To realize a practical graphene thermoacoustic loudspeaker with high efficiency, it is important to minimize heat transfer to the substrate supporting the graphene membrane. We present a graphene thermoacoustic loudspeaker with an extremely thin, mesh-type substrate that maximizes the free-standing area of the graphene membrane exposed to the air, while mini-mizing the heat loss through the substrate. The mesh substrate is fabricated using a fast, cost-effective screen-printing technique. An experiment with substrates of 51% and 77% opening areas show that more than a 15 dB increase in sound pressure level compared to the substrate without any free-standing area. Furthermore, conventional model for the frequency response of a thermoacoustic loudspeaker is modified to be able to reflect the thin (a few hundred nm) and patterned substrate. Through a comparison with the experimental results, it is demonstrated that its sound pressure level can be accurately predicted. In addition, we introduce a ther-moacoustic loudspeaker built on the basis of a 3-dimensional reduced graphene oxide sponge (rGOS). The manufacturing of the rGOS of our speaker requires only a 2-step, non-toxic fabrication process, which includes freeze-drying and thermal reduction. The thermoacoustic loudspeaker shows outstanding performance of sound pressure level (SPL). We carry out experiments to study the SPL of a variety of 3-dimensional thermoacoustic loudspeakers with different structural properties such as area and density and we observe how constructive interference on a substrate causes an increase in the SPL. The investigation on SPLs of thermo-acoustic loudspeakers with different structural properties shows that a rGOS with the lower density and larger area shows a higher level of SPL.
그래핀은 탁월한 열적 성질을 가지고 있기 때문에 최근 열음향 스피커의 열원으로의 활용에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 하지만, 그래핀을 이용한 열음향 스피커의 경우, 매우 얇은 두께로 인한 매우 약한 기계적 강도 때문에 그래핀을 지지할 수 있는 기판이 필요하다는 단점을 가지고 있다. 열음향 스피커의 열원이 기판 위에 올려져 있을 경우, 열원에서 발생하는 열이 주변의 유체에 온전히 전달되지 못하고, 기판으로 손실되는 열이 생기기 때문에 음압이 감소하게 된다.
따라서 본 연구에서는 스크린프린팅을 이용한 매우 얇은 Polyimide 격자 구조 기판을 제안하여 그래핀의 free-standing 면적을 71%까지 넓히는데 성공하였고, 기판에 의한 열 손실을 최소화함으로써 전체적인 음압 레벨을 약 10 dB 상승시켰다. 또한, 본 연구와 같이 기판의 thermal penetration depth 보다 훨씬 얇은 기판을 사용하였을 때의 음압 크기를 예측하는 이론식을 기존 모델을 수정하여 제시하였고, 격자구조 형태의 기판을 가질 때 개구율에 따른 음압 크기를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 또한, 음압 측정 실험을 통해 열음향 스피커의 성능을 분석함으로써 격자 구조의 개구율이 높아짐에 따라서 더 큰 음압 레벨을 발생시킬 수 있는 것을 확인하였다.
위의 연구에서 넓은 free-standing 면적을 구현함으로써 기판의 영향이 줄어들었지만, 기판으로의 열손실은 여전히 열음향 스피커의 효율을 낮추는 결정적인 요인으로써 작용한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 3D 그래핀 열음향 스피커를 제시하였다. 제시된 3D 그래핀 스피커는 freeze-drying 및 thermal reduction 의 간단한 두 가지 방법으로 제작되었고, 제작된 3D 그래핀 스피커는 기존에 연구된 2D 및 3D 그래핀 스피커와 비교했을 때 탁월한 음압 레벨을 가지는 것으로 확인되었다. 제시된 간단한 공정 방법은 다양한 밀도와 면적의 3D 그래핀 스피커를 제작할 수 있게 해 주었다. 이러한 장점을 바탕으로 3D 그래핀 스피커의 밀도와 면적에 관련된 특성들이 처음으로 실험적으로 분석되었고, 낮은 밀도와 넓은 면적의 샘플이 더 높은 효율을 가지는 것으로 확인되었다. 추가로, 기판으로부터 반사된 음파와의 보강간섭으로 인한 영향으로 3D 열음향 스피커의 경우 기판 위에 있을 때 약 6 dB의 음압 향상 효과가 있는 것으로 확인되었는데, 이는 2D 열음향 스피커에서는 기대할 수 없었던 현상이다. 마지막으로, 추가적인 저항 감소와 thermal budget 확보를 위해 3D 그래핀 16개를 연결하여 배열 형태의 스피커를 제작하였다. 이러한 3D 그래핀 열음향 스피커는 유연한 필름 형태의 스피커로써 다양한 곡면에 자유롭게 부착될 수 있는 스피커로써 뿐만 아니라 향후 초음파 transducer 및 SONAR projector의 음원으로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
