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KR101517523B1 - 압전 스피커 - Google Patents

압전 스피커 Download PDF

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KR101517523B1
KR101517523B1 KR1020130035168A KR20130035168A KR101517523B1 KR 101517523 B1 KR101517523 B1 KR 101517523B1 KR 1020130035168 A KR1020130035168 A KR 1020130035168A KR 20130035168 A KR20130035168 A KR 20130035168A KR 101517523 B1 KR101517523 B1 KR 101517523B1
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조정호
백종후
정영훈
남중희
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Abstract

본 발명에 따른 압전 스피커는 압전층과, 압전층의 양면에 형성된 전극을 구비하는 압전 소자 및 압전 소자의 일측면에 부착되며, 셀룰로스(cellulose)로 이루어진 진동 부재를 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시형태에 의하면, 셀룰로스(cellulose) 진동 부재에 의해 프레임의 반진동을 흡수할 수 있다. 따라서, 종래와 같이 프레임의 반진동으로 인한 음의 왜곡 현상을 저감시킬 수 있다. 또한, 셀룰로스(cellulose)는 압전 특성을 가지기 때문에, 필요에 따라서 압전 특성을 가지는 진동 부재에 전압을 가하여 압전층의 압전 특성을 보완하고, 진동을 증폭시킬 수 있다.

Description

압전 스피커{Piezoelectric speaker}
본 발명은 압전 스피커에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음향 특성이 향상된 압전 스피커에 관한 것이다.
일반적으로 압전 소자는 전기적 에너지와 기계적 에너지를 서로 간에 변화시킬 수 있는 특성을 지닌 소자를 말하며, 압전 스피커는 이러한 압전 소자의 기계적 움직임을 음향적으로 변환시켜서 원하는 주파수 대역의 음향을 발생시키는 음향 부품의 대표적인 제품이다.
이러한 압전 스피커는 보이스 코일 모터(VCM; Voice Coil motor)형 스피커에 비해 얇고, 가벼우며, 전력 소모가 적어 휴대 단말기 등에 활발히 적용되고 있다. 종래의 압전 스피커에는 금속 진동판 상부에 압전체를 덧붙여 제작하는 방식의 압전 스피커와, PVDF(Polyvinylidene Fluoride)와 같은 압전 재료를 필름 형태로 제조한 필름형 압전 스피커 등이 있다.
이 중, 금속 진동판을 이용하는 압전 스피커는, 대한민국공개특허 10-2001-0030510에 제시된 바와 같이, 금속 진동판 상부에 압전체가 부착된 구조이다. 이러한 종래의 압전 스피커는 진동판이 금속으로 이루어져 있기 때문에, 출력 음압 레벨(sound pressure level)이 낮고, 저주파수대의 음을 재생하기 어려운 문제가 있다. 또한, 진동판을 지지하는 프레임으로부터 불필요한 공진 또는 반진동이 발생되며, 이에 높은 전고주파왜곡(THD: total harmonic distortion) 문제가 발생된다.
필름형 압전 스피커는 대한민국등록특허 10-1159734에서와 같이, 압전 필름과 압전 필름의 상부 및 하부에 형성된 전극을 포함하는 압전 진동판의 형태로, 전기적 신호에 의해 압전 필름이 진동하고, 이를 음향으로 출력한다. 이러한 필름형 압전 스피커는 압전 필름의 압전 상수가 크지 않아 변위가 작게 발생하기 때문에, 이를 보상하기 위해 대면적으로 제작되어야 하는 단점이 있다. 또한 필름형 압전 스피커 역시 코일 모터(VCM; Voice Coil motor)형 스피커에 비해 저주파수 영역에서 낮은 출력 음압 레벨(sound pressure level)과 전고주파왜곡(THD: total harmonic distortion)이 높은 단점이 있어, 적용의 한계를 가진다.
대한민국공개특허 10-2001-0030510 대한민국등록특허 10-1159734
본 발명은 음향 특성이 향상된 압전 스피커를 제공한다.
또한, 본 발명은 저주파수 영역에서 출력 음압을 향상시키고, 프레임의 반진동에 의한 음의 왜곡 현상을 감소시킬 수 있는 하이브리드 형태의 압전 스피커를 제공한다.
본 발명에 따른 압전 스피커는 압전층과, 상기 압전층의 양면에 형성된 전극을 구비하는 압전 소자; 및 상기 압전 소자의 일측면에 부착되며, 셀룰로스(cellulose)로 이루어진 진동 부재;를 포함한다.
상기 압전층은 PZT, PMN-PT, PZN-PT, PIN-PT, PYN-PT, PVDF, PVDF-TrFE, BNT (BaNiTiO3) 및 BZT-BCT 중 적어도 하나로 이루어진다.
상기 압전 소자와 진동 부재 사이에 위치하여 상기 압전 소자와 진동 부재 간을 접합시키며, 탄성을 가지는 접착층을 포함한다.
상기 접착층은 에폭시(epoxy) 실리콘(silicon) 수지 및 아크릴 올리고머(acryl oligomer) 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
적어도 상기 진동 부재를 둘러싸도록 설치되어, 상기 진동 부재를 지지하는 프레임을 포함한다.
본 발명의 실시형태에 의하면, 압전 소자의 일측면에 부착되는 진동 부재로 유연하며, 고탄성의 특성을 가지는 셀룰로스(cellulose)를 이용함으로써, 프레임의 반진동을 흡수할 수 있다. 따라서, 종래와 같이 프레임의 반진동으로 인한 음의 왜곡 현상을 저감시킬 수 있다.
또한, 셀룰로스(cellulose)는 압전 특성을 가지기 때문에, 필요에 따라서 압전 특성을 가지는 진동 부재에 전압을 가하고, 전압의 크기를 조절함으로써, 진동 부재를 자체적으로 진동시키면서, 진동의 크기를 조절할 수 있다. 진동 부재 자체적으로 발생된 진동은 압전층의 압전 특성을 보완하고, 진동을 증폭시킨다. 이로 인해 압전 소자로부터 발생된 음압과 진동 부재에서 발생된 음압이 더해져, 종래에 비해 음압이 향상되며, 특히 저주파수 영역에서 음압이 향상되는 효과가 있어, 저주파에서 고주파 영역까지 출력 음압을 고르게 개선시킬 수 있다.
그리고, 종래와 같이 금속으로 이루어진 진동판을 이용할 때, 인공적인 울림과 같은 문제를 발생시키지 않아, 인간 친화형의 압전 스피커를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 스피커를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 스피커를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전 스피커는 압전 소자(100)와, 압전 소자(100)의 일측면에 부착되는 진동 부재(200), 진동 부재(200)를 지지하는 프레임(400), 압전 소자(100)와 진동 부재(200)의 상측에 위치하여 상기 압전 소자(100)와 진동 부재(200)를 커버하는 캡(600)을 포함한다.
압전 소자(100)는 압전층(110), 압전층(110)의 일면 예컨대, 상면에 형성된 제 1 전극(120a), 압전층(110)의 타면 예컨대, 하면에 제 2 전극(120b)을 포함한다.
압전층(110)은 두께 방향으로 분극(poling)시켜서 압전 특성을 갖는 수단으로서, 본 실시예에서는 대략 사각형인 필름 형태로 형성된다. 상기 압전층(110)의 형상은 압전 스피커에 적용될 수 있는 압전 특성이 형성된다면 제시된 실시예에 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 압전층(110)은 단층 또는 다층의 박막이 적층된 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 진동 부재(200)의 상측에서 상기 진동 부재(200)와 대칭 또는 비대칭 구조로 부착될 수 있다. 이러한 압전층(110)은 PZT와 같은 다결정 세라믹뿐 아니라, PMN-PT, PZN-PT, PIN-PT, PYN-PT 등의 단결정 압전 소재, PVDF, PVDF-TrFE 등의 유연 압전 폴리머 소재, BNT (BaNiTiO3), BZT-BCT 중 적어도 어느 하나를 얇은 박막 또는 필름 형태로 제조하여 사용한다.
제 1 및 제 2 전극(120a, 120b)은 각각 압전층(110)의 상부 및 하부에 형성되어, 압전층(110)에 전기 신호 즉, 전압을 인가한다. 제 1 및 제 2 전극(120a, 120b)은 전도성의 물질로 형성되며, 예컨대 탄소나노튜브(CNT), Ag, 카본(C) 분말 또는 Al 등의 금속 페이스트(paste)를 이용하거나, polyaniline, polythiophene, PEDOT(poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)), polypyrrole, PPV(polyphenylenevinylene) 등의 전도성 고분자와 그의 유도체 및 유기물 전도체 중 적어도 어느 하나를 이용하여 형성할 수 있다. 이러한 제 1 및 제 2 전극(120a, 120b)은 사각형, 부채꼴 등의 다양한 다각형의 형상으로 제조될 수 있다.
진동 부재(200)는 압전 소자(100)에 인가되는 전기적 신호에 의해 발생되는 기계적 신호를 음향적으로 변환시키는 수단으로서, 제 1 접착층(300)에 의해 압전 소자(100)의 하부에 부착되며, 압전 소자(100)에 비해 두꺼운 두께를 가지면서, 유연하고 탄성이 높은 재료로 제조된다. 본 발명의 실시예에서는 바이오계 물질인 셀룰로스(Cellulose)를 박막 또는 필름 형태로 하여 진동 부재(200)로 이용한다. 셀룰로스(Cellulose)는 압전(piezo-electric , 壓電) 특성을 가지며, 탄성율이 높고, 경량이며, 대면적으로 가공이 용이하며, 음향 임피던스가 우수한 특성을 가진다.
이러한 진동 부재(200)는 압전 소자(100)의 진동, 보다 구체적으로는 압전층(110)의 진동에 따라 진동하게 되는데, 압전 소자(100)로부터 발생된 음압과 셀룰로스(Cellulose) 진동 부재(200)에서 발생된 음압이 더해져, 음압이 향상되는 효과가 있다. 그리고, 상술한 바와 같이 셀룰로스(Cellulose)는 압전 특성을 가지기 때문에, 진동 부재(200)에 전압을 인가하면, 자체적으로 진동하게 된다. 이에, 필요에 따라 진동 부재(200)에 전원을 인가하여 상기 진동 부재(200)를 자체 진동시키고, 전압의 크기를 조절하여 진동 크기를 제어함으로써, 압전 소자(100)의 압전 특성이 보완 또는 증폭되며, 따라서 저주파수 영역에서 출력 음압을 향상된다.
한편, 압전 소자(100) 및 진동 부재(200)의 진동에 의해, 진동 부재(200)를 지지하는 프레임(400)에 반진동이 발생되는데, 프레임(400)의 반진동은 음을 왜곡시키는 문제를 발생시킨다. 그런데, 본 발명의 진동 부재(200)는 유연하며, 고탄성의 특성을 가지는 셀룰로스(Cellulose)를 이용하기 때문에, 프레임(400)의 반진동을 흡수할 수 있으며, 이로 인해 음의 왜곡을 종래에 비해 저감시킬 수 있다.
또한, 이러한 셀룰로스(Cellulose) 진동 부재(200)의 특성에 의해 저주파에서 고주파 영역까지 출력 음압을 고르게 개선시킬 수 있으며, 종래와 같이 금속으로 이루어진 진동판을 이용할 때, 인공적인 울림과 같은 문제를 발생시키지 않아, 인간 친화형의 압전 스피커를 제조할 수 있다.
제 1 접착층(300)은 압전 소자(100)와 진동 부재(200) 사이에 도포되어, 압전 소자(100)의 하부에 진동 부재(200)를 접합시킨다. 이러한 제 1 접착층(300)은 고탄성율의 재료를 사용하는 것이 효과적이며, 본 발명의 실시예에서는 에폭시(epoxy) 실리콘(silicon) 수지 및 아크릴 올리고머(acryl oligomer) 중 적어도 어느 하나를 사용한다. 고탄성의 재료로 이루어진 제 1 접착층(300)이 압전 소자(100)와 진동 부재(200) 사이에 위치함으로써, 압전층(100)의 진동이 진동 부재(200)로 균일하게 전달되도록 할 수 있고, 프레임(400)으로부터의 반진동을 흡수하여 음의 왜곡 현상을 감소시킨다.
프레임(400)은 제 2 접착층(500)에 의해 적어도 진동 부재(200)를 둘러싸는 형태로 부착되어, 진동 부재(200)를 지지한다. 이러한 프레임(400)은 진동 부재(200)가 진동할 때, 반진동을 최소화하기 위해, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리아세탈(POM) 및 폴리카보네이트(PC) 등을 포함하는 플라스틱이나 알루미늄 중 어느 하나로 제조되는 것이 바람직하다. 실시예에 따른 프레임(400)의 경우, 진동 부재(200)의 하측에 대응하는 영역, 즉 프레임(400)의 하부가 폐쇄된 형태이나, 이에 한정되지 않고, 하부가 개구된 형상일 수도 있다.
여기서 제 2 접착층(500)은 상술한 제 1 접착층(300)과 동일한 재료 즉, 에폭시(epoxy) 실리콘(silicon) 수지 및 아크릴 올리고머(acryl oligomer) 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
캡(600)은 압전 스피커를 보호하는 것으로, 압전 소자(100)의 상측에서 프레임(400)과 연결되도록 설치되어, 진동 부재(200), 압전 소자(100)을 커버하며, 전면에 복수의 음향홀(610)을 포함한다. 음향홀(610)의 형상은 원형, 타원형 다각형 등으로 다양하게 변경 가능하다.
이하에서는 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 압전 스피커의 제조 방법을 간략히 설명한다.
먼저, 압전층(110)과 제 1 및 제 2 전극(120a, 120b)를 포함하는 압전 소자(100)를 제조한다. 이를 위해 PZT, PMN-PT, PZN-PT, PIN-PT, PYN-PT, PVDF, PVDF-TrFE, BNT(BaNiTiO3), BZT-BCT 중 적어도 어느 하나를 얇은 박막 또는 필름(film) 형태로 제조하여 압전층(110)을 제조한다. 그리고, 제조된 압전층(110)의 상부 및 하부 각각에 탄소나노튜브(CNT), Ag, 카본(C) 분말 또는 Al 등의 금속 페이스트(paste)를 도포하거나, polyaniline, polythiophene, PEDOT(poly(3,4-ethylene-dioxythiophene)), polypyrrole, PPV(polyphenylenevinylene) 등의 전도성 고분자와 그의 유도체 및 유기물 전도체 중 적어도 어느 하나를 도포하여 제 1 및 제 2 전극(120a, 120b)을 형성한다.
압전 소자(100)가 제조되면 고탄성율의 재료 예컨대, 에폭시(epoxy) 실리콘(silicon) 수지 및 아크릴 올리고머(acryl oligomer) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 접착 물질을 압전 소자(100)의 하부 또는 진동 부재(200)의 상부에 도포하여 제 1 접착층(300)을 형성한다.
또한, 셀룰로스(Cellulose)를 얇은 박막 또는 필름(film) 형태로 제조하여 진동 부재(200)를 마련하고, 제 1 접착층(300)을 이용해 상기 진동 부재(200)를 압전 소자(100)의 하부에 부착하고 건조시킨다. 이때 제 1 접착층(300)으로는 고탄성율의 재료 예컨대, 에폭시(epoxy) 실리콘(silicon) 수지 및 아크릴 올리고머(acryl oligomer) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 접착 물질이다.
이어서, 고탄성의 접착 물질로 이루어진 제 2 접착층(500)을 이용하여 진동 부재(200)를 프레임(400)에 고정시키고, 전면에 복수의 음향홀(610)을 가지는 캡(600)을 마련하여, 진동 부재(200), 압전 소자(100)를 커버한다.
상술한 방법으로 압전 스피커가 제조되면, 제 1 및 제 2 전극(120a, 120b)을 통해 압전층(110)으로 전압을 인가한다. 이때 압전층(110)은 인가되는 전압에 의해 분극(poling) 됨으로써, 수축 또는 신장하게 되고, 이에 따라 압전층(110)에 진동이 발생된다. 압전층(110)의 진동은 진동 부재(200)로 전달되며, 따라서 진동 부재(200)가 진동하게 하는데, 압전층(110)으로부터 발생된 음압과 진동 부재(200)에서 발생된 음압이 더해져, 음압이 향상된다.
한편, 압전층(110) 및 진동 부재(200)에 진동에 의해 프레임(400)에 반진동이 발생되는데, 셀룰로스(Cellulose)로 이루어진 진동 부재(200)는 탄성력이 우수하고, 고내부손실 특성을 가지고 있어, 프레임(400)의 반진동은 진동 부재(200)로 흡수된다. 따라서, 프레임(400)의 반진동으로 인한 음의 왜곡 현상을 저감시킬 수 있다.
그리고, 필요에 따라서 압전 특성을 가지는 진동 부재(200)에 전압을 가하고, 전압의 크기를 조절함으로써, 진동 부재(200)를 자체적으로 진동시키면서, 진동의 크기를 조절할 수 있다. 진동 부재(200) 자체적으로 발생된 진동은 압전층(110)의 압전 특성을 보완하고, 진동을 증폭시키는 효과가 있으며, 이로 인해 종래에 비해 저주파수 영역에서 출력 음압을 향상된다. 이때, 진동 부재(200)가 자체적으로 진동하는 작동 전압은 압전층(110)의 작동 전압에 비해 낮아, 낮은 전압으로도 압전층(110)의 압전 특성을 보완, 증폭 시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 셀룰로스(Cellulose)로 이루어진 진동 부재(200)의 특성에 의해 저주파에서 고주파 영역까지 출력 음압을 고르게 개선시킬 수 있으며, 종래와 같이 금속으로 이루어진 진동판을 이용할 때, 인공적인 울림과 같은 문제를 발생시키지 않아, 인간 친화형의 압전 스피커를 제조할 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 압전 소자 110: 압전층
120a, 120b: 전극 200: 진동 부재
300: 제 1 접착층 400: 프레임
500: 제 2 접착층 600: 캡
610: 음향홀

Claims (5)

  1. 압전층과, 상기 압전층의 양면에 형성된 전극을 구비하여, 상기 전극으로 인가되는 전압에 의해 분극되어 진동을 발생하는 압전 소자; 및
    상기 압전 소자에 비해 두꺼운 두께를 가지도록 형성되어, 상기 압전 소자의 일측면에 부착되며, 압전 특성을 가지며, 상기 압전 소자에 인가되는 전압에 비해 낮은 작동 전압에 의해, 자체적으로 진동 가능한 셀룰로스(cellulose)로 이루어진 진동 부재;
    적어도 상기 진동 부재를 둘러싸도록 설치되어, 상기 진동 부재를 지지하는 프레임;
    상기 압전 소자의 상측에서 상기 프레임과 연결되도록 설치되어 상기 진동 부재 및 압전 소자를 커버하며, 전면에 복수의 음향홀이 마련된 커버;
    상기 압전 소자와 진동 부재 사이에 위치하여 상기 압전 소자와 진동 부재 간을 접합시키며, 탄성을 가지는 접착층;
    를 포함하고,
    상기 접착층은 에폭시(epoxy) 실리콘(silicon) 수지 및 아크릴 올리고머(acryl oligomer) 중 적어도 어느 하나를 포함하며,
    상기 셀룰로스(cellulose)로 이루어진 진동 부재는 상기 프레임에 의한 음의 왜곡을 방지하고, 상기 압전 소자의 진동을 증폭시켜 음압을 향상시키는 압전 스피커.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전층은 PZT, PMN-PT, PZN-PT, PIN-PT, PYN-PT, PVDF, PVDF-TrFE, BNT (BaNiTiO3) 및 BZT-BCT 중 적어도 하나로 이루어진 압전 스피커.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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