KR102577704B1 - WIM(Weigh-In-Motion) 센서용 압전복합소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 WIM 센서용 압전복합소자는 이격되어 배치되는 2 이상의 압전 세라믹 기둥 및 상기 압전 세라믹 기둥 사이에 충진되는 고분자 수지를 포함한다.
Description
본 발명은 WIM(Weigh-In-Motion) 센서용 압전복합소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
경제발전 및 산업의 발전에 따른 물동량의 증가로 화물차의 이동이 늘어나면서 적재하중을 초과한 차량의 도로주행이 빈번하게 발생하고 있다. 과속 및 과적차량의 운행은 인명피해, 도로와 교량의 포장 및 구조에 심각한 피해를 발생시킨다. 이러한 인적, 물적 손실을 최소화하기 위해 지능형 교통 시스템의 핵심인 WIM 시스템에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
WIM 시스템은 이동중인 차량의 차종구분, 속도측정, 하중측정이 가능한 장비로 측정되는 자료를 활용하여 포장설계 및 유지보수, 교량설계, 교통관리, 과적차량단속 및 도로세 부과 등에 적용되고 있다.
WIM 시스템에 사용되는 WIM 센서는 도로면에 설치되어 주행 중인 차량의 중량, 속도, 차종 등의 교통변수를 측정하는 센서로, 상기 센서는 압력을 받아 구조적인 변형에 의해 발생한 전하에 따라 하중을 측정하는 방식으로 압전재료를 센서 소자로 사용하고 있다. 상기 센서 소자에는 압전 세라믹, 압전 고분자, 압전 단결정이 사용된다. 압전 세라믹을 이용한 WIM 센서는 인가압력에 따라 발생하는 전기적 신호가 우수하고 가공비용이 낮으나, 내구성이 낮다. 압전 고분자를 이용한 WIM 센서는 압전 세라믹, 압전 단결정 소자에 비해 유연성이 있어 가공이 용이하다. 또한, 내구성이 우수하지만 온도에 따른 압전 특성의 변화로 인해 낮과 밤, 계절에 따른 오차가 7% 내지 30%까지 발생할 수 있다. 따라서, 신뢰도가 낮다는 단점이 있다. 압전 단결정 소자를 이용한 WIM 센서는 인가된 힘에 대한 전기적 신호가 압전 세라믹에 비해 낮으나 인가된 힘을 집중시킨 WIM 센서의 디자인을 통해 이를 극복하여 신뢰도가 우수하다. 그렇지만 단결정 소재인 수정의 제작 및 가공이 어려워 WIM 센서에서 단결정 소재가 차지하는 가격 비중이 매우 높다.
따라서, 기존의 압전 세라믹, 압전 고분자 및 압전 단결정을 활용한 센서가 아닌 복합체를 활용하여 인가압력에 따른 전기적 신호 방출이 우수하면서도 내구성이 높고, 온도에 따른 오차발생이 적어 신뢰도가 높은 WIM 센서용 압전복합소자의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 전기적 신호 방출이 우수하고, 내구성과 신뢰도가 높은 WIM 센서용 압전복합소자 및 이의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 하나의 관점은 WIM(Weigh-In-Motion) 센서용 압전복합소자에 관한 것이다.
일 구체예에 따르면, 상기 WIM 센서용 압전복합소자는 이격되어 배치되는 2 이상의 압전 세라믹 기둥 및 상기 압전 세라믹 기둥 사이에 충진되는 고분자 수지를 포함한다.
상기 압전 세라믹 기둥은 하기 화학식 1의 압전세라믹 파우더를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
xPb(MnySb(1-y))O3-(1-x)Pb(Zr,Ti)O3)
(상기 화학식 1에서 x는 0.01 내지 0.15이고, y는 0.3 내지 0.36임).
상기 압전세라믹 파우더의 압전상수는 370pC/N 내지 400pC/N 일 수 있고, 기계적 품질계수(Qm)는 1110 내지 1150일 수 있고, 전기기계결합계수(Kp)는 0.590 내지 0.620일 수 있다.
상기 압전 세라믹 기둥은 압축강도가 36MPa 내지 50MPa일 수 있다.
상기 압전 세라믹 기둥의 단면적은 1.0mm2 내지 2.4mm2이고, 높이가 0.4mm 내지 2mm일 수 있다.
상기 압전 세라믹 기둥의 종횡비는 0.4 내지 0.85일 수 있다.
상기 고분자 수지는 아크릴계 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
상기 고분자 수지는 쇼어경도(D)가 70 내지 86일 수 있다.
상기 압전 세라믹 기둥은 상기 WIM 센서용 압전복합소자 중 30% 내지 44%의 부피로 포함될 수 있다.
상기 압전복합소자의 상면 및 하면에 형성된 전극층을 더 포함할 수 있다.
상기 전극층은 두께가 50㎛ 내지 200㎛일 수 있다.
상기 압전복합소자의 압축강도가 50MPa 초과 74MPa 이하 일 수 있다.
상기 압전복합소자의 종횡비는 0.067 내지 0.125일 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 WIM 센서용 압전복합소자의 제조방법에 관한 것이다.
일 구체예에 따르면, 상기 제조방법은 압전세라믹 파우더와 바인더를 혼합하여 사출원료를 형성하는 단계, 상기 사출원료를 이격되어 있는 복수개의 기둥 공간을 가진 금형 내로 주입하여 복수의 기둥을 포함하는 사출체를 형성하는 단계, 상기 사출체를 탈지 및 소결하는 단계, 상기 소결된 사출체를 일정 형상의 주형에 넣고 고분자 수지를 주입 및 경화시켜 압전 세라믹 복합체를 형성하는 단계, 상기 압전 세라믹 복합체의 길이 방향과 수직한 방향으로 절단하여 압전복합소자를 형성하는 단계 및 상기 압전복합소자의 상면 및 하면에 전극 코팅 및 분극처리 하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 전기적 신호 방출이 우수하고, 내구성과 신뢰도가 높은 WIM 센서용 압전복합소자 및 이의 제조방법을 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM 센서용 압전복합소자의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 WIM 센서용 압전복합소자의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM용 압전복합소자 제조방법 순서를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM용 압전복합소자 제조방법에서 사출체의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM용 압전복합소자 제조방법에서 압전 세라믹 복합체의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM용 압전복합소자 제조방법으로 제조된 압전복합소자의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM용 압전복합소자의 인가압력에 따른 출력값을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 WIM 센서용 압전복합소자의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM용 압전복합소자 제조방법 순서를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM용 압전복합소자 제조방법에서 사출체의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM용 압전복합소자 제조방법에서 압전 세라믹 복합체의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM용 압전복합소자 제조방법으로 제조된 압전복합소자의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM용 압전복합소자의 인가압력에 따른 출력값을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 구체예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 구체예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
단지, 여기서 소개되는 구체예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해 질 줄 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 또한 설명의 편의를 위하여 구성요소의 일부만을 도시하기도 하였으나, 당업자라면 구성요소의 나머지 부분에 대하여도 용이하게 파악할 수 있을 것이다.
전체적으로 도면 설명 시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 요소가 다른 요소 상부에 또는 하부에 위치하는 것으로 언급되는 경우, 이는 상기 일 요소가 다른 요소 상부에 또는 하부에 바로 위치하거나 또는 그들 요소들 사이에 추가적인 요소가 개재될 수 있다는 의미를 모두 포함한다. 또한 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, '포함하다' 또는 '가지다'등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들의 조합한 것에 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들의 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 범위를 나타내는 'X 내지 Y'는 'X 이상 Y 이하'를 의미한다.
본 명세서에서 종횡비는 높이/직경을 의미한다.
WIM 센서용 압전복합소자
도 1을 참고하여 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM 센서용 압전복합소자를 설명한다. 도 1은 본 발명의 구체예에 따른 WIM 센서용 압전복합소자의 사시도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM 센서용 압전복합소자(100)는 이격되어 배치되는 2 이상의 압전 세라믹 기둥(101) 및 압전 세라믹 기둥(101) 사이에 충진되는 고분자 수지(102)를 포함한다.
지금까지의 WIM 센서용 압전 소자로는 압전 세라믹, 압전 고분자 및 압전 단결정 등의 단일 재료를 활용한 소자가 주로 사용되고 있다. 압전 세라믹을 사용하여 WIM 센서용 압전 소자를 형성하는 경우, 압전 세라믹 성분의 조성을 조절하여 압전상수, 전기기계 결합계수(Kp) 및 기계적 품질계수(Qm)를 개선할 수 있으나, 조성의 조절만으로는 압전 소자의 내구성 및 압전 성능을 모두 개선시키는 데 한계가 있다.
본 발명의 WIM 센서용 압전복합소자(100)는 이격되어 배치되는 2 이상의 압전 세라믹 기둥(101)에 충진되는 고분자 수지(102)를 포함함으로써, 인가압력에 따른 전기적 신호 방출이 우수하면서도 내구성 및 신뢰도가 높은 WIM 센서용 압전복합소자(100)를 구현할 수 있다.
상기 압전 세라믹 기둥(101)은 압전 현상을 발생시키는 물질을 포함한다. 특히 본 구체예에서 압전 세라믹 기둥(101)은 압전세라믹 파우더를 포함하고, 상기 압전세라믹 파우더는 PMS-PZT 세라믹 계열의 조성물을 포함할 수 있다.
구체적으로, 압전 세라믹 기둥(101)은 하기 화학식 1의 압전세라믹 파우더를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
xPb(MnySb(1-y))O3-(1-x)Pb(Zr,Ti)O3)
(상기 화학식 1에서 x는 0.01 내지 0.15이고, y는 0.3 내지 0.36임).
상기 x는 구체적으로 0.01 내지 0.15, 더욱 구체적으로 0.03 내지 0.06일 수 있고, 상기 y는 구체적으로 0.3 내지 0.36, 더욱 구체적으로 0.32 내지 0.34일 수 있으며, 예를 들어 x는 0.04이고, y는 0.33일 수 있다. 상기 범위에서, 최적화된 압전상수, 기계적 품질계수를 만족시킬 수 있다.
상기 압전세라믹 파우더의 압전상수는 370pC/N 내지 400pC/N, 구체적으로는 375pC/N 내지 395pC/N, 더욱 구체적으로는 380pC/N 내지 390pC/N일 수 있다.
상기 압전세라믹 파우더의 기계적 품질계수(Qm)는 1110 내지 1150, 구체적으로는 1115 내지 1145, 더욱 구체적으로는 1120 내지 1140일 수 있고, 상기 압전세라믹 파우더의 전기기계결합계수(Kp)는 0.590 내지 0.620, 구체적으로는 0.595 내지 0.615, 더욱 구체적으로는 0.600 내지 0.610일 수 있다. 상기의 범위에서, 압전 세라믹 기둥(101)의 압전 특성이 우수하고, 유전 손실이 낮다는 장점이 있다.
상기 압전상수는 IEEE 176 표준에 근거하여 압전전하 계수측정기(d33)로 측정한 값이다. 상기 기계적 품질계수(Qm) 및 전기기계결합계수(Kp)는 IEEE 176 표준에 근거하여 Impedance Analyzer로 공진주파수와 반공진 주파수를 측정하여 계산한 값이다.
상기 압전 세라믹 기둥(101)의 압축강도는 36MPa 내지 50MPa, 구체적으로는 38MPa 내지 50MPa, 더욱 구체적으로는 40MPa 내지 50MPa 일 수 있다. 상기의 범위에서, 압전 세라믹 기둥(101)의 내구성이 우수한 장점이 있다.
상기 압축강도는 ASTM(American Society for Testing and Materials) D638 규격에 따라 측정한 값이다.
상기 압전 세라믹 기둥(101)의 단면적은 1.0mm2 내지 2.4mm2, 구체적으로는 1.3mm2 내지 2.1mm2, 더욱 구체적으로는 1.5mm2 내지 1.9mm2일 수 있다. 상기 압전 세라믹 기둥(101)의 높이는 0.4mm 내지 2mm, 구체적으로는 0.6mm 내지 1.6mm, 더욱 구체적으로는 0.8mm 내지 1.2mm일 수 있다. 상기 압전 세라믹 기둥(101)의 종횡비는 0.4 내지 0.85, 구체적으로는 0.5 내지 0.75, 더욱 구체적으로는 0.6 내지 0.65일 수 있다. 상기의 범위에서, 압전 세라믹 기둥(101)은 전기적 신호 방출이 우수할 뿐만 아니라, 고분자 수지(102)와 최적의 접촉면적으로 압전복합소자의 내구성을 개선시키는 우수한 장점이 있다.
상기 고분자 수지(102)는 아크릴계 에폭시 수지를 포함할 수 있다. 상기 아크릴계 에폭시 수지는 일반적인 2액형 아크릴계 에폭시 수지를 포함할 수 있다.
구체적으로는 상기 아크릴계 에폭시 수지의 가사 시간이 5분 내지 30분일 수 있고, 완전 경화 시간은 6 내지 12시간일 수 있다. 상기 아크릴계 에폭시 수지는 Struers社의 EpoFix가 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 아크릴계 에폭시 수지는 수지의 흐름성 및 점착특성이 우수한 장점이 있다.
상기 고분자 수지(102)의 쇼어경도(D)는 70 내지 86, 구체적으로는 74 내지 82, 더욱 구체적으로는 76 지 80일 수 있다. 상기의 범위에서 압전 세라믹 기둥(101)과 고분자 수지(102)가 분리되는 현상을 방지할 수 있어 압전복합소자 제조를 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 압전복합소자의 내구성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 WIM 센서용 압전복합소자(100)는 상기 압전 세라믹 기둥(101)이 30% 내지 44%, 구체적으로 33% 내지 41%, 더욱 구체적으로 35% 내지 39%의 부피로 포함될 수 있다. 상기의 범위에서 WIM 센서용 압전복합소자(100)의 전기적 신호 방출 및 내구성의 밸런스가 우수해지는 장점이 있다.
상기 WIM 센서용 압전복합소자(100)의 압축강도는 50MPa 초과 74MPa 이하, 구체적으로는 52MPa 초과 70MP 이하, 더욱 구체적으로는 54MPa 초과 66MPa 이하 일 수 있다.
상기 WIM 센서용 압전복합소자(100)의 종횡비는 0.067 내지 0.125, 구체적으로는 0.075 내지 0.1, 더욱 구체적으로는 0.08 내지 0.09일 수 있다. 상기의 범위에서, 전기적 신호 방출이 우수하고, 내구성과 신뢰도가 높은 장점이 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 구체예에 따른 WIM 센서용 압전복합소자에 대해 설명한다. 도 2에는 본 발명의 다른 구체예에 따른 WIM 센서용 압전복합소자(200)가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 WIM 센서용 압전복합소자(200)는 전극층(203)을 더 포함할 수 있다. 상기 전극층(203)은 이격되어 배치되는 2 이상의 압전 세라믹 기둥에 충진되는 고분자 수지(202)를 포함하는 WIM 센서용 압전복합소자의 상면 및 하면에 형성할 수 있다. 상기 전극층(203)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 전극층(203)의 두께는 50㎛ 내지 200㎛, 구체적으로 90㎛ 내지 120㎛일 수 있다. 상기 두께 범위에서, 필요한 내구성을 달성하면서도 저항을 최소화할 수 있다.
상기 전극층(203) 구성을 제외한 나머지 구성 요소들은 도 1에서 설명한 바와 동일하므로, 구체적인 설명은 생략한다.
WIM 센서용 압전복합소자의 제조방법
도 3을 참고하여 본 발명의 일 구체예에 따른 WIM 센서용 압전복합소자 제조방법을 설명한다. 도 3은 도 2에 따른 WIM 센서용 압전복합소자의 제조방법의 구체예에 대한 공정도를 나타낸다.
본 발명의 다른 관점인 WIM 센서용 압전복합소자의 제조방법은 압전세라믹 파우더와 바인더를 혼합하여 사출원료를 형성하는 단계(S100), 상기 사출원료를 이격되어 있는 복수개의 기둥 공간을 가진 금형 내로 주입하여 복수의 기둥을 포함하는 사출체를 형성하는 단계(S200), 상기 사출체를 탈지 및 소결하는 단계(S300), 상기 소결된 사출체를 일정 형상의 주형에 넣고 고분자 수지를 주입 및 경화시켜 압전 세라믹 복합체를 형성하는 단계(S400), 상기 압전 세라믹 복합체의 길이 방향과 수직한 방향으로 절단하여 압전복합소자를 형성하는 단계(S500) 및 상기 압전복합소자의 상면 및 하면에 전극 코팅 및 분극처리 하는 단계(S600)를 포함할 수 있다.
이하, 각 단계에 대해 자세히 설명한다.
사출원료 형성단계(S100)는 압전세라믹 파우더와 바인더를 혼합하여 사출원료를 형성하는 단계이다. 상기 압전세라믹 파우더와 바인더의 혼합비율은 5:1 내지 7:1일 수 있다.
상기 압전세라믹 파우더는 화학식 1의 압전세라믹 파우더를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
xPb(MnySb(1-y))O3-(1-x)Pb(Zr,Ti)O3)
(상기 화학식 1에서 x는 0.01 내지 0.15이고, y는 0.3 내지 0.36임).
상기 바인더는 열가소성 수지를 포함할 수 있다. 상기 열가소성 수지는 예를 들어 Polybutyl methacrylate(PMBA), Polystylene(PS) 등이 사용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 압전세라믹 파우더와 바인더를 150℃에서 균일하게 혼합한 다음 냉각하고, 파쇄하여 사출원료를 형성한다. 상기 사출원료는 다양한 형태를 포함할 수 있다. 일 예로, 재료를 투입하기 용이하게 펠렛 형태로 제조할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 형태를 가질 수 있다.
사출체 형성단계(S200)는 상기 사출원료를 가열 및 압력 인가하여 금형 내로 주입하여 사출성형하여 사출체를 형성하는 단계이다. 상기 금형은 복수개의 기둥 공간이 이격되어 있는 판을 포함할 수 있다. 상기 사출체 형성단계(S200)는 통상적인 스크류 및 피스톤 사출 성형기를 사용하는 것이 가능하다. 사출성형은 상기 사출원료를 사용하여 노즐의 온도가 170℃내지 185℃인 온도 및 최대 사출압력이 280MPa으로 7% 내지 42%의 압력에서 수행될 수 있다.
탈지 및 소결단계(S300)는 사출체의 바인더를 제거한 다음, 소결하는 단계이다. 상기 사출체에 상기 바인더의 종류에 따라 160℃ 내지 700℃인 온도 및 60분 내지 180분의 유지시간을 두어, 사출체에 포함된 바인더를 제거할 수 있다. 바인더가 제거된 사출체에 승온속도 5℃으로 하여 1050℃에서 2시간 유지하여 소성할 수 있다.
도 4는 탈지 및 소결단계(S300)가 완결된 사출체(400)가 도시되어 있다.
압전 세라믹 복합체 형성단계(S400)는 일정 형상의 주형(503)에 상기 소결된 사출체(501)를 넣은 다음, 고분자 수지(502)를 주입하여 경화시키는 단계이다. 상기 일정 형상은 가로 90mm, 세로 200mm 및 두께 20mm 인 직사각형 모양의 스테인레스 판일 수 있다. 상기 일정 형상의 주형(503)은 타공된 상판 및 분리되는 지지판으로 구성될 수 있다. 상기 타공된 상판의 타공은 직경이 8mm 내지 15mm인 원형일 수 있고, 그 개수는 8개 내지 16개일 수 있다. 상기 압전 세라믹 복합체 형성단계는 상기 주형(503)에 이형제를 바른 다음, 소결된 사출체(501)를 넣고, 진공상태에서 탈포한 고분자 수지(502)를 주형(503)에 주입하여 경화시킬 수 있다.
도 5는 상기 소결된 사출체(501)가 주형(503)에 삽입된 다음, 고분자(502)를 넣어 경화시킨 압전 세라믹 복합체(500)가 도시되어 있다.
압전복합소자 형성 단계(S500)는 상기 압전 세라믹 복합체(500)를 절단 및 가공하는 단계이다. 압전 세라믹 복합체(500)의 길이 방향과 수직한 방향으로 절단한 다음 절단면을 가공하여 압전복합소자(600)를 형성할 수 있다. 상기 압전복합소자(600)의 높이는 0.4mm 내지 2mm, 구체적으로는 0.6mm 내지 1.6mm, 더욱 구체적으로는 0.8mm 내지 1.2mm일 수 있도록 가공될 수 있다. 상기 압전복합소자(600)의 절단면은 sand paper를 사용하여 가공할 수 있다. 상기 절단면은 상기 압전 세라믹 기둥이 서로 평행하게 가공된 면일 수 있다.
도 6은 상기 압전 세라믹 복합체(500)를 절단 및 가공하여 형성된 압전복합소자(600)가 도시되어 있다.
전극 코팅 및 분극처리 단계(S600)는 압전복합소자(600)에 전극을 코팅한 다음, 압전 특성을 부여하기 위해 분극처리하는 단계이다. 전극 코팅은 스크린 프린팅 공정을 할 수 있다. 상기 압전복합소자(600)의 상면에 전극 소재를 코팅하여 150℃ 오븐에서 20분 간 건조 후 같은 방법으로 하면을 코팅할 수 있다. 상기 전극 소재는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 등일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 압전복합소자(600)의 상면 및 하면에 코팅한 다음, 분극 처리장치를 사용하여, 100℃ 내지 150℃인 실리콘 절연 오일 bath에서 1kV 내지 3kV 전압, 1분 내지 5분간 인가하여 분극 처리를 할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예1
0.04Pb(Mn1/3Sb2/3)O3-0.96Pb(Zr,Ti)O3) 조성의 압전세라믹 파우더 85중량%와 바인더 Polybutyl methacrylate(PMBA) 15중량%를 혼합하여 사출원료를 형성했다. 형성된 사출원료를 금형 내로 주입하여 복수의 기둥을 포함하는 사출체를 형성하고, 사출체를 탈지 및 소결했다. 소결된 사출체를 일정 형상의 주형에 넣고, Struers社의 EpoFix를 주입 및 경화시켜 압전 세라믹 복합체 형성 후, 압전 세라믹 복합체를 길이방향과 수직한 방향으로 1mm씩 절단하여 압전복합소자를 형성했다. 압전복합소자에 은(Ag) 전극을 스크린프링팅 방법으로 코팅한 후, 분극장비를 이용하여 120℃ 실리콘 오일bath에서 3kV의 전압을 5분간 인가하여 분극처리하여 제조하였다. 제조된 압전복합소자는 도 2에 나타내었다.
물성평가 방법
1) 직선성(%): 센서로 만든 소자의 하중에 따른 출력전압 값을 측정하여 선형적으로 나타나야 하는 출력값의 오차범위를 계산하여, 도 7에 나타내었다.
2) 민감도(pC/N): 센서로 만든 소자의 최소 압전상수(d33) 값을 측정하였다.
3) 온도계수(%/℃): -20℃ 내지 80℃에서 공진주파수의 변화를 승온속도 1℃으로 하여 변화율을 측정하였다.
| 직선성 | 민감도 | 온도계수 | |
| 실시예1 | ±5 | 299 | 0.0193 |
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 이격되어 배치되는 2 이상의 압전 세라믹 기둥 및 압전 세라믹 기둥 사이에 충진되는 고분자 수지를 포함하는 실시예 1은 직선성(도로교통연구원에서 요구하는 출력전압 값의 오차범위가 ±5)을 만족하고 민감도가 우수하여 인가압력에 따른 전기적 신호 방출이 뛰어나다. 또한, 온도계수가 작아 온도에 따른 오차발생이 적어 신뢰도가 높다는 것을 알 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
100: WIM 센서용 압전복합소자 101: 압전 세라믹 기둥
102: 고분자 수지
200: WIM 센서용 압전복합소자 202: 고분자 수지
203: 전극층
400: 소결된 사출체
500: 압전 세라믹 복합체 501: 소결된 사출체
502: 고분자 수지 503: 주형
600: 압전복합소자
102: 고분자 수지
200: WIM 센서용 압전복합소자 202: 고분자 수지
203: 전극층
400: 소결된 사출체
500: 압전 세라믹 복합체 501: 소결된 사출체
502: 고분자 수지 503: 주형
600: 압전복합소자
Claims (6)
- 이격되어 배치되는 2 이상의 압전 세라믹 기둥; 및
상기 압전 세라믹 기둥들 사이에 충진되는 고분자 수지;를 포함하는 WIM 센서용 압전복합소자로서,
상기 압전 세라믹 기둥은,
하기 화학식 1의 압전세라믹 파우더를 포함하며,
단면적이 1.0 내지 2.4 mm2이고 높이가 0.4 내지 2 mm이며,
종횡비가 0.4 내지 0.85이며,
압축강도가 36 내지 50 MPa이며,
상기 고분자 수지는 아크릴계 에폭시 수지를 포함하고 쇼어경도(D)가 70 내지 86이며,
상기 WIM 센서용 압전복합소자는,
압축강도가 50 MPa 초과, 74 MPa 이하이며,
상기 압전 세라믹 기둥을 30 내지 44%의 부피로 포함하며,
종횡비가 0.067 내지 0.125인, WIM 센서용 압전복합소자:
[화학식 1]
xPb(MnySb(1-y))O3-(1-x)Pb(Zr,Ti)O3
(상기 화학식 1에서 x는 0.01 내지 0.15이고, y는 0.3 내지 0.36이다.)
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 압전세라믹 파우더는,
압전상수가 370 내지 400 pC/N이고, 기계적 품질계수(Qm)가 1110 내지 1150이고, 전기기계결합계수(Kp)가 0.590 내지 0.620인 WIM 센서용 압전복합소자.
- 제1항 또는 제3항의 WIM 센서용 압전복합소자 제조 방법으로서,
압전세라믹 파우더와 바인더를 혼합하여 사출원료를 형성하는 단계
상기 사출원료를 이격되어 있는 복수 개의 기둥 공간을 가진 금형 내로 주입하여 복수의 기둥을 포함하는 사출체를 형성하는 단계
상기 사출체를 탈지 및 소결하는 단계
상기 소결된 사출체를 일정 형상의 주형에 넣고 고분자 수지를 주입 및 경화시켜 압전 세라믹 복합체를 형성하는 단계
상기 압전 세라믹 복합체의 길이 방향과 수직한 방향으로 절단하여 압전복합소자를 형성하는 단계 및
상기 압전복합소자의 상면 및 하면에 전극 코팅 및 분극처리 하는 단계를 포함하는, WIM 센서용 압전복합소자의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
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| KR101648344B1 (ko) * | 2015-04-24 | 2016-08-16 | 국방과학연구소 | 가연성 소재를 이용한 mems 기반 압전 에너지 하베스터 제작 방법 |
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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