KR100700349B1

KR100700349B1 - 횡방향 진동모드를 이용한 다층형 1-3 압전 복합체 초음파발진자

Info

Publication number: KR100700349B1
Application number: KR1020050086425A
Authority: KR
Inventors: 김현이; 이경우; 윤창번
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단; 경원훼라이트공업 주식회사
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2007-03-29
Also published as: KR20070031700A

Abstract

본 발명은 압전 다층 블록 및 이 압전 다층 블록을 폴리머 매트릭스 내에 규칙적으로 배열하여 형성되는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체를 제공한다. 본 발명의 압전 다층 블록은 특히 저온 동시소결 및 동시압출법에 의하여 제조되고, 압전물질을 포함하는 복수의 압전층들 및 그들 사이에 개재된 압전층들의 수보다 하나가 적은 내부전극층(들)로 구성된 다층 블록, 그리고 상기 다층 블록의 측면에서 상기 내부전극층들과 접촉되어 상기 내부전극층들을 통하여 또는 상기 다층 블록의 상면 또는 하면에 적층 또는 코팅된 그 자체에 의하여 상기 각 압전층들에 전압을 형성하는 한 쌍의 외부전극층들을 포함하는 독특한 배열 및 구조를 가진다. 이러한 배열 및 구조에 의하여 본 발명의 압전 다층 블록은 압전층의 길이방향으로 실제로 발생하는 횡방향 진동모드가 가상의 종방향 진동모드를 증폭시킴으로써 낮은 전압에서 높은 변위를 발생시킬 뿐만 아니라 저주파에서 높은 발진력을 가진다. 따라서, 본 발명의 압전 다층 블록 및 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체는 초음파 발진자로 적합하게 이용될 수 있다.

압전 다층 블록, 압전 복합체, 압전체, 횡방향 진동모드, 초음파 발진자, 내부전극, 세라믹 폴리머 복합체

Description

횡방향 진동모드를 이용한 다층형 1-3 압전 복합체 초음파 발진자{Multilayer Type 1-3 Piezo-Composite Ultrasonic Transducer Using Transverse Mode}

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압전 다층 블록을 나타낸 것으로서, (a)는 횡방향 진동모드를 이용하여 가상의 d₃₃ 모드를 만들기 위한 압전 다층 블록에서의 압전층, 내부전극층 및 외부전극층의 배치 모형이고, (b)는 (a)의 배치로 실제 제조된 압전 다층 블록의 사진이며, (c)는 압전 다층 블록의 다른 배치 모형들이다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체를 나타낸 것으로서, (a)는 본 발명의 압전 복합체의 개념도이고, (b)는 실제 제조된 압전 복합체의 사진이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 압전 다층 블록 및 압전 복합체의 전압에 따른 변위 그래프로서, (a)는 본 발명의 압전 다층 블록의 변위 그래프이고, (b)는 전도성 판이 형성되어 있는 본 발명의 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체의 변위 그래프이며, (c)는 전도성 판이 형성되지 않은 본 발명의 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체의 변위 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따른 압전 다층 블록의 주파수에 따른 압전 특성을 나타낸 그래프로서, (a)는 임피던스 특성 그래프이고, (b)는 변위 그래프이다.

도 5는 본 발명의 압전 복합체의 주파수에 따른 압전 특성을 나타낸 그래프로서, (a)는 임피던스 특성 그래프이고, (b)는 변위 그래프이다.

도 6은 본 발명의 압전 복합체에 200 Hz, 100 V의 전압을 가하였을 때의 x,y,z 방향에서의 변위 그래프이다.

본 발명은 압전 다층 블록 및 이 블록들이 고분자 수지 매트릭스 내에 배열된 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복수의 압전층과 내부전극층 그리고 외부전극층을 특별한 배열 및 구조로 배치하여 압전 다층 블록을 형성함으로써 실제로는 횡방향 진동모드를 이용하지만 이것을 전원이 공급되는 외부전극에 대한 가상의(겉보기의) 종방향 진동모드로 전환되게 하여 저전압에서 매우 큰 변위를 얻을 수 있고 저주파의 큰 발진력을 가진 초음파 발진자로 적합하게 이용할 수 있는 압전 다층 블록 및 이것들을 포함하는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체에 관한 것이다.

현재의 초음파 송수신자는 세라믹과 폴리머 복합체를 사용한다. PZT를 이용한 압전체의 경우 우수한 각각의 진동모드 (d₃₃ ~ 510 pC/N, d₃₁ ~ -230 pC/N)에서 우수한 압전 특성을 보이지만 정수압 압전 특성(d_h)는 작은 단점이 있다. 일반적으로 PZT의 정수압 압전 특성 (d_h = d₃₃ + 2 d₃₁ )은 거의 50 pC/N 밖에 안되기 때문에 두께 방향의 진동 모드인 d₃₃는 일정하게 유지하면서 횡방향 진동 모드인 d₃₁을 줄여 커다란 d_h를 가지는 초음파 발진자를 사용하고 있다. 또한 순수한 PZT 세라믹은 자체 밀도가 매우 높아서 수중 임피던스가 물과 매우 다르기 때문에 송수신에 문제가 생긴다. 즉, 물처럼 밀도가 낮은 매질에서 세라믹처럼 밀도가 높은 매질로 음파가 도달하면 밀한 매질에서는 파를 흡수하지 못하고 반사하는 양상을 보이게 되어 수신율이 떨어지게 된다. 결국 압전체의 밀도를 줄여서 음파의 흡수를 돕고 방향성을 가지고 음파를 송수신하기 위해 나온 것이 세라믹-폴리머 압전 복합체이다. 이러한 복합체는 그 형태에 따라 1-3, 2-2, 0-3, 3-3 등 10가지 형태가 존재하며 앞의 숫자가 세라믹의 형태이며 뒤의 숫자가 에폭시의 형태이다. 예를 들어 1-3의 경우 1인 선형 압전 파이버를 3인 폴리머 매트릭스에 심은 형태이며, 2-2의 경우 판형 압전 판을 폴리머 판형에 넣은 경우이다. 이러한 세라믹-폴리머 복합체의 경우 가장 대표적인 것이 1-3 모드를 이용한 압전 세라믹-폴리머 복합체이다. 이 경우 압전체를 한방향으로 배열하여 d₃₃는 일정하게 유지하면서 각각의 파이버들이 떨어지게 만들어 d₃₁ 모드는 억제하여 d_h를 크게 만든 형태이다. 또한 폴리머의 밀도가 낮기 때 문에 전체 임피던스를 급격히 낮추어 물과 압전체 사이의 임피던스 매칭을 이루어 송수신의 효율을 극대화 시켰다.

하지만 내부 전극이 들어가지 않은 기존의 단순 압전 폴리머 복합체의 경우 압전체의 변위가 종방향 압전 상수 (d₃₃) 값 이하로 제한되기 때문에 커다란 변위를 얻기 어려우며 압전체의 구동 전압 (>1000 V)이 높은 단점이 있다. 또한 커다란 변위를 얻기 위해 공진 주파수에서 증폭하여 사용하기 때문에 작동 주파수가 공진 주파수로 제한되어 다양한 주파수를 가진 초음파를 발생할 수 없다.

이에, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출되었다. 따라서, 본 발명의 목적은 압전체의 변위가 종방향 압전상수(d₃₃)에 의하여 제한되는 문제점을 극복하기 위하여, 횡방향 진동모드를 이용하면서도 이것을 전원이 공급되는 외부전극에 대한 가상의(겉보기의) 종방향 진동모드로 전환되게 하는 특별한 배열 및 구조를 가지는 압전 다층 블록 그리고 이 압전 다층 블록들이 폴리머 수지 매트릭스 내에 배열된 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체를 제공하는 것이다. 이러한 압전 복합체는 낮은 전압에서 매우 큰 변위를 발생시킬 뿐만 아니라 낮은 주파수에서 초음파 발진이 가능하여 광범위한 영역에 걸친 초음파 발진이 가능하여 초음파 발진자에 유용하게 사용될 수 있다.

또한 본 발명의 목적은 압전 다층 블록을 판의 형상이 아니라 막대(rod) 형 상으로 구성함으로써 폴리머 수지 매트릭스에 효율적으로 배열될 수 있어 대량 생산에 적합한 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적들 및 이점들은 아래에서 서술된 발명의 상세한 설명에 의하여 보다 분명하게 이해될 것이다.

본 발명은 압전 다층 블록을 제공한다. 본 발명에 따른 압전 다층 블록은 압전물질을 포함하는 복수의 압전층들 및 그들 사이에 개재된 압전층들의 수보다 하나가 적은 내부전극층(들)로 구성된 다층 블록, 그리고 상기 다층 블록의 측면에서 상기 내부전극층들과 접촉되어 상기 내부전극층들을 통하여 또는 상기 다층 블록의 상면 또는 하면에 적층 또는 코팅된 그 자체에 의하여 상기 각 압전층들에 전압을 형성하는 한 쌍의 외부전극층들을 포함한다. 상기에서, 상기 다층 블록에 형성된 상기 내부전극층들은 상기 다층 블록의 왼쪽 측면에서 노출되어 상기 한 외부전극층과는 접촉되지만 상기 다층 블록의 오른쪽 측면에서는 노출되지 않아서 상기 다른 외부전극층과는 접촉되지 않게 형성된 제1 내부전극층과 이와 반대로 상기 다층 블록의 오른쪽 측면에서 노출되어 상기 오른쪽 측면에 형성된 외부전극층과 접촉되지만 상기 다층 블록의 왼쪽 측면에서는 노출되지 않아서 상기 왼쪽 측면에 형성된 외부전극층과는 접촉되지 않게 형성된 제2 내부전극층이 교대로 형성된 것들이고, 상기 외부전극층들은 상기 다층 블록의 한 측면 상에서 상기 내부전극층들과 접촉되도록 형성되어 상기 이웃한 내부전극층들(제1 및 제2 내부전극층들) 간에 전압이 형성되도록 하는 것이고 또한 상기 다층 블록의 측면으로부터 연장되어 상면 또는 하면에 형성된 그것들의 연장층과 상기 내부전극층 간에 전압이 형성되도록 하는 것이다.

또한 본 발명은 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체를 제공한다. 본 발명에 따른 압전 복합체는 소정 간격을 두고 배열된 복수의 상기한 압전 다층 블록들(상기 내부전극의 길이방향으로 세워서 배열됨) 그리고 상기 압전 다층 블록들의 사이 및 외부를 둘러싸도록 채워진 폴리머 수지 매트릭스(상기 압전 다층 블록들의 측면 상의 외부전극들이 노출되도록 채워지거나 상기 외부전극들로부터의 연장선이 노출되도록 채워짐)를 포함한다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 압전 다층 블록을 나타낸 것으로서, (a)는 횡방향 진동모드를 이용하여 가상의 d₃₃ 모드를 만들기 위한 압전 다층 블록에서의 압전층, 내부전극층 및 외부전극층의 배치 모형이고, (b)는 (a)의 배치로 실제 제조된 압전 다층 블록의 사진이며, (c)는 압전 다층 블록의 다른 배치 모형들이다. 아래에서 압전층들과 내부전극층들이 다층으로 형성된 블록을 편의상 다층 블록이라 부르고 이에 더하여 외부전극층들까지 포함하는 블록을 편의상 압전 다층 블록이라 부르기로 한다.

먼저 도 1A은 본 발명의 한 실시예에 따른 압전 다층 블록을 도시한다. 이 압전 다층 블록은 압전물질을 포함하는 5개의 압전층들을 포함한다. 이 압전층들 사이에는 압전층들의 개수보다 1이 적은, 즉 4개의 내부전극층들이 개재되어 있다. 이러한 다층 블록은 통상적으로 동시압출법에 의하여 압전판과 내부전극판의 연속적인 적층에 의하여 제조될 수 있기 때문에, 비록 도면에서는 세워진 형상으로 도시되어 있지만, 판들의 적층을 기준으로 그 방향을 정의하여 설명한다. 즉, 도면의 왼쪽 방향을 하면으로 정의하고, 도면의 상면을 왼쪽 측면으로 정의한다. 이러한 내부전극층들은 측면들에서 외부전극층들과 접촉한다.

본 발명에서 내부전극층들은 두 가지로 구분된다. 즉, 다층 블록의 왼쪽 측면(도면의 상면)에서 노출되어 한 외부전극층과는 접촉되지만 다층 블록의 오른쪽 측면에서는 노출되지 않아서 다른 외부전극층과는 접촉되지 않게 형성된 제1 내부전극층과 이와는 반대의 형태로 형성된 제2 내부전극층으로 구분된다. 도 1A에서 보는 바와 같이, 2개의 제1 내부전극층들은 다층 블록의 왼쪽 측면(도면의 상면)에서 노출되어 한 외부전극층과 직접적으로 접촉하지만 다층 블록의 오른쪽 측면(도면의 하면)에서는 노출되지 않고 일정한 거리만큼 떨어져 압전층들에 매몰되어 있어 다른 외부전극층과는 직접적으로 접촉하지 않을 뿐만 아니라 전기적으로 연결되어 있지도 않는다. 2개의 제2 내부전극층들은 대응되지만 제1 내부전극층들과는 반대의 형태로 제1 내부전극층들이 접촉하지 않는 외부전극층에 접촉한다. 이러한 제1 및 제2 내부전극층들이 압전층들 내에 교대로 배치되어 있다. 그리하여 도면에서 보는 바와 같이, 외부에서 외부전극층들로 전원이 공급되면 서로 이웃하는 제1 및 제2 내부전극층들 간에는 전압이 발생하여 전기장이 형성된다.

한편, 본 발명의 압전 다층 블록에서 외부전극층들은 다층 블록의 측면에서 내부전극층들과 직접적으로 접촉할 뿐만 아니라 측면으로부터 연장되어 다층 블록의 상면 또는 하면에 형성된 그것들의 연장층들을 가진다. 이러한 연장층들은 내부전극층들과의 사이에 전압을 형성하도록 배치된다. 도 1A에서는 2개의 제1 내부전극층들 및 2개의 제2 내부전극층들이 형성되어 있고 외부전극층들의 연장층들이 이러한 내부전극층들과 전압을 형성하기 위하여 왼쪽 측면에 형성된 외부전극층은 상면으로 연장되어 상면에 연장층을 가지고, 오른쪽 측면에 형성된 외부전극층은 하면으로 연장되어 하면에 연장층을 가진다. 이와 반대로 연장층이 형성되는 경우에는 내부전극층들과의 사이에서 전압이 형성될 수 없음은 자명하다. 한편 도 1C에서 보는 바와 같이, 1개의 제1 내부전극층과 1개의 제2 내부전극층을 가지는 압전 다층 블록(도 1C의 두 번째)에서는 왼쪽 측면에 형성되는 외부전극층은 연장되어 하면에 형성된 연장층을 가지고 있다. 그리고 제1 내부전극층의 개수가 제2 내부전극층의 개수보다 1 만큼 많은 압전 다층 블록(도 1C의 첫 번째 및 세 번째)에서는 왼쪽 측면에 형성되는 외부전극층은 실질적으로 상면 및 하면으로 연장되지 않으며 오른쪽 측면에 형성되는 외부전극층은 상면 및 하면 모두로 연장되는 연장층을 가진다. (제1 내부전극층의 개수가 제 내부전극층의 개수보다 1 만큼 적은 경우에는 위의 것과 대칭인 형상이 되지만 이것은 배치를 달리하면 위의 것과 일치하게 된다. 따라서, 본 발명에서 왼쪽 및 오른쪽 그리고 제1 내부전극층과 제2 내부전극층은 상대적인 개념이다.)

상기한 바와 같은 본 발명의 압전 다층 블록은 압전층뿐만 아니라 내부전극 층을 가지고 있으므로 바람직하게는 동시소결에 의하여 제조되며, 더욱 바람직하게는 은(Ag)와 같이 녹는 점이 낮은 전도성 금속을 사용하기 위하여 저온 동시소결에 의하여 제조된다. 또한 본 발명의 압전 다층 블록은 동시압출법에 의하여 제조되는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 본 발명에서 사용되는 압전물질로는 PZN과 PZT가 복합된 PZN-PZT 복합체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 내부전극을 동시 압출에 의하여 동시에 형성하기 위해서는 압전물질의 성분과 동일한 물질과 금속의 혼합물로 내부전극을 형성하는 것이 바람직하며, 여기에서 금속으로서 은(Ag)를 사용함으로써 동시 압출 이후에 저온에서 동시소성이 가능하게 된다.

본 발명의 주발명자의 이전 특허출원 제2003-0089272호(출원일: 2003. 12. 10., 공개번호: 2005-0056331, 공개일: 2005. 6. 16.)는 1000℃ 이하, 바람직하게는 900℃ 이하에서 은(Ag)과 함께 저온 동시소성이 가능한 특별한 조성의 PZN-PZT 복합체를 개시하고 있다. 이러한 PZN-PZT 복합체의 특별한 조성은 xPZN-(1-x)PZT 복합체의 조성에 있어서, x가 0.1~0.6의 범위, 바람직하게는 0.3~0.5의 범위이고 PZN-PZT 복합체의 Pb(Zr_y,Ti_1-y)O₃ 조성에 있어서, y는 0.35~0.55의 범위이거나, PZN-PZT 복합체의 xPb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)Pb(Zr_y,Ti_1-y)O₃ 조성에 있어서, x 및 y는 생성되는 PZN-PZT 복합체의 상공존 경계(Morphotropic Phase Boundary; MPB) 영역의 조성이 되도록 선택되는 것이다. 이러한 PZN-PZT의 특별한 조성은 본 발명의 방법에서 은(Ag)과 동시 소성을 수행하기 위하여 바람직하게 요구되는 사항이며, 그 이유는 위 특허공개문헌에 잘 설명되어 있다. 따라서 상기 특허문헌은 본 발명의 명 세서에 합체된다.

본 발명에서 내부전극으로 사용되는 PZN-PZT 복합체와 은(Ag)의 혼합물 중에서 은의 함량은 30~80 중량%가 바람직하다. 은의 함량이 위 범위이면 순수한 은의 전기 전도성과 큰 차이가 없어 내부전극으로서의 역할을 충분히 할 수 있다. 본 발명에서는 내부전극으로 순수한 금속, 특히 은을 사용하지 않고 상기와 같은 혼합물을 사용하는 바, 이는 압전층과 전도층 간의 큰 열팽창 계수 차이로 인하여 압전층의 표면에 높은 잔류응력이 발생하는 것을 이용하여 우수한 변위특성 및 구동력을 얻기 위함이다. 또한 동시 압출에 의하여 압전층과 내부전극의 층간 접착력을 향상시켜 우수한 내구성을 얻을 수 있다.

본 발명의 주발명자의 이전 특허출원 제2003-0093527호(출원일: 2003. 12. 19., 공개번호: 2005-0061910, 공개일: 2005. 6. 23.)은 PZN-PZT 복합체로 된 압전층 그리고 PZN-PZT/Ag 혼합물로 된 전도층을 포함하는 액츄에이터를 개시하고 있다. 이러한 액츄에이터는 종래의 단일(monolithic) 구조체로서 동시 압출과 저온 동시소성에 의하여 제조된다. 이 출원은 저온 동시 소성을 위한 압전물질의 특별한 조성, 높은 잔류응력 발생을 위한 전도층의 복합 구성 및 동시 압출에 의한 층간 접착력의 향상을 제안하고 있다. 따라서 상기 특허문헌은 본 발명의 명세서에 합체된다.

본 발명의 압전 다층 블록은 바람직하게 동시압출법에 의하여 제조되는데, 먼저 압전층을 위한 압전물질과 열가소성 수지의 혼합물 그리고 내부전극층을 위한 압전물질/금속 혼합물과 열가소성 수지의 혼합물을 준비하고, 이 혼합물들을 몰드 를 사용하여 소정 두께의 판을 제조한다. 이러한 판들을 원하는 구조 및 배열로 배치한 초기의 피드로드(feedrod)를 형성한 후 동시압출함으로써 다층 블록을 형성한다. 그런 후, 압출체를 열처리함으로써 압출체에 포함된 열가소성 수지를 태워 없애고 또한 압전물질을 소결시킨다. 이 때, 열처리 공정은 한 단계로 수행할 수도 있겠지만, 통상 650℃ 정도까지 천천히 가열하는 제1공정과 900℃ 정도 또는 1000℃ 이하의 온도까지 천천히 가열하는 제2공정으로 수행하는 것이 바람직하다. 제1공정에서 열가소성 수지가 제거되고, 제2공정에서 PbO 분위기 하에서 압전물질이 소결된다.

이렇게 소결된 다층 블록의 측면 및 상하면에 상기에서 설명한 바와 같이 외부로부터의 전원 공급에 의하여 구조 및 배열에 따라 요구되는 전압 및 전기장의 형성을 위하여 외부전극층을 형성함으로써 본 발명의 압전 다층 블록을 얻는다. 이 때, 외부전극층을 형성하는 방법으로는 적층, 코팅 등의 여러 방법을 사용할 수 있지만 가장 간단하게는 전극물질을 직접 바르는 것이다. 외부전극층의 물질로는 은(Ag)을 사용할 수 있다.

이렇게 제조된 본 발명의 압전 다층 블록의 외부전극층들에 외부 전원을 연결하면, 내부전극층들 간에 그리고 내부전극층들과 외부전극층들 간에 전압이 발생하여 각 압전층들의 두께 방향으로 전기장이 형성된다. 이러한 전기장에 의하여 압전층들의 길이방향으로 횡방향 진동이 발생한다. 본 발명은 이러한 횡방향 진동모드(d₃₁)에 의한 변위를 이용하는 것으로서, 본 발명의 압전 다층 블록에서 횡방향 진동은 각 압전층의 상하면에 대향하여 형성된 전극층들 간의 전압에 의하여 각 압전층의 길이방향으로 발생하는 바, 압전층의 길이를 그 두께에 비하여 월등히 길게 하고 다층으로 형성함으로써 가상의(겉보기의) 종방향 진동모드(d₃₃)를 증폭시킬 수 있게 된다. 여기에서 가상의 종방향 진동모드라고 일컫는 이유는 실제로는 횡방향 진동이지만 그것은 압전층의 길이방향으로 발생하고 또한 본 발명의 압전 다층 블록의 측면에 형성된 외부전극들에 대하여 마치 종방향 진동이 발생하는 것과 같은 효과를 보이기 때문이다.

본 발명은 또한 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체를 제공한다. 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체를 나타낸 것으로서, (a)는 본 발명의 압전 복합체의 개념도이고, (b)는 실제 제조된 압전 복합체의 사진이다.

상기와 같이 얻은 압전 다층 블록들을 길이 방향으로 세워서 틀에 소정 간격을 두고 규칙적으로 배열하고 폴리머 수지, 예를 들어 에폭시 수지를 채워서 에폭시 수지 매트릭스에 길이방향으로 세워진 압전 다층 블록들이 규칙적으로 배열된 본 발명의 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체를 얻을 수 있다. 이 때, 압전 다층 블록들의 측면 상의 외부전극들은 노출되도록 채워지거나 외부전극들로부터의 연장선이 노출되도록 채워진다. 이와 같이 노출된 외부전극들이 이루는 면들, 즉 1-3 압전 복합체의 상면 및 하면 상에 노출된 외부전극들과 접촉되도록 전도성 판을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 전도성 판은 TiC-Ni로 형성될 수 있다.

이렇게 압전 다층 블록들을 압전층의 길이방향으로 세워서 매트릭스의 두께를 형성함으로써 위에서 설명한 바와 같이 압전층의 길이방향으로 발생하는 횡방향 진동모드를 이용한, 노출된 외부전극들 또는 전도성 판들을 기준으로 보면 가상의 종방향 진동모드에 의한 증폭된 변위를 얻을 수 있다. 증폭의 원리는 아래에서 설명한다. 또한 본 발명에서는 압전 다층 블록을 판 형상이 아니라 막대(rod) 또는 파이버 형상으로 형성함으로써 1-3 압전 복합체를 제조할 때 압전 다층 블록들의 배치를 용이하게 할 수 있어 대량생산에 적합하게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예들을 제시한다. 이러한 실시예들은 본 발명의 구체적인 예를 제시하는 것일 뿐이므로, 본 발명의 범위가 이것들에 한정되는 것으로 이해되어서는 안되며, 다양한 다른 변형 및 변경들이 가능할 수 있음이 고려되어야 할 것이다.

실시예

시편 제조 방법

압전 다층 블록은 PZN-PZT, PZN-PZT/Ag 복합체(내부전극), 및 Ag(외부전극)을 이용하여 만든다. PZN-PZT는 우수한 압전 특성을 가지고 있으면서 저온 소결 (<900 ^oC)이 가능한 재료이다. PZN-PZT/Ag 복합체는 전도성을 가지는 전극 층으로 사용한다. PZN-PZT는 조성을 Pb((Zn_1/3,Nb_2/3)_0.2(Zr_0.5,Ti_0.5)_0.8)O₃로 하고, PZN-PZT/Ag 복합체의 Ag의 양은 50 wt%로 하였다.

PZN-PZT 복합체는 고순도의 PbO, ZrO₂, TiO₂, Nb₂O₅, ZnO를 시작 원료로 하여 볼밀을 이용하여 고상법으로 제조하였다. 초기에 믹싱을 위해서 12시간 동안 혼합하였고 건조한 파우더를 850℃에서 4시간 동안 하소하였다. 하소된 파우더를 분쇄하기 위해서 다시 24시간 동안 볼밀하였다. 압전 다층 블록의 압전층의 제조에는 순수한 PZN-PZT 파우더를 사용하였고 내부전극층의 제조에는 50%PZN-PZT/50%Ag 파우더를 사용하였으며, 두 파우더를 이용하여 각각 폴리머와 복합체를 만들었다. 이 때 사용된 폴리머는 Ethylene ethyl acrylate (EEA 6182; Union Carbide, Danbury, CT) 와 Acryloid B67 (Rohm and Haas, Philadelphia, PA)을 이용하였다. internal Mixer를 이용하여 110℃에서 2시간 동안 혼합하였다. Heavy mineral oil (Aldrich Chemical Co. Inc.), stearic acid (Junsei Chemical, Japan)과 polyethylene glycol (PEG1000, Acros Organics, NJ, USA)이 두 층의 점도를 동일하게 유지하기 위해서 첨가되었다. PZN-PZT와 PZN-PZT/Ag 혼합물을 각각 24mm*24mm 사각 몰드를 이용하여 130도에서 가열하면서 압력을 가하여 블록을 만들고 이를 4 mm 판과 1 mm 쉬트로 각각 만든 후 이를 처리하여 도 1A의 배열로 결합함으로써 초기의 피드로드(feedrod)를 만들고 이를 다시 2 mm 두께(층들의 전체 높이)의 판으로 동시 사출하였다. 이러한 다층 구조를 가진 그린 시트(green sheet)를 CNC 머시닝(machining) 장비를 이용하여 압전층의 길이 방향으로 2 mm 간격으로 규칙적으로 절단 가공하 여, 2 mm x 2 mm x 24 mm(압전층의 길이)의 다층 블록을 얻었다. 동시압출을 할 때 시트 재료들이 유연성이 없다면, 압전층과 내부전극층의 길이 차이로 인하여, 양끝단들과 중앙부분 간에 단차가 생길 것이지만 실제로는 높은 압력과 가열된 조건에서 동시압출을 수행하기 때문에 양끝단에서 압전층 재료의 유연성이 발생하여 빈공간을 채우는 분배가 이루어짐으로써 실질적인 단차의 발생은 없게 된다. 이러한 다층 구조를 가진 PZT블록에 있는 바인더를 제거하기 위해 600℃까지 온도를 천천히 올리면서 가열하였다. 소결시에는 PbO휘발를 막기 위해서 잘 덮혀진 알루미나 도가니 안에서 PbO분위기에서 소결하였다. 소결된 시편은 상부와 하부 및 양 옆에 통전이 되지 않게 하면서 다층 구조에 전장를 가할 수 있게 은 전극을 바른 후 규칙적으로 배열한 후 이를 에폭시에 채웠다. 상부와 하부에 각각 은 전극을 바른 후 전기적 특성을 측정하기 위해 70도로 가열된 실리콘 오일 안에서 3kV/mm의 전기장을 가하였다. 압전 특성은 piezoelectric d33 meter (model ZJ-3D, Institute of Acoustics, Beijing, China)로 측정하였다. 또한 변위 센서를 이용하여 전압에 따른 변위 특성을 측정하였다.

실험 결과

횡방향 (Transverse) 진동 모드를 이용한 다층 구조를 가진 압전세라믹-폴리머 복합체 초음파 발진자를 만들었다. 저온 소결 가능하며 우수한 압전 특성을 보이고 있는 0.2(PbZn_1/3Nb_2/3)-0.8(PbZr_0.5Ti_0.5)와 이러한 압전체 (d₃₃ ~ 510 pC/N, d₃₁~230 pC/N, KP~0.65, KT~1700)와 동시 소결이 가능하면서 전도성이 매우 좋은 0.5PZN-PZT/0.5Ag 복합체를 이용하여 다층 구조를 가진 압전 PZT 블록을 만들었다. 이러한 PZT블록을 세워서 횡방향(transverse) 모드를 종방향(longitudinal) 모드로 변환하여 이용하기 위한 전극 배치가 도 1A이다. 도 1A를 보면 한층의 내부전극은 왼쪽 끝에 닿게 만들고 바로 밑 층의 내부전극은 오른쪽에 닿게 만들어 각층에 양극과 음극이 교대로 연결되게 만들었다. 위와 아래에 전극을 연장 연결하여 폴링 후 전압을 가하면 실제 횡방향 진동이 일어나지만 이를 세워서 사용하면 가상으로 양쪽 끝단에 전극이 가해지는 형태가 되어 종방향 모드가 된다. 이러한 구조를 가진 PZT 블록을 실제 제조하여 측정한 것이 도 1B이다.

이러한 횡방향 모드를 이용한 PZT 블록의 경우 식 (1)과 같은 형태가 된다.

Apparent d33 ~ d31 x L /d ------ 식 (1)

여기서 L은 시편의 길이, d는 각 층의 두께로 측정되는 d₃₃ 값이 L/d 의 배율만큼 증폭되어 낮은 전압에서도 커다란 변위를 발생하게 된다. 본 실험에서는 사용한 시편의 경우 5층으로 이루어진 1.6 mm x 1.6 mm x 16 mm PZT (전극이 있는 부분 13 mm) 블록을 이용하여 일정한 간격으로 배열한 후 에폭시를 채운 형태로 위 식에 대입하면 L =13 mm, d₃₁ = 230 pC/N, d=0.30 mm로 약 10000 pC/N의 값을 가지고 실제 측정해 본 결과 약 PZT 블록의 경우 약 d₃₃가 7000 pC/N으로 측정되었으며 감소된 이유는 양쪽에 있는 불활성 부분(inactive part)과 내부 전극의 영향으로 생각된다.

이러한 PZT 블록을 이용하여 규칙적으로 나열하고 에폭시를 채워서 만드는 모형이 도 2A이다. 그림에서는 양쪽에 굳은 TiC-Ni 판을 붙여서 사용하였다. 제조된 시편의 사진이 도 2B이다. 에폭시에 채워서 만든 경우는 약 4700 pC/N (양쪽에 TiC판을 붙인 경우는 6010 pC/N) 의 값이 측정된다. 이러한 결과는 기존의 d₃₃ 모드 (d₃₃ ~ 510)를 이용하는 진동자에 비해서 10배 이상 큰 값을 보이고 있다.

또한 이러한 형태를 가진 초음파 발진자의 전압에 대한 변위 특성을 보이는 것이 도 3 이다. 도 3를 보면 다층 구조를 가진 PZT블록의 변위 (도 3A)를 보면 800 V의 전압에서 약 6 ㎛의 변위를 보이고 있어 기울기인 d₃₃의 경우 약 7500 pC/N이 측정되며 상판과 하판을 붙인 세라믹-폴리머 복합체의 경우 (도 3B) 800 V에서 약 4.5 ㎛의 변위를 보여 d₃₃가 5600 pC/N의 결과를 얻게 되어 d₃₃ 미터로 측정한 값과 거의 일치하는 결과를 얻었다. 상판과 하판을 붙이지 않은 세라믹-폴리머 복합체의 경우 (도 3 C) 800 V에서 약 3.5 ㎛의 변위를 발생하여 d₃₃가 4300 pC/N으로 측정되었다. 이러한 결과로부터 1-3 압전세라믹-폴리머 복합체의 경우에 다층구조를 가지는 PZT 블록 보다는 작은 변위를 보이고 있으며 상판과 하판을 붙였을 때 더 큰 변위를 보이는 것으로 관찰되었다. 이렇게 1-3 복합체가 PZT블럭 보다 변위가 감소하는 이유는 비활성 부분인 에폭시가 PZT의 움직임을 방해하여 댐핑(damping) 효과가 발생하였기 때문이다. 또한 전도성 접촉판(facial plate)은 에폭시와 PZT블록의 움직임을 효율적으로 만들어 더 큰 변위를 발생시키고 있다. 압전 세라믹-폴리머 복합체의 주파수 특성을 관찰하기 위해 주파수에 따른 임피던스와 변위 특성을 측정하였다.

도 4A의 경우는 PZT블록의 주파수에 따른 임피던스 특성을 보이는 것으로 92 kHz 에서 최소의 값을 가지고 98 kHz에서 최대값을 가져 각각 공진점과 반공진점을 알 수 있다. 또한 도 4B는 변위 그래프로 92 kHz의 공진 주파수에서 10 V의 전압을 가할 때 500 nm의 변위를 보여 50000 pC/N의 압전 특성을 보이고 있다.

도 5A의 경우는 1-3 압전 복합체의 임피던스 특성으로 59 kHz와 62 kHz에서 공진 주파수가 관찰되었다. 이러한 공진 특성은 실제로 PZT 블록의 d₃₁의 공진 특성을 이용한 것으로 복합체 제조시 d₃₃ 진동을 보이고 있다. 이러한 두께 방향의 주파수에 따른 변위 특성을 보이는 것이 도 5B이다. 다양한 주파수에서 공진 특성을 보이고 있으며 가장 주된 공진점은 60 kHz로 관찰되고 있다. 이러한 결과는 임피던스 특성과 거의 일치하는 결과를 보이고 있다. 이 주파수에서 10 V의 전압을 가했을 때 약 270 nm의 변위를 보이고 있으며 이는 d₃₃ ~ 27000 pC/N의 값으로 매우 우수한 결과를 보이고 있다. PZT블록과 비교하여 변위가 감소하였는데 이도 마찬가지로 에폭시의 댐핑 효과로 예상된다. 주파수에 따른 변위 특성에서 주목할 것을 거의 모든 영역에서 30 nm이상의 변위를 보이고 있어 광대역 주파수를 요구하는 초음파 발진자에 사용될 수 있다.

16 mm (두께) x 16 mm (가로) x 16 mm (세로)의 1-3 압전 복합체의 경우 200 Hz의 100 V의 전압을 가하였을 때 변위 그래프가 도 6이다. Z방향의 경우 약 0.6 um의 변위가 발생하였고 이는 d₃₃ ~ 6000 pC/N에 해당되는 것으로 이전에 정적인(static) 방법으로 측정한 것과 거의 일치하는 결과를 보이고 있다. X 방향과 y 방향의 변위의 결과 각각 -0.35 ㎛와 0.16 ㎛의 변위를 보여주고 있어 d₃₁ ~ -3500 pC/N와 d₃₂ ~ 1600 pC/N의 값을 가지는 것으로 측정된다. X방향과 y방향의 변위가 다른 이유는 PZT블록의 배열 방향과 관련된 것이다. 결국 정수압 압전 상수는 d_h = d₃₃ + d₃₁ + d₃₂ 로 약 4100 pC/N 의 값을 가지는 것으로 측정되었다.

이러한 압전 복합체의 경우 압전 상수가 매우 커서 낮은 전압에서 사용이 가능하게 되어 주파수 제한이 없어지기 때문에 저주파의 초음파를 발생할 수 있다. 이러한 다양한 주파수를 이용하여 초음파가 반사되어 돌아 올 때 많은 정보를 얻을 수 있어 기존의 초음파 발진자가 가질 수 없었던 뛰어난 선명도를 가지고 있어 매우 유용한 압전 초음파 발진자가 될 것으로 예상된다

본 발명은 압전 다층 블록 및 이 압전 다층 블록을 폴리머 매트릭스 내에 규칙적으로 배열하여 형성되는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체를 제공한다. 본 발명의 압전 다층 블록은 특히 저온 동시소결 및 동시압출법에 의하여 제조되고 압전층들 사이에 독특한 배열 및 구조로 개재된 내부전극들을 가진다. 이러한 배열 및 구조에 의하여 본 발명의 압전 다층 블록은 압전층의 길이방향으로 실제로 발생하는 횡방향 진동모드가 가상의 종방향 진동모드를 증폭시킴으로써 낮은 전압에서 높은 변위를 발생시킬 뿐만 아니라 저주파에서 높은 발진력을 가진다. 따라서, 본 발명의 압전 다층 블록 및 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체는 초음파 발진자로 적합하게 이용될 수 있다.

Claims

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소정 간격을 두고 배열된 복수의 제1항의 압전 다층 블록들(상기 내부전극의 길이방향으로 세워서 배열됨) 그리고 상기 압전 다층 블록들의 사이 및 외부를 둘러싸도록 채워진 폴리머 수지 매트릭스(상기 압전 다층 블록들의 측면 상의 외부전극들이 노출되도록 채워지거나 상기 외부전극들로부터의 연장선이 노출되도록 채워짐)를 포함하는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체.
제12항에 있어서,

상기 압전 복합체의 상면 및 하면(즉, 상기 압전 다층 블록들의 측면 상의 외부전극들이 이루는 면들) 상에 상기 압전 다층 블록들의 측면 상의 외부전극들과 접촉되도록 형성된 전도성 판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체.
제13항에 있어서,

상기 전도성 판은 TiC-Ni로 된 것임을 특징으로 하는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체.
제12항에 있어서,

상기 폴리머 수지 매트릭스는 에폭시 수지로 된 것임을 특징으로 하는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체.
제12항에 있어서, 상기 압전 복합체는 초음파 발진자에 적용되는 것임을 특징으로 하는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체.
제12항에 있어서,

상기 압전 다층 블록은 상기 내부전극의 길이방향이 그것에 수직하는 방향보다 긴 막대(rod) 또는 파이버 형상인 것을 특징으로 하는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체.
제12항에 있어서,

상기 압전 다층 블록의 상기 압전층의 압전물질은 PZN과 PZT가 복합된 PZN-PZT 복합체인 것을 특징으로 하는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체.
제18항에 있어서,

상기 압전 다층 블록의 상기 내부전극층은 PZN-PZT 복합체와 Ag의 혼합물인 PZN-PZT/Ag로 형성되는 것임을 특징으로 하는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체.
제19항에 있어서,

상기 PZN-PZT/Ag에서 Ag의 함량은 30~80 중량%인 것을 특징으로 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체.
제20항에 있어서,

상기 PZN-PZT/Ag 내부전극층 또는 상기 PZN-PZT 압전층에 사용되는 xPZN-(1-x)PZT 복합체의 조성에 있어서, x는 0.1~0.6의 범위인 것을 특징으로 하는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체.
제21항에 있어서,

상기 PZN-PZT/Ag 내부전극층 또는 상기 PZN-PZT 압전층에 사용되는 PZN-PZT 복합체의 Pb(Zr_y,Ti_1-y)O₃ 조성에 있어서, y는 0.35~0.55의 범위인 것을 특징으로 하는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체.
제20항에 있어서,

상기 PZN-PZT/Ag 내부전극층 또는 상기 PZN-PZT 압전층에 사용되는 PZN-PZT 복합체의 xPb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)Pb(Zr_y,Ti_1-y)O₃ 조성에 있어서, x 및 y는 생성되는 PZN-PZT 복합체의 상공존 경계(Morphotropic Phase Boundary; MPB) 영역의 조성이 되도록 선택됨을 특징으로 하는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체.
제12항에 있어서,

상기 압전 다층 블록의 상기 외부전극층은 Ag 페이스트를 코팅하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 세라믹-폴리머 1-3 압전 복합체.