KR101431756B1

KR101431756B1 - 압전체 시트, 및 압전체 시트의 제조방법 및 제조장치

Info

Publication number: KR101431756B1
Application number: KR1020117028788A
Authority: KR
Inventors: 마사미치 안도; 요시로 타지츠
Original assignee: 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼; 어 스쿨 코포레이션 칸사이 유니버시티
Priority date: 2009-06-15
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2014-08-20
Also published as: CN102803357A; US9711710B2; WO2010147074A1; US9048426B2; CN102803357B; EP2444452B1; US20120108783A1; EP2444452A1; JP5318203B2; US20150280106A1; US9537084B2; EP2444452A4; US20130228463A1; KR20120024697A; JPWO2010147074A1

Abstract

폴리락트산 시트로 이루어지는 것으로, 두께방향으로 높은 압전성을 발현할 수 있는 압전체 시트를 제공한다.
폴리락트산 시트(1)의 특정 영역(2)을 마이크로파를 이용해서 가열한다. 폴리락트산 시트(1)의 두께방향으로 압전성을 발현시키기 위해, 가열된 폴리락트산 시트(1)의 두께방향으로 고전압을 인가하여 적어도 일부의 폴리락트산 분자의 나선축(3)을 상대적으로 두께방향을 향하게 하고, 이어서 폴리락트산 시트(1)를 급냉하여 폴리락트산 분자를 고정한다. 동일한 공정을 폴리락트산 시트(1)의 다른 영역(4)에서도 실시하여, 폴리락트산 시트(1)의 넓은 영역에 걸쳐 두께방향으로 압전성을 부여한다.

Description

압전체 시트, 및 압전체 시트의 제조방법 및 제조장치{PIEZOELECTRIC SHEET, METHOD FOR MANUFACTURING PIEZOELECTRIC SHEET, AND MANUFACTURING APPARATUS}

본 발명은 압전체 시트, 그리고 압전체 시트의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 특히 폴리락트산으로 이루어지는 압전 시트, 그리고 그 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.

폴리락트산(PLA)은 도 14에 나타내는 분자 구조를 가지고 있다. PLA는 탈수 축합 중합체이며, 락트산의 환상 이량체인 락티드를 개환(開環) 중합함으로써 얻어진다. 락트산은 비대칭 탄소를 포함하기 때문에 키랄성(chirality)을 가진다. 따라서 PLA에는 L체와 D체가 존재하는데, 그 중합체를 각각 L형 폴리락트산(PLLA), D형 폴리락트산(PDLA)이라고 부른다. PLLA의 주쇄(主鎖)는 좌선성 나선(left-handed helix), PDLA의 주쇄는 우선성 나선(right-handed helix) 구조를 취한다. 미생물의 힘에 의해 합성되는 락트산으로 이루어지는 폴리락트산은 대부분이 L체이며, 현재 양산되어 이용되는 PLA는 PLLA이다.

예를 들면 특허문헌 1 및 비특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 연신(延伸)한 PLA 필름은 압전성을 나타낸다. 비특허문헌 1에 따르면, PLLA 결정의 점군(點群)은 D₂이고, 압전 텐서(tensor)로서 도 15(a)에 나타내는 성분을 가진다.

PLLA는 나선 고분자이며, 나선축 방향(C축 방향)에 큰 값의 쌍극자를 가지고 있다. PLLA의 결정 구조에서는 C축 방향의 쌍극자가 교대로 반대방향을 향하도록 패킹되기 때문에, 매크로적으로 보면 C축 방향의 쌍극자는 서로 상쇄되어 0이 된다. 따라서 도 15(b)에 나타내는 바와 같이, PLLA 시트에 있어서 '3'축 방향으로 연신이 실시되어 있다고 하면, 이 연신된 1축 배향 PLLA 시트의 압전 텐서는 결과적으로 도 15(c)와 같은 성분이 된다.

종래의 압전성 PLLA의 압전 현상은 예를 들면 특허문헌 1 및 2에 기재되어 있는 바와 같이, 도 15(c)에 나타낸 d₁₄에 의한 것이 주체이고, 그 값은 10∼20pC/N 정도이다. 이 PLLA의 압전 상수는 고분자 중에서는 각별히 높은 값이다.

한편, 현재 시판되고 있는 세라믹 압전체 중 대표적인 것인 PZT는 d₃₃=300∼700pC/N의 값을 가지며, 각종 액츄에이터나 압전 버저(buzzer), 압전 스피커 등에 응용되고 있다. 그러나 PZT는 납을 포함하는 재료이어서, 시장에서는 환경보호의 관점에서 무연 압전재료가 요망되고 있다. 또한 무기계 압전재료는 세라믹이 주류를 이루고 있는데, 제조 비용이 높고 폐기시에는 매립 등에 의한 처리에 의존하지 않을 수 없다. 그리하여 제조 비용이 싸고 폐기물 처리가 용이한 고분자계 압전재료가 요망되지만, PZT에 필적하는 압전 상수를 가지는 것은 아직 존재하지 않는다고 여겨지고 있다.

PVDF(폴리불화 비닐리덴)나 PLLA는 매우 큰 압전 상수를 가지는 고분자로서 유망시되고 있다. 특히 PLLA는 도 14에 나타낸 것과 같이, 구성 원소로서 C, O 및 H밖에 포함하지 않기 때문에 소각한다고 해도 유해 물질을 초래할 일이 없다. 또한 PLLA는 가수 분해-미생물 분해라는 2단계의 분해 과정을 거쳐 완전히 물과 CO₂로 분해될 수 있는 생분해성 플라스틱이다. 원료는 현재 시점에서 옥수수 유래의 전분이며, 원료 자체에는 석유를 일절 사용하지 않고 있다. 제조 과정에서 사용되는 에너지에 기인하는 CO₂를 제외하면, PLLA 자체는 공기 중의 CO₂를 본래의 소재로 하고 있기 때문에, 분해 후에 공기 중의 CO₂를 증가시키는 일이 없다. 이것이 카본 뉴트럴(carbon neutral)이라고 일컬어지는 이유이며, 환경에 부담을 주지 않는 재료로서 매우 주목받고 있다.

그러나 상술한 바와 같이, PLLA의 압전 상수는 d₁₄로 고작해야 20pC/N 정도로, PZT의 압전 상수에 비하면 매우 작다. 따라서 PZT의 대체 재료로서 PLLA를 사용하기 위해서는 동작시의 인가 전압을 매우 높게 할 필요가 있어, 종래에는 PLLA로 치환하기가 매우 곤란하지 않을 수 없었다.

일본국 공개특허공보 평5-152638호 일본국 공개특허공보 2005-213376호

타지츠 요시로, "폴리락트산 막의 광·전기 기능", 미래 재료, 2003년 7월호, 제3권, 제7호, P.16-25

그러므로 본 발명의 목적은 폴리락트산을 사용하면서, 특히 두께방향으로 높은 압전 상수를 가지는 압전체 시트를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 압전체 시트의 제조방법 및 제조장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 폴리락트산으로 이루어지는 압전체 시트에 관한 것으로서, 상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 두께방향으로 압전성을 나타내도록, 적어도 일부의 폴리락트산 분자의 나선축이 상대적으로 두께방향을 향해 있는 것을 특징으로 하고 있다.

한편 '시트'라는 용어와 '필름'이라는 용어를 두께 치수에 따라서 구분해서 사용하는 경우도 있지만, 본 건 명세서에서는 두께 치수에 관계없이 '시트'라는 용어를 사용하기로 한다.

또한 [배경기술]에서 설명한 바와 같이, 폴리락트산은 통상 L형 폴리락트산으로서 유통되고 있지만, [과제의 해결 수단]에서 기술하는 폴리락트산이란, L형 폴리락트산, D형 폴리락트산, 혹은 그들의 혼합물을 개념적으로 포함하는 것이다.

본 발명은 또한 상술한 압전체 시트를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 압전체 시트의 제조방법은 폴리락트산 시트를 준비하는 공정과, 마이크로파를 이용해서 폴리락트산 시트를 가열하는 가열 공정과, 폴리락트산 시트의 두께방향으로 압전성을 발현시키기 위해, 가열된 폴리락트산 시트의 두께방향으로 고전압을 인가하고, 적어도 일부의 폴리락트산 분자의 나선축을 상대적으로 두께방향을 향하게 하는 고전압 인가 공정을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 압전체 시트의 제조방법은 상기 고전압 인가 공정 후, 폴리락트산 시트를 급냉하는 공정을 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 압전체 시트의 제조방법에 있어서, 고전압 인가 공정은 가열 공정의 적어도 일부와 동시에 실시되는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 상술한 압전체 시트를 제조하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 압전체 시트의 제조장치는 고전압 전원과, 고전압 전원으로부터 공급되는 고전압을, 처리되어야 할 폴리락트산 시트의 두께방향으로 인가하기 위해, 폴리락트산 시트를 두께방향으로 사이에 끼고 배치되는 쌍을 이루는 고전압 인가용 도체와, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와, 마이크로파 발생기로부터 마이크로파를 전송하는 동축(同軸) 선로를 구비하고, 고전압 인가용 도체는 동축 선로의 내부 도체에 접속되며, 마이크로파가, 폴리락트산 시트와 그것을 사이에 낀 고전압 인가용 도체로 구성되는 콘덴서를 통과할 때, 유전 손실에 의한 열이 발생하도록 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 압전체 시트의 제조장치는, 다른 실시양태에서는 고전압 전원과, 고전압 전원으로부터 공급되는 고전압을 처리되어야 할 폴리락트산의 두께방향으로 인가하기 위해, 폴리락트산 시트를 두께방향으로 사이에 끼고 배치되는 쌍을 이루는 고전압 인가용 도체와, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와, 마이크로파 발생기로부터 마이크로파를 전송하는 동축 선로와, 동축 선로에 접속되는 적어도 1단의 반동축 공동(空洞;cavity) 필터를 구비하고, 고전압 인가용 도체 중 한쪽은 반동축 공동 필터의 중심 도체에 접속되고, 고전압 인가용 도체 중 다른쪽은 반동축 공동 필터의 외부 도체에 접속되며, 마이크로파가 폴리락트산 시트와 고전압 인가용 도체로 구성되는 콘덴서를 통과할 때, 유전 손실에 의한 열이 발생하도록 되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 압전체 시트의 제조장치에 있어서, 고전압 인가용 도체 중 한쪽은 복수의 핀형상 도체로 구성되고, 고전압 인가용 도체 중 다른쪽은 평면형상의 도체로 구성되거나, 혹은 고전압 인가용 도체의 한쪽 및 다른쪽이 복수의 핀형상 도체로 구성되고, 이 복수의 핀형상 도체들은 과부족 없이 서로 쌍을 이루도록 되어도 된다.

본 발명에 따른 압전체 시트의 제조장치에 있어서, 마이크로파 발생기에 의해, 서로 다른 주파수를 가지는 복수 종류의 마이크로파가 발생되는 것이 바람직하다. 상기 복수 종류의 마이크로파는 적어도, 주로 가열에 유효한 주파수인 것과, 주로 폴리락트산의 주쇄를 흔드는데 적합한 주파수인 것과, 주로 폴리락트산의 분자끼리의 결합 부분을 파괴하는데 적합한 주파수인 것을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 압전체 시트의 제조장치에 있어서, 고전압 인가용 도체는 복수의 핀형상 도체로 구성될 경우, 복수의 핀형상 도체는 복수열을 이루도록 배치되고, 각 열의 도체의 각각의 위치는 옆 열의 도체의 각각의 사이에 형성되는 간격 부분에 대응하도록 되어 있는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 도체는 단면이 정사각형으로 되고, 이웃하는 도체간의 간격은 각 도체의 단면을 규정하는 정사각형의 한 변의 길이와 같게 된다.

본 발명에 따른 압전체 시트의 제조장치에 있어서, 폴리락트산 시트를 급냉하기 위한 냉각용 유체의 분출구가 고전압 인가용 도체의 근방에 마련되는 것이 바람직하다.

벌크 상태(성형 후, 미처리 상태)의 폴리락트산 시트는 긴 나선 분자가 서로 얽힌 구조를 가지고 있어, 예를 들어 두께방향으로 매우 큰 전장을 인가하더라도 두께방향으로 압전성이 생기는 일은 없다. 본 발명에 따르면, 폴리락트산으로 이루어지는 압전체 시트에 있어서 상기 나선 분자의 얽힘을 풀어, 적어도 일부의 나선 분자에 대하여 나선축이 상대적으로 두께방향을 향하게 되므로, 두께방향으로 압전성을 나타내는 압전체 시트를 얻을 수 있다. 예를 들면 나선 분자의 10%라도 압전체 시트의 두께방향으로 배향시킬 수 있다면 PZT에 필적하는 압전체가 될 수 있다. 만일 이것을 넘는 비율로 배향시킬 수 있다면 PZT를 능가하는 압전체가 될 수 있다. 또한 가령 5%의 배향도라고 해도, 고분자의 압전체로서는 경이적으로 큰 압전 상수를 가질 수 있다.

압전 액츄에이터 등에 자주 이용되는 PZT는 세라믹인데, 또한 납을 포함하고 있기 때문에 폐기물로서의 처리가 어렵다. PLLA에 의해 PZT에 필적하는 압전 상수를 얻을 수 있다면, PZT를 PLLA로 대체할 수 있게 된다. PLLA는 중금속을 포함하지 않는 단순한 조성의 생체 고분자로, 생분해성이면서 전분을 원료로 하기 때문에, 제조시에 발생하는 CO₂를 제외하고 공기 중의 CO₂를 증가시키지 않는다. 또한 제조시의 CO₂는 다른 유기 고분자의 제조시의 경우와 비교하면 매우 적다. 따라서 PZT를 PLLA로 대체할 수 있다면, 환경 부하 경감에 절대적인 효과가 있다.

또한 폴리락트산은 고분자이며, PZT보다 높은 가요성(可撓性;flexibility)을 가지고 있기 때문에, 액츄에이터에 적용했을 때의 변위량은 PZT의 경우보다 커진다.

도 1은 본 발명에 따른 제조방법을 실시하여, PLLA 분자의 나선축(3)의 적어도 일부를 상대적으로 두께방향으로 배향시킨 상태를 도해적으로 나타내는 PLLA 시트(1)의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시형태에 따른 제조장치(10)를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 블록도상의 PLLA 가열부(17)를, 전송 선로형으로 구성했을 경우의 보다 상세한 도면으로, PLLA 가열부(17)를 포함하는 PLLA 처리부(30)를 나타내고 있으며, (a)는 PLLA 처리부(30)의 평면도, (b)는 PLLA 처리부(30)의 정면도이다.
도 4(a)는 도 3(b)의 선 A-A를 따라 자른 단면도이고, (b)는 도 3(a)의 선 B-B를 따라 자른 단면도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 한쪽 내부 도체(35a)를 단면도로 나타내는 동시에, 도 4에서는 도시가 생략되어 있던 하우징(31) 및 내부 도체(35a, 35b)로 이루어지는 전송 선로부의 한쪽 단부를 도시하는, 도 4(a) 및 (b)에 대응하는 도면이다.
도 6은 도 2에 나타낸 블록도상의 PLLA 가열부(17)를 공진기형으로 구성했을 경우의 보다 상세한 도면으로, PLLA 가열부(17)를 포함하는 PLLA 처리부(50)를 나타내고 있으며, (a)는 PLLA 처리부(50)의 정면도, (b)는 PLLA 처리부(50)의 측면도이다.
도 7(a)는 도 6(b)의 선 B-B를 따라 자른 단면도이고, (b)는 도 6(a)의 선 A-A를 따라 자른 단면도이다.
도 8은 도 6 및 도 7에 나타낸 PLLA 처리부(50)의 간략화 모델을 이용해서 유한 요소법 시뮬레이션을 함으로써 구한 전장의 상태를 나타내는 도면이다.
도 9는 4단의 밴드패스(band-pass)로 했을 경우의 PLLA 처리부(50a)를 나타내는, 도 7(b)에 대응하는 도면이다.
도 10은 도 4에 나타낸 핀 도체(36a)의 배치에 관한 제1 실시형태를 나타내는 것으로, 내부 도체(35a)의 선단부(38a)의 단면을 PLLA 시트(1)측에서 봤을 때, 핀 도체(36a)를 나타낸 도면이다.
도 11은 도 4에 나타낸 핀 도체(36a)의 배치에 관한 제2 실시형태를 나타내는 것으로, 내부 도체(35a)의 선단부(38a)의 단면을 PLLA 시트(1)측에서 봤을 때, 핀 도체(36a)를 나타낸 도면이다.
도 12는 도 4에 나타낸 핀 도체(36a)의 배치에 관한 제3 실시형태를 나타내는 것으로, 내부 도체(35a)의 선단부(38a)의 단면을 PLLA 시트(1)측에서 봤을 때, 핀 도체(36a)를 나타낸 도면이다.
도 13은 도 4에 나타낸 핀 도체(36a)의 배치에 관한 제4 실시형태를 나타내는 것으로, 내부 도체(35a)의 선단부(38a)의 단면을 PLLA 시트(1)측에서 봤을 때, 핀 도체(36a)를 나타낸 도면이다.
도 14는 폴리락트산의 분자 구조도이다.
도 15(a)는 PLLA 결정의 압전 텐서를 나타내고, (b)는 PLLA 시트의 연신방향을 설명하기 위한 도면이며, (c)는 1축 배향 PLLA 시트의 압전 텐서를 나타낸다.
도 16은 결합한 2개의 락트산 분자를 도해적으로 나타내는 도면이다.
도 17은 락트산 분자가 탈수 중합하여 나선 분자로 되어 있는 상태를 도해적으로 나타내는 도면이다.
도 18은 도 17에 나타낸 락트산 분자의 나선축의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

PLLA는 상술한 도 14에 나타내는 분자 구조를 가지는 것인데, 주쇄에 C=O를 비롯해, 영구 쌍극자를 발생시키는 분자군이 존재한다. 락트산 분자 2개가 결합한 분자로 보면, 도 16과 같은 전기 쌍극자가 나타난다.

한편 상술한 바와 같이, 폴리락트산에는 L체인 PLLA와 D체인 PDLA가 있으며, 그들의 적극적인 혼합물도 상정되지만, 본 항에서는 설명을 간략화하기 위해 PLLA를 예로 들어 설명한다.

락트산 분자가 탈수 중합되어 가면, 상술한 바와 같이 나선 분자가 된다. 이 분자 모델을 도 17에 나타낸다. PLLA의 나선 구조의 분자 내에서는 각 분자에 생기는 쌍극자의 벡터합(vector sum)이 형성되고, 나선축의 방향으로 큰 쌍극자가 남는다. 이 개념도를 도 18에 나타낸다.

도 18에 나타내는 바와 같이, PLLA 분자는 10 모노머로 분자가 3회 나선을 감는 10/3 헬릭스 구조가 된다. PLLA 분자에 있어서의 쌍극자를 바탕으로, 분자쇄가 10/3 헬릭스 구조를 가지면, 이 나선축 방향의 쌍극자의 크기는 1주기당 3.5∼3.7debye가 된다.

보통 PLLA 분자는 그 분자량이 수십만 정도이며, 약 1000∼3000주기로 구성되어 있다. 이후, 설명을 간략화하기 위해 2000주기라고 가정한다. 이것이 다 늘어난 쇄가 되어 배향 가능한 것으로 하면, 이 길이는 약 100nm 정도가 된다(통상적인 라멜라(lamellar) 두께).

이 때의 이 분자의 쌍극자 합계는

(3.5∼3.7)×2000, 즉 7000∼7400debye가 된다. 이후, 설명을 간략화하기 위해 이것을 7200debye라고 가정한다.

여기서 1debye=3.33564×10^-30C·m이므로 7200debye=2.4×10^-26C·m가 된다.

2개의 분자쇄가 배향하여 평행하게 나열되어 있다고 하면, 이 분자들은 PLLA의 나선 반경 부근까지 근접 분자쇄끼리 접근하고, PLLA의 비결정, 결정 구조의 고차 구조의 상관 거리로부터 추정하면, 나선축간 거리는 0.4∼0.8nm로 추정된다. 이후, 설명을 간략화하기 위해 이 값을 0.4nm라고 가정한다.

이 때의 분극률(Ps)은

Ps=2.4×10^-26×2/(0.4×10^-9×0.4×10^-9×100×10^-9)=3.0C/㎡

가 된다.

여기서, 매크로적인 폴리머의 압전응력 상수(e)는 상기 분극률(Ps)을 이용해서 이하의 식(1)로 표현된다. 식(1)에서 ν는 푸아송(Poisson)비이고, e'는 마이크로적인 압전응력 상수이다.

e₃₁=e₃₁'-ν₂₁e₃₂'-ν₃₁e₃₃'+(1-ν₂₁)Ps (1)

여기서 3축은 C축 방향으로 한다.

식(1)의 제1항∼제3항은 분자 구조 자체에서 유래하는 압전응력 상수이며 매우 작다. 또한 제4항은 분극률(Ps)에 의존하며, 여기서 말하는 PLLA의 경우에는 Ps가 매우 크다. 따라서 식(1)은 이하의 식(2)와 같이 근사할 수 있다.

e₃₁≒(1-ν₂₁)Ps (2)

폴리머의 경우, 보통 ν₂₁은 0.2∼0.5 정도이다. PLLA의 경우, ν₂₁≒0.3이기 때문에,

e₃₁=0.7Ps (3)

가 된다.

상술한 바와 같이 Ps=3.0C/㎡이므로,

e₃₁=0.7×3.0=2.1C/㎡

가 된다.

여기서 압전변형 상수(d상수)는 탄성 용량(elastic compliance)을 S^E로 하고,

d₃₁=e₃₁·S^E (4)

라고 표시된다. PLLA의 경우, 미연신 필름의 탄성 상수는 약 3.7GPa, 4배 연신 필름의 탄성 상수는 약 1.8GPa이다. 한편 연신 필름에서는 C축은 연신방향으로 배향한다.

본 발명에 따른 PLLA의 경우, 매우 배향이 강하다고 가정하고 있으며, 이러한 폴리머의 탄성 상수는 약 1GPa라고 생각할 수 있으므로,

d₃₁=2.1/1×10⁹=2100pC/N으로 어림잡을 수 있다.

압전 상수 d₃₃과 d₃₁의 관계는 푸아송비 0.3일 때, 대략 d₃₃=2d₃₁이라고 생각해도 된다. 따라서,

d₃₃=2100×2=4200pC/N

이 된다.

이상과 같이, PLLA의 나선 분자의 C축(나선축)을 따르는 쌍극자를 두께방향으로 완전히 배향할 수 있다면, PLLA의 압전 상수는 수치적 범위를 고려하면 1000∼5000pC/N의 값이 될 가능성이 있지만, 아직 이것을 실현한 예는 없다.

예를 들면 나선축이 필름의 두께방향으로 수직이 되도록 배향하고, 본래의 PLLA가 가지는 포텐셜의 10% 정도, 즉 C축을 따르는 쌍극자가 번갈아 패킹되는 상태를 10% 정도 무너뜨리면, 100∼500pC/N의 d₃₃(이 경우, 필름의 두께방향을 3축으로 한다.)의 값이 생긴다고 생각되며, PZT가 가지는 압전 상수에 거의 필적하는 값이 얻어지게 된다.

상기와 같은 PLLA 시트는 다음과 같이 해서 제조할 수 있다.

도 1을 참조해서 설명하면, 미처리 상태의 PLLA 시트(1)의, 예를 들면 0.01∼1m㎡ 정도의 매우 좁은 영역(2)에 마이크로파를 인가한다. 이로 인해 전장의 교번이 쌍극자에 작용하여 강제적으로 PLLA 분자가 진동시켜진다. 도 1에서 PLLA 분자의 나선축(3)이 화살표에 의해 도해적으로 나타나 있으며, 그 화살표 방향은 배향방향을 나타내고 있다. 상술한 진동의 결과, 가열되어 PLLA 분자가 움직이기 쉬운 상태가 되는 동시에, 마이크로파 진동에 의해 분자쇄끼리의 얽힘이 풀린 상태가 실현된다.

상기의 상태에서 상기 소정의 영역(2)에 있어서 PLLA 시트(1)의 두께방향으로 강(强)전장을 인가하면, 두께방향으로 압전성을 나타내도록, 적어도 일부의 PLLA 분자의 나선축(3)이 상대적으로 두께방향으로 배향한다. 이 영역(2)에서의 배향 상태가 도 1에 나타나 있다.

도 1로부터 알 수 있듯이, 영역(2)에서 PLLA 시트(1)가 두께방향으로 압전성을 나타내기 위해서는 쌍극자 배향이 서로 상쇄되지 않는 방향으로, 모든 PLLA 분자의 나선축(3)이 두께방향으로 배향되어 있을 필요는 없다. 일부의 PLLA 분자만의 나선축(3)이 두께방향으로 배향되어 있으면 충분하다. 또한 두께방향으로 배향하는 나선축(3)은 PLLA 시트(1)의 주면(主面)방향에 대하여 수직인 방향(90도)을 반드시 향해 있을 필요는 없다. 주면방향에 대하여 예를 들면 5∼10도와 같은 각도여도 되고, 상대적으로 두께방향을 향해 있기만 하면 된다.

다음으로 상술한 바와 같이, 강한 전장을 인가한 후, PLLA 시트(1)의 영역(2)이 급냉되어 PLLA 분자가 고정된다.

이상과 같은 처리가, 상기 영역(2)의 옆 영역(4)에서도 실시되도록, PLLA 시트(1)의 위치를 옮기면서 반복된다. 이렇게 해서, PLLA 시트(1)의 넓은 면적에 있어서, 상대적으로 두께방향으로 나선축(3)이 배향된 상태가 만들어지고, 그로 인해 PLLA 시트(1)로 이루어지는 고압전 상수를 가지는 압전체 시트가 얻어진다.

상술한 바와 같이 인가되는 마이크로파로서는, 단일 주파수의 마이크로파뿐만 아니라, 적어도 주로 가열에 유효한 주파수를 가지는 것과, 주로 주쇄를 흔드는데 적합한 주파수를 가지는 것과, 주로 분자끼리의 결합 부분을 파괴하는데 적합한 주파수를 가지는 것과 같이, 서로 다른 복수의 주파수를 각각 가지는 복수 종류의 마이크로파를 다이플렉싱 혹은 믹싱(변조)한 것으로 하는 것이 바람직하다. 마이크로파의 각 주파수 및 강도는 실험에 의해 적절히 결정하면 된다.

여기서 주의할 점은 영역(2)은 미소 영역인 것이 특히 바람직하다는 점이다. 영역(2)의 면적을 크게 한다는 것은 가열 영역을 넓히는 것과 같다. 가열 영역을 넓히면 그 영역에 포함되는 고분자가 서로 작용하여 구정(球晶;spherocrystal)이라고 불리는 결정이 성장하기 쉬워진다. 구정이란 방사 대칭으로 구상 성장하는 결정을 말한다. 구정 자체는 무극성이 되기 때문에 상술한 것과 같은 배향은 달성되지 않는다. 따라서, 구정의 생성을 촉진하지 않는 미소 영역의 배향 조작이 필요하게 된다. 영역은 작을수록 좋다고 생각되는데, 여기서 말하는 실용화의 관점에서 봤을 때, 영역을 원으로 하면 그 면적은 약 0.01∼1m㎡의 범위가 된다. 이 크기는 PLLA 시트(1)의 두께나 그 분자량, PLLA 시트(1)에 첨가물이 분산되어 있을 경우에는 그 종류, 그 크기에 따라 변동되는 것이다.

상기의 미소 영역을 가열하는 방법으로서는 레이저 스폿에 의한 가열 등도 생각할 수 있다. 그러나 PLLA의 나선축을 배향시키기 위한 강전장을 인가하는데 필요한 전극을 구성할 수 없거나, 혹은 이 전극이 방해가 되어 레이저 스폿이 소정 위치에 조사되지 않는다는 문제점이 있다. 이에 반해, 여기서 말하는 마이크로파에 의한 미소 영역의 가열은 마이크로파의 조사와 직류 전장의 인가를 동시에 실시할 수 있다는 점에서 매우 뛰어나다.

도 2는 본 발명의 한 실시형태에 의한 압전체 시트의 제조장치(10)를 나타내는 블록도이다. 이 제조장치(10)에서는 압전체 시트를 제조하기 위해, 준비된 PLLA 시트(1)에 소정의 처리가 실시된다.

PLLA 시트(1)를 구성하는 PLLA의 분자를 진동시키기 위한 마이크로파는 시그널 제너레이터(11, 12)에 의해 발생시킨다. 도 2에서는 2개의 시그널 제너레이터(11, 12)를 이용하는 예를 나타냈지만, 투입하는 마이크로파의 종류수에 따라 적절히 수를 변경하면 된다. 발생시키는 마이크로파의 주파수는 PLLA를 주로 가열시키기 위한 주파수, 주로 분자의 얽힘을 풀기 위한 주파수, 주로 분자끼리의 결합(부분적인 결정화)을 끊기 위한 주파수 등이다. 이 주파수들은 소재가 되는 PLLA의 분자량, D체의 혼입비율, 결정화도, 배향도, 필러의 배합량 등에 따라 다르기 때문에, 이용하는 모재(母材)에 따라 초기 실험을 실시하여 최적의 주파수와 투입 수준을 결정하면 된다.

각각의 주파수를 가지는 마이크로파의 투입 수준의 비율은 시그널 제너레이터(11, 12)의 각각의 출력 수준에 의해 결정된다. 시그널 제너레이터(11, 12)에서 발생된 서로 다른 주파수를 각각 가지는 복수 종류의 마이크로파는 믹서(13)에서 믹싱된 후 증폭기(amplifier)(14)에 전송된다.

한편 서로 다른 주파수를 가지는 복수 종류의 마이크로파를 믹싱하기 위해, 도 2에 나타낸 제조장치(10)에서는 믹서(13)가 이용되었지만, 믹서(13) 대신에 다이플렉서(diplexer)를 이용해도 된다. 또한 시그널 제너레이터를 증설하여, 트리플렉서(triplexer), 쿼드플렉서(quadplexer) 등을 이용해도 된다.

증폭기(14)로 증폭된 마이크로파는 서큘레이터(circulator)(15)를 통과하고, 이어서 바이어스 티(bias tee)(16)를 통과하여 PLLA 가열부(17)에 이른다. 서큘레이터(15)는 PLLA 가열부(17)의 부정합에 의한 반사 전력이 증폭기(14)로 돌아가, 증폭기(14)가 파손되는 것을 막기 위해 마련되어 있다. PLLA 가열부(17)의 부정합에 의한 반사 전력은 서큘레이터(15)에 의해 분기되고, 커플러(coupler)(21)를 통과하여 감쇠기(attenuator)(22)에 이르러 소비된다. 커플러(21)에는 파워 미터(23)가 접속되어 있으며, 반사 전력을 감시하도록 되어 있다.

PLLA 가열부(17)는 이곳을 직류 전류가 통과하지 않도록 되어 있다. PLLA 가열부(17)의 구성방법으로는 전송 선로형이나 공진기 이용형을 생각할 수 있다. 도 2에서 PLLA 가열부(17)는 단순히 콘덴서로서 간략하게 도시된 것에 불과하며, 실제로는 마이크로파의 등가 회로가 형성되는 것이다. 어느 경우든지, PLLA 가열부(17)는 전력의 통과 경로에 있어서, 회로적으로 PLLA 시트(1)를 통해 콘덴서가 형성되는 부분을 가지고 있으며, 이로 인해 직류 전류가 통과하지 않도록 되어 있다. PLLA 가열부(17)에 관해서는 상세도를 도 3 이후에 나타낸다. 도 3 이후를 참조한 설명은 후술한다.

PLLA 가열부(17)는 상술한 바와 같이, 전력의 통과 경로에 있어서, 회로적으로 PLLA 시트(1)를 통해 콘덴서가 형성되는 부분을 가지고 있다. 마이크로파가 이 부분을 통과할 때, 그 유전 손실에 의해 일부가 열로 변환된다. PLLA의 유전정접(tanδ)은 0.01∼0.012이며(예를 들면 일본국 공개특허공보 2002-358829호 참조), 이것을 유전체로서 이용한 콘덴서에서도 tanδ에 따른 발열이 반드시 발생한다. 아울러, 전기 쌍극자가 흔들리는 것에 의한 마찰에 따른 발열도 생긴다.

PLLA 가열부(17)를 통과한 마이크로파는 바이어스 티(18)를 통과하고, 이어서 커플러(24)를 통과하여 감쇠기(25)에 이르러 소비된다. 커플러(24)에는 파워 미터(26)가 접속되어 있으며, 통과 전력을 감시하도록 되어 있다.

서큘레이터(15)에서 감쇠기(25)에 이르는 통과 손실을 미리 측정해 두고, 출력 전력에서, 파워 미터(23)로 관측되는 반사 전력과 파워 미터(26)로 관측되는 통과 전력과 미리 측정한 통과 손실을 뺌으로써, PLLA 가열부(17)에서 소비되고 있는 전력을 간접적으로 파악할 수 있다. PLLA 가열부(17)에서 소비되고 있는 전력은 PLLA 시트(1)에서 열로 변환되고 있는 에너지이며, 이 값을 가지고 PLLA 시트(1)가 어느 정도의 온도로 가열되고 있는지를 대략적으로 알 수 있다. 정확히 알기 위해서는 적외선 비접촉 온도계 등을 이용해서 PLLA 시트(1)의 온도를 직접 측정하면 된다.

PLLA의 융점은 약 170℃ 부근에 있지만, 분자의 배향 제어를 하기 위해서는 약 140℃∼150℃ 정도가 적합하다는 것이 실험적으로 확인되어 있다. 단, 이 온도는 PLLA의 분자량이나 첨가물, 분자의 말단기의 처리에 의존하기 때문에, 실제로 사용하는 PLLA 시트(1)에 따라서 적절히 선택한다.

바이어스 티(16, 18)에는 고압 직류 전원(20) 및 스위치(19)가 접속되어 있다. PLLA 시트(1)가 배향에 적합한 온도까지 가열된 상태에서 스위치(19)를 온으로 하여 PLLA 시트(1)에 고전압을 인가한다. 마이크로파에 의해 흔들리고 있는 쌍극자의 적어도 일부는 이 고전압에 의한 전장에 의해, 상대적으로 두께방향(전장의 방향)으로 배향한다. 이 전압의 크기나 인가 시간에 대해서도 분자량이나 첨가물, 분자의 말단기의 처리에 의존하기 때문에, 실제로 사용하는 PLLA 시트(1)에 따라서 적절히 선택한다.

소정 시간, 마이크로파 및 고전압을 인가하고, 이들을 정지함과 동시에 PLLA 시트(1)를 강제적으로 급냉하여 분자를 고정한다. 단, 냉각 타이밍은 반드시 마이크로파 및 고전압의 정지 직후일 필요는 없고, 냉각 개시 후에 마이크로파 및 고전압을 정지해도 되고, 마이크로파를 정지한 후에 냉각을 시작하고, 이어서 고전압을 정지하는 순서여도 무방하다.

다음으로 PLLA 가열부(17)에 대하여 설명한다.

도 3은 도 2에 나타낸 블록도상의 PLLA 가열부(17)를, 전송 선로형으로 형성했을 경우의 보다 상세한 도면으로, PLLA 가열부(17)를 포함하는 PLLA 처리부(30)를 나타내고 있다. 여기서 도 3(a)는 PLLA 처리부(30)의 평면도, 도 3(b)는 PLLA 처리부(30)의 정면도를 나타내고 있다. 또한 도 4(a)는 도 3(b)의 선 A-A를 따라 자른 단면도이고, 도 4(b)는 도 3(a)의 선 B-B를 따라 자른 단면도이다.

PLLA 처리부(30)는 하우징(31)을 가지며, 하우징(31)에는 PLLA 시트(1)를 삽입하기 위한 구멍(33, 34)이 마련되어 있다. 구멍(33, 34)은 도 4(b)에 잘 나타나 있듯이, 하우징(31)의 위아래의 벽부를 각각 관통하도록 마련되어 있다. PLLA 시트(1)는 이 위아래의 구멍(33, 34)들을 삽입 통과한 상태에서 처리된다.

하우징(31)에는 각각 쌍을 이루는 가이드 롤러(32a, 32b) 및 가이드 롤러(32c, 32d)가 마련되어 있으며, PLLA 시트(1)는 이 가이드 롤러(32a∼32d)에 의해 유지되고 있다. 가이드 롤러(32a∼32d)를 회전시킴으로써, PLLA 시트(1)는 도 3(b) 및 도 4(b)에서의 상하방향으로 이동시킬 수 있다. 도 4(b)에 나타낸 각각의 가이드 롤러(32a∼32d) 둘레의 화살표 및 PLLA 시트(1)의 위쪽 화살표는 가이드 롤러(32a∼32d)의 회전방향 및 PLLA 시트(1)의 이동방향의 일례를 나타내고 있다. 한편 가이드 롤러(32a∼32d)의 구동부에 대해서는 도시를 생략하였다.

하우징(31)은 금속으로 이루어지고, 내부에 공동을 형성하면서, 동축 선로의 외부 도체를 구성하고 있다. 하우징(31)을 구성하기 위해 사용되는 금속으로서는 구리, 알루미늄, 황동(brass), 철, 스테인리스강 등이 바람직하고, 필요에 따라서 이들에 도금이 실시된다. 철 또는 스테인리스강을 사용할 경우에는 도전율이 좋지 않으므로, 전송 손실을 고려하여 구리 도금 또는 은 도금을 실시하는 것이 바람직하다.

하우징(31)의 공동 내에는 동축 선로의 내부 도체(중심 도체)로서의 내부 도체(35a, 35b)가 인슐레이터(insulator)(37a, 37b)에 의해 유지된 상태로 배치되어 있다. 도 4에서 내부 도체(35a, 35b)는 단면을 표시하지 않았다. 인슐레이터(37a, 37b)는 유전율이 낮은 수지로 형성되어 있고, 특히 폴리테트라플루오로에틸렌이 바람직한 재료이다.

내부 도체(35a, 35b)는 각각의 선단부(38a, 38b)가 서로 대향하고 있으며, 이 선단부(38a, 38b)들은 도 4(a)에 잘 나타나 있듯이, 다른 부분에 비해서 넓어진 형상을 가지고 있다. 이 넓어진 형상을 가지는 선단부(38a, 38b)에는 각각 고전압 인가용 도체로서의 복수의 핀 도체(36a, 36b)가 과부족 없이 서로 쌍을 이루도록 마련되어 있다.

하우징(31) 및 내부 도체(35a, 35b)로 구성되는 동축 선로는 그 축선방향에서의 중앙부이며, 공동이 넓어진 부분을 제외하고, 특성 임피던스 50Ω으로 형성되어 있어, 고주파 기기와의 매칭을 취하기 쉽게 되어 있다. 또한 하우징(31)의 공동은 그 축선방향 중앙부에 있어서, 테이퍼를 형성하면서 확대되는 동시에, 내부 도체(35a, 35b)에 대해서도 공동의 테이퍼에 따라 테이퍼를 형성하면서, 선단부(38a, 38b)가 넓게 되어 있기 때문에, 임피던스 변환이 원활하게 이루어져, 임피던스 부정합에 의한 전력 반사가 가능한 한 발생하기 어려운 구조로 되어 있다.

상술한 바와 같이, PLLA 처리부(30)는 전송 선로형으로 되어 있기 때문에, 매우 광대역의 주파수에 대하여 응용이 가능하고, 게다가 설계, 제작이 비교적 간단하다는 특징을 가진다.

핀 도체(36a)의 각각과 핀 도체(36b)의 각각은 서로 대향하는 동시에 서로 동일축선상에 위치하도록 위치가 맞춰져 있다. PLLA 시트(1)는 서로 대향하는 핀 도체(36a, 36b) 사이에 끼여 있다. 그리고 서로 대향하는 핀 도체(36a, 36b)의 각 쌍 사이에서 미소한 콘덴서를 형성하도록 되어 있다. 핀 도체(36a, 36b)의 각각의 직경은 0.1mm∼1mm 정도로 되어 있고, 핀 도체(36a, 36b)의 이웃하는 것끼리의 간격은 핀 도체(36a, 36b)의 각각의 반경 이상으로 되어 있다. 핀 도체(36a, 36b)의 개수는 적절히 선택 가능하다. 핀 도체(36a, 36b)의 각각의 직경은 PLLA 시트(1)에 구정이 형성되지 않을 정도로 할 필요가 있기 때문에, 작은 것이 바람직하다.

여기서는 PLLA 시트(1)를 사이에 낀 핀 도체(36a, 36b)는 PLLA 시트(1)의 양측에서 쌍으로 구성되어 있는 예를 게시했지만, 한쪽을 핀 도체로 하고, 다른쪽을 평면형상 도체로 해도 무방하다. 이러한 형태는 후술하는 PLLA 처리부(50)의 설명 중에서 예시한다.

한편 도 4에 나타내는 바와 같이 핀 도체(36a, 36b)가 양쪽에서 쌍으로 되어 있으면, PLLA 시트(1)에 있어서의, 보다 극소한 범위의 가열에 적합하다. 이 대신에, 한쪽을 핀 도체로 하고 다른쪽을 평면형상 도체로 했을 경우에는 장치의 조립이 매우 간단하다는 이점이 초래된다.

내부 도체(35a, 35b) 및 핀 도체(36a, 36b)는 하우징(31)과 마찬가지로 금속으로 구성된다. 여기서 사용되는 금속으로서는 구리, 알루미늄, 황동, 철, 스테인리스강, 인바(invar), 42 알로이 합금 등이 바람직하고, 필요에 따라서 이들에 도금이 실시된다. 철, 스테인리스강, 인바 또는 42 알로이 합금을 사용할 경우에는 도전율이 좋지 않으므로, 전송 손실을 고려하여 구리 도금이나 은 도금을 실시하는 것이 바람직하다.

또한 마이크로파를 전송함으로써 PLLA 시트(1)가 가열되는데, 내부 도체(35a, 35b) 및 핀 도체(36a, 36b)의 열전도율이 높으면, PLLA 시트(1)의 열이 달아나 버리기 때문에, 이 내부 도체(35a, 35b) 및 핀 도체(36a, 36b)에 대해서는 철, 스테인리스강, 인바, 42 알로이 합금 등의 열전도율이 비교적 낮은 재료를 사용해서 구성하는 것이 바람직하다. 특히 핀 도체(36a, 36b)에 대해서는 열팽창도 고려하여, 인바 또는 42 알로이 합금으로 구성하는 것이 바람직하다.

한편 상기 핀 도체(36a, 36b)의 바람직한 배치예에 대해서는 도 10 내지 도 13을 참조하여 후술한다.

상술한 바와 같이, 핀 도체(36a, 36b) 사이에 PLLA 시트(1)가 끼인 상태에서, 마이크로파를 입력하여 PLLA 시트(1)를 국부적으로 가열하고, 또한 고전압을 인가하여, 적어도 일부의 PLLA 분자의 나선축을 상대적으로 두께방향으로 배향시킨 후, 급냉함으로써 PLLA 분자를 고정하는 것이 실시된다.

급냉시에는 예를 들면 하우징(31)의 내부 공동에 냉각용 가스를 분사하게 된다. 냉각용 가스를 분사하기 위한 통로는 도 3 및 도 4에는 도시되지 않았지만, 내부 도체(35a, 35b)의 내부에 냉각용 가스가 흐르는 통로를 마련하고, 냉각시에는 핀 도체(36a, 36b)의 부근에 마련된 분출구로부터, 직접 PLLA 시트(1)를 향해 냉각용 가스가 분사되도록 하는 것이 바람직하다. 냉각하기 위한 구조의 구체예에 대해서는 도 5를 참조하여 후술한다.

내부 도체(35a, 35b)는 각각 도 4(a)에 화살표 39 및 40으로 나타내는 방향으로 이동 가능하게 되어 있으며, 처리 종료 후에 내부 도체(35a, 35b)를 이동시켜 PLLA 시트(1)에 대한 끼임을 해제하고, 가이드 롤러(32a∼32d)를 회전시켜 PLLA 시트(1)를 원하는 양만큼 이동시킨다. PLLA 시트(1)의 이동 후에 다시 내부 도체(35a, 35b)를 이동시키고, 핀 도체(36a, 36b) 사이에 PLLA 시트(1)를 끼워, 상술한 마이크로파 가열, 고전압 인가, 급냉의 프로세스를 실시한다. 이것을 반복함으로써 넓은 범위에 걸쳐, 상대적으로 두께방향으로 나선 분자축이 배향한 고압전 상수의 PLLA 시트(1)를 얻을 수 있다.

다음으로 도 5를 참조하여, PLLA 시트(1)를 냉각하기에 적합한 구조에 대하여 설명한다. 도 5는 도 4에 나타낸 한쪽 내부 도체(35a)를 단면도로 나타내는 동시에, 도 4에서는 도시가 생략되어 있던 하우징(31) 및 내부 도체(35a, 35b)로 이루어지는 전송 선로부의 한쪽 단부를 도시하고 있다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 내부 도체(35a)는 내부가 공동으로 되어 있고, 핀 도체(36a)가 마련되어 있는 선단부(38a)의 단면에는 핀 도체(36a)의 각 위치의 근방에 복수의 분출구(41)가 마련되어 있다. 마이크로파에 의한 전류는 표피 효과에 의해 내부 도체(35a)의 표층을 흐르기 때문에, 내부 도체(35a)의 내부의 공동은 마이크로파의 전송 전류에는 영향을 주지 않는다. 상기 내부 도체(35a)는 다른 내부 도체(42)에 전기적으로 연결되며, 내부 도체(42)측에서 전송되는 전력을 반사하지 않고 전달되도록 되어 있다. 내부 도체(42)가 위치해 있는 동축 선로에 대해서도 특성 임피던스가 50Ω로 되어 있다.

내부 도체(35a)의 다른쪽 끝에는 예를 들면 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어지는 튜브(43)가 삽입되어 있다. 냉각용 가스는 화살표 44의 방향에서 튜브(43)에 도입되고, 이어서 분출구(41)로부터 화살표 45의 방향으로 분출됨으로써, 핀 도체(36a) 및 PLLA 시트(1)(도 5에서는 도시를 생략)를 냉각한다. 냉각용 가스로서는 HCFC(-134a) 또는 LPG가 적합하다. 한편 냉각용 가스 대신에 액체를 사용해도 된다. 액체로서는 예를 들면 액체 질소가 바람직하게 사용되며, 이 경우, 액체 질소는 분출구(41)에서 분무되는 것이 바람직하다.

상술한 것과 같은 냉각을 위한 구조는 내부 도체(35a)측에만 마련되어도 되고, 다른쪽 내부 도체(35b)에만 마련되어도 되며, 나아가 내부 도체(35a, 35b) 쌍방에 마련되어도 된다.

상술한 바와 같은 냉각을 위한 구조에 따르면, PLLA 시트(1)를 효율적으로 냉각할 수 있는 동시에, 냉각용 가스 또는 액체를 낭비 없이 사용할 수 있다.

다음으로 전송 선로형과는 다른 형식의 PLLA 가열부(17)에 대하여 설명한다.

도 6은 도 2에 나타낸 블록도상의 PLLA 가열부(17)를 공진기형으로 구성했을 경우의 보다 상세한 도면으로, PLLA 가열부(17)를 포함하는 PLLA 처리부(50)를 나타내고 있다. 여기서 도 6(a)는 PLLA 처리부(50)의 정면도, 도 6(b)는 PLLA 처리부(50)의 측면도를 나타내고 있다. 또한 도 7(a)는 도 6(b)의 선 B-B를 따라 자른 단면도이고, 도 7(b)는 도 6(a)의 선 A-A를 따라 자른 단면도이다.

PLLA 처리부(50)는 하우징(51)을 가지며, 하우징(51)에는 PLLA 시트(1)를 삽입하기 위한 구멍(55a, 55b)이 마련되어 있다. 한편 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 구멍(55a)이 마련된 벽면과 대향하는 벽면에는 구멍(55a)과 동일한 구멍이 마련되어 있다. 도시하지 않았지만, 구멍(55b)이 마련된 벽면과 대향하는 벽면에도 마찬가지로 구멍(55b)과 동일한 구멍이 마련되어 있다. PLLA 시트(1)는 도 7(a)에 잘 나타나 있듯이, 구멍(55a)과 그것에 대향하는 구멍을 삽입 통과하도록, 또한 구멍(55b)과 그것에 대향하는 구멍을 삽입 통과하도록 배치된다. 도 7에서는 상술한 도 3 및 도 4에 나타낸 PLLA 처리부(30)에 있어서 마련된 가이드 롤러(32a∼32d)에 대응하는 가이드 롤러의 도시를 생략하였다.

하우징(51)은 도전율이 좋은 금속으로 구성되어 있다. 사용되는 금속으로서는 구리, 알루미늄, 황동, 철, 스테인리스강이 바람직하고, 필요에 따라서 이들에 도금이 실시된다. 철 또는 스테인리스강을 사용할 경우에는 도전율이 좋지 않으므로, 삽입 손실을 고려하여 구리 도금 또는 은 도금을 실시하는 것이 바람직하다.

하우징(51)은 전자파를 실드하는 역할을 수행하고 있으며, 내부의 공동이 공진 공동이 된다. PLLA 처리부(50)는 기본적으로 반동축 공동 필터를 이룬다. 하우징(51)은 반동축 공동 필터의 외부 도체가 된다. 도 6 및 도 7에 나타낸 것은 2단의 밴드패스 필터를 구성하고 있다.

하우징(51)의 외측에는 필터에 전력을 공급하는 입출력부로서 커넥터(52a, 52b)가 마련되어 있다. 이러한 밴드패스 필터는 기본적으로 대칭 형상이기 때문에, 커넥터(52a, 52b) 중 어느 쪽을 입력으로 해도 출력으로 해도 무방하다. 여기서는 편의상, 커넥터(52a)를 입력측, 커넥터(52b)를 출력측으로 해서 설명한다.

커넥터(52a)의 중심 도체에는 금속선으로 이루어지는 입력 리드(56a)의 한쪽 끝이 접속되어 있다. 입력 리드(56a)의 다른쪽 끝은 중심 도체(57a)와 접속되어 있다. 중심 도체(57a)의 한쪽 끝에는 복수의 핀 도체(58a)가 마련되어 있다. 핀 도체(58a)의 선단에 대향하도록, 평면형상 도체를 부여하는 베이스 전극(60a)이 마련되어 있다. 핀 도체(58a)의 선단과 베이스 전극(60a) 사이에는 작은 틈이 있어, 여기에 PLLA 시트(1)가 끼이고, 이 부분은 등가 회로적으로 콘덴서를 형성하고 있다. 중심 도체(57a)의 다른쪽 끝은 소정의 거리를 두고, 주파수 조정 나사(53a)의 선단과 대향하고 있다.

상세한 설명은 생략하지만, 커넥터(52b)에 관련되어 마련되는 출력 리드(56b), 중심 도체(57b), 핀 도체(58b), 베이스 전극(60b), 및 주파수 조정 나사(53b)는 도 7(b)로부터 명백한 바와 같이, 각각 상술한 커넥터(52a)에 관련되어 마련되는 출력 리드(56a), 중심 도체(57a), 핀 도체(58a), 베이스 전극(60a), 및 주파수 조정 나사(53a)와 동일한 구성 및 배치로 되어 있다.

중심 도체(57a)와 중심 도체(57b)의 중간 부근에는 결합 조정 나사(54)가 삽입되어 있다.

도시한 구성에서는 PLLA 시트(1)를 사이에 끼고 있는 것은 핀 도체(58a)와 베이스 전극(60a), 혹은 핀 도체(58b)와 베이스 전극(60b)이다. 상술한 도 3 및 도 4에 나타낸 PLLA 처리부(30)의 경우와 마찬가지로 베이스 전극(60a, 60b) 대신에 핀 도체를 배치하고, 핀 도체(58a, 58b) 각각과 쌍을 이루는 구조로 해도 무방하다.

PLLA 처리부(50)에서는 주파수 조정 나사(53a, 53b), 결합 조정 나사(54), 입력 리드(56a), 및 출력 리드(56b)를 조정함으로써, 본래의 전기 설계를 일탈하지 않는 범위 내에서 필터를 원하는 특성으로 조정할 수 있다.

중심 도체(57a, 57b), 주파수 조정 나사(53a, 53b), 결합 조정 나사(54), 베이스 전극(56a, 56b), 및 핀 도체(58a, 58b)는 금속으로 구성되어 있다. 하우징(51)의 경우와 마찬가지로, 여기서 사용되는 금속으로서는 구리, 알루미늄, 황동, 철, 스테인리스강이 바람직하고, 필요에 따라서 이들에 도금이 실시된다. 철 또는 스테인리스강을 사용할 경우에는 도전율이 좋지 않으므로, 삽입 손실을 고려하여 구리 도금 또는 은 도금을 실시하는 것이 바람직하다.

중심 도체(57a, 57b)는 도시하지 않았지만, 저유전율의 절연성 소재에 의해 하우징(51)에 고정되어 있다. 저유전율 소재로서 폴리테트라플루오로에틸렌이 바람직하다.

핀 도체(58a, 58b)의 구성에 관해서는 상술한 PLLA 처리부(30)의 경우와 동일한 설명이 되기 때문에 여기서는 설명을 생략한다.

베이스 전극(60a, 60b)에는 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 외측으로 향하는 개구를 가지는 오목부(spot face)(61)가 형성되고, 이 오목부(61)의 바닥면벽(62)은 매우 얇게 형성되어 있다. 바닥면벽(62)의 두께는 구체적으로는 0.3∼0.8mm 정도인 것이 바람직하다. 베이스 전극(60a, 60b)은 열전도율이 좋은 금속으로 형성하는 것이 바람직하고, 예를 들면 알루미늄, 구리가 바람직하다.

핀 도체(58a, 58b)와 베이스 전극(60a, 60b) 사이에 끼인 PLLA 시트(1)는 마이크로파를 입력함으로써 가열된다. 상술한 바와 같이, 가열된 PLLA 시트(1)에는 고전압을 인가한 후 급냉이 필요하다. 오목부(61)의 바닥면벽(62)에 직접 냉각 가스를 분사함으로써, 바닥면벽(62)은 순식간에 냉각될 수 있다. 이때, 바닥면벽(62)이 열전도율이 좋은 금속으로 구성되고 그 두께가 충분히 얇으면, PLLA 시트(1)도 거의 동시에 냉각되게 된다. 냉각 가스에 관해서는 상술한 바와 같다.

이 PLLA 처리부(50)는 공진기형으로 되어 있기 때문에, PLLA 시트(1)에 가해지는 전계 강도가 전송 선로형에 비해 각별히 높아지는데, 중심주파수 2.4GHz로 설계한 필터에서는 전계 강도가 전송 선로형의 100배나 된다.

도 8은 PLLA 처리부(50)의 간략화 모델을 이용해서 유한 요소법 시뮬레이션을 실시한 결과를 나타내고 있다. 도 8에서 화살표는 전장 벡터를 나타내고 있으며, 그 크기가 전장의 강도를 나타내고 있다. PLLA 시트(1)를 삽입하는 위치에 매우 큰 전장 벡터가 있음을 알 수 있다. 따라서 이 PLLA 처리부(50)에 의하면, 마이크로파에 의한 가열시에, 전송 선로형에 비해 증폭기의 출력을 내리는 것이 가능하다.

상술한 바와 같이, 도 6 및 도 7에 나타낸 PLLA 처리부(50)는 2단의 밴드패스 필터를 구성하고 있다. 반동축 공진기를 1개만 사용한 1단의 필터로 해도 사용 가능하지만, 이 경우에는 공진주파수를 포함해서 매우 근방의 주파수만 통과하는 밴드패스 필터가 되기 때문에 매우 협대역이며 삽입할 수 있는 주파수가 한정된다. 반대로 필터의 단수를 늘리는 것도 가능하며, 필요에 따라서 2단∼10단 정도의 필터로 할 수 있다. 단, 필터의 단수에 제한은 없지만, 제작의 번거로움을 생각하면 10단까지로 하는 것이 경험상 바람직하다. 비(比)대역폭 4% 정도의 필터라면, 4단∼8단 정도의 단수로 비교적 용이하게 제작할 수 있다. 이 때의 통과 대역의 중심주파수를 2GHz로 하면, 대역폭 70MHz의 밴드패스 필터가 되고, 복수의 주파수를 동시에 인가할 수 있는 장치로 할 수 있다.

도 9는 PLLA 처리부를 4단의 밴드패스로 했을 경우의 예를 나타내고 있다. 도 9는 도 7(b)에 대응하는 도면이다. 도 9에서 도 7(b)에 나타낸 요소에 상당하는 요소에는 동일한 참조 부호를 부여하고 중복되는 설명은 생략한다. 도 9에 나타낸 PLLA 처리부(50a)는 중심 도체(57a, 57b)에 추가하여 중심 도체(57c, 57d)를 더 구비하고, 주파수 조정 나사(53a, 53b)에 추가하여 주파수 조정 나사(53c, 53d)를 더 구비하고 있다. 또한 3개의 결합 조정 나사(54a, 54b, 54c)를 구비하고 있다.

도 9에 나타낸 PLLA 처리부(50a)에서는 PLLA 시트(1)에 대한 마이크로파 가열부는 반드시 입력단, 혹은 출력단, 또는 그 양쪽에 마련할 수 있다. 다단의 밴드패스 필터에서는 입출력단에 비교적 큰 에너지가 축적되기 때문에 이 부분의 전계강도가 크다. 또한 고전압은 바이어스 티(16, 18)(도 2 참조)를 통해 인가되기 때문에, 전송 선로(커넥터)의 중심 도체에서 직접 도체로 접속되는 입출력단에서는 고전압의 인가를 간단히 실시할 수 있다.

한편 여기서는 콤 라인(comb-line)형의 4단의 반동축 공동 필터의 예에 대하여 나타냈지만, 일반적으로 잘 알려져 있듯이, 인터디지털형으로 함으로써 매우 광대역의 필터로 할 수도 있다.

다음으로 도 4에 나타낸 핀 도체(36a, 36b)의 바람직한 배치에 관한 몇 가지 실시형태에 대하여 도 10 내지 도 13을 참조하여 설명한다. 도 10 내지 도 13은 도 4에 나타낸 한쪽 내부 도체(35a)의 선단부(38a)의 단면을 PLLA 시트(1)측에서 봤을 때, 핀 도체(36a)를 나타낸 도면이다. 한편 이 도면들에서는 상술한 도 5에 나타낸 분출구(41)의 도시가 생략되어 있다. 또한 다른쪽 핀 도체(36b)에 대해서는 도시 및 설명을 생략하지만, 도시한 핀 도체(36a)와 실질적으로 대칭으로 배치되어 있다.

먼저 도 10을 참조하여, 복수의 핀 도체(36a)가 서로의 사이에 소정의 간격을 두면서 1열로 배치되어 있다.

도 10에 나타낸 실시형태에 따르면, 압전성 발현을 위한 일련의 처리(가열, 고전압 인가 및 냉각)가 완료된 후에, PLLA 시트를 소정의 거리씩 상하방향으로 옮기거나, 좌우방향으로 옮기거나 하고, 이 상태에서 압전성 발현을 위한 일련의 처리를 다시 실시하고 이러한 조작을 반복함으로써, PLLA 시트의 넓은 범위에 걸쳐 압전성을 발현하기 위한 처리가 실시된다.

다음으로 도 11에 나타낸 실시형태에서는 복수의 핀 도체(36a)가, 서로의 사이에 소정의 간격을 두면서 2열을 이루어 배치되어 있다. 그리고 각 열의 핀 도체(36a)의 각각의 위치는 다른 열의 핀 도체(36a)의 각각의 사이에 형성되는 간격 부분에 대응하도록 되어 있다.

도 11에 나타낸 실시형태에 따르면, 압전성 발현을 위한 일련의 처리가 완료된 후에, PLLA 시트를 거리(d)만큼 위쪽(또는 아래쪽)으로 옮기고, 이 상태에서 압전성 발현을 위한 일련의 처리를 다시 실시하고 이러한 조작을 반복함으로써, PLLA 시트의 넓은 범위에 걸쳐 압전성을 발현하기 위한 처리가 실시된다.

다음으로 도 12에 나타낸 실시형태에서는 복수의 핀 도체(36a)가, 서로의 사이에 소정의 간격을 두면서 4열을 이루어 배치되어 있다. 그리고 각 열의 핀 도체(36a)의 각각의 위치는 옆 열의 핀 도체(36a)의 각각의 사이에 형성되는 간격 부분에 대응하도록 되어 있다.

도 12에 나타낸 실시형태에 따르면, 압전성 발현을 위한 일련의 처리가 완료된 후에, PLLA 시트를 거리(d)만큼 위쪽(또는 아래쪽)으로 옮기고, 이 상태에서 압전성 발현을 위한 일련의 처리를 다시 실시하고, 다음에는 PLLA 시트를 거리(d)의 3배만큼 위쪽(또는 아래쪽)으로 옮겨, 이 상태에서 압전성 발현을 위한 일련의 처리를 다시 실시하고, 그 다음에는 PLLA 시트를 거리(d)만큼 위쪽(아래쪽)으로 옮기고, 이 상태에서 압전성 발현을 위한 일련의 처리를 다시 실시한다. 이후, 옮기는 조작을 거리(d)의 3배로 행하는 경우와 옮기는 조작을 거리(d)로 행하는 경우를 번갈아 실시하면서 상술한 것과 같은 조작을 반복함으로써, PLLA 시트의 넓은 범위에 걸쳐 압전성을 발현하기 위한 처리가 실시된다.

보다 넓은 면적에 걸쳐 압전성을 발현하기 위한 처리를 일괄적으로 실시할 수 있는 점에서 도 12에 나타낸 실시형태가 가장 우수하고, 다음으로 우수한 것은 도 11에 나타낸 실시형태이다.

내부 도체(35a, 35b)의 치수 및 핀 도체(36a, 36b)의 가로방향 및 세로방향으로의 배치수는 설계에 따라 적절히 선택하면 된다. 또한 핀 도체(36a, 36b)의 단면은 반드시 원형일 필요는 없고, 타원, 장원(長圓), 정사각형, 다각형 등이어도 된다.

도 13에는 핀 도체(36a)의 단면이 정사각형으로 된 예가 나타나 있다. 도 13에 나타낸 핀 도체(36a)의 배치는 도 12에 나타낸 것과 실질적으로 같지만, 이웃하는 핀 도체(36a)간의 간격은 각 핀 도체(36a)의 단면을 규정하는 정사각형의 한 변의 길이와 동일하게 되어 있다. 한편 도 13에서는 핀 도체(36a)의 위치를 이해하기 쉽도록 핀 도체(36a)에 해칭이 실시되어 있다.

도 13에 나타낸 실시형태에서는 PLLA 시트에 대한 압전성 발현을 위한 처리를 실시하는데 있어서 도 12에 나타낸 실시형태의 경우와 동일한 조작이 실시된다. 그러나 도 12에 나타낸 실시형태의 경우와 다른 점은 도 13에 나타낸 실시형태에 따르면, 미처리 부분이 보다 적은 고압전 상수의 PLLA 시트를 얻을 수 있다는 점이다.

한편 도 10 내지 도 13을 참조하여 설명한 핀 도체(36a, 36b)의 바람직한 배치는 도 7 및 도 9에 나타낸 핀 도체(58a, 58b)의 배치에 있어서도 채용될 수 있다.

1 PLLA 시트
2 PLLA 분자의 나선축
10 제조장치
11, 12 시그널 제너레이터
13 믹서
14 증폭기
16, 18 바이어스 티
17 PLLA 가열부
20 고압 직류 전원
30, 50, 50a PLLA 처리부
31, 51 하우징
35a, 35b 내부 도체
36a, 36b, 58a, 58b 핀 도체
41 분출구
57a, 57b, 57c, 57d 중심 도체
60a, 60b 베이스 전극

Claims

폴리락트산으로 이루어지는 압전체 시트로서,
두께방향으로 압전성을 나타내도록, 가열된 상기 폴리락트산 시트의 두께방향으로 고전압을 인가하여, 적어도 일부의 폴리락트산 분자의 나선축이 상기 압전체 시트의 주면방향에 대하여 5~90도의 방향으로 향해 있는 것을 특징으로 하는 압전체 시트.
폴리락트산 시트를 준비하는 공정과,
마이크로파를 이용해서 상기 폴리락트산 시트를 가열하는 가열 공정과,
상기 폴리락트산 시트의 두께방향으로 압전성을 발현시키기 위해, 가열된 상기 폴리락트산 시트의 두께방향으로 고전압을 인가하여, 적어도 일부의 폴리락트산 분자의 나선축을 상기 폴리락트산 시트의 주면방향에 대하여 5~90도의 방향으로 향하게 하는 고전압 인가 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전체 시트의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 고전압 인가 공정 후, 상기 폴리락트산 시트를 급냉하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전체 시트의 제조방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 고전압 인가 공정은 상기 가열 공정의 적어도 일부와 동시에 실시되는 것을 특징으로 하는 압전체 시트의 제조방법.
고전압 전원과,
상기 고전압 전원으로부터 공급되는 고전압을, 처리되어야 할 폴리락트산 시트의 두께방향으로 인가하기 위해, 상기 폴리락트산 시트를 두께방향으로 사이에 끼도록 배치되는 쌍을 이루는 고전압 인가용 도체와,
마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와,
상기 마이크로파 발생기로부터 마이크로파를 전송하는 동축(同軸) 선로를 포함하고,
상기 고전압 인가용 도체는 상기 동축 선로의 내부 도체에 접속되고, 상기 마이크로파가, 상기 폴리락트산 시트와 상기 고전압 인가용 도체로 구성되는 콘덴서를 통과할 때, 유전 손실에 의한 열이 발생하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전체 시트의 제조장치.
고전압 전원과,
상기 고전압 전원으로부터 공급되는 고전압을, 처리되어야 할 폴리락트산의 두께방향으로 인가하기 위해, 상기 폴리락트산 시트를 두께방향으로 사이에 끼도록 배치되는 쌍을 이루는 고전압 인가용 도체와,
마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와,
상기 마이크로파 발생기로부터 마이크로파를 전송하는 동축 선로와,
상기 동축 선로에 접속되는 적어도 1단의 반동축 공동(cavity) 필터를 포함하고,
상기 고전압 인가용 도체 중 한쪽은 상기 반동축 공동 필터의 중심 도체에 접속되고,
상기 고전압 인가용 도체 중 다른쪽은 상기 반동축 공동 필터의 외부 도체에 접속되며,
상기 마이크로파가 상기 폴리락트산 시트와 상기 고전압 인가용 도체로 구성되는 콘덴서를 통과할 때, 유전 손실에 의한 열이 발생하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전체 시트의 제조장치.
제6항에 있어서,
상기 고전압 인가용 도체 중 한쪽은 복수의 핀형상 도체로 구성되고, 상기 고전압 인가용 도체 중 다른쪽은 평면형상 도체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 압전체 시트의 제조장치.
제6항에 있어서,
상기 고전압 인가용 도체의 한쪽 및 다른쪽은 복수의 핀형상 도체로 구성되고, 상기 복수의 핀형상 도체는 과부족 없이 서로 쌍을 이루도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전체 시트의 제조장치.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마이크로파 발생기에 의해, 서로 다른 주파수를 가지는 복수 종류의 마이크로파가 발생되는 것을 특징으로 하는 압전체 시트의 제조장치.
삭제
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 고전압 인가용 도체는 복수의 핀형상 도체로 구성되는 동시에, 복수열을 이루도록 배치되며, 각 열의 상기 도체의 각각의 위치는 옆 열의 상기 도체의 각각의 사이에 형성되는 간격 부분에 대응하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전체 시트의 제조장치.
제11항에 있어서,
상기 도체는 단면이 정사각형으로 이루어지고, 이웃하는 상기 도체간의 간격은 각 도체의 단면을 규정하는 정사각형의 한 변의 길이와 같게 되어 있는 것을 특징으로 하는 압전체 시트의 제조장치.
제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고전압 인가용 도체의 근방에 마련되는, 상기 폴리락트산 시트를 급냉 하기 위한 냉각용 유체의 분출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전체 시트의 제조장치.