KR20050061910A

KR20050061910A - 액츄에이터 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20050061910A
Application number: KR1020030093527A
Authority: KR
Inventors: 김현이; 윤창번
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2005-06-23
Also published as: KR100579661B1

Abstract

본 발명은 PZN-PZT 복합체로부터 형성되는 압전층 및 PZN-PZT 복합체와 Ag의 혼합물로부터 형성되는 전도층을 포함하는 액츄에이터를 제공한다. 본 발명의 액츄에이터는 PZN-PZT 복합체와 Ag를 1000℃ 이하의 저온 동시소성함으로써 얻을 수 있다. 본 발명의 액츄에이터는 PZN-PZT 복합체 자체의 압전특성뿐만 아니라 압전층과 전도층 간의 큰 열팽창 계수 차이로 인하여 압전층의 표면에 높은 잔류응력을 발생시킴으로써 우수한 변위특성 및 구동력을 제공한다. 또한 본 발명은 사출성형에 의하여 액츄에이터를 제조함으로써 층간 결합이 치밀화된 액츄에이터를 얻을 수 있는 이점을 제공할 뿐만 아니라 제조공정이 단순하여 경제적인 이점을 제공한다. 또한, 본 발명은 특정수단에 의하여 액츄에이터의 휘는 방향을 조절할 수 있어 잔류응력을 높일 수 있고 적응성이 좋은 액츄에이터를 제공할 수 있다.

Description

액츄에이터 및 그 제조방법{Actuator and Method for fabrication thereof}

본 발명은 액츄에이터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동시사출(Co-extrusion)한 후 1000℃ 이하의 저온 소성으로 제조될 수 있는 액츄에이터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현재의 액츄에이터는 커다란 구동력과 함께 큰 변위를 가진 것이어야 한다. 현재 사용되고 있는 액츄에이터는 PZT (Pb(Zr,Ti)O₃), 또는 Pb를 포함한 완화형 강유전체 물질 계열 등이 많이 사용되고 있지만 이들 재료는 디스크 형태에서 시편의 변위가 1%도 안되기 때문에 실제 응용에는 문제가 있다. 또한 다양한 단결정들이 1%이상의 변위를 보이고 있지만 이 또한 결정 성장이 어렵기 때문에 사용에는 한계가 있다.

이를 해결하기 위해서 다양한 형태의 캔틸레버(Cantilever)형, 플렉스텐셔널(Flextensional)형, 그리고, 다층(Multi-layer) 형태의 액츄에이터가 개발되었다. 캔틸레버, 플렉스텐셔널 액츄에이터의 경우는 d₃₁ 모드를 이용하여 시편의 휨(bending) 현상을 이용하기 때문에 작은 전장에서도 큰 변위를 보이고 있다. 대표적인 것으로 유니모르프(Unimorph)와 바이모르프(Bimorph)가 있으며, 이들 액츄에이터는 압전층인 PZT를 얇게 가공한 후 금속 심(shim)을 붙인 것이다. 이 경우 압전층인 PZT는 전기가 가해짐에 따라 수축과 팽창을 하게 되지만 금속은 반응이 없어서 시편 전체의 모양이 휘게 된다. 한 층의 PZT와 한 층의 금속으로 이루어진 것이 유니 모르프이고 두 층의 PZT가 한 층의 금속을 감싸고 있는 것이 바이모르프이다. 이러한 형태의 액츄에이터는 제조 과정이 간단하지만 변위와 변형력이 작은 단점이 있다.

이를 해결하기 위해서 최근에 개발된 것이 레인보우(RAINBOW), 썬더(Thunder) 라고 불리는 액츄에이터들이다. 레인보우 액츄에이터의 경우는 얇게 가공된 PZT를 카본 블랙을 이용하여 고온에서 열처리하여 만든다. 이 때 카본과 접촉되어 있는 면은 PZT가 환원되어 금속층이 됨으로써 유니모르프와 같은 형태가 된다. 이경우에 금속 층이 생성되면서 PZT와 금속층 사이에 열팽창 계수 차이로 인해 PZT가 위로 향하고 금속층이 아래로 향하는 볼록한 형태가 된다. 두 층 사이에 작용하는 잔류 응력으로 인해 시편의 변위와 시편의 발생력은 매우 증가하게 된다. 또 하나의 새로 개발된 액츄에이터는 썬더 액츄에이터이다. 기본적으로 유니모르프와 제조 공정이 비슷하나 고온(300도)에서 접착하는 접착제를 사용하기 때문에 300도에서 시편이 접착이 되고 냉각하면서 금속과 PZT사이에 열팽창 계수 차이로 인해 레인보우처럼 휘게 된다. 이러한 액츄에이터의 경우 레인보우는 고온 (>900도)에서 열처리를 하기 때문에 그 제조 공정이 어렵고 높은 수득율을 얻기 어렵기 때문에 값이 비싼 단점이 있다. 또한 썬더의 경우는 약 300도 정도의 열팽창 차이를 이용하기 때문에 사용시 약간의 열에의한 온도변화에도 변위가 달라지는 단점이 있다.

다층 액츄에이터의 경우는 단순 디스크 PZT가 높은 전압에서 변형이 일어 나기 때문에 사용전압을 낮추고자 각 층의 두께를 얇게 만들고 대신에 각 디스크의 내부에 전극을 병렬로 넣어서 낮은 전압에도 큰 전장을 발생시키는 방법이다. 이러한 다층 액츄에이터의 경우는 단순 다층(Simple multi-layers) 액츄에이터의 절단 및 결합(Cut and bonding) 방법과 테이프-캐스팅 및 프린팅(Tape-casting and printing)의 동시 소결 방법이 있다. 절단 및 결합 방법의 경우는 얇게 만든 압전 PZT를 구리 호일과 실버 에폭시를 이용하여 접착하는 방법이다. 이 경우 압전체는 0.3 mm~ 1mm로 가공하고 접착하기 때문에 제작이 쉽지만 상대적으로 높은 작동 전압이 필요하다. 테이프-캐스팅 및 프린팅 방법은 PZT와 폴리머를 혼합한 후 얇게 테이프로 뽑은 후 그 위에 전극으로 Ag-Pd를 프린팅 한 후 여러 층을 접착하고 폴리머를 태워 날린 후 동시 소결하는 공정이다. 이 경우에는 테이프-캐스팅된 세라믹-폴리머 복합체를 얇게 테이프처럼 만드는 공정이 복잡하고 또한 프린트 공정이 어렵기 때문에 제조단가가 비싸지만 매우 얇은 층을 만들 수 있는 장점이 있다.

한편, HTCC(High Temperature Co-firing Ceramic) 공정을 적용하여 높은 온도(약 1200℃ 정도의 온도)에서 소결할 때는 보통 가격이 비싼 희귀금속 (주로 Pt, Pd 등)이 사용될 수밖에 없다. 높은 온도에서 견딜 수 있고 전도성이 좋은 금속으로는 Pt, Pd 등의 희귀 종류의 금속밖에 없기 때문이다. 따라서 소결 온도를 낮추어 은, 구리 또는 알루미늄 등 가격이 비교적 낮은 금속을 전극으로 사용할 수 있다면 공정에서의 가격을 상당히 낮출 수 있을 것이다. 한 예로서, PZN의 녹는점이 PZT보다 낮아 PZN-PZT 복합체를 형성하면 소결온도를 어느 정도 낮출 수 있을 것으로 예상할 수 있으나, 지금까지 실제로 적용가능한 온도는 1100℃ 정도로 원하는 만큼 낮출 수 없었다. (이에 관한 상세한 종래기술 현황은 본 발명의 주발명자가 2003년 12년 10일에 이미 출원한 대한민국 특허출원 제2003-0089272호를 참조하라.)

본 발명의 목적은 변위가 크고, 구동력이 매우 큰 액츄에이터를 제공하는 것이다. 이러한 우수한 특성은 완화형 강유전체-PZT 복합체, 특히 PZN-PZT 복합체의 우수한 유전특성 및 압전특성 그리고 압전층과 전도층 간의 큰 열팽창 계수 차이로 인한 큰 잔류응력으로부터 오는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 전극재료 물질로서 은(Ag)를 사용하므로 값이 싼 액츄에이터를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 압전층과 전도층의 2층으로 구성될 때, 휘는 방향이 종래의 것과는 반대인 액츄에이터를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 상기와 같은 액츄에이터를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 1000℃ 이하의 저온에서 압전물질 및 전도물질의 동시소성이 가능한 액츄에이터의 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 의하여, 사용되는 압전물질을 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체, 특히 PZN-PZT 복합체를 특정 조성으로 함으로써 이들 압전물질과 은(Ag)과 같은 전극재료의 저온 동시소성이 가능하게 된다.

또한 본 발명의 목적은 동시사출공정을 이용함으로써 제조공정이 간단하여 경제적이면서 층간 접착력이 커서 내구성이 뛰어난 액츄에이터의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 압전층과 전도층의 2층으로 구성될 때, 휘는 방향 및 그 정도를 조절할 수 있는 액츄에이터의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적들 및 이점들은 아래에서 서술된 발명의 상세한 설명에 의하여 보다 분명하게 이해될 것이다.

본 발명은 액츄에이터를 제공한다. 본 발명에 따른 액츄에이터는 압전층과 전도층을 포함한다. 본 발명의 액츄에이터는 2층 또는 3층(압전층/전도층/압전층)으로 된 캔틸레버 타입 또는 플렉스텐셔널 타입 또는 다층 타입으로 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 압전층은 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체, 특히 PZN-PZT 복합체로 구성될 수 있다. 이러한 PZN-PZT 복합체는 xPb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)Pb(Zr_y,Ti_1-y)O₃의 조성에 있어서, x는 0.1~0.6이고 y는 0.35~0.55이거나 또는 x 및 y는 생성되는 PZN-PZT 복합체의 상공존 경계(Morphotropic Phase Boundary; MPB) 영역의 조성이 되도록 선택될 수 있다. 이러한 조성은 PZN 이외의 다른 완화형 강유전체 물질에 대해서도 적용될 수 있다.

전도층은 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체, 특히 PZN-PZT 복합체와 전극재료의 혼합물로 구성될 수 있다. 전극재료는 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등일 수 있으며, 전극재료가 은(Ag)인 경우에는 그 혼합물에서 은(Ag)은 30~80중량%로 함유되는 것이 바람직하다. 복합체의 조성은 상기에서 언급한 바와 같이 선택될 수 있다.

본 발명의 액츄에이터가 2층 액츄에이터일 경우 휘는 방향이 위로 볼록한 형태에서 전극재료를 포함하는 층이 아래층에 있는 형태를 가질 수 있다. 이러한 형태는 통상의 형태와 반대의 형태인데, 본 발명의 특별한 방법에 의하여 이러한 형태의 제조가 가능하다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 액츄에이터의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체 분말 그리고 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체와 전극재료의 혼합 분말을 각각 준비하는 단계, 상기 원료들로부터 각각 압전층 그리고 전도층을 형성하는 단계 및 상기의 층들을 1000℃ 이하의 온도에서 소결하는 단계를 포함한다.

본 발명의 방법에 있어서, 각 층들이 결합된 액츄에이터는 동시사출법에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 원료들로부터 각각 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체로 된 판 또는 막대(rod) 그리고 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체/전극재료 혼합체로 된 판 또는 막대를 형성한 다음에, 상기의 판들 또는 막대들을 서로 접촉시켜서 동시사출하여 층간 결합을 형성한다. 이 때, 각 층을 위한 판 또는 막대도 또한 사출성형법에 의하여 형성될 수 있다. 상기의 각 층들은 각 층들의 원료들과 고분자 물질과의 혼합물에 의하여 형성될 수 있다. 이 경우 층들의 결합이 완료되고 소결하기 전에 각 층들에 포함된 고분자 물질을 태우는 하소단계를 더 포함할 수 있다. 또한 압전층의 원료(완화형 강유전체 물질-PZT 복합체)와 고분자 물질의 혼합 비율과 전도층의 원료(완화형 강유전체 물질-PZT 복합체/전극재료 혼합물)와 고분자 물질의 혼합 비율을 다르게 함으로써 2층 액츄에이터의 휘는 방향을 조절할 수 있다. 상기에서 전극재료, 완화형 강유전체 물질, 복합체의 조성 및 복합체와 전극재료 혼합물의 조성은 상기에서 언급한 바와 같다.

본 발명의 방법의 다른 양상에 의하면, PZT 또는 PZT 복합체로부터 형성되는 압전층 그리고 PZT 또는 PZT 복합체와 전극재료의 혼합물로부터 형성되는 전도층을 포함하는 액츄에이터를 동시사출법에 의하여 제조하는 방법, 특히 액츄에이터의 휘는 방향을 조절할 수 있는 액츄에이터의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 이러한 양상에 따르면, 압전층 및 전도층은 각각 그 원료들과 고분자 물질의 혼합물에 의하여 형성되며, 압전층에서의 원료/고분자 혼합비율과 전도층에서의 원료/고분자 혼합비율을 조절함으로써 2층 액츄에이터의 휘는 방향이 조절될 수 있다. 이러한 양상을 구현함에 있어서, 구체적인 단계들은 상기에서 언급한 바와 유사하며, 다만 여기의 양상에 따르면, 전극재료는 상기에서 언급한 바와 같은 제한을 받지 않고 고온 또는 저온에서 적용될 수 있는 전극재료들을 포함할 수 있으며, PZT 복합체도 마찬가지이다. 뿐만 아니라 이 양상은 저온소성뿐만 아니라 고온소성에 대해서도 적용될 수 있다.

이하에서 본 발명을 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1에서 도 4까지의 도면들에 도시된 바와 같이, 본 발명의 액츄에이터는 압전층과 전도층을 포함한다. 본 발명의 액츄에이터는 2층 또는 3층으로 된 캔틸레버 타입 또는 플렉스텐셔널 타입 또는 다층 타입으로 형성될 수 있다. 이 때 도 2에 도시된 바와 같이, 2층 액츄에이터의 경우에는 어느 한쪽으로 휘는 것이 보통인데, 본 발명에서는 특별한 방법에 의하여 그 휘는 방향을 조절할 수 있으며, 특히 통상의 휘는 방향과 반대방향으로 휘게 할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 2층 액츄에이터는 휘는 방향이 위로 볼록한 형태에서 전극재료가 포함된 층이 아래층에 있는 형태를 가질 수 있다. 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 3층 액츄에이터는 압전층/전도층/압전층의 형태로 구성될 수 있다. 또한 도 4는 다층 액츄에이터의 구조를 보여준다.

본 발명의 액츄에이터의 압전층은 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체 층으로 구성된다. 이 때, 완화형 강유전체 물질은 PZN, PMN, PIN, PFN 및 PFW를 포함하며, 특히 PZN이 바람직하다. 전도층은 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체와 전극재료의 혼합물로 형성된다. 이 때 사용되는 전극재료는 PZT 또는 PZT 복합체와 동시소성을 할 때, 1000℃ 이상의 고온에서 견딜 수 없는 전극재료가 바람직하게 사용될 수 있다. 본 명세서에서 고온에서 견딜 수 없는 전극재료라 함은 PZT 복합체와 함께 고온에서 동시소성하면 그 소결체에서 전극재료에게 요구되는 특성, 즉 전도특성을 발휘할 수 없거나 소결체의 전체적인 특성을 열화시킴으로써 고온 동시소성에 적용할 수 없다고 알려져 있는 전극재료를 의미한다. 이러한 전극재료는 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)을 포함할 수 있고, 바람직하게, 은(Ag)이다. 전극재료가 은(Ag)이고, 완화형 강유전체 물질이 PZN인 경우에는, 도 5에서 보는 바와 같이, PZN-PZT 복합체/Ag 혼합물에서 Ag의 함량은 30~80중량%의 범위인 것이 바람직하다. Ag의 함량이 20중량%까지의 범위에서는 실질적인 전도성을 나타내지 못하며, 30중량% 이상이면 충분한 전도성을 가지게 되며, 40중량% 이상이 되면 분산된 은이 자체적으로 연결되어 거의 순수한 은과 동일한 전도성을 가지게 된다. 이 때, 전도성의 측면만을 본다면 순수한 은을 사용하여도 무방하지만, 동시사출법에 의하여, 특히 이후에 설명하게 될 휘는 방향을 조절하기 위한 방법을 적용하기 위해서는 Ag의 함량은 일정량 이하로 한정시키는 것이 바람직하다. 상기와 같은 특성을 가지는 전극재료는 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체, 특히 PZN-PZT 복합체와 1000℃ 이하의 저온에서 동시소성이 가능하다. 따라서 본 발명의 액츄에이터는 저온 동시소성에 의하여 제조될 수 있다.

한편, 본 발명의 주발명자가 2003년 12년 10일에 이미 출원한 대한민국 특허출원 제2003-0089272호는 "PZN-PZT 복합체의 제조방법"이라는 발명의 명칭으로, 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체, 특히 PZN-PZT 복합체를 특별한 조성으로 형성함으로써 1000℃ 이하의 저온에서 소성이 가능한 PZN-PZT 복합체의 제조방법을 개시하고 있다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 조성의 복합체를 채용할 수 있다. 이에 대한민국 특허출원 제2003-0089272호의 내용은 본 명세서의 일부로서 여기에 합체된다.

본 발명의 액츄에이터를 위하여 사용되는 PZN-PZT 복합체는 xPb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)Pb(Zr_y,Ti_1-y)O₃의 조성에 있어서, x는 0.1~0.6이고 y는 0.35~0.55이거나 또는 x 및 y는 생성되는 PZN-PZT 복합체의 상공존 경계(Morphotropic Phase Boundary; MPB) 영역의 조성이 되도록 선택될 수 있다. 이러한 조성은 PZN 이외의 다른 완화형 강유전체 물질에 대해서도 적용될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 액츄에이터의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 방법에 따르면, 먼저 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체 분말 그리고 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체와 전극재료의 혼합 분말을 각각 준비한다. 이 때, 완화형 강유전체 물질, 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체의 조성, 전극재료 및 전극재료의 함량은 상기에서 언급한 바와 같다. 본 발명의 방법에서는, 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체로부터 압전층을 형성하고, 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체와 전극재료의 혼합물로부터 전도층을 형성한다. 형성된 각 층들은 1000℃ 이하의 저온에서 소결된다.

이 때, 압전층 및 전도층은 각각 그 원료들로부터 판 또는 막대를 형성하고 이 판들 또는 막대들을 서로 접촉시켜서 동시사출함으로써 층간 결합을 형성함에 따라 제조될 수 있다. 각 판들 또는 막대들도 마찬가지로 사출법에 의하여 형성될 수 있다. 또한 성형을 효과적으로 이루기 위하여 각 층들의 원료들과 고분자 물질과의 혼합물에 의하여 각 층들을 형성하고, 소결단계 전에 각 층에 포함된 고분자 물질을 태우는 하소단계에 의하여 제거될 수 있다. 각 층의 원료/고분자 물질의 혼합물의 비율에 있어서, 전도층의 혼합비율과 압전층의 혼합비율을 조절함으로써 2층 액츄에이터의 경우 그 휘는 방향이 조절될 수 있다. 통상적인 2층 액츄에이터의 경우 휘는 방향이 위로 볼록한 형태에서 전극재료가 포함된 층이 위로 가는 형태를 가지지면 본 발명의 방법에 따르면, 그 반대 방향으로 휘는 2층 액츄에이터를 제조할 수 있다. 그것은 원료와 고분자 물질의 혼합물의 비율에 있어서, 예를 들어, PZN-PZT/Ag의 분말의 양을 PZN-PZT 분말의 양보다 적게 함유시킴으로써 가능하게 된다. 그러면 압전층의 경우 PZN-PZT 분말의 양이 많으므로 소결시 수축이 적게 발생하지만, 전도층의 경우 PZN-PZT/Ag의 분말의 양이 적으므로 소결시 수축이 많이 발생하게 된다. 따라서, 전도층은 적은 면적을 차지하고 압전층은 많은 면적을 차지하는 형태를 가지도록 액츄에이터가 휘게 된다.

도 1은 본 발명의 방법에 따른 단계들을 개략적으로 보여준다. 도 1에서 보는 바와 같이, PZN-PZT/Ag 판 및 PZN-PZT 판을 각각 사출성형법으로 제조하고(a 단계), 이들을 동시사출성형기에 위치시킨 후 동시사출성형한(b 단계) 다음에, 각 층에 포함된 고분자 물질을 태우는 하소단계거친 후 소결하여 본 발명의 액츄에이터를 얻는다(c 단계). 도 1(d)는 그 후 전기적 특성을 측정하기 위해서 소결된 시편에 은전극을 바른 후 열처리한 다음에 전기장을 가하는 모습을 보여주고 있다.

이와 같이 본 발명의 방법에 따라 제조된 액츄에이터는 도 6에 도시된 바와 같이, 뛰어난 변위특성을 보인다. 이러한 뛰어난 변위특성은 PZN-PZT 자체의 압전특성으로부터 기인할 뿐만 아니라 PZN-PZT 복합체층(압전층)과 PZN-PZT/Ag층(전도층) 간의 큰 열팽창계수 차이로 인하여 압전층의 표면에 큰 인장응력이 발생하였기 때문이다. 또한 본 발명은 동시사출법에 의하여 보다 치밀하게 결합된 구조를 가지게 함으로써 내구성이 큰 액츄에이터를 제공할 수 있다. 또한 본 발명은 제조공정이 간단하여 경제적이라는 이점도 제공한다.

한편, 본 발명의 방법의 다른 양상에 의하면, PZT 또는 PZT 복합체로부터 형성되는 압전층 그리고 PZT 또는 PZT 복합체와 전극재료의 혼합물로부터 형성되는 전도층을 포함하는 액츄에이터를 동시사출법에 의하여 제조하는 방법, 특히 액츄에이터의 휘는 방향을 조절할 수 있는 액츄에이터의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 이러한 양상에 따르면, 압전층 및 전도층은 각각 그 원료들과 고분자 물질의 혼합물에 의하여 형성되며, 압전층에서의 원료/고분자 혼합비율과 전도층에서의 원료/고분자 혼합비율을 조절함으로써 2층 액츄에이터의 휘는 방향이 조절될 수 있다. 이러한 양상을 구현함에 있어서, 구체적인 단계들은 상기에서 언급한 바와 유사하며, 다만 여기의 양상에 따르면, 전극재료는 상기에서 언급한 바와 같은 제한을 받지 않고 고온 또는 저온에서 적용될 수 있는 전극재료들을 포함할 수 있으며, PZT 복합체도 마찬가지이다. 뿐만 아니라 이 양상은 저온소성뿐만 아니라 고온소성에 대해서도 적용될 수 있다. 이러한 본 발명의 양상은 동시사출법을 사용함으로써 보다 치밀하게 결합된 구조를 가지는, 내구성이 큰 액츄에이터를 얻을 수 있게 할 뿐만 아니라 휘는 방향 및 정도를 조절함으로써 보다 큰 잔류응력을 압전층의 표면에 발생시켜 특성의 향상을 얻을 수 있게 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예들을 제시한다. 이러한 실시예들은 본 발명의 구체적인 예를 제시하는 것일 뿐이므로, 본 발명의 범위가 이것들에 한정되는 것으로 이해되어서는 안되며, 다양한 다른 변형 및 변경들이 가능할 수 있음이 고려되어야 할 것이다.

실시예

액츄에이터의 제조

고순도의 PbO, ZrO₂, TiO₂, Nb₂O₅, ZnO를 시작 원료로 하여 볼밀을 이용하여 고상법으로 제조하였다. 초기에 믹싱을 위해서 12시간 동안 혼합하였고 건조한 파우더를 섭씨 850 도에서 4시간 동안 하소하였다. 하소된 파우더를 분쇄하기 위해서 다시 24시간 동안 볼밀하였다. 이 때 한 층은 순수한 PZN-PZT 파우더를 사용하였고 다른 층은 60%PZN-PZT/40%Ag 파우더를 사용하였다. 두 파우더를 이용하여 각각 폴리머와 복합체를 만들었다. 이 때 사용된 폴리머는 에틸렌에틸 아크릴레이트(Ethylene ethyl acrylate; EEA 6182; Union Carbide, Danbury, CT) 와 아크릴로이드(Acryloid) B67 (Rohm and Haas, Philadelphia, PA)을 이용하였다. 내부 혼합기(internal Mixer)를 이용하여 110℃ 에서 2시간 동안 혼합하였다. 중광유(Heavy mineral oil) (Aldrich Chemical Co. Inc.), 스테아르산(stearic acid) (Junsei Chemical, Japan)과 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol) (PEG1000, Acros Organics, NJ, USA)이 두 층의 점도를 동일하게 유지하기 위해서 첨가되었다. 혼합체는 24mm*24mm 사각 몰드를 이용하여 섭씨 130도에서 가열하면서 압력을 가하였고 이를 24*12mm 의 리덕션 다이(reduction die)를 이용하여 익스트루젼한 후 24*12mm의 PZN-PZT와 24*12mm의 PZN-PZT/Ag 로 이루어진 24mm*24mm의 초기 피드로드(feedrod)를 만들었다(도 1-(a)). 이를 105도에서 열을 가하면서 캔틸레버(cantilever)의 경우 6mm * 1mm의 리덕션 다이(reduction die)를 통하여 동시사출하였고, 플렉스텐셔널(flextensional)인 경우는 24mm*1mm의 리덕션 다이(reduction die)를 통하여 동시사출(coextrusion)하여 두 층을 가진 녹색체(green body)를 만들었다(도 1-(b)). 이의 폴리머를 태우기 위해서 600도까지 온도를 천천히 올리면서 가열하였다. 그리고 소결시에는 PbO의 휘발를 막기 위해서 잘 덮혀진 알루미나 도가니 안에서 PbO분위기에서 소결하였다(도 1-(c)). 소결은 1000℃ 이하의 온도에서 수행되었다. 소결된 시편은 전기적 특성을 측정하기 위해서 은전극을 바른 후 500도에서 30분 동안 열처리하였다. 압전 특성을 측정하기 위해서 150도로 가열된 실리콘 오일 안에서 2kV/mm의 전기장을 가하였다 (도 1-(d)). 그리고 디지털프로브 (DT/2/s, solatron, US)와 디지털 판독(digital readout)을 이용하여 변위를 관찰하였다. 또한 마찬가지 방법으로 세층, 다층 구조를 가진 액츄에이터를 제조하였다.

실험 결과

동시사출법으로 제조된 두 층을 가진 액츄에이터의 사진을 도 2에 나타내었다. 도 2-(a)의 것은 캔틸레버(cantilever) 형태로 제조된 시편이고, 도 2-(b)의 것은 플렉스텐셔널(flextensional) 형태로 제조된 시편이다. 도 2-(a)를 보면 볼록한 면의 위 쪽이 순수한 PZN-PZT이고 아래 면이 PZN-PZT/Ag 면이다. 또한 도 2-(b)에서 왼쪽 것은 PZN-PZT가 위쪽에, 오른쪽 것은 PZN-PZT/Ag가 위쪽에 있는 형태로 액츄에이터의 휘는 방향의 조절이 가능하다는 것을 보여준다. 일반적으로 액츄에이터에서는 압전층이 위로가는 볼록한 형태의 액츄에이터가 압전체에 잔류응력을 주어서 변위를 크게 증진 시킨다고 알려져 있다. 레인보우나 썬더 액츄에이터도 마찬가지 형태로 만든 것이다.

도 3-(a)는 두 층을 가진 액츄에이터 단면의 광학 현미경 사진이다. 도 3-(b)는 세 층 구조를 가진 액츄에이터 단면의 광학 현미경 사진이다. 도면에서 볼 수 있듯이, 순수한 PZN-PZT의 경우는 폴리싱한 경우 아무것도 관찰되지 않지만, 그림에서 아래층에서 볼 수 있듯이, 은이 첨가된 PZN-PZT/Ag의 경우에는 PZN-PZT와 Ag가 혼합되지 않기 때문에 순수한 은이 금속색으로 관찰된다. 이 두 가지 조성은 각 층 사이에 동시 소결이 가능하면서 경계에서 문제를 발생하지 않는다는 것을 보여주고 있다.

도 4는 다층 구조로 이루어진 다층(multi-layer) 액츄에이터이다. 도 4 (a)의 경우는 코익스트류젼을 이용하여 바인더 번아웃 전에 익스트루젼된 시편의 단면사진이다. 또한 도 4(b)는 소결후의 시편의 단면 사진이다. 두 그림에서 보면 알 수 있듯이 다층구조를 가진 액츄에이터도 제조가 가능하다.

도 5는 PZN-PZT에서 은의 첨가에 따른 저항을 측정한 것이다. PZN-PZT의 경우에 은의 양이 30 wt%이상이 되면 전도성을 가지게 되는 것을 보여주는 그래프이다. 40wt% 이상이 되면 분산된 은이 자체의 연결을 이루기 때문에 거의 순수한 은과 동일한 저항을 가진다는 것을 알 수 있다.

한편, 이 발명에 중요한 것은 휘는(bending) 방향을 조절하는 것이다. 일반적으로 금속-세라믹 다중구조에서는 휘는 방향이 볼록한 형태에서 금속이 위로 가는 형태로서 우리가 구현한 액츄에이터와 반대의 형태를 가진다. 이는 금속이 세라믹보다 훨씬 무르기 때문에 제조시 더욱 패킹이 잘되어 소결시 더욱 수축이 적기 때문이다. 이 발명에서는 가장 바람직한 형태인 도 2와 같은 형태를 얻기 위해서 반죽을 제조할 때 원료 및 바인더의 혼합물에 대하여 PZN-PZT/Ag의 파우더 양을 PZN-PZT 파우더 양보다 적게 넣어야 한다. 이 경우에 PZN-PZT는 솔리드 양이 많아서 소결시 수축이 적게 되지만, PZN-PZT/Ag의 양은 적기 때문에 소결시 수축이 많이 되는 현상을 이용한 것이다.

제조된 시편의 변위를 측정하면 도 6-(a) 와 같은 그래프를 얻을 수 있다. 이러한 커다란 변위를 보이는 이유는 뛰어난 PZN-PZT 자체의 압전특성 뿐만 아니라 PZN-PZT와 PZN-PZT/Ag 층 사이의 열팽창 계수 차이로 인해 PZN-PZT 층의 표면에 인장 응력을 발생시켰기 때문이다. PZN-PZT의 열팽창 계수는 6*10^-6/℃ 이고 Ag의 열팽창 계수는 19*10^-6/℃이기 때문에 60%PZN-PZT/40%Ag의 열팽창 계수는 10.6*10^-6/℃이다. 그렇기 때문에 본 발명의 액츄에이터는 레인보우 액츄에이터보다 더 큰 팽창계수 차이로 인해 더욱 큰 변위를 발생 시킨다. 60mm 길이에 0.85mm 두께를 가진 캔틸레버(cantilever) 형태의 액츄에이터의 경우에 500V 에서 1042 ㎛의 변위를 보인다. 이러한 동시사출(co-extrusion) 방법으로는 도 2-(b)처럼 플렉스텐셔널(Flextensional) 형태도 제조 가능하며 이 경우에도 마찬가지로 다른 레인보우나 썬더 액츄에이터 보다 더 큰 변위를 보이고 있다. 도 6-(b)는 길이의 제곱의 함수로 캔틸레버 형태의 액츄에이터가 보이는 변위를 그래프로 나타낸 것이다. 일반적으로

변위 : δ = Γ * d₃₁ * L² / t² * V

로 알려져 있다. 여기서 Γ는 비례 상수 이고 d₃₁ 는 압전 상수, L은 시편의 길이, t는 시편의 두께, V는 가해준 전기장으로 알려져 있다. 도 6-(b)에서 알 수 있듯이 시편은 길이 제곱에 비례하며 전압에도 비례한다는 것을 보여주며 시편의 측정이 옳게 되었다는 것을 보여주고 있다. 이러한 식으로부터 기존에 가장 큰 변위를 보이고 있다는 레인보우 액츄에이터와 비교가 가능하다. 다양한 논문에 따르면 레인보우 액츄에이터는 d₃₁ =-320 pC/N, L=38mm, t=1mm 시편에서 100V를 가했을 때 약40 um의 변위를 발생한다고 알려져 있다. 본 발명의 액츄에이터의 경우 L=60mm, t=0.85mm 에서 시편에 100V의 전압을 가하였을 때 약 154의 변위를 발생시켰으며 위의 공식으로 레인보우와 같은 형태로 바꾸었을 때 약 45um의 변위로 계산되었다. 결과적으로 동시 사출법으로 제조된 액츄에이터의 경우 기존의 레인보우나 썬더 액츄에이터 보다 훨씬 간단하면서도 더욱 큰 액츄에이터 쉽게 만들면서도 더 큰 변위를 발생하고 있어서 제조가 더욱 효과적이다.

도 1은 본 발명의 방법에 따른 시편의 제작 및 측정 과정을 개략적으로 보여주는 도면이다. 여기에서, 도 1(a)는 압전층 및 전도층이 될 초기 피드로드(feedrod)를 나타내고, 도 1(b)는 동시사출공정을 보여주며, 도 1(c)는 바인더 하소과정 및 소결공정을 보여준다. 그리고 도 1(d)는 제작된 시편으로 변위측정을 하는 과정을 나타낸다.

도 2는 본 발명의 실시예들에 따라 제작된 PZN-PZT 액츄에이터들의 사진들이다. 여기에서, 도 2(a)는 캔틸레버 형태로 제작된 액츄에이터를 보여주고, 도 2(b)는 플렉스텐셔널 형태의 액츄에이터를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 실시예들에 따라 제작된 PZN-PZT 액츄에이터 시편들의 단면 광학 현미경 사진들이다. 여기에서, 도 3(a)는 두 층을 가진 액츄에이터에 대한 것이고, 도 3(b)는 세 층을 가진 액츄에이터에 대한 것이다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 제작된 다층 액츄에이터의 단면 광학 현미경 사진들로서, 도 4(a)는 바인더-하소 전의 시편에 대한 사진이고, 도 4(b)는 소결한 후의 시편에 대한 사진이다.

도 5는 PZN-PZT/Ag 혼합체에서 Ag의 양에 따른 전기전도도 그래프이다.

도 6(a)는 본 발명의 한 실시예에 따라 제조된 두 층을 가진 캔틸레버 형태의 액츄에이터의 변위 곡선을 나타내는 그래프이다.

도 6(b)는 본 발명의 한 실시예에 따라 제조된 두 층을 가진 캔틸레버 형태의 액츄에이터의 길이에 따른 변위 곡선을 나타내는 그래프이다.

Claims

완화형 강유전체 물질-PZT 복합체 층(압전층) 및 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체와 전극재료의 혼합물로 형성된 완화형 강유전체 물질-PZT/전극재료 층(전도층)을 포함하며, 상기 전극재료는 PZT 또는 PZT 복합체와 동시소성을 할 때 1000℃ 이상의 온도에서 견딜 수 없는 전극재료인 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
제1항에 있어서,

상기 전극재료는 은(Ag)인 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
제2항에 있어서,

상기 PZN-PZT/Ag 혼합물에서 Ag의 함량은 30~80중량%인 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
제1항에서 제3항까지의 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 완화형 강유전체 물질은 PZN인 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
제4항에 있어서,

상기 PZN-PZT/Ag 혼합층에 사용되는 xPZN-(1-x)PZT 복합체의 조성에 있어서, x는 0.1~0.6의 범위인 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
제5항에 있어서,

상기 PZN-PZT/Ag 혼합층에 사용되는 PZN-PZT 복합체의 Pb(Zr_y,Ti_1-y)O₃ 조성에 있어서, y는 0.35~0.55의 범위인 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
제4항에 있어서,

상기 PZN-PZT/Ag 혼합층에 사용되는 PZN-PZT 복합체의 xPb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)Pb(Zr_y,Ti_1-y)O₃의 조성에 있어서, x 및 y는 생성되는 PZN-PZT 복합체의 상공존 경계(Morphotropic Phase Boundary; MPB) 영역의 조성이 되도록 선택됨을 특징으로 하는 액츄에이터.
제5항, 제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 PZN-PZT 복합체층에 사용되는 PZN-PZT 복합체의 xPb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)Pb(Zr_y,Ti_1-y)O₃의 조성에 있어서, x는 0.1~0.6이고 y는 0.35~0.55이거나 또는 x 및 y는 생성되는 PZN-PZT 복합체의 상공존 경계(Morphotropic Phase Boundary; MPB) 영역의 조성이 되도록 선택됨을 특징으로 하는 액츄에이터.
제1항에 있어서,

상기 사용되는 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체 및 PZT에서의 Zr과 Ti의 조성비는 복합체의 상공존 경계 영역의 조성이 되도록 선택됨을 특징으로 하는 액츄에이터.
제1항에서 제9항까지의 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체층 또는 상기 완화형 강유전체 물질-PZT/전극재료 혼합층은 1000℃ 이하의 저온 소결에 의하여 형성된 것임을 특징으로 하는 액츄에이터.
제1항에 있어서,

상기 액츄에이터는 2층 또는 3층(압전층/전도층/압전층)으로 된 캔틸레버(Cantilever) 타입 또는 플렉스텐셔널(Flextensional) 타입 또는 다층 타입 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
제11항에 있어서,

상기 2층 액츄에이터는 휘는 방향이 위로 볼록한 형태에서 전극재료가 포함된 층이 아래층에 있는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
완화형 강유전체 물질-PZT 복합체 분말 그리고 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체와 전극재료의 혼합 분말을 각각 준비하는 단계 - 이 때, 상기 전극재료는 PZT 또는 PZT 복합체와 동시소성을 할 때 1000℃ 이상의 온도에서 견딜 수 없는 전극재료임,

상기 원료로부터 각각 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체 층(압전층) 그리고 완화형 강유전체 물질-PZT/전극재료 층(전도층)을 형성하는 단계, 및

상기 층들을 1000℃ 이하의 온도에서 소결하는 단계를 포함하는 액츄에이터의 제조방법.
제13항에 있어서,

상기 각 층들의 형성단계는 상기 원료로부터 각각 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체로 된 판 또는 막대(rod) 그리고 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체/전극재료 혼합체로 된 판 또는 막대를 형성하는 단계 그리고 상기 판들 또는 막대들을 서로 접촉시켜서 동시사출하여 층간 결합을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
제14항에 있어서,

상기 각 층들은 각각 상기 각층들의 원료들과 고분자 물질과의 혼합물에 의하여 형성되고, 상기 소결단계 전에 상기 각 층들에 포함된 고분자 물질을 태우는 하소단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
제15항에 있어서,

완화형 강유전체 물질-PZT 복합체 분말/고분자 물질의 비율과 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체와 전극재료의 혼합분말/고분자 물질의 비율을 다르게 함으로써 형성되는 2층 액츄에이터의 휘는 방향을 조절하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
제13항에서 제16항까지의 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전극재료는 은(Ag)인 것을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
제17항에 있어서,

상기 완화형 강유전체 물질-PZT/Ag 혼합물에서 Ag의 함량은 30~80중량%인 것을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
제13항에서 제18항까지의 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 완화형 강유전체 물질은 PZN인 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
제19항에 있어서,

상기 PZN-PZT/Ag 혼합층에 사용되는 xPZN-(1-x)PZT 복합체의 조성에 있어서, x는 0.1~0.6의 범위인 것을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
제20항에 있어서,

상기 PZN-PZT/Ag 혼합층에 사용되는 PZN-PZT 복합체의 Pb(Zr_y,Ti_1-y)O₃ 조성에 있어서, y는 0.35~0.55의 범위인 것을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
제19항에 있어서,

상기 PZN-PZT/Ag 혼합층에 사용되는 PZN-PZT 복합체의 xPb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)Pb(Zr_y,Ti_1-y)O₃의 조성에 있어서, x 및 y는 생성되는 PZN-PZT 복합체의 상공존 경계(Morphotropic Phase Boundary; MPB) 영역의 조성이 되도록 선택됨을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
제22항에 있어서,

상기 PZN-PZT 복합체층에 사용되는 PZN-PZT 복합체의 xPb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)Pb(Zr_y,Ti_1-y)O3의 조성에 있어서, x는 0.1~0.6이고 y는 0.35~0.55이거나 또는 x 및 y는 생성되는 PZN-PZT 복합체의 상공존 경계(Morphotropic Phase Boundary; MPB) 영역의 조성이 되도록 선택됨을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
제13항에서 제16항까지의 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 사용되는 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체 및 PZT에서의 Zr과 Ti의 조성비는 복합체의 상공존 경계 영역의 조성이 되도록 선택됨을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
제13항에 있어서,

상기 액츄에이터는 2층 또는 3층(압전층/전도층/압전층)으로 된 캔틸레버(Cantilever) 타입 또는 플렉스텐셔널(Flextensional) 타입 또는 다층 타입 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
PZT 또는 PZT 복합체 분말 그리고 PZT 또는 PZT 복합체와 전극재료의 혼합 분말을 준비하는 단계,

상기 각 원료 분말들을 고분자 물질과 각각 혼합하여 PZT 또는 PZT 복합체 분말/고분자 물질의 혼합물 그리고 PZT 또는 PZT 복합체와 전극재료의 혼합 분말/고분자 물질의 혼합물을 만드는 단계,

상기 각 혼합물들로부터 판 또는 막대를 각각 형성하는 단계,

상기 판들 또는 막대들을 서로 접촉시켜서 동시사출하여 층간 결합을 형성하는 단계,

상기 각 층들에 포함된 고분자 물질을 태우는 하소단계, 및

상기 층들을 소결하는 단계를 포함하는 액츄에이터의 제조방법.
제26항에 있어서,

PZT 또는 PZT 복합체 분말/고분자 물질의 비율과 PZT 또는 PZT 복합체와 전극재료의 혼합분말/고분자 물질의 비율을 다르게 함으로써 형성되는 액츄에이터의 휘는 방향을 조절하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
제26항 또는 제27항에 있어서,

상기 PZT 복합체는 완화형 강유전체 물질-PZT 복합체인 것을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
제28항에 있어서,

상기 완화형 강유전체 물질은 PZN인 것을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.
제26항에 있어서,

상기 소결 단계는 1000℃ 이하의 저온에서 수행하는 것임을 특징으로 하는 액츄에이터의 제조방법.