KR101743841B1 - 압전복합체 및 그 제작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말사출성형용 금형을 이용하여 다수의 기둥을 갖는 1-3형 또는 2-2형 압전복합체의 성형품을 제조하는데 있어서 종횡비가 높으면서 단면적이 작은 기둥을 갖는 성형품의 제작을 용이하게 하여 전술한 금형 제작성의 한계를 극복할 수 있도록 하는 압전복합체 및 그 제작 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따른 압전복합체는, 서로 마주하는 제1 판과 제2 판의 사이에 N 개의 기둥이 수직으로 배열된 압전복합체에 있어서, 제1 판 상에 M(M은 N 미만) 개의 기둥과 N-M 개의 구멍이 배열된 제1 성형품; 및 제2 판 상에 N-M 개의 기둥과 M 개의 구멍이 배열된 제2 성형품을 포함하고, 상기 제1 성형품의 기둥과 구멍의 배열이 상기 제2 성형품의 구멍과 기둥의 배열에 각각 대응하도록, 상기 제1 성형품과 상기 제2 성형품이 서로 결합되는 것을 특징으로 한다.

Description

압전복합체 및 그 제작 방법{Piezoelectric Composite Body and Fabrication Method thereof}

본 발명은 압전복합체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부피분율이 높거나 종횡비(aspect ratio, L/D)가 높으면서 단면적이 작은 기둥을 갖는 압전복합체 및 그 압전복합체의 제작 방법에 관한 것이다.

일반적으로, PZT 압전소자를 수중 통신이나 인체에 사용하는 의료용으로 사용할 경우 높은 유전율과 높은 밀도로 인하여 높은 음향 임피던스를 나타내며, 이와 같은 특성에 의하여 부정합이 발생하여 특성이나 효율이 크게 저하된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 일반적으로 정합층을 설계하여 부착하지만, 이보다 압전복합체로 소자를 사용할 경우 정합성이 우수하고 광대역화가 가능하여 초음파 송수신 특성이 향상된다.

압전복합체의 경우 압전소자에 매트릭스(Matrix) 폴리머를 충진하여 제작되며, 결합구조에 따라 0-0, 0-1, 0-2, 0-3, 1-1, 1-3, 2-1, 2-2, 2-3, 3-3 등으로 구분된다. 이와 같은 압전복합체는 정합성, 광대역화 외에도 전기기계 결합계수가 높으며 기계적 유전 및 기계적 손실이 적고 사용처에 따라 다양한 특성으로 설계하여 적용할 수 있다는 장점이 있다.

압전복합체는 1980년 대부터 연구되어 왔으며, 배열(Array) 및 가공(Dice & fill)에 의하여 제작하였으나 이와 같은 방식은 재현성이 확보된 압전복합체의 대형화 및 대량 생산이 어렵다는 단점이 있다.

분말사출성형법(Powder injection molding)은 일반사출성형과 동일한 방법으로, 제작된 금형의 캐비티에 재료를 충진하여 대량으로 제작하는 방법으로 분말사출성형법을 이용하여 압전복합체용 성형품(Preform)을 제작할 경우 3차원 형상의 압전 성형품의 대형화 및 대량 생산이 가능하다.

그러나 분말사출성형용 금형을 이용한 압전복합체의 제작 시 금형 밀핀의 구조상 문제와 가공상의 한계로 인하여 압전체 부피분율이 높거나 종횡비(aspect ratio, L/D)가 높으면서 단면적이 작은 기둥을 갖는 압전복합체의 성형체(성형품)의 제작에 어려움이 있고, 또한 성형체를 제작하더라도 탈지와 소결 중 뒤틀리거나 성형체가 무너지는 등의 금형 제작성의 문제점을 가지고 있다.

공개특허 제10-2007-0031700호(2007.03.20. 공개)

본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 분말사출성형용 금형을 이용하여 다수의 기둥을 갖는 1-3형 또는 2-2형 압전복합체의 성형품을 제조하는데 있어서 종횡비가 높으면서 단면적이 작은 기둥을 갖는 성형품의 제작을 용이하게 하여 전술한 금형 제작성의 한계를 극복할 수 있도록 하는, 압전복합체 및 그 제작 방법을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 압전복합체는, 서로 마주하는 제1 판과 제2 판의 사이에 N 개의 기둥이 수직으로 배열된 압전복합체에 있어서, 제1 판 상에 M(M은 N 미만) 개의 기둥과 N-M 개의 구멍이 배열된 제1 성형품; 및 제2 판 상에 N-M 개의 기둥과 M 개의 구멍이 배열된 제2 성형품을 포함하고, 상기 제1 성형품의 기둥과 구멍의 배열이 상기 제2 성형품의 구멍과 기둥의 배열에 각각 대응하도록, 상기 제1 성형품과 상기 제2 성형품이 서로 결합되는 것을 특징으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 압전복합체의 제작 방법은, 서로 마주하는 제1 판과 제2 판의 사이에 N 개의 기둥이 수직으로 배열된 압전복합체의 제작 방법에 있어서, (a) 제1 판 상에 M(M은 N 미만) 개의 기둥과 N-M 개의 구멍이 배열된 제1 성형품을 만드는 단계; (b) 제2 판 상에 N-M 개의 기둥과 M 개의 구멍이 배열된 제2 성형품을 만드는 단계; 및 (c) 상기 제1 성형품과 상기 제2 성형품을 서로 결합하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 성형품의 기둥과 구멍의 배열은 상기 제2 성형품의 구멍과 기둥의 배열에 각각 대응할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 다양한 측면에 따르면, 압전복합체의 제작 시 기둥과 구멍이 양측으로 대응하여 분산 배열된 제1 및 제2 성형체를 제작한 후 서로 조립 및 결합하여 소결하므로, 이를 통하여 기둥의 변형을 최소화하여 높은 종횡비가 확보된 압전복합체를 제작할 수 있고, 이를 통하여 우수한 특성의 압전복합체를 제작할 수 있다.

도 1의 (a), (b), 및 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 1-3형 압전복합체의 결합 사시도, 분리 사시도, 및 단면도이다.
도 2의 (a), (b), 및 (c)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 1-3형 압전복합체의 결합 사시도, 분리 사시도, 및 단면도이다.
도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2-2형 압전복합체의 결합 사시도 및 분리 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 1-3형 압전복합체의 기둥 배열 패턴에 대한 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 2-2형 압전복합체의 기둥 배열에 대한 다양한 실시예를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 구체적으로 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 한다. 또한, 본 발명의 실시예에 대한 설명 시 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1의 (a), (b), 및 (c)는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 1-3형 압전복합체의 결합 사시도, 분리 사시도, 및 단면도를 나타내는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 1-3형 압전복합체는, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 서로 마주하는 제1 성형품(10)의 제1 판(11)과 제2 성형품(20)의 제2 판(21)과의 사이에 N 개의 기둥(12,22)이 수직으로 배열되어 있다. 여기서 N은 본 발명의 일 실시예에 따른 1-3형 압전복합체의 기둥(12,22)의 총 개수를 나타낸다.

도 1의 (b)(c)를 보면, 제1 성형품(10)은 양면을 가진 사각 형태의 제1 판(11), 제1 판(11)의 일면 상에 형성된 기둥(12)과 구멍(13)을 포함할 수 있다.

기둥(12)은 제1 판(11)의 일면으로부터 수직으로 일정 길이 연장 형성된 것으로, M(M은 N 미만) 개의 기둥(12)이 제1 판(11)의 일면 상에 일정한 패턴으로 배열(도 4 참조)되어 있고, 일 예로 기둥(12)의 개수 M은 N/2개로 형성할 수 있다.

구멍(13)은 제1 판(11)의 일면 상에 일정 깊이의 오목 홈으로 형성된 것으로, N-M 개의 구멍(13)이 제1 판(11)의 일면 상에 일정한 패턴으로 배열(도 4 참조)되어 있고, 일 예로 구멍(13)의 개수 N-M은 N/2개로 형성할 수 있다.

본 실시예에서 기둥(12)과 구멍(13)의 배열 패턴은 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 기둥(12)과 구멍(13)이 행과 열 방향으로 1개씩 번갈아 가며 배열되어 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 배열 형태를 가질 수 있다.

다시 도 1의 (b)(c)를 보면, 제2 성형품(20)은 양면을 가진 사각 형태의 제2 판(21), 제2 판(21)의 일면 상에 형성된 기둥(22)과 구멍(23)을 포함할 수 있다.

기둥(22)은 제2 판(21)의 일면으로부터 수직으로 일정 길이 연장 형성된 것으로, N-M 개의 기둥(22)이 제2 판(21)의 일면 상에 일정한 패턴으로 배열(도 4 참조)되어 있고, 본 실시예에서 기둥(22)의 개수 N-M은 N/2개로 형성할 수 있다.

구멍(23)은 제2 판(21)의 일면 상에 일정 깊이의 오목 홈으로 형성된 것으로, M 개의 구멍(23)이 제2 판(21)의 일면 상에 일정한 패턴으로 배열(도 4 참조)되어 있고, 본 실시예에서 구멍(23)의 개수 M은 N/2개로 형성할 수 있다.

본 실시예에서 기둥(12)과 구멍(13)의 배열 패턴은 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 기둥(12)과 구멍(13)이 행과 열 방향으로 1개씩 번갈아 가며 배열되어 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 배열 형태를 가질 수 있다.

도 1의 (b)(c)를 보면 제1 성형품(10)의 기둥(12)과 구멍(13)의 배열은 제2 성형품(20)의 구멍(23)과 기둥(22)의 배열에 각각 대응하는 패턴으로 형성되고, 도 1의 (a)와 같이 제1 성형품(10)의 기둥(12)과 구멍(13)이 제2 성형품(20)의 구멍(23)과 기둥(22)에 각각 대응하도록 제1 성형품(10)과 제2 성형품(20)이 서로 결합되어 본 실시예에 따른 압전복합체가 구성된다.

본 실시예에서 제1 성형품(10)의 구멍(13)은 제2 성형품(20)의 기둥(22)의 단부를 끼워 고정할 수 있는 오목 홈으로 형성할 수 있고, 제2 성형품(20)의 구멍(23)은 제1 성형품(10)의 기둥(12)의 단부를 끼워 고정할 수 있는 오목 홈으로 형성할 수 있다.

제1 및 제2 성형품(10,20)은 각각 분말사출성형법을 이용하여 제작할 수 있다.

도 2의 (a), (b), 및 (c)는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 1-3형 압전복합체의 결합 사시도, 분리 사시도, 및 단면도를 나타내는 것으로, 도 2의 실시예에 따른 압전복합체는 도 1의 실시예에 따른 압전복합체와 비교하여 구멍(14,24)의 형태만 다르고 다른 구성은 동일하다.

예컨대, 도 1의 실시예에 다른 압전복합체는 구멍(13,23)이 오목 홈의 형태로 구성된 반면, 도 2의 실시예에 따른 압전복합체는 동 도면에 도시된 바와 같이 구멍(14,24)이 관통 홀의 형태로 구성된 차이가 있다.

즉, 도 2의 실시예에서 제1 성형품(10)의 구멍(14)은 제2 성형품(20)의 기둥(22)의 단부를 끼워 고정할 수 있도록 제1 판(11)이 완전히 타공된 관통 홀의 형태로 형성할 수 있고, 제2 성형품(20)의 구멍(24)은 제1 성형품(10)의 기둥(12)의 단부를 끼워 고정할 수 있도록 제2 판(21)이 완전히 타공된 관통 홀의 형태로 형성할 수 있는데, 이는 분말사출성형법을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 압전복합체 제작 시 폴리머를 충진하는 과정에서 보다 용이하게 충진이 이루어 지며, 폴리머 내부의 공기가 밖으로 잘 배출되도록 할 수 있다.

도 3의 (a) 및 (b)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 2-2형 압전복합체의 결합 사시도 및 분리 사시도를 나타낸 것으로, 도 1과 도 2의 실시예가 1-3형 압전복합체 형상이라면, 도 3의 실시예는 2-2형 압전복합체의 형상을 나타낸 것이고, 도 1 및 도 2의 실시예와 비교하여 기둥 및 구멍의 형상을 제외하고 그 밖의 기본 구조는 실질적으로 동일할 수 있다.

도 3의 실시예에 따른 2-2형 압전복합체는, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 서로 마주하는 제1 성형품(30)의 제1 판(31)과 제2 성형품(40)의 제2 판(41)과의 사이에 N 개의 기둥(32,42)이 수직으로 배열되어 있다. 여기서 N은 본 발명의 실시예에 따른 2-2형 압전복합체의 기둥(32,42)의 총 개수를 나타낸다.

도 3의 (b)를 보면, 제1 성형품(30)은 양면을 가진 사각 형태의 제1 판(31), 제1 판(31)의 일면 상에 형성된 기둥(32)과 구멍(33)을 포함할 수 있다.

기둥(32)은 제1 판(31)의 일면으로부터 수직으로 일정 길이 연장 형성된 것으로, M(M은 N 미만) 개의 기둥(32)이 제1 판(31)의 일면 상에 일정한 패턴으로 배열(도 5 참조)되어 있고, 일 예로 기둥(32)의 개수 M은 N/2개로 형성할 수 있다.

구멍(33)은 제1 판(31)의 일면 상에 일정 깊이의 오목 홈으로 형성된 것으로, N-M 개의 구멍(33)이 제1 판(31)의 일면 상에 일정한 패턴으로 배열(도 5 참조)되어 있고, 일 예로 구멍(33)의 개수 N-M은 N/2개로 형성할 수 있다.

본 실시예에서 기둥(32)과 구멍(33)의 배열 패턴은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 기둥(32)과 구멍(33)이 열 방향으로 1개씩 번갈아 가며 배열되어 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 배열 형태를 가질 수 있다.

다시 도 3의 (b)를 보면, 제2 성형품(40)은 양면을 가진 사각 형태의 제2 판(41), 제2 판(41)의 일면 상에 형성된 기둥(42)과 구멍(43)을 포함할 수 있다.

기둥(42)은 제2 판(41)의 일면으로부터 수직으로 일정 길이 연장 형성된 것으로, N-M 개의 기둥(42)이 제2 판(41)의 일면 상에 일정한 패턴으로 배열(도 5 참조)되어 있고, 본 실시예에서 기둥(42)의 개수 N-M은 N/2개로 형성할 수 있다.

구멍(43)은 제2 판(41)의 일면 상에 일정 깊이의 오목 홈으로 형성된 것으로, M 개의 구멍(43)이 제2 판(41)의 일면 상에 일정한 패턴으로 배열(도 5 참조)되어 있고, 본 실시예에서 구멍(43)의 개수 M은 N/2개로 형성할 수 있다.

본 실시예에서 기둥(42)과 구멍(43)의 배열 패턴은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 기둥(42)과 구멍(43)이 열 방향으로 1개씩 번갈아 가며 배열되어 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 배열 형태를 가질 수 있다.

도 3의 (a)(b)를 보면 제1 성형품(30)의 기둥(32)과 구멍(33)의 배열은 제2 성형품(40)의 구멍(43)과 기둥(42)의 배열에 각각 대응하는 패턴으로 형성되고, 제1 성형품(30)의 기둥(32)과 구멍(33)이 제2 성형품(40)의 구멍(43)과 기둥(42)에 각각 대응하도록 제1 성형품(30)과 제2 성형품(40)이 서로 결합되어 본 실시예에 따른 압전복합체가 구성된다.

본 실시예에서 제1 성형품(30)의 구멍(33)은 제2 성형품(40)의 기둥(42)의 단부를 끼워 고정할 수 있는 오목 홈 또는 관통 홀로 형성할 수 있고, 제2 성형품(40)의 구멍(43)은 제1 성형품(20)의 기둥(22)의 단부를 끼워 고정할 수 있는 오목 홈 또는 관통 홀로 형성할 수 있다.

제1 및 제2 성형품(30,40)은 각각 분말사출성형법을 이용하여 제작할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 1-3형 압전복합체의 기둥/구멍의 다양한 배열 패턴의 실시예를 나타낸 것이다.

도 4의 (a)는 2x2 행렬 그룹의 기둥(12,22)과 구멍(13,23)(14,24)이 행과 열 방향으로 번갈아 배열된 패턴을 나타낸다.

도 4의 (b)는 기둥(12,22)과 구멍(13,23)(14,24)이 행과 열 방향으로 1개씩 번갈아 가며 배열된 패턴을 나타낸다.

도 4의 (c)는 횡 방향 1열로 배열된 그룹의 기둥(12,22)과 구멍(13,23)(14,24)이 서로 평행하게 교차 배열된 패턴을 나타낸다.

그 밖에 본 발명에 따른 1-3형 압전복합체의 기둥과 구멍은 도 4의 (d)(e)(f)에 도시된 바와 같이 다양한 패턴의 배열로 형성될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 2-2형 압전복합체의 기둥 배열에 대한 다양한 실시예를 나타낸 도면으로, 도 5의 (a)는 기둥(32,42)과 구멍(33,43)이 1개씩 서로 평행하게 교차 배열된 패턴을 나타내고, 도 5의 (b)는 기둥(32,42)과 구멍(33,43)이 2개씩 서로 평행하게 교차 배열된 패턴을 나타내며, 그 밖에 다양한 패턴의 배열로 형성될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10,20,30,40: 압전복합체용 성형품
11,21,31,41: 압전복합체용 성형품의 제1,2 판
12,22,32,42: 압전복합체용 성형품의 기둥
13,23,33,43: 압전복합체 성형품의 구멍

Claims (14)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. (a) 제1 판 상에 M(M은 N 미만) 개의 기둥과 N-M 개의 구멍이 배열된 제1 성형품을 만드는 단계;
   (b) 제2 판 상에 N-M 개의 기둥과 M 개의 구멍이 배열된 제2 성형품을 만드는 단계; 및
   (c) 상기 제1 성형품의 기둥과 구멍의 배열이 상기 제2 성형품의 구멍과 기둥의 배열에 각각 대응하게 상기 제1 성형품과 상기 제2 성형품을 서로 결합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전성형체의 제작 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 성형품은 분말사출성형법을 이용하여 만드는 것을 특징으로 하는 압전성형체의 제작 방법.
9. 제7항에 있어서,
   상기 구멍은 상기 기둥의 단부를 고정할 수 있는 오목 홈으로 형성하는 것을 특징으로 하는 압전성형체의 제작 방법.
10. 제7항에 있어서,
    상기 구멍은 상기 기둥의 단부를 고정할 수 있는 관통 홀로 형성하는 것을 특징으로 하는 압전성형체의 제작 방법.
11. 제7항에 있어서,
    상기 M은 N/2인 것을 특징으로 하는 압전성형체의 제작 방법.
12. 제7항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 성형품은 1-3형 또는 2-2형 압전복합체용 성형품인 것을 특징으로 하는 압전성형체의 제작 방법.
13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    (d) 상기 압전성형체를 소결시키는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전성형체의 제작 방법.
14. 제13항에 있어서,
    (e) 상기 압전성형체에 폴리머를 충진시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전복합체의 제작 방법.

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