스피커는 휴대폰, PMP(휴대용 다매체 재생기)와 같은 여러 전자기기의 필수 구성 요소 중의 하나이다. 최근 휴대형 전자기기의 확산으로 소형경량화에 기술개발의 초점을 맞추고 있으며 MEMS(마이크로 전자기계 시스템) 기술로 실리콘 웨이퍼에 마이크로 스피커를 가공하여 사용한 스피커와 고분자압전체를 이용한 필름형 압전 스피커가 만들어지고 있다. 그러나 음압(...
스피커는 휴대폰, PMP(휴대용 다매체 재생기)와 같은 여러 전자기기의 필수 구성 요소 중의 하나이다. 최근 휴대형 전자기기의 확산으로 소형경량화에 기술개발의 초점을 맞추고 있으며 MEMS(마이크로 전자기계 시스템) 기술로 실리콘 웨이퍼에 마이크로 스피커를 가공하여 사용한 스피커와 고분자압전체를 이용한 필름형 압전 스피커가 만들어지고 있다. 그러나 음압(SPL)이 일정하지 않아 스피커로 사용하기에는 부적합하다. 본 연구에서는 필름 스피커의 낮은 음압을 개선하고자 압전체를 적용한 새로운 개념의 필름스피커 구조를 고안하였다. 이 새로운 개념의 압전 스피커에서는 압전 세라믹의 특성상 저음 영역이 약한 부분을 플라스틱과 같은 진동 매체를 부착하여 개선하고자 하였다. 압전체를 스피커에 적용하기 위해서는 높은 전기기계결합계수(k_(p))와 기계적품질계수(Q_(m))을 가져야 한다. 이러한 조건을 만족시키는 압전 세라믹스를 제조하기 위해 우수한 압전 특성을 갖는 PSN-PZT 계 조성을 선택하였다. 그리고 Q_(m) 값의 향상을 위해 MnO₂를 소량 첨가하여 실험을 진행하였다. 압전체 분말의 기본조성은 Pb(Sb₁/₂Nb_(1/2))_(x)(Zr_(0.51)Ti_(0.49))₁-(x)_O₃의 3성분계로 구성하였고, 일반적인 세라믹 분말의 제조공정을 통해 시료를 제작하였다. 혼합된 원료분말들을 에탄올, 지르코니아 볼과 함께 24 시간 동안 혼합 및 분쇄, 건조시킨 후 분말을 80 메시(mesh)의 체(sieve)를 이용하여 체가름 하였다. 체가름을 한 분말은 850℃에서 2 시간 동안 하소하였다. 하소한 분말은 24 시간 동안 재혼합, 분쇄한 후 1,250℃에서 2 시간 동안 소결하였다. 승온 속도는 3℃/min으로 일정하게 하였으며, 냉각은 노 내에서 속도 제어 없이 수행하였다. 시편의 미세구조 및 결정구조는 주사전자현미경(SEM)과 X-선 회절분석기(XRD)를 사용하여 관찰하였고, 압전 특성은 임피던스 분석기(HP4194)를 이용하여 측정하였다. 모든 시편은 XRD 분석 결과 2차 상이 없는 완전한 페로브스카이트 결정구조를 형성함을 확인할 수 있었다. PSN-PZT 압전체에서 PSN의 몰비가 0.7까지 증가하면 전기기계결합계수도 같이 증가하는 특성을 보였다. 그런데 PSN-PZT 압전체들은 기계적품질계수(Q_(m))가 100 이하로 낮게 측정되었다. 이러한 낮은 기계적품질계수 특성은 MnO₂를 소량(0.4 wt%) 첨가함으로서 해결하였다. 이렇게 MnO₂를 0.4 wt% 첨가하여 최적화시킨 Pb(Sb₁/₂Nb_(1/2))0.7(Zr_(0.51)Ti_(0.49))_(0.93)O₃ 압전체의 전기기계결합계수(k_(p))는 약 61%, 기계적품질계수는(Q_(m))는 198로 매우 우수한 특성을 나타내었다. 이상과 같이 최적화된 PSN-PZT 압전체를 이용하여 필름스피커를 제작하였고, 이 필름스피커의 특성을 평가하였다. PSN-PZT 압전체를 0.2 mm 정도로 얇게 제작하기 위해서 닥터블래이드 법을 적용하였다. 이렇게 제작된 얇은 압전체 필름을 0.2 mm 두께의 금속판(황동)에 양면으로 접합하였다(바이몰프 구조). 즉, 얇은 두께의 황동 판이 압전체의 안정성을 향상시키는데, 이러한 구조의 총 두께는 0.6 mm가 된다. 제작된 압전 진동판은 음압을 증가시키기 위해 가로 10 cm ×세로 10 cm ×두께 3 mm의 아크릴판에 접착시켰다. 이렇게 압전 진동판을 좀 더 큰 면적의 플라스틱 등에 부착하는 구조가 본 연구에서 새롭게 제안한 스피커 구조이다. 압전체의 모양과 크기는 스피커의 음압을 최대화하기 위해 다양하게 실험을 하였다. 제작된 압전 스피커의 음압은 스펙트럼 분석기와 연결된 기준 마이크로폰(microphone: B&K 4135)를 사용하여 측정하였다. 측정 시의 스피커와 마이크로폰 사이의 거리는 1 m를 유지하였고, 분석 주파수 범위는 300 Hz~10 kHz였다. 스피커의 구동 전압은 40 V_(rms)부터 10 V_(rms)까지 변화를 주었다. 음압은 전압이 상승함에 따라 100 V_(rms)에서 최대값을 나타내었고 압전체의 크기가 클수록 높게 나타났다. 100 V_(rms) 조건에서 50 mm ×50 mm 크기의 압전 스피커의 음압은 1 kHz에서 약 90 dB를 나타내었고, 300 Hz의 낮은 주파수 대역에서도 MEMS 스피커와 고분자 필름 스피커에 비해 매우 높은 값인 76 dB를 확보할 수 있었다.
스피커는 휴대폰, PMP(휴대용 다매체 재생기)와 같은 여러 전자기기의 필수 구성 요소 중의 하나이다. 최근 휴대형 전자기기의 확산으로 소형경량화에 기술개발의 초점을 맞추고 있으며 MEMS(마이크로 전자기계 시스템) 기술로 실리콘 웨이퍼에 마이크로 스피커를 가공하여 사용한 스피커와 고분자 압전체를 이용한 필름형 압전 스피커가 만들어지고 있다. 그러나 음압(SPL)이 일정하지 않아 스피커로 사용하기에는 부적합하다. 본 연구에서는 필름 스피커의 낮은 음압을 개선하고자 압전체를 적용한 새로운 개념의 필름스피커 구조를 고안하였다. 이 새로운 개념의 압전 스피커에서는 압전 세라믹의 특성상 저음 영역이 약한 부분을 플라스틱과 같은 진동 매체를 부착하여 개선하고자 하였다. 압전체를 스피커에 적용하기 위해서는 높은 전기기계결합계수(k_(p))와 기계적품질계수(Q_(m))을 가져야 한다. 이러한 조건을 만족시키는 압전 세라믹스를 제조하기 위해 우수한 압전 특성을 갖는 PSN-PZT 계 조성을 선택하였다. 그리고 Q_(m) 값의 향상을 위해 MnO₂를 소량 첨가하여 실험을 진행하였다. 압전체 분말의 기본조성은 Pb(Sb₁/₂Nb_(1/2))_(x)(Zr_(0.51)Ti_(0.49))₁-(x)_O₃의 3성분계로 구성하였고, 일반적인 세라믹 분말의 제조공정을 통해 시료를 제작하였다. 혼합된 원료분말들을 에탄올, 지르코니아 볼과 함께 24 시간 동안 혼합 및 분쇄, 건조시킨 후 분말을 80 메시(mesh)의 체(sieve)를 이용하여 체가름 하였다. 체가름을 한 분말은 850℃에서 2 시간 동안 하소하였다. 하소한 분말은 24 시간 동안 재혼합, 분쇄한 후 1,250℃에서 2 시간 동안 소결하였다. 승온 속도는 3℃/min으로 일정하게 하였으며, 냉각은 노 내에서 속도 제어 없이 수행하였다. 시편의 미세구조 및 결정구조는 주사전자현미경(SEM)과 X-선 회절분석기(XRD)를 사용하여 관찰하였고, 압전 특성은 임피던스 분석기(HP4194)를 이용하여 측정하였다. 모든 시편은 XRD 분석 결과 2차 상이 없는 완전한 페로브스카이트 결정구조를 형성함을 확인할 수 있었다. PSN-PZT 압전체에서 PSN의 몰비가 0.7까지 증가하면 전기기계결합계수도 같이 증가하는 특성을 보였다. 그런데 PSN-PZT 압전체들은 기계적품질계수(Q_(m))가 100 이하로 낮게 측정되었다. 이러한 낮은 기계적품질계수 특성은 MnO₂를 소량(0.4 wt%) 첨가함으로서 해결하였다. 이렇게 MnO₂를 0.4 wt% 첨가하여 최적화시킨 Pb(Sb₁/₂Nb_(1/2))0.7(Zr_(0.51)Ti_(0.49))_(0.93)O₃ 압전체의 전기기계결합계수(k_(p))는 약 61%, 기계적품질계수는(Q_(m))는 198로 매우 우수한 특성을 나타내었다. 이상과 같이 최적화된 PSN-PZT 압전체를 이용하여 필름스피커를 제작하였고, 이 필름스피커의 특성을 평가하였다. PSN-PZT 압전체를 0.2 mm 정도로 얇게 제작하기 위해서 닥터블래이드 법을 적용하였다. 이렇게 제작된 얇은 압전체 필름을 0.2 mm 두께의 금속판(황동)에 양면으로 접합하였다(바이몰프 구조). 즉, 얇은 두께의 황동 판이 압전체의 안정성을 향상시키는데, 이러한 구조의 총 두께는 0.6 mm가 된다. 제작된 압전 진동판은 음압을 증가시키기 위해 가로 10 cm ×세로 10 cm ×두께 3 mm의 아크릴판에 접착시켰다. 이렇게 압전 진동판을 좀 더 큰 면적의 플라스틱 등에 부착하는 구조가 본 연구에서 새롭게 제안한 스피커 구조이다. 압전체의 모양과 크기는 스피커의 음압을 최대화하기 위해 다양하게 실험을 하였다. 제작된 압전 스피커의 음압은 스펙트럼 분석기와 연결된 기준 마이크로폰(microphone: B&K 4135)를 사용하여 측정하였다. 측정 시의 스피커와 마이크로폰 사이의 거리는 1 m를 유지하였고, 분석 주파수 범위는 300 Hz~10 kHz였다. 스피커의 구동 전압은 40 V_(rms)부터 10 V_(rms)까지 변화를 주었다. 음압은 전압이 상승함에 따라 100 V_(rms)에서 최대값을 나타내었고 압전체의 크기가 클수록 높게 나타났다. 100 V_(rms) 조건에서 50 mm ×50 mm 크기의 압전 스피커의 음압은 1 kHz에서 약 90 dB를 나타내었고, 300 Hz의 낮은 주파수 대역에서도 MEMS 스피커와 고분자 필름 스피커에 비해 매우 높은 값인 76 dB를 확보할 수 있었다.
A speaker is one of the essential components for many electronic equipments such as mobile phone, portable multimedia player, and so on. And the size reduction of the instruments still remains the most prominent trends in the marketplace, which demands continual efforts for the size reduction of the...
A speaker is one of the essential components for many electronic equipments such as mobile phone, portable multimedia player, and so on. And the size reduction of the instruments still remains the most prominent trends in the marketplace, which demands continual efforts for the size reduction of the speaker. Recently, MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) technology has been used to fabricate a micro-speaker on a silicon wafer. The other efforts have also been performed for making a thin film speaker with a piezoelectric polymer film or with a composite of piezoelectric ceramic and polymer. But the sound pressure levels(SPL) of the speakers are not so good for commercial application. In this study, to overcome the low SPL issue of the film speakers, a noble thick film speaker was presented and fabricated with a piezoelectric ceramic material. The SPL of the speaker was greatly improved by attaching it on a vibration media such as plastic. Ferroelectric materials exhibit sensitive piezoelectric characteristics making them suitable for transducer applications. The most widely used ferroelectric material for transducer is the lead zirconate titanate system known as PZT. The interested material properties for the application of these materials as speaker are the electro-mechanical coupling factor(k_(p)) and the mechanical quality factor(Q_(m)). So, Pb(Sb₁/₂Nb_(1/2))(abbreviated as PSN) was added to the PZT ceramic for improving the k_(p) and a small amount of MnO₂ was doped to increase the Q_(m) value. The modified PZT powder of Pb(Sb₁/₂Nb_(1/2))_(x)(Zr_(0.51)Ti_(0.49))₁-(x)_O₃ with 0.4 wt% of MnO₂ dopant was synthesized by the conventional process of manufacturing ceramic powders. Raw materials of PbO, Sb2O₃, Nb2O5, ZrO₂, TiO₂ and MnO₂ were weighed and mixed with zirconia balls in ethyl-alcohol for 24 hours. The mixed powder was dried and sieved with 80-mesh sieve. And then, the powders were calcined at 850℃ for 2 hours. The calcined powders were again milled with zirconia balls and sintered at 1250℃/2h/air with the heating rate of 3℃/min. The microstructure of the composite films was analyzed by using X-ray diffraction method and scanning electron microscopy. The piezoelectric properties were measured with HP4194 Impedance/Gain Phase Analyzer. The crystal phases of all the sintered specimens were perovskite structure without a secondary phase. The electro-mechanical coupling factor was improved with increasing the PSN amount up to 0.7 wt%. And the mechanical quality factor could be increased by doping the MnO₂ of 0.4 wt%. From these results, the optimized composition of the modified PZT ceramic was Pb(Sb₁/₂Nb_(1/2))0.7(Zr_(0.51)Ti_(0.49))_(0.93)O₃ with 0.4 wt% of MnO₂ dopant. At the optimized composition, the k_(p) and Q_(m) was about 0.61 and 300, respectively. The performance of the film speaker fabricated by the modified PZT thick film was also reported in this paper for the first time. For fabricate the speaker, the modified PZT ceramic films having the thickness of 0.2 mm were made by using a doctor blade method. And the thick PZT films were glued to the brass foil(thickness: 0.2 mm) in both side, which is called bimorph structure. That is, the brass sheet was sandwiched between the two piezoelectric plates to increase the reliability of the vibration part, which had the total thickness of 0.6 mm. And then, the vibration part was fixed to a acrylic plate of 10 cm(width) ×10 cm(length) ×3 mm(thickness). The shape and size of the piezoelectric plates were varied to maximize the SPL of the speaker. The SPL of the fabricated piezoelectric speaker was tested by using a reference microphone(B&K 4135), which was connected to a spectrum analyzer. The SPL was measured at 1 m away from the speaker and the analyzed frequency range was 300 Hz ~ 10 kHz. The input voltage for driving the speaker was varied from 40 V_(rms) to 100 V_(rms). The SPL was increased with raising the driving voltage up to 100 V_(rms) and the value was also improved by enlarging the size of the piezoelectric plate. At the test condition of 100 V_(rms) driving voltage and the piezoelectric plate of 50 mm(width) ×50 mm(length), the SPL of the fabricated piezoelectric speaker was about 91 dB at 1 kHz and was about 76 dB even at the low frequency of 300 Hz, which was very high values in comparison with the competitive technologies such as MEMS speaker and polymer film speaker.
A speaker is one of the essential components for many electronic equipments such as mobile phone, portable multimedia player, and so on. And the size reduction of the instruments still remains the most prominent trends in the marketplace, which demands continual efforts for the size reduction of the speaker. Recently, MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) technology has been used to fabricate a micro-speaker on a silicon wafer. The other efforts have also been performed for making a thin film speaker with a piezoelectric polymer film or with a composite of piezoelectric ceramic and polymer. But the sound pressure levels(SPL) of the speakers are not so good for commercial application. In this study, to overcome the low SPL issue of the film speakers, a noble thick film speaker was presented and fabricated with a piezoelectric ceramic material. The SPL of the speaker was greatly improved by attaching it on a vibration media such as plastic. Ferroelectric materials exhibit sensitive piezoelectric characteristics making them suitable for transducer applications. The most widely used ferroelectric material for transducer is the lead zirconate titanate system known as PZT. The interested material properties for the application of these materials as speaker are the electro-mechanical coupling factor(k_(p)) and the mechanical quality factor(Q_(m)). So, Pb(Sb₁/₂Nb_(1/2))(abbreviated as PSN) was added to the PZT ceramic for improving the k_(p) and a small amount of MnO₂ was doped to increase the Q_(m) value. The modified PZT powder of Pb(Sb₁/₂Nb_(1/2))_(x)(Zr_(0.51)Ti_(0.49))₁-(x)_O₃ with 0.4 wt% of MnO₂ dopant was synthesized by the conventional process of manufacturing ceramic powders. Raw materials of PbO, Sb2O₃, Nb2O5, ZrO₂, TiO₂ and MnO₂ were weighed and mixed with zirconia balls in ethyl-alcohol for 24 hours. The mixed powder was dried and sieved with 80-mesh sieve. And then, the powders were calcined at 850℃ for 2 hours. The calcined powders were again milled with zirconia balls and sintered at 1250℃/2h/air with the heating rate of 3℃/min. The microstructure of the composite films was analyzed by using X-ray diffraction method and scanning electron microscopy. The piezoelectric properties were measured with HP4194 Impedance/Gain Phase Analyzer. The crystal phases of all the sintered specimens were perovskite structure without a secondary phase. The electro-mechanical coupling factor was improved with increasing the PSN amount up to 0.7 wt%. And the mechanical quality factor could be increased by doping the MnO₂ of 0.4 wt%. From these results, the optimized composition of the modified PZT ceramic was Pb(Sb₁/₂Nb_(1/2))0.7(Zr_(0.51)Ti_(0.49))_(0.93)O₃ with 0.4 wt% of MnO₂ dopant. At the optimized composition, the k_(p) and Q_(m) was about 0.61 and 300, respectively. The performance of the film speaker fabricated by the modified PZT thick film was also reported in this paper for the first time. For fabricate the speaker, the modified PZT ceramic films having the thickness of 0.2 mm were made by using a doctor blade method. And the thick PZT films were glued to the brass foil(thickness: 0.2 mm) in both side, which is called bimorph structure. That is, the brass sheet was sandwiched between the two piezoelectric plates to increase the reliability of the vibration part, which had the total thickness of 0.6 mm. And then, the vibration part was fixed to a acrylic plate of 10 cm(width) ×10 cm(length) ×3 mm(thickness). The shape and size of the piezoelectric plates were varied to maximize the SPL of the speaker. The SPL of the fabricated piezoelectric speaker was tested by using a reference microphone(B&K 4135), which was connected to a spectrum analyzer. The SPL was measured at 1 m away from the speaker and the analyzed frequency range was 300 Hz ~ 10 kHz. The input voltage for driving the speaker was varied from 40 V_(rms) to 100 V_(rms). The SPL was increased with raising the driving voltage up to 100 V_(rms) and the value was also improved by enlarging the size of the piezoelectric plate. At the test condition of 100 V_(rms) driving voltage and the piezoelectric plate of 50 mm(width) ×50 mm(length), the SPL of the fabricated piezoelectric speaker was about 91 dB at 1 kHz and was about 76 dB even at the low frequency of 300 Hz, which was very high values in comparison with the competitive technologies such as MEMS speaker and polymer film speaker.
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