KR102618218B1 - 고변위 압전재료를 구비하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고변위 압전재료를 구비하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서는 높은 압전 상수(d33=1,000∼6,000pC/N), 높은 유전 상수(K3 T=6,000∼15,000)와 동시에 낮은 유전 손실(tan δ<2%)를 가지는 고변위 압전재료(High Strain Piezoelectrics)를 적용하여 고효율 및 저전압 구동 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 우수한 방사 특성을 구현하고 동시에 소형화를 통한 제조 단가를 낮출 수 있으므로, 상기 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 물질 이동, 화학 작용, 생물 반응을 촉진하고 인체 및 동물 대상의 종양치료목적의 의료용 장치에 적용될 수 있다.
본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서는 높은 압전 상수(d33=1,000∼6,000pC/N), 높은 유전 상수(K3 T=6,000∼15,000)와 동시에 낮은 유전 손실(tan δ<2%)를 가지는 고변위 압전재료(High Strain Piezoelectrics)를 적용하여 고효율 및 저전압 구동 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 우수한 방사 특성을 구현하고 동시에 소형화를 통한 제조 단가를 낮출 수 있으므로, 상기 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 물질 이동, 화학 작용, 생물 반응을 촉진하고 인체 및 동물 대상의 종양치료목적의 의료용 장치에 적용될 수 있다.
Description
본 발명은 고변위 압전재료를 구비하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서(Electric Field and Vibration Generating(EFVG) Transducers) 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 압전 상수(d33=1,000∼6,000pC/N), 높은 유전 상수(K3 T=6,000∼15,000)와 동시에 낮은 유전 손실(tan δ<2%)를 가지는 고변위 압전재료(High Strain Piezoelectrics)를 적용하여 전기장과 기계적 진동을 동시에 발생시키고, 상기 발생된 전기장과 기계적 진동을 이용하여 물질 이동, 화학 작용, 생물 반응을 촉진하고 인체 및 동물 대상의 종양치료목적의 의료용 장치에 적용가능한 전기장-진동 방사 트랜스듀서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
전기장 방사는 금속 전선을 이용하거나 유전체(Dielectric)에 전압을 인가하는 방법으로 가능하다. 특히, 유전체에 직접적으로 전압을 인가하여 전기장을 방사시키는 방법이 일반 금속판 등을 이용하는 방법보다 더 효과적으로 전기장을 방사할 수 있다.
구체적으로, 두 금속판 사이에 유전체가 위치한 경우, 유전체의 분극 현상(Polarization)으로 두 금속판 사이에 전기장의 밀도가 증가하는 반면, 상기 두 금속판 사이가 진공이면, 분극 현상의 부재로 인하여 두 금속판 사이에 전기장의 밀도는 단순히 가해준 전압에 비례한다.
따라서 유전체의 분극 현상을 이용하면, 두 금속판 사이의 전기장이 증가하고 결과적으로 더 큰 전기장의 방사가 가능하게 된다. 이러한 전기장 방사는 물질 이동, 화학 작용, 생물 반응 등의 다양한 현상을 제어하는 분야에 활용되고 있으며, 향후 의료용 기기 등에 더욱 확대되어 적용될 전망이다.
일반적으로 유전체를 이용한 전기장 방사 트랜스듀서는 유전체 소자와 상기 유전체 소자에 전기장을 인가하는 외부 전극과 외부 전극에 전압을 인가하는 전압 공급 장치를 포함한다. 상기 유전체 소자는 외부 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 외부 전극은 전압 공급 장치에 연결되어 전기적 신호를 유전체 소자에 인가한다. 이때, 상기 전기장 방사 트랜스듀서에서 방출되는 전기장의 크기는 인가된 전압크기와 유전체의 유전 상수에 일반적으로 비례한다. 따라서 유전 상수가 큰 소재를 사용하면, 방출되는 전기장의 크기를 증가시킬 수 있다.
일반적으로 유전체 세라믹 소재 중에서 강유전체(Ferroelectric)인 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3(이하, 'PZT'라고 함), Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(이하, 'PMN'이라고 함)와 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(이하, 'PMN-PT'라고 함)계 다결정 세라믹(Polycrystalline Ceramics) 소재가 주로 사용되어 왔다. 상기 BaTiO3, PZT, PMN과 PMN-PT계 다결정 세라믹 소재는 유전 상수가 크고 가격이 저렴하면서 제조 공정기술이 잘 알려져 있는 재료로서 다양한 응용분야에서 이용되고 있다.
그러나 현재 사용되고 있는 상기 BaTiO3, PZT, PMN과 PMN-PT계 다결정 세라믹 소재의 유전/강유전체는 유전 상수(Dielectric Constant)가 5,000 이하이고, 유전 손실(Dielectric Loss, tan δ)이 2.0%를 초과하는 단점이 있다. 이때, 상기 유전 손실이 크면, 전압 인가시 특히, 교류 전압이 인가될 경우, 열 발생(Heat Generation)이 크고 유전체의 물성저하가 유도되어 결과적으로 전기장 방사 트랜스듀서의 효율이 낮아진다.
또한, 열 발생은 주변온도를 변화시켜 제어하고자 하는 화학 작용이나 생물 반응을 달성하기 어렵게 한다.
이러한 유전체 세라믹 소재의 한계는 전기장 방사 트랜스듀서의 성능을 제한하고 전력 소모가 커서 전체 시스템의 크기를 증가시켜서 휴대용 제품의 제작을 어렵게 한다.
따라서, 전기장 방사 트랜스듀서의 성능은 유전체의 성능에 의해서 결정되므로, 높은 유전 상수와 동시에 낮은 유전 손실을 가지는 유전체 또는 강유전체 소재가 요구된다.
이러한 일환으로, 페로브스카이트형 결정구조(Perovskite Crystal Structure; [A][B]O3)의 압전 단결정들(Piezoelectric Single Crystals)은 종래의 압전 다결정체 세라믹(Piezoelectric Polycrystalline Ceramics) 소재에 비하여 월등히 높은 유전 상수(K3 T)와 압전 상수(d33)를 나타내며 동시에 낮은 유전 손실 특성을 보인 재료로서 제안되고, 이를 이용한 전기장 방사 트랜스듀서의 개발가능성을 제시한다.
상기 페로브스카이트형 결정구조의 압전 단결정의 일례로는 PMN-PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3), PZN-PT(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3), PInN-PT(Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3), PYbN-PT(Pb(Yb1/2Nb1/2)O3-PbTiO3), PSN-PT(Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-PbTiO3), PMN-PInN-PT, PMN-PYbN-PT와 BiScO3-PbTiO3(BS-PT) 등이 있다. 이러한 압전 단결정들은 용융(melting)시에 공융(congruent melting) 거동을 하여, 플럭스법(flux method), 브리지만법(Bridgman method) 등으로 제조되어 왔다.
일반적으로 페로브스카이트형 결정구조의 압전 단결정들은 능면체상과 정방정상의 상경계 즉, MPB(morphotropic phase boundary) 조성 부근 영역에서 유전 및 압전 특성이 가장 높다고 알려져 있다.
그러나 페로브스카이트형 결정구조의 압전 단결정들은 일반적으로 능면체상일 때 가장 우수한 유전 및 압전 특성을 보이기 때문에 능면체상의 압전 단결정들의 응용이 가장 활발하나, 능면체상의 압전 단결정들은 능면체상과 정방정상의 상전이 온도(TRT) 이하에서만 안정하기 때문에, 능면체상이 안정할 수 있는 최대 온도인 TRT 이하에서만 사용이 가능하다. 따라서, TRT 상전이 온도가 낮은 경우에는 능면체상의 압전 단결정의 사용 온도가 낮아지고, 압전 단결정 응용 부품의 제작 온도와 사용 온도도 TRT 이하로 제한된다. 이때, 상전이 온도들(TC와 TRT)과 항전계(EC)가 낮은 경우에는 기계가공, 응력, 열 발생과 구동 전압 하에서 압전 단결정들이 쉽게 폴링이 제거(depoling)되고 우수한 유전 및 압전 특성을 상실하게 된다.
또한, 압전 다결정 세라믹 소재에 비하여, 압전 단결정은 높은 압전 상수(d33≥1,000∼2,000 pC/N)를 보이나, 항전계가 낮아서(EC≤2∼5 kV/cm) 쉽게 디폴링(depoling) 되므로 전기적 안정성이 낮아서 실제 사용에는 제한적이다. 이에, 압전 단결정의 항전계를 높이는 방법이 제안되었으나, 항전계의 증가는 압전 특성의 저하가 수반되는 문제로 여전히 낮은 실효성이 지적되어 왔다.
따라서, 현재의 압전 단결정은 유전 상수, 압전 상수, 상전이 온도들, 항전계와 기계적 특성 등을 동시에 개선하고자 꾸준한 연구가 진행되고 있으며, 특히, Sc와 In 등과 같이 비싼 원소를 주성분으로 하는 조성의 압전 단결정은 높은 단결정 제조 원가로 인하여 단결정의 실용화에 실질적인 장애가 되고 있다.
특허문헌 1은 고상 단결정 성장 방법(Solid-state Single Crystal Growth [SSCG] Method)에 관한 발명으로서, 종래 액상 단결정 성장법과는 달리 용융 공정을 이용하지 않고, 특별한 장치 없이 일반적인 단순한 열처리 공정을 통하여, 다결정체에서 일어나는 비정상 입성장을 제어하여, 각종 조성의 단결정들을 고상 단결정 성장 방법으로 제조할 수 있도록 하여, 단결정 제조비용을 낮추고, 높은 재현성과 경제적인 방법으로 단결정을 대량으로 생산할 수 있는 단결정 성장 방법을 제시하고 있다.
또한, 특허문헌 2는 고상 단결정 성장법을 이용하여 높은 유전 상수(K3 T), 높은 압전 상수(d33과 k33), 높은 상전이 온도(큐리온도(Curie temperature, Tc)) 및 높은 항전계(coercive electric field, Ec)와 향상된 기계적 특성을 동시에 가지는 압전 단결정을 개시하고 있으며, 단결정 대량 생산에 적합한 고상 단결정 성장법을 통해 제조된 압전 단결정은 값비싼 원료를 포함하지 않는 단결정 조성을 개발하여 압전 단결정 상용화를 가능하게 하고, 우수한 특성의 압전 단결정을 이용한 압전 응용 부품 및 유전 응용 부품들을 넓은 온도 영역에서 제작 및 사용이 가능하게 한다.
이에, 본 발명자들은 전기장 방사 트랜스듀서의 성능을 개선하고자 노력한 결과, 높은 유전 상수(K3 T), 높은 압전 상수(d33과 k33)와 동시에 낮은 유전손실을 가지는 고변위 압전재료(High Strain Piezoelectrics)를 적용하여 전기장뿐만 아니라, 기계적 진동을 동시에 발생시켜, 상기 발생된 전기장과 기계적 진동을 이용하여 신규한 전기장-진동 방사 트랜스듀서 개발이 가능하고, 고효율과 저전압 구동과 낮은 열 발생의 특성을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 전기장과 기계적 진동을 동시에 방사 및 제어할 수 있는 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고변위 압전재료인 압전 단결정 또는 상기 압전 단결정을 포함한 폴리머-압전 복합체를 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 페로브스카이트형 결정구조([A][B]O3)의 압전재료 및 상기 압전재료의 적어도 일면에 형성된 전극(electrode)을 포함하되,
상기 압전재료의 압전 상수(d33)가 1,000 내지 6,000pC/N,
상기 압전재료의 유전 상수(K3 T)가 6,000 내지 15,000 및
상기 압전재료의 유전 손실이 2% 이하를 충족하여 전기장과 기계적 진동을 동시에 방출하는, 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 제공한다.
본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 있어서, 상기 전극은 압전재료의 어느 일면에만 형성되거나 양면 형성 시 전극의 소재, 형태 또는 면적을 달리한 비대칭적으로 형성된 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 전극은 전도성 금속, 카본 및 전도성 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나이다.
본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 있어서, 압전재료는 압전 단결정 또는 상기 압전 단결정을 포함하는 폴리머-압전 복합체를 사용하는 것이다.
상기에서 압전 단결정은 고상 단결정 성장법에 의해 성장된 압전 단결정이며, 더욱 구체적으로는, 하기 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정이다.
화학식 1
[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(L)yTix]O3-z
상기 식에서,
A는 Pb, Sr, Ba 및 Bi로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,
B는 Ba, Ca, Co, Fe, Ni, Sn 및 Sr으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상이며,
C는 Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이며,
L은 Zr 또는 Hf에서 선택된 단독 또는 혼합 형태이고,
M은 Ce, Co, Fe, In, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb 및 Zn로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며,
N은 Nb, Sb, Ta 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며,
0≤a≤0.10, 0≤b≤0.05, 0.05≤x≤0.58 및 0.05≤y≤0.62 및 0≤z≤0.02이다.
상기 압전 단결정은 상기 식에서 0.01≤a≤0.10 및 0.01≤b≤0.05를 충족하며, 특히 상기 식에서 a/b≥2인 것이다.
또한 상기 압전 단결정에 있어서, 0.10≤x≤0.58 및 0.10≤y≤0.62를 충족하는 것이 바람직하다.
상기 압전 단결정에서 L이 혼합 형태일 때, 화학식 2 또는 화학식 3의 조성식을 가지는 것이다.
화학식 2
[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(Zr1-w, Hfw)yTix]O3
화학식 3
[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(Zr1-w, Hfw)yTix]O3-z
상기에서, A, B, C, M, N, a, b, x, y 및 z는 상기 화학식 1과 동일하고, 다만, 0.01≤w≤0.20를 나타낸다.
본 발명은 압전 단결정 조성에 부피비로 0.1 내지 20%의 강화 이차상(P)을 더 포함할 수 있으며, 상기 강화 이차상 P는 금속상, 산화물상 또는 기공(pore)인 것이다.
상기 강화 이차상 P는 Au, Ag, Ir, Pt, Pd, Rh, MgO, ZrO2 및 기공(pore)으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상인 것이며, 상기 강화 이차상 P는 압전 단결정 내에서 입자의 형태로 균일하게 분포하거나 또는 일정한 패턴을 가지면서 규칙적으로 분포한다.
또한, 본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 있어서, 압전재료로서 폴리머-압전 복합체가 사용되어 유연성을 부가할 수 있다.
상기 폴리머-압전 복합체는 폴리머 매트릭스에 압전 다결정 또는 압전 단결정이 포함될 수 있으며, 구체적으로는 폴리머 매트릭스가 10 내지 80부피%로 이루어진 것이다.
구체적으로, 상기 폴리머-압전 복합체가 폴리머 매트릭스에 로드형의 압전재료가 내재된 1-3형 또는 2-2형 복합체 구조이며 상기에서 압전 복합체는 압전 단결정에, 압전 다결정 세라믹이 혼합된 것이다.
이상의 전기장-진동 방사 트랜스듀서는 상기 방출되는 전기장의 주파수는 0.01 Hz 내지 500 kHz이고, 전기장의 세기가 0.01 내지 100V/㎝인 것이다.
또한, 상기 방출되는 기계적 진동의 주파수는 0.1 Hz 내지 3 MHz 및 기계적 진동의 크기가 최대 1%인 것이다.
또한, 본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 있어서, 압전재료는 표면에 기공(Pores) 또는 홈(grooves, channel 등)에 의해 표면요철이 형성될 수 있다.
나아가, 본 발명은 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 제조방법으로서, 페로브스카이트형 결정 구조([A][B]O3)의 압전재료의 두께를 0.1 내지 100㎜로 가공하고, 상기 압전재료의 양면에 외부 전극을 형성하고, 외부 전극에 전압을 인가하여 폴링하여 압전 재료의 유전/압전 특성을 최대화하고, 상기 양면에 형성된 외부전극의 어느 하나를 일부 또는 전체를 제거하여 비대칭 구조로 형성하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 제조방법을 제공한다.
상기에서 압전재료는 페로브스카이트형 결정구조([A][B]O3)의 압전 단결정 또는 상기 압전 단결정을 포함한 폴리머-압전 복합체인 것이다.
본 발명의 따른 전기장-진동 방사 트랜스듀서는 높은 압전 상수(d33=1,000∼6,000pC/N), 높은 유전 상수(K3 T=6,000∼15,000)와 동시에 낮은 유전 손실(tan δ<2%)를 가지는 고변위 압전재료를 포함함으로써, 높은 특성이 보존되고 전기장과 기계적 진동을 동시에 발생시키는 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 제공할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 압전특성을 가진 압전 단결정은 고상 단결정 성장법에 의해 높은 유전 상수 및 압전 상수도 높게 보존되며, 낮은 공정 비용으로 대량 생산이 가능하므로, 이를 이용한 물질 이동, 화학 작용, 생물 반응을 촉진하고 인체 및 동물 대상의 종양치료목적의 의료용 장치의 성능개선 및 가격경쟁력을 충족시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 단면 모식도이고,
도 2는 본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 의료용 장치로 적용될 경우를 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 폴리머-압전 복합체에 대한 굽힘 평가 결과이고,
도 4는 상기 폴리머-압전 복합체 구조의 모식도이고,
도 5는 본 발명의 1-3형 복합체 구조에 대한 이미지이고,
도 6은 상기 폴리머-압전 복합체를 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 제작공정을 단계별로 도시한 것이고,
도 7은 본 발명의 [Pb0.965Sr0.02La0.01][(Mg1/3Nb2/3)0.4Zr0.25Ti0.35]O3 조성의 압전 단결정을 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 전압인가에 따른 유도 전기장의 세기를 도시한 것이고,
도 8은 도 7의 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 전압인가에 따른 기계적 진동의 크기를 도시한 것이고,
도 9는 본 발명의 [Pb0.965Sr0.02Sm0.01][(Mg1/3Nb2/3)0.25(Ni1/3Nb2/3)0.10Zr0.30Ti0.35]O3 조성의 압전 단결정을 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 전압인가에 따른 유도 전기장의 세기를 도시한 것이고,
도 10은 도 9의 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 전압인가에 따른 기계적 진동의 크기를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 의료용 장치로 적용될 경우를 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 폴리머-압전 복합체에 대한 굽힘 평가 결과이고,
도 4는 상기 폴리머-압전 복합체 구조의 모식도이고,
도 5는 본 발명의 1-3형 복합체 구조에 대한 이미지이고,
도 6은 상기 폴리머-압전 복합체를 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 제작공정을 단계별로 도시한 것이고,
도 7은 본 발명의 [Pb0.965Sr0.02La0.01][(Mg1/3Nb2/3)0.4Zr0.25Ti0.35]O3 조성의 압전 단결정을 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 전압인가에 따른 유도 전기장의 세기를 도시한 것이고,
도 8은 도 7의 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 전압인가에 따른 기계적 진동의 크기를 도시한 것이고,
도 9는 본 발명의 [Pb0.965Sr0.02Sm0.01][(Mg1/3Nb2/3)0.25(Ni1/3Nb2/3)0.10Zr0.30Ti0.35]O3 조성의 압전 단결정을 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 전압인가에 따른 유도 전기장의 세기를 도시한 것이고,
도 10은 도 9의 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 전압인가에 따른 기계적 진동의 크기를 도시한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 페로브스카이트형 결정구조([A][B]O3)의 압전재료 및 상기 압전재료의 적어도 일면에 형성된 전극(electrode)을 포함한 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 제공한다.
상기 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 있어서, 압전재료는 (1) 압전 상수(d33) 1,000 내지 6,000pC/N이고, (2) 유전 상수(K3 T) 6,000 내지 15,000이고, (3) 유전 손실이 2% 이하를 충족하는 고변위 압전재료로서, 전압인가시 전기장과 기계적 진동을 동시에 방출하여 전기장-진동 방사 트랜스듀서 제작이 가능하고, 상기 방출되는 전기장과 기계적 진동의 주파수, 크기와 방향을 동시에 제어할 수 있는 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 제공한다.
상기 방출되는 전기장의 주파수는 0.01 Hz 내지 500 kHz이고, 전기장의 세기가 0.01 내지 100V/㎝인 것이다.
또한, 상기 방출되는 기계적 진동의 주파수는 0.1 Hz 내지 3 MHz 및 기계적 진동의 크기가 최대 1%인 것이다.
본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 있어서, 상기 전극은 압전재료의 어느 일면에만 형성되거나 양면 형성 시 전극의 소재, 형태 또는 면적을 달리하여 비대칭적으로 형성된 것이다. 이때, 상기 전극은 전도성 금속, 카본 및 전도성 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 단면 모식도를 나타낸 것으로, 바람직한 실시형태로서 압전재료(11)의 일면에만 전극(12)이 형성된 비대칭 구조의 전기장-진동 방사 트랜스듀서(10)이고, 이를 의료용 장치로 적용될 경우, 상기 압전재료(11)면이 피부에 직접 접촉되도록 하여 전압인가시 전기장과 기계적 진동을 동시에 방출하여 타겟 종양의 치료효과를 제공하는 것이다.
상기 압전재료의 표면에 인위적으로 기공(Pores)과 홈(grooves, channel 등) 등을 형성하여 표면 요철을 만드는 것이 바람직하며, 표면 요철의 형성은 압전재료 내부의 기공을 이용하거나 기계적 및 화학적인 가공들 중에서 하나 이상을 선택하여 실시할 수 있다. 상기 압전재료의 표면 요철의 형상은 국부적으로 전기장과 진동의 분포에 영향을 준다. 표면 요철의 형상을 변화시켜서 국부적인 전기장과 진동의 분포를 제어하고 그 효과를 최대화할 수 있다.
본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 있어서, 압전재료로서 BaTiO3, PZT, PMN과 PMN-PT계 다결정 세라믹 소재는 압전 상수(Pieoelectric constant, d33)가 600pC/N 이하이어서 낮은 인가 전압에서는 비례적으로 변위가 증가하나 특정 인가 전압(또는 전기장)이상에서 변위가 더 이상 증가하지 못하는 비선형적인 거동을 보여서 일반적으로 최대 변위는 0.3% 이하가 된다. 따라서 다결정 세라믹 소재를 단독으로 사용하는 경우, 각 응용 부품에서 허용 가능한 전압 이하에서 최대 변위 1%를 발생할 수 없으므로, 실제 응용을 위한 충분한 기계적 진동을 발생하기 어렵다.
특히, 전기장 방사 트랜스듀서에서 유전체의 한 면에만 전극이 형성되는 구조로 인하여 발생할 수 있는 기계적 진동의 크기는 더욱 감소한다. 따라서, 본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서에서의 압전재료로서 BaTiO3, PZT, PMN과 PMN-PT계 다결정 세라믹 소재의 단독 사용을 배제한다.
또한, 통상의 유전 상수가 높은 유전체 세라믹의 경우에도 유전 손실이 커서 교류 전압이 인가될 경우, 열 발생이 커서 결과적으로 전기장 방사 트랜스듀서의 효율이 낮아지므로, 실제 응용가치가 낮다.
상기로부터, 본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서는 (1) 압전재료의 압전 상수(d33) 1,000 내지 6,000pC/N이고, (2) 상기 압전재료의 유전 상수(K3 T)가 6,000 내지 15,000의 유전 및 압전 특성이 우수하고, 동시에 (3) 상기 압전재료의 유전 손실이 2% 이하로 낮은 압전재료의 요건이 필수적이며, 상기 요건을 충족한 고변위 압전재료를 적용함에 따라, 고효율과 저전압 구동과 낮은 열 발생의 특성을 가지는 신규한 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 구현한다.
본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서에서 사용되는 압전재료는 페로브스카이트형 결정구조([A][B]O3)의 압전 단결정 또는 상기 압전 단결정을 포함한 폴리머-압전 복합체를 사용하는 것으로, 상기 압전 단결정의 경우, 인가 전압이 증가하면 비례적으로 변위(또는 진동)가 증가하여 최대 1%의 변위를 달성할 수 있다.
이하 재료별로 상세히 설명한다.
(1) 압전 단결정
본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서에서 사용되는 압전 단결정은 (1) 압전 상수(d33) 1,000 내지 6,000pC/N, (2) 유전 상수(K3 T) 6,000 내지 15,000 및 (3) 유전 손실이 2% 이하의 특성을 동시에 나타낸 압전 특성을 충족한 압전재료이다.
이러한 특성을 충족하는 압전 단결정은 고상 단결정 성장법에 의해 성장된 압전 단결정이며 더욱 구체적으로는, 하기 화학식 1의 페로브스카이트형 구조([A][B]O3)의 조성식을 가지는 압전 단결정이다.
화학식 1
[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(L)yTix]O3-z
상기 식에서,
A는 Pb, Sr, Ba 및 Bi로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,
B는 Ba, Ca, Co, Fe, Ni, Sn 및 Sr으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상이며,
C는 Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이며,
L은 Zr 또는 Hf에서 선택된 단독 또는 혼합 형태이고,
M은 Ce, Co, Fe, In, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb 및 Zn로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며,
N은 Nb, Sb, Ta 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며,
0≤a≤0.10, 0≤b≤0.05, 0.05≤x≤0.58 및 0.05≤y≤0.62 및 0≤z≤0.02이다.
구체적으로는 지르코늄(Zr)을 포함하는 페로브스카이트형 결정 구조([A][B]O3)의 압전 단결정(a=0, b=0)이며, 그 일례로는 [Pb(1-a-b)SraBab][((Mg,Zn)1/3Nb2/3)(1-x-y)TixZry]O3, [Pb][((Mg1-aZna)1/3Nb2/3)(1-x-y)TixZry]O3, [Pb][(Mg1/3Nb2/3)(1-x-y)TixZry]O3, [BaxBi(1-x)][Fe(1-x)Ti(x-y)Zry]O3를 포함한다.
또한, 본 발명은 고상 단결정 성장법에 의해 복합한 화학 조성이라도 조성 구배없이 균일하고 압전 특성을 향상시킬 수 있는 압전 단결정을 포함하며, 구체적으로는, 페로브스카이트형 결정 구조([A][B]O3)에서, [A] 자리 이온들의 복합조성을 통해(a≠0, b≠0) 높은 유전 상수(K3T), 높은 압전 상수(d33과 k33), 높은 상전이 온도들(TC와 TRT) 및 높은 항전계(EC)의 유전특성을 개선한다.
따라서, 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정에서 [A] 자리 이온의 복합조성을 구체적으로 살피면, [A1-(a+1.5b)BaCb]로 구성될 수 있으며, 상기 A 조성은 유연 또는 무연 원소를 포함하며 본 발명의 실시예에서는 A가 Pb인 유연계 압전단결정에 한정하여 설명하나, 이에 한정되지는 아니할 것이다.
상기 [A] 자리 이온에 있어서, B 조성은 금속 2가 원소, 바람직하게는 Ba, Ca, Co, Fe, Ni, Sn 및 Sr으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상이며, C 조성은 금속 3가의 원소라면 사용하다.
바람직하게는 Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이며, 더욱 바람직하게는 란탄계 원소를 1종 또는 2종 혼합형태로 사용하는 것이다.
본 발명의 실시예에서는 [A] 자리 이온에 있어서, C 조성은 Sm을 포함한 단독 또는 종이상의 혼합조성으로 설명하고 있으나 이에 한정되지는 아니할 것이다.
상기 화학식 1 또는 화학식 2의 조성식을 가지는 압전 단결정에서 [A] 자리 이온의 복합조성에 있어서, [A] 자리 이온에 해당되는 [A1-(a+1.5b)BaCb] 조성은 목표하는 물성을 구현하기 위한 요건으로서, A가 유연계 또는 무연계 압전 단결정일 때, 금속 2가 원소 및 금속 3가 원소의 조합하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 식에서 0.01≤a≤0.10 및 0.01≤b≤0.05를 충족하며, 특히 상기 식에서 a/b≥2인 것이다. 이때, 상기에서 a가 0.01 미만이면, 페로브스카이트 상이 불안정한 문제가 있고, 0.10을 초과하면 상전이 온도가 너무 낮아져 실제 사용이 어려져 바람직하지 않다.
또한, a/b≥2 요건을 충족하지 않으면, 유전 및 압전 특성이 최대화되지 않거나 단결정 성장이 제한되는 문제로 바람직하지 않다. 이때, 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정에서 [A] 자리 이온의 복합조성에 있어서 금속 3가 원소 또는 금속 2가 원소 단독으로 구성된 경우 대비, 복합조성일 때 우수한 유전 상수를 구현할 수 있다.
상기 화학식 1에서 x는 0.05≤x≤0.58의 범위에 속하는 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 0.10≤x≤0.58이다. 이때, x가 0.05 미만인 경우에는 상전이 온도(Tc와 TRT), 압전 상수(d33, k33) 또는 항전계(Ec)가 낮으며 x가 0.58을 초과하는 경우에는 유전 상수(K3T), 압전 상수(d33, k33) 또는 상전이 온도(TRT)가 낮기 때문이다. 한편, y는 0.050≤y≤0.62의 범위에 속하는 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 0.10≤y≤0.62를 충족하는 것이다. 그 이유는 y가 0.05 미만인 경우에는 상전이 온도(Tc와 TRT), 압전 상수(d33, k33) 또는 항전계(Ec)가 낮으며 0.62를 초과하는 경우에는 유전 상수(K3T) 또는 압전 상수(d33, k33)가 낮기 때문이다.
본 발명의 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정은 페로브스카이트형 결정구조([A][B]O3)에서, [B] 자리 이온에서 금속 4가 원소를 포함하되, 특히 L 조성에 대하여, Zr 또는 Hf에서 선택된 단독 또는 혼합 형태로 한정한다.
상기 혼합 형태이면, 하기 화학식 2 또는 화학식 3의 조성식을 가지는 압전 단결정을 제공한다.
화학식 2
[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(Zr1-w, Hfw)yTix]O3
화학식 3
[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(Zr1-w, Hfw)yTix]O3-z
상기에서, A, B, C, M, N, a, b, x, y 및 z은 상기 화학식 1과 동일하며, 다만 0.01≤w≤0.20를 나타낸다.
이때, 상기 w가 0.01 미만이면, 유전 및 압전 특성이 최대화되지 않는 문제가 있고, 0.20을 초과하면, 유전 및 압전 특성이 급격히 감소하여 바람직하지 않다.
이상의 화학식 2 또는 화학식 3의 조성식을 가지는 압전 단결정은 페로브스카이트형 결정구조([A][B]O3)에서, [A] 자리 이온의 복합조성과 [B] 자리 이온의 조성을 조합함으로써, 큐리온도(Curie temperature, Tc)가 180℃ 이상이며 동시에 능면체상과 정방정상의 상전이온도(phase transition temperature between rhombohedral phase and tetragonal phase, TRT)가 100℃ 이상인 압전 단결정이다. 이때, 큐리온도가 180℃ 미만이면 항전계(Ec)를 5 kV/cm 이상 또는 상전이 온도(TRT)를 100℃ 이상으로 올리기 어려운 문제가 있다.
또한, 본 발명의 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정은 페로브스카이트형 결정구조([A][B]O3)에서, [O] 자리의 산소공공(Oxygen vacancy)에 대하여, 0≤z≤0.02로 제어한 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 z가 0.02를 초과하면, 유전 및 압전 특성이 급격히 낮아지는 문제가 있어 바람직하지 않다.
상기 범위로 산소공공(Oxygen vacancy)가 유도되면, 항전계(Corecive Electric Field)와 내부 전기장(Internal Electric Field)가 효과적으로 증가되어 전기장 구동시와 기계적 하중 조건에서 압전 단결정의 안정성이 증가한다. 따라서 압전 특성을 최대화하고 동시에 안정성도 높일 수 있다.
본 발명에 의한 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정은 전기기계결합계수(k33)가 0.85 이상인 것이며, 상기 전기기계결합계수가 0.85 미만이면 압전 다결정체 세라믹스와 특성이 유사하고 에너지 변환 효율이 낮아지기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명에 의한 압전 단결정은 항전계(EC)가 4 내지 12 kV/㎝인 것이 바람직하고, 상기 항전계가 4 kV/cm 미만이면 압전 단결정 가공시 또는 압전 단결정 응용 부품 제작 또는 사용 시에 쉽게 폴링(poling)이 제거되는 문제가 있다.
또한, 본 발명의 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정은 단결정 내부의 조성 구배가 0.2 내지 0.5몰%로 이루어져 균일성 있는 단결정을 제공할 수 있다.
지르콘산납(PbZrO3)은 230℃의 높은 상전이 온도를 가질 뿐 만 아니라, MPB가 온도 축에 대해서 더욱 수직하게 만드는 효과가 있어 높은 큐리온도를 유지하면서 높은 능면체상과 정방정상의 상전이온도(TRT)를 얻는 것이 가능하여, Tc와 TRT가 동시에 높은 조성을 개발할 수 있다.
종래 압전 단결정 조성에 지르콘산납을 섞어 주는 경우에도 상전이 온도가 지르콘산납의 함량에 비례하여 증가하기 때문이다. 따라서 지르코늄(Zr) 또는 지르콘산납을 포함하는 페로브스카이트형 결정구조의 압전 단결정은 기존의 압전 단결정들의 문제점들을 극복할 수 있다. 또한, 지르코니아(ZrO2) 또는 지르콘산납은 기존의 압전 다결정 재료에서 주성분으로 사용되고 있고 또한 저렴한 원료이기 때문에 단결정의 원료 가격을 높이지 않고 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.
반면에, 지르콘산납을 포함하는 페로브스카이트형 압전 단결정은 용융 시에 PMN-PT와 PZN-PT 등과 달리 공융(congruent melting) 거동을 보이지 않고 비공융(incongruent melting) 거동을 보인다. 따라서 비공융 거동을 보이면 고상의 용융 시에 액상과 고상 지르코니아(solid phase ZrO2)로 분리되고, 액상 내의 고상 지르코니아 입자들이 단결정 성장을 방해하여 용융 공정을 이용하는 일반적인 단결정 성장법인 플럭스법과 브리지만 법 등으로는 제조할 수 없다.
또한, 용융 공정을 이용하는 일반적인 단결정 성장법으로는 강화 이차상을 포함하는 단결정 제조가 어렵고 아직까지 보고된 바가 없다. 왜냐하면 용융 온도 이상에게 강화 이차상이 액상과 화학적으로 불안정하여 반응하므로 독립적인 이차상 형태를 유지하지 못하고 소멸하기 때문이다. 또한 액상 내에서 이차상과 액상의 밀도 차이로 인하여 이차상과 액상의 분리가 일어나서, 이차상을 포함하는 단결정 제조가 어렵고 더욱이 단결정 내부에 강화 이차상의 부피 분율(volume fraction), 크기(size), 형태(shape), 배열(arrangement) 및 분포(distribution) 등을 조절할 수 없다.
이에, 본 발명은 용융 공정을 이용하지 않는 고상 단결정 성장법을 이용하여 강화 이차상(reinforcing second phase)을 포함하는 압전 단결정들을 제조한다. 고상 단결정 성장법에서는 단결정 성장이 용융 온도 이하에서 일어나므로 강화 이차상과 단결정과의 화학적 반응이 억제되고 강화 이차상은 단결정 내부에 독립적인 형태로 안정하게 존재할 수 있게 된다.
상기 강화 이차상은 금속상(예컨대, Au, Ag, Ir, Pt, Pd, 또는 Rh), 산화물상(예컨대, MgO 또는 ZrO2) 또는 기공(pores)으로 이루어지는 군에서 선택된 한 종 이상이 사용될 수 있다.
또한, 단결정 성장이 강화 이차상을 포함하는 다결정체에서 일어나고 단결정 성장 중에 강화 이차상의 부피 분율, 크기, 형태, 배열 및 분포 등의 변화가 없다. 따라서 강화 이차상을 포함하는 다결정체를 만드는 공정에서 다결정 내부의 강화 이차상의 부피 분율, 크기, 형태, 배열 및 분포 등을 조절하고 단결정을 성장시키면, 결과적으로 원하는 형태의 강화 이차상을 포함하는 단결정 즉, 강화 압전 단결정(second phase-reinforced single crystals)을 제조할 수 있다. 상기 강화 이차상(P)이 입자(particle)의 형태로 균일하게 분포하거나 또는 일정한 패턴을 가지면서 규칙적으로 분포하는 것과 같이 이차상의 분포 형태에 따라서 압전 단결정의 유전, 압전 및 기계적 특성이 향상되는 특징을 구현한다.
따라서, 본 발명은 지르콘산납을 포함하는 페로브스카이트형 압전 단결정은 고상 단결정 성장법에 의해 제공됨에 따라, 특별한 장치가 필요 없이 일반적인 열처리 공정에 의하여, 단결정 제조비용을 낮추고, 종래 플럭스법과 브리지만 법 대비, 낮은 공정 가격으로 대량 생산이 가능하다.
또한, 본 발명은 고상 단결정 성장법에 의해, 지르콘산납을 포함하는 페로브스카이트형 결정구조([A][B]O3)에 있어서, [A] 자리 이온의 복합 조성 및 [B]자리 이온간 조합이 복잡한 조성이라도 균일하게 압전 단결정을 성장하게 함으로써, 종래 압전 단결정들에 비하여 유전 상수(K3 T=6,000∼15,000)와 압전 상수(d33=1,000∼6,000pC/N) 및 유전 손실(tan δ<2%)이 현저히 개선된 신규 압전 단결정을 제공할 수 있다.
이상의 유전 및 압전 특성을 가지는 압전 단결정을 유전재료로 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서는 상기 압전재료의 크기, 형상 및 입력 전압의 주파수와 세기를 조절함으로써, 전기장과 기계적 진동을 동시에 방사한다. 이때, (1)방사되는 전기장의 주파수가 0.01 Hz 내지 500 kHz의 범위 및 방사되는 전기장의 세기는 0.01 V/cm 내지 100 V/cm이고, (2)방사되는 기계적 진동의 주파수는 0.1 Hz 내지 3 MHz의 범위 및 방사되는 기계적 진동의 크기는 최대 1 %의 범위를 충족한다.
(2) 폴리머-압전 복합체
도 2는 본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 의료용 장치로 적용될 경우를 도시한 것이다.
본 발명의 전기장 방사 트랜스듀서(10)는 유전 특성을 가지는 유전재료(11)와 상기 유전재료에 전기장을 인가하는 외부 전극(12)과 외부 전극에 전압을 인가하는 전압 공급 장치(20)를 포함한다. 상기 유전재료(11)는 외부 전극(12)에 전기적으로 연결되고(21), 상기 외부 전극은 전압 공급 장치(20)에 연결되어 전기적 신호를 유전재료에 인가한다. 이때, 머리 또는 피부등의 신체부위(30)에 부착될 수 있으며, 상기 전기장-진동 방사 트랜스듀서 복수개를 타겟 종양이 위치한 인근의 신체 부위에 부착할 수 있을 것이다.
상기 유전재료의 높은 압전 상수(d33=1,000∼6,000pC/N), 높은 유전 상수(K3 T=6,000∼15,000)와 동시에 낮은 유전 손실(tan δ<2%)의 유전 특성으로 인해, 전압인가시 전기장 및 기계적 진동을 동시에 방사함으로써, 치료효과를 극대화할 수 있으며, 기계적 진동에 의해 마시지 효과를 제공할 수 있다. 이때, 평편한 표면부착보다는 굴곡진 면에 적용해야 하므로, 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 유연성이 요구된다.
이에, 본 발명의 전기장-진동 방사 트랜스듀서는 압전재료로서 폴리머-압전 복합체를 사용하여 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 유연성을 부가할 수 있다.
상기 폴리머-압전 복합체는 폴리머 매트릭스가 10 내지 80부피%로 이루어진 것으로서, 상기 폴리머는 에폭시 소재(Epotek Epoxies 301 및 301-2)의 상용제품을 사용할 수 있으며, 상기 에폭시 소재는 물과 비교할 때 점성이 낮아 크랙이나 틈에 자연스럽게 침투하고 열의 제공여부에 상관없이 경화되어 강한 결합을 제공할 수 있으며, 이러한 특성은 유리, 세라믹, 쿼츠(quartz), 금속과 대부분의 플라스틱에도 적용된다. 따라서, 상기 폴리머-압전 복합체에서 폴리머 사용은 강한 결합으로 인한 유연성을 제공할 수 있다.
상기 폴리머-압전 복합체가 폴리머 매트릭스에 로드형의 압전재료가 내재된 1-3형 또는 2-2형 복합체 구조이며 상기에서 압전 복합체는 압전 특성을 충족한 압전 단결정에 압전 다결정 세라믹 소재를 복합화함으로써, 압전 단결정의 사용량을 낮춰 가격경쟁력을 구비할 수 있다.
이때, 본 발명의 압전 단결정에 복합화될 소재로는 BaTiO3, PZT, PMN과 PMN-PT계 다결정 세라믹뿐만 아니라, 본 발명의 압전 단결정대비 성능이 낮은 공지된 압전 단결정도 포함할 수 있다.
그 일례로, 상온에서 높은 유전 및 압전 특성들(K3 T>4,000, d33>1,400 pC/N, k33>0.85)을 보이는 장점이 있으나, 낮은 상전이 온도들(TC와 TRT), 낮은 항전계(EC)와 취성(brittleness)의 결점이 있는 압전 단결정을 사용할 수 있다. 구체적으로 PMN-PT (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3), PZN-PT (Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3), PInN-PT (Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3), PYbN-PT (Pb(Yb1/2Nb1/2)O3-PbTiO3), PSN-PT (Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-PbTiO3), PMN-PInN-PT, PMN-PYbN-PT와 BiScO3-PbTiO3 (BS-PT) 등을 포함한다.
도 3은본 발명의 폴리머-압전 복합체에 대한 굽힘 평가 결과로서, 유연성을 확인할 수 있으며, 도 4는 상기 폴리머-압전 복합체(110) 구조의 모식도로서, 폴리머 매트릭스(111)에 단결정을 절단한 로드형의 압전재료(112)가 내재된 복합체(1-3형 복합체) 구조이다.
도 5는 본 발명의 1-3형 복합체 구조에 대한 사진으로서, 왼편의 정면사진 및 측면사진은 다결정 세라믹을 가로×세로로 절단하고, 오른편에 도시된 사진과 같이, 상기 절단이후 결정 성장된 단결정에 폴리머를 채워 경화시켜 완성할 수 있다. 이러한 방법은 단결정을 바로 절단하는 것보다 경제적이고 양산에 유리하다.
도 6은 상기 폴리머-압전 복합체를 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 제작공정을 단계별로 도시한 것이다.
나아가, 본 발명은 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 제조방법으로서, 페로브스카이트형 결정 구조([A][B]O3)의 압전재료의 두께를 0.1 내지 100㎜로 가공하고, 상기 압전재료의 양면에 외부 전극을 형성하고, 외부 전극에 전압을 인가하여 폴링하여 압전 재료의 유전 및 압전 특성을 최대화하고, 상기 양면에 형성된 외부전극의 어느 하나를 일부 또는 전체를 제거하여 비대칭 구조로 형성하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 제조방법을 제공한다.
상기 압전재료는 페로브스카이트형 결정 구조([A][B]O3)의 압전 단결정 또는 상기 압전 단결정을 포함한 폴리머-압전 복합체를 사용할 수 있다. 앞서 설명한 바와 동일하므로, 구체적 설명은 생략한다.
상기 압전재료 가공시 두께는 진동의 크기와 주파수에 따라 결정되며 바람직하게는 0.1 내지 100㎜이다. 이때, 상기 두께가 0.1㎜ 미만이면, 전기장과 진동의 크기가 너무 작아져 실제 효과가 제한되고, 100㎜를 초과하면, 전기장과 진동을 유도하는 전압의 크기가 너무 커서 실제 사용에 제한이 되는 문제가 있다.
상기 제조방법으로부터 제조된 전기장-진동 방사 트랜스듀서는
(1)방사되는 전기장의 주파수는 0.01 Hz 내지 500 kHz의 범위 및 방사되는 전기장의 세기는 0.01 V/cm 내지 100 V/cm 및
(2)방사되는 기계적 진동의 주파수는 0.1 Hz 내지 3 MHz의 범위 및 방사되는 기계적 진동의 크기는 최대 1 %의 범위를 충족한다.
상기 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 방사하는 기계적 진동의 주파수와 크기는 압전재료의 크기, 형상 및 입력 전압의 주파수와 세기를 조절하는 방법을 이용하여 제어할 수 있다.
이상의 전기장-진동 방사 트랜스듀서는 고변위 압전재료를 사용함으로써, 압전재료에 전압이 인가되면 기계적 변형과 진동이 발생되고 상기 전기장 및 기계적 진동을 이용하여 물질 이동, 화학 작용, 생물 반응을 촉진하고 인체 및 동물 대상의 종양치료목적의 의료용 장치에 적용될 수 있다.
특히, 전기장-진동 방사 트랜스듀서가 의료용 장치로서 적용될 경우, 피부 또는 머리면은 굴곡이 많은 부위에 유연하게 부착가능하며, 피부 또는 머리면에 부착 후 기계적 진동에 의해 마사지효과와 피부 호흡에 유용할 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.
본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 압전 단결정을 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서 제작 1
고상 단결정 성장법으로 [Pb][(Mg1/3Nb2/3)0.4Zr0.26Ti0.34]O3 조성의 압전 단결정을 제조하였다. 또한, 분말 합성 공정에서 과량의 MgO를 추가하여, 제조된 단결정 내부에는 MgO 이차상과 기공 강화상 2 부피% 포함되도록 하였다. 이때, 상기 제조된 압전 단결정의 압전 상수, 유전 상수와 유전 손실 특성을 평가한 결과, 압전 상수(d33) 2,007 [pC/N], 유전 상수 6,560 및 유전 손실(tan δ)은 0.9%이었다.
상기 제조된 압전 단결정을 (001)면으로 절단하고, 양면에 은 페이스트(Ag paste) 전극을 도포하고 폴링한 후 한 면의 Ag 전극을 제거하고 절단하여, 판상형 [20(L)×20(L)×1(T)mm] 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 제작하였다.
상기 제작된 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 대하여, 방사되는 전기장 세기(크기) 및 기계적 진동 변위를 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
상기 결과로부터, [Pb][(Mg1/3Nb2/3)0.4Zr0.26Ti0.34]O3 조성의 압전 단결정을 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서는 실제 응용이 가능한 수준의 전기장과 변위(진동)가 유도되었다.
<실시예 2> 압전 단결정을 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서 제작 2
고상 단결정 성장법으로 [Pb0.965Sr0.02La0.01][(Mg1/3Nb2/3)0.4Zr0.25Ti0.35]O3 조성의 압전 단결정을 제조하여 이용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 제작하였다.
이때, 상기 [Pb0.965Sr0.02La0.01][(Mg1/3Nb2/3)0.4Zr0.25Ti0.35]O3 조성의 압전 단결정의 압전 상수(d33)는 2,650[pC/N]이고, 유전 상수는 8,773이고, 유전 손실(tan δ)은 0.5%이었다.
도 7은 [Pb0.965Sr0.02La0.01][(Mg1/3Nb2/3)0.4Zr0.25Ti0.35]O3 조성의 압전 단결정을 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 대한 전압인가시 유도 전기장의 세기를 도시한 것이고, 도 8은 도 7의 동일 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 전압인가시 기계적 진동의 크기를 도시한 것이다.
상기 결과, [Pb0.965Sr0.02La0.01][(Mg1/3Nb2/3)0.4Zr0.25Ti0.35]O3 조성의 압전 단결정을 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서는 방사되는 전기장 세기(크기) 및 기계적 진동 변위를 측정한 결과, 실제 응용이 가능한 수준의 전기장과 변위(진동)가 유도되는 것을 확인하였다.
<실시예 3> 압전 단결정을 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서 제작 3
고상 단결정 성장법으로 [Pb0.965Sr0.02Sm0.01][(Mg1/3Nb2/3)0.25(Ni1/3Nb2/3)0.10Zr0.30Ti0.35]O3 조성의 압전 단결정을 제조하였다. 또한, 단결정 성장 중에 다결정체 기지상의 기공들이 단결정 내부에 포획되어, 제조된 단결정은 1.5 부피% 정도의 기공 강화상을 포함하였다. 상기 제조된 압전 단결정의 압전 상수(d33)는 4,457 [pC/N]이고, 유전 상수는 14,678이며, 유전 손실(tan δ)은 1.0%이었다.
상기 제조된 압전 단결정을 (001) 면으로 절단하고, 양 면에 스퍼터링(Sputtering) 공정으로 금(Au) 전극을 형성하고 폴링한 후, 한 면의 Au 전극을 제거하고 절단하여, 판상형 [20(L)×20(L)×1(T) mm] 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 제작하였다.
도 9는 [Pb0.965Sr0.02Sm0.01][(Mg1/3Nb2/3)0.25(Ni1/3Nb2/3)0.10Zr0.30Ti0.35]O3 조성의 압전 단결정을 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 대한 전압인가시 유도 전기장의 세기를 도시한 것이고, 도 10은 전압인가시 기계적 진동의 크기를 나타낸 것이다.
상기 제작된 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 대하여, 방사되는 전기장 세기(크기) 및 기계적 진동 변위를 측정한 결과, 실제 응용이 가능한 수준의 전기장과 변위(진동)이 유도되는 것을 확인하였다.
<실시예 4> 압전 단결정-에폭시 복합체를 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서 제작 4
상기 실시예 3의 [Pb0.965Sr0.02Sm0.01][(Mg1/3Nb2/3)0.25(Ni1/3Nb2/3)0.10Zr0.30Ti0.35]O3 조성의 압전 단결정은 압전 상수(d33) 4,457[pC/N], 유전 상수 14,678, 유전 손실(tan δ) 1.0%)을 가진 판상형이며, 상기 판상형의 압전 단결정을 다이싱 공정으로 절단하고 절단된 부분에 에폭시(Epotek 301, Epoxy Technology Inc. (미국))를 1:1 부피비로 붓고 경화하여 1-3형 복합체를 제조하였다.
상기 복합체의 양 면[(001) 면]에 스퍼터링 공정으로 금(Au) 전극을 형성하고 폴링한 후, 한 면의 Au 전극을 제거하고 절단하여, 판상형 [20(L)×20(L)×1(T) mm] 복합체 전기장-진동 방사 트랜스듀서를 제작하였다.
상기 제작된 복합체 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 대하여, 방사되는 전기장 세기(크기) 및 기계적 진동 변위를 측정한 결과를 표 2에 기재하였다.
상기 제작된 압전 단결정-에폭시 복합체를 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서에 대하여, 방사되는 전기장 세기(크기) 및 기계적 진동 변위를 측정한 결과, 실시예 3의 압전 단결정 단독(100% 경우)에 대비하여, 복합체 내의 에폭시의 함량에 비례하여 유전 상수는 감소하였으나 변위(진동)는 50% 정도 증가하였다. 따라서 복합체 전기장-진동 방사 트랜스듀서는 유연성 및 향상된 파괴에 대한 저항성과 증가된 변위(진동) 특성을 보이는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 유전 및 압전특성을 충족하는 압전 단결정을 유전재료로 이용한 전기장-진동 방사 트랜스듀서는 물질 이동, 화학 작용, 생물 반응을 촉진하고 인체 및 동물 대상의 종양치료목적의 의료용 장치에 적용할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
10: 전기장-진동 방사 트랜스듀서 11: 압전재료
12: 전극 20: 전압 공급 장치
21: 전기적 연결선 30: 피부
40: 조직 41: 종양
42: 전기장 110: 폴리머-압전 복합체
111: 폴리머 112: 압전 복합체
12: 전극 20: 전압 공급 장치
21: 전기적 연결선 30: 피부
40: 조직 41: 종양
42: 전기장 110: 폴리머-압전 복합체
111: 폴리머 112: 압전 복합체
Claims (20)
- 페로브스카이트형 결정구조([A][B]O3)의 압전재료 및
상기 압전재료의 적어도 일면에 형성된 전극(electrode)을 포함하되,
상기 압전재료의 압전 상수(d33)가 1,000 내지 6,000pC/N,
상기 압전재료의 유전 상수(K3 T)가 6,000 내지 15,000 및
상기 압전재료의 유전 손실이 2% 이하를 충족하여 전기장과 기계적 진동을 동시에 방출하고,
상기 방출되는 전기장이 주파수 0.01 Hz 내지 500 kHz이고, 전기장의 세기가 0.01 내지 100V/㎝인 것을 특징으로 하는, 전기장-진동 방사 트랜스듀서. - 제1항에 있어서, 상기 전극이 압전재료의 어느 일면에만 형성되거나 양면 형성 시 전극의 소재, 형태 또는 면적이 비대칭적으로 형성된 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 제1항에 있어서, 상기 압전재료가 페로브스카이트형 결정구조([A][B]O3)의 압전 단결정 또는 상기 압전 단결정을 포함한 폴리머-압전 복합체인 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 제3항에 있어서, 상기 압전 단결정이 고상 단결정 성장법에 의해 성장된 압전 단결정인 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 제4항에 있어서, 상기 압전 단결정이 하기 화학식 1의 조성식을 가지는 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서;
화학식 1
[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(L)yTix]O3-z
상기 식에서,
A는 Pb, Sr, Ba 및 Bi로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,
B는 Ba, Ca, Co, Fe, Ni, Sn 및 Sr으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상이며,
C는 Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이며,
L은 Zr 또는 Hf에서 선택된 단독 또는 혼합 형태이고,
M은 Ce, Co, Fe, In, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb 및 Zn로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며,
N은 Nb, Sb, Ta 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며,
0≤a≤0.10, 0≤b≤0.05, 0.05≤x≤0.58 및 0.05≤y≤0.62 및 0≤z≤0.02이다. - 제5항에 있어서, 상기 식에서 0.01≤a≤0.10 및 0.01≤b≤0.05인 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 제5항에 있어서, 상기 식에서 a/b≥2인 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 제5항에 있어서, 상기 식에서 0.10≤x≤0.58 및 0.10≤y≤0.62인 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 제5항에 있어서, 상기 압전 단결정에서 L이 혼합 형태일 때, 화학식 2 또는 화학식 3의 조성식을 가지는 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서:
화학식 2
[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(Zr1-w, Hfw)yTix]O3
화학식 3
[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(Zr1-w, Hfw)yTix]O3-z
상기에서, A, B, C, M, N, a, b, x, y 및 z는 상기 화학식 1과 동일하고, 다만, 0.01≤w≤0.20를 나타낸다. - 제5항에 있어서, 상기 압전 단결정 조성에 부피비로 0.1 내지 20%의 강화 이차상(P)을 더 포함하여 기계적 특성을 부가한 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 제10항에 있어서, 상기 강화 이차상은 금속상, 산화물상 또는 기공(pore)인 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 제3항에 있어서, 상기 폴리머-압전 복합체가 폴리머 매트릭스가 10 내지 80부피%로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 제12항에 있어서, 상기 폴리머-압전 복합체가 폴리머 매트릭스에 로드형의 압전재료가 내재된 1-3형 또는 2-2형 복합체 구조인 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 제3항에 있어서, 상기 압전 단결정을 포함한 폴리머-압전 복합체가 압전 단결정에 압전 다결정 세라믹이 혼합된 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 방출되는 기계적 진동의 주파수가 0.1 Hz 내지 3 MHz 및 기계적 진동의 크기가 1% 이하인 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 제1항에 있어서, 상기 전극이 전도성 금속, 카본 및 전도성 세라믹으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 제1항에 있어서, 상기 압전재료가 표면에 기공(Pores) 또는 홈(grooves, channel 등)에 의해 표면요철이 형성된 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서.
- 제1항의 페로브스카이트형 결정구조([A][B]O3)의 압전재료의 두께를 0.1 내지 100㎜로 가공하고,
상기 압전재료의 양면에 외부 전극을 형성하고,
외부 전극에 전압을 인가하여 폴링하고,
상기 양면에 형성된 외부전극의 어느 하나를 일부 또는 전체를 제거하여 비대칭 구조로 형성하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 제조방법. - 제19항에 있어서, 상기 압전재료가 페로브스카이트형 결정구조([A][B]O3)의 압전 단결정 또는 상기 압전 단결정을 포함한 폴리머-압전 복합체인 것을 특징으로 하는 전기장-진동 방사 트랜스듀서의 제조방법.
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