KR102138465B1 - 선형 요철 구조를 포함한 압전 소자를 이용한 스피커 - Google Patents

선형 요철 구조를 포함한 압전 소자를 이용한 스피커 Download PDF

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정영훈
박운익
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한국세라믹기술원
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Abstract

본 발명은 압전 소자를 이용한 스피커에 있어서, 진동판에 요철 구조를 형성하고, 이러한 요철 구조를 통해 스피커의 음압 성능(출력 크기)을 향상시켰으며, 또한 내구성을 향상시켰다.
본 발명은 진동판에 요철 구조를 포함한 압전 소자를 이용한 스피커를 제공함으로써, 음압 성능을 향상시키는 효과를 기대한다.
또한, 본 발명은 진동판에 요철 구조를 포함한 압전 소자를 이용한 스피커를 제공함으로써, 압전 소자를 이용한 스피커에서 진동판의 내구성이 떨어지는 문제점과 발열에 의한 압전 소재의 효과가 떨어지는 문제점을 해결한다.

Description

선형 요철 구조를 포함한 압전 소자를 이용한 스피커 {SPEAKER USING PIEZOELECTRIC DEVICE COMPRISING LINE TYPED PROMINENCE AND DEPRESSION}
본 발명은 선형 요철 구조를 포함한 압전 소자를 이용한 스피커에 관한 것이다.
본 발명은 선형 요철 구조를 포함한 압전 소자를 이용한 스피커에 있어서, 진동판에 선형 요철 구조를 형성하고, 이러한 선형 요철 구조를 통해 스피커의 음압 성능(출력 크기)을 향상시켰으며, 또한 내구성을 향상시켰다.
최근에는, 전자 기기의 슬림화 및 박형화와 휴대성에 대한 수요자의 요구가 증가하고 있다. 이에 따라, 스마트폰이나 박형 디스플레이 장치, 휴대용 컴퓨터 등에 적용하는 스피커 또한 그 크기나 두께에 대한 소형화 요구가 있다.
이를 만족시키기 위해서, 기존의 보이스 코일 모터형 스피커에 비해 얇고 가벼우며 소비전력이 적고 응답속도가 상대적으로 우수한 압전 스피커를 적용하고 있다.
압전 스피커의 압전체로 이용되는 재료로는, 제조가 용이하고 저가인 세라믹이 주로 이용된다. 그러나 세라믹 압전체는 충격에 약하여 크랙(crack)이 생길 가능성이 높고 휘어지지 않으며 취성이 강하여(brittle) 깨지기 쉽다는 단점이 있다.
또한, 진동판의 경우 내구성이 약하고, 압전체의 경우 열의 취약하여 열에 의한 열화(degradation) 현상이 일어나는 문제점이 있어서 이를 해결할 필요가 있다.
또한, 기존의 압전 스피커의 경우 콘(cone)을 이용해 음향 출력을 높이는 형태를 이용하고 있는데, 이 경우 콘이 떨어질 우려가 있어 내구성이 떨어지는 문제점을 갖고 있다.
본 발명은 압전 소자를 이용한 스피커의 음압 성능을 향상시키기 위한 구조를 제시하고자 한다.
또한, 본 발명은 압전 소자를 이용한 스피커에서 진동판의 내구성이 떨어지는 문제점과 발열에 의한 압전 소재의 효과가 떨어지는 문제점을 해결하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 스피커는, 압전 소자 구조체; 및 상기 압전 소자 구조체의 상면 또는 하면에 배치된 진동판을 포함하고, 상기 진동판은 상기 진동판의 일면에 형성되어 있는 선형 요철 구조를 포함하며, 상기 선형 요철 구조에 의해 진동판의 비표면적이 증가하여 음압 성능이 향상된다.
상기 선형 요철 구조는 복수개의 요철을 포함하고, 상기 복수개의 요철은 서로 일정한 간격을 이루며 배치된다.
상기 요철은 나노 크기인 것이 바람직하다.
상기 선형 요철의 측단면은 뿔 형태, 다각형 형태 또는 다각형 기둥 형태이다.
상기 압전 소자 구조체는, 하부 평면 전극; 상기 하부 전극 상의 압전 재료 시트; 및 상기 압전 재료 시트 상의 상부 평면 전극으로 이루어진다.
상기 압전 소자 구조체는, 압전 재료 시트; 상기 압전 재료 시트의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 및 상기 압전 재료 시트의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들을 포함한다.
상기 압전 재료 시트는, 압전 세라믹 또는 세라믹/폴리머 복합체로 형성된다.
상기 제1 및 제2 전극 패턴들은, 증착/식각, 레이저 플레이팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 또는 스퍼터링에 의해 형성된다.
상기 선형 요철 구조는 상기 진동판을 패턴 식각하여 얻어진다.
상기 선형 요철 구조에 의해 압전 소자 구조체의 열화(degradation)를 방지한다. 상기 선형 요철 구조에 의해 진동판의 비표면적이 증가하여 음향 출력이 향상된다. 상기 선형 요철 구조에 의해 진동판의 내구성이 향상된다.
본 발명에 따르면 진동판에 선형 요철 구조를 포함한 압전 소자를 이용한 스피커를 제공함으로써, 음압 성능을 향상 효과를 기대한다.
또한, 본 발명은 진동판에 선형 요철 구조를 포함한 압전 소자를 이용한 스피커를 제공함으로써, 압전 소자를 이용한 스피커에서 진동판의 내구성이 떨어지는 문제점과 발열에 의한 압전 소재의 효과가 떨어지는 문제점을 해결한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 스피커의 진동판의 평면도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 스피커의 진동판의 측단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 스피커의 추가적인 진동판의 평면도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 스피커의 단면을 도시한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자의 모습을 도시한다.
도 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 스피커의 단면을 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 진동판에 선형 요철 구조를 포함한 압전 초음파 스피커를 제공한다. 이러한 진동판에 선형 요철 구조를 포함한 압전 소자를 이용한 스피커를 이용하고 있어서 콘(cone) 없이도 우수한 신호 출력 발현이 가능하다. 기존에는 콘(cone) 형태를 통해 신호 출력을 높이는 형태를 취하고 있는데, 이 경우 콘이 떨어질 우려가 있기 때문에 상대적으로 내구성도 떨어지는 문제점을 갖고 있다. 또한, 본 발명의 진동판에 선형 요철 구조를 포함한 압전 소자를 이용한 스피커는 발열에 의한 압전 소재의 효과가 떨어지는 문제점을 해결한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 스피커는, 압전 소자 구조체; 및 압전 소자 구조체의 상면 또는 하면에 배치된 진동판을 포함한다.
압전 소자 구조체는 압전 효과에 의해 전기적 신호를 받았을 때 기계적 변형으로 변화시켜 주는 부분으로써, 이러한 압전 소자 구조체의 기계적 변형에 의해 진동판이 진동하면서 스피커로서 기능을 하게 된다.
압전 소자 구조체는 각각 도 4 내지 7에서 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 스피커의 단면을 도시한다. 도 4에서 도시된 것처럼, 압전 소자 구조체는, 하부 평면 전극(E1); 하부 전극 상의 압전 재료 시트(PZ); 및 압전 재료 시트 상의 상부 평면 전극(E2)으로 이루어질 수 있다. 이러한 압전 소자 구조체의 상면 또는 하면에는 진동판(VPL)이 부착되어 있을 수 있으며, 이에 의해 압전 소자의 변형에 의해 진동판이 진동하면서 스피커로서의 기능을 할 수 있게 된다.
압전 재료 시트는 압전 세라믹 또는 세라믹/폴리머 복합체로 형성된 것이 이용된다.
도 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 스피커의 단면을 도시한다. 도 5 및 도 6은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자의 모습을 도시한다.
도 5에서 보는 것처럼, 상기 압전 소자 구조체는, 압전 재료 시트(PZ); 상기 압전 재료 시트의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 및 상기 압전 재료 시트의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들을 포함한다. 정리하면, 압전 소자 구조체는, 압전 재료 시트(PZ) 및 전극 패턴들(110, 210, 120, 220)을 포함한다.
압전 재료 시트(PZ)는 압전성을 갖는 재료로 형성된 것으로, 특별히 한정되지 않는다. 상기 압전 재료 시트의 예로서는, 압전 세라믹, 세라믹/폴리머 복합체 등을 들 수 있다.
한 쌍의 제 1 전극 패턴들(110, 210)은 압전 재료 시트의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된다.
한 쌍의 제 2 전극 패턴들(120, 220)은 압전 재료 시트의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된다.
동일 평면상에서, 서로 맞물리도록 배치된 제1 전극 패턴들(110, 210)과 제2 전극 패턴들(120, 220) 사이의 이격 영역이 압전체(PZ)의“압전 활성 영역”이 된다.
제1 전극 패턴들(110, 210)은 제1 방향(D1)으로 연장된 몸체 전극과 그 몸체 전극으로부터 제2 방향(D2)으로 분기되고 서로 이격된 복수의 서브 전극들을 포함한다. 제2 전극 패턴들(120, 220)도 동일하게 몸체 전극과 서브 전극들을 포함하며, 동일 평면 상에서 제2 전극 패턴들(120, 220)의 서브 전극들이 제1 전극 패턴들(110, 210)의 서브 전극들과 제1 방향(D1)을 따라 번갈아 배열된다.
압전 재료 시트(PZ)는 한 쌍의 제1 전극 패턴들(110, 210) 사이에 개재되어 배치된다. 또한, 압전 재료 시트(PZ)는 한 쌍의 제2 전극 패턴들(120, 220) 사이에 개재되어 배치된다. 즉, 압전 재료 시트(PZ)의 제1 측면에 1개의 제1 전극 패턴(110) 및 1개의 제2 전극 패턴(120)이 형성되어 제1 전극 패턴(110)과 제2 전극 패턴(120)이 한 쌍을 이룰 수 있다.
제1 전극 패턴들(110, 210)과 제2 전극 패턴들(120, 220)은 금속 증착(deposition) 후 식각(etching) 공정이나, 직접 레이저 플레이팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 또는 스퍼터링에 의해서 압전 재료 시트(PZ) 상에 형성될 수 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자 구조체의 제작 이후의 폴링 및 구동시의 모습을 도시한다.
폴링시에는 제 1 전극 패턴(110, 210)과 제 2 전극 패턴(120, 220)에 서로 상이한 전압을 걸어서, 즉 어느 하나의 패턴은 (+) 전압을 걸고 나머지 하나의 패턴에는 (-) 전압을 걸어서 폴링을 시키게 된다. 폴링 이후의 압전 소자의 폴링 방향은 측면도에서 보는 것처럼 화살표 방향을 따라서 분극된다. 다시 말하면, 분극시 제 1 전극 패턴들 및 제 2 전극 패턴들의 전압 극성이 상이하게 걸어준다.
도 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 압전 소자 구조체를 이용한 스피커의 단면을 도시한다. 도 7에서 도시된 것처럼, 도 5 내지 6에서 설명된 압전 소자 구조체의 상면 또는 하면에 배치된 진동판(VPL)을 포함한다.
본 발명의 모든 실시예들에서, 진동판(VPL)은 진동판의 일면에 형성되어 있는 선형 요철 구조를 포함하며, 상기 선형 요철 구조에 의해 진동판의 비표면적이 증가하여 음압 성능이 향상된다.
본 명세서에서 선형 요철 구조란, 평면 상에 선형으로 요철이 길게 연장되어 있는 형태를 의미하며, 선형 요철은 복수개 배치될 수 있고, 이러한 복수개의 선형 요철은 서로 일정한 간격 또는 상이한 간격을 이루며 배치될 수 있으며, 서로 평행하게 나란히 배치될 수도 있다. 선형 요철은 평면에서 변에 평행하게 도 1과 같이 나란히 배치될 수도 있고, 도 3과 같이 대각선으로 배치될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 스피커의 진동판의 평면도를 도시하고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 스피커의 진동판의 측단면도를 도시한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 이용한 스피커의 추가적인 진동판의 평면도를 도시한다.
진동판은 도 1 내지 2에서 보는 것처럼, 선형 요철 구조를 포함하고 있으며, 이러한 선형 요철 구조는 복수개의 요철을 포함한다.
도 2는 선형 요철의 측단면이 반원 형태의 뿔 형태인 것을 도시한다. 요철의 측단면은 뿔 형태, 다각형 형태 또는 다각형 기둥 형태일 수 있다. 이 부분은 스피커의 출력의 크기의 조절 및 민감도 등을 조절하기 위해 사용 용도에 따라 다양한 형태로 제어될 수 있다.
이러한 요철 구조에 의해 진동판에서의 음압 성능의 향상이 얻어지게 된다. 일반적으로 진동판은 금속(알루미늄 등)과 같은 무른 재료로 이루어지고, 이러한 재료들은 내구성이 낮아서 스피커로 이용시 높은 진동수에서 진동이 일어나게 되면 조금씩 변형이 발생된다. 이러한 변형에 의해 원래 설계자가 의도했던 설계 구조로부터 미세하게 벗어나게 되고, 이에 의해 스피커의 음압 성능이 변경되는 문제점이 발생된다. 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 선형 요철 구조를 포함한 것이다.
선형 요철 구조의 요철에 의해, 특히 요철이 많으면 많을수록 진동판의 내구성(rigidity)이 향상되게 된다. 또한, 요철 구조에 의해 진동판의 비표면적이 증가하게 되어 음향의 출력이 요철 구조가 없는 것에 비해 훨씬 커지는 장점을 갖는다. 이 부분은 종래 기술에서 언급한 것처럼 콘 없이 출력을 향상시키면서 콘이 떨어질 우려가 없기 때문에 내구성이 증가하는 부분과 일맥상통한다.
이러한 선형 요철 구조는 복수개의 선형 요철(12)을 포함한다. 복수개의 요철(12)은 서로 일정한 간격을 이루며 배치되는 것이 바람직하다. 복수개의 요철들이 일정한 간격을 이루며 서로 배치됨으로써, 음압 성능의 향상 등의 장점이 진동판 전체에서 균일하게 일어날 수 있다.
또한, 선형 요철은 동일한 면적에서 많이 배치될수록 유리하므로, 요철의 사이즈는 나노 크기인 것이 바람직하다. 이에 의해 동일한 면적에서 가장 많은 요철의 수를 균일하게 배치할 수 있게 된다.
한편, 선형 요철 구조를 이룸으로 인해 본 발명의 스피커는 열의 방출을 훨씬 잘되게 한다. 왜냐하면 선형 요철 구조에 의해 진동판이 패턴화됨으로써 공기와 맞닿는 면적이 넓어지므로 이에 의해 발생되는 열의 방출이 쉽기 때문이다. 기존의 요철 구조가 없는 경우, 스피커의 지속적인 사용에 의해 발열 현상이 발생되고, 이러한 발열 현상은 압전 재료 시트에 악영향을 미치게 된다. 특히 발열은 압전 재료의 열화(degradation)를 가져와서 압전 재료의 압전 성능을 떨어뜨리는 문제점을 갖는다. 본 발명에서는 요철 구조를 패턴화 함으로써 열의 방출을 용이하게 하고, 이에 의해 궁극적으로 발열을 최대한 막아줌으로써 압전 재료의 열화를 막을 수 있게 된다.
한편, 이러한 선형 요철 구조를 만드는 것은 진동판에 요철 구조를 개별적으로 프린팅하거나 증착시켜 얻을 수 있다. 또한, 선형 요철 구조를 쉽게 만들기 위해서는 진동판 자체의 표면을 패턴 식각하여 얻는 것이 바람직하다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 압전 소자 구조체; 및
    상기 압전 소자 구조체의 상면 또는 하면에 배치된 진동판을 포함하고,
    상기 진동판은 상기 진동판의 일면에 형성되어 있는 선형 요철 구조를 포함하며, 상기 선형 요철 구조에 의해 진동판의 비표면적이 증가하여 음압 성능이 향상되며,
    상기 선형 요철 구조는 복수개의 선형 요철을 포함하고,
    상기 복수개의 선형 요철은 서로 일정한 간격을 이루며 배치되며,
    상기 선형 요철은 상기 선형 요철의 길이 방향에 수직한 단면의 가로 및 세로 길이가 나노 크기인 것을 특징으로 하는,
    압전 소자를 이용한 스피커.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 요철의 길이 방향에 수직한 단면은 뿔 형태, 다각형 형태 또는 다각형 기둥 형태인,
    압전 소자를 이용한 스피커.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 소자 구조체는,
    하부 평면 전극; 상기 하부 평면 전극 상의 압전 재료 시트; 및 상기 압전 재료 시트 상의 상부 평면 전극으로 이루어진,
    압전 소자를 이용한 스피커.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 소자 구조체는,
    압전 재료 시트;
    상기 압전 재료 시트의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치된 한 쌍의 제 1 전극 패턴들; 및
    상기 압전 재료 시트의 윗면과 아랫면에 서로 동일한 형태로 투영되도록 상하 방향으로 중첩되어 배치되며 상기 제 1 전극 패턴들 각각과 서로 맞물리는(interdigited) 형태로 배치된 제 2 전극 패턴들을 포함하는,
    압전 소자를 이용한 스피커.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 압전 재료 시트는,
    압전 세라믹 또는 세라믹/폴리머 복합체로 형성된 것을 특징으로 하는,
    압전 소자를 이용한 스피커.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 압전 재료 시트는,
    압전 세라믹 또는 세라믹/폴리머 복합체로 형성된 것을 특징으로 하는,
    압전 소자를 이용한 스피커.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 패턴들은, 증착/식각, 레이저 플레이팅, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅 또는 스퍼터링에 의해 형성된 것을 특징으로 하는,
    압전 소자를 이용한 스피커.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 요철 구조는 상기 진동판을 패턴 식각하여 얻어지는 것을 특징으로 하는,
    압전 소자를 이용한 스피커.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 요철 구조에 의해 압전 소자 구조체의 열화(degradation)를 방지하는,
    압전 소자를 이용한 스피커.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 요철 구조에 의해 진동판의 비표면적이 증가하여 음향 출력이 향상되는,
    압전 소자를 이용한 스피커.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 선형 요철 구조에 의해 진동판의 내구성이 향상되는,
    압전 소자를 이용한 스피커.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2007049473A (ja) * 2005-08-10 2007-02-22 Murata Mfg Co Ltd 圧電振動装置
KR101707923B1 (ko) * 2015-03-09 2017-02-17 한국세라믹기술원 압전 액츄에이터 및 이의 구동 방법

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