KR101699796B1 - 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 및 그 제조 방법 - Google Patents

삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 및 그 제조 방법 Download PDF

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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 음압 레벨이 향상된 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 및 그 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 따르면, 산화 그래핀을 환원시켜 제작된 삼차원 그래핀으로 형성된 음파 발생부; 상기 음파 발생부의 일측면에 부착되어 있는 제1 전극; 및 상기 음파 발생부의 다른 측면에 부착되어 있는 제2 전극을 포함하는 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 및 그 제조 방법이 제공된다.

Description

삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 및 그 제조 방법{TWO DIMENSIONAL THERMOACOUSTIC SPEAKER USING THREE DIMENSIONAL GRAPHENE AND MANUFACTURING METHOD THE SAME}
본 발명은 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 음압 레벨이 향상된 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 및 그 제조방법에 관한 것이다.
스피커(speaker)는 전기적 신호를 입력받아 이를 음파로 변환시켜 출력하는 장치이다. 스피커에는 그 작동원리에 따라 동전형 스피커(dynamic speaker), 정전형 스피커(electrostatic speaker), 압전형 스피커(crystal speaker) 등 여러 종류가 있으나, 이러한 스피커들은 모두 전기적 신호에 따라 진동판이 기계적으로 진동하면서 주위의 공기를 진동시킴으로써 소리를 출력하는 특징을 가지고 있다.
한편 진동판의 기계적 진동 없이 음파를 출력하는 스피커로는 열음향 스피커(thermo-acoustic speaker)가 있다.
열음향 스피커는 특정 박막에 특정 주파수의 교류 전압을 가해주게 되면 박막에서 열이 발생하고, 그 열이 주변의 매질로 전달되면서 일어나는 열적 팽창 현상을 이용한 스피커이다.
열음향 스피커에서 전기적 신호가 입력되는 특정 박막은 기계적으로 진동하지 않으며, 단지 교류 전압 인가에 따라 열을 발생시켜 그 열에 의해 주변 매질(예를 들어, 공기)에 압력 변동이 야기되어 결국 외부로 음파를 출력하는 효과가 발생하게 된다.
열음향 스피커는 인가된 교류 전압에 의해 발생한 열이 주위 공기로 전달되어야 하므로, 열음향 스피커를 구성하는 박막은 단위 면적당 열용량(heat capacity per unit area)이 작은 것이 바람직하다.
따라서 그 소재로 얇은 알루미늄 등의 금속 박막이나 탄소나노튜브 등이 연구되어 왔으며, 최근에는 그래핀(graphene)을 활용한 열음향 스피커도 연구되고 있다. 그래핀은 탄소 원자의 평면 결합으로 이루어지는 2차원 박막으로, 높은 전자이동도, 탁월한 기계적 강도 및 투명성 등 다양한 장점을 가지고 있을 뿐만 아니라, 특히 매우 작은 단위 면적당 열용량을 가지고 있어 열음향 스피커에의 활용 가능성을 인정받고 있다.
한편 그래핀은 매우 얇은 막이므로 열음향 스피커에 활용할 경우 넓은 면적에서 그래핀을 지지하기 위한 기판이 요구된다.
하지만, 기판을 활용한 열음향 스피커 구조에서는 기판으로의 열손실로 인해 그래핀으로부터 공기로의 열전달 정도가 현저히 낮아지며, 이로 인해 열음향 스피커의 음압 레벨이 현저히 감소하는 문제점이 존재하게 된다.
이러한 이유로 최근 수열합성법이나 니켈 폼에 화학적 기상 증착법 (CVD; Chemical Vapor Deposition) 을 이용한 방법으로 삼차원 그래핀을 형성하여 열음향 스피커로 활용하는 방법에 대해서 연구되어 지고 있지만, 수열 합성법으로 합성된 삼차원 그래핀의 경우 합성된 삼차원 그래핀의 큰 저항이, CVD를 이용한 삼차원 그래핀의 경우 복잡한 공정 과정과 사대적으로 떨어지는 음압강도가 문제가 되고 있다.
국내공개특허번호 2010-0057204호 국내공개특허번호 2012-0090938호 국내등록번호 10-0654366호
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 삼차원 그래핀을 사용하여 기판으로 인한 음압 감소 효과를 억제하고, 기계적으로 강한 강도를 가지는 이차원 평면형 열음향 스피커를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 기판의 영향을 최소화할 수 있는 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 스피커를 간단한 방법으로 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면은, 산화 그래핀을 환원시켜 제작된 삼차원 그래핀으로 형성된 음파 발생부; 상기 음파 발생부의 일측면에 부착되어 있는 제1 전극; 및 상기 음파 발생부의 다른 측면에 부착되어 있는 제2 전극을 포함한다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 삼차원 그래핀은 산화 그래핀 조각이 포함되어 있는 액상의 물질을 형태를 유지한 채 용매를 제거하여 형성된 삼차원 산화 그래핀 구조를 환원시켜서 제작된다.
또한, 본 발명의 일측면은 상기 음파 발생부, 제1 전극 및 제2 전극을 실장하여 지지하기 위한 지지층을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 지지층은 실리콘, 산화 알루미늄, 산화실리콘, 유리, 플라스틱, 금속, 직물, 종이 또는 목재류 중 적어도 하나를 포함한다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 제1 전극과 제2 전극은 상기 음파 발생부의 일부를 덮는 구조이다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 음파 발생부는 대향하는 양측면이 반원형으로 형성되어 있으며, 제1 전극 및 제2 전극은 상기 양측면에 접하는 면이 오목하다.
또한, 본 발명의 일측면의 상기 음파 발생부는 대향하는 양측면이 지그재그로 형성되어 있으며, 제1 전극 및 제2 전극은 상기 양측면에 접하는 면이 지그재그로 형성된다.
한편, 본 발명의 다른 측면은 산화 그래핀을 환원시켜 제작된 삼차원 그래핀으로 매트릭스 형태로 형성된 다수의 음파 발생부; 상기 다수의 음파 발생부의 사이에 위치하여 상기 다수의 음파 발생부의 각각의 일측면에 접하도록 지그재그로 형성된 제1 전극; 및 상기 다수의 음파 발생부의 사이에 위치하여 상기 다수의 음파 발생부의 각각의 다른 측면에 접하도록 지그재그로 형성된 제2 전극을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면의 상기 제1 전극은 상기 각각의 음파 발생부의 일측면에 접하는 면에 오목부가 형성되어 접촉 면적을 조절하며, 상기 제2 전극은 상기 각각의 음파 발생부의 다른 측면에 접하는 면에 오목부가 형성되어 접촉 면적을 조절한다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면은 (A) 그래핀 조각이 분산되어 있는 용액에서 용매를 제거해 삼차원 산화 그래핀을 제작하는 단계; (B) 상기 삼차원 산화 그래핀을 환원시켜 삼차원 그래핀을 제작하여 음파 발생부를 형성하는 단계; (C) 상기 음파 발생부에 지지층을 부착하는 단계; 및 (D) 상기 지지층에 부착된 음파 발생부에 제1 전극 및 제2 전극을 부착하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면의 상기 산화 그래핀 용액 내의 그래핀 조각은 단층 혹은 복수의 탄소 원자층으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면의 상기 산화 그래핀 용액 내의 그래핀 조각은 1 nm 보다 크고 1 mm 보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면의 상기 액상의 물질은 물, 아세톤, 에탄올, 보론트라이플루오라이드, 피롤, 아민 중 어느 하나의 물질임을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커에 의하면, 기존의 이차원 나노소재를 이용한 열음향 스피커에 비해서 기계적으로 안정적이며, 기판과 접촉하는 접촉 면적이 현저하게 줄어들거나 기판 없이 구동이 가능하기 때문에 기판으로의 에너지 흡수를 최소화시켜 향상된 음압 레벨을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커에 의하면, 기판 위에 삼차원 그래핀을 위치시키고 음향 신호에 상응하는 전압을 인가할 경우에 발생하는 단극(monopole)의 음향 신호가 기판에 의해 보강간섭을 일으켜 음압을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 제조방법에 의하면, 기판의 영향의 최소화되며 기계적으로 강한 강도를 가지는 그래핀 열음향 스피커를 간단한 방법으로 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 삼차원 그래핀의 전자주사현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 개략적인 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 개략적인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 개략적인 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 개략적인 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 개략적인 사시도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 제조방법의 흐름도이다.
도 10은 제1 실시 예에 따라 제조된 삼차원 그래핀의 농도에 따른 저항 측정 결과이다.
도 11은 제1 실시 예에 따라 제조된 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 산화 그래핀 용액의 농도에 따른 음압 측정 결과이다.
도 12는 제1 실시예에 따라 제조된 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 지지층의 존재 여부에 따른 음압 측정 결과이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 삼차원 그래핀의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 삼차원 그래핀은 산화 그래핀 조각들이 고르게 분산된 용액에서 분산된 구조를 유지한 채 용매를 제거함으로써 형성된다.
이 때 산화 그래핀 조각들이 용액 속에서 침전되지 않고 고르게 분산된 형태로 존재하며, 그러한 분포로 인해 각각의 산화 그래핀 조각들 사이에 액상의 물질들이 차지하고 있는 공간이 존재한다.
동결 건조법 또는 임계법 건조법 및 적절한 액상의 물질들을 제거하는 방법을 사용하면 용매 내에 분포되어 있는 산화 그래핀 조각들은 그 분포되어 있는 구조를 유지한 체 용매만 제거할 수 있게 되는데, 도 1은 용매를 완전히 제거 한 후에 형성된 산화 그래핀 조각들의 구조를 주사전자현미경 사진으로 관측한 결과이다.
도 1에서 확인 할 수 있는 것과 같이, 상기의 방법으로 만들어진 삼차원 그래핀은 단층 혹은 복수 층의 그래핀 조각들이 얽혀 있는 구조로 이루어져 있으며, 대부분의 공간이 공기 혹은 기체로 채워져 있어 공기와 닿는 표면적이 넓어지기 때문에, 제작된 삼차원 그래핀 또한 열음향 스피커에 이용되는 그래핀 혹은 다른 이차원 물질과 마찬가지로 매우 작은 단위 면적당 열용량을 가지며 삼차원 구조이기 때문에 기계적으로는 더 안정한 구조를 가진다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 개략적인 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커는, 삼차원 그래핀으로 구성되는 음파 발생부(210), 음파 발생부(210)를 지지하는 지지층(110), 삼차원 그래핀으로 구성되는 음파 발생부(210)에 전기적 신호를 인가하기 위한 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)을 포함하여 구성된다.
상기 음파 발생부(210)는 박막의 삼차원 그래핀으로 이루어져 있으며, 판형으로 지지층(110)의 상부면에 형성되어 있다.
이와 같은 음파 발생부(210)는 제1 전극(140) 및 제2 전극(150) 사이에 인가되는 교류 전압에 의해 열을 발생시켜 주위 매질을 진동시킨다.
여기서 삼차원 그래핀(210)은 산화 그래핀 조각이 포함되어 있는 액상의 물질을 형태를 유지한 채 용매를 제거하는 방법으로 형성된 삼차원 산화 그래핀 구조를 환원시켜서 제작된 것일 수 있으며, 산화 그래핀 조각은 탄소 원자가 단일층 혹은 복수층으로 배열된 형태일 수 있다.
즉 본 발명에서 삼차원 그래핀을 형성하기 위하여 사용되는 산화 그래핀 조각이라는 용어는 탄소 원자 단일층만으로 한정 해석되는 것은 아니며, 그 두께 범위는 0.3 nm 내지 100 nm 범위일 수 있다.
지지층(110)은 음파 발생부(210)를 지지하는 구성으로, 실리콘, 산화 알루미늄(Al2O3), 산화실리콘 (SiO2) 등의 무기물, 유리 (Glass), 플라스틱, 금속, 직물, 종이, 또는 목재류 등 다양한 재료로 구성될 수 있으며, 재료의 열전달 계수 및 열용량에 따라 열음향 스피커의 특성이 달라질 수 있다.
또한 지지층(110)은 필요에 따라 생략 될 수 있으며, 격자 구조 및 어떠한 모양으로도 변형될 수 있다.
제1 전극(140) 및 제2 전극(150)은 적어도 일부분이 음파 발생부(210)에 접하도록 형성되며, 외부의 전기신호 발생부(미도시)에 연결되어 음파 발생부(210)에 교류 전압을 인가하기 위한 구성이다.
음파 발생부(210)의 전체 면적으로 전류가 충분히 흐를 수 있도록 도 2에 도시한 것처럼 제1 전극(140)과 제2 전극(150)은 서로 대향하는 변에 접하도록 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 제1 전극(140)과 제2 전극(150)은 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 일부 음파 발생부(210)를 덮도록 구성할 수 있다.
이와 같은 구성의 본 발명에 따른 삼차원 그래핀 열음향 스피커는, 외부의 전기신호 발생부로부터 보상회로를 통과하여 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)에 교류 전압이 인가되면 음파 발생부(210)의 삼차원 그래핀에 입력 신호의 주파수에 해당하는 열이 발생하고, 그 낮은 단위 면적당 열용량 특성으로 인해 주위로 열을 방출하며, 이러한 열이 주위의 매질, 예를 들어 공기로 전달되면서 공기의 진동이 발생함으로써 음파가 발생된다.
이때 음파 발생부(210)의 삼차원 그래핀은 그 형태적 특성으로 인해 지지층(220)과의 접촉 면적이 최소한으로 유지되어 지지층(220)으로의 열손실은 최소화되고, 오히려 단극의 성질을 가지는 열음향 스피커의 특성으로 인해 지지층(220)에서 보강간섭이 발생하여 추가적으로 음압 레벨이 향상되는 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 개략적인 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커는 제1 실시예와 달리 제1 전극(140)과 제2 전극(150)의 일부가 음파 발생부(210)를 덮고 있는 구조이다.
이처럼 제1 전극(140)과 제2 전극(150)이 일부 음파 발생부(210)를 덮고 있어 접촉 면적이 증가되어 성능이 좋아진다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 개략적인 사시도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커는 제1 및 제2 실시예와 달리 음파 발생부(210)의 양측면이 반원형으로 이루어져 있으며 이에 대응되게 제1 전극(140)과 제2 전극(150)이 오목하게 형성되어 음파 발생부(210)와 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)의 접촉 면적을 늘리고 있다.
이처럼 음파 발생부(210)와 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)의 접촉 면적이 증가됨에 따라 성능이 향상된다.
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 개략적인 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커는 제1~3 실시예와 달리 음파 발생부(210)의 양측면이 지그재그 형상으로 이루어져 있으며 이에 대응되게 제1 전극(140)과 제2 전극(150)도 지그재그 형상으로 형성되어 음파 발생부(210)와 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)의 접촉 면적을 늘리고 있다.
이처럼 음파 발생부(210)와 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)의 접촉 면적이 증가됨에 따라 성능이 향상된다.
도 7은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 개략적인 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제5 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커는 제1~4 실시예와 달리 음파 발생부(210)의 두께가 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)의 두께보다 두껍게 되어 있다.
이처럼 음파 발생부(210)의 두께와 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)의 두께를 다르게 하면 이에 실장되는 소자등의 두께 변화에 능동적으로 대응할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제6 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 개략적인 사시도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제6 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 열음향 스피커는 다수의 음향 발생부(210-1)가 매트릭스 형태로 배열되어 있으며, 제1 전극(140')과 제2 전극(150')은 지그재그 형태로 다수의 음향 발생부(210-1)의 사이에 위치하고 있다.
여기에서, 다수의 음향 발생부(210-1)의 간격이 일정하고 균일하게 도시되어 있으나 이는 하나의 실시 형태이며 서로 다른 간격을 갖도록 하거나, 지그 재그 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 제1 전극(140')과 제2 전극(150')에 있어서 음향 발생부(210-1)와 접하는 면에 오목부(140'-1, 150'-1)가 형성되어 접촉 면적을 조절할 수 있도록 되어 있다.
이하 본 발명의 제1 실시 예에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 제조방법을 설명한다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 제조방법은, 산화 그래핀 조각이 고르게 분산되어 있는 용액에서 산화 그래핀의 구조를 유지하며 액상의 물질을 제거하는 단계(S410), 생성된 삼차원 산화 그래핀을 환원시키고 n-도핑 하여 음파 발생부를 형성하는 단계(S420), 지지층을 부착하는 단계(S430) 및 제1 전극과 제2 전극을 부착하는 단계(S440)를 포함할 수 있다.
S410 단계는 삼차원 산화 그래핀을 형성하는 단계로, 용액 내에서 고르게 분산되어 있는 산화 그래핀 조각의 구조를 유지하여 내부에 공극을 가지는 삼차원 구조를 만드는 단계이다.
이 단계에서 산화 그래핀 조각이 분산되어 있는 용매는 동결 건조법 (Freeze-drying method) 또는 임계점 건조법 (CPD) 등의 방법을 통해 제거 될 수 있다.
또한, 용액 내의 산화 그래핀의 농도는 0.1 mg/ml에서 10 mg/ml 의 범위를 가질 수 있다. 용액 내의 산화 그래핀의 농도에 따라 삼차원 산화 그래핀 내의 공극률이 달라지게 되며, 열음향 스피커의 효율도 달라질 수 있다.
이렇게 생성된 삼차원 산화 그래핀의 경우 부도체로 매우 큰 저항을 가진다. 열음향 스피커는 도체로 흐르는 전류와 전압에 의한 파워로 인해 열을 발생시키며 구동시키는 원리를 가지기 때문에, 삼차원 산화 그래핀을 형성한 후에는 삼차원 산화 그래핀을 전류가 흐를 수 있는 전도체로 만들어 주기 위해서 삼차원 산화 그래핀을 환원시키고 n-도핑 시킨다(S420).
산화 그래핀을 환원 시키는 방법으로는 400도 이상의 고온에서의 열처리, 레이져를 이용하는 방법, 마이크로 파를 이용하는 방법, 하이드로진이나 요오드화 수소산 등의 화학적 시약(Chemical reagents)을 이용하는 방법 등이 존재하며, 위의 방법들 중 두 가지 이상을 순차적으로 적용 할 수도 있다.
여기서 열처리 시 암모니아 (NH3) 등의 질소가 포함된 분위기에서 열처리를 수행하게 되면 n-도핑이 되는 효과를 함께 얻을 수 있다.
여기서, 환원된 삼차원 산화 그래핀을 간단하게 삼차원 그래핀이라고 부르기로 한다.
삼차원 그래핀을 이용하여 음파 발생부를 형성한 후에는 삼차원 그래핀 아랫부분에 지지층을 부착한다(S430). 지지층은 실리콘, 산화 알루미늄 (Al2O3), 산화실리콘 (SiO2) 등의 무기물, 유리 (Glass), 플라스틱, 금속, 직물, 종이, 또는 목재류 등 다양한 물질로 구성될 수 있으며, 필요시 생략될 수 있다. 또한 부착하는 형태로는 환원된 삼차원 그래핀을 접착 물질로 부착할 수 있으며, 지지층 위에 특별한 접착 재료 없이 접촉시키는 것도 상기에 부착에 해당할 수 있다.
지지층에 부착한 후에는 그래핀 박막에 교류 전압을 인가하기 위한 제1 전극 및 제2 전극을 형성하는 단계를 진행할 수 있다(S440). 제1, 2 전극은 도 1~8에 도시된 것처럼 음파 발생부와 지지층에 걸치도록 형성될 수 있으며, 은(Ag) 페이스트 등 도전성 물질을 도포하는 방법으로 형성될 수 있다. 여기서, 제 1전극 및 제 2전극은 삼차원 그래핀과 지지층을 접착하는데 쓰일 수 있다.
이와 같은 단계들을 진행함으로써 도 1~8과 같은 구조의 본 발명에 따른 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커를 제조할 수 있다. 특히 산화 그래핀 조각이 고르게 분산되어져 있는 용액에서 용매를 제거하는 방법으로 삼차원 산화 그래핀을 만들고, 생성된 삼차원 산화 그래핀을 환원 및 n-도핑 하는 방법을 사용하면 다른 방법으로 삼차원 그래핀을 형성하는 것에 비해 방법이 간단하며, 산화 그래핀 용액의 농도 및 환원 시 온도와 가스 분율에 따라 공극률과 저항을 조절할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한, 대량 생산이 가능하며 원하는 모양의 삼차원 그래핀을 만들 수 있다는 장점 역시 가지고 있다.
이하 본 발명에 따라 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 특성을 실시예를 참조하여 구체적으로 설명한다.
1. 실시예
수정된 Hummer 방법을 사용하여 그래핀 옥사이드 용액을 만들고, 만들어진 산화 그래핀 용액에 물을 적당량 투입하여 2 mg/ml, 3 mg/ml, 및 4 mg/ml 농도의 산화 그래핀 용액을 준비하였다.
준비된 산화 그래핀 용액을 가로 1.5 cm, 세로 1.5 cm 의 정사각형 모형의 틀에 담아 동결 건조 방법으로 용매를 제거하였다.
여기서 동결 건조를 시행하기 위해 산화 그래핀 용액을 액체 질소를 사용하여 얼렸으며, 얼린 산화 그래핀 용액을 삼중점 이하로 압력을 낮춘 후 온도를 높이는 방법으로 용매를 승화시켜 도 1과 같은 삼차원 산화 그래핀을 얻었다.
후속 단계로써 삼차원 산화 그래핀을 밀폐된 용기 내의 하이드라진(N2H4) 분위기에서 1 시간 동안 환원시킨 후에, 수소와 암모니아가 혼합되어 있는 가스 분위기에서 750 열처리를 함으로써 환원과 동시에 n-도핑을 실시하여 삼차원 그래핀을 얻었다.
이렇게 얻어진 삼차원 그래핀에 지지층을 부착하고, 제 1전극 및 제 2전극을 부착하여 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커를 제작하였다.
도 10은 산화 그래핀 용액의 농도에 따른 삼차원 그래핀의 저항값의 변화를 나타낸다. 같은 환원 과정을 쳤을 때 산화 그래핀 용액의 농도에 따라서 저항값이 변하게 되는데, 이것은 상기의 방법으로 저항이 조절 가능한 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커를 제작할 수 있음을 나타낸다.
도 11은 제1 실시 예에 따라 제조된 서로 다른 도핑 농도의 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 음압 레벨 측정 결과로서, 지지층이 생략된 경우의 측정 결과이다.
2 mg/ml 의 농도의 산화 그래핀 용액으로 제작된 열음향 스피커의 음압 레벨이 가장 크게 나타났으며, 산화 그래핀 용액의 농도가 커 질수록 음압레벨이 작아지는 경향을 보였다.
이 때에 사용된 삼차원 그래핀의 크기는 가로 1 cm, 세로 1 cm 크기의 정사각형이며, 3 cm 의 거리에서 1 W 의 입력 파워를 인가했을 때의 음압레벨을 측정하였다.
도 12는 제1 실시 예에 따라 제조된 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커의 음압 레벨 측정 결과로서, 지지층이 있을 때와 생략 되었을 때의 비교 그래프이다. 지지층은 가로 1 m, 세로 1 m 의 정사각형 모양의 1 cm 의 두께를 가지는 아크릴 판을 사용하였다.
지지층이 없는 본 발명의 실시 예에 따른 삼차원 그래핀 열음향 스피커의 음압 레벨보다 지지층이 있는 삼차원 그래핀 열음향 스피커의 음압 레벨이 약 6 dB 가량 높게 나타났다. 이것을 통해 단극 방사의 형태를 가지는 열음향 스피커의 특성으로 인해 지지층에서 반사되어 나오는 음파가 지지층의 반대 방향으로 반사되어 나오는 음파와 보강 간섭되어 음압이 향상되는 효과를 가지는 것을 실험적으로 확인 할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110 : 지지층 140, 150, 140', 150' : 전극
140'-1, 150-1' : 오목부 210, 210-1 : 음파 발생부

Claims (13)

  1. 산화 그래핀을 환원시켜 제작된 삼차원 그래핀으로 형성된 음파 발생부;
    상기 음파 발생부의 일측면에 부착되어 있는 제1 전극; 및
    상기 음파 발생부의 다른 측면에 부착되어 있는 제2 전극을 포함하는 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 삼차원 그래핀은 산화 그래핀 조각이 포함되어 있는 액상의 물질을 형태를 유지한 채 용매를 제거하여 형성된 삼차원 산화 그래핀 구조를 환원시켜서 제작된 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커
  3. 청구항 1항에 있어서,
    상기 음파 발생부, 제1 전극 및 제2 전극을 실장하여 지지하기 위한 지지층을 더 포함하는 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커.
  4. 청구항 3항에 있어서,
    상기 지지층은 실리콘, 산화 알루미늄, 산화실리콘, 유리, 플라스틱, 금속, 직물, 종이 또는 목재류 중 적어도 하나를 포함하는 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커.
  5. 청구항 1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 제2 전극은 상기 음파 발생부의 일부를 덮는 구조인 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커.
  6. 청구항 1항에 있어서,
    상기 음파 발생부는 대향하는 양측면이 반원형으로 형성되어 있으며, 제1 전극 및 제2 전극은 상기 양측면에 접하는 면이 오목한 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커.
  7. 청구항 1항에 있어서,
    상기 음파 발생부는 대향하는 양측면이 지그재그로 형성되어 있으며, 제1 전극 및 제2 전극은 상기 양측면에 접하는 면이 지그재그로 형성된 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커.
  8. 산화 그래핀을 환원시켜 제작된 삼차원 그래핀으로 매트릭스 형태로 형성된 다수의 음파 발생부;
    상기 다수의 음파 발생부의 사이에 위치하여 상기 다수의 음파 발생부의 각각의 일측면에 접하도록 지그재그로 형성된 제1 전극; 및
    상기 다수의 음파 발생부의 사이에 위치하여 상기 다수의 음파 발생부의 각각의 다른 측면에 접하도록 지그재그로 형성된 제2 전극을 포함하는 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커.
  9. 청구항 8항에 있어서,
    상기 제1 전극은 상기 각각의 음파 발생부의 일측면에 접하는 면에 오목부가 형성되어 접촉 면적을 조절하며,
    상기 제2 전극은 상기 각각의 음파 발생부의 다른 측면에 접하는 면에 오목부가 형성되어 접촉 면적을 조절하는 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커.
  10. (A) 그래핀 조각이 분산되어 있는 용액에서 용매를 제거해 삼차원 산화 그래핀을 제작하는 단계;
    (B) 상기 삼차원 산화 그래핀을 환원시켜 삼차원 그래핀을 제작하여 음파 발생부를 형성하는 단계;
    (C) 상기 음파 발생부에 지지층을 부착하는 단계; 및
    (D) 상기 지지층에 부착된 음파 발생부에 제1 전극 및 제2 전극을 부착하는 단계;를 포함하는 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 제조방법.
  11. 청구항 10항에 있어서,
    상기 산화 그래핀 용액 내의 그래핀 조각은 단층 혹은 복수의 탄소 원자층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 제조방법.
  12. 청구항 10항에 있어서,
    상기 산화 그래핀 용액 내의 그래핀 조각은 1 nm 보다 크고 1 mm 보다 작은 것을 특징으로 하는 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 제조방법.
  13. 청구항 10항에 있어서,
    상기 용매는 물, 아세톤, 에탄올, 보론트라이플루오라이드, 피롤, 아민 중 어느 하나의 물질임을 특징으로 하는 삼차원 그래핀을 이용한 이차원 평면형 열음향 스피커 제조방법.
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