KR20160070638A - Graphene thermoacoustic speaker and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a graphene thermoacoustic speaker with an improved sound pressure level characteristic and a manufacturing method thereof, capable of supporting a graphene thin film by a lattice structured support layer having a constant aperture ratio to minimize the loss of heat transferred to a substrate. According to the present invention, since the graphene thin film is supported by the lattice structured support layer, the amount of heat which is generated from the graphene thin film by an applied alternative current (AC) voltage and transferred to surrounding media is maximized, and thereby the sound pressure level is improved in comparison with the conventional technology. Moreover, since the lattice structured layer is formed by a screen printing method, the graphene thermoacoustic speaker with an improved sound pressure level is manufactured with a simple method. The graphene thermoacoustic speaker comprises: a sound wave generator including the graphene thin film and the lattice structured support layer; a frame; and first and second electrodes.

Description

그래핀 열음향 스피커 및 그 제조방법 {GRAPHENE THERMOACOUSTIC SPEAKER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a graphene thermoacoustic speaker and a method of manufacturing the same. BACKGROUND ART < RTI ID = 0.0 >

본 발명은 그래핀 열음향 스피커 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 음압 레벨이 향상된 그래핀 열음향 스피커 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a graphene thermoacoustic speaker and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a graphene thermoacoustic speaker having an improved sound pressure level and a method of manufacturing the same.

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.A speaker is a device that receives an electrical signal, converts it into a sound wave, and outputs it. There are many types of speakers, such as dynamic speakers, electrostatic speakers, and crystal speakers, depending on their operating principles, but all of these speakers are mechanically vibrating according to electrical signals And the sound is output by vibrating the surrounding air.

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.In the meantime, there are thermo-acoustic speakers that output sound waves without mechanical vibration of the diaphragm. A thermoacoustic speaker is a speaker that generates heat in a thin film when an AC voltage of a certain frequency is applied to a specific thin film, and a thermal expansion phenomenon that occurs when the heat is transmitted to the surrounding medium. A specific thin film to which an electrical signal is inputted from a thermoacoustic speaker does not vibrate mechanically and generates heat according to application of an AC voltage only and causes a pressure fluctuation in a surrounding medium (for example, air) by the heat, An effect of outputting a signal is generated.

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 금속박막이나 탄소나노튜브 등이 연구되어 왔으며, 최근에는 그래핀(grapheme)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.Since the heat generated by the AC voltage applied to the thermoacoustic speaker must be transmitted to the ambient air, it is preferable that the thin film constituting the thermoacoustic speaker has a small heat capacity per unit area. Therefore, metal thin films such as thin aluminum, carbon nanotubes, and the like have been studied as materials thereof. Recently, thermoacoustic loudspeakers utilizing grapheme have been studied. Graphene is a two-dimensional thin film composed of a planar bond of carbon atoms. It has various advantages such as high electron mobility, excellent mechanical strength and transparency. In addition, since graphene has a very small thermal capacity per unit area, .

한편 그래핀은 매우 얇은 막이므로 열음향 스피커에 활용할 경우 넓은 면적에서 그래핀을 지지하기 위한 기판이 요구된다. 즉 종래의 그래핀을 사용한 열음향 스피커는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET; polyethylene terephthalate), 종이, 알루미늄 양극 산화물(anodic aluminum oxide) 등의 기판 위에 그래핀 막을 전사시켜 제조하는 것이 일반적이다. 그러나 이러한 열음향 스피커 구조에서는 기판으로의 열손실로 인해 그래핀으로부터 주위 매질로의 열전달 정도가 현저히 낮아지며, 이로 인해 열음향 스피커의 음압 레벨이 낮다는 문제점이 있다.On the other hand, since graphene is a very thin film, a substrate is required to support the graphene in a large area when used in a thermoacoustic speaker. That is, a conventional thermoacoustic speaker using graphene is generally manufactured by transferring a graphene film onto a substrate such as polyethylene terephthalate (PET), paper, and anodic aluminum oxide. However, in such a thermoacoustic speaker structure, heat loss from the graphene to the surrounding medium is remarkably lowered due to heat loss to the substrate, which lowers the sound pressure level of the thermoacoustic speaker.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 기판의 영향이 최소화되어 음압 레벨이 향상된 그래핀 열음향 스피커를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a graphene thermoacoustic loudspeaker having improved sound pressure level by minimizing influence of a substrate.

또한, 본 발명은 기판의 영향이 최소화되어 음압 레벨이 향상된 그래핀 열음향 스피커를 간단한 방법으로 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a manufacturing method capable of manufacturing a graphene thermoacoustic speaker in which the influence of a substrate is minimized and the sound pressure level is improved by a simple method.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 그래핀 열음향 스피커는, 그래핀 박막 및 상기 그래핀 박막을 지지하는 격자구조 지지층을 포함하는 음파 발생부, 상기 음파 발생부를 지지하는 프레임, 상기 그래핀 박막에 전기적 신호를 인가하기 위한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 상기 격자구조 지지층은 격자틀 및 상기 격자틀 사이의 개구홀로 이루어져 상기 개구홀의 상대적인 크기에 따라 일정 값 이상의 개구율을 갖는 것을 특징으로 한다. 이때 상기 개구율은 50% 이상일 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a graphene thermoacoustic speaker including a sound wave generator including a graphene thin film and a grating structure supporting the thin film of graphene, a frame supporting the sound wave generator, And a first electrode and a second electrode for applying an electrical signal to the graphene thin film, wherein the grating structure supporting layer includes a grating frame and an opening hole between the grating frames, and has an opening ratio of more than a predetermined value according to a relative size of the opening hole . At this time, the aperture ratio may be 50% or more.

음파 발생부를 지지하는 상기 프레임은 중앙에 개구부가 형성되어 상기 음파 발생부의 가장자리를 지지하는 형태일 수 있다.The frame supporting the sound wave generating part may have an opening at its center to support the edge of the sound wave generating part.

또한, 상기 그래핀 박막은 복수의 탄소 원자층으로 이루어진 것일 수 있다.
In addition, the graphene thin film may be composed of a plurality of carbon atom layers.

본 발명의 다른 측면에 따른 그래핀 열음향 스피커 제조방법은, 희생기판에 그래핀 박막을 형성하는 단계, 상기 그래핀 박막 위에 격자구조 지지층을 형성하는 단계, 상기 그래핀 박막 및 격자구조 지지층으로 이루어지는 음파 발생부를 지지하기 위한 프레임을 부착하는 단계 및 상기 희생기판을 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a graphene thermoacoustic speaker comprising the steps of: forming a graphene thin film on a sacrificial substrate; forming a grating structure support layer on the graphene thin film; Attaching a frame for supporting the sound wave generating section, and separating the sacrificial substrate.

상기 희생기판은 금속촉매층을 포함할 수 있으며, 이때 상기 그래핀 박막을 형성하는 단계는 상기 금속촉매층 상에 화학기상증착법으로 그래핀 박막을 성장시키는 단계를 포함할 수 있으고, 상기 희생기판을 분리하는 단계는 상기 금속촉매층을 식각하는 단계를 포함하는 것일 수 있다. 또한, 상기 금속촉매층은 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 티타늄(Ti) 또는 코발트(Co) 중 어느 하나의 금속층일 수 있다.The sacrificial substrate may include a metal catalyst layer, and the step of forming the graphene thin film may include growing a graphene thin film on the metal catalyst layer by chemical vapor deposition, The step of etching the metal catalyst layer may include the step of etching the metal catalyst layer. The metal catalyst layer may be a metal layer of any one of nickel (Ni), copper (Cu), iron (Fe), titanium (Ti), and cobalt (Co)

상기 격자구조 지지층을 형성하는 단계는, 상기 그래핀 박막 위에 격자무늬의 개구 부분을 갖는 스크린 마스크를 배치한 후 스크린 프린팅 방법으로 형성하는 것일 수 있다.The forming of the grating structure supporting layer may include forming a screen mask having a lattice pattern opening on the graphene thin film and then forming the screen mask by a screen printing method.

또한, 본 발명에 따른 그래핀 열음향 스피커 제조방법은 상기 그래핀 박막에 전기적 신호를 인가하기 위한 복수의 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method of manufacturing a graphene thermoacoustic speaker according to the present invention may further comprise forming a plurality of electrodes for applying an electrical signal to the graphene thin film.

본 발명에 따른 그래핀 열음향 스피커에 의하면, 그래핀 박막을 격자구조 지지층으로 지지함으로써 기판의 영향을 최소화시켜 향상된 음압 레벨을 제공할 수 있는 효과가 있다.According to the graphene thermoacoustic speaker of the present invention, the influence of the substrate can be minimized by supporting the graphene thin film as a grating structure supporting layer, thereby providing an improved sound pressure level.

또한 본 발명에 따른 그래핀 열음향 스피커 제조방법에 의하면, 기판의 영향이 최소화되어 음압 레벨이 향상된 그래핀 열음향 스피커를 간단한 방법으로 제조할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the method of manufacturing a graphene thermoacoustic speaker according to the present invention, a graphene thermoacoustic speaker with an improved sound pressure level can be manufactured with a simple method by minimizing the influence of the substrate.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 그래핀 열음향 스피커의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 그래핀 열음향 스피커의 개략적인 사시도이다.
도 3은 격자구조 지지층의 일부 확대 정면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 측면에 따른 그래핀 열음향 스피커 제조방법의 흐름도이다.
도 5는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 그래핀 열음향 스피커의 음압 레벨 측정 결과이다.1 is a schematic cross-sectional view of a graphene thermoacoustic speaker according to an aspect of the present invention.
2 is a schematic perspective view of a graphene thermoacoustic speaker in accordance with an aspect of the present invention.
3 is a partially enlarged front view of the lattice structure supporting layer.
4 is a flowchart of a method of manufacturing a graphene thermoacoustic speaker according to another aspect of the present invention.
5 is a graph showing the results of sound pressure level measurement of the graphene thermoacoustic speaker manufactured according to the embodiment and the comparative example.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 한정되거나 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 다양한 실시예들을 설명함에 있어, 대응되는 구성요소에 대해서는 동일한 명칭 및 동일한 참조부호를 부여하여 설명하도록 한다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to or limited by the embodiments. In describing the various embodiments of the present invention, corresponding elements are denoted by the same names and the same reference numerals.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 일 측면에 따른 그래핀 열음향 스피커의 개략적인 단면도 및 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 그래핀 열음향 스피커(100)는, 그래핀 박막(210) 및 그래핀 박막(210)을 지지하는 격자구조 지지층(220)을 포함하는 음파 발생부(200), 음파 발생부(200)를 지지하는 프레임(110), 그래핀 박막(210)에 전기적 신호를 인가하기 위한 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)을 포함하여 구성된다. 그래핀 박막(210)은 제1 전극(140) 및 제2 전극(150) 사이에 인가되는 교류 전압에 의해 열을 발생시켜 주위 매질을 진동시키기 위한 막으로, 여기서 그래핀 박막(210)은 탄소 원자 단일층으로 이루어지는 그래핀 단일층일 수 있으며, 탄소 원자 복수층으로 이루어지는 박막 또는 복수의 그래핀이 겹쳐져 형성된 막일 수도 있다. 즉 본 발명에서 그래핀 박막(210)이라는 용어는 탄소 원자 단일층만으로 한정해석 되는 것은 아니며, 그 두께 범위는 0.3 내지 100nm 범위일 수 있다.1 and 2 are schematic cross-sectional and perspective views, respectively, of a graphene thermoacoustic speaker according to an aspect of the present invention. 1 and 2, a graphene thermoacoustic speaker 100 according to the present invention includes a grating structure supporting layer 220 supporting a graphene thin film 210 and a graphene thin film 210 A frame 110 supporting the sound wave generator 200, the sound wave generator 200, a first electrode 140 and a second electrode 150 for applying an electrical signal to the graphene thin film 210 . The graphene thin film 210 is a film for vibrating the surrounding medium by generating heat by an AC voltage applied between the first electrode 140 and the second electrode 150, Or may be a thin film composed of a plurality of carbon atoms or a film formed by overlapping a plurality of graphenes. That is, the term "graphene thin film 210" in the present invention is not limited to a single layer of carbon atoms but may have a thickness ranging from 0.3 to 100 nm.

격자구조 지지층(220)은 그래핀 박막(210)을 지지하는 구성으로, 그래핀 박막(210)의 열손실을 최소화할 수 있도록 격자 무늬를 갖는 것을 특징으로 한다. 도 3은 격자구조 지지층(220)의 일부를 확대한 정면도로서, 도 3에 예시한 바와 같이 격자구조 지지층(220)은 격자틀(221) 및 격자틀(221) 사이의 개구홀(222)로 이루어지며, 개구홀(222)의 상대적인 크기에 따라 전체적인 개구율이 결정된다. 개구율이 클수록 그래핀 박막(210)과의 접촉 면적이 작아지므로, 높은 음압 레벨을 위해서는 개구율은 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상일 수 있다. 격자구조 지지층(220)의 격자 무늬는 사각형, 삼각형, 육각형 등 다양한 무늬로 형성될 수 있으며, 본 발명은 격자 무늬를 특정 무늬로 한정하는 것은 아니다.The lattice structure supporting layer 220 supports the graphene thin film 210 and has a lattice pattern to minimize heat loss of the graphene thin film 210. 3, the lattice structure supporting layer 220 includes an opening hole 222 between the lattice frame 221 and the lattice frame 221, as shown in Fig. 3, And the overall aperture ratio is determined according to the relative size of the aperture hole 222. [ The larger the aperture ratio, the smaller the contact area with the graphene thin film 210. Therefore, for a high sound pressure level, the aperture ratio may be 50% or more, preferably 60% or more, more preferably 80% or more. The lattice pattern of the lattice structure supporting layer 220 may be formed into various patterns such as a square, a triangle, and a hexagon. The present invention does not limit the lattice pattern to a specific pattern.

격자구조 지지층(220)은 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리카보네이트(polycarbonate) 등의 고분자, 또는 산화알루미늄(Al2O3), 산화실리콘(SiO2) 등의 무기물, 그 외에 실리콘, 유리, 플라스틱, 금속, 직물, 종이, 목재류 등 다양한 재료로 구성될 수 있다.The lattice structure supporting layer 220 may be formed of a polymer such as polyimide, polyethylene terephthalate or polycarbonate, or an inorganic material such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or silicon oxide (SiO 2 ) In addition, it can be composed of various materials such as silicon, glass, plastic, metal, fabric, paper, and wood.

프레임(110)은 음파 발생부(200)를 지지하기 위한 구성으로, 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼 격자구조 지지층(220) 측에서 음파 발생부(200)를 지지할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 도 1과 같이 프레임(110)은 중앙에 개구부(111)가 형성되어 음파 발생부(200)의 가장자리를 지지하는 형태로 형성할 수 있다. 프레임(110) 재질은 음파 발생부(200)를 안정적으로 지지할 수 있는 재질이면 특별히 한정되지 않으며, 아크릴, 폴리카보네이트 등이 사용될 수 있다.The frame 110 is configured to support the sound wave generator 200 and may support the sound generator 200 on the side of the lattice structure support layer 220 as shown in FIGS. 1 and 2, It is not. As shown in FIG. 1, the frame 110 may have an opening 111 at its center to support the edge of the sound wave generator 200. The material of the frame 110 is not particularly limited as long as it can stably support the sound wave generator 200, and acrylic, polycarbonate, or the like can be used.

제1 전극(140) 및 제2 전극(150)은 적어도 일부분이 그래핀 박막(210)에 접하도록 형성되며, 외부의 전기신호 발생부(미도시)에 연결되어 그래핀 박막(210)에 교류 전압을 인가하기 위한 구성이다. 그래핀 박막의 전체 면적으로 전류가 충분히 흐를 수 있도록 도 2에 도시한 것처럼 제1 전극(140)과 제2 전극(150)은 서로 대향하는 변을 각각 덮도록 형성하는 것이 바람직하다.The first electrode 140 and the second electrode 150 are formed so that at least a portion of the first electrode 140 and the second electrode 150 are in contact with the graphene thin film 210 and are connected to an external electrical signal generating unit This is a configuration for applying a voltage. It is preferable that the first electrode 140 and the second electrode 150 are formed so as to cover the sides opposite to each other, as shown in FIG. 2, so that the current can sufficiently flow through the entire area of the graphene thin film.

이와 같은 구성의 본 발명에 따른 그래핀 열음향 스피커(100)는, 외부의 전기신호 발생부로부터 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)에 교류 전압이 인가되면 그래핀 박막(210)에 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 그래핀 박막(210)은 높은 개구율을 갖는 격자구조 지지층(220)으로 지지되므로, 격자구조 지지층(220)으로의 열손실은 최소화되며, 그로 인해 음압 레벨이 향상되는 효과가 있다.
The graphene thermoacoustic speaker 100 according to the present invention having the above-described structure is configured such that when an AC voltage is applied from the external electrical signal generator to the first electrode 140 and the second electrode 150, And the heat is released to the surroundings due to the low heat capacity characteristic per unit area, and the heat is transmitted to the surrounding medium, for example, air, so that the vibration of the air occurs to generate the sound waves. At this time, since the graphene thin film 210 is supported by the grating structure supporting layer 220 having a high numerical aperture, the heat loss to the grating structure supporting layer 220 is minimized, thereby improving the sound pressure level.

이하 본 발명의 다른 측면에 따른 그래핀 열음향 스피커 제조방법을 설명한다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 그래핀 열음향 스피커 제조방법은, 희생기판에 그래핀 박막을 형성하는 단계(S410), 격자구조 지지층을 형성하는 단계(S420), 프레임을 부착하는 단계(S430) 및 희생기판을 분리하는 단계(S440)을 포함할 수 있다.Hereinafter, a method of manufacturing a graphene thermoacoustic speaker according to another aspect of the present invention will be described. Referring to FIG. 4, a method of manufacturing a graphene thermoacoustic speaker according to the present invention includes forming a graphene thin film on a sacrificial substrate (S410), forming a grating structure supporting layer (S420) S430) and separating the sacrificial substrate (S440).

S410 단계는 나중에 분리되거나 제거될 희생기판에 그래핀 박막(210)을 형성하는 단계로, 희생기판은 그래핀 박막(210)을 지지하면서 그래핀 박막(210)의 상부에 격자구조 지지층(220)을 형성하기 위해 임시로 요구되는 구성이다. 그래핀 박막은 별도로 형성되어 희생기판 위에 전사될 수도 있으나, 희생기판 상에 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition) 또는 플라즈마 화학기상증착법(PECVD; Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등의 방법으로 성장시킬 수도 있다. 또한 일정 두께의 그래핀 박막을 화학기상증착법으로 형성하고 그 위에 별도로 형성된 그래핀 박막을 전사하여 더 두꺼운 그래핀 박막을 형성할 수도 있다.Step S410 is a step of forming a graphene thin film 210 on the sacrificial substrate to be separated or removed later. The sacrificial substrate supports the graphene thin film 210, Lt; RTI ID = 0.0 > temporarily < / RTI > The graphene thin film may be separately formed and transferred onto the sacrificial substrate. Alternatively, the graphene thin film may be grown on the sacrificial substrate by a chemical vapor deposition (CVD) method or a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method have. Also, a graphene thin film having a predetermined thickness may be formed by a chemical vapor deposition method, and a graphene thin film formed separately may be transferred thereon to form a thicker graphene thin film.

그래핀 박막이 화학기상증착법으로 성장되기 위해서는 희생기판 표면에 일정 이상의 탄소 용해도를 갖는 금속촉매층이 형성되어 있거나, 희생기판 자체가 금속촉매층이어야 한다. 희생기판 상에 그래핀 박막이 성장되는 경우에, 희생기판은 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 은(Ag) 등의 금속 포일, 또는 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 은(Ag) 등의 금속막이 실리콘 산화막 위에 형성된 기판일 수 있다. 그래핀 박막은 상압의 탄화수소 분위기에서 금속촉매층이 형성된 희생기판을 고온으로 가열함으로써 형성될 수 있다. 고온으로 가열된 금속촉매층에 의해 탄화수소 가스는 분해되고, 분해된 탄소는 금속촉매층 내에 용해된다. 이후 희생기판을 냉각시키면 금속촉매층 내에 과포화된 탄소 원자가 금속촉매층 표면으로 석출되어 그래핀 박막이 형성될 수 있다. 금속촉매층의 탄소 용해도가 충분하다면 이러한 방법으로 단일층 이상의 탄소층으로 이루어진 그래핀 박막을 형성할 수 있다.In order for the graphene film to grow by chemical vapor deposition, a metal catalyst layer having a carbon solubility of at least a certain level is formed on the surface of the sacrificial substrate, or the sacrificial substrate itself must be a metal catalyst layer. When the graphene thin film is grown on the sacrificial substrate, the sacrificial substrate may be a metal foil such as nickel (Ni), copper (Cu), cobalt (Co), titanium (Ti) , Copper (Cu), cobalt (Co), titanium (Ti), and silver (Ag) may be formed on the silicon oxide film. The graphene thin film can be formed by heating the sacrificial substrate, on which the metal catalyst layer is formed, at a high temperature in a hydrocarbon atmosphere at normal pressure. The hydrocarbon gas is decomposed by the metal catalyst layer heated to a high temperature, and the decomposed carbon is dissolved in the metal catalyst layer. Subsequently, when the sacrificial substrate is cooled, supersaturated carbon atoms in the metal catalyst layer deposit on the surface of the metal catalyst layer to form a graphene thin film. If the carbon solubility of the metal catalyst layer is sufficient, a graphene thin film composed of a single carbon layer or more can be formed in this manner.

그래핀 박막(210)을 형성한 후에는 그래핀 박막(210) 위에 격자구조 지지층(220)을 형성한다(S420). 격자구조 지지층(220)은 다양한 방법으로 형성할 수 있으나, 스크린 프린팅(screen printing) 방법을 사용하면 간단하게 형성할 수 있다. 스크린 프린팅 방법은 일정 패턴으로 개구된 부분을 갖는 스크린 마스크를 기판 위에 올려놓은 상태에서, 스크린 마스크 위에서 증착하고자 하는 물질의 페이스트를 스프레이하거나 누름 수단으로 누르는 등의 방법으로 페이스트가 스크린 마스크의 개구 부분을 통과해 기판에 인쇄되도록 하는 방법이다. 도 3과 같은 형태의 격자구조 지지층(220)을 형성하기 위해, 스크린 마스크는 격자틀(221)에 대응되는 부분만 페이스트가 통과할 수 있는 정도의 메쉬 크기로 개구되어 있을 수 있다.After forming the graphene thin film 210, a lattice structure supporting layer 220 is formed on the graphene thin film 210 (S420). The lattice structure supporting layer 220 can be formed by various methods, but can be formed simply by using a screen printing method. The screen printing method is a method in which a paste is applied to the opening portion of the screen mask by a method such as spraying a paste of a substance to be deposited on the screen mask or pressing with a pressing means in a state in which a screen mask having a portion opened in a predetermined pattern is placed on the substrate, And then printed on the substrate. In order to form the lattice structure supporting layer 220 in the form of FIG. 3, the screen mask may be opened to a mesh size enough to allow the paste to pass through only the portion corresponding to the grid frame 221.

페이스트로는 점도 1 poise 이상의 액상 물질이 사용될 수 있다. 예를 들어 격자구조 지지층(220)을 폴리이미드로 형성하고자 하는 경우, 페이스트로는 점도 1 poise 이상의 액상 폴리이미드를 사용할 수 있다. 그래핀 박막(210) 위에 스크린 마스크를 올려놓은 상태에서 액상 페이스트를 스크린 프린팅한 후에는 열처리를 진행함으로써 페이스트를 건조시키고 단단한 고체상의 격자구조 지지층(220)을 형성할 수 있다. 페이스트로는 액상의 폴리이미드 뿐만 아니라, 액상의 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리카보네이트(polycarbonate) 등의 고분자, 또는 용제(solvent)와 혼합된 산화알루미늄(Al2O3), 산화실리콘(SiO2) 등의 무기물 페이스트 등 다양한 재료가 사용될 수 있다.As the paste, a liquid substance having a viscosity of 1 poise or more may be used. For example, when the grid structure supporting layer 220 is formed of polyimide, a liquid polyimide having a viscosity of 1 poise or more may be used as the paste. After screen printing of the liquid paste in a state where the screen mask is placed on the graphene thin film 210, the paste may be dried by heat treatment to form a solid solid lattice structure supporting layer 220. Examples of the pastes include not only liquid polyimide but also liquid polyesters such as polyethylene terephthalate and polycarbonate or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) mixed with a solvent, silicon oxide (SiO 2 2 ) may be used.

격자구조 지지층(220) 형성 후에는 그래핀 박막(210) 및 격자구조 지지층(220)으로 구성된 음파 발생부(200)가 희생기판 제거 후에도 지지될 수 있도록 프레임(110)을 부착하는 단계(S430)를 진행할 수 있다. 그래핀 박막(210)의 하부에는 희생기판이, 상부에는 격자구조 지지층(220)이 형성되어 있으므로, 프레임(110)은 격자구조 지지층(220) 위에 부착될 수 있다. 프레임(110)은 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼 음파 발생부(200)를 가장자리 부분에서만 지지할 수 있도록 중앙 부분에 개구부(111)가 형성된 형태일 수 있다. 프레임(110)을 음파 발생부(200)에 부착하는 방법은 다양한 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들어 접착물질을 사용하여 부착할 수 있다.After the lattice structure supporting layer 220 is formed, a step S430 of attaching the frame 110 so that the sound wave generating part 200 composed of the graphene thin film 210 and the lattice structure supporting layer 220 can be supported even after the sacrificial substrate is removed, . Since the sacrificial substrate is formed under the graphene thin film 210 and the grating structure supporting layer 220 is formed thereon, the frame 110 can be attached on the grating structure supporting layer 220. The frame 110 may have a shape in which an opening 111 is formed at a central portion of the frame 110 so as to support the sound wave generator 200 only at an edge portion thereof, as shown in FIGS. Various methods can be used for attaching the frame 110 to the sound wave generator 200, for example, using an adhesive material.

프레임 부착 후에는 그래핀 박막(210) 하부의 희생기판을 분리하는 단계(S440)를 진행한다. 희생기판 분리단계(S440)는 사용된 희생기판의 종류에 따라 다를 수 있는데, 예를 들어 금속 포일이 희생기판으로 사용된 경우에는 금속 포일을 식각할 수 있는 식각 용액 속에서 금속 포일이 모두 제거될 때까지 담궈 둘 수 있다. 또한 실리콘 기판에 실리콘 산화막 및 금속촉매층을 순차적으로 형성한 기판을 희생기판으로 사용한 경우에는, 우선 불산(HF) 용액 등에서 실리콘 산화막을 식각하여 금속촉매층과 실리콘 기판을 분리한 후, 금속촉매층을 식각할 수 있는 식각 용액 속에서 금속촉매층을 식각하는 방법으로 희생기판을 분리할 수도 있다. After attaching the frame, the step of separating the sacrificial substrate under the graphene thin film 210 is performed (S440). The sacrificial substrate separation step S440 may be different depending on the type of the sacrificial substrate used. For example, when a metal foil is used as a sacrificial substrate, all the metal foils are removed in the etching solution capable of etching the metal foil You can soak until the end. When a substrate having a silicon oxide film and a metal catalyst layer sequentially formed on a silicon substrate is used as a sacrificial substrate, the silicon oxide film is first etched with a hydrofluoric acid (HF) solution or the like to separate the metal catalyst layer from the silicon substrate, The sacrificial substrate may be separated by etching the metal catalyst layer in the etching solution.

도 4에는 도시하지 않았으나, 희생기판 분리 후에는 그래핀 박막에 교류 전압을 인가하기 위한 제1 전극(140) 및 제2 전극(150)을 형성하는 단계를 진행할 수 있다. 제1, 2 전극(140, 150)은 도 1 및 도 2에 도시된 것처럼 음파 발생부(200)와 프레임(110)에 걸치도록 형성될 수 있으며, 은(Ag) 페이스트 등 도전성 물질을 도포하는 방법으로 형성될 수 있다.Although not shown in FIG. 4, after the sacrificial substrate is separated, a step of forming a first electrode 140 and a second electrode 150 for applying an AC voltage to the graphene thin film may be performed. The first and second electrodes 140 and 150 may be formed to extend over the sound generating unit 200 and the frame 110 as shown in FIGS. 1 and 2. The first and second electrodes 140 and 150 may be formed of a conductive material, . ≪ / RTI >

이와 같은 단계들을 진행함으로써 도 1 및 도 2와 같은 구조의 본 발명에 따른 그래핀 열음향 스피커(100)를 제조할 수 있다. 특히 스크린 프린팅 방법을 사용하면 그래핀 박막(210)을 지지하는 격자구조 지지층(220)을 간단한 방법으로 형성할 수 있고, 스크린 마스크의 설계에 따라 격자구조 지지층(220)의 개구율을 손쉽게 조절할 수 있다는 장점이 있다. By proceeding to these steps, the graphene thermoacoustic speaker 100 according to the present invention having the structure as shown in FIGS. 1 and 2 can be manufactured. In particular, by using the screen printing method, the grating structure supporting layer 220 supporting the graphene thin film 210 can be formed by a simple method, and the aperture ratio of the grating structure supporting layer 220 can be easily adjusted according to the design of the screen mask There are advantages.

이하 본 발명에 따라 그래핀 열음향 스피커의 특성을 실시예 및 비교예를 참조하여 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, characteristics of a graphene thermoacoustic speaker according to the present invention will be described in detail with reference to examples and comparative examples.

1. 실시예1. Example

실리콘 산화막이 형성된 실리콘 기판을 희생기판으로 사용하였으며, 실리콘 산화막 위에 니켈(Ni) 금속촉매층을 스퍼터링법으로 900nm 증착하였다. 니켈 금속촉매층이 증착된 희생기판 위에 플라즈마 화학기상증착법을 이용해 그래핀 박막을 형성하였다. 구체적으로는, 50mTorr 정도의 낮은 압력이 유지되는 챔버 내에 희생기판을 배치하고 940℃에서 7분 동안 에타인(ethyne, C2H2) 및 아르곤(Ar) 플라즈마 분위기에서 가열시켜 준 후에, 빠르게 냉각시키는 방법으로 30nm 두께의 그래핀 박막을 형성하였다.A silicon substrate on which a silicon oxide film was formed was used as a sacrificial substrate, and a nickel (Ni) metal catalyst layer was deposited on the silicon oxide film to a thickness of 900 nm by sputtering. A graphene thin film was formed on a sacrificial substrate on which a nickel metal catalyst layer was deposited by using a plasma chemical vapor deposition method. Specifically, a sacrificial substrate is placed in a chamber maintained at a low pressure of about 50 mTorr, heated in an atmosphere of ethyne (C 2 H 2 ) and argon (Ar) plasma at 940 ° C. for 7 minutes, To form a 30 nm thick graphene thin film.

희생기판 위에 형성된 그래핀 박막 위에 정사각형 모양의 격자무늬가 형성된 스크린 마스크를 배치하고 스크린 프린팅 방법으로 격자구조 지지층을 형성하였다. 페이스트로는 액상의 폴리이미드를 사용하였으며, 프린팅 후 열처리하여 고상의 폴리이미드로 이루어진 격자구조 지지층을 형성하였다. 열처리는 180℃, 10분의 1차 열처리 후 300℃, 2시간의 2차 열처리 과정을 진행하였으며, 열처리 분위기는 질소 분위기였다. 스크린 마스크의 개구된 부분의 면적을 조절함으로써, 개구율이 64% 및 81%인 두 종류의 격자구조 지지층을 형성하였다.A screen mask having a square grid pattern was disposed on the graphene thin film formed on the sacrificial substrate, and a grid structure supporting layer was formed by a screen printing method. As a paste, a liquid polyimide was used, and after printing, heat treatment was performed to form a lattice structure supporting layer made of solid polyimide. The heat treatment was carried out at 180 ° C for 10 minutes, followed by a secondary heat treatment at 300 ° C for 2 hours. The heat treatment atmosphere was nitrogen atmosphere. By adjusting the area of the open portion of the screen mask, two types of lattice structure supporting layers having an aperture ratio of 64% and 81% were formed.

프레임으로는 중앙부에 가로 1.7cm, 세로 1.7cm의 정사각형 개구부가 형성된 가로 2.7cm, 세로 2.7cm, 높이 2mm의 정사각형 모양 폴리카보네이트 프레임을 준비하였다. 정사각형 개구부 위에 음파 발생부가 위치하도록 프레임을 격자구조 지지층에 부착하였다.As the frame, a square polycarbonate frame having a square opening of 1.7 cm in width and 1.7 cm in height and 2.7 cm in width, 2.7 cm in height, and 2 mm in height was prepared at the center. A frame was attached to the lattice structure support layer so that the sound wave generator was positioned above the square opening.

프레임 부착 후 니켈(Ni) 식각 용액인 1몰 농도의 염화철(FeCl3) 용액 중에서 24시간 동안 식각을 진행하여 희생기판을 분리하였다. 희생기판이 분리된 그래핀 열음향 스피커는 식각 용액에서 건져 증류수 및 이소프로필알콜(IPA)에서 세척하였다.
After attaching the frame, the sacrificial substrate was separated by etching for 24 hours in a 1 molar iron chloride (FeCl 3 ) solution as a nickel (Ni) etching solution. The graphene thermoacoustic speaker from which the sacrificial substrate was separated was removed from the etching solution and washed in distilled water and isopropyl alcohol (IPA).

2. 비교예2. Comparative Example

격자구조 지지층 대신 개구율이 0%인 폴리이미드 기판을 사용하였다는 점을 제외하면 실시예와 동일한 방식으로 그래핀 열음향 스피커를 제조하였다. 개구율이 0%인 폴리이미드 기판은 특정 패턴이 형성되어 있지 않고 전체가 개구 부분인 스크린 마스크를 그래핀 박막 위에 배치한 후 스크린 프린팅 방법으로 형성하였다.
Graphene thermoacoustic loudspeaker was manufactured in the same manner as the embodiment except that a polyimide substrate having an aperture ratio of 0% was used instead of the lattice structure supporting layer. A polyimide substrate having an opening ratio of 0% was formed by a screen printing method after disposing a screen mask having an opening portion as a whole without forming a specific pattern on the graphene thin film.

3. 음압 레벨 측정 결과3. Sound pressure level measurement result

도 5는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 그래핀 열음향 스피커의 음압 레벨 측정 결과로서, 개구율이 0%인 비교예에 비해 격자무늬 지지층을 사용한 본 발명의 실시예에 따른 그래핀 열음향 스피커의 음압 레벨이 모든 주파수 범위에서 향상되었음이 확인되었다. 또한, 개구율이 64%인 경우에 비해 개구율이 81%인 경우의 음압 레벨이 더 크게 나타났으며, 이로부터 격자무늬 지지층의 개구율이 더 높을수록 음압 특성이 더 우수함을 확인할 수 있었다.
5 is a graph showing the results of measurement of the sound pressure level of the graphene thermoacoustic speaker manufactured according to the embodiment and the comparative example. As compared with the comparative example in which the aperture ratio is 0%, the graphene thermoacoustic speaker Was improved in all frequency ranges. Also, the sound pressure level at the aperture ratio of 81% was larger than that at the aperture ratio of 64%, and it was confirmed that the higher the aperture ratio of the lattice pattern support layer, the better the sound pressure characteristics.

이상 한정된 실시예 및 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다는 점은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위의 기재 및 그 균등 범위에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the scope of protection of the present invention should be determined by the description of the claims and their equivalents.

100: 그래핀 열음향 스피커
110: 프레임
140, 150: 전극
200: 음파 발생부
210: 그래핀 박막
220: 격자구조 지지층
221: 격자틀
222: 개구홀100: Graphene thermoacoustic speaker
110: frame
140, 150: electrode
200: sound wave generator
210: Graphene thin film
220: Grating structure supporting layer
221: grid frame
222: opening hole

Claims (10)

그래핀 박막 및 상기 그래핀 박막을 지지하는 격자구조 지지층을 포함하는 음파 발생부;
상기 음파 발생부를 지지하는 프레임;
상기 그래핀 박막에 전기적 신호를 인가하기 위한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고,
상기 격자구조 지지층은 격자틀 및 상기 격자틀 사이의 개구홀로 이루어져 상기 개구홀의 상대적인 크기에 따라 일정 값 이상의 개구율을 갖는 것을 특징으로 하는 그래핀 열음향 스피커.A sound wave generator including a graphene thin film and a lattice structure supporting layer for supporting the graphene thin film;
A frame supporting the sound wave generator;
A first electrode and a second electrode for applying an electrical signal to the graphene thin film,
Wherein the lattice structure supporting layer comprises a lattice frame and an opening hole between the lattice frame, and has an opening ratio greater than a predetermined value according to a relative size of the opening hole. 제 1항에 있어서,
상기 개구율은 50% 이상인 것을 특징으로 하는 그래핀 열음향 스피커.The method according to claim 1,
Wherein the aperture ratio is greater than or equal to 50%. 제 1항에 있어서,
상기 프레임은 중앙에 개구부가 형성되어 상기 음파 발생부의 가장자리를 지지하는 형태인 것을 특징으로 하는 그래핀 열음향 스피커.The method according to claim 1,
Wherein the frame has an opening formed at the center thereof to support the edge of the sound wave generating part. 제 1항에 있어서,
상기 그래핀 박막은 복수의 탄소 원자층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 그래핀 열음향 스피커.The method according to claim 1,
Wherein the graphene thin film comprises a plurality of carbon atomic layers. 희생기판에 그래핀 박막을 형성하는 단계;
상기 그래핀 박막 위에 격자구조 지지층을 형성하는 단계;
상기 그래핀 박막 및 격자구조 지지층으로 이루어지는 음파 발생부를 지지하기 위한 프레임을 부착하는 단계; 및
상기 희생기판을 분리하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 열음향 스피커 제조방법.Forming a graphene thin film on the sacrificial substrate;
Forming a grating structure supporting layer on the graphene thin film;
Attaching a frame for supporting a sound wave generating portion comprising the graphene thin film and the lattice structure supporting layer; And
Separating the sacrificial substrate;
≪ / RTI > wherein the method comprises the steps of: 제5항에 있어서,
상기 희생기판은 금속촉매층을 포함하고,
상기 그래핀 박막을 형성하는 단계는 상기 금속촉매층 상에 화학기상증착법으로 그래핀 박막을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 열음향 스피커 제조방법. 6. The method of claim 5,
Wherein the sacrificial substrate comprises a metal catalyst layer,
Wherein the step of forming the graphene thin film comprises growing a graphene thin film on the metal catalyst layer by a chemical vapor deposition method. 제 6항에 있어서,
상기 금속촉매층은 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 티타늄(Ti) 또는 코발트(Co) 중 어느 하나의 금속층인 것을 특징으로 하는 그래핀 열음향 스피커 제조방법. The method according to claim 6,
Wherein the metal catalyst layer is a metal layer selected from the group consisting of Ni, Cu, Fe, Ti, and Co. 제5항에 있어서,
상기 격자구조 지지층을 형성하는 단계는, 상기 그래핀 박막 위에 격자무늬의 개구 부분을 갖는 스크린 마스크를 배치한 후 스크린 프린팅 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 그래핀 열음향 스피커 제조방법.6. The method of claim 5,
Wherein the step of forming the grating structure supporting layer is performed by a screen printing method after disposing a screen mask having a lattice pattern opening on the graphene thin film. 제6항에 있어서,
상기 희생기판을 분리하는 단계는 상기 금속촉매층을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 열음향 스피커 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein separating the sacrificial substrate comprises etching the metal catalyst layer. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI > 제5항에 있어서,
상기 그래핀 박막에 전기적 신호를 인가하기 위한 복수의 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 그래핀 열음향 스피커 제조방법.6. The method of claim 5,
And forming a plurality of electrodes for applying an electrical signal to the graphene thin film.
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