KR101588132B1 - 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신축 가능하여 웨어러블 디바이스에 적용가능하도록 구조가 개선된 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치는 내부에 마이크로채널이 형성되어 있으며, 신축 가능한 소재로 이루어지는 진동판과, 진동판의 마이크로채널 내부에 충진되는 액체 금속과, 진동판에 충진된 액체 금속에 자기장을 인가하는 자석을 포함한다.

Description

액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치{Stretchable acoustic device using liquid metal coil}

본 발명은 음향 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웨어러블 디바이스에 적용 가능하도록 신축 가능한 음향장치에 관한 것이다.

현재 상용 제품으로 나오고 있는 라우드 스피커들은 주로 다이나믹 방식, 압전식, 정전식 방식 중 한 가지 방식을 채택하여 제작되고 있다. 다이나믹 방식의 스피커는 고체 금속선을 감아서 만든 고체 보이스 코일과 영구자석을 이용한다. 압전 방식의 스피커는 압전효과를 갖는 세라믹 물질을 이용하여 역압전 현상을 이용하여 소리를 구동한다(대한민국 공개특허 10-2014-0083912). 정전식 스피커는 전하를 띈 진동판과 전극인 스테이터로 이루어진 전극을 통하여 음파를 구현한다. 각각의 방식은 모두 장단점이 존재한다. 압전식과 정전식은 얇은 필름 형태로 만들 수 있어서, 이미 상용제품으로 나와 있지만, 구동전압이 다이나믹 방식의 라우드스피커보다 높아서 전용 앰프가 필요하다. 반면에 다이나믹 방식의 라우드스피커는 구동전압이 상대적으로 낮고, 제작 비용도 압전식과 정전식에 비해 낮지만, 구동 부품의 특성상 얇은 필름 형태로 제작하기가 어려운 난관이 존재한다.

하지만, 이러한 기존의 방식들이 공통적으로 구현하지 못하는 특성이 존재한다. 즉, 세 가지 방식 모두 구동 부품을 이루는 물질들이 신축가능하지 않기 때문에, 스트레처블, 웨어러블 음향 장치를 구현하기에는 부적합하다는 것이다. 즉, 부품의 단단한 특성상(즉, 신축 불가능한 특성) 당기는 순간 끊어지거나 변형이 일어나며, 이러한 이유로 장치 구동이 불가능해 지는 것이다.

대한민국 공개특허 10-2014-0083912(발명의 명칭 : 압전소자 및 이를 구비하는 압전 스피커)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 신축 가능하여 웨어러블 디바이스에 적용가능하도록 구조가 개선된 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치는 내부에 마이크로채널이 형성되어 있으며, 신축 가능한 소재로 이루어지는 진동판과, 상기 진동판의 마이크로채널 내부에 충진되는 액체 금속과, 상기 진동판에 충진된 액체 금속에 자기력선을 인가하는 자석을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 마이크로채널은 나선형으로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 진동판은 고분자 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치의 제조방법은 마이크로채널이 형성되어 있으며, 신축 가능한 소재로 이루어지는 하부판을 준비하는 단계와, 상기 마이크로채널의 양단부에 전선을 배치하는 단계와, 상기 마이크로채널에 액체 금속을 충진하는 단계와, 상기 액체 금속이 충진된 하부판의 상면에 신축 가능한 소재로 이루어지는 상부판을 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 하부판은, 포토리소그래피 공정을 통해 마이크로채널 패턴이 형성되어 있는 몰드를 제작하고, 상기 몰드에 고분자 물질을 도포한 후 응고시킨 다음, 상기 응고된 고분자 물질을 상기 몰드와 분리시킴으로써 제작되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 고분자 물질의 응고시 기포가 발생되는 것이 방지되도록 진공 처리하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 액체 금속을 충진하는 단계에서는, 상기 하부판에 형성된 마이크로채널을 평판 형상의 필름으로 덮은 후, 상기 액체 금속을 상기 마이크로채널에 충진하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 음향장치가 신축 가능하며, 이에 따라 최근 개발되고 있는 웨어러블 또는 플렉서블 디바이스에 본 발명에 따른 음향장치를 적용하는 것이 가능하다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치의 제조방법의 개략적인 흐름도로, 도 1은 단면도로 나타난 것이며, 도 2는 사시도로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치의 시제품 사진이다.
도 4는 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치를 신장하였을 때, 스트레인에 따른 I-V Curve 그래프의 기울기로부터 액체 금속 코일의 Strain에 따른 저항을 계산한 후, 초기 저항(R₀)에 대한 나중 저항(R)을 플롯한 Strain(%)-R/R₀ 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치 및 이의 제조방법에 관하여 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치의 제조방법의 개략적인 흐름도로, 도 1은 단면도로 나타난 것이며, 도 2는 사시도로 나타낸 것이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치의 시제품 사진이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치의 제조방법에 관하여 설명하면,

먼저, 포토리소그래피 공정을 통해 마이크로채널 패턴이 형성된 몰드를 제작한다. 이에 관하여 구체적으로 설명하면, 도 1의 (A) 및 도 2의 (A)에 도시된 바와 같이, 기판(ex : SiO2 기판)(11)의 상면에 포토리소그래피 공정을 통해 제거되는 물질, 예를 들어 SU-8(12)을 스핀코팅한 후 이를 응고시킨다. 이후, 마이크로채널 패턴이 형성된 포토마스크(1)를 기판 상측에 배치한 후, 응고된 SU-8을 UV에 노출시킨다. 이후, 65℃ 핫플레이트에서 1분, 95℃ 핫플레이트에서 5분간 가열한 후, 상온에서 1~3분간 냉각시킨다. 상기 과정을 거친 SU-8을 SU-8 디벨로퍼(developer)에서 20분간 흔들어주면, 마이크로채널 형태로 패터닝 된 SU-8 고분자 몰드를 얻을 수 있다(도 1의 (B) 및 도 2의 (B)).

그런 다음, 도 1의 (C) 및 도 2의 (C)에 도시된 바와 같이, 몰드(13)에 고분자 물질(ex :PDMS와 Ecoflex를 7:3으로 섞은 혼합물)을 도포한 후 이응 응고시킨다. 이때, 고분자 물질 내부에 기포가 발생하는 것이 방지되도록(발생된 기포 제거), 고분자 물질이 도포된 몰드를 진공처리(약 12분)한 후, 65℃로 가열한 상태에서 경화한다. 이후, 응고된 고분자 물질을 몰드와 분리하면, 도 1의 (D) 및 도 2의 (D)에 도시된 바와 같이 하부판(20)이 제작된다. 참고로, 이와 같이 제작된 하부판(20)에는 마이크로채널(21)이 형성되며, 이 하부판(20)은 신축 가능한 특성을 가진다. 이때, 마이크로채널(21)은 도 2의 (D)에 도시된 바와 같이, 나선형으로 형성되는 것이 바람직하다.

이후, 도 1의 (D) 및 도 2의 (D)에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 전선(구리선 등)(31,32)을 마이크로채널(21)의 양측 단부에 하나씩 배치한다. 구체적으로는, 하부판(20)의 하면으로부터 상방향으로 전선(31,32)을 통과시켜서 마이크로채널의 양측 단부에 전선을 배치할 수 있다. 이때, 전선이 통과된 구멍으로 후술하는 바와 같이 마이크로채널에 충진되는 액체 금속이 새어나올 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 전선이 관통된 주위에는 고분자 물질을 바른 후 경화시키는 것이 바람직하다.

그런 다음, 도 1의 (E) 및 도 2의 (E)에 도시된 바와 같이, 마이크로채널을 평판 형상의 필름(40)(예를 들어, PET 필름)으로 덮은 후, 주사기나 마이크로 주입장치를 이용하여 액체 금속(Galinstan)(50)을 마이크로채널에 충진한다(도 1의 (F)). 이때, 필름(40)에는 공기가 배출될 수 있도록 배출구가 형성되는 것이 바람직하며(즉, 마이크로채널에 액체 금속이 충진될 때 마이크로채널 내부에 있던 공기가 배출됨), 액체 금속의 충진시 필름(40)이 들리지 않도록 필름을 하부판쪽으로 가압하는 것이 바람직하다. 이후, 필름(40)을 제거하면, 도 1의 (G) 및 도 2의 (F)에 도시된 바와 같이, 하부판(20)의 마이크로채널에 액체 금속(50)이 충진된 상태가 된다. 이때, 각 전선(31,32)은 마이크로채널에 충진된 액체 금속(50)과 연결된다.

한편, 필름(40)을 제거하는 과정에서, 액체 금속(50)이 마이크로채널 위로 넘쳐서 합선(즉, 인접한 마이크로채널끼리 서로 합선)될 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 마이크로채널 위로 넘친 액체 금속을 닦아주는 것이 바람직하다(에탄올 등으로 제거).

이후, 하부판(20)의 상면에 상부판을 결합하는데, 이에 관하여 구체적으로 설명하면 도 1의 (H) 및 도 2의 (G)에 도시된 바와 같이 하부판의 상면에 고분자 물질(ex : Ecoflex)을 도포한 후 경화시키면 상부판(60)이 하부판에 결합되며(즉, 경화된 고분자 물질이 상부판이 됨), 이에 따라 액체 금속이 충진된 마이크로채널이 밀봉된다. 이때, 고온에 의해 액체 금속에 악영향이 발생되거나 마이크로채널에 결함이 발생하는 것이 방지되도록, 상온에서 경화하는 것이 바람직하다.

그리고, 이와 같이 상부판(60)이 하부판(20)에 결합되면, 상부판과 하부판은 일체가 되어 하나의 진동판(70)을 이루게 되며, 이 진동판(70)의 내부에 형성된 마이크로채널에 액체 금속(50)이 충진된 상태가 된다.

그런 다음, 자석(80)을 진동판에 결합한다. 이때, 자석(80)은 상부판 또는 하부판의 표면에 고분자 물질(예를 들어 Ecoflex)를 도포하고, 그 위에 자석(네오디뮴 자석 등)을 붙히고 고분자 물질을 경화하면 된다.

상술한 바와 같이 구성된 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치는 스피커 또는 마이크로폰 형태로 이용될 수 있다.

예를 들어, 자석에 의해 나선형을 따라 충진된 액체 금속(이하, '액체 금속 코일'이라 함)에 자기장이 인가되고 있는 상태에서, 전선을 통해 액체 금속 코일로 인가되는 전류를 변화시키면 로렌츠의 힘이 발생되고, 이에 따라 진동판이 진동되면서 스피커로 활용될 수 있다.

또한, 외부 사운드에 의한 진동이 진동판에 전달되면, 액체 금속 코일에 유도 전류가 발생되고, 이를 파형으로 기록하면 마이크로폰으로 활용가능하다.

특히, 본 발명에 따른 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치는 진동판이 신축 가능한 소재로 이루어지고, 액체 금속 코일이 액체로 이루어져 있기 때문에, 음향장치가 신축가능하다는 장점이 있다. 도 4는 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치를 신장하였을 때, 스트레인에 따른 I-V Curve 그래프의 기울기로부터 액체 금속 코일의 Strain에 따른 저항을 계산한 후, 초기 저항(R₀)에 대한 나중 저항(R)을 플롯한 Strain(%)-R/R₀ 그래프이다. 도 4를 참조하면, 음향장치가 신축되더라도 저항값이 거의 일정한 수준을 유지함을 확인할 수 있으며, 이로부터 웨어러블 디바이스 등과 같이 신축되는 전자기기의 음향장치로의 적용이 가능함을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

20...하부판 21...마이크로패턴
31,32...전선 40...필름
50...액체 금속 60...상부판
70...진동판 80...자석

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 마이크로채널이 형성되어 있으며, 신축 가능한 소재로 이루어지는 하부판을 준비하는 단계;
   상기 마이크로채널의 양단부에 전선을 배치하는 단계;
   상기 마이크로채널에 액체 금속을 충진하는 단계; 및
   상기 액체 금속이 충진된 마이크로채널에 밀봉되도록 신축 가능한 소재로 이루어지는 상부판을 상기 하부판에 결합하는 단계;를 포함하며,
   상기 하부판은, 포토리소그래피 공정을 통해 마이크로채널 패턴이 형성되어 있는 몰드를 제작하고, 상기 몰드에 고분자 물질을 도포한 후 응고시킨 다음, 상기 응고된 고분자 물질을 상기 몰드와 분리시킴으로써 제작되는 것을 특징으로 하는 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치의 제조방법.
5. 삭제
6. 제4항에 있어서,
   상기 고분자 물질의 응고시 기포가 발생되는 것이 방지되도록 진공 처리하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치의 제조방법.
7. 제4항에 있어서,
   상기 액체 금속을 충진하는 단계에서는,
   상기 하부판에 형성된 마이크로채널을 평판 형상의 필름으로 덮은 후, 상기 액체 금속을 상기 마이크로채널에 충진하는 것을 특징으로 하는 액체 금속 코일을 사용한 신축가능한 음향장치의 제조방법.

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