
압전 필름(10)(적층 필름)에 있어서, 압전체층(12)과 제1 보호층(18)의 사이에는 제1 전극층(14)이, 압전체층(12)과 제2 보호층(20)의 사이에는 제2 전극층(16)이, 각각 형성된다. 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)은, 압전 필름(10)(압전체층(12))에 전계를 인가하기 위하여 마련된다.
제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)은, 위치가 상이한 것 이외에는, 기본적으로 동일한 것이다. 따라서, 이하의 설명에 있어서는, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)을 구별할 필요가 없는 경우에는, 두 부재를 통틀어, 전극층이라고도 한다.
본 발명의 압전 필름에 있어서, 전극층의 형성 재료에는 제한은 없고, 각종 도전체가 이용 가능하다. 구체적으로는, 탄소, 팔라듐, 철, 주석, 알루미늄, 니켈, 백금, 금, 은, 구리, 크로뮴, 몰리브데넘, 이들의 합금, 산화 인듐 주석, 및, PEDOT/PPS(폴리에틸렌다이옥시싸이오펜-폴리스타이렌설폰산) 등의 도전성 고분자 등이 예시된다.
그중에서도, 구리, 알루미늄, 금, 은, 백금, 및, 산화 인듐 주석은, 적합하게 예시된다. 그중에서도, 도전성, 비용 및 가요성 등의 관점에서 구리가 보다 바람직하다.
또, 전극층의 형성 방법에도 제한은 없고, 진공 증착 및 스퍼터링 등의 기상 퇴적법(진공 성막법), 도금에 의한 성막, 상기 재료로 형성된 박을 첩착하는 방법, 및, 도포에 의한 방법 등, 공지의 방법이, 각종, 이용 가능하다.
그중에서도 특히, 압전 필름(10)의 가요성을 확보할 수 있는 등의 이유에서, 진공 증착에 의하여 성막된 구리 및 알루미늄 등의 박막은, 전극층으로서, 적합하게 이용된다. 그중에서도 특히, 진공 증착에 의한 구리의 박막은, 적합하게 이용된다.
제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)의 두께에는, 제한은 없다. 또, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)의 두께는, 기본적으로 동일하지만, 상이해도 된다.
여기에서, 상술한 보호층과 동일하게, 전극층의 강성이 과하게 높으면, 압전체층(12)의 신축을 구속할 뿐만 아니라, 가요성도 저해된다. 그 때문에, 전극층은, 전기 저항이 과하게 높아지지 않는 범위이면, 얇을수록 유리하다.
본 발명의 압전 필름(10)에서는, 전극층의 두께와 영률의 곱이, 보호층의 두께와 영률의 곱을 하회하면, 가요성을 크게 저해하는 경우가 없기 때문에, 적합하다.
예를 들면, 보호층이 PET(영률: 약 6.2GPa)이고, 전극층이 구리(영률: 약 130GPa)로 이루어지는 조합인 경우, 보호층의 두께가 25μm라고 하면, 전극층의 두께는, 1.2μm 이하가 바람직하며, 0.3μm 이하가 보다 바람직하고, 0.1μm 이하로 하는 것이 더 바람직하다.
압전 필름(10)은, 압전체층(12)을, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)으로 협지하고, 또한, 제1 보호층(18) 및 제2 보호층(20)을 협지한 구성을 갖는다.
이와 같은 압전 필름(10)은, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 손실 탄젠트(Tanδ)가 0.1 이상이 되는 극댓값이 상온에 존재하는 것이 바람직하다.
이로써, 압전 필름(10)이 외부로부터 수Hz 이하의 비교적 느린, 큰 굽힘 변형을 받았다고 해도, 왜곡 에너지를 효과적으로 열로서 외부로 확산시킬 수 있기 때문에, 고분자 매트릭스와 압전체 입자의 계면에서 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
압전 필름(10)은, 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 저장 탄성률(E')이, 0℃에 있어서 10~30GPa, 50℃에 있어서 1~10GPa인 것이 바람직하다.
이로써, 상온에서 압전 필름(10)이 저장 탄성률(E')에 큰 주파수 분산을 가질 수 있다. 즉, 20Hz~20kHz의 진동에 대해서는 단단하고, 수Hz 이하의 진동에 대해서는 부드럽게 거동할 수 있다.
또, 압전 필름(10)은, 두께와 동적 점탄성 측정에 의한 주파수 1Hz에서의 저장 탄성률(E')의 곱이, 0℃에 있어서 1.0×106~2.0×106N/m, 50℃에 있어서 1.0×105~1.0×106N/m인 것이 바람직하다.
이로써, 압전 필름(10)이 가요성 및 음향 특성을 저해하지 않는 범위에서, 적절한 강성과 기계적 강도를 구비할 수 있다.
또한, 압전 필름(10)은, 동적 점탄성 측정으로부터 얻어진 마스터 커브에 있어서, 25℃, 주파수 1kHz에 있어서의 손실 탄젠트(Tanδ)가, 0.05 이상인 것이 바람직하다.
이로써, 압전 필름(10)을 이용한 스피커의 주파수 특성이 평활하게 되어, 스피커(압전 필름(10))의 곡률의 변화에 따라 최저 공진 주파수 f0이 변화했을 때의 음질의 변화량도 작게 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 압전 필름(10)은, 롤·투·롤에 의하여 제작된 장척인 압전 필름, 또는, 대판의 압전 필름으로부터, 원하는 형상으로 잘라낸, 컷 시트 형상의 것이다. 따라서, 단면은 절단면이다.
여기에서, 본 발명의 압전 필름(10)은, 단부에 있어서의 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)의 두께 방향의 거리 d가, 압전체층(12)의 두께 t에 대하여, 40% 이상이다. 또한, 두께 방향이란, 바꾸어 말하면, 압전체층(12)과, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)과, 제1 보호층(18) 및 제2 보호층(20)의 적층 방향이다.
본 발명의 압전 필름(10)은, 이와 같은 구성을 가짐으로써, 단부에 있어서의 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)의 쇼트(단락(短絡))를 적합하게 방지할 수 있다.
압전 필름에서는, 압전체층을 협지하는 전극층의 절연성이 설계와 같이 충분히 확보되어 있는 것이 중요하다. 절연성이 불충분한 경우, 구동에 필요한 전압을 인가했을 때에 전극 간에서 발생하는 쇼트에 의하여 전원에 설계값 이상의 전압이 가해져, 전원의 고장(파손) 또는 보호 회로에 의하여 이상 정지함으로써, 구동이 정지한다.
압전체층을 전극층으로 협지한 컷 시트 형상의 압전 필름의 경우, 전극층 간의 쇼트는, 대부분이 압전 필름의 단면(절단면)에서 발생한다.
즉, 대판의 시트 형상물로부터 원하는 형상의 컷 시트를 잘라낼 때에는, 예를 들면, 커터 날에 의한 절단, 및, 금형에 의한 펀칭 등이 이용된다. 이 절단에서는, 잘려지는 컷 시트의 절단부에는 전단 응력이 가해지고, 항복(降伏) 응력이 가해진 시점에서, 시트가 절단(재단)된다.
그 때문에, 본 발명의 압전 필름(10)의 단부(端部)(단면(端面)/절단면)에서는, 전단 응력에 의한 소성 변형, 이른바 처짐이 발생하여, 도 1에 개념적으로 나타내는 바와 같이, 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)이 근접해 버려, 쇼트가 발생하기 쉬워진다.
전극 간에 방전(스파크)이 발생하는 전압은, 대기 조건 및 전극의 형상에 따라서도 상이하지만, 예를 들면 평판과 바늘 형상의 전극으로 전극 간 거리가 100μm 정도의 경우, 일반적으로, 수백 볼트에도 도달한다.
그런데, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 포함하는 압전체층, 즉, 고분자 복합 압전체층의 양면에 전극층을 마련한 압전 필름에서는, 절단 조건에 따라서는, 실제의 방전은, 그보다 대폭으로 낮은 전압에서 발생한다.
이 연장 상에 있다고 생각되는 쇼트의 발생 현상에 대하여, 본 발명자는, 검토를 더 거듭했다. 그 결과, 컷 시트 형상의 압전 필름의 쇼트는, 절단 시에 발생하는 전극층의 버(burr), 및, 절단으로 발생한 전극층의 찌꺼기(조각 찌꺼기)가, 절단면 즉 압전 필름의 단면에 부착되는 것에 원인이 있는 것을 발견했다.
압전체층을 전극층으로 협지한 압전 필름을 절단하는 경우에는, 전극층이 금속의 전연성(展延性)에 의하여 부분적으로 인출되어 버리는, 이른바 버(수염 결정)가 발생한다. 또, 절단에 의하여, 전극층이 미세하게 파단되어 전극층의 찌꺼기가 발생한다. 절단을 행할 때에는, 버 및 찌꺼기의 생성을 피할 수 없다.
예를 들면, PVDF(폴리 불화 바이닐리덴) 등의 압전 재료를 압전체층으로서 이용하는, 일반적인 압전 필름이면, 전극층의 버 및 찌꺼기에 의한 영향은, 적다. 따라서, 압전체층을 두껍게 함으로써, 쇼트를 회피하는 것도 가능하다.
이에 대하여, 고분자 복합 압전체층은, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 포함하기 때문에, PVDF 등으로 이루어지는 압전체층에 비교하여, 단단하고, 또한, 깨지기 쉽다. 그 때문에, 고분자 복합 압전체층을 전극층으로 협지한 압전 필름에서는, 절단 시에 커터 날 및 펀칭 금형 등에 가해지는 부담이 크고, 또, 진동도 발생하기 쉬워, 일반적인 압전 필름보다, 전극층의 버 및 찌꺼기가 다량으로 생성되어 버린다.
그 때문에, 고분자 복합 압전체층을 전극층으로 협지한 압전 필름에서는, 전극층의 버 및 찌꺼기가 단면에 다량으로 부착되어 버린다. 그 결과, 압전 필름의 단면에 있어서의 전극 간 거리가, 실제의 전극층끼리의 거리에 비하여, 실질적으로 매우 짧아져 버린다. 또, 고분자 압전체층의 경우에는, 압전체층을 두껍게 해도, 그만큼, 절단 길이가 길어져, 버 및 찌꺼기의 생성량이 증가하므로, 해결책은 되지 않는다. 즉, 고분자 복합 압전체층을 전극층으로 협지한 압전 필름에서는, 단순히 전극층 간의 거리를 길게 해도, 쇼트의 해결책은 되지 않는다.
본 발명자는, 검토를 더 거듭한 결과, 고분자 복합 압전체층을 전극층으로 협지한 압전 필름에서는, 단면에 대한 버 및 찌꺼기의 부착량이, 절단 후의 단부(절단면)에 있어서의 두께 방향의 전극층의 거리와 고분자 압전체층의 두께의 비율에 상관관계가 있는 것을 발견했다.
절단 시에 있어서의 버 및 찌꺼기의 생성량은, 절단을 행하는 커터 날 등의 예리함에 관계된다. 즉, 절단 시에 있어서의 버 및 찌꺼기의 생성량은, 절단 시에 있어서의 커터 날 및 금형 등의 예리함이 좋을수록, 적다.
한편, 절단에 의한 압전 필름 단부에 있어서의 소성 변형의 크기는, 절단을 행하는 커터 날 등의 예리함에 관계된다. 커터 날 등의 예리함이 좋은 경우에는, 단부의 소성 변형은 작다. 따라서, 커터 날 등의 예리함이 좋은 경우에는, 압전체층의 두께와, 단부에 있어서의 전극층의 거리의 차는 작아진다.
즉, 실제로 단면에 부착되는 버 및 찌꺼기의 양은 측정은 곤란하지만, 단면에 대한 버 및 찌꺼기의 부착량과, 고분자 압전체층의 두께에 대한 단부에 있어서의 두께 방향의 전극층의 거리의 비율의 사이에는, 상관관계가 있어, 고분자 복합 압전체층의 두께와, 단부에 있어서의 전극층의 두께 방향의 거리의 차가 작을수록, 단면에 부착되는 버 및 찌꺼기의 양을 줄일 수 있다.
본 발명자의 검토에 의하면, 압전 필름의 단부에 있어서의 전극층의 두께 방향의 거리를, 고분자 복합 압전체층의 두께에 대하여 40% 이상으로 함으로써, 단면에 대한 전극층의 버 및 찌꺼기의 부착량을 충분히 줄여, 압전체층이 얇은 경우이더라도, 전극층의 쇼트를 방지하는 데 필요한 절연성을 확보할 수 있다.
본 발명은, 이와 같은 발견을 얻음으로써 이루어진 것이며, 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 포함하는 고분자 복합 압전체층을 압전체층(12)으로 하고, 압전체층(12)의 양면을 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)으로 협지한 컷 시트 형상의 압전 필름(10)에 있어서, 단부(재단부)에 있어서의 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)의 두께 방향의 거리가, 압전체층(12)의 두께의 40% 이상으로 한다.
이하의 설명에서는, 단부(재단부)에 있어서의 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)의 두께 방향의 거리를 "거리 d", 압전체층(12)의 두께를 "두께 t", 두께 t에 대한 거리 d의 비를 "비율 p"라고도 한다.
본 발명의 압전 필름(10)은, 이와 같은 구성을 가짐으로써, 컷 시트 형상의 압전 필름에 있어서, 단부에 있어서의 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)의 쇼트를 방지하여, 안정적으로 적정하게 작동하는 것이 가능하다. 또, 본 발명의 압전 필름(10)에 의하면, 비율 p가 40% 미만이 된 경우에는, 날의 교환, 날의 조절, 날의 연마, 및, 날의 메인터넌스 등을 행함으로써, 적정한 생산 관리를 행하는 것도 가능해진다.
압전 필름(10)에 있어서, 비율 p가 40% 미만에서는, 단부에 있어서의 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)의 충분한 절연성을 확보하지 못하여, 쇼트가 발생할 가능성이 높아진다.
비율 p는, 50% 이상인 것이 바람직하다.
또한, 비율 p의 상한에는, 상한은 없다. 그러나, 절단을 행하면, 전단 응력에 기인하는 소성 변형은, 반드시 발생한다. 그 때문에, 비율 p가 100%가 되는 것은 있을 수 없다.
이 점을 고려하면, 비율 p는, 최대 95%가 된다.
본 발명에 있어서, 압전 필름(10)의 단부에 있어서의 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)의 두께 방향의 거리 d와 압전체층(12)의 두께 t의 비율 p는, 공지의 각종 방법으로 측정 가능하다.
일례로서, EDS(Energy dispersive X-ray spectrometry, 에너지 분산형 X선 분석장치((EDX))를 탑재한 SEM(Scanning Electron Microscope, 주사형 전자 현미경)를 이용하여, 압전 필름(10)의 단면 즉 절단면의 단부를 관찰하여, 전극층을 형성하는 재료의 원소 매핑을 행하여 측정하는 방법이 예시된다. SEM 및 EDX는, 시판품을 이용하면 된다. 일례로서, SEM은 히타치 하이테크놀로지즈사제의 SU8220이, EDS는, BRUKER사제의 XFash 5060FQ가, 각각, 예시된다.
즉, 도 2의 상단에 개념적으로 나타내는 바와 같이, EDS를 탑재한 SEM(SEM-EDS)에 의하여, 압전 필름(10)의 단면의 단부를 관찰함과 함께, EDS에 의하여, 관찰 영역의 단면의 원소 분석을 행한다.
이어서, 원소 분석의 결과로부터, 도 2의 하단에 개념적으로 나타내는 바와 같이, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)의 형성 재료의 원소 매핑을 행하여, 매핑 결과의 화상을 얻는다. 예를 들면, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)의 형성 재료가 구리인 경우에는, 원소 분석의 결과로부터 구리 매핑을 행하여, 구리 매핑의 결과의 화상을 얻는다.
전극층의 형성 재료의 원소 매핑의 화상을 얻으면, 도 2의 하단에 나타내는 바와 같이, 원소 매핑의 화상으로부터, 압전 필름(10)의 단부에 있어서, 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)의 두께 방향의 거리 d를 측정한다.
한편, 압전체층(12)의 두께 t는, 압전 필름(10)의 카탈로그 값 등으로 이미 알려진 경우에는, 그 수치를 이용하면 된다.
혹은, 후술하는 압전 필름(10)의 제조 공정(예를 들면 도 5의 상태)에 있어서, 압전체층(12)을 형성한 시점에서, 공지의 방법으로 압전체층(12)의 두께 t를 측정해도 된다. 혹은, 후술하는 압전 필름(10)의 제조 공정에 있어서, 압전체층(12)이 되는 도료의 도포 두께 및 조성으로부터, 압전체층(12)의 두께 t를 산출해도 된다. 혹은, 압전체층(12)을 형성한 시점(예를 들면 도 5의 상태)에서, 전체 두께를 측정하고, 그 후, 일부에서 압전체층(12)을 제거하여, 두께를 측정하여, 그 차로부터, 압전체층(12)의 두께 t를 구해도 된다.
이들 방법으로 압전체층(12)의 두께 t를 측정(발견)할 수 없는 경우에는, 이하의 방법으로, 압전체층(12)의 두께 t를 측정하면 된다.
압전 필름(10)을 수지에 포매(包埋)한다. 수지에 의한 포매는, 압전 필름(10)의 절단면으로부터 5mm 이상, 수지로 포매하도록 행하는 것이 바람직하다. 포매에 이용하는 수지는, 압전 필름(10)의 형성 재료 및 크기(최대면의 면적, 두께) 등에 따라, 적절히, 설정하면 된다. 또한, 포매에 이용하는 수지는, 필요에 따라, 복수 종을 혼합하여 이용해도 된다.
압전 필름(10)을 수지에 포매하면, 수지에 포매한 압전 필름(10)을, 임의의 장소에서 직선상으로 절단한다. 절단은, 마이크로톰 등을 사용하는 방법인 공지의 방법으로 행하면 된다.
또한, 절단은, 절단면의 길이 방향의 중심이, 압전 필름(10)의 모든 단부(단면)로부터 5mm 이상, 내측이 되는 위치에서 행하는 것이 바람직하다.
이어서, 필요에 따라 절단면을 연마한다. 연마는, 공지의 방법으로 행하면 된다.
또한, 절단면의 길이 방향의 중심부에 있어서, 상술한 SEM-EDS에 의한 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)의 형성 재료의 원소 매핑을 행한다. 이어서, 원소 매핑의 화상으로부터, 절단면의 길이 방향의 중심으로, 제1 전극층(14)의 내면과 제2 전극층(16)의 내면의 두께 방향의 거리를 측정하여, 이 거리를, 그 절단면에 있어서의 압전 필름의 두께로 한다. 이로써, 압전 필름(10)의 절단면에 있어서, 상술한 소성 변형(처짐)의 영향을 받지 않고, 압전체층(12)의 두께 t를 측정할 수 있다.
이와 같은 압전체층(12)의 절단면에 있어서의 두께의 측정을, 임의의 5단면에서 행하여, 그 평균치를, 측정 대상이 되는 압전 필름(10)의 압전체층(12)의 두께 t로 한다.
또한, 이 수지에 의한 포매를 행하는 방법은, 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)의 두께 방향의 거리 d의 측정에도 이용 가능하다. 즉, 거리 d의 측정 위치를 포함하도록 압전 필름을 단부로부터 5mm 이상 포매하고, 마이크로톰을 이용한 절단, 및, 필요에 따라 연마를 행하여, 컷 시트 형상의 압전 필름(10)의 개개의 단면(절단면)에 대하여, SEM-EDS를 이용하여, 상술한 바와 같이 하여 거리 d를 측정하면 된다.
두께 t, 및, 거리 d의 측정 결과로부터, 하기의 식에 의하여, 압전체층(12)의 두께 t에 대한, 압전 필름(10)의 단부에 있어서의 제1 전극층(14)과 제2 전극층(16)의 두께 방향의 거리 d의 비율 p[%]를 산출한다.
p[%]=(d/t)×100
여기에서, 예를 들면 컷 시트 형상의 압전 필름(10)이 직사각형인 경우에는, 4개의 단면(절단면)을 갖는다. 따라서, 도 3에 개념적으로 나타내는 바와 같이, 1개의 모서리부에 대하여, 변 A와 직교하는 화살표 a방향으로부터 SEM으로 관찰한 변 A의 일방의 단부의 비율 p, 및, 변 B와 직교하는 화살표 b방향으로부터 SEM으로 관찰한 변 B의 일방의 단면의 비율 p를 측정할 수 있다.
즉, 압전 필름(10)이 직사각형인 경우에는, 4개소의 모서리부에 대하여, 합계 8개소의 압전 필름(10)의 단부의 비율 p를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 압전 필름은, 상술한 바와 같은 직사각형에는 제한은 되지 않고, 다양한 형상이 이용 가능하다. 일례로서, 본 발명의 압전 필름의 평면 형상 즉 주면(主面)의 형상은, 원형, 타원형, 삼각형, 및, 오각형 이상의 다각형 등이 예시된다.
어느 형상이더라도, 거리 d와, 두께 t의 비율 p[%]는, 단부 즉 절단면을 SEM-EDS로 관찰하여, 전극의 형성 재료의 원소 매핑을 행하는, 상술한 방법으로 측정하면 된다.
본 발명에 있어서는, 압전 필름이 다각형인 경우에는, 모든 모서리부를 측정 대상으로 하여, 도 3에 나타내는 바와 같이 2방향으로부터 비율 p를 측정하여, 모든 비율 p(모서리부의 수×2개소)의 평균치를, 압전 필름(10)에 있어서의 비율 p로 한다. 또한, 다각형이란, 모따기 등에 의하여 모서리부가 곡선상으로 되어 있는 경우도 포함한다. 또, 압전 필름이 원형 및 타원형 등의 다각형 이외의 경우에는, 외주를 등분한 8개소에 있어서 비율 p를 측정하여, 그 평균치를, 압전 필름(10)에 있어서의 비율 p로 한다.
이하, 도 4~도 8의 개념도를 참조하여, 본 발명의 압전 필름(10)의 제조 방법의 일례를 설명한다.
먼저, 도 4에 나타내는, 제2 보호층(20)의 표면에 제2 전극층(16)이 형성된 시트 형상물(34)을 준비한다. 또한, 도 6에 개념적으로 나타내는, 제1 보호층(18)의 표면에 제1 전극층(14)이 형성된 시트 형상물(38)을 준비한다.
시트 형상물(34)은, 제2 보호층(20)의 표면에, 진공 증착, 스퍼터링, 도금 등에 의하여 제2 전극층(16)으로서 구리 박막 등을 형성하여, 제작하면 된다. 동일하게, 시트 형상물(38)은, 제1 보호층(18)의 표면에, 진공 증착, 스퍼터링, 도금 등에 의하여 제1 전극층(14)으로서 구리 박막 등을 형성하여, 제작하면 된다.
혹은, 보호층 위에 구리 박막 등이 형성된 시판품의 시트 형상물을, 시트 형상물(34) 및/또는 시트 형상물(38)로서 이용해도 된다.
시트 형상물(34) 및 시트 형상물(38)은, 동일한 것이어도 되고, 상이한 것이어도 된다.
또한, 보호층이 매우 얇고, 핸들링성이 나쁠 때 등은, 필요에 따라, 세퍼레이터(가지지체) 부착 보호층을 이용해도 된다. 또한, 세퍼레이터로서는, 두께 25~100μm의 PET 등을 이용할 수 있다. 세퍼레이터는, 전극층 및 보호층의 열압착 후, 제거하면 된다.
이어서, 도 5에 나타내는 바와 같이, 시트 형상물(34)의 제2 전극층(16) 상에, 압전체층(12)이 되는 도료(도포 조성물)를 도포한 후, 경화하여 압전체층(12)을 형성한다. 이로써, 시트 형상물(34)과 압전체층(12)을 적층한 적층체(36)를 제작한다.
압전체층(12)의 형성은, 압전체층(12)을 형성하는 재료에 따라, 각종 방법이 이용 가능하다.
일례로서, 먼저, 유기 용매에, 상술한 사이아노에틸화 PVA 등의 고분자 재료를 용해하고, 또한, PZT 입자 등의 압전체 입자(26)를 첨가하며, 교반하여 도료를 조제한다.
유기 용매에는 제한은 없고, 다이메틸폼아마이드(DMF), 메틸에틸케톤, 및, 사이클로헥산온 등의 각종 유기 용매가 이용 가능하다.
시트 형상물(34)을 준비하고, 또한, 도료를 조제하면, 이 도료를 시트 형상물(34)에 캐스팅(도포)하여, 유기 용매를 증발시켜 건조한다. 이로써, 도 5에 나타내는 바와 같이, 제2 보호층(20) 위에 제2 전극층(16)을 가지며, 제2 전극층(16) 위에 압전체층(12)을 적층하여 이루어지는 적층체(36)를 제작한다.
도료의 캐스팅 방법에는 제한은 없고, 바 코터, 슬라이드 코터, 및, 닥터 나이프 등의 공지의 방법(도포 장치)이, 모두, 이용 가능하다.
혹은 고분자 재료가 가열 용융 가능한 것이면, 고분자 재료를 가열 용융하여, 이것에 압전체 입자(26)를 첨가하여 이루어지는 용융물을 제작하고, 압출 성형 등에 의하여, 도 4에 나타내는 시트 형상물(34) 위에 시트 형상으로 압출하여, 냉각함으로써, 도 5에 나타내는 바와 같은, 적층체(36)를 제작해도 된다.
또한, 상술한 바와 같이, 압전체층(12)에 있어서, 매트릭스(24)에는, 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료 이외에도, PVDF 등의 고분자 압전 재료를 첨가해도 된다.
매트릭스(24)에, 이들 고분자 압전 재료를 첨가할 때에는, 상기 도료에 첨가하는 고분자 압전 재료를 용해하면 된다. 혹은, 가열 용융한 상온에서 점탄성을 갖는 고분자 재료에, 첨가하는 고분자 압전 재료를 첨가하여 가열 용융하면 된다.
압전체층(12)을 형성하면, 필요에 따라, 캘린더 처리를 행해도 된다. 캘린더 처리는, 1회여도 되고, 복수 회, 행해도 된다.
주지하는 바와 같이, 캘린더 처리란, 가열 프레스 및 가열 롤러 등을 이용하여, 피처리면을 가열하면서 압압하여, 평탄화 등을 실시하는 처리이다.
이어서, 제2 보호층(20) 위에 제2 전극층(16)을 가지며, 제2 전극층(16) 위에 압전체층(12)을 형성하여 이루어지는 적층체(36)의 압전체층(12)에, 분극 처리(폴링)를 행한다. 압전체층(12)의 분극 처리는, 캘린더 처리 전에 행해도 되지만, 캘린더 처리를 행한 후에 행하는 것이 바람직하다.
압전체층(12)의 분극 처리의 방법에는 제한은 없고, 공지의 방법이 이용 가능하다. 예를 들면, 분극 처리를 행하는 대상에, 직접, 직류 전계를 인가하는, 전계 폴링이 예시된다. 또한, 전계 폴링을 행하는 경우에는, 분극 처리 전에, 제1 전극층(14)을 형성하고, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)을 이용하여, 전계 폴링 처리를 행해도 된다.
또, 본 발명의 압전 필름(10)에 있어서는, 분극 처리는, 압전체층(12)의 면방향이 아닌, 두께 방향으로 분극을 행하는 것이 바람직하다.
이어서, 도 6에 나타내는 바와 같이, 분극 처리를 행한 적층체(36)의 압전체층(12) 측에, 앞서 준비한 시트 형상물(38)을, 제1 전극층(14)을 압전체층(12)을 향하여 적층한다.
또한, 이 적층체를, 제1 보호층(18) 및 제2 보호층(20)을 협지하도록 하여, 가열 프레스 장치 및 가열 롤러 등을 이용하여 열압착하고, 적층체(36)와 시트 형상물(38)을 첩합하여, 도 7에 나타내는 바와 같은, 대판(장척)의 압전 필름(10L)을 제작한다.
혹은, 적층체(36)와 시트 형상물(38)을, 접착제를 이용하여 첩합하여, 바람직하게는, 더 압착하여, 압전 필름(10L)을 제작해도 된다.
또한, 이 압전 필름(10L)은, 컷 시트 형상의 시트 형상물(34) 및 시트 형상물(38) 등을 이용하여 제조해도 되고, 혹은, 롤·투·롤(Roll to Roll)을 이용하여 제조해도 된다.
마지막으로, 도 8에 개념적으로 나타내는 바와 같이, 커터 날 및 펀칭 금형 등의 절단 수단을 이용하여, 제작한 대판의 압전 필름(10L)을 소정의 형상, 예를 들면, 직사각형으로 절단하여, 컷 시트 형상의 압전 필름(10)으로 한다.
이와 같이 하여 제작되는 압전 필름(10)은, 면방향이 아닌 두께 방향으로 분극되어 있으며, 또한, 분극 처리 후에 연신 처리를 하지 않아도 큰 압전 특성이 얻어진다. 그 때문에, 압전 필름(10)은, 압전 특성에 면내 이방성이 없어, 구동 전압을 인가하면, 면방향에서는 전체 방향으로 등방적으로 신축된다.
도 9에, 본 발명의 압전 필름(10)을 이용하는, 평판형의 압전 스피커의 일례를 개념적으로 나타낸다.
이 압전 스피커(40)는, 압전 필름(10)을, 전기 신호를 진동 에너지로 변환하는 진동판으로서 이용하는, 평판형의 압전 스피커이다. 또한, 압전 스피커(40)는, 마이크로폰 및 센서 등으로서 사용하는 것도 가능하다.
압전 스피커(40)는, 압전 필름(10)과, 케이스(42)와, 점탄성 지지체(46)와, 프레임체(48)를 가져 구성된다.
케이스(42)는, 플라스틱 등으로 형성되는, 일면이 개방되는 얇은 하우징이다. 하우징의 형상으로서는, 직육면체 형상, 입방체 형상, 및, 원통형상이 예시된다.
또, 프레임체(48)는, 중앙에 케이스(42)의 개방면과 동일 형상의 관통 구멍을 갖는, 케이스(42)의 개방면 측에 계합되는 프레임재이다.
점탄성 지지체(46)는, 적절한 점성과 탄성을 가지며, 압전 필름(10)을 지지함과 함께, 압전 필름의 어느 장소에서도 일정한 기계적 바이어스를 부여함으로써, 압전 필름(10)의 신축 운동을 낭비 없이 전후 운동(필름의 면에 수직인 방향의 운동)으로 변환시키기 위한 것이다. 점탄성 지지체(46)로서는, 일례로서, 양모의 펠트 및 PET 등을 포함한 양모의 펠트 등의 부직포, 및, 글라스울 등이 예시된다.
압전 스피커(40)는, 케이스(42) 내에 점탄성 지지체(46)를 수용하여, 압전 필름(10)에 의하여 케이스(42) 및 점탄성 지지체(46)를 덮고, 압전 필름(10)의 주변을 프레임체(48)에 의하여 케이스(42)의 상단면에 압압한 상태에서, 프레임체(48)를 케이스(42)에 고정하여, 구성된다.
여기에서, 압전 스피커(40)에 있어서는, 점탄성 지지체(46)는, 높이(두께)가 케이스(42)의 내면의 높이보다 두껍다.
그 때문에, 압전 스피커(40)에서는, 점탄성 지지체(46)의 주변부에서는, 점탄성 지지체(46)가 압전 필름(10)에 의하여 하방으로 압압되어 두께가 얇아진 상태로, 유지된다. 또, 동일하게 점탄성 지지체(46)의 주변부에 있어서, 압전 필름(10)의 곡률이 급격하게 변동되어, 압전 필름(10)에, 점탄성 지지체(46)의 주변을 향하여 낮아지는 상승부가 형성된다. 또한, 압전 필름(10)의 중앙 영역은 사각 기둥 형상의 점탄성 지지체(46)에 압압되어, (대략) 평면 형상으로 되어 있다.
압전 스피커(40)는, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)으로의 구동 전압의 인가에 의하여, 압전 필름(10)이 면방향으로 신장되면, 이 신장분을 흡수하기 위하여, 점탄성 지지체(46)의 작용에 의하여, 압전 필름(10)의 상승부가, 상승하는 방향으로 각도를 바꾼다. 그 결과, 평면 형상의 부분을 갖는 압전 필름(10)은, 상방으로 이동한다.
반대로, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)으로의 구동 전압의 인가에 의하여, 압전 필름(10)이 면방향으로 수축되면, 이 수축분을 흡수하기 위하여, 압전 필름(10)의 상승부가, 쓰러지는 방향(평면에 가까워지는 방향)으로 각도를 바꾼다. 그 결과, 평면 형상의 부분을 갖는 압전 필름(10)은, 하방으로 이동한다.
압전 스피커(40)는, 이 압전 필름(10)의 진동에 의하여, 소리를 발생한다.
또한, 압전 필름(10)에 있어서, 신축 운동으로부터 진동으로의 변환은, 압전 필름(10)을 만곡시킨 상태로 유지함으로써도 달성할 수 있다.
따라서, 압전 필름(10)은, 도 9에 나타내는 바와 같은 강성을 갖는 평판 형상의 압전 스피커(40)가 아닌, 단순히 만곡 상태로 유지함으로써도, 가요성을 갖는 압전 스피커로서 기능시킬 수 있다.
이와 같은 압전 필름(10)을 이용하는 압전 스피커는, 양호한 가요성을 살려, 예를 들면 둥글게 하거나, 또는, 절첩하여, 가방 등에 수용하는 것이 가능하다. 그 때문에, 압전 필름(10)에 의하면, 어느 정도의 크기이더라도, 용이하게 휴대 가능한 압전 스피커를 실현할 수 있다.
또, 상술한 바와 같이, 압전 필름(10)은, 유연성 및 가요성이 우수하고, 또한, 면내에 압전 특성의 이방성이 없다. 그 때문에, 압전 필름(10)은, 어느 방향으로 굴곡시켜도 음질의 변화가 적고, 또한, 곡률의 변화에 대한 음질 변화도 적다. 따라서, 압전 필름(10)을 이용하는 압전 스피커는, 설치 장소의 자유도가 높고, 또, 상술한 바와 같이, 다양한 물품에 장착하는 것이 가능하다. 예를 들면, 압전 필름(10)을, 만곡 상태로 양복 등 의류품 및 가방 등의 휴대품 등에 장착함으로써, 이른바 웨어러블한 스피커를 실현할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 본 발명의 압전 필름을 가요성을 갖는 유기 EL 표시 디바이스 및 가요성을 갖는 액정 표시 디바이스 등의 가요성을 갖는 표시 디바이스에 첩착함으로써, 표시 디바이스의 스피커로서 이용하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이, 압전 필름(10)은, 전압의 인가에 의하여 면방향으로 신축되고, 이 면방향의 신축에 의하여 두께 방향으로 적합하게 진동하므로, 예를 들면 압전 스피커 등에 이용했을 때에, 높은 음압의 소리를 출력할 수 있는, 양호한 음향 특성을 발현한다.
양호한 음향 특성 즉 압전에 의한 높은 신축 성능을 발현하는 압전 필름(10)은, 복수 매를 적층함으로써, 진동판 등의 피진동체를 진동시키는 압전 진동 소자로서도, 양호하게 작용한다.
또한, 압전 필름(10)을 적층할 때에는, 단락(쇼트)의 가능성이 없으면, 압전 필름은 제1 보호층(18) 및/또는 제2 보호층(20)을 갖지 않아도 된다. 또는, 제1 보호층(18) 및/또는 제2 보호층(20)을 갖지 않는 압전 필름을, 절연층을 개재하여 적층해도 된다.
일례로서, 압전 필름(10)의 적층체를 진동판에 첩착하여, 압전 필름(10)의 적층체에 의하여 진동판을 진동시켜 소리를 출력하는 스피커로 해도 된다. 즉, 이 경우에는, 압전 필름(10)의 적층체를, 진동판을 진동시킴으로써 소리를 출력하는, 이른바 익사이터로서 작용시킨다.
적층한 압전 필름(10)에 구동 전압을 인가함으로써, 개개의 압전 필름(10)이 면방향으로 신축되고, 각 압전 필름(10)의 신축에 의하여, 압전 필름(10)의 적층체 전체가 면방향으로 신축된다. 압전 필름(10)의 적층체의 면방향의 신축에 의하여, 적층체가 첩착된 진동판이 휘고, 그 결과, 진동판이, 두께 방향으로 진동한다. 이 두께 방향의 진동에 의하여, 진동판은, 소리를 발생시킨다. 진동판은, 압전 필름(10)에 인가한 구동 전압의 크기에 따라 진동하여, 압전 필름(10)에 인가한 구동 전압에 따른 소리를 발생시킨다.
따라서, 이 때에는, 압전 필름(10) 자신은, 소리를 출력하지 않는다.
1매마다의 압전 필름(10)의 강성이 낮고, 신축력은 작아도, 압전 필름(10)을 적층함으로써, 강성이 높아져, 적층체 전체로서는 신축력이 커진다. 그 결과, 압전 필름(10)의 적층체는, 진동판이 어느 정도의 강성을 갖는 것이더라도, 큰 힘으로 진동판을 충분히 휘게 하여, 두께 방향으로 진동판을 충분히 진동시켜, 진동판에 소리를 발생시킬 수 있다.
압전 필름(10)의 적층체에 있어서, 압전 필름(10)의 적층 매수에는, 제한은 없고, 예를 들면 진동시키는 진동판의 강성 등에 따라, 충분한 진동량이 얻어지는 매수를, 적절히, 설정하면 된다.
또한, 충분한 신축력을 갖는 것이면, 1매의 압전 필름(10)을, 동일한 익사이터(압전 진동 소자)로서 이용하는 것도 가능하다.
압전 필름(10)의 적층체로 진동시키는 진동판에도, 제한은 없고, 각종 시트 형상물(판상물, 필름)이 이용 가능하다.
일례로서, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등으로 이루어지는 수지 필름, 발포 폴리스타이렌 등으로 이루어지는 발포 플라스틱, 골판지재 등의 종이재, 유리판, 및, 목재 등이 예시된다. 또한, 충분히 휘게 할 수 있는 것이면, 진동판으로서, 표시 디바이스 등의 기기를 이용해도 된다.
압전 필름(10)의 적층체는, 인접하는 압전 필름끼리를, 첩착층(첩착제)으로 첩착하는 것이 바람직하다. 또, 압전 필름(10)의 적층체와 진동판도, 첩착층으로 첩착하는 것이 바람직하다.
첩착층에는 제한은 없고, 첩착 대상이 되는 것끼리를 첩착할 수 있는 것이, 각종, 이용 가능하다. 따라서, 첩착층은, 점착제로 이루어지는 것이어도 되고 접착제로 이루어지는 것이어도 된다. 바람직하게는, 첩착 후에 고체이며 단단한 첩착층이 얻어지는, 접착제로 이루어지는 접착제층을 이용한다.
이상의 점에 관해서는, 후술하는 장척인 압전 필름(10)을 되접어 꺾어 이루어지는 적층체에서도, 동일하다.
압전 필름(10)의 적층체에 있어서, 적층하는 각 압전 필름(10)의 분극 방향에는, 제한은 없다. 또한, 상술한 바와 같이, 압전 필름(10)의 분극 방향이란, 두께 방향의 분극 방향이다.
따라서, 압전 필름(10)의 적층체에 있어서, 분극 방향은, 모든 압전 필름(10)에서 동일 방향이어도 되고, 분극 방향이 상이한 압전 필름이 존재해도 된다.
여기에서, 압전 필름(10)의 적층체에 있어서는, 인접하는 압전 필름(10)끼리에서, 분극 방향이 서로 반대가 되도록, 압전 필름(10)을 적층하는 것이 바람직하다.
압전 필름(10)에 있어서, 압전체층(12)에 인가하는 전압의 극성은, 압전체층(12)의 분극 방향에 따른 것이 된다. 따라서, 분극 방향이 제1 전극층(14)으로부터 제2 전극층(16)을 향하는 경우에서도, 제2 전극층(16)으로부터 제1 전극층(14)을 향하는 경우에서도, 적층되는 모든 압전 필름(10)에 있어서, 제1 전극층(14)의 극성 및 제2 전극층(16)의 극성을, 동일 극성으로 한다.
따라서, 인접하는 압전 필름(10)끼리에서, 분극 방향을 서로 반대로 함으로써, 인접하는 압전 필름(10)의 전극층끼리가 접촉해도, 접촉하는 전극층은 동일 극성이므로, 쇼트될 우려가 없다.
압전 필름(10)의 적층체는, 장척인 압전 필름(10)을, 1회 이상, 바람직하게는 복수 회, 되접어 꺾음으로써, 복수의 압전 필름(10)을 적층하는 구성으로 해도 된다.
장척인 압전 필름(10)을 되접어 꺾어 적층한 구성은, 이하와 같은 이점을 갖는다.
즉, 컷 시트 형상의 압전 필름(10)을, 복수 매, 적층한 적층체에서는, 1매의 압전 필름마다, 제1 전극층(14) 및 제2 전극층(16)을, 구동 전원에 접속할 필요가 있다. 이에 대하여, 장척인 압전 필름(10)을 되접어 꺾어 적층한 구성에서는, 1매의 장척인 압전 필름(10)만으로 적층체를 구성할 수 있다. 또, 장척인 압전 필름(10)을 되접어 꺾어 적층한 구성에서는, 구동 전압을 인가하기 위한 전원이 1개이면 되고, 또한, 압전 필름(10)으로부터의 전극의 인출도, 1개소여도 된다.
또한, 장척인 압전 필름(10)을 되접어 꺾어 적층한 구성에서는, 필연적으로, 인접하는 압전 필름(10)끼리에서, 분극 방향이 서로 반대가 된다.
이상, 본 발명의 압전 필름에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상술한 예에 한정은 되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에 있어서, 각종 개량이나 변경을 행해도 되는 것은, 물론이다.
실시예
이하, 본 발명의 구체적 실시예를 들어, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이 실시예에 제한되는 것이 아니고, 이하의 실시예에 나타내는 재료, 사용량, 비율, 처리 내용, 처리 수순 등은, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한 적절히 변경할 수 있다.
[압전 필름의 제작]
도 4~도 7에 나타내는 방법으로, 대판의 압전 필름을 제작했다.
먼저, 하기의 조성비로, 사이아노에틸화 PVA(CR-V 신에쓰 가가쿠 고교사제)를 다이메틸폼아마이드(DMF)에 용해했다. 그 후, 이 용액에, 압전체 입자로서 PZT 입자를 하기의 조성비로 첨가하고, 프로펠러 믹서(회전수 2000rpm)로 교반하여, 압전체층을 형성하기 위한 도료를 조제했다.
·PZT 입자···········300질량부
·사이아노에틸화 PVA·······30질량부
·DMF··············70질량부
또한, PZT 입자는, 주성분이 되는 Pb산화물, Zr산화물 및 Ti산화물의 분말을, Pb=1몰에 대하여, Zr=0.52몰, Ti=0.48몰이 되도록, 볼 밀로 습식 혼합하여 이루어지는 혼합분을, 800℃에서 5시간, 소성한 후, 해쇄 처리한 것을 이용했다.
한편, 두께 4μm의 PET 필름에, 두께 0.1μm의 구리 박막을 진공 증착하여 이루어지는 시트 형상물을 준비했다. 즉, 본례에 있어서는, 제1 전극층 및 제2 전극층은, 두께 0.1m의 구리 증착 박막이며, 제1 보호층 및 제2 보호층은, 두께 4μm의 PET 필름이 된다.
시트 형상물의 제2 전극층(구리 증착 박막) 위에, 슬라이드 코터를 이용하여, 앞서 조제한 압전체층을 형성하기 위한 도료를 도포했다. 또한, 도료는, 건조 후의 도막의 막두께가 40μm가 되도록, 도포했다.
이어서, 시트 형상물에 도료를 도포한 것을, 120℃의 핫플레이트 상에서 가열 건조함으로써 DMF를 증발시켰다. 이로써, PET제의 제2 보호층 위에 구리제의 제2 전극층을 가지며, 그 위에, 두께가 30μm인 압전체층(고분자 복합 압전체층)을 갖는 적층체를 제작했다.
제작한 압전체층을, 두께 방향으로 분극 처리했다.
분극 처리를 행한 적층체 위에, 제1 전극층(구리 박막 측)을 압전체층을 향하여, PET 필름에 구리 박막을 증착한 시트 형상물을 적층했다.
이어서, 적층체와 시트 형상물의 적층체를, 래미네이터 장치를 이용하여, 온도 120℃에서 열압착함으로써, 복합 압전체와 제1 전극층을 첩착하여 접착하고, 도 7에 나타내는 바와 같은 대판의 압전 필름을 제작했다.
또한, 대판의 압전 필름은, 이 압전체층의 두께가 30μm인 압전 필름에 더하여, 압전체층을 형성하기 위한 도료의 도포 두께를 변경함으로써, 압전체층의 두께가 60μm인 압전 필름 및 압전체층의 두께가 140μm인 압전 필름도 제작했다.
[실시예 1~9 및 비교예 1~4]
제작한 압전 필름을, 사용하는 커터 날 및 금형을, 다양하게, 변경하여, 210×300mm로 잘라내어, 컷 시트 형상의 압전 필름을 제작했다.
제작한 각 압전 필름에 대하여, 단부에 있어서의 제1 전극층과 제2 전극층의 두께 방향의 거리 d, 및, 압전체층의 두께 t를, SEM-EDS를 이용하는 상술한 방법으로 측정하여, 거리 d와 두께 t의 비율 p[%]를 산출했다. 또한, SEM-EDS에 의한 측정에 있어서, SEM은 히타치 하이테크놀로지즈사제의 SU8220을 이용하여, EDS는, BRUKER사제의 XFash 5060FQ를 이용했다.
제작한 압전 필름을, 도 9에 나타내는 바와 같이, 미리 점탄성 지지체로서 글라스울을 수납한 210×300mm의 케이스 상에 올린 후, 주변부를 프레임체로 눌러, 압전 필름에 적절한 장력과 곡률을 부여함으로써, 도 9에 나타내는 바와 같은 압전 스피커를 제작했다.
또한, 케이스의 깊이는 9mm로 하고, 글라스울의 밀도는 32kg/m3이며, 조립 전의 두께는 25mm로 했다.
제작한 압전 스피커를 무향음실에 두고, 입력 신호로서 50V 및 100V인 100Hz의 사인파를 파워 앰프를 통하여 입력하여, 도 10에 나타내는 바와 같이, 스피커의 중심으로부터 50cm 떨어진 거리에 놓여진 마이크로폰(50)으로 소리를 녹음했다.
녹음 데이터로부터, 이하의 평가를 행했다.
A: 문제 없이 소리가 났다
B: 방전음이 난 후, 소리가 났다
C: 아무 소리가 나지 않는다(파워 앰프에 과전류가 흘러 트립했다)
결과를 하기의 표에 나타낸다.
[표 1]
Figure pct00002
상기 표에 나타내는 바와 같이, 압전체층의 두께 t에 대한 단부에 있어서의 제1 전극층과 제2 전극층의 두께 방향의 거리 d의 비율 p가 40% 이상인 본 발명의 압전 필름은, 스피커에 이용했을 때에, 쇼트되지 않고, 적정하게 소리를 출력할 수 있다. 또한, B 평가의 압전 필름은, 단면 즉 절단면에 있어서의 전극 간의 절연성이, 약간, 낮고, 통전과 동시에 방전되었기 때문에, 방전음이 발생했지만, 그 후는, 충분한 전극 간의 절연성을 확보하여, 문제 없이 소리를 출력했다.
이에 대하여, 비율 p가 40% 미만의 비교예는, 단면 즉 절단면에 있어서의 전극 간의 절연성이 불충분하여, 쇼트가 발생했기 때문에, 소리가 나지 않았다고 생각된다.
이상의 결과로부터, 본 발명의 효과는 명확하다.
스피커 및 마이크 등에 적합하게 이용 가능하다.
10, 10L 압전 필름
12 압전체층
14 제1 전극층
16 제2 전극층
18 제1 보호층
20 제2 보호층
24 고분자 매트릭스
26 압전체 입자
34, 38 시트 형상물
36 적층체
40 압전 스피커
42 케이스
46 점탄성 지지체
48 프레임체
50 마이크로폰

Claims (5)

  1. 고분자 재료를 포함하는 매트릭스 중에 압전체 입자를 포함하는 압전체층과, 상기 압전체층의 양면에 마련되는 전극층을 갖는, 컷 시트 형상의 압전 필름으로서,
    단부에 있어서의 상기 전극층의 두께 방향의 거리가, 상기 압전체층의 두께에 대하여 40% 이상인 것을 특징으로 하는 압전 필름.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극층의 적어도 일방을 덮는 보호층을 갖는, 압전 필름.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단부에 있어서의 상기 전극층의 두께 방향의 거리가, 상기 압전체층의 두께에 대하여 95% 이하인, 압전 필름.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분자 재료가 사이아노에틸기를 갖는, 압전 필름.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 고분자 재료가 사이아노에틸화 폴리바이닐알코올인, 압전 필름.
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