KR100979522B1 - 열가소성 물질을 이용한 나선형 압전 액츄에이터의제조방법 및 그로부터 제조된 나선형 압전 액츄에이터 및초소형 초음파 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열가소성 물질을 이용하여 나선형의 압전 액츄에이터를 제조하는 방법에 관한 것으로서, (a)납(Pb), 아연(Zn) 및 니오브(Nb)로 조성된 PZN과 납(Pb), 아연(Zn) 및 티타늄(Ti)으로 조성된 PZT를 소정의 비율로 혼합하여 저온소결이 가능한 분말화된 PZN-PZT 파우더를 제조하는 단계; (b)상기 PZN-PZT 파우더에 폴리머를 첨가하여 압전체를 제조하는 단계; (c)상기 (a)단계에서 제조된 PZN-PZT 파우더에 은(Ag) 분말을 소정의 비율로 혼합한 후 폴리머를 첨가하여 복합체를 제조하는 단계; (d)상기 압전체와 복합체를 동시에 사출하여 2층의 판형상으로 이루어진 압전 액츄에이터의 초기 형상인 사각기둥 형상의 피드로드를 성형한 후 일정한 크기로 절단하는 단계; (e)상기 일정한 크기의 피드로드를 일정온도로 가열된 로(爐) 안에서 나선형태로 가공하는 단계; 및 (f)상기 나선형태의 피드로드를 고온으로 가열하여 내포된 폴리머를 연소시면서 고온소결시켜 압전체층과 복합체층으로 이루어진 나선형 압전 액츄에이터를 형성하는 단계; 를 포함하므로, 충분한 압전 특성을 지니면서 결합력이 우수하고 두께가 매우 얇은 나선형 액츄에이터를 용이하고 저렴하게 제조할 수 있으며, 그에 의해 제조된 나선형 액츄에이터와 초음파 모터는 크기가 초소형이면서도 구동변위가 매우 커서 복잡한 구조를 가진 응용분야에서도 용이하게 적용할 수 있다.

압전체, 열가소성 복합체, 압전 액츄에이터, 압전 모터, PZN, PZT

Description

열가소성 물질을 이용한 나선형 압전 액츄에이터의 제조방법 및 그로부터 제조된 나선형 압전 액츄에이터 및 초소형 초음파 모터{Method for manufacturing spiral piezoelectric actuator by use of thermoplastic co-extrusion and spiral piezoelectric actuator and micromini ultrasonic motor manufactured thereby}

본 발명은 열가소성 물질을 이용하여 나선형의 압전 액츄에이터를 제작하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열가소성 고분자와 세라믹 분말을 동시 사출법에 의하여 압전체와 복합체로 이루어진 2층의 피드로드를 성형한 후 열을 가하여 나선형의 압전 액츄에이터와 모터를 제작하는 열가소성 물질을 이용한 나선형 압전 액츄에이터의 제조방법 및 그로부터 제조된 나선형 압전 액츄에이터 및 초소형 초음파 모터에 관한 것이다.

초음파 모터는 자석이나 권선을 필요로 하지 않는 새로운 형의 구동원으로서 20kHz 이상의 초음파 영역을 사용하는 전기력 모터이며, 그 작동원리는 복수의 압전 세라믹스에 고주파 전압을 가하여 압전 세라믹스를 진동시키고 이러한 진동력에 의해 일정 방향의 구동력을 얻는 것이다. 이와 같이 모터 내에서 구동력을 야기시키는 장치를 압전 액츄에이터라 한다. 초음파 모터의 용도는 저속 회전에서 큰 힘 을 필요로 하는 다이렉트 드라이브용이나 현장 여건상 자기 에너지를 쓸 수 없는 장치의 구동원 또는 초소형 사이즈의 구동원 등에 이용되고 있다. 초음파 모터에는 정재파 방식과 진행파 방식이 있으며, 진행파 방식은 압전 세라믹스를 금속의 탄성체에 맞붙인 스테이터와 로터를 마주 접촉시켜 탄성체에 발생하는 종파와 횡파에 의한 진행파에서 구동력을 얻는 방식이다.

초음파 모터의 구동원인 압전 세라믹스는 기계적 에너지와 전기적 에너지의 상호 변환을 가능하게 하는 성질을 가지고 있는 소자로서, 액츄에이터 분야에서의 압전 세라믹스는 최근 변위의 정밀제어가 요구되는 전자기기 및 정밀기계장치의 발달 및 소형화 추세로 인하여 새로운 형식의 변위 트랜스듀서(Transducer)로서 주목받고 있으며, 종래의 전자식 액츄에이터에서 주류를 이루는 코일을 이용한 솔레노이드 방식으로는 구현하기 어려운 빠른 응답속도의 실현 및 소형 경량화가 가능하며 낮은 소비전력과 전자노이즈의 방해를 받지 않는다는 장점을 가지고 있다.

또한, 로봇, 카메라, 반도체 제조공정에서의 위치제어기구, 초소형 기계 등 현대의 기계 및 전자제품은 뛰어난 성능뿐만 아니라 소형화의 추세를 따르고 있어서 다. 예를 들어, 현재 휴대폰 시장에서는 고화질의 카메라폰이 급속하게 성장하고 있으며, 이와 같은 사양을 충족하기 위하여 자동초점 기능이 탑재된 고화소의 카메라 모듈이 적용되고 있다.

현재 카메라폰에 사용되고 있는 자동초점 액츄에이터는 코일과 자석으로 이루어진 모터나 VCM(Voice Coil Motor) 등을 이용한 액츄에이터가 담당하고 있는데, 이와 같은 액츄에이터는 부피가 크고 무게는 무거울 뿐 아니라 전력소모가 크다는 단점이 있어서, 이러한 단점을 극복하기 위한 방안으로 압전소자, 액체렌즈, 폴리머 액츄에이터를 이용하는 기술이 개발되고 있으며, 특히 압전소자를 이용한 액츄에이터는 크기가 작은 이점과 함께 구동전압 또한 낮출 수 있으며 정확성이 높고 노이즈가 작기 때문에 그 기술도 지속적으로 발전하고 있다.

한편, 압전성의 경우 두 가지 모드를 예로 들 수 있는데, 전기장이 가해지는 방향과 동일한 방향으로의 변위를 이용하는 압전계수 d33 모드와 전기장과 수직된 방향으로의 변위를 이용하는 압전계수 d31 모드가 있다. 상기 d33 모드의 경우 0.1 내지 0.2%의 변위한계가 있으며 높은 인가전압이 필요하고, 상기 d31 모드의 경우 압전계수는 d33 모드에 비해 40% 정도밖에 되지는 않지만 두께방향으로의 변위가 아닌 길이방향으로의 변위를 이용하는 것이므로, 동일한 구동전압에서 길이 증가에 따른 변위 증가를 예상할 수 있어 고 변위를 요하는 기술분야에서 많이 사용되고 있다. 이러한 것의 일 예로 유니몰프(unimorph) 타입의 액츄에이터를 들 수 있다.

그러나, d31 모드를 이용하는 경우 길이를 늘어나면 전체적으로 크기가 커지는 단점도 생각할 수 있으므로, 액츄에이터의 길이를 길게 하면서 전체적인 사이즈를 줄이기 위한 방법으로서 나선형의 압전 액츄에이터를 개발되었다.

상기 나선형 압전 액츄에이터를 제작하기 위하여 종래에 다양한 방법이 이용되고 있었으며, 이러한 방법들로서 파우더를 나선형의 틀에 찍어 만드는 방식과 틀이 없이 직접적으로 나선형의 구조를 만드는 FDC(fused deposision of ceramic) 방식이 있다.

전자와 같이 파우더를 나선형의 틀에 찍어서 만드는 공정은 단일조성일 경우 에는 사용가능하지만, 유니몰프 형태(Uni-morph type)의 액츄에이터를 제작하는 데에는 난점이 있다.

그리고, 후자와 같이 틀이 없는 FDC 방법(Applied Physics Letters, V.75, N.16, 1999, 2488~2490p, "High displacement spiral piezoelectric actuators", F.Mohammadi외 3인)은 SFF(solid fee form fabrication)의 일종으로서, 세라믹 분말과 바인더를 혼합한 피드스탁(feedstock)을 분사시키는 노즐을 3축으로 이동시키면서 원하는 형상을 구현하고, 유기물 바인더를 연소시키는 열처리 공정과 소결 공정을 통해 나선형의 액츄에이터를 제작하는 것이다.

그러나, 상기 방법의 경우 피드스탁(feedstock)을 분사하는 노즐의 사이즈에 한계가 있으므로 제작할 수 있는 벽의 두께 또한 소형화에는 적합하지 못하다는 문제점이 있다. 또한, 유니몰프 형태를 한 번의 과정으로 제작할 수 있는 것이 아니라, 후공정을 통해서 금속판을 덧붙이는 공정이 추가된다. 이와 같이 덧붙여진 금속판은 액츄에이터를 반복적으로 사용할 때 두 압전판과 금속판의 접합력이 약화되는 단점을 가지고 있다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는 서로 다른 소재인 압전체와 비활성 복합체를 하나의 피드로드로 제작하여 동시사출법(co-extrusion method)으로 사출시킨 후 열가소성의 성질을 이용하여 소결시킴으로써 충분한 압전 특성을 지니면서 결합력이 우수하고 두께가 매우 얇은 나선형 액츄에이터를 용이하고 저렴하게 제조할 수 있는 나선형의 압전 액츄에이터의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는 복잡한 구조를 가진 응용분야에서도 용이하게 적용할 수 있는 크기가 초소형이면서도 구동변위가 매우 큰 나선형 액츄에이터와 그를 이용한 초음파 모터를 제공하는 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,

(a)납(Pb), 아연(Zn) 및 니오브(Nb)로 조성된 PZN과 납(Pb), 아연(Zn) 및 티타늄(Ti)으로 조성된 PZT를 소정의 비율로 혼합하여 저온 소결이 가능한 분말화된 PZN-PZT 파우더를 제조하는 단계;

(b)상기 PZN-PZT 파우더에 폴리머를 첨가하여 압전체를 제조하는 단계;

(c)상기 (a)단계에서 제조된 PZN-PZT 파우더에 은(Ag) 분말을 소정의 비율로 혼합한 후 폴리머를 첨가하여 복합체를 제조하는 단계;

(d)상기 압전체와 복합체를 동시에 사출하여 2층의 판형상으로 이루어진 압 전 액츄에이터의 초기 형상인 사각기둥 형상의 피드로드를 성형한 후 일정한 크기로 절단하는 단계;

(e)상기 일정한 크기의 피드로드를 일정온도로 가열된 로(爐) 안에서 나선형태로 가공하는 단계; 및

(f)상기 나선형태의 피드로드를 고온으로 가열하여 내포된 폴리머를 연소시면서 고온소결시켜 압전체층과 복합체층으로 이루어진 나선형 압전 액츄에이터를 형성하는 단계; 를 포함하는 열가소성 물질을 이용한 나선형 압전 액츄에이터의 제조방법을 제공한다.

상기 PZN-PZT 파우더는 PZN과 PZT를 중량비 4:6 내지 1:9의 비율로 혼합할 수 있다.

상기 PZN-PZT 파우더는 PZN과 PZR를 에탄올과 함께 혼합시킨 후 건조시키는 단계와, 상기 혼합물을 800 내지 850℃에서 4 내지 12시간 동안 하소(calcination)시키는 단계와, 상기 하소된 혼합물을 24 내지 48시간 동안 볼밀하여 미세분말입자로 분쇄시키는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.

상기 (b)단계와 (c)단계에서의 폴리머는 Ethylene Ethyl Acrylate와 Acryloid B67의 혼합물을 이용할 수 있다.

상기 (b)단계에서 PZN-PZT 파우더와 폴리머의 혼합물에서 PZN-PZT 파우더는 60% 이상의 부피비로 하는 것이 바람직하다.

상기 (c)단계에서 복합체는 PZN-PZT 파우더와 은(Ag) 분말을 중량비 6:4 내지 4:6의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 (c)단계에서 PZN-PZT와 은(Ag)을 혼합한 파우더와 폴리머의 혼합물에서 PZN-PZT와 은(Ag)을 혼합한 파우더는 60% 이상의 부피비로 하는 것이 바람직하다.

상기 (e)단계에서 로(爐)에는 상기 피드로드를 감기 위하여 횡으로 설치된 봉과, 상기 봉을 회전시키기 위한 모터가 내부에 설치될 수 있다.

상기 피드로드가 봉에 감길 때 접촉면 사이에 카본 블랙, 폴리머, 종이 중 어느 하나가 간격재로 삽입될 수 있다.

상기 (e)단계에서 로(爐)의 내부는 80 내지 140℃ 범위 내의 일정한 온도로 유지되는 것이 바람직하다.

상기 (f)단계에서의 연소 및 소결온도는 900 내지 930℃인 것이 바람직하다.

또한, 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 상기의 제조방법에 의하여 제조된 나선형 압전 액츄에이터를 제공한다.

그리고, 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 상기 나선형 압전 액츄에이터를 이용하여 제조된 초음파 모터를 제공한다.

상기에서 설명한 바와 같은 본 발명의 열가소성 물질을 이용한 나선형 압전 액츄에이터의 제조방법에 의하면, 서로 다른 소재인 압전체와 비활성 복합체를 하나의 피드로드로 제작하여 동시사출법(co-extrusion method)으로 사출시킨 후 열가소성의 성질을 이용하여 소결시킴으로써 충분한 압전 특성을 지니면서 결합력이 우수하고 두께가 매우 얇은 나선형 액츄에이터를 용이하고 저렴하게 제조할 수 있다.

또한, 상기의 방법에 의하여 제조된 나선형 액츄에이터와 그를 이용한 초음 파 모터는 크기가 초소형이면서도 구동변위가 매우 커서 복잡한 구조를 가진 응용분야에서도 용이하게 적용할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통해 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 나선형 압전 액츄에이터의 제조방법을 개략적으로 도시한 흐름도로서, 기본적인 내용만을 도시한 것으로 변형 실시가 가능하므로 본 발명이 도면에 도시된 내용만으로 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 압전 액츄에이터의 제조방법에 대한 전체적인 과정을 간략하게 설명하면, PbO, ZrO₂, TiO₂, ZnO, Nb₂O₅와 같은 해당 원료의 산화물인 고순도의 원료 분말을 원료로 하여 저온소결이 가능한 압전체의 원료인 PZN-PZT 세라믹 파우더를 제조하고, 열가소성 고분자와 PZN-PZT 세라믹을 소정 비율로 혼합한 압전체 및 상기 PZN-PZT 세라믹 파우더에 은(Ag) 파우더를 혼합하여 복합체를 제조하고, 상기 압전체와 복합체를 이용하여 압전 액츄에이터의 초기 형상에 따른 피드로드(feedrod)를 형성하고 피드로드를 소정의 크기로 사출하며, 상기의 제작공정을 통해 사출된 복합체를 일정한 크기로 절단하여 일정온도로 가열된 로(爐) 안에서 나선형의 액츄에이터를 소결 성형하는 것으로 이루어진다.

도면을 참조하여 본 발명에 따른 나선형의 압전 액츄에이터의 제조방법을 더욱 자세하게 설명하면, 먼저 납(Pb), 아연(Zn) 및 니오브(Nb)로 조성된 PZN과 납(Pb), 아연(Zn) 및 티타늄(Ti)으로 조성된 PZT를 소정의 비율로 혼합하여 저온소결이 가능한 분말화된 PZN-PZT 파우더를 제조하는 단계(S1)를 거친다.

상기 PZN-PZT 파우더를 제조하기 위해서는 우선 PbO, ZrO₂, TiO₂, ZnO, Nb₂O₅ 와 같은 해당 원료의 산화물에 대한 고순도의 원료 분말을 원료로 하여 저온소결이 가능한 압전체의 원료인 PZN-PZT 파우더를 제조한다. PZT는 납(Pb), 아연(Zn), 티타늄(Ti)이 소정 비율로 혼합된 화합물인 납 지르코니아 티타네이트(Pb(Zr,Ti)O₃) 세라믹스로서 낮은 제조 단가와 뛰어난 물성으로 인해 대표적인 압전체의 재료로 사용되고 있으며, PZN은 납(Pb), 아연(Zn), 니오브(Nb)가 소정 비율로 혼합된 화합물이다.

PZN-PZT 파우더는 PZN과 PZT를 중량비 4:6 내지 1:9의 비율로 혼합하여 제조할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 2:8의 비율로 혼합하여 제조한 파우더를 사용하였다.

PZN 과 PZT는 혼합이 어려우므로 초기에 PZN 과 PZT를 섞기 위해서 에탄올과 함께 혼합하고 건조시킨 다음, 800 내지 850℃의 고온에서 4 내지 12시간 동안의 하소(calcination) 과정을 거친 후, 커진 입자를 볼밀하여 분쇄시킨다.

하소란 혼합물의 분체 상태에서 미리 고상반응을 종결시키기 위한 작업으로서 가소 또는 예비소성이라고도 부른다. 일반적으로 2종류 이상의 물질을 혼합하여 가열하면 합성반응에 기인하여 한번 팽창한 후 수축되어 소결된다. 이러한 변형과정을 경험한 분말을 다시 재가열하면 변형이 적을 뿐만 아니라 불순물 및 소성시 발생될 가스가 제거된다. 또한, 하소를 하지 않고 소결하게 되면 소결시의 큰 체적변화에 기인된 크랙이나 변형 등으로 인하여 원하는 형상을 얻는 것이 어려울 뿐만 아니라 치밀한 소결체를 만들기도 어렵다. 따라서, 본 소성시의 변형이나 크랙 등의 발생을 방지하여 세라믹스의 균질성을 높이기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에서는 PZN과 PZT를 에탄올과 섞어 12시간 정도 혼합하였으며, 에탄올을 건조시킨 후 850도에서 4시간 동안 하소시켜 PZN-PZT세라믹 파우더를 제조하였다. 하소 과정을 거치면서 입자가 커진 파우더는 다시 한번 48시간 동안 지르코니아 볼을 이용하여 분쇄하였다.

상기와 같은 과정을 거쳐 얻어진 PZN-PZT 파우더를 이용하여 다음 단계로서 압전체를 제조하는 압전체 제조단계(S2)를 거치게 된다.

즉, 상기 PZN-PZT 파우더에 Ethylene Ethyl Acrylate(EEA 6182; Union carbide, Danbury, CT)와 Acryloid B67(Rohm and Hass, Philadelphia, PA)와 같은 폴리머를 혼합하여 세라믹-폴리머 혼합체를 제조하며, PZN-PZT 파우더와 폴리머의 혼합비는 PZN-PZT 파우더가 부피비 60% 이상이 되도록 한다.

이와 같이 제조된 세라믹-폴리머 혼합체는 실온에서 일반적인 폴리머와 같이 딱딱한 특성을 가지지만 일정 온도 이상에서는 점도를 갖기 때문에 사출성형이 가능하다. 이와 같은 특성을 열가소성이라 한다. PZN-PZT 세라믹 파우더와 상술한 폴리머를 혼합함으로써 세라믹 -폴리머 혼합체로 제조하는 이유는 PZN과 PZT가 모두 세라믹이기 때문에 소결할 경우 원하는 모양으로 성형하거나 사출하는 것이 불가능하기 때문이다. 따라서, 상기와 같이 제조된 세라믹-폴리머 혼합체는 제조자가 원 하는 모양과 크기로 성형이 가능하다.

본 발명의 실시예에서는 Ethylene Ethyl Acrylate와 Acryloid B67를 일정비율로 혼합한 폴리머를 이용하였으며, PZN-PZT 파우더와 폴리머는 부피비 6:4로 혼합하여 압전체를 제조하였다.

다음으로, 상기 PZN-PZT 파우더 제조단계(S1)에서 제조된 PZN-PZT 파우더를 이용하여 복합체를 제조하는 복합체 제조단계(S3)를 거친다.

즉, PZN-PZT 파우더에 은(Ag) 분말을 소정의 비율로 혼합한 후 폴리머를 첨가하여 제조하는데, 상기 PZN-PZT 파우더와 은(Ag)의 혼합물은 은(Ag)이 40 내지 60 중량%의 비율이 되도록 한다. 이러한 비율로 혼합된 파우더에는 상기 압전체 제조단계(S2)에서와 마찬가지로 에틸렌에틸아크릴레이트(Ethylene Ethyl Acrylate)와 아크릴로이드 비67(Acryloid B67)와 같은 폴리머를 혼합하여 세라믹-폴리머 혼합체를 제조하며, 상기 은함유 파우더와 폴리머의 혼합비는 은함유 파우더가 부피비 60% 이상이 되도록 한다. 복합체 제조시 은(Ag)을 PZN-PZT 파우더와 혼합하는 것은 소결 후 PZN-PZT내에 분산된 은 성분이 3차원적으로 연결되기 때문에 순수한 은과 거의 동일한 저항값을 가지게 되어 우수한 전기적인 성질을 가질 수 있도록 하기 위함이다. 상기와 같이 은이 함유된 복합체는 폴리머 제거 후 전도성을 가질 뿐만 아니라 전기장 인가시 압전 효과를 나타내지 않는 층이 된다.

본 발명의 실시예에서는 PZN-PZT 파우더에 은(Ag) 분말을 40 중량%의 비율로 혼합하였고, 상기 은함유 파우더와 폴리머는 부피비 6:4로 혼합하여 복합체를 제조하였다.

다음으로, 상기 압전체 제조단계(S2)와 복합체 제조단계(S3)에서 제조된 폴리머가 혼합된 압전체와 복합체를 이용하여 피드로드(feedrod)를 제조하는 피드로드 제조단계(S4)를 거치게 된다.

즉, 상기 점성을 가진 폴리머가 혼합된 압전체와 복합체를 동시사출법(co-extrusion)을 이용하여 동시에 사출하여 2층의 판형상으로 이루어진 압전 액츄에이터의 초기 형상인 사각기둥 형상의 피드로드를 사출시킨 후 일정한 크기로 절단한다.

두 가지 이상의 물질이 동시 사출되기 위해서는 사출되기 전에 일정한 모양과 형태를 부여하는데, 본 발명의 경우 압전체와 복합체를 각각 판형상으로 형성하고 사출에 의해 2층의 판이 접착된 사각기둥 형상의 피드로드(Feedrod)를 제조한 후 액츄에이터로 작동되기 위한 일정한 길이로 자르는 것이다. 상기에서와 같이 동시사출법을 이용하면 시편의 사이즈를 줄일 수 있다는 장점이 있으므로, 초소형의 압전 액츄에이터를 용이하게 제조할 수 있게 된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피드로드를 개략적으로 도시한 사시도로서, 도면에서와 같이 2층의 판으로 이루어진 피드로드는 도전성이 우수한 전도층 복합체(PZN-PZT 세라믹, 은(Ag) 및 폴리머의 복합체)와 전기장 인가시 압전 효과를 나타내는 압전체(PZN-PZT와 폴리머의 복합체)로 이루어져 있어서 폴리머 제거 후 상호 결착된 압전층과 전도층에 의해 전기장 인가시 길이방향으로 큰 변위를 얻을 수 있는 구조를 가진다. 이것이 유니몰프(unimorph) 형태의 압전 액츄에이터이다.

이와 같이 제작된 피드로드(feedrod)는 일정온도와 일정압력하에서 다양한 크기의 압전체로 사출성형이 가능할 뿐만 아니라, 사출된 후 적용될 장치에 따라 다양한 형태로 열가공이 가능하다.

다음으로, 상기에서 성형된 일정길이의 피드로드를 나선형태로 가공하는 피드로드 성형단계(S5)를 거치게 된다.

즉, 동시 사출된 상기의 피드로드를 일정 온도가 유지되는 로 안에서 감음으로써 나선형으로 만드는 열가공 공정이 수행된다. 이때, 로 안에는 사출 성형된 피드로드를 감을 수 있도록 횡축상으로 회전하도록 설치된 봉이 필요하며, 또한 로(爐)에는 상기 횡축의 봉을 회전시키기 위한 모터가 장착되어 있다. 이와 같이 일정한 온도가 가해지는 로 내에서 횡축의 봉이 회전하게 되면 상기 피드로드가 봉 상에 나선형으로 감기게 되며, 따라서 나선형의 액츄에이터가 성형되는 것이다.

열가소성은 가열하면 연화하여 쉽게 변형되고 식히면 다시 굳어지는 성질로서, 피드로드에 포함된 폴리머인 Ethylene Ethyl Acrylate와 Acryloid B67의 유리전이온도(Tg)는 각각 -80℃와 65℃이다. 따라서, 피드로드는 65℃ 이상의 온도에서 유동성을 지니며 성형이 가능하지만, 열손실을 고려함과 함께 용이한 성형을 위해서는 로(爐) 내부의 온도를 80 내지 140℃ 범위 내에서 일정온도로 유지하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에서는 로 내부의 온도를 100℃ 정도의 일정한 온도로 유지하여 나선 모양을 성형하였다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 나선형 압전 액츄에이터에 대한 사진으로서, 도 3a는 전체적인 형상을 보여주는 사진이고, 도 3b는 유니몰프 타입을 보여 주기 위한 일부분에 대한 사진이다.

피드로드를 도면에서와 같은 나선형으로 만드는 것이 본 발명의 핵심이며, 도 3a에 도시한 바와 같이 일정한 간격을 두고 감긴 형태로 이루어진 압전 액츄에이터의 경우 접선 방향과 반지름 방향으로의 변위를 가짐을 알 수 있다.

나선형 압전 액츄에이터를 제조하기 위해서는 나선형태로 감는 것도 중요하지만, 나선형태의 액츄에이터가 일정한 간격을 유지하는 것도 매우 중요하다. 따라서, 성형시 나선형태 사이에 쉽게 제거될 수 있는 재료를 간격재로 삽입하여 성형하여야 한다.

이와 같은 간격재는 열처리 과정을 통해 제거될 수 있는 다양한 재료들이 있으며, 예컨대 카본블랙, PCL(Polycaprolactone)과 같은 폴리머, 종이와 같이 열처리를 통하지 않고 제거될 수 있는 재료 등 다양한 재료를 이용할 수 있다. 이러한 재료를 이용함으로써 본 발명의 실시예에서는 동시 사출에 의한 다양한 두께뿐만 아니라 여러 가지의 일정한 간격을 지닌 나선형태를 성형하였다.

마지막으로, 상기에서 성형된 나선형태의 피드로드를 고온소결시켜 압전체층과 복합체층으로 이루어진 나선형 압전 액츄에이터를 형성하는 열가공 단계(S6)를 수행하여 나선형 압전 액츄에이터를 제조한다.

즉, 먼저 상기 나선형태의 피드로드를 고온으로 가열함으로써 내포된 폴리머가 연소되며, 이어서 고온에서의 소결에 의해 순수한 세라믹의 압전체층과 세라믹과 은의 복합체층으로 이루어진 나선형 압전 액츄에이터를 형성한다.

상기 연소 및 소결온도는 900 내지 930℃ 범위로 하는 것이 바람직하며, 본 발명의 실시예에서는 900℃의 고온으로 연소 및 소결시켰다.

상기와 같이 연소 및 소결시킴으로써 PZN-PZT 파우더로 제조된 압전체는 PZN-PZT/Ag로 제조된 복합체와 완벽한 계면결합을 하게 되며, PZN-PZT 파우더와 PZN-PZT/Ag 파우더 간에는 어떤 반응도 일어나지 않는다.

이와 같이 제조된 나선형 압전 액츄에이터를 고정자로 하고, 상기 고정자와의 마찰에 의하여 구동되는 이동자를 접촉되게 설치함으로써, 상기 액츄에이터에 진행파 방식의 초음파를 인가하면 액츄에이터에 발생하는 종파와 횡파의 진행파에 의하여 이동자를 일정방향으로 구동시키도록 형성된 것이 초음파 모터이다.

따라서, 본 발명은 서로 다른 소재를 하나의 피드로드로 제작하고, 제작된 피드로드를 동시 사출시킨 후, 열가소성 물질의 특성을 이용하여 일정한 열이 가해지는 로 안에서 열가공 공정을 통해 나선형의 형태를 지닌 압전 액츄에이터를 제조하며, 또한 그를 이용하여 초음파 모터를 제작할 수 있도록 함으로써, 작은 비용과 간단한 장비로도 복잡한 형태의 나선형 압전 액츄에이터와 초음파 모터를 제작할 수 있도록 한다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 의한 나선형의 압전 액츄에이터의 제조방법에 따라 제조된 총 길이 100mm 정도의 나선형 압전 액츄에이터의 주파수 특성을 보여주는 그래프이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 주파수에 따른 접선방향으로의 변위를 나타내는 그래프로서 공진주파수는 160Hz을 알 수 있다. 또한, 2차 공진은 480Hz 정도에서 나타남을 알 수 있다.

도 4b는 본 발명의 일 실시예에 의한 나선형 액츄에이터의 길이에 따른 공진 특성을 보여주며, 길이가 길어질수록 공진 주파수가 감소하는 것을 알 수 있다. 일반적으로 공진 주파수는 하기 수학식 1에서와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, fr는 공진주파수를 의미하고, k는 스프링 계수이며, M은 물질의 무게이다.

상기 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이 총길이가 증가할수록 같은 밀도를 가진 시편의 무게는 증가한다고 볼 수 있으므로, 총길이가 증가할수록 공진수파수는 감소한다는 것을 알 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 나선형 액츄에이터가 동작할 때 각 방향에 대한 변위를 나타내는 도면으로서, 도 5a는 나선형 액츄에이터가 동작할 때 각 방향에 대한 변위를 측정한 그래프이고, 도 5b는 나선형 액츄에이터의 변위방향을 개략적으로 도시한 도면이다. 도면에는 도 3a에 도시된 접선 방향으로의 길이변화와 반지름 방향으로의 변위를 모두 보이고 있다. 이는 곡률을 지닌 나선형의 구조에서 오는 변화로서, 구심을 잡고 전기장을 가하여 변위를 측정하는 경우 접선 방향으로는 매우 큰 변위를 보이며 반지름방향으로의 변위는 소량 발생함을 보여준다.

이는 나선형의 경우 단순히 한 방향으로의 변위가 발생하는 것이 아니라 도 5b에 실제 움직이는 방향으로 표시한 방향으로의 변위가 있음을 나타낸다. 도 5a의 실시예에서는 총길이 100mm, 두께 0.6mm, 너비 4mm인 나선형 액츄에이터에 150V를 가했을 경우, 접선 방향으로는 400㎛ 정도의 변위가 발생했으나, 반지름 방향으로는 40㎛ 정도로서 상대적으로 작은 변위가 나타남을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 나선형 액츄에이터의 감긴 총 길이에 대한 접선방향으로의 변위를 보여주는 그래프이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 길이가 증가할수록 변위가 증가함을 알 수 있다. 결과 그래프를 보면 길이가 30mm 인 경우에는 60㎛의 변위를 가지고, 길이가 100mm인 경우에는 400㎛의 큰 변위값을 가짐을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 의하여 피드로드를 사출 성형함에 있어 다양한 두께를 가진 복합체를 제조할 수 있었으며, 본 발명의 실시예들로서 두께가 0.6mm, 1mm, 2mm 시편을 각각 제조하여 변위특성을 관찰하였다.

도 7은 본 발명의 실시예에 의한 다양한 두께의 나선형 압전 액츄에이터들의 변위를 보여주는 그래프이다. 크기를 소형화 할 수 있는 본 발명의 동시 사출성형의 장점으로 인하여 도면에서 알 수 있는 바와 같이 0.6mm의 두께를 지닌 나선형 압전 액츄에이터가 가장 큰 변위를 가지고 있음을 알 수 있다.

이와 같은 나선형 압전 액츄에이터는 길이에 따라 공진 주파수의 대역이 달라지며, 총 길이가 증가할수록 접선 방향으로의 변위가 증가한다. 또한, 두께를 작게 제조할 수 있음에 의하여 동일한 전압을 가하더라도 고 변위를 발생시키므로, 따라서 구동 전압을 낮출 수 있는 장점도 가진다.

이상에서 본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만 여기에 한정 되는 것이 아니며, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 당업자라면 자명하게 도출할 수 있는 많은 변형 예들을 포괄하도록 의도된 특허청구범위에 의하여 해석되어져야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 나선형 압전 액츄에이터의 제조방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피드로드를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 나선형 압전 액츄에이터에 대한 사진으로서, 도 3a는 전체적인 형상을 보여주는 사진이고, 도 3b는 유니몰프 타입을 보여주기 위한 일부분에 대한 사진이다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 의한 나선형의 압전 액츄에이터의 제조방법에 따라 제조된 총 길이 100mm 정도의 나선형 압전 액츄에이터의 주파수 특성을 보여주는 그래프이다.

도 4b는 본 발명의 일 실시예에 의한 나선형 액츄에이터의 길이에 따른 공진 특성을 보여주는 그래프이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 나선형 액츄에이터가 동작할 때 각 방향에 대한 변위를 나타내는 도면으로서, 도 5a는 나선형 액츄에이터가 동작할 때 각 방향에 대한 변위를 측정한 그래프이고, 도 5b는 나선형 액츄에이터의 변위방향을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 나선형 액츄에이터의 감긴 총 길이에 대한 접선방향으로의 변위를 보여주는 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 의한 다양한 두께의 나선형 압전 액츄에이터들의 변위를 보여주는 그래프이다.

Claims (13)

1. (a)납(Pb), 아연(Zn) 및 니오브(Nb)로 조성된 PZN과 납(Pb), 아연(Zn) 및 티타늄(Ti)으로 조성된 PZT를 소정의 비율로 혼합하여 저온소결이 가능한 분말화된 PZN-PZT 파우더를 제조하는 단계;

   (b)상기 PZN-PZT 파우더에 폴리머를 첨가하여 압전체를 제조하는 단계;

   (c)상기 (a)단계에서 제조된 PZN-PZT 파우더에 은(Ag) 분말을 소정의 비율로 혼합한 후 폴리머를 첨가하여 복합체를 제조하는 단계;

   (d)상기 압전체와 복합체를 동시에 사출하여 2층의 판형상으로 이루어진 압전 액츄에이터의 초기 형상인 사각기둥 형상의 피드로드를 성형한 후 일정한 크기로 절단하는 단계;

   (e)상기 일정한 크기의 피드로드를 일정온도로 가열된 로(爐) 안에서 나선형태로 가공하는 단계; 및

   (f)상기 나선형태의 피드로드를 고온으로 가열하여 내포된 폴리머를 연소시면서 고온소결시켜 압전체층과 복합체층으로 이루어진 나선형 압전 액츄에이터를 형성하는 단계;를 포함하며,

   상기 (e)단계의 로(爐)에는 상기 피드로드를 감기 위하여 횡으로 설치된 봉과, 상기 봉을 회전시키기 위한 모터가 내부에 설치되며, 상기 피드로드를 일정 간격으로 감도록 하기 위해 상기 피드로드가 봉에 감길 때 접촉면 사이에 카본 블랙, 폴리머, 종이 중 어느 하나가 간격재로 삽입되는 것을 특징으로 하는 열가소성 물질을 이용한 나선형 압전 액츄에이터의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 PZN-PZT 파우더는

   PZN과 PZT를 중량비 4:6 내지 1:9의 비율로 혼합한 것을 특징으로 하는 나선형 압전 액츄에이터의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 PZN-PZT 파우더는

   PZN과 PZT를 에탄올과 함께 혼합시킨 후 건조시키는 단계;

   상기 혼합물을 800 내지 850℃에서 4 내지 12시간 동안 하소(calcination)시키는 단계; 및

   상기 하소된 혼합물을 24 내지 48시간 동안 볼밀하여 미세분말입자로 분쇄시키는 단계; 를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 나선형 압전 액츄에이터의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 (b)단계와 (c)단계에서의 폴리머는

   에틸렌에틸아크릴레이트(Ethylene Ethyl Acrylate)와 아크릴로이드 비67(Acryloid B67)의 혼합물인 것을 특징으로 하는 나선형 압전 액츄에이터의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 (b)단계에서 PZN-PZT 파우더와 폴리머의 혼합물은

   PZN-PZT 파우더가 부피비 60% 이상인 것을 특징으로 하는 나선형 압전 액츄에이터의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 (c)단계에서 복합체는

   PZN-PZT 파우더와 은(Ag) 분말이 중량비 6:4 내지 4:6의 비율로 혼합되는 것 을 특징으로 하는 나선형 압전 액츄에이터의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 (c)단계에서 PZN-PZT와 은(Ag)을 혼합한 파우더와 폴리머의 혼합물은

   PZN-PZT와 은(Ag)을 혼합한 파우더가 부피비 60% 이상인 것을 특징으로 하는 나선형 압전 액츄에이터의 제조 방법.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서, 상기 (e)단계에서 로(爐)의 내부는

   80 내지 140℃ 범위내의 일정한 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 나선형 압전 액츄에이터의 제조방법.
10. 삭제
11. 제1항에 있어서, 상기 (f)단계에서의 연소 및 소결온도는 900 내지 930℃인 것을 특징으로 하는 나선형 압전 액츄에이터의 제조방법.
12. 제1항 내지 제7항, 제9항, 제11항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 나선형 압전 액츄에이터.
13. 제12항의 나선형 압전 액츄에이터를 이용하여 제조된 초음파 모터.

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