KR100478228B1 - 분극 방향이 서로 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터 - Google Patents

분극 방향이 서로 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터 Download PDF

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Abstract

항전기장(Coercive Field : Ec) 차이를 이용하여 분극 방향이 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터를 제공한다. 액츄에이터에 전기장을 가하면 한 층이 수축함에 따라 다른 층은 팽창하여 전체적으로 커다란 변위를 발생시킨다. 시편 전체를 한쪽 방향으로 완전히 분극시킨 후, 반대 방향으로 한 층의 Ec 보다는 크고 다른 층의 Ec보다는 작은 전장을 가하여 두 층의 분극 방향을 반대기 되게 한다. 이러한 분극 방향이 다른 두층을 가진 액츄에이터는 제조 공정이 매우 쉬우면서도 큰 변위를 얻을 수 있는 장점이 있다.

Description

분극 방향이 서로 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터{PIEZOELECTRIC-PIEZOELECTRIC CERAMIC ACTUATOR WITH DIFFERENT POLING DIRECTIONS}
본 발명은 분극 방향이 서로 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터에 관한 것이다.
액츄에이터에 사용되는 재료는 커다란 구동력과 큰 변위를 가진 것이어야 한다. 현재 액츄에이터로 사용되고 있는 재료에는 PZT(Pb(Zr,Ti)O 3 ) 또는 Pb를 포함한 Relaxor 계열, PLZT(Pb 1-x La x (Zr,Ti))O 3 등이 있다. 그러나 이들 재료는 디스크 형태의 시편에서 변위가 1%도 안 되기 때문에 실제 응용에는 문제가 있다.
이를 해결하기 위해서 다양한 형태의 변형된 캔틸레버(cantilever) 형태의 액츄에이터들이 개발되었다. d 31 의 변위를 이용한 캔틸레버 형태의 유니모르프(Unimorph)나 바이모르프(Bimorph) 액츄에이터는 상당히 커다란 변위를 보이고 있지만 제조 과정이 어렵고 복잡하며, 매우 약한 구동력을 가지고 있는 단점이 있다.
최근에 개발된 무니(Moonie)나 레인보우(Rainbow) 액츄에이터는 커다란 변위와 함께 큰 구동력을 보이고 있지만, 무니 액츄에이터의 경우 캡과 압전체 경계면에서 접착 문제가 발생하며, 레인보우 액츄에이터의 경우 탄소를 사용하는 환원 과정에서 공정과 분위기에 상당한 영향을 받기 때문에 제조 및 응용에 문제점을 가지고 있다.
기존의 분극 방향이 다른 액츄에이터로 바이모르프 액츄에이터가 있지만, 이 경우에 두 압전판의 분극 방향을 반대로 만들기 위해 두 개의 압전판을 소결하고 매우 얇게 가공하고 폴리싱 한 후 각각을 금속판의 양면에 에폭시로 붙인 다음 전기장을 가하여 각각의 압전판을 반대 방향으로 분극 시키는 매우 복잡한 과정을 거쳐 액츄에이터를 만든다. 또한 액츄에이터를 반복적으로 사용하게 되면 두 압전판과 금속판과의 접착력이 약화되는 단점이 있다.
또한, 최근에 개발된 세라믹-세라믹 액츄에이터가 있는데 이 경우에는 압전-비압전 (Piezoelectric-NonPiezoelectric)의 결합으로 압전 재료로 PZT 계열을 사용하고 다른 쪽은 단순히 Bending을 발생시키기 위한 지지대로 PZT와 잘 결합하는 다른 세라믹을 붙인 것으로 공정은 간단하지만 압전 세라믹이 전장에서 수축할 때 비압전 세라믹은 수축하지 않기 때문에 액츄에이터의 구부러짐(bending) 발생시 변위가 작은 단점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 변위가 크고, 구동력이 저하되지 않는 압전-압전 세라믹 액츄에이터를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 시편을 분리하지 않고도 각 층의 분극 방향이 서로 다른 액츄에이터를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 제조공정이 단순하여 경제적이고, 두 층의 접착력이 커서 내구성이 뛰어난 액츄에이터를 제공하는데 있다.
기타 본 발명의 목적 및 특징은 후술하는 상세한 설명 및 특허청구범위에서 더욱 명확히 개시될 것이다.
본 발명은 기존의 압전-비압전 세라믹 결합이나 바이모르프 액추에이터들과는 달리, 압전-압전(Piezoelectric-Piezoelectric) 세라믹을 결합한 두 개의 압전층이 일체로 된 액츄에이터로서, 분극 방향이 반대로 바뀌는 전장인 항전기장(coercive field : Ec) 차이를 이용하여 분극 방향이 다른 두 층을 가진 액츄에이터를 제공한다. 본 발명에 의한 액츄에이터는 한 층이 수축할 때 다른 층은 팽창하여 변위가 매우 크고 제조 공정이 매우 단순하다는 장점이 있다.
구체적으로 본 발명은 항전기장이 E c1 인 제1세라믹 압전층;및 상기 제1세라믹 압전층과 접해있고, 항전기장이 상기 E c1 과는 다른 값의 E c2 인 제2세라믹 압전층으로 구성되며, 상기 항전기장 E c1 및 E c2 은 전기장이 인가되었을 때 상기 제1세라믹 압전층의 분극 방향과 상기 제2세라믹 압전층의 분극 방향이 서로 반대가 되도록 결정되고, 전기장의 인가에 의하여 어느 하나의 압전층은 수축하고 이와 동시에 다른 압전층은 팽창하는 것을 특징으로 하는 분극 방향이 서로 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터를 제공한다.
상기 액츄에이터는 캔틸레버 형태일 수도 있고, 원반형도 가능하며, 사용분야에 따라 다양한 형태로 변화될 수 있다. 또한, 액츄에이터의 두께가 작고 길이가 클 수록 변위가 증가하지만, 액츄에이터의 강도 및 내구성을 고려하여 두께가 0.1mm ~ 5mm의 범위인 것이 바람직하다. 이때, 제1세라믹 압전층과 제2세라믹 압전 층의 두께는 서로 다를 수도 있지만, 변위에 따른 스트레인을 고려하여 각 층의 두께는 동일하게 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 항전기장이 E c1 인 제1세라믹 압전 분말을 몰드에 넣고 일정한 두께가 되도록 일축 가압하여 제1압전층을 형성하고; 항전기장이 상기 E c1 과는 다른 값의 E c2 인 제2세라믹 압전 분말을 몰드 내 상기 제1압전층 상면에 넣고 일정한 두께가 되도록 분포시켜 제2압전층을 배치시키고, 몰드내에서 두 압전층을 일축 가압하여 두 압전층을 일체로 형성하고; 일체로 된 두 압전층을 동시에 소결하는 것으로 구성되며, 상기 항전기장 E c1 및 E c2 은 전기장이 인가되었을 때 상기 제1압전층의 분극 방향과 상기 제2압전층의 분극 방향이 서로 반대가 되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 압전-압전 세라믹 액츄에이터 제조방법을 제공한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로설명한다.
도 1은 본 발명일 실시예에 의한 액츄에이터를 모식적으로 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 두 개의 압전층을 Ec가 서로 다른 두 재료를 사용하여 일체로 형성하였다. 전기장이 도시된 바와 같이 상부층에서 하부층 방향으로 가해질 때 각각 다른 방향으로 분극(poling)된 두 층은 서로 반대방향으로 작동한다(각 층의 화살표가 분극방향을 나타낸다.). 전기장과 같은 방향으로 분극된 하부층은 길이 방향으로 수축하고 전기장과 반대방향으로 분극된 상부층은 길이방향으로 팽창함으로써 액츄에이터는 전체적으로 볼 때 윗쪽으로 오목하게 구부러지는 변위를 보이게 된다.
이와 같이 액츄에이터의 제1압전층 및 제2압전층의 분극 방향을 서로 다르게 하기 위해서는 먼저 액츄에이터에 전기장을 가하여 두 압전층을 동일한 방향으로 완전히 분극시킨 후, 하나의 층의 Ec 보다는 크고 다른 층의 Ec 보다는 작은 범위의 전기장을 가하여 Ec가 작은 층의 분극을 변화시킴으로써 두 압전층의 분극 방향이 서로 반대가 되도록 한다.
액츄에이터의 제조
본 발명에서는 Ec가 다른 두 재료를 사용하는데, 본 발명의 일실시예에서는 Ec가 큰 재료로는 2.4 mol%Nb가 첨가된 PZT를 사용하였고 Ec가 작은 재료로는 일본의 태평양 시멘트사에서 제조한 상용 압전분말 Type-D (Taiheiyo-cement, Japan)를 사용하였다. 상기 상용 TYPE-D 압전분말의 조성은 Pb 47.8 at%, Zr 13.1 at%, Ti 18.9 at%, Nb 11.9 at%, Mg 6 at%, 및 Sr 2.3 at% 이며, 이 분말의 특징은 PZT 에 약 30%정도의 Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 가 첨가되어 항전기장이 매우 낮다는 것이다. 2.4mol%의 Nb 첨가된 분말을 제조하기 위해서 일반적으로 사용되고 있는 Mixed Oxide 법을 이용하였다. Type-D 의 d 33 (전계에 대한 변위가 평행한 경우의 압전상수)는 610pC/N이고 d 31 (전계에 대한 변위가 수직인 경우의 압전상수)가 -256pC/N으로 액츄에이터 제조를 위해 매우 좋은 재료이다.
두 분말을 이용하여 두 층을 가진 압전 복합체를 만들기 위해, 먼저 2.4 mol% Nb가 첨가된 PZT분말(이하, Nb-PZT)과 Type-D분말을 1mm 두께의 복합체가 되도록 측량하여 준비하고, 2.4Nb-PZT를 1인치(2.54 cm)몰드에 넣고 압력을 가하여 분말을 평평하게 만든 후, 상용 Type-D 분말을 그 위에 넣어 일축 핸드 프레서로 압력을 가하여 두 층으로 된 시편을 만들었다. 그 다음 두 층으로 이루어진 시편을 동시에 소결하였고 수축률을 고려하여 20mm 지름의 일체로 된 액츄에이터를 제조하 였다. 본 실시예에서와 달리, 다른 압전물질을 사용하거나 압전체에 첨가되는 도핑 원소를 달리하여 Ec가 서로 다른 다양한 압전층들을 제조할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 상기 실시예에서 사용된 압전물질에만 한정되지 않는다.
Ec 측정
Nb 첨가된 PZT와 Type-D의 Ec를 측정하기 위해서 변위 센서로 전압에 따른 스트레인(strain)을 측정하였다. 도2 는 전압에 따른 스트레인 변화로 두 가지 그래프 중에서 폭이 매우 좁은 히스테리시스를 그리는 것이 Type-D이고, 큰 히스테리시스를 그리는 것이 2.4Nb-PZT이다. 두 그래프로부터 각각의 2.4Nb-PZT의 경우는 Ec가 1.1kV/mm, 상용 파우더인 Type-D는 Ec가 0.6kV/mm이라는 것을 측정하였다.
분극 방향의 변화
제조된 시편의 각 층의 전기장에 대한 반응성을 관찰하기 위해 시편 전체를 한 쪽 방향으로 분극시킨 후, 반대 방향으로 전기장을 가하였다. 시편의 분극 방향과 반대 방향으로 전장을 가할 때 각 층에서 반응하는 정도가 다르기 때문에 그래프는 상당히 특이한 반응을 보인다. 분극 방향에 전기장의 방향이 반대로 가했을 때 반응의 양상은 전압의 크기에 따라 다음의 3가지 단계로 나눌 수 있으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 0 ~ 0.6kV까지는 거의 변위 발생하지 않는 것을 볼 수 있다. 0 ~ 0.6 kV 까지는 전압을 가함에 따라 두 층의 분극 방향과 전장의 방향이 반대이기 때문에 두 층은 분극 방향이 바뀌기전까지 모두 팽창하기 때문에 실제 변위는 거의 존재하지 않는다.
전압이 0.6kV 이상이 되면 Type-D 층의 Ec이상이 되면 분극 방향이 순간적으로 반대가 되어 Type-D 층의 분극 방향이 전기장의 방향과 같아지게 되고 이에 따라 Type-D 층은 수축하게 되고, 2.4Nb-PZT 층은 폴링 방향이 여전히 반대가 되어 계속 팽창한다. 따라서, 전체적으로 볼 때 시편은 구부러지는 움직임을 보이므로 변위가 증가하게 된다. 이 경우 두 층의 분극의 방향은 도 1에서 각 층에 표시된 화살표와 같이 서로 반대가 되고, 시편에서 발생하는 변위는 2.4Nb-PZT의 Ec 바로 아래에서 최대가 되는데, 1.1kV에서 20.5㎛로 측정되었다.
1.1kV/mm이상이 되면 2.4Nb-PZT의 Ec이상이 되기 때문에 2.4Nb-PZT의 분극 방향이 전기장의 방향으로 변화된다. 이 경우 전기장의 방향에 두 층의 분극 방향이 그래프의 같은 방향으로 변하여 동일하게 되므로 두 층이 모두 수축하게 되어 변위가 감소하는 결과를 보이고 있다.
이를 종합하면, 인가 전압이 Type-D 층의 Ec에 해당하는 0.6kV 이상이 되면 변위가 급격히 증가하여 2.4Nb-PZT의 Ec 바로 아래인 1.1kV/mm에서 최대 변위인 20.5㎛을 얻을 수 있다. 이러한 변위 그래프로부터 Ec가 다른 두 압전물질을 사용하여 시편을 만들고, 적절한 전기장을 인가하여 각 층의 분극 방향이 반대인 액츄에이터를 제조할 수 있음을 확인하였다.
전기장에 대한 변위 변화
앞의 실시예에서와 동일한 물질을 사용하여 전체 두께가 1mm이고, 직경이 20mm인 디스크형 시편을 제조하였다. 이 시편에 전기장을 가하여 시편 중심에서의 변위의 변화를 측정하여 도 4에 나타내었다. 전압의 증가에 따라를 Type-D 층은 분 극 방향이 전장의 방향과 같아 분극의 크기가 더욱 커지려고 하기 때문에 그 층은 수축하게 되고, 2.4Nb-PZT는 분극 방향과 전장이 역방향이어서 분극 방향이 작아지려하기 때문에 팽창하게 된다. 시편의 각 층은 분극 방향은 반대로 되어 있어 시편의 한쪽 층은 팽창하고 한쪽 층은 수축하여 구부러지는 움직임을 보이면서 시편 중심에서의 변위가 증가하게 된다. 본 실시예의 경우 1.0kV를 가할 때 약 18.5㎛의 변위를 얻을 수 있었다.
이러한 결과를 보이는 변위는 아래의 수학식에 따라서 이론적 계산도 가능하다.
(여기서, Y는 탄성계수, t는 시편 각 층의 두께, E는 인가전압, v는 프아송비, L은 시편의 길이 또는 직경)
위 식에서 본 발명의 실시예에 대한 각 상수 값은 Y 1 =79.5GPa, Y 2 =74.3GPa, t 1 = t 2 = 0.5mm, Type-D의 경우 d 33 = 610pC/N, d 31 = -256pC/N, Nb-PZT의 경우 d 33 = 393pC/N, d 31 = -172pC/N, v = 0.31, L = 20mm 이다.
위의 식으로부터 시편의 변위를 크게 만들기 위해서는 시편 크기가 크고 시편 두께가 얇은 것이 좋으며, 인가된 전압에 비례하는 것을 알 수 있다. 또한 액츄에이터에 사용되는 재료는 d 31 이 큰 것이 좋음을 알 수 있다.
본 실시예에 의한 액츄에이터의 경우는 20mm(지름)×1mm(두께)의 시편에서 1000V를 가하면 18.5㎛의 변위가 발생하였는데, 상기 식에 의하면 변위는 시편 길이(직경)의 제곱에 비례하고 두께에 반비례하기 때문에 이를 25mm(지름)×1mm(두께)의 시편으로 다시 계산한다면 28.9㎛로 계산 가능하다.
다른 세라믹-세라믹 액츄에이터의 경우, 한쪽은 압전층이고 다른 층은 압전성을 가지지 않는 층으로 전압이 가해질 때 압전층은 수축하지만 다른 층은 움직이지 않으므로 시편이 구부러지게 만들어 변위를 증대시킨다. 이 경우에 25mm×1mm시편에 1000V를 가했을 때 16㎛의 변위의 변위가 발생한다고 보고 되어 있다. 이러한 변위값은 상기 계산된 본 발명의 액츄에이터의 변위와 비교해 볼 때 절반 정도 밖에 되지 않음을 알 수 있다.
양 층에서 수축 팽창이 동시에 일어나는 본 발명의 액츄에이터가 한 층만 수축하는 액츄에이터와 비교하여 변위가 거의 2배가 된다는 사실은 앞에서의 실험 결과에 비추어 볼 때도 매우 합당하다.
한편, 기존의 세라믹-세라믹 액츄에이터의 경우에는 한쪽 층을 압전 층으로 만들고 다른 층은 전도성 있는 세라믹(예, ZnO)층을 만들어 시편의 압전층에 걸리는 실제 전장을 2배로 만든 것이다. 이 경우에 25mm×1mm 시편에 600V를 가했을 때 40㎛의 변위가 발생한다고 보고하고 있다. 이 때 실제 압전판에 작용하는 전기장은 2배이므로 시편을 장시간 사용하는데 무리가 있다. 또한, 단순히 한 층에서 2배의 전압을 가하여 변형이 생긴 것이므로 압전- 비압전의 결합에 해당하며 유니모르프처럼 구동력이 약한 단점이 있다. 또한 시편에 사용한 재료의 d 33 가 -250 pC/N인 재 료이므로 본 발명의 실시예에서 사용된 2.4Nb-PZT의 -164pC/N보다는 변위가 크게 나온 것이 당연하다. 따라서, 본 발명에 있어서 실제 변위를 증가시키기 위해서는 좀더 큰 d 31 을 가진 재료를 사용하는 것이 바람직할 것이다. 따라서, 본 발명과 같이 압전-압전 형태의 액츄에이터가 장시간 사용과 구동력면에서도 현저히 월등한 성능을 가진다.
변위의 시뮬레이션 결과
두 분극 방향이 다른 두 층을 가진 액츄에이터의 변위를 계산하기 위해서 유한 요소법(FEM-Simulation)을 이용하여 이론 변위를 측정하였다. 2.4Nb-PZT의 데이터는 PZT-5A(Morgan Matroc)의 데이터를 이용하였고 Type-D는 PZT-5H의 데이터를 이용하였다. 이는 각각의 재료 사이에 성분 원소가 거의 동일하고 물성이 거의 같기 때문에 일반적으로 많이 사용되고 있다. 그 결과 도 5와 같은 시뮬레이션 결과를 얻었다. 각 층의 분극 방향이 다를 때 시편에 변위가 발생하고 특히, 중앙에서 변위가 최대가 된다는 것을 보여주고 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면 Ec가 서로 다른 압전분말을 한번에 가압(Co-pressing)하여 일체로 형성하고 Ec 차이를 이용하여 분극 방향을 다르게 함으로써 큰 변위를 보이는 액츄에이터를 매우 간단한 공정으로 제조할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서와 같이 시편의 각 층을 분리시키지 않고도 분극 방향을 반대로 만들 수 있는 방법은 다층 액츄에이터(multi-layer atuator)나 다층 커패시터(multi-layer capacity)에도 응용되어 이들을 매우 용이하고 경제적으로 제 조할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 분극 방향이 반대인 액츄에이터의 개략적인 그림이다.
도 2는 Nb를 첨가한 PZT와 Type-D의 변위-전압 그래프이다.
도 3은 본 발명에 의한 액츄에이터를 한 방향으로 분극시킨 후, 다른 방향으로 전기장을 가할 때의 변위 곡선이다.
도 4는 본 발명에 의한 액츄에이터에 전기장을 가했을 때의 변위 곡선이다.
도 5는 본 발명에 의한 액츄에이터의 변형을 보여주는 시뮬레이션 모형도이다.

Claims (8)

  1. 항전기장(coercive field)이 E c1 인 제1세라믹 압전층;및
    상기 제1세라믹 압전층과 접해있고, 항전기장이 상기 E c1 과는 다른 값의 E c2 인 제2세라믹 압전층으로 구성되는 액츄에이터로서,
    상기 제1세라믹 압전층의 분극 방향과 상기 제2세라믹 압전층의 분극 방향이 서로 반대가 되도록 상기 제1세라믹 압전층의 항전기장 E c1 및 제2세라믹 압전층의 항전기장 E c2 이 결정되고, 전기장의 인가에 의하여 어느 하나의 압전층은 수축하고 이와 동시에 다른 압전층은 팽창하는 것을 특징으로 하는
    분극 방향이 서로 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터는 캔틸레버 형태인 것을 특징으로 하는 분극 방향이 서로 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 액츄에이터의 두께는 0.1mm ~ 5mm의 범위인 것을 특징으로 하는 분극 방향이 서로 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터.
  4. 제1항에 있어서, 제1세라믹 압전층과 제2세라믹 압전층의 두께는 동일한 것을 특징으로 하는 분극 방향이 서로 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 E c1 및 E c2 중 큰 값에 해당하는 전기장이 인가될 때 상기 액츄에이터의 변위가 최대인 것을 특징으로 하는 분극 방향이 서로 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터.
  6. 항전기장이 E c1 인 제1세라믹 압전 분말을 몰드에 넣고 일정한 두께가 되도록 일축 가압하여 제1압전층을 형성하고;
    항전기장이 상기 E c1 과는 다른 값의 E c2 인 제2세라믹 압전 분말을 몰드 내 상기 제1압전층 상면에 넣고 일정한 두께가 되도록 분포시켜 제2압전층을 배치시키고, 몰드내에서 두 압전층을 일축 가압하여 두 압전층을 일체로 형성하고;
    일체로 된 두 압전층을 동시에 소결하는 것으로 구성되며,
    상기 항전기장 E c1 및 E c2 은 상기 제1압전층의 분극 방향과 상기 제2압전층의 분극 방향이 서로 반대가 되도록 결정되며, 전기장의 인가에 의하여 어느 하나의 압전층은 수축하고 이와 동시에 다른 압전층은 팽창하는 것을 특징으로 하는
    분극 방향이 서로 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 액츄에이터에 전기장을 가하여 상기 두 압전층을 동일한 방향으로 완전히 분극시키고, 하나의 층의 Ec 보다는 크고 다른 층의 Ec 보다는 작은 범위의 전기장을 가하여 Ec가 작은 층의 분극을 변화시킴으로써 두 압전층의 분극 방향이 서로 반대가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 분극 방향이 서로 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 액츄에이터의 두께는 0.1mm ~ 5mm의 범위인 것을 특징으로 하는 분극 방향이 서로 반대인 압전-압전 세라믹 액츄에이터 제조방법.
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