KR102454903B1 - Piezoelectric composite, method of manufacturing the same, and magnetoelectric laminate structure having the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 높은 자기전기 성능을 가지는 15-모드의 압전 복합체 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체는, 상부 전극; 상기 상부 전극에 대향하여 배치되는 하부 전극; 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 개재되고, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 각각 접촉하고 서로 이격되어 배치된 복수의 압전 부재들을 포함하는 압전층; 및 상기 압전 부재들 사이에 개재되어 서로 접착시키는 접착 부재;를 포함한다.The present invention provides a 15-mode piezoelectric composite having high magnetoelectric performance and a method for manufacturing the same. A piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention includes an upper electrode; a lower electrode disposed to face the upper electrode; a piezoelectric layer interposed between the upper electrode and the lower electrode, the piezoelectric layer including a plurality of piezoelectric members respectively contacting the upper electrode and the lower electrode and spaced apart from each other; and an adhesive member interposed between the piezoelectric members to adhere to each other.
Description
본 발명의 기술적 사상은 15-모드의 분극을 가지는 압전 복합체, 그의 제조방법 및 이를 포함하는 자기전기 적층형 구조체에 관한 것이다.The technical idea of the present invention relates to a piezoelectric composite having 15-mode polarization, a method for manufacturing the same, and a magnetoelectric stacked structure including the same.
자기장에 의하여 전기 분극을 형성하는 기술이나 전기장에 의하여 자화되는 기술은 자기장 센서들, 조정가능한 위상 쉬프터들(phase shifter), 인덕터들, 광학 요소들, 및 에너지 하베스터들과 같은 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다. 자기전기(magneto-electric) 효과로서 지칭되는 전기 질서(electric order)와 자기 질서(magnetic order) 사이의 강한 커플링에 기반한 기능들을 가지는 물질들을 구현함으로써, 미래의 전자장치 및 다기능성 물질들을 획기적으로 다변화시킬 수 있다. 또한, 단일상 소재, 박막 소재, 및 적층형 복합체 소재와 같은 다양한 유형의 물질들에 대한 연구가 현재 진행되고 있다. 종래의 연구에서, 다른 종류의 물질들과 비교하여 2-2 연결성을 가지는 자기전기 적층형 복합체 구조체들은 수 배의 크기의 자기전기 효과를 나타내었다. 따라서, 대부분의 적층형 복합체 구조체들은 제조가 용이한 31-모드의 압전층들로 구성되는 것이 일반적이다. 최근에는. 자기전기 감도를 증가시키기 위하여 33-모드의 압전층들을 사용한 기술이 보고되었다. 또한, 결정 이방성에 의존하여 증가된 자기전기 반응을 구현하기 위하여 32-모드의 압전 결정에 대한 연구도 진행되고 있다. 높은 자기전기 성능을 얻기 위하여는 15-모드의 압전체를 사용하는 것이 바람직하지만, 이를 위한 설계 기술과 공정 기술이 확립되지 않은 한계가 있다. Techniques that create electrical polarization by magnetic fields or techniques that are magnetized by an electric field can be applied to a variety of applications, such as magnetic field sensors, tunable phase shifters, inductors, optical elements, and energy harvesters. have. By realizing materials with functions based on a strong coupling between electric and magnetic order, referred to as the magneto-electric effect, the electronic devices and multifunctional materials of the future will be dramatically improved. can be diversified. In addition, research on various types of materials such as single-phase materials, thin-film materials, and laminated composite materials is currently underway. In a previous study, magnetoelectric stacked composite structures having 2-2 connectivity exhibited a magnetoelectric effect several times larger than that of other types of materials. Accordingly, most laminated composite structures are generally composed of 31-mode piezoelectric layers that are easy to manufacture. In recent years. A technique using 33-mode piezoelectric layers to increase magnetoelectric sensitivity has been reported. In addition, studies on 32-mode piezoelectric crystals are being conducted to realize an increased magnetoelectric response depending on crystal anisotropy. In order to obtain high magnetoelectric performance, it is preferable to use a 15-mode piezoelectric material, but there is a limit in that design technology and process technology for this are not established.
15-모드 구현을 위해서는 전극과 평행한 방향으로 압전체의 분극을 형성시켜야 하는데 소자의 길이가 너무 길면 분극 공정시 고전계에 의한 절연파괴 현상 때문에 소자 제조가 어렵고, 매우 얇은 두께의 소자는 전극과 평행한 길이방향으로의 분극 공정이 용이하지 않아 대면적의 박형 소자가 필요한 분야에 15-모드 압전 소자가 적용되지 못하고 있다.In order to implement 15-mode, the polarization of the piezoelectric body must be formed in the direction parallel to the electrode. If the length of the device is too long, it is difficult to manufacture the device due to the dielectric breakdown caused by the high electric field during the polarization process. The 15-mode piezoelectric element cannot be applied to a field requiring a large-area thin element because the polarization process in one longitudinal direction is not easy.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 자기전기 성능을 가지는 15-모드의 압전 복합체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a 15-mode piezoelectric composite having high magnetoelectric performance and a method for manufacturing the same.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 자기전기 성능을 가지는 15-모드의 압전 복합체를 포함한 자기전기 적층형 구조체를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the technical idea of the present invention is to provide a magnetoelectric laminated structure including a 15-mode piezoelectric composite having high magnetoelectric performance.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 압전 복합체는, 상부 전극; 상기 상부 전극에 대향하여 배치되는 하부 전극; 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 개재되고, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 각각 접촉하고 서로 이격되어 배치된 복수의 압전 부재들을 포함하는 압전층; 및 상기 압전 부재들 사이에 개재되어 서로 접착시키는 접착 부재;를 포함한다.A piezoelectric composite according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem, an upper electrode; a lower electrode disposed to face the upper electrode; a piezoelectric layer interposed between the upper electrode and the lower electrode, the piezoelectric layer including a plurality of piezoelectric members respectively contacting the upper electrode and the lower electrode and spaced apart from each other; and an adhesive member interposed between the piezoelectric members to adhere to each other.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 압전 부재들은 상기 상부 전극의 연장 방향과 상기 하부 전극의 연장 방향과 평행한 15-모드의 분극을 가질 수 있다.In some embodiments of the present disclosure, the piezoelectric members may have 15-mode polarization parallel to the extending direction of the upper electrode and the extending direction of the lower electrode.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 압전 복합체는 전단 모드의 압전 현상을 발생시킬 수 있다.In some embodiments of the present invention, the piezoelectric composite may generate a shear mode piezoelectric phenomenon.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 압전 복합체는 두께가 0.1 mm 이상이고 길이가 100 mm 이하일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the piezoelectric composite may have a thickness of 0.1 mm or more and a length of 100 mm or less.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 압전층은 세라믹 강유전체를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the piezoelectric layer may include a ceramic ferroelectric.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 접착 부재는 에폭시 레진을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the adhesive member may include an epoxy resin.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극은 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈, 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the upper electrode and the lower electrode may include gold, silver, platinum, palladium, nickel, copper, aluminum, or an alloy thereof.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 압전 복합체의 제조 방법은, 제1 방향으로 분극된 31-모드의 복수의 압전 세라믹 평판들을 준비하는 단계; 상기 복수의 압전 세라믹 평판들을 접착 부재를 이용하여 접착하여 적층하는 단계; 상기 적층된 압전 세라믹 평판들을 상기 제1 방향을 따라서 1차 절단하여 제1 면을 형성하는 단계; 상기 적층된 압전 세라믹 평판들을 상기 1차 절단 방향에 수직으로 상기 제1 방향을 따라서 2차 절단하여 상기 제1 면에 수직으로 배치된 제2 면과 제3 면을 형성하는 단계; 및 상기 제2 면에 상부 전극을 형성하고, 상기 제3 면에 하부 전극을 형성하여, 제2 방향으로 분극된 15-모드의 압전 복합체를 형성하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing a piezoelectric composite according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem includes the steps of: preparing a plurality of 31-mode piezoelectric ceramic flat plates polarized in a first direction; adhering and laminating the plurality of piezoelectric ceramic plates using an adhesive member; forming a first surface by first cutting the stacked piezoelectric ceramic flat plates along the first direction; forming second and third surfaces perpendicular to the first surface by second cutting the stacked piezoelectric ceramic flat plates along the first direction perpendicular to the first cutting direction; and forming an upper electrode on the second surface and a lower electrode on the third surface to form a 15-mode piezoelectric composite polarized in a second direction.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 복수의 압전 세라믹 평판들을 준비하는 단계는, 상기 제1 방향으로 양 단부에 배치된 상면 전극과 하면 전극을 각각 포함하고 제1 방향으로 분극되어 있는 압전체를 준비하는 단계와 상기 상면 전극과 상기 하면 전극을 제거하는 단계로 수행될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the step of preparing the plurality of piezoelectric ceramic flat plates includes a piezoelectric body polarized in the first direction, each including an upper electrode and a lower electrode disposed at both ends in the first direction. It may be performed by preparing and removing the upper electrode and the lower electrode.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 적층된 압전 세라믹 평판들을 상기 제1 방향을 따라서 1차 절단하여 제1 면을 형성하는 단계, 상기 적층된 압전 세라믹 평판들을 상기 제1 방향을 따라서 2차 절단하여 상기 제1 면에 수직으로 배치된 제2 면과 제3 면을 형성하는 단계, 및 상기 제2 면에 상부 전극을 형성하고, 상기 제3 면에 하부 전극을 형성하여, 제2 방향으로 분극된 15-모드의 압전 복합체를 형성하는 단계는 반복하여 수행되어 복수의 상기 15-모드의 압전 복합체를 형성할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the step of forming a first surface by first cutting the stacked piezoelectric ceramic flat plates along the first direction, the stacked piezoelectric ceramic flat plates secondarily along the first direction cutting to form a second surface and a third surface disposed perpendicular to the first surface, and forming an upper electrode on the second surface, and forming a lower electrode on the third surface, in a second direction The step of forming the polarized 15-mode piezoelectric composite may be repeatedly performed to form a plurality of the 15-mode piezoelectric composites.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 자기전기 적층형 구조체는, 서로 반대의 분극 방향을 가지고, 상기 분극 방향과 평행하게 일직선 상에 배치된 한 쌍의 압전 복합체들; 상기 한 쌍의 압전 복합체들의 상측에 배치되고 자왜가 발생하는 제1 자왜층; 및 상기 한 쌍의 압전 복합체들의 하측에 배치된 하부층;을 포함한다.A magneto-electric stacked structure according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical object includes a pair of piezoelectric composites having opposite polarization directions and arranged on a straight line parallel to the polarization direction; a first magnetostrictive layer disposed above the pair of piezoelectric composites and generating magnetostriction; and a lower layer disposed below the pair of piezoelectric composites.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 압전 복합체들 각각은, 상부 전극; 상기 상부 전극에 대향하여 배치되는 하부 전극; 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 개재되고, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 각각 접촉하고 서로 이격되어 배치된 복수의 압전 부재들을 포함하는 압전층; 및 상기 압전 부재들 사이에 개재되어 서로 접착시키는 접착 부재;를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, each of the piezoelectric composites, an upper electrode; a lower electrode disposed to face the upper electrode; a piezoelectric layer interposed between the upper electrode and the lower electrode, the piezoelectric layer including a plurality of piezoelectric members respectively contacting the upper electrode and the lower electrode and spaced apart from each other; and an adhesive member interposed between the piezoelectric members to adhere to each other.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 하부층은 자왜가 발생하는 제2 자왜층일 수 있고, 상기 제1 자왜층의 압자기 계수와 상기 하부층의 압자기 계수는 서로 반대의 부호를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the lower layer may be a second magnetostrictive layer in which magnetostriction occurs, and a piezoelectric coefficient of the first magnetostrictive layer and a piezoelectric coefficient of the lower layer may have opposite signs.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 자왜층은 양의 압자기 계수를 가질 수 있고, 상기 하부층은 음의 압자기 계수를 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, the first magnetostrictive layer may have a positive piezoelectric coefficient, and the lower layer may have a negative piezoelectric coefficient.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 자왜층은 양의 압자기 계수를 가질 수 있고, 상기 하부층은 자왜가 발생하지 않는 지지층일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the first magnetostrictive layer may have a positive piezoelectric coefficient, and the lower layer may be a support layer in which magnetostriction does not occur.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 자왜층은 음의 압자기 계수를 가질 수 있고, 상기 하부층은 자왜가 발생하지 않는 지지층일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the first magnetostrictive layer may have a negative piezomagnetic coefficient, and the lower layer may be a support layer in which magnetostriction does not occur.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 자왜층은 Fe-B-Si계 비정질 합금을 포함할 수 있고, 상기 하부층은 니켈을 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the first magnetostrictive layer may include an Fe-B-Si-based amorphous alloy, and the lower layer may include nickel.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 한 쌍의 압전 복합체들 사이에 배치되어 서로 이격하는 분리 영역을 더 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, a separation region disposed between the pair of piezoelectric composites and spaced apart from each other may be further included.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 압전 복합체들 각각은 15-모드의 분극을 가질 수 있다.In some embodiments of the present invention, each of the piezoelectric composites may have a 15-mode polarization.
본 발명의 기술적 사상에 따른 압전 복합체 및 이를 포함하는 자기전기 적층형 구조체는 다양한 차세대 전자장치들에 응용될 가능성을 가지므로 주목받고 있다. 자기전기 복합체에 사용되는 압전 물질은 장치의 전기적 성능에 매우 중요한 요인이다. The piezoelectric composite according to the technical idea of the present invention and the magnetoelectric stacked structure including the same are attracting attention because they have the potential to be applied to various next-generation electronic devices. The piezoelectric material used in the magnetoelectric composite is a very important factor in the electrical performance of the device.
본 발명에서는, 15-모드의 압전 복합체의 기본적인 특성들과 자기전기 응용들에 대하여 분석하였다. 새로운 제조 공정에 의하여 제조된 센티미터 크기의 15-모드의 압전 복합체는 우수한 압전 특성들을 가지고 15-모드 동작을 성공적으로 수행하였다. 상기 압전 특성은, d15 = 793 x 10-12 CN- 1 , g15 = 32 x 10-3 VmN-1, k15 = 0.62 및 d15·g15 = 25376 x 10-15 m2N- 1 이었다. 15-모드의 압전 복합체들을 이용하여 전단 응력을 발생하도록 설계된 자기전기 적층형 구조체를 제조하였고, 자기전기 특성들을 분석하였다. 상기 자기전기 적층형 구조체로부터 660 Hz의 저주파수에서 18.4 V cm-1 Oe- 1 의 큰 자기전기 전압계수를 얻었다. 이러한 결과는 고성능 자기전기 장치들에의 응용을 위한 15-모드의 압전 복합체의 가능성을 제시한다.In the present invention, the basic properties and magnetoelectric applications of the 15-mode piezoelectric composite were analyzed. The centimeter-sized 15-mode piezoelectric composite manufactured by the new manufacturing process had excellent piezoelectric properties and successfully performed 15-mode operation. The piezoelectric properties are, d 15 = 793 x 10 -12 CN - 1 , g 15 = 32 x 10 -3 VmN -1 , k 15 = 0.62 and d 15 g 15 = 25376 x 10 -15 m 2 N - 1 It was. A magnetoelectric laminated structure designed to generate shear stress was prepared using 15-mode piezoelectric composites, and magnetoelectric properties were analyzed. A large magnetoelectric voltage coefficient of 18.4 V cm -1 Oe -1 was obtained from the magneto - electric stacked structure at a low frequency of 660 Hz. These results suggest the possibility of 15-mode piezoelectric composites for applications in high-performance magnetoelectric devices.
상기 자기전기 적층형 구조체는 응력 센서, 가속도 센서 등의 압전 센서, 정밀 위치 제어기, 초음파 모터 등의 압전 액츄에이터, 및 진동 에너지 또는 자기장 에너지를 저장하는 에너지 하베스터에 응용될 수 있다.The magneto-electric stacked structure may be applied to a piezoelectric sensor such as a stress sensor and an acceleration sensor, a piezoelectric actuator such as a precision position controller and an ultrasonic motor, and an energy harvester for storing vibration energy or magnetic field energy.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above-described effects of the present invention have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체의 모드에 따른 인가 응력과 분극을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 도 3의 압전 복합체의 제조 방법을 도시한 개략도들이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체의 단면을 나타내는 주사전자 현미경 사진들이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체의 X-선 회절 패턴들을 나타내는 그래프들이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체의 치수 변화에 따른 임피던스 스펙트럼 및 위상각 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른, 압전 복합체를 포함하는 자기전기 적층형 구조체를 도시하는 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자기전기 적층형 구조체의 자기전기 전압계수를 측정하는 방법을 도시하는 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 자기전기 적층형 구조체들의 구조 개략도 및 측정된 위상각 스펙트럼들을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 자기전기 적층형 구조체들의 직류 자기장에 대한 자기전기 전압계수를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 자기전기 적층형 구조체들의 교류 자기장에 대한 자기전기 전압계수를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 다양한 두께를 가지는 자기전기 적층형 구조체들의 길이를 40 mm로 증가시켰을 때 교류 자기장에 대한 자기전기 전압계수를 나타내는 그래프이다.1 is a schematic diagram showing applied stress and polarization according to a mode of a piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram illustrating a piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram illustrating a method of manufacturing the piezoelectric composite of FIG. 3 according to an embodiment of the present invention.
5 is a scanning electron microscope photograph showing a cross section of a piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing X-ray diffraction patterns of a piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing an impedance spectrum and a phase angle spectrum according to a dimensional change of a piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention.
8 is a schematic diagram illustrating a magnetoelectric laminated structure including a piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention.
9 is a schematic diagram illustrating a method of measuring a magnetoelectric voltage coefficient of a magnetoelectric stacked structure according to an embodiment of the present invention.
10 is a structural schematic diagram and a graph showing measured phase angle spectra of magnetoelectric stacked structures according to an embodiment of the present invention.
11 is a graph showing the magnetoelectric voltage coefficient with respect to the direct current magnetic field of the magnetoelectric stacked structures according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing the magnetoelectric voltage coefficient with respect to the alternating magnetic field of the magnetoelectric stacked structures according to an embodiment of the present invention.
13 is a graph showing the magnetoelectric voltage coefficient for an alternating magnetic field when the length of the magneto-electric stacked structures having various thicknesses is increased to 40 mm according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the technical idea of the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided so as to more fully and complete the present disclosure, and to fully convey the technical spirit of the present invention to those skilled in the art. In the present specification, the same reference numerals refer to the same elements throughout. Furthermore, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Accordingly, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체의 모드에 따른 인가 응력과 분극을 나타내는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing applied stress and polarization according to a mode of a piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 녹색 화살표는 인가된 응력을 나타내고 흑색 화살표는 압전체 내에 존재하는 분극을 나타낸다. 31-모드의 압전체의 경우에는 응력 방향과 분극 방향이 수직이 되고, 33-모드의 압전체 및 15-모드의 압전체에서는 상기 응력 방향과 분극 방향이 평행하게 된다. 상기 31-모드의 압전체와 상기 33-모드의 압전체에서는 인장 및 수축 응력이 작용하게 되고, 상기 15-모드의 압전체에서는 전단 응력이 작용하게 된다. 동일한 크기로 응력이 인가되는 경우, 31-모드의 압전체 및 33-모드의 압전체에 비하여 15-모드의 압전체의 분극 변화가 더 크게 된다. 하기에 설명하는 자기전기 적층형 구조체에서 나타나는 자기전기 효과는 압전층의 특성과 자왜층의 특성의 시너지 효과에 의한 것이므로, 높은 자기전기 효과를 얻기 위하여는, 15-모드의 압전체와 같이 분극 변화가 큰 고성능의 압전 물질들을 사용할 필요가 있다.Referring to FIG. 1 , the green arrow indicates the applied stress and the black arrow indicates the polarization present in the piezoelectric body. In the case of the 31-mode piezoelectric body, the stress direction and the polarization direction are perpendicular, and in the 33-mode piezoelectric body and the 15-mode piezoelectric body, the stress direction and the polarization direction are parallel. Tensile and contractile stresses are applied to the 31-mode piezoelectric body and the 33-mode piezoelectric body, and shear stress is applied to the 15-mode piezoelectric body. When the same magnitude of stress is applied, the polarization change of the 15-mode piezoelectric body becomes larger than that of the 31-mode piezoelectric body and the 33-mode piezoelectric body. The magnetoelectric effect shown in the magnetoelectric stacked structure described below is due to the synergistic effect of the characteristics of the piezoelectric layer and the magnetostrictive layer. It is necessary to use high-performance piezoelectric materials.
자기전기 적층형 구조체 내에 포함되는 15-모드의 압전체를 제조하는 경우에는, 분극 방향과 전극 평면들이 서로 평행하게 배치되어야 한다. 상기 압전 복합체의 길이가 센티미터 스케일로 증가되는 경우에는, 길이 방향의 폴링(poling) 공정이 매우 어려워지고, 따라서 자기전기 장치들이 상대적으로 작은 크기로 제한되어 왔다. 일반적으로, 자기전기 적층형 구조체의 자기전기 효과는 공진 영역에서 최대가 되고, 주로 압전체의 특성에 의존한다. 따라서, 매우 작은 크기로 제조된 압전체는 수십 Hz 내지 수백 Hz 범위의 자기장의 주파수를 사용하는 자기전기 장치에 응용되기 어렵다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 적어도 센티미터 스케일을 가지는 압전체를 포함하는 자기전기 적층형(laminate) 구조체를 제공한다.In the case of manufacturing the 15-mode piezoelectric body included in the magnetoelectric laminated structure, the polarization direction and the electrode planes should be arranged parallel to each other. When the length of the piezoelectric composite is increased on a centimeter scale, a poling process in the longitudinal direction becomes very difficult, and thus magnetoelectric devices have been limited to a relatively small size. In general, the magnetoelectric effect of the magnetoelectric laminated structure is maximized in the resonance region, and mainly depends on the characteristics of the piezoelectric body. Therefore, a piezoelectric body manufactured with a very small size is difficult to be applied to a magnetoelectric device using a frequency of a magnetic field in the range of several tens of Hz to several hundreds of Hz. Accordingly, the technical idea of the present invention provides a magnetoelectric laminate structure including a piezoelectric body having at least a centimeter scale.
본 발명의 기술적 사상은 개별적인 압전 세라믹 물질로 구성된 복수의 압전 부재와 이들을 서로 접착시키고 구조를 이루는 에폭시 레진으로 구성된 접착 부재를 포함하는 15-모드의 압전 복합체를 제공하는 것이다. 또한, 상기 15-모드의 압전 복합체의 특성과 함께 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 상기 15-모드의 압전 복합체를 포함하여 구성된 자기전기 적층형 구조체의 특성들을 분석한다. 상기 압전 복합체는 성공적인 15-모드 동작을 수행할 수 있다. 상기 압전 복합체로 구성된 상기 자기전기 적층형 구조체는 저주파수 영역에서 굽힘 공진을 가짐을 알 수 있다. 또한, 자기전기 특성들에 대한 상기 압전 복합체의 치수 효과를 분석한다.The technical idea of the present invention is to provide a 15-mode piezoelectric composite including a plurality of piezoelectric members made of individual piezoelectric ceramic materials and an adhesive member made of an epoxy resin that forms a structure by bonding them to each other. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the 15-mode piezoelectric composite along with the properties thereof. In addition, the properties of the magnetoelectric stacked structure including the 15-mode piezoelectric composite are analyzed. The piezoelectric composite is capable of successful 15-mode operation. It can be seen that the magnetoelectric stacked structure composed of the piezoelectric composite has bending resonance in a low frequency region. In addition, the dimensional effect of the piezoelectric composite on the magnetoelectric properties is analyzed.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체(10)를 도시하는 개략도이다.2 is a schematic diagram illustrating a piezoelectric composite 10 according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 압전 복합체(10)는 상부 전극(11), 하부 전극(12), 압전층(16), 및 접착 부재(18)를 포함한다.Referring to FIG. 2 , the
상부 전극(11)과 하부 전극(12)는 서로 대향하여 배치될 수 있다. 상부 전극(11)과 하부 전극(12)은 전도성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속, 탄소 물질 또는 전도성 에폭시를 포함할 수 있다. 상부 전극(11)과 하부 전극(12)은, 예를 들어 금, 은, 백금, 팔라듐, 니켈, 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.The
압전층(16)은 상부 전극(11)과 하부 전극(12) 사이에 개재될 수 있고, 복수의 압전 부재들(14)을 포함할 수 있다. 압전 부재들(14)은 상부 전극(11)과 하부 전극(12)에 각각 전기적으로 접촉하거나 또는 물리적으로 접촉하고, 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이러한 배치에 의하여 압전 부재들(14)은 상부 전극(11)과 하부 전극(12) 사이의 공간에서 기둥 형태를 이룰 수 있다. 압전 부재들(14)은 압전 세라믹 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 세라믹 강유전체를 포함할 수 있다. 세라믹 강유전체는 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)을 포함할 수 있다.The
접착 부재(18)는 압전 부재들(14) 사이에 개재되어 서로 접착시킬 수 있다. 접착 부재(18)는 상부 전극(11)과 하부 전극(12)과 접촉할 수 있고, 이러한 경우에는 압전 부재들(14)과 함께 압전층(16)의 구조 요소로 기능할 수 있다.The
접착 부재(18)는 다양한 접착성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 에폭시 레진을 포함할 수 있다.The
압전 부재들(14)은 흑색 화살표로 표시된 바와 같이 15-모드의 분극을 가질 수 있다. 상기 15-모드의 분극은 상부 전극(11)의 연장 방향과 하부 전극(12)의 연장 방향과 평행하게 배치된다. 압전층(16)은 전단 모드의 압전 현상을 발생시킬 수 있다.The
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체의 제조 방법(S100)을 도시한 흐름도이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 도 3의 압전 복합체의 제조 방법(S100)을 도시한 개략도들이다.3 is a flowchart illustrating a method ( S100 ) of manufacturing a piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention. 4 is a schematic diagram illustrating a method ( S100 ) of manufacturing the piezoelectric composite of FIG. 3 according to an embodiment of the present invention.
도 3 및 도 4를 참조하면, 압전 복합체의 제조 방법(S100)은, 제1 방향으로 양 단부에 배치된 상면 전극과 하면 전극을 각각 포함하고, 상기 제1 방향으로 분극된 31-모드의 복수의 압전 세라믹 평판들을 준비하는 단계(S110); 상기 상면 전극과 상기 하면 전극을 제거하는 단계(S120); 상기 복수의 압전 세라믹 평판들을 접착 부재를 이용하여 접착하여 적층하는 단계(S130); 상기 적층된 압전 세라믹 평판들을 상기 제1 방향을 따라서 1차 절단하여 제1 면을 형성하는 단계(S140); 상기 적층된 압전 세라믹 평판들을 상기 제1 방향을 따라서 2차 절단하여 상기 제1 면에 수직으로 배치된 제2 면과 제3 면을 형성하는 단계(S150); 및 상기 제2 면에 상부 전극을 형성하고, 상기 제3 면에 하부 전극을 형성하여, 제2 방향으로 분극된 15-모드의 압전 복합체를 형성하는 단계(S160);를 포함한다.Referring to FIGS. 3 and 4 , the method ( S100 ) of manufacturing a piezoelectric composite includes an upper electrode and a lower electrode disposed at both ends in a first direction, respectively, and a plurality of 31-modes polarized in the first direction preparing piezoelectric ceramic plates of (S110); removing the upper electrode and the lower electrode (S120); adhering and laminating the plurality of piezoelectric ceramic plates using an adhesive member (S130); forming a first surface by first cutting the stacked piezoelectric ceramic flat plates in the first direction (S140); secondly cutting the stacked piezoelectric ceramic flat plates along the first direction to form second and third surfaces disposed perpendicular to the first surface (S150); and forming an upper electrode on the second surface and a lower electrode on the third surface to form a 15-mode piezoelectric composite polarized in the second direction (S160).
도 4에서, 제1 방향, 즉 수직 방향의 흑색 화살표는 상기 31-모드의 분극 방향을 나타낸다. 제2 방향, 즉 수평 방향의 흑색 화살표는 상기 15-모드의 분극 방향을 나타낸다.In FIG. 4 , a black arrow in the first direction, ie, a vertical direction, indicates the polarization direction of the 31-mode. A black arrow in the second direction, that is, in the horizontal direction, indicates the polarization direction of the 15-mode.
상기 단계(S140), 상기 단계(S150), 및 상기 단계(S160)를 반복하여 수행하여 복수의 상기 15-모드의 압전 복합체를 형성할 수 있다. 상기 복수의 상기 15-모드의 압전 복합체는 다양한 치수를 가질 수 있고, 또한 대량 생산을 할 수 있다.The step (S140), the step (S150), and the step (S160) may be repeated to form a plurality of the 15-mode piezoelectric composites. The plurality of the 15-mode piezoelectric composites may have various dimensions and may be mass-produced.
상기 복수의 압전 세라믹 평판들은 세라믹 강유전체인 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) 를 포함할 수 있고, 예를 들어 100 μm 내지 2000 μm 범위의 두께, 예를 들어 약 130 μm의 두께를 가질 수 있다. 상기 상면 전극과 상기 하면 전극은 전도성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 은, 니켈 또는 니켈 합금을 포함할 수 있다. 상기 복수의 압전 세라믹 평판들은 상업적으로 구할 수 있고, 예를 들어 PSI-5H4E (Piezo Systems, Inc.)로 구성될 수 있다.The plurality of piezoelectric ceramic plates may include Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT), which is a ceramic ferroelectric, and may have, for example, a thickness ranging from 100 μm to 2000 μm, for example, a thickness of about 130 μm. have. The upper electrode and the lower electrode may include a conductive material, for example, silver, nickel, or a nickel alloy. The plurality of piezoelectric ceramic plates are commercially available, and may be composed of, for example, PSI-5H4E (Piezo Systems, Inc.).
상기 상면 전극과 상기 하면 전극을 제거하는 단계(S120)는 기계적 연마, 화학적 식각, 또는 이들의 조합에 의하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 상면 전극와 상기 하면 전극이 니켈로 구성되고, 상온(약 25℃)에서 질산을 이용하여 식각 제거할 수 있다. 또한, 상기 상면 전극과 상기 하면 전극을 제거하는 단계(S120)는 선택적이며 생략될 수 있다. 즉, 상기 31-모드의 복수의 압전 세라믹 평판이 상기 상면 전극과 상기 하면 전극이 미리 제거되어 있을 수 있다.The step of removing the upper electrode and the lower electrode ( S120 ) may be performed by mechanical polishing, chemical etching, or a combination thereof. For example, the upper electrode and the lower electrode are made of nickel, and may be etched away using nitric acid at room temperature (about 25° C.). In addition, the step of removing the upper electrode and the lower electrode ( S120 ) is optional and may be omitted. That is, the upper electrode and the lower electrode of the plurality of 31-mode piezoelectric ceramic plates may be previously removed.
상기 접착 부재는 다양한 접착 물질을 포함할 수 있다. 상기 접착 부재는, 예를 들어 에폭시 레진(DP460, 3M사 제조)을 포함할 수 있고, 이 경우에는 80℃의 온도에서 경화 공정을 수행할 수 있다. 상기 접착 부재는 5 μm 내지 15 μm 범위의 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 약 8 μm 의 두께를 가질 수 있다. 상기 접착 부재의 두께는 적층시 인가되는 압력에 의하여 제어될 수 있다.The adhesive member may include various adhesive materials. The adhesive member may include, for example, an epoxy resin (DP460, manufactured by 3M), and in this case, a curing process may be performed at a temperature of 80°C. The adhesive member may have a thickness in a range of 5 μm to 15 μm, for example, about 8 μm. The thickness of the adhesive member may be controlled by pressure applied during lamination.
상기 상부 전극과 상기 하부 전극은, 다양한 형성 방식을 이용하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극은 증착(evaporation), 스퍼터링, 전도성 에폭시 도포, 금속 페이스트 도포 등의 방법으로 형성할 수 있다.The upper electrode and the lower electrode may be formed using various forming methods. For example, the upper electrode and the lower electrode may be formed by a method such as evaporation, sputtering, conductive epoxy coating, or metal paste coating.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체의 단면을 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.5 is a scanning electron microscope photograph showing a cross-section of a piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 도 5의 (a)의 사각형 영역은 확대되어 도 5의 (b)에 나타나 있다. 흑색 화살표는 15-모드의 분극을 나타낸다. 압전 복합체는 PZT로 구성된 압전 부재들과 상기 압전 부재들 사이에 개재된 에폭시(epoxy)로 구성된 접착 부재가 적층되어 구성되고, 상기 접착 부재와 상기 압전 부재들의 접착이 매우 양호하게 이루어짐을 알 수 있다.Referring to FIG. 5 , the rectangular area of FIG. 5A is enlarged and shown in FIG. 5B . Black arrows indicate 15-mode polarization. The piezoelectric composite is constructed by stacking piezoelectric members made of PZT and an adhesive member made of epoxy interposed between the piezoelectric members, and it can be seen that the adhesion between the adhesive member and the piezoelectric members is very good. .
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체의 X-선 회절 패턴들을 나타내는 그래프들이다.6 is a graph showing X-ray diffraction patterns of a piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention.
도 6의 (a)는, 상기 압전 부재의 분극 상태를 확인하기 위하여, 상기 압전 복합체의 상기 제2 면 및 상기 제3 면에 해당되는 표면 I 에 대한 X-선 회절 패턴 그래프이고, 도 6의 (b)는, 상기 압전 복합체의 상기 제1 면, 상기 제2 면 및 상기 제3 면에 수직하는 표면 II 에 대한 X-선 회절 패턴 그래프이다. "C"는 입방정계를 나타내고, "T"는 정방정계를 나타낸다. 참고로, 상부 전극과 하부 전극은 배치하지 않고 X-선 회절 패턴을 얻음에 유의한다.Figure 6 (a) is an X-ray diffraction pattern graph for the surface I corresponding to the second surface and the third surface of the piezoelectric composite in order to confirm the polarization state of the piezoelectric member, (b) is an X-ray diffraction pattern graph for the surface II perpendicular to the first surface, the second surface, and the third surface of the piezoelectric composite. "C" represents a cubic system, and "T" represents a tetragonal system. Note that, for reference, an X-ray diffraction pattern is obtained without disposing the upper electrode and the lower electrode.
상기 표면 I 에서는 정방정계 (002) 피크의 강도가 정방정계 (200) 피크의 강도에 비하여 낮았다. 반면, 상기 표면 II 에서는 정방정계 (002) 피크의 강도가 정방정계 (200) 피크의 강도에 비하여 높았다. 상기 (002) 결정면은 강유전성 정방정계 상(phase)의 자발적 분극 방향에 대하여 수직인 면이다. 상기 PZT 세라믹들의 X-선 회절 패턴들에서의 상기 정방정계 (002) 피크의 강도는 폴링 공정을 수행한 후에는 자구(domain) 정렬에 의하여 일반적으로 증가한다. 따라서, 분극 방향은 상기 표면 I에 평행하고 상기 표면 II에 수직이 됨을 알 수 있다. 이러한 결과로부터, 기계적 절단 공정 이후에도 상기 PZT로 구성된 압전 부재들의 분극 상태가 안정적으로 유지됨을 알 수 있다.In the surface I, the intensity of the tetragonal (002) peak was lower than that of the tetragonal (200) peak. On the other hand, on the surface II, the intensity of the tetragonal (002) peak was higher than that of the tetragonal (200) peak. The (002) crystal plane is a plane perpendicular to the spontaneous polarization direction of the ferroelectric tetragonal phase. The intensity of the tetragonal (002) peak in the X-ray diffraction patterns of the PZT ceramics generally increases due to domain alignment after performing the Pauling process. Accordingly, it can be seen that the polarization direction is parallel to the surface I and perpendicular to the surface II. From these results, it can be seen that the polarization state of the piezoelectric members composed of the PZT is stably maintained even after the mechanical cutting process.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 압전 복합체의 치수 변화에 따른 임피던스 스펙트럼 및 위상각 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing an impedance spectrum and a phase angle spectrum according to a dimensional change of a piezoelectric composite according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 15-모드의 압전 복합체를 임피던스 분석기(Agilent 4294A)를 이용하여 500 Hz 내지 5 MHz 범위의 주파수에서 임피던스 스펙트럼 및 위상각 스펙트럼을 측정한 결과이다. 내부 도면은 상기 압전 복합체의 치수를 나타낸다. 상기 압전 복합체는 0.26 mm 내지 0.68 mm 범위의 두께와 3.3 mm 내지 10 mm 범위의 길이를 가지도록 다양한 두께와 길이로서 형성하였다. 폭은 5 mm로 동일하게 하였다. 그러나, 이러한 치수들은 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 압전 복합체는, 예를 들어 두께가 0.1 mm 이상이고 길이가 100 mm 이하일 수 있다. 구체적인 예로서 본 발명의 압전 복합체는 두께가 0.1~10 mm, 0.1~1 mm 일 수 있고, 길이가 1~100 mm, 1~10 mm 일 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.Referring to FIG. 7 , the impedance spectrum and phase angle spectrum of the 15-mode piezoelectric composite are measured at a frequency ranging from 500 Hz to 5 MHz using an impedance analyzer (Agilent 4294A). The inner drawing shows the dimensions of the piezoelectric composite. The piezoelectric composite was formed in various thicknesses and lengths to have a thickness ranging from 0.26 mm to 0.68 mm and a length ranging from 3.3 mm to 10 mm. The width was the same as 5 mm. However, these dimensions are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto. The piezoelectric composite may have a thickness of 0.1 mm or more and a length of 100 mm or less, for example. As a specific example, the piezoelectric composite of the present invention may have a thickness of 0.1 to 10 mm and 0.1 to 1 mm, and a length of 1 to 100 mm and 1 to 10 mm. However, the present invention is not limited thereto.
0.26 mm 두께의 압전 복합체들은 3.3 mm 내지 6.6 mm 범위의 길이들에서도 2.8 MHz의 동일한 주파수에서 전기기계적 공진을 나타내었다. 다시 말하면, 상기 압전 복합체의 전기기계적 공진은 압전 복합체들의 길이에 의존하지 않고 두께에만 의존한다. 또한, 낮은 주파수 영역에서는 더 이상의 공진이 나타나지 않는다. 따라서, 31-모드 등과 같은 다른 모드의 동작을 포함하지 않고, 개별적인 압전 부재들의 기여를 합하여 상기 압전 복합체가 전체적으로 효과적인 15-모드 동작을 수행하는 것으로 분석된다. 명확한 임피던스 공진 피크 및 반공진 피크가 관찰되며, 위상각의 변화가 양수 값으로 변화하는 것을 토대로 효과적인 전단 모드의 압전 현상이 존재함을 알 수 있다.The 0.26 mm thick piezoelectric composites exhibited electromechanical resonance at the same frequency of 2.8 MHz even at lengths ranging from 3.3 mm to 6.6 mm. In other words, the electromechanical resonance of the piezoelectric composite does not depend on the length of the piezoelectric composite, but only on the thickness. In addition, no more resonance appears in the low frequency region. Accordingly, it is analyzed that the piezoelectric composite performs an effective 15-mode operation as a whole by summing the contributions of individual piezoelectric members without including the operation of other modes such as 31-mode. A clear impedance resonance peak and anti-resonance peak are observed, and it can be seen that an effective shear mode piezoelectric phenomenon exists based on the change in the phase angle to a positive value.
상기 15-모드의 압전 복합체의 주파수 상수(N15)는 하기의 식 1에 의하여 계산하면, 720 Hz m가 산출될 수 있다.When the frequency constant (N 15 ) of the 15-mode piezoelectric composite is calculated by
<식 1><
여기에서, fr 는 공진 주파수이고, l 은 소리 파동의 반 파장으로서 상기 복합체의 두께이다.where f r is the resonant frequency and l is the thickness of the composite as half-wavelength of the sound wave.
0.48 mm 두께를 가지는 시편의 공진 주파수는 1.5 MHz 이고, 0.68 mm 두께를 가지는 시편의 공진 주파수는 1.06 MHz 이다. 식 1을 이용하여 산출한 주파수 상수는 도 7의 측정 값과 잘 일치하였다. 상기 15-모드의 압전 복합체의 전기기계적 커플링 계수(k15)를 하기의 식 2를 이용하여 산출하였다. The resonant frequency of the specimen having a thickness of 0.48 mm is 1.5 MHz, and that of the specimen having a thickness of 0.68 mm is 1.06 MHz. The frequency constant calculated using
<식 2><Equation 2>
여기에서, fr 는 공진 주파수이고, fa 는 반공진 주파수이다.Here, f r is the resonant frequency, and f a is the antiresonant frequency.
상기 15-모드의 압전 복합체의 압전변위상수(d15)는 하기의 식 3을 이용하여 산출하였다. The piezoelectric displacement constant (d 15 ) of the 15-mode piezoelectric composite was calculated using Equation 3 below.
<식 3><Equation 3>
여기에서, εT 11 는 상기 압전 복합체의 유전율, ρ 는 상기 압전 복합체의 밀도, 및 t 는 상기 압전 복합체의 두께이다.Here, ε T 11 is the dielectric constant of the piezoelectric composite, ρ is the density of the piezoelectric composite, and t is the thickness of the piezoelectric composite.
상기 15-모드의 압전 복합체의 전기기계적 특성과 유전 특성이 표 1에 정리되어 있다. 표 1에는, 31-모드의 PZT 시편과 33-모드의 PZT 시편에 대한 전기기계적 특성과 유전 특성이 함께 나타나있다. 여기에서, d는 압전변위상수이고, g는 압전전압상수이다.Table 1 summarizes the electromechanical properties and dielectric properties of the 15-mode piezoelectric composite. Table 1 shows the electromechanical and dielectric properties of the 31-mode PZT specimen and the 33-mode PZT specimen together. Here, d is the piezoelectric displacement constant, and g is the piezoelectric voltage constant.
(x 10-12 CN-1)d
(x 10 -12 CN -1 )
(x 10-3 VmN-1)g
(x 10 -3 VmN -1 )
(1kHz에서)ε T /ε 0
(at 1kHz)
(1kHz에서)tan δ
(at 1kHz)
표 1을 참조하면, 상기 압전 복합체의 높은 전기기계적 커플링 계수(k) 및 압전변위상수(d), 및 압전전압상수(g)는 압전 복합체 내에서 15-모드가 효과적으로 이루어짐을 확인할 수 있다. 또한, 높은 압전전압상수 및 낮은 유전 손실(즉, 손실율)은 하기의 식 4의 자기전기 전압계수(α)를 증가시키기 위하여 매우 중요하다.Referring to Table 1, it can be seen that the high electromechanical coupling coefficient (k), piezoelectric displacement constant (d), and piezoelectric voltage constant (g) of the piezoelectric composite are effectively 15-mode in the piezoelectric composite. In addition, a high piezoelectric voltage constant and a low dielectric loss (ie, loss ratio) are very important in order to increase the magnetoelectric voltage coefficient (α) of Equation 4 below.
<식 4><Equation 4>
여기에서, EAC 는 출력 전기장, HAC 는 입력 자기장, n 은 자왜층의 부피 분율, q 는 압자기 계수, SE 는 압전층의 탄성 용량, SH 는 자왜층의 탄성 용량, tan θ 는 압전 손실, C 는 주어진 주파수에서의 정전 용량, 및 Cf 는 자유 정전 용량이다.where E AC is the output electric field, H AC is the input magnetic field, n is the volume fraction of the magnetostrictive layer, q is the piezoelectric coefficient, S E is the elastic capacitance of the piezoelectric layer, S H is the elastic capacitance of the magnetostrictive layer, and tan θ is Piezoelectric loss, C is the capacitance at a given frequency, and C f is the free capacitance.
또한, 상기 15-모드의 압전 복합체는 25376 x 10-15 m2 N- 1 의 높은 에너지 변환 계수(d·g)를 가진다. 이러한 결과는 상기 15-모드의 압전 복합체가 에너지 하베스터 기술분야로도 응용 가능함을 나타낸다.In addition, the 15 - mode piezoelectric composite has a high energy conversion coefficient (d·g) of 25376 x 10 -15 m 2 N -1 . These results indicate that the 15-mode piezoelectric composite can also be applied to the energy harvester technology field.
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른, 상술한 압전 복합체를 포함하는 자기전기 적층형 구조체에 대하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a magnetoelectric stacked structure including the above-described piezoelectric composite according to the technical spirit of the present invention will be described.
자기장 하에서 상기 15-모드의 압전 복합체로부터 전압을 발생시키려면, 전단 응력이 상기 압전 복합체에 인가되도록 자기전기 시편이 정밀하게 설계될 필요가 있다. 따라서, 상술한 15-모드의 압전 복합체의 자기전기 장치들에 대한 응용가능성을 검증하기 위한 설계 개념을 설명하기로 한다.In order to generate a voltage from the 15-mode piezoelectric composite under a magnetic field, a magnetoelectric specimen needs to be precisely designed so that a shear stress is applied to the piezoelectric composite. Therefore, a design concept for verifying the applicability of the above-described 15-mode piezoelectric composite to magnetoelectric devices will be described.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른, 압전 복합체를 포함하는 자기전기 적층형 구조체(100)를 도시하는 개략도이다. 도 8의 (a)는 자기장을 인가하기 전의 구조를 나타내고, 도 8의 (b)는 자기장을 인가한 후의 구조를 나타낸다.8 is a schematic diagram illustrating a magnetoelectric
도 8의 (a)를 참조하면, 자기전기 적층형 구조체(100)는, 서로 반대의 분극 방향을 가지고, 상기 분극 방향과 평행하게 일직선 상에 배치된 한 쌍의 압전 복합체들(10a, 10b); 한 쌍의 압전 복합체들(10a, 10b)의 상측에 배치되고 자왜가 발생하는 제1 자왜층(20); 한 쌍의 압전 복합체들(10a, 10b)의 하측에 배치된 하부층(30)을 포함한다.Referring to (a) of FIG. 8 , the magneto-electric
한 쌍의 압전 복합체들(10a, 10b) 각각은 상술한 바와 같이 15-모드의 분극을 가지는 압전 복합체로 구성될 수 있고, 구체적으로, 상부 전극; 상기 상부 전극에 대향하여 배치되는 하부 전극; 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 개재되고, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 각각 접촉하고 서로 이격되어 배치된 복수의 압전 부재들을 포함하는 압전층; 및 상기 압전 부재들 사이에 개재되어 서로 접착시키는 접착 부재;를 포함할 수 있다.Each of the pair of
하부층(30)은 자왜가 발생하는 제2 자왜층이고, 제1 자왜층(20)의 압자기 계수와 상기 제2 자왜층의 압자기 계수는 서로 반대의 부호를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 자왜층(20)은 양의 압자기 계수를 가지고, 하부층(30)은 음의 압자기 계수를 가질 수 있다. 또는, 이와 반대로, 제1 자왜층(20)은 음의 압자기 계수를 가지고, 하부층(30)은 양의 압자기 계수를 가질 수 있다.The
하부층(30)은 자왜가 발생하지 않는 지지층일 수 있고, 제1 자왜층(20)은 양의 압자기 계수를 가질 수 있다. 또는, 하부층(30)은 자왜가 발생하지 않는 지지층일 수 있고, 제1 자왜층(20)은 음의 압자기 계수를 가질 수 있다. 참고로, 압자기 계수(q)는 dλ/dH 이며, 여기에서 λ는 자왜값이다.The
자기전기 적층형 구조체(100)는, 상기 한 쌍의 압전 복합체들 사이에 배치되어 서로 이격시키는 분리 영역(40)(nodal component)을 더 포함할 수 있다.The magnetoelectric
도 8의 (b)를 참조하면, 분극 방향과 평행하게 길이 방향으로 자기장이 인가되면, 양의 압자기 계수를 가지는 제1 자왜층(20)은 인장된다. 만일 제1 자왜층(20)이 음이 압자기 계수를 가지는 경우에는 수축된다. 하부층(30)이 지지층인 경우에는 변형되지 않는다. 그러나, 하부층(30)이 음의 압자기 계수를 가지는 경우에는 수축된다. 하부층(30)이 변형되지 않거나 또는 수축되는 경우, 제1 자왜층(20)의 인장에 의하여 압전 복합체(10a, 10b)에 전단 응력이 각각 발생하게 되고, 이에 따라 전압(V)이 발생할 수 있다. 여기에서, 압전 복합체(10a)에 발생하는 전단 응력과 압전 복합체(10b)에 발생하는 전단 응력은 반대 방향으로 이루어진다.Referring to FIG. 8B , when a magnetic field is applied in the longitudinal direction parallel to the polarization direction, the first
압전 복합체(10a, 10b)와 제1 자왜층(20)의 결합 및 압전 복합체(10a, 10b)와 하부층(30)의 결합은 에폭시 레진을 이용하여 구현될 수 있다.The bonding of the
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 자기전기 적층형 구조체의 자기전기 전압계수를 측정하는 방법을 도시하는 개략도이다.9 is a schematic diagram illustrating a method of measuring a magnetoelectric voltage coefficient of a magnetoelectric stacked structure according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, (a)는 자기전기 적층형 구조체를 형성하는 방법을 도시한 개략도이고, (b)는 준비된 세 가지 다른 유형의 다른 자기전기 적층형 구조체들이고, (c)는 자기전기 전압계수를 측정하기 위한 장치를 도시한다.9, (a) is a schematic diagram showing a method of forming a magnetoelectric laminated structure, (b) is three different types of prepared different magnetoelectric laminated structures, (c) is a magnetoelectric voltage coefficient A device for measuring is shown.
상기 자기전기 적층형 구조체들에서, 압전 복합체(piezoelectric composite, PC)의 상부에 배치된 제1 자왜층(20)은 Fe-B-Si계 비정질 합금으로 형성할 수 있다. 일 실시예에서 Fe-B-Si계 비정질 합금으로 멧글라스(Metglas 2605SA1)을 사용할 수 있다. In the magnetoelectric stacked structures, the first
후술하는 실시예에서는 제1 자왜층(20)은 모두 동일하게 90 μm 두께의 멧글라스(Metglas 2605SA1, 이하 "멧글라스"라 함)을 사용하였다. In an embodiment to be described later, all of the first
하부층(30)은 90 μm 두께의 멧글라스, 100 μm 두께의 SUS304, 100 μm 두께의 니켈을 각각 이용하였다. 여기에서, 상기 SUS304는 자기장에 대하여 약하게 반응하는 물질로서 지지층으로서 선택하였고, 상기 니켈은 음의 압자기 계수를 가지는 물질로서 선택하였다. For the
자기전기 전압계수의 측정을 위하여, 전자석(Electromagnet)의 중앙에 헬름홀츠(Helmholtz) 코일을 배치하고, 상기 헬름홀츠 코일의 중앙에 자기전기 적층형 구조체를 배치하였다. 상기 자기전기 적층형 구조체에서 발생한 전압을 록인(lock-in) 증폭기(Stanford Research System, SR850)를 이용하여 측정하였다.For the measurement of the magnetoelectric voltage coefficient, a Helmholtz coil was disposed in the center of an electromagnet, and a magnetoelectric stacked structure was disposed in the center of the Helmholtz coil. The voltage generated in the magnetoelectric stacked structure was measured using a lock-in amplifier (Stanford Research System, SR850).
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 자기전기 적층형 구조체들의 구조 개략도 및 측정된 위상각 스펙트럼들을 나타내는 그래프이다.10 is a structural schematic diagram of magnetoelectric stacked structures according to an embodiment of the present invention and a graph showing measured phase angle spectra.
도 10을 참조하면, 상기 자기전기 적층형 구조체들의 위상각 스펙트럼들을 500 Hz 내지 3.5 kHz 범위의 주파수에서 분석하였다. 도 7을 참조하여 상술한 바와 같이, 15-모드의 압전 복합체 자체는 상기 저주파수 영역에서는 공진 현상을 나타내지 않는다. 그러나, 상기 자기전기 적층형 구조체들은 몇 개의 공진 피크들을 나타낸다. 상기 자기전기 적층형 구조체들에 전기장을 인가하면, 상기 자기전기 적층형 구조체 내의 한 쌍의 압전 복합체들은 한 쌍의 압전 복합체들의 분극 방향들이 서로 반대이므로 서로 반대 방향으로 전단 변형을 발생시킨다. 따라서, 상기 자기전기 적층형 구조체들에 구조적인 굽힘 동작이 유도될 수 있고, 이에 따라 낮은 주파수에서 공진 피크들을 나타내는 것으로 분석된다. 동일한 치수의 동일한 물질들을 이용하여 31-모드의 시편을 형성하는 경우에는, 전기기계적 공진 주파수는 약 70.5 kHz이 되며, 이는 식 5의 관계에 의한다.Referring to FIG. 10 , the phase angle spectra of the magnetoelectric stacked structures were analyzed at frequencies ranging from 500 Hz to 3.5 kHz. As described above with reference to FIG. 7 , the 15-mode piezoelectric composite itself does not exhibit a resonance phenomenon in the low frequency region. However, the magnetoelectric stacked structures exhibit several resonance peaks. When an electric field is applied to the magnetoelectric stacked structures, the pair of piezoelectric composites in the magnetoelectric stacked structure generate shear deformation in opposite directions because the polarization directions of the pair of piezoelectric composites are opposite to each other. Accordingly, it is analyzed that a structural bending operation may be induced in the magnetoelectric stacked structures, and thus, resonance peaks at low frequencies are exhibited. When the 31-mode specimen is formed using the same materials of the same dimensions, the electromechanical resonance frequency becomes about 70.5 kHz, which is based on the relation of
<식 5><
따라서, 1 kHz 내지 3.5 kHz 영역에서 상기 낮은 주파수에서의 공진들은 31-모드 동작 또는 15-모드 동작에 기인하기 보다는 구조적인 굽힘 동작에 기인하는 것으로 분석된다. 멧글라스/압전 복합체/멧글라스(Metglas/PC/Metglas) 자기전기 적층형 구조체와 멧글라스/압전 복합체/SUS304(Metglas/PC/ SUS304) 자기전기 적층형 구조체는 유사한 위치들에서 유사한 형상의 굽힘 공진 피크들을 나타내지만, 반면 멧글라스/압전 복합체/니켈(Metglas/PC/Ni) 자기전기 적층형 구조체는 약간 다른 위치들에서 공진들을 나타낸다. 이러한 차이는 시편 제조 공정 동안에 불가피하게 형성되는 상부 자왜층 및 하부 자왜층의 비대칭적인 치수들에 기인할 수 있고, 또는 상기 하부층을 구성하는 세 가지 다른 물질들의 물리적 특성들의 차이에 기인할 수 있다.Therefore, it is analyzed that the resonances at the low frequency in the 1 kHz to 3.5 kHz region are due to the structural bending operation rather than the 31-mode operation or the 15-mode operation. The Metglas/Piezoelectric Composite/Metglas (Metglas/PC/Metglas) magnetoelectric laminated structure and the Metglas/Piezoelectric composite/SUS304 (Metglas/PC/SUS304) magnetoelectric laminated structure exhibit similarly shaped bending resonance peaks at similar positions. However, the Metglas/PC/Ni magnetoelectric stacked structure, on the other hand, exhibits resonances at slightly different locations. This difference may be due to the asymmetric dimensions of the upper magnetostrictive layer and the lower magnetostrictive layer that are inevitably formed during the specimen manufacturing process, or may be due to differences in physical properties of the three different materials constituting the lower layer.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 자기전기 적층형 구조체들의 직류 자기장에 대한 자기전기 전압계수를 나타내는 그래프이다.11 is a graph showing the magnetoelectric voltage coefficient with respect to the direct current magnetic field of the magnetoelectric stacked structures according to an embodiment of the present invention.
도 11을 참조하면, 직류 자기장 강도에 따라 1 kHz (비공진) 교류 자기장 주파수에서 측정한 자기전기(ME) 전압계수를 나타낸다. 상기 세 가지 자기전기 적층형 구조체들 모두는 직류 자기장이 증가됨에 따라 자기전기 전압계수가 증가되며, 상기 자기전기 전압계수 최대값에 도달한 후에 다시 감소하는 경향을 나타낸다. 청색으로 표시된 상기 멧글라스/압전 복합체/니켈 구조체는 가장 높은 자기전기 전압계수를 가지고, 흑색으로 표시된 상기 멧글라스/압전 복합체/멧글라스 자기전기 적층형 구조체는 가장 낮은 자기전기 전압계수를 가지고, 적색으로 표시된 상기 멧글라스/압전 복합체/SUS304 자기전기 적층형 구조체는 중간 수준의 자기전기 전압계수를 가진다.Referring to FIG. 11 , magnetoelectric (ME) voltage coefficients measured at 1 kHz (non-resonant) AC magnetic field frequency according to DC magnetic field strength are shown. In all of the three magneto-electric stacked structures, the magneto-electrical voltage coefficient increases as the DC magnetic field increases, and after reaching the maximum value of the magneto-electrical voltage coefficient, the magneto-electrical voltage coefficient tends to decrease again. The metglass/piezoelectric composite/nickel structure marked in blue has the highest magnetoelectric voltage coefficient, and the metglass/piezoelectric composite/metglass magnetoelectric laminated structure marked in black has the lowest magnetoelectric voltage coefficient, and is shown in red. The indicated Metglass/Piezoelectric Composite/SUS304 magnetoelectric laminated structure has an intermediate level of magnetoelectric voltage coefficient.
상기 멧글라스/압전 복합체/멧글라스 자기전기 적층형 구조체의 경우에는, 상기 상부층과 상기 하부층이 양의 압자기 계수를 가지는 멧글라스로 구성되어 있으므로 인가된 자기장의 길이 방향으로 상기 상부층과 상기 하부층이 동시에 인장된다. 따라서, 상기 압전 복합체 층에서 15-모드의 정압전 효과를 발생하기 어려운 한계가 있다. In the case of the metglass/piezoelectric composite/metglass magneto-electric laminated structure, since the upper layer and the lower layer are made of metglass having a positive piezomagnetic coefficient, the upper layer and the lower layer simultaneously in the longitudinal direction of the applied magnetic field is tensioned Therefore, there is a limit in that it is difficult to generate a 15-mode static piezoelectric effect in the piezoelectric composite layer.
상기 멧글라스/압전 복합체/SUS304 자기전기 적층형 구조체는 상기 상부층은 멧글라스로 구성되고, 상기 하부층은 SUS304로 구성되므로, 인가된 자기장 하에서, 상기 상부층은 길이 방향으로 인장되고, 상기 하부층은 상대적으로 약간 변형되거나 거의 변형되지 않는다. 따라서, 상기 자기전기 적층형 구조체 내의 상기 압전 복합체 층에 전단 응력이 효과적으로 인가될 수 있다.The metglass/piezoelectric composite/SUS304 magnetoelectric laminated structure has the upper layer made of metglass and the lower layer made of SUS304, so that under an applied magnetic field, the upper layer is stretched in the longitudinal direction, and the lower layer is relatively slightly deformed or hardly deformed. Accordingly, a shear stress can be effectively applied to the piezoelectric composite layer in the magnetoelectric laminated structure.
상기 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체의 경우에는, 상기 상부층은 양의 압자기 계수를 가지는 멧글라스로 구성되고, 상기 하부층은 음의 압자기 계수를 가지는 니켈로 구성되므로, 인가된 자기장 하에서, 상기 상부층은 길이 방향으로 인장되고 상기 하부층은 상기 길이 방향으로 수축되므로, 상기 자기전기 적층형 구조체 내의 상기 압전 복합체 층에 전단 응력이 더 효과적으로 인가될 수 있고, 이에 따라 가장 강한 자기전기 효과를 발생할 수 있다. 상기 자기전기 적층형 구조체의 자기전기 커플링의 메커니즘을 정리하면, 자기장의 변화에 대하여 상부 자왜층과 하부 자왜층이 반대로 변형되어 압전 복합체들의 전단 변형이 발생하고, 이에 따라 전압이 발생하고 구조적인 굽힘 동작이 형성된다.In the case of the metglass/piezoelectric composite/nickel magneto-electric laminated structure, the upper layer is made of metglass having a positive piezomagnetic coefficient, and the lower layer is made of nickel having a negative piezomagnetic coefficient, so the applied magnetic field under the condition that the upper layer is stretched in the longitudinal direction and the lower layer is contracted in the longitudinal direction, a shear stress can be more effectively applied to the piezoelectric composite layer in the magnetoelectric laminated structure, thereby generating the strongest magnetoelectric effect. can Summing up the mechanism of the magnetoelectric coupling of the magnetoelectric stacked structure, the upper magnetostrictive layer and the lower magnetostrictive layer are reversely deformed with respect to a change in the magnetic field, and shear deformation of the piezoelectric composites occurs, thereby generating a voltage and structural bending. action is formed.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 자기전기 적층형 구조체들의 교류 자기장에 대한 자기전기 전압계수를 나타내는 그래프이다.12 is a graph showing the magnetoelectric voltage coefficient with respect to the alternating magnetic field of the magneto-electric stacked structures according to an embodiment of the present invention.
도 12를 참조하면, 자기장 주파수가 상기 압전 복합체의 공진 주파수로 조정되면, 자기전기 효과가 강화될 수 있다. 상기 세 가지 자기전기 적층형 구조체들 모두는 구조체의 위상각이 도 10에 나타난 공진 피크들을 나타내는 주파수에서 자기전기 전압계수가 증가됨을 알 수 있다. 상기 위상각 피크들이 명확하게 관찰되지만, 상기 멧글라스/압전 복합체/멧글라스 자기전기 적층형 구조체의 자기전기 효과는 가장 작게 증가하였고, 이는 정압전 효과가 가장 작음을 의미한다. 반면, 상기 공진 주파수들에서 멧글라스/압전 복합체/SUS304 자기전기 적층형 구조체와 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체의 자기전기 전압계수들은 상당히 증가하였고, 이는 15-모드의 정압전 효과가 매우 효과적으로 구현됨을 의미한다. 자기전기 효과의 증가가 가장 큰 주파수는 상기 자기전기 적층형 구조체들의 주 굽힘 공진 주파수로 고려될 수 있다. 상기 멧글라스/압전 복합체/SUS304 자기전기 적층형 구조체의 주 굽힘 공진 주파수는 2.6 kHz 내지 3 kHz 범위에 위치하고, 이는 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체의 약 2.2 kHz의 주 굽힘 공진 주파수에 비하여 약간 높다. 상기 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체가 더 낮은 공진 주파수를 가지는 이유는 자기전기 적층형 구조체의 굽힘 강성(bending stiffness)이 니켈을 포함함에 따라 더 작아지고, 니켈의 음의 압자기 계수의 영향으로 굽힘이 더 용이해지기 때문으로 분석된다. 이러한 결과들로부터, 상대적으로 작은 길이를 가지는 장치에서도 낮은 주파수 범위에서 공진 효과를 효과적으로 구현할 수 있고, 이는 압전 복합체를 포함하는 자기전기 적층형 구조체의 굽힘 동작에 기인한 것으로 분석된다.Referring to FIG. 12 , when the magnetic field frequency is adjusted to the resonant frequency of the piezoelectric composite, the magnetoelectric effect may be enhanced. In all of the three magnetoelectric stacked structures, it can be seen that the magnetoelectric voltage coefficient is increased at a frequency at which the phase angle of the structure shows the resonance peaks shown in FIG. 10 . Although the phase angle peaks are clearly observed, the magnetoelectric effect of the metglass/piezoelectric composite/metglass magnetoelectric laminated structure increased the smallest, meaning that the static piezoelectric effect was the smallest. On the other hand, the magnetoelectric voltage coefficients of the Metglass/Piezoelectric Composite/SUS304 magnetoelectric laminated structure and the Metglass/Piezoelectric Composite/Nickel magnetoelectric laminated structure were significantly increased at the resonant frequencies, indicating that the 15-mode static piezoelectric effect was very effectively implemented. The frequency at which the increase of the magnetoelectric effect is greatest may be considered as the main bending resonance frequency of the magnetoelectric stacked structures. The main bending resonant frequency of the Metglass/piezoelectric composite/SUS304 magnetoelectric laminated structure is located in the range of 2.6 kHz to 3 kHz, which is compared to the main bending resonant frequency of about 2.2 kHz of the Metglass/piezoelectric composite/nickel magnetoelectric laminated structure. slightly high The reason that the Metglass/piezoelectric composite/nickel magnetoelectric laminated structure has a lower resonant frequency is that the bending stiffness of the magnetoelectric laminated structure becomes smaller as it contains nickel, and the negative piezoelectric coefficient of nickel is It is analyzed that this is because bending becomes easier due to the influence. From these results, it is possible to effectively implement a resonance effect in a low frequency range even in a device having a relatively small length, which is analyzed to be due to the bending operation of the magnetoelectric stacked structure including the piezoelectric composite.
빔 구조체들의 고유 진동수는 상기 빔의 길이에 반비례하므로, 상기 자기전기 적층형 구조체의 길이가 증가됨에 따라 굽힘 공진 주파수가 감소될 것으로 예상된다.Since the natural frequency of the beam structures is inversely proportional to the length of the beam, it is expected that the bending resonant frequency will decrease as the length of the magneto-electric stacked structure increases.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 다양한 두께를 가지는 자기전기 적층형 구조체들의 길이를 40 mm로 증가시켰을 때 교류 자기장에 대한 자기전기 전압계수를 나타내는 그래프이다.13 is a graph showing the magnetoelectric voltage coefficient for an alternating magnetic field when the length of the magneto-electric stacked structures having various thicknesses is increased to 40 mm according to an embodiment of the present invention.
도 13을 참조하면, 40 mm 길이의 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체를 다양한 두께를 가지도록 제조하였다. 선택된 두께는 0.26 mm, 0.48 mm, 및 0.68 mm 이었다.Referring to FIG. 13 , a 40 mm long metglass/piezoelectric composite/nickel magnetoelectric laminated structure was manufactured to have various thicknesses. The thicknesses selected were 0.26 mm, 0.48 mm, and 0.68 mm.
상기 압전 복합체 층의 전체 길이를 도 10의 20 mm 에서 40 mm로 증가시킴에 따라 0.48 mm 두께의 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체의 굽힘 공진 주파수는 2.2 kHz 에서 820 Hz 로 감소하였고, 주 공진 피크 주위의 잔류 피크들이 사라짐을 알 수 있다. 또한, 상기 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체의 길이가 증가됨에 따라, 상기 0.48 mm 두께의 자기전기 적층형 구조체는 공진 주파수에서 자기전기 전압계수가 1.07 V cm-1 Oe-1 에서 4.08 V cm-1 Oe- 1 로 약 네 배 증가하였다. 이는, 상부 자왜층 및 하부 자왜층의 종횡비가 증가됨에 의하여, 길이 방향의 자왜가 보다 효과적으로 발생하기 때문으로 분석된다. 따라서, 상기 압전 복합체 층의 전단 응력이 증가되고, 이에 따라 구조적인 굽힘이 증가될 수 있고, 이는 상기 자기전기 적층형 구조체의 더 낮은 굽힘 공진 주파수에 상응한다.As the overall length of the piezoelectric composite layer was increased from 20 mm to 40 mm in FIG. 10, the bending resonant frequency of the 0.48 mm thick Metglass/piezoelectric composite/nickel magnetoelectric laminated structure decreased from 2.2 kHz to 820 Hz, It can be seen that the residual peaks around the main resonance peak disappear. In addition, as the length of the mat glass/piezoelectric composite/nickel magnetoelectric laminated structure increases, the magnetoelectric laminated structure having a thickness of 0.48 mm has a magnetoelectric voltage coefficient at the resonance frequency of 1.07 V cm −1 Oe −1 to 4.08 V cm -1 Oe -1 increased about four times . It is analyzed that this is because, by increasing the aspect ratio of the upper magnetostrictive layer and the lower magnetostrictive layer, magnetostriction in the longitudinal direction occurs more effectively. Therefore, the shear stress of the piezoelectric composite layer is increased, and thus structural bending can be increased, which corresponds to a lower bending resonance frequency of the magnetoelectric laminated structure.
0.68 mm 두께의 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체의 경우에는, 상기 자기전기 적층형 구조체의 증가된 강성에 의하여 굽힘 공진 주파수가 1.2 kHz 에서 관찰되었고, 자기전기 계수는 상기 0.48 mm 두께의 자기전기 적층형 구조체의 경우에 비하여 더 낮은 3.01 V cm-1 Oe- 1 을 나타내었다. 그러나, 0.26 mm 두께의 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체는 660 Hz의 더 낮은 주파수에서 18.4 V cm-1 Oe- 1 의 급격하게 증가된 자기전기 계수를 나타내었다.In the case of the 0.68 mm thick Metglass/piezoelectric composite/nickel magnetoelectric laminated structure, the bending resonance frequency was observed at 1.2 kHz due to the increased stiffness of the magnetoelectric laminated structure, and the magnetoelectric coefficient was the 0.48 mm thick magnetic field. Compared to the case of the electrically laminated structure , 3.01 V cm -1 Oe -1 was lower. However, the 0.26 mm thick metal glass/piezoelectric composite/nickel magnetoelectric laminated structure exhibited a sharply increased magnetoelectric coefficient of 18.4 V cm −1 Oe −1 at a lower frequency of 660 Hz.
압전 복합체 층의 두께가 감소함에 따라 상기 자기전기 계수가 급격하게 증가되는 이유는 다음과 같이 분석된다. 압전 복합체 층의 두께가 감소됨에 따라, 자왜층들의 부피 분율(즉, 두께 분율)이 증가되고, 따라서 상기 식 4에 나타난 바와 같이, 상기 압전 복합체 층에 응력이 더 효과적으로 전달될 수 있다. 또한, 압전 복합체 층의 두께가 감소됨에 따라 개별적인 압전 요소들의 종횡비가 감소되므로, 각각의 압전 요소에 발생하는 15-모드의 압전 효과가 더 증가될 수 있다. 이러한 두 가지 요인들은 얇아진 자기전기 적층형 구조체의 자기전기 계수의 급격한 증가에 시너지 효과를 제공하는 것으로 분석된다.The reason why the magnetoelectric coefficient rapidly increases as the thickness of the piezoelectric composite layer decreases is analyzed as follows. As the thickness of the piezoelectric composite layer decreases, the volume fraction (ie, thickness fraction) of the magnetostrictive layers increases, and thus, as shown in Equation 4, stress can be more effectively transferred to the piezoelectric composite layer. In addition, since the aspect ratio of the individual piezoelectric elements is reduced as the thickness of the piezoelectric composite layer is reduced, the 15-mode piezoelectric effect generated in each piezoelectric element can be further increased. These two factors are analyzed to provide a synergistic effect on the rapid increase of the magnetoelectric coefficient of the thinned magnetoelectric stacked structure.
도 13의 내부 그래프는 각각의 시편의 공진 주파수에서 측정한 직류 자기장 세기에 따른 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체의 자기전기 계수를 나타낸다. 0.48 mm 두께의 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체와 0.68 mm 두께의 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체는 낮은 자기전기 계수들을 가지는 전형적인 곡선을 나타낸다. 반면, 0.26 mm 두께의 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체의 경우에는, 자기장 세기의 넓은 범위에 걸쳐서 높은 수준의 자기전기 계수를 가지는 독특한 특성을 나타낸다. 이러한 특성은 본 발명의 기술적 사상에 따른 자기전기 적층형 구조체가 교류 자기장 센서 및 에너지 하베스터와 같은 신뢰성 있는 자기전기 장치에 응용될 수 있음을 보여준다. 전단 응력을 증가시키기 위하여 자왜층들의 두께제어 효과를 연구하고, 자성 팁(tip) 질량을 도입하고, 다른 형태의 자기전기 적층형 구조체들을 개발함에 의하여 압전 복합체를 포함하는 자기전기 적층형 구조체의 자기전기 성능을 개선할 수 있다.The inner graph of FIG. 13 shows the magnetoelectric coefficient of the Metglass/Piezoelectric Composite/Nickel magneto-electric laminated structure according to the strength of the DC magnetic field measured at the resonance frequency of each specimen. Metglass/piezoelectric composite/nickel magnetoelectric laminated structures with a thickness of 0.48 mm and Metglass/piezoelectric composites/nickel magnetoelectric laminates with a thickness of 0.68 mm show typical curves with low magnetoelectric coefficients. On the other hand, in the case of the 0.26 mm thick metal glass/piezoelectric composite/nickel magnetoelectric laminated structure, it exhibits a unique characteristic of having a high level of magnetoelectric coefficient over a wide range of magnetic field strength. These characteristics show that the magnetoelectric stacked structure according to the technical idea of the present invention can be applied to reliable magnetoelectric devices such as alternating current magnetic field sensors and energy harvesters. Magnetoelectric performance of magnetoelectric laminated structures including piezoelectric composites by studying the thickness control effect of magnetostrictive layers to increase shear stress, introducing magnetic tip mass, and developing other types of magnetoelectric laminated structures can be improved
결론conclusion
이와 같이, 15-모드의 압전 복합체를 제안하고, 자기전기 응용으로서 기본적인 특성들을 분석하였다. 상기 압전 복합체는 새로이 제안된 간단하고 신뢰성 있는 공정에 의하여 압전성을 유지하도록 성공적으로 제조되었다. 상기 압전 복합체는 우수한 압전 특성들을 가지고, 상기 압전 특성은, d15 = 793 x 10-12 CN- 1 , g15 = 32 x 10-3 VmN-1, k15 = 0.62 및 d15·g15 = 25376 x 10-15 m2N- 1 이었다. 이러한 결과는 상기 압전 복합체가 고성능 압전 장치들에 응용될 수 있음을 보여준다. As such, a 15-mode piezoelectric composite was proposed and its basic properties were analyzed as magnetoelectric applications. The piezoelectric composite was successfully manufactured to maintain piezoelectricity by a newly proposed simple and reliable process. The piezoelectric composite has excellent piezoelectric properties, and the piezoelectric properties are: d 15 = 793 x 10 -12 CN - 1 , g 15 = 32 x 10 -3 VmN -1 , k 15 = 0.62 and d 15 g 15 = 25376 x 10 -15 m 2 N -1 . These results show that the piezoelectric composite can be applied to high-performance piezoelectric devices.
전단 응력이 압전 복합체 층에 인가될 수 있는 압전 복합체들과 자왜층들로 구성된 자기전기 적층형 구조체를 제조하였다. 상기 자기전기 적층형 구조체들은 구조적인 굽힘에 의하여 낮은 주파수에서의 공진 특성들을 나타내며, 자기전기 효과의 급격한 증가를 나타내었다. 0.26mm 두께의 압전 복합체를 포함하는 40 mm 길이의 멧글라스/압전 복합체/니켈 자기전기 적층형 구조체는 660 Hz의 저주파수에서 18.4 V cm-1 Oe- 1 의 강한 자기전기 전압계수를 나타내었다. 본 발명의 기술적 사상은 자기전기 장치들에 한정되는 것은 아니고, 다양한 압전 응용들에 적용될 수 있다.A magnetoelectric laminated structure composed of piezoelectric composites and magnetostrictive layers in which shear stress can be applied to the piezoelectric composite layer was manufactured. The magnetoelectric stacked structures exhibited resonance characteristics at low frequencies due to structural bending, and showed a sharp increase in the magnetoelectric effect. A 40 mm long Metglass/Piezoelectric Composite/Nickel magnetoelectric laminated structure including a 0.26 mm thick piezoelectric composite exhibited a strong magnetoelectric voltage coefficient of 18.4 V cm −1 Oe −1 at a low frequency of 660 Hz. The technical spirit of the present invention is not limited to magnetoelectric devices, and can be applied to various piezoelectric applications.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The technical spirit of the present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is the technical spirit of the present invention that various substitutions, modifications and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which this belongs.
Claims (18)
상기 복수의 압전 세라믹 평판들을 접착 부재를 이용하여 접착하여 적층하는 단계;
상기 적층된 압전 세라믹 평판들을 상기 제1 방향을 따라서 1차 절단하여 제1 면을 형성하는 단계;
상기 적층된 압전 세라믹 평판들을 상기 1차 절단 방향에 수직으로 상기 제1 방향을 따라서 2차 절단하여 상기 제1 면에 수직으로 배치된 제2 면과 제3 면을 형성하는 단계; 및
상기 제2 면에 상부 전극을 형성하고, 상기 제3 면에 하부 전극을 형성하여, 제2 방향으로 분극된 15-모드의 압전 복합체를 형성하는 단계;
를 포함하는, 압전 복합체의 제조 방법.preparing a plurality of 31-mode piezoelectric ceramic plates polarized in a first direction;
adhering and laminating the plurality of piezoelectric ceramic plates using an adhesive member;
forming a first surface by first cutting the stacked piezoelectric ceramic flat plates along the first direction;
forming second and third surfaces perpendicular to the first surface by second cutting the stacked piezoelectric ceramic flat plates along the first direction perpendicular to the first cutting direction; and
forming an upper electrode on the second surface and a lower electrode on the third surface to form a 15-mode piezoelectric composite polarized in a second direction;
A method of manufacturing a piezoelectric composite comprising a.
상기 복수의 압전 세라믹 평판들을 준비하는 단계는, 상기 복수의 압전 세라믹 평판들은 상기 제1 방향으로 양 단부에 배치된 상면 전극과 하면 전극을 각각 포함하고 제1 방향으로 분극되어 있는 압전체를 준비하는 단계와 상기 상면 전극과 상기 하면 전극을 제거하는 단계로 수행되는, 압전 복합체의 제조 방법.The method of claim 1,
The preparing of the plurality of piezoelectric ceramic flat plates may include preparing a piezoelectric body in which the plurality of piezoelectric ceramic flat plates each include upper and lower electrodes disposed at both ends in the first direction and are polarized in the first direction. and removing the upper electrode and the lower electrode.
상기 적층된 압전 세라믹 평판들을 상기 제1 방향을 따라서 1차 절단하여 제1 면을 형성하는 단계, 상기 적층된 압전 세라믹 평판들을 상기 제1 방향을 따라서 2차 절단하여 상기 제1 면에 수직으로 배치된 제2 면과 제3 면을 형성하는 단계, 및 상기 제2 면에 상부 전극을 형성하고, 상기 제3 면에 하부 전극을 형성하여, 제2 방향으로 분극된 15-모드의 압전 복합체를 형성하는 단계는 반복하여 수행되어 복수의 상기 15-모드의 압전 복합체를 형성하는, 압전 복합체의 제조 방법.The method of claim 1,
first cutting the stacked piezoelectric ceramic flat plates along the first direction to form a first surface, and secondarily cutting the stacked piezoelectric ceramic flat plates along the first direction to arrange perpendicularly to the first surface forming a second surface and a third surface, and forming an upper electrode on the second surface and a lower electrode on the third surface to form a 15-mode piezoelectric composite polarized in the second direction The method of manufacturing a piezoelectric composite, which is repeatedly performed to form a plurality of the 15-mode piezoelectric composites.
상기 한 쌍의 압전 복합체들의 상측에 배치되고 자왜가 발생하는 제1 자왜층; 및
상기 한 쌍의 압전 복합체들의 하측에 배치된 하부층;
을 포함하고,
상기 압전 복합체들 각각은, 상부 전극; 상기 상부 전극에 대향하여 배치되는 하부 전극; 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이에 개재되고, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극에 각각 접촉하고 서로 이격되어 배치된 복수의 압전 부재들을 포함하는 압전층; 및 상기 압전 부재들 사이에 개재되어 서로 접착시키는 접착 부재;를 포함하며,
상기 제 1 자외층은 양의 압자기계수 또는 음의 압자기 계수를 가지고,
하기 하부층은 자왜가 발생하지 않는 지지층인, 자기전기 적층형 구조체.a pair of piezoelectric composites having opposite polarization directions and arranged in a straight line parallel to the polarization direction;
a first magnetostrictive layer disposed above the pair of piezoelectric composites and generating magnetostriction; and
a lower layer disposed below the pair of piezoelectric composites;
including,
Each of the piezoelectric composites, an upper electrode; a lower electrode disposed to face the upper electrode; a piezoelectric layer interposed between the upper electrode and the lower electrode, the piezoelectric layer including a plurality of piezoelectric members respectively contacting the upper electrode and the lower electrode and spaced apart from each other; and an adhesive member interposed between the piezoelectric members to adhere to each other;
The first ultraviolet layer has a positive or negative piezoresistive coefficient;
The lower layer is a support layer that does not generate magnetostriction, magnetoelectric laminated structure.
상기 제1 자왜층은 Fe-B-Si계 비정질 합금을 포함하고,
상기 하부층은 니켈을 포함하는, 자기전기 적층형 구조체.5. The method of claim 4,
The first magnetostrictive layer includes an Fe-B-Si-based amorphous alloy,
The lower layer comprises nickel, magnetoelectric stacked structure.
상기 한 쌍의 압전 복합체들 사이에 배치되어 서로 이격하는 분리 영역을 더 포함하는, 자기전기 적층형 구조체.5. The method of claim 4,
The magnetoelectric laminated structure further comprising a separation region disposed between the pair of piezoelectric composites to be spaced apart from each other.
상기 압전 복합체들 각각은 15-모드의 분극을 가지는, 자기전기 적층형 구조체.5. The method of claim 4,
wherein each of the piezoelectric composites has a 15-mode polarization.
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