KR102058922B1 - 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet) 및 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)의 제조방법 - Google Patents

스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet) 및 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet) 및 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스피커 진동판용 나노복합체 시트에 있어서 보다 제조 공정의 단순화, 비용절감을 할 수 있으며 이에 따라 제조된 스피커 진동판용 나노복합체 시트의 물성을 보다 우수하게 하여 스피커 진동판의 품질을 개선할 수 있는 기술을 제공하고자 하며 나노 셀룰로오스 필름의 제조공정에 있어 강화제인 탄소계 물질 성분을 고르게 분포시키면 인장 강도, 내부손실값이나 탄성계수 등 물성이 현저하게 향상될 수 있는 효과가 있다. 이때, 탄소계 물질 성분의 균일한 분산은 그 강화제로서의 효과 발현에 중요하며 유체충돌장치를 이용하여 나노 수준에서 탄소계 성분을 더욱 효과적으로 고르게 분산 시킬 수 있다.
또한, 스피커 진동판용 시트가 천연고분자인 적어도 하나 이상의 나노 셀룰로오스와 탄소계 물질 성분이 포함된 시트로 마련됨으로서 재질의 특성상 인체에 무해할 뿐만이 아니라, 재활용이 가능하기 때문에 제조원가를 절감할 수 있다.

Description

스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet) 및 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)의 제조방법{Nanocomposite sheet for speaker diaphragm and manufacturing method of nanocomposite sheet for diaphragm of speaker}
본 발명은 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet) 및 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)의 제조방법에 관한 것이다.
스피커의 음질에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 진동판으로 탄성계수, 항복강도 등의 물성이 우수할 것이 요구된다.
먼저, 탄성계수가 커야한다. 최저 공진파수가 일정할 때 탄성계수가 큰 만큼 고역 공진 주파수도 탄성계수의 제곱근에 비례하므로 이는 넓은 재생주파수 대역에 유리하다.
둘째, 항복강도가 커야한다. 스피커용 진동판의 항복강도가 크면 내구도가 큰데 이는 제품 수명에 유리하다.
마지막으로, 내부손실이 클 것이 요구된다. 음질의 차이는 진동계에서 발생하는 많은 공진이 날카로운 것에 기인하므로, 내부손실이 크면 공진의 피크를 평탄하게 할 수 있다 즉, 내부 손실률이 큰 음향 진동판을 사용한 스피커는 음향 진동판이 필요 음역만을 진동한 후 더 이상의 진동을 하지 않으므로 불필요한 잡음이나 잔향이 줄어들게 되고 고역의 피크(Peak)를 낮출 수 있어 원음 그대로를 효과적으로 출력하게 된다.
종래의 음향 진동판의 제조 원료로 주로 사용하던 재료들은 상기한 물성들을 어느 정도 만족시키는 편이지만, 보다 우수한 음질을 출력하는 스피커가 요구됨에 따라, 종래보다 높은 탄성계수와 큰 항복강도를 갖는 음향 진동판이 요구되고 있다.
따라서, 이러한 물성간에 균형을 유지하는 우수한 스피커 진동판용 재료를 찾는 것이 음향 진동판 제조의 중요한 과제가 된다.
그러한 우수한 재료는 셀룰로오스가 될 수 있다. 셀룰로오스(cellulose)는 바이오매스(biomass)로부터 얻을 수 있는 재생 가능하고 가장 풍부한 천연고분자 물질중의 하나이며 거의 모든 식물의 화학 조성분 가운데 40∼50% 정도를 차지하고 있다.
또한, 이러한 셀룰로오스는 우수한 기계적 성질, 낮은 밀도 및 생분해성 등의 장점들 때문에 많은 관심들이 집중되고 있고, 특히 단위 중량당 높은 강도와 탄성을 가지는 섬유상의 물질로 널리 쓰이고 있다.
하지만, 셀룰로오스 섬유가 아닌, 셀룰로오스 필름의 제조시, 물을 응고액으로 적용할 경우에는 응고과정에서 필름 내부에 큰 기공이 생길 뿐만 아니라, 균일한 형태의 필름을 얻기 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 대한민국 등록특허공보 제10-1123952호(이하, '종래기술'이라 함) 등이 공지되었다. 종래기술은 셀룰로오스 필름의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 셀룰로오스 필름을 제시하고 있다.
구체적으로, 종래기술은 상기 알콜계 용제에 소량의 물을 첨가, 조절함으로써, 고밀도 셀룰로오스 필름에서부터 기공도가 큰 다공성 셀룰로오스 필름에 이르기까지 다양한 종류의 셀룰로오스를 제조하고, 필름 캐스팅(casting)공정에서 나이프 에지(knife edge)법을 적용함으로써, 0.01 내지 0.03mm 두께의 얇은 필름의 제조가 가능한 기술이다.
하지만, 종래기술은 NMMO(N-methylmorpholine-N-oxide)를 용제로 이용하여 셀룰로오스 필름을 제조함에 따라 스피커의 진동판으로서 필요한 물성인 항복강도, 내부손실 및 탄성력 등이 적합하지 않기 때문에 스피커의 진동판에 적용하기 힘든 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스피커 진동판용 나노복합체 시트에 있어서 보다 제조 공정의 단순화, 비용절감을 할 수 있으며 이에 따라 제조된 스피커 진동판용 나노복합체 시트의 물성을 보다 우수하게 하여 스피커 진동판의 품질을 개선할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예인 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet) 제조방법은, (a) (a)-1 셀룰로오스계 물질 성분 및 탄소계 물질 성분이 포함된 용액(이하 '용액1' 이라고 한다.)이 유체충돌장치에 공급되는 단계, (a)-2 상기 유체충돌장치에서 탄소계 물질 성분이 고르게 분포된 혼합 현탁액이 마련되는 단계, (b) 상기 (a)단계를 통해 마련된 혼합 현탁액이 탈포되는 단계, (c) 상기 (b)단계를 통해 탈포된 혼합 현탁액이 초지(抄紙)하여 나노복합체 시트(sheet)를 형성되는 단계와 (d) 상기 (c)단계를 통해 형성된 나노복합체 시트(sheet)가 열압착되며 나노복합체 시트(sheet)가 제조되는 단계를 포함하는 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)의 제조방법인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예인 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)는 탄소계 물질 성분; 및 직경이 20nm ~ 200nm 인 나노 셀룰로오스; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 나노 셀룰로오스 필름의 제조공정에 있어 강화제인 탄소계 물질 성분을 고르게 분포시키면 인장 강도, 내부손실값이나 탄성계수 등 물성이 현저하게 향상될 수 있는 효과가 있다. 이때, 탄소계 물질 성분의 균일한 분산은 그 강화제로서의 효과 발현에 중요하며 유체충돌장치를 이용하여 나노 수준에서 탄소계 성분을 더욱 효과적으로 고르게 분산 시킬 수 있다.
또한, 스피커 진동판용 시트가 천연고분자인 적어도 하나 이상의 나노 셀룰로오스와 탄소계 물질 성분이 포함된 시트로 마련됨으로서 재질의 특성상 인체에 무해할 뿐만이 아니라, 재활용이 가능하기 때문에 제조원가를 절감할 수 있다.
도1는 본 발명의 실시예에 따른 스피커 진동판용 나노 복합체 시트의 제조방법에 이용되는 유체 충돌 장치를 포함하는 ACC(Aqueous Counter Collision; ACC)를 도시한 흐름도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스피커 진동판용 나노 복합체 시트의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
도3는 본 발명의 일 실시예에 따른 스피커 진동판용 나노 복합체 시트에 대한 SEM측정 결과를 나타내는 사진이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.
<유체충돌장치에 대한 설명>
스피커 진동판용 나노복합체 시트의 제조방법에 관한 설명에 앞서, 스피커 진동판용 나노복합체 시트의 제조에 이용되는 유체충돌장치 또는 수중대향충돌(Aqueous Counter Collision; ACC) 장치 (이하, '유체충돌장치'라 칭함.)에 대하여 간략히 설명하고자 한다.
도1은 본 발명 일 실시예의 스피커 진동판용 나노복합체 시트 제조에 이용되는 유체충돌장치를 개략적으로 도시한 개략도이다.
도1에 도시된 바와 같이, 유체충돌장치(ACC)는 저장탱크(ST), 플런저(plunger, P), 유체충돌유닛(FC) 및 냉각유닛(C)을 포함하며 구성 간의 유체 순환시스템을 구축하고 있다.
여기서, 저장탱크(ST)는 후술하는 셀룰로오스와 탄소계 물질 성분이 포함된 용액1과 같은 유체가 저장되며, 후술할 공정을 거친 뒤 냉각유닛(C)을 지난 미세화된 입자를 포함하는 유체의 유입 또한 이루어지는 구성이다.
그리고, 플런저(P)는 저장탱크(ST)로부터 이동되어 온 유체가 고압상태로 이동될 수 있게 압력을 발생시키는 가압수단이며, 플런저(P)에 의해 고압상태로 배출된 유체는 유체충돌유닛(FC)의 챔버 본체 내부로 유입되게 된다. 이때, 유체충돌유닛(FC)의 챔버 본체 내부에는 충돌구간이 구비되어 있으며, 챔버 본채 내부로 유입된 고압상태의 유체는 2 내지 3 또는 그 이상의 분사노즐(JN)을 통해 더욱 고압의 수준에서 충돌 구간 내 하나의 충돌점을 향해 분사되면서 유체가 충돌하고, 유체충돌에 의해 유체에 포함된 입자의 크기가 미세화될 수 있다.
여기서, 챔버 본체의 상측에는 플런저(P)로부터 고압 상태로 배출되는 유체의 유입을 위해 별도의 호퍼가 마련되며, 호퍼와 챔버 내부에 위치한 각각의 분사노즐(JN) 간에 유체 이동 경로로써 유체 공급배관 유닛이 구비되어 있을 수 있다.
이 후, 유체충돌 과정에서 발생한 열에 의해 고온 상태가 되는 미세화된 입자를 포함하는 유체의 온도 수준 회복을 위해 열교환 방식으로 냉각을 수행한 뒤, 상기 미세화된 입자를 포함하는 유체는 저장탱크 내부로 이동하게 된다.
즉, 유체충돌장치(ACC)는 분사노즐(JN)에서 분사된 유체가 충돌하면서 발생하는 충돌에너지에 의해 유체에 포함된 입자 크기가 미세화되어 작은 크기로 분산될 수 있다.
참고로, 유체충돌장치(ACC)의 충돌압과 충돌횟수는 제어가능하며, 일 에로, 제어된 조건에 따라 충돌 후 미세화된 입자를 포함하는 유체에 포함된 입자 크기가 변경될 수 있다.
또한, 상기 유체충돌장치(ACC)의 분사노즐의 개수는 단수이거나 2이상의 복수인 것이 될 수 있다.
<스피커 진동판용 나노복합체 시트의 제조방법에 관한 설명>
도2는 a) 내지 d) 단계인 본 발명의 실시예에 따른 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)의 제조방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)의 제조방법을 도2에 도시된 흐름도를 따라 단계별로 분류하여 상세하게 설명하되, 편의상 순서를 붙여 설명한다.
1. (a) 단계 - 혼합 현탁액 제조단계 <S110>
(a) 단계는 셀룰로오스계 물질 성분과 탄소계 물질 성분이 포함된 용액1을 유체충돌장치(ACC)에 공급하여 혼합 현탁액을 마련하는 단계이다.
먼저, 유체충돌장치(ACC)의 저장탱크(ST)에 유체 상태의 셀룰로오스와 탄소계 물질 성분이 포함된 용액1 이 저장되어, 분사노즐(JN)에 이동될 수 있다. 상기 용액1의 용매는 물이나 알코올 또는 물과 알코올의 혼합용제일 수 있다.
여기서, 셀룰로오스와 탄소계 물질 성분이 포함된 용액1에 포함된 셀룰로오스는 목질계 또는 비목질계에서 추출될 수 있다. 일예로 셀룰로오스는 목질계에 해당하는 폐기목질자재(활엽수 펄프, 침엽수 펄프, 폐목재 펄프 등) 비목질계에 해당하는 대나무, 목화 등의 초본계에서 추출되는 것이 가능하다.
이때, 셀룰로오스가 어디서 추출되느냐에 따라 특정 셀룰로오스가 가지는 특징이 상이하기 때문에 유체충돌장치(ACC)에 공급되는 셀룰로오스와 탄소계 물질 성분의 비율 및 셀룰로오스와 탄소계 물질 성분이 포함된 용액1에 포함된 물 등의 용매와 셀룰로오스의 비율이 가변될 수 있다.
그리고, 본 발명 일 실시예의 탄소계 성분은 탄소나노튜브, 그래핀 및 카본 파이버로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소재료가 포함 될 수 있다.
이때, 상기 탄소계 성분은 바람직하게는 탄소나노튜브이며 보다 바람직하게는 직경이 5~15nm, 길이가 10nm 미만인 탄소나노튜브 (CNT:Carbon Nanotubes)일 수 있다.
이때, 탄소계 성분의 함량은 셀룰로오스계 성분과 탄소계 물질 성분의 혼합 전체 중량부 대비 1 내지 10 중량부로 조성될 수 있다. 그리고 셀룰로오스의 함량은 90 내지 99 중량부로 조성될 수 있다. 상기 조성비는 셀룰로오스의 종류에 따른 특징이 상이할 수 있는 바 바라는 물성 값을 위해 가변 될 수 있다.
이때, 셀룰로오스계 물질과 탄소계 물질 성분이 포함된 용액1에 함유된 셀룰로오스 및 탄소계 물질 성분인 용질은 물에 0.1 내지 5%의 질량농도로 분산되어 마련되는 것이 바람직하며, 이는 그 이상의 농도로 분산될 경우 셀룰로오스가 물을 너무 많이 흡수하여 혼합 현탁액의 점도가 높아짐에 따라 이를 시트 형태로 제조하기 힘든 문제점이 생길 수 있기 때문이다.
또 다른 일 예로, 유체충돌장치(ACC)에는 물에 분산된 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber; CNF, 셀룰로오스계 물질 성분의 일종) 및 탄소계 성분이 공급되어, 후술할 단계를 통해 스피커 진동판용 나노복합체 시트을 제조하는 것 또한 가능하다. 즉, 유체충돌장치(ACC)에 공급되는 용액1의 셀룰로오스계 물질 성분은 나노화되기 이전의 셀룰로오스 또는 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 중 어느 하나일 수 있기에, 본 발명의 일 실시예에 따른 셀룰로오스계 성분은 나노화되기 이전의 셀룰로오스에만 한정되는 것이 아니라 상술한 셀룰로오스 나노섬유(CNF)를 포함한다. 이러한 셀룰로오스 나노섬유(CNF)는 상기 유체충돌장치 또는 일종의 분쇄기에 의해 미리 마련되어 질 수 있다.
참고로, 셀룰로오스는 물에 분산되는 것이 안정적이다. 이에, 유체충돌장치(ACC)를 통해 나노화되는 셀룰로오스 나노섬유(CNF)는 물에 분산되어 제조될 수 있다.
그리고 유체충돌장치(ACC)에 구비된 분사노즐(JN)을 통해 공급된 셀룰로오스와 탄소계 물질 성분이 포함된 용액1을 하나의 충돌점(CP)을 향해 고압 분사하는 단계이다.
여기서, 분사노즐(JN)은 분사하는 유체를 10 bar 내지 2000 bar의 압력으로 고압 분사시키는 것이 바람직하다.
이때, 압력이 너무 낮을 경우, 셀룰로오스와 탄소계 성분의 고른 분포 기대할 수 없어 안정적인 제형의 혼합 현탁액 제조에 어려움이 존재할 수 있으며, 압력이 너무 높은 경우에는 유체충돌장치(ACC)에 무리가 가해질 수 있어 지속적인 생산에 문제가 될 수 있다.
그리고 하나의 충돌점에서 유체가 충돌하면서 발생하는 충돌에너지에 의해 셀룰로오스와 탄소계 물질 성분이 포함된 용액1에 포함된 셀룰로오스가 미세하게 해섬화(解纖化, fibrillation)되고, 탄소계 성분이 고르게 분포되는 단계이다.
공급된 셀룰로오스와 탄소계 물질 성분이 포함된 용액1은 분사노즐(JN)을 통해 유체충돌유닛(FC) 내 챔버 내부의 일 지점에 분사되고, 이때, 분사노즐(JN)을 통과하면서 유체에 가해지는 전단응력과 다수개의 분사노즐(JN) 각각의 끝단에서 분사될 때의 캐비테이션과 분사된 유체가 충돌하면서 발생하는 충돌에너지에 의해 셀룰로오스는 미세하게 해섬화된다. 상기 탄소계 성분은 분사노즐(JN)을 통과하면서 작은 사이즈로 혼합 현탁액에 고르게 분산 및 분포 된다.
본 (a)단계의 전과정 내지 일부 과정은 다회 반복 수행 가능하며 보다 바람직하게는 10회 내지 30회정도 수행하며 이를 통해 목적으로 하는 물성값을 갖는 스피커 진도판용 나노복합체 시트를 제조 할 수 있다.
2. 탈포 및 분급 단계<S120>
본 단계에서는 상기 혼합 현탁액 제조 단계(S110)를 통해 제조된 혼합 현탁액을 원심분리기를 이용하여 탈포 및 분급하는 과정이 이루어진다.
여기서, 본 단계는 도2에 도시된 바와 같이, 탈포 단계(B-1단계, S121); 및 분급 단계(B-2단계, S122);를 포함하는 과정이 순차적으로 진행된다.
먼저, 탈포 단계(B-1단계, S121)는 상기 혼합 현탁액 제조 단계( S110)를 통해 제조된 혼합 현탁액을 0.4G 내지 50G(원심력)로 설정된 원심분리기를 이용하여 탈포시키는 과정이 이루어진다.
그 다음, 분급 단계(B-2단계, S122)는 상기 탈포 단계(B-2단계, S121)를 통해 탈포된 혼합 현탁액을 50G 내지 10000G로 설정된 원심분리기를 이용하여 직경 또는 길이에 따라 분급하여 원하는 크기의 혼합 현탁액 을 획득하는 과정이 이루어진다.
3. (c) 단계 초지단계 <S130>
본 단계에서는 상기 분급 단계(B-2단계, S122)를 통해 분급공정을 거친 혼합 현탁액을 초지하여 수분을 포함하는 시트를 형성하는 과정이 이루어진다. 이 과정에서 메쉬(mesh)망, 필터지 및 팰트지를 이용할 수 있다.
구체적으로, 본 단계는 100 내지 400 메쉬망의 위에 필터지를 올려놓는데, 필터지는 폴리비닐이딘 플루오라이드 (Polyvinylidene fluoride, PVDF) 필터지로 마련될 수 있다. 그리고, 이러한 PVDF 필터지 위에 상기 혼합 현탁액을 기 설정된 두께에 대응되도록 적합한 양을 부어 내부에 있는 수분을 PVDF 필터지를 통해 탈수시킨다.
여기서, 혼합 현탁액을 PVDF 필터지에 투입시킬 때 기포가 생기지 않도록 주의해야 한다. 여기서, PVDF 필터지의 기공은 0.2㎛ 내지 0.45㎛로 마련될 수 있다.
상기한 과정을 통해 혼합 현탁액은 PVDF 필터지에 의해 탈수되어 시트형태로 제조되며, 제조된 시트의 위에 다시 100 내지 400 메쉬망을 덮고 수분을 흡수할 수 있도록 건조되고 평평한 팰트지를 덮는다.
이후에, 롤러를 이용하여 팰트지를 평평하게 밀어주고 시트에서 PVDF 필터지를 분리시키기 위해 분무기를 이용하여 물을 충분히 분사시킨다. 그리고, PVDF 필터지가 분리된 자리에 다시 100 내지 400 메쉬망을 덮고 그 위에 적어도 하나 이상의 팰트지를 덮는다.
4. (d) 단계 열압착단계 <S140>
본 단계에서는 상기 초지 단계(S130)를 통해 형성된 시트를 흡습 및 압착하는 과정이 이루어진다. 이 과정에서 팰트지 및 가압프레스에 의한 압착 후 가열프레스 또는 드럼드라이어(drum dryer)로 건조하거나 열압착 프레스 등 열압착수단을 이용해 열압착 할 수 있다.
구체적으로, 본 단계의 일 실시예는 상기 초지 단계(S130)를 통해 형성된 수분을 포함하는 시트의 흡습을 위해 가압프레스를 이용하여 시트 위의 메쉬망에 결합된 팰트지를 가압하여 팰트지가 시트 내 수분을 흡수하는 과정이 이루어지며, 이때에 가압프레스의 압력조건을 0.1MPa 내지 1MPa의 범위로 설정하여 가압하는 것이 바람직하다.
그다음, 상기한 가압공정을 거친 시트의 양면을 덮고 있는 메쉬망 이외의 모든 팰트지는 제거하도록 한다. 상기 과정 전 또는 후에 시트를 가열프레스를 이용하여 건조시키는 경우, 가열프레스의 온도를 100ㅀC 내지 200ㅀC로 설정하고 초기에는 0.1MPa 내지 1MPa의 압력을 가하고, 이후에는 1MPa 내지 2MPa의 압력을 가해 건조시키는 과정이 이루어진다.
또한, 본 단계는 상기 시트를 드럼드라이어 등을 이용하여 건조시키는 경우, 히팅드럼의 온도를 100ㅀC 내지 200ㅀC로 설정하고, 드럼의 이동속도를 200mm/min 내지 400mm/min로 설정하여 건조시키는 것이 바람직하다. 이후에, 필요에 따라 시트에서 메쉬망을 제거할 수도 있다.
본단계의 다른 일 실시예는 상기 가압공정을 통한 압착 과정과 동시에 또는 이시에 시트를 건조시킬 수 있는 열압착 수단을 이용할 수 있다. 이때 상기 시트 내 수분을 흡수하는 과정이 별도로 수행 될 수 있다. 상기 열압착 수단은 바람직하게는 열압착프레스가 될 수 있으며 수분 배출을 위해 다공성 금속폼 또는 세라믹을 이용할 수 있다. 이를 통해 건조와 동시에 압착을 통해 시트를 평판 또는 진동판형으로 성형할 수 있는 특징을 가진다.
<스피커 진동판용 나노복합체 시트에 관한 설명>
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스피커 진동판용 나노복합체 시트에 대한 SEM(주사전자현미경)측정 결과를 나타내는 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스피커 진동판용 나노복합체 시트는 셀룰로오스와 탄소계 물질 성분이 포함된 용액(이하 '용액1'이라고 한다.)을 유체충돌장치를 통해 혼합 현탁액을 제조하고 탈포, 초지 및 열압착 과정을 거쳐 시트형태로 제조 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스피커 진동판용 나노복합체 시트로서, 첫째, 적어도 하나 이상의 나노 셀룰로오스(또는 셀룰로오스 나노섬유(cellulose nanofiber; CNF) 및 탄소계 물질 성분이 포함된 나노 복합체 시트로 마련됨으로써 탄성계수 및 항복강도가 뛰어나기 때문에 이러한 우수한 물성을 바탕으로 넓은 주파수 대역 및 특정 주파수 대역에서 뛰어난 음질과 출력을 구현할 수 있다.
둘째, 탄소계 물질 성분이 나노 셀룰로오스에 고르게 분산될 수 있어 탄소계 물질 성분에 의한 물성 향상 효과가 개선 될 수 있다.
셋째, 스피커 진동판용 나노복합체 시트가 천연고분자인 적어도 하나 이상의 나노 셀룰로오스 성분이 포함된 혼합 현탁액으로 마련됨으로서 재질의 특성상 인체에 무해할 뿐만이 아니라, 재활용이 가능하기 때문에 제조원가를 절감할 수 있다.
또한, 스피커 진동판용 나노복합체 시트의 제조에 사용되는 셀룰로오스는 유체충돌장치를 이용하여 나노화(nano conversion)시킴으로써 도 3에서 보는 바와 같이 직경이 20㎚ 내지 50㎚로 마련되는 것이 바람직하다. 이와 같은 나노화는 탄소계 물질 성분이 셀룰로오스 사이마다 고르게 분산될 수 있도록 하여 상기 우수한 탄성계수의 향상 효과 등을 나타낼 수 있도록 한다. 나노 셀룰로오스를 기반으로 제조된 나노 셀룰로오스 시트의 두께는 10㎛ 내지 200㎛로 마련될 수 있으며, 바람직하게는 40㎛ 내지 60㎛로 마련되어 본 발명 일 실시예에 따른 스피커 진동판용 나노복합체 시트로 마련될 수 있다.
<스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet) 항복강도, 내부손실 및 탄성계수시험>
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 해당하는 스피커 진동판용 나노복합체 시트의 제조방법 및 이를 이용한 스피커 진동판용 나노복합체 시트에 있어서, 스피커 진동판용 나노복합체 시트의 각종 물성을 측정한 실험데이터를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)에 대한 항복강도를 측정하기 위해 ASTM D882-12(Standard Test Method for Tensile Properties of Thin Plastic Sheeting) 측정방법을 사용하여 기계적 물성 시험을 진행하였다. 이러한 기계적 물성 시험에 사용된 기기는 '만능재료시험기'이었다.
먼저, 시편절단기를 이용하여 균일한 크기를 가진 나노 셀룰로오스 시트의 샘플(두께 50㎛)을 제작하였다. 그리고, 만능재료시험기의 상부 및 하부 그립에 약 2cm의 깊이로 상기 제작된 샘플이 고정될 수 있도록 장착하였다.
이렇게 마련된 샘플의 인장시험 방향의 높이는 버니어캘리퍼스(vernier calipers)를 이용하여 측정하며, 샘플의 인장 속도는 1(mm/min)으로 설정하였다.
여기서, 샘플을 만능재료시험기의 상부 및 하부의 그립에 고정할 때 샘플의 수평 및 수직 방향이 정렬되도록 배치시키고, 샘플의 두께 및 높이는 5회 반복하여 측정한 평균값을 이용하였다.
이와 같은 방법으로 본 발명에 따른 일 실시예들인 실시예1, 실시예2, 실시예3, 내지 실시예4와 비교예들의 나노 셀룰로오스 시트(샘플)의 물성을 측정한 결과를 하기의 표1에 정리하여 나타내었다.
표1. 항복강도 및 탄성계수 시험데이터 항복강도 (MPa) 탄성계수(GPa)
비교예1 대나무 86.4 4.2
비교예2 활엽수(10p) 66.1 5.9
비교예3 활엽수(30p) 81.2 6.5
비교예4 PEEK(Polyetherether Ketone) 97 3.6
비교예5 PEI(Polyethylene imine) 105 3.2
비교예6 PI(Poly imide) 70 2.5
실시예1 활엽수(10p)중량부95+ CNT 중량부 5 88.61 5.8
실시예2 활엽수(10p)중량부90+ CNT 중량부 10 97.6 5.9
실시예3 활엽수(30p)중량부95+ CNT 중량부 5 82.7 7.0
실시예4 활엽수(30p)중량부90+ CNT 중량부10 79.4 7.2
상기 표1에서 10p, 30p는 각각 유체충돌장치를 이용하는 제조방법 중 (a)단계를 10회, 30회 재수행하여 이후 단계를 거치는 과정을 거쳤음을 나타낸다. 수행횟수가 늘수록 CNT가 나노 셀룰로오스에 고르게 분산된다. 다만, 30회 초과로 수행한다면 셀룰로오스간의 결합이 약해지는 이유로 항복강도가 약해지는 문제가 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 주된 효과인 탄성력 향상과 관련된 탄성계수는 유체충돌장치를 거치는 단계의 수행 횟수가 클수록 증가함을 알 수 있다. 이는 CNT가 유체충돌장치를 거치며 셀룰로오스에 고르게 분산되는 분산도가 향상됨을 원인으로 한다는 것을 알 수 있다.
항복강도면에서는 CNT의 배합비율이 높아질수록 값이 증가함을 알 수 있다.
상기 표1에 나타낸 바와 같이, 스피커의 진동판에 이용될 수 있는 대나무, 활엽수 등 펄프 셀룰로오스만을 재료로 한 스피커 진동판용 시트(sheet)인 비교예1 내지 3과 일반적으로 스피커 진동판용 시트에 쓰이는 재료로 제조된 비교예 4내지 6과 본 발명의 일 실시예에 따른 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)의 항복강도, 탄성계수 등의 물성을 비교하였다.
스피커 진동판용 시트에 있어서, 일반적인 폴리에텔에텔케톤Polyetherether Ketone, PEEK), 폴리에틸렌이민(Polyethylene imine, PEI), 폴리이미드 (Poly imide, PI) 재질의 필름과 실시예들 간의 탄성계수값을 비교하면 최소 61% 내지 최대 188%의 증가율을 보임을 알 수 있다. 이러한 향상효과는 스피커 진동판용 시트 기술분야에서 예측하기 어려운 정도로 우수하다.
부수적인 효과인 내구도 증가와 관련된 항복강도 물성면에서도 CNT의 배합이 있는 실시예들은 그렇지 아니한 비교예 1내지 3에 비하여 증가함을 보이고 비교예 4내지 6에 비하여 비슷한 수준임을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 탄소계 물질 성분을 1중량부~ 10중량부로 포함하는 나노복합체 시트는 스피커용 진동판으로서 적합한 항복강도, 탄성계수, 등의 물성을 가지므로, 출력되는 음향 품질의 향상을 기대할 수 있다. 중량부 1미만에서는 상기 실험데이터로 확인되듯 현저한 탄성계수의 향상을 기대할 수 없으며 중량부 10을 초과하는 경우 제조공정에서 고비용 문제가 있을 수 있다.
표 2. 내부손실값 데이터 내부손실값/Tan delta 비교
CNF 0.031 100%
CNT 5 중량부 0.046 150%
CNT 10 중량부 0.046 150%
상기 표 2는 본 발명의 일 실시예에 해당하는 스피커 진동판용 나노복합체 시트 중 CNT 5 중량부 및 CNT 중량부 10의 경우에 측정된 내부손실값과 CNT를 배합하지 않은 CNF로만 제조된 스피커 진동판용 나노복합체 시트의 측정된 내부손실값을 비교한 표이다. 상기 데이터는 스피커 진동판용 나노복합체 시트가 실사용되는 환경을 고려할 때 섭씨 30~50도의 환경에서 측정되었다. Tan delta값이 클수록 내부손실값이 우수함을 나타내며 내부손실이 크면 공진의 피크를 평탄하게 할 수 있다 즉, 내부 손실률이 큰 음향 진동판을 사용한 스피커는 음향 진동판이 필요 음역만을 진동한 후 더 이상의 진동을 하지 않으므로 불필요한 잡음이나 잔향이 줄어들게 되고 고역의 피크(Peak)를 낮출 수 있어 원음 그대로를 효과적으로 출력하게 된다.
따라서 CNT를 포함한 스피커 진동판용 나노복합체 시트가 CNT를 배합하지 않은 CNF보다 내부손실값이 약 50% 이상 우수하며 이는 일반적인 스피커 진동판용 나노복합체 시트의 경우 Tan delta값이 0.03에도 미치지 못함을 고려할 때 통상의 기술자가 예측할 수 없는 효과에 해당한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 균등범위로 이해되어져야 할 것이다.
C: 냉각유닛
ST: 저장탱크
P: 플런저
FC: 유체충돌유닛
S110: 혼합 서스펜션 제조단계
S120: 탈포 및 분급단계
S121: 탈포단계
S122: 분급단계
S130: 초지단계
S140: 열압착단계

Claims (8)

  1. (a)
    (a)-1 셀룰로오스계 물질 성분 및 탄소계 물질 성분이 포함된 용액(이하 '용액1' 이라고 한다.)이 유체충돌장치에 공급되는 단계; (a)-2 상기 유체충돌장치에서 탄소계 물질 성분이 고르게 분포된 혼합 현탁액이 마련되는 단계;
    (b) 상기 (a)단계를 통해 마련된 혼합 현탁액이 탈포되는 단계;
    (c) 상기 (b)단계를 통해 탈포된 혼합 현탁액이 초지(抄紙)하여 나노복합체 시트(sheet)가 형성되는 단계; 및
    (d) 상기 (c)단계를 통해 형성된 나노복합체 시트(sheet)가 열압착되는 단계;를 포함하고,
    상기 탄소계 물질 성분은 직경이 5~15nm, 길이는 10nm 미만인 탄소나노튜브인
    스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단계 (a)의 용액 1에 포함된 셀룰로오스계 물질은 셀룰로오스 나노섬유인 것을 특징으로 하는
    스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)의 제조방법.
  3. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 단계 (a)의 탄소계 물질 성분은,
    상기 셀룰로오스계 물질 성분과 탄소계 물질 성분의 혼합 중량을 기준으로 하여 1중량부 내지 10중량부인
    스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 탄소계 물질 성분; 및 직경이 20nm ~ 200nm 인 나노 셀룰로오스; 를 포함하고,
    유체충돌장치를 이용하여 상기 탄소계 물질 성분이 상기 나노셀룰로오스 사이에 고르게 분산되어 있되,
    상기 탄소계 물질 성분은 직경이 5~15nm, 길이는 10nm 미만인 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는
    스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet).
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 탄소계 물질 성분은 나노 셀룰로오스와 탄소계 물질 성분의 혼합 중량을 기준으로 하여 1중량부 내지 10중량부인
    스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet).
  7. 삭제
  8. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet)의 탄성계수가 5.8 ~ 7.2인 것을 특징으로 하는
    스피커 진동판용 나노복합체 시트(sheet).
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