KR20190017487A - 압전소자 , 이를 이용한 트랜스듀서 및 톤필츠 트랜스듀서 - Google Patents

Abstract

[011] 방향으로 축성장한 압전 단결정 소재를 포함하고, 진동방향이 [32]방향으로 사용되도록 상기 압전 단결정 소재에 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자와, 상기 압전소자를 이용한 트랜스듀서 및 톤필츠 트랜스듀서가 개시된다. 따라서, 본 발명의 실시예는 보다 경량화된 트랜스듀서 및 톤필츠 트랜스듀서를 제공할 수 있다.

Description

압전소자 , 이를 이용한 트랜스듀서 및 톤필츠 트랜스듀서{Piezoelectric element, Transducer and Tonpilz Transducer using the same}

본 발명은 압전소자 및 이를 이용한 트랜스듀서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전소자를 이용하여 소나 등에 사용되는 톤필츠 트랜스듀서에 관한 것이다.

압전 효과 (Piezoelectric Effect)는 기계적 에너지와 전기적 에너지의 상호 변환 과정이며, 정효과 (Direct Piezoelectric Effect)와 역효과 (Converse Piezoelectric Effect)로 분류된다. 압전 정효과는 외부의 기계적 힘을 전기적 신호나 전기적 에너지로 변환하는 현상이며, 압력 센서, 가속도계, 가스 점화기와 압전 에너지 수확기 (Piezoelectric Energy Harvesting) 등에 활용된다. 그리고 압전 역효과는 외부 전기장에 의해 재료의 기계적 변형 및 힘이 발생하는 현상이며, 압전 액추에이터, 초음파모터, 레조네이터, 초음파 트랜스듀서와 스피커 등에 활용된다. 이러한 압전 효과는 의료, 이동 통신, 자동차, 로봇, 우주 항공 및 정밀 기계 분야에 활용되고 있으며, 또한 그 응용 범위는 첨단 기술의 발달과 함께 지속적으로 확대되고 있다. 압전 재료의 특성이 압전 응용 부품의 성능을 결정하므로, 보다 우수한 압전 특성을 가지는 새로운 압전 재료에 대한 개발 노력과 수요가 빠르게 증가하고 있다.

압전소자란, 이러한 압전효과를 가지는 압전소재에 전극을 부착하여 외부에서 압전소재에 가해지는 힘에 의해 전기신호를 얻거나, 압전소재에 전기를 가하여 압전소재가 외부에 힘을 가하도록 하는 소자를 말하며, 트랜스듀서(Trnasducer)는 이러한 압전소자에 외부의 힘을 수용하거나 가하는 부품을 추가한 것을 말한다.

톤필츠 트랜스듀서(Tonpilz Transducer)란 수중에서 음파를 이용하여 표적의 위치를 탐지하기 위한 고출력 음향 트랜스듀서의 한 종류로서, 널리 사용되는 트랜스듀서이다. 트랜스듀서의 구성부품 중에서 전기적 에너지를 기계적 에너지로 상호 변환하는 압전소재가 트랜스듀서의 성능을 결정하는 가장 중요한 핵심부품이다.

기존에 개발된 톤필츠형 압전단결정 음향 트랜스듀서는 충분한 가진능력을 구비하기 위해서 링형상의 복수개의 압전소자를 적층하여 사용하였다.(한국 공개특허 제2017-0075951호 참조. 이하, '공개특허 1'이라 부름) 공개특허 1의 톤필츠형 트랜스듀서에 사용되는 압전소자는 [001] 방향으로 분극되어 링형상으로 형성된 압전단결정 소재에 분극된 방향으로 전극을 형성하여 사용되었다. [001] 방향으로 분극된 압전단결정 소재의 두께방향 변형량이 크지 않아, 여러 개를 적층하여 사용하였다. 이와 같은 구조를 사용하는 경우, 많은 양의 압전소재를 사용하여야 하므로, 비용이 매우 증대된다는 문제점이 있다. 또한, 무게도 증대되어, 소나(sonar)가 주로 사용되는 어뢰, 잠수함 등의 경량화 추세에 반한다는 문제점이 있다.

1. 한국 공개특허 제2017-0075951호(공개일자 2017. 7. 4.) 2. 한국 공개특허 제2001-0092834호(공개일자 2001. 10. 27.)

본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 충분한 가진량을 확보하면서, 비용과 무게를 절감한 톤필츠 트랜스듀서 및 이에 사용된 압전소자를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, [011] 방향으로 축성장한 압전 단결정 소재를 포함하고, 진동방향이 [32]방향으로 사용되도록 상기 압전 단결정 소재에 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자를 제공한다.

한편, 본 발명은 압전상수(d)인 d₃₃, d₃₂, d₃₁ 절대값 중 d₃₂의 절대값이 최대인 압전단결정 소재를 포함하고, 진동방향이 [32] 방향으로 사용되도록 상기 압전 단결정 소재에 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자를 제공한다.

또한, 본 발명은 탄성컴플라이언스계수(S)인 S₃₃, S₁₁, S₂₂의 절대값 중 S₂₂의 절대값이 최대인 압전단결정 소재를 포함하고, 진동방향이 [32] 방향으로 사용되도록 상기 압전 단결정 소재에 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자를 제공한다.

그리고, 본 발명은 압전상수(d) d₃₂의 값이 630p C/N 이상 2750p C/N 이하인 압전단결정 소재를 포함하고, 진동방향이 [32] 방향으로 사용되도록 상기 압전 단결정 소재에 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자를 제공한다.

또한, 압전상수(d) d₁₅의 절대값이 1330p C/N 이상 3660p C/N 이하인 압전단결정 소재를 포함하고, 진동방향이 [32] 방향으로 사용되도록 상기 압전 단결정 소재에 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자를 제공한다.

여기서, 상기 압전 단결정 소재는 진동방향인 [32] 방향으로 길이가 긴 직육면체 형상으로 형성된 것이 바람직하다.

본 발명은, 전면추; 상기 전면추와 이격되어 마주보는 후면추; 및 상기 전면추와 상기 후면추를 연결하는 지지볼트; 를 포함하고, 상기 압전소자는 상기 전면추와 상기 후면추 사이에 배치되며, 상기 압전소자의 상기 진동방향으로 향하는 면이 상기 전면추 및 상기 후면추에 접하도록 설치된 것을 특징으로 하는 톤필츠형 트랜스듀서를 제공한다.

여기서, 상기 압전소자는 복수 개가 설치되며, 복수 개의 상기 압전소자의 상기 진동방향으로 향하는 면이 함께 상기 전면추 및 상기 후면추에 접하도록 설치된 것이 효과적이다.

복수 개의 상기 압전소자는 방사상으로 대칭되도로 배치된다.

복수 개의 상기 압전소자는 원주방향으로 면접하여 전체적으로 링형상으로 배치될 수도 있다.

복수 개의 상기 압전소자 사이는 수지재가 채워져 복수 개의 상기 압전소자를 고정하는 것이 바람직하다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.

먼저, 전극의 방향과 진동 방향을 수직으로 형성함으로서, 충분한 가진량을 확보하면서, 비용과 무게를 절감할 수 있다.

또한, 톤필츠 트랜스듀서 자체의 무제도 절감할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 톤필츠형 트랜스듀서의 정면도
도 2는 도 1의 Ⅱ-II부분의 단면도
도 3은 도 1의 압전소자의 배치를 도시한 사시도
도 4는 도 3의 압전소자 1개를 도시한 사시도
도 5는 본 발명의 제 2 실시예의 압전소자의 배치를 나타낸 사시도

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예의 톤필츠형 트랜스듀서의 정면도, 도 2는 도 1의 Ⅱ-II부분의 단면도, 도 3은 도 1의 압전소자의 배치를 도시한 사시도, 도 4는 도 3의 압전소자 1개를 도시한 사시도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예의 톤필츠형 트랜스듀서는 , 전면추(100)와, 상기 전면추(100)와 이격되어 마주보는 후면추(200)와, 상기 전면추(100)와 상기 후면추(200)를 연결하는 지지볼트(300)와, 상기 전면추(100)와, 후면추(200) 사이에 배치된 복수의 압전소자(400)를 포함한다.

전면추(100)는 상기 압전소자(400)의 전면에 배치되어, 상기 압전소자(400)의 진동을 음향신호로 방사하는 역할을 한다. 상기 전면추(100)는 방사되는 음향 에너지를 최대화하기 위해, 방사면적이 최대한 넓고, 방사표면의 축방향 변위 크기가 최대한 크도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 전면추(100)는 알루미늄 재질로 제작될 수 있다.

후면추(200)는 상기 압전소자(400)의 후면에 배치되어, 상기 전면추(100)가 음향신호를 방사할 때 방사되는 에너지를 증가시키는 역할을 한다. 또한, 후면부에 위치하는 후면추(200)는 전면추(100)에 반대되는 무게 역할을 하므로, 방사되는 에너지 크기를 증가시키고 밴드폭을 넓히기 위해 전면추(200)에 비해 비교적 무겁게 유지할 수 있도록 밀도가 높은 황동 재질로 제작될 수 있다.

지지볼트(300)는 상기 압전소자(400), 상기 전면추(100) 및 상기 후면추(200)를 체결하며, 상기 압전소자(400)의 진동방향(F)으로 탄성 변형할 수 있다. 또한, 상기 지지볼트(300)는 후면추(200) 내부에 형성된 나사산에 체결될 수 있다.

압전소자(400)는 인장응력이 가해지는 환경에서 불안정하다. 따라서, 상기 압전소자(400)의 손상을 방지하기 위해, 상기 압전소자(400)에 전압을 인가해서 발생하는 최대응력보다 높은 압축응력을 상기 지지볼트(300)를 통하여 상기 압전소자(100)에 가하는 것이 바람직하다. 단, 상기 지지볼트(300)는 상기 압전소자(100)의 진동을 감소시킬 수 있으므로, 강성이 낮고 안정적인 압축응력을 가할 수 있도록 인장강도가 높은 재질이 사용되는 것이 바람직하다.

상기 압전소자(400)는 복수 개가 설치되며, 복수 개의 상기 압전소자(400)의 상기 진동방향으로 향하는 면(411, 412)이 함께 상기 전면추(100) 및 상기 후면추(200)에 접하도록 설치된다. 즉, 도 3을 기준으로 도시된 바와 같이, 모든 압전소자(400)의 상면(411)이 후면추(200)에 동시에 접하며, 모든 압전소자(400)의 하면(412)이 전면추(100)에 동시에 접한다. 1개의 압전소자(400) 만으로 충분한 하중을 가할 수 있다면, 복수 개의 압전소자를 사용하지 않아도 무방하다.

복수 개의 압전소자(400)는 방사상으로 대칭되도록 배치된다. 즉, 도 2와 같이, 각각의 압전소자(400)가 반경방향으로 배치되고, 전체적으로 링형상을 형성하도록 배치된다. 링형상으로 배치된 압전소자(400) 사이의 중앙에는 고정볼트(300)가 관통되어 배치된다. 복수 개의 압전소자(400) 사이에는 수지재(500)가 채워져 복수 개의 압전소자를 고정하는 역할을 한다. 수지재(500)는 압전소자(400) 보다는 연질의 재질이 사용되는 것이 좋으며, 탄성복원력이 더 우수한 재질이 사용되어야 한다. 본 발명의 실시예에서는 에폭시 수지를 사용하였으나, 다양한 재질의 수지재가 사용될 수 있음은 당연하다.

복수 개의 압전소자(400)를 본 발명의 제 1 실시예와 같이 배치하기 위해서는 압전소자(400)의 진동방향(F)과 전극(420)이 마주보는 방향이 수직이 되어야 한다. 즉, 도 4와 같이, 압전소자(400)는, 진동방향(F)으로 길이가 길이가 긴 직육면체 형상으로 형성된 압전 단결정 소재(410)와, 압전 단결정 소재(410)의 진동방향(F)과 수직인 면(도 4를 기준으로 전면 및 후면)에 얇은 두께의 전극(420)이 형성된다. 이와 같이 전극(420)이 형성되어야, 압전 단결정 소재(410)에 적은 전압으로 충분한 전기장을 형성할 수 있게 된다.

다만, 이와 같이, 압전소자(400)를 형성하여도, 일정한 전기장에 진동방향(F)으로 충분한 변형이 일어나지 않는다면, 트랜스듀서로서 기능을 할 수 없다. 공개특허 1 압전 단결정 소재와 같이 [001]방향으로 결정 성장시킨 압전 단결정 소재의 경우, 분극 방향과 동일한 방향으로 발생되는 변형량을 나타내는 압전상수(Piexoelectric Constants) d₃₃에 비해, 분극방향과 수직인 방향으로 발생되는 변형량을 나타내는 압전상수 d₃₁, d₃₂의 값이 절반에 불과해 본 발명에 사용되기는 어려움이 있다.

이에 반해 [011] 방향으로 축성장한 압전 단결정 소재의 경우, 분극방향과 수직인 방향으로 발생되는 변형량을 나타내는 압전상수 d₃₂의 절대값이 d₃₃, d₃₁ 보다 커 본 발명의 구조에 가장 적합하다. 압전 단결정 소재의 경우 축성장 방향에 따라서, 압전 특성이 완전히 상이한 것을 발견할 수 있었다. 그 결과, 종래 [001] 방향으로 축성장한 압전 단결정에서는 얻을 수 없었던 물성치를 [011] 방향으로 축성장한 압전 단결정 소재에서는 본 발명에 가장 적합한 물성치를 얻을 수 있었다.

이를 보다 자세히 살펴보면, 압전상수 d는 아래의 [수학식 1]로 표기된다. 통상 전기장의 방향을 Z축으로 설정하여 표기하므로, d₃₂는 도 4와 같이 전기장(분극)이 Z축 방향으로 형성되었을 때, Y축 방향으로 변형이 발생하는 정도를 나타내는 값이다.

[수학식 1]

d_ij=S_j/E_i

d: 압전상수

S: 변형율(Strain)

E: 전기장

i: 전기장의 방향(1: X축, 2: Y축, 3: Z축)

j: 변형 방향(1: X축, 2: Y축, 3: Z축)

위의 기준으로 도 4에 도시된 압전소자를 다시 표현하면, 진동방향(F)이 [32]방향(즉, 전기장 방향이 Z축, 진동방향은 Y축)으로 사용되도록 상기 압전 단결정 소재에 전극(420)이 형성된 것으로 표현될 수 있다. 이와 같은 표현은 결정을 다루는 분야에서 일반적으로 상용되는 표현이다.

한편, 본 발명과 같이, 진동방향(F)이 [32]방향으로 사용될 때, 응력대비 변형율을 나타내는 탄성컴플라이언스계수(S)인 S₃₃, S₁₁, S₂₂의 절대값 중 S₂₂의 절대값이 최대인 압전단결정 소재를 사용하는 경우, 톤필츠 트랜스듀서의 전체질량(보다 정확하게는 전면추 및 후면추의 질량)을 줄일 수 있다. 즉, 톤필츠 트랜스듀스에서 특정 주파수값을 발생하기 위해서, 진동방향의 S 값이 크면, 전체 질량을 줄일 수 있다. 따라서, 본 발명과 같은 구조를 사용하기 위해서는 S₂₂의 절대값이 가장 큰 결정을 사용하면 효과를 극대화 할 수 있다. 종래의 [001] 축성장 단결정의 경우 S₁₁, S₂₂ 보다 S₃₃의 절대값이 더 커서, 본 발명의 구조를 적용할 경우, 위의 효과를 극대화 할 수 없다. 이에 반해, [011] 축성장 단결정의 경우, S₂₂의 값이 S₃₃의 값보다 2배이상 커, 본 발명의 구조를 극대화 할 수 있다.

본 발명의 일실시예의 사용되는 압전 단결정 소재는, PMN-PT[Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3], PIN-PMN-PT[Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3], PIN-PMN-PT Mn dopped 및 PMN-PZT[Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbZrO3-PbTiO3] 중 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.

위의 재질들은 전술한 바와 같이, [011] 축 성장하였을 때, 매우 높은 d₃₂값을 가지고 있으며, S₂₂의 절대값도 S₁₁, S₃₃의 절대값 보다 높은 값을 가지고 있음이 확인되었다. 위의 재질들의 특성을 정리하면, d₃₂ 절대값은 630p C/N 이상 2750p C/N 이며, d₁₅의 절대값은 1330p C/N 이상 3660p C/N 이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예의 톤필츠 트랜스듀서는 압전소자가 종래에 비해 훨씬 적은양을 사용하고도, 종래와 동일하거나 증대된 효과를 얻을 수 있다.

또한, 진동방향의 S값을 키울 수 있어, 톤필츠 트랜스듀서 전체의 중량도 저감할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 제 1 실시예는 톤필츠 트랜스듀서를 일예로 들었으나, 다양한 트랜스듀서에 본 발명의 압전소자를 사용하여 적용할 수 있다. 즉, 복수 개의 상기 압전소자(400)의 상기 진동방향으로 향하는 면이 함께 가진체(본 발명의 제 1 실시예에서는 전면추 및 후면추)에 접하도록 구성함으로써, 다른 트랜스듀서에도 적용할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예의 압전소자의 배치를 나타낸 사시도이다.

제 2 실시예의 톤필츠 트랜스듀서의 다른 구성은 모두 제 1 실시예와 동일하며, 압전소자의 배치만 상이하므로 이에 대해서만 기술한다.

본 발명의 제 2 실시예에 적용된 복수 개의 상기 압전소자(1400)는 원주방향으로 면접하여 전체적으로 링형상으로 배치된다. 즉, 압전소자(1400)의 전극이 형성되지 않은 좌우측면이 서로 맞닿도록 고정함으로서, 링형상으로 형성된다.

제 1 실시예와 제 2 실시예 이외에도 구조상 필요에 의해 다양한 방법으로 압전소자를 배치할 수 있음은 당연하다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

100: 전면추
200: 후면추
300: 지지볼트
400, 1400: 압전소자
410: 압전소재
420: 전극

Claims (16)

1. [011] 방향으로 축성장한 압전 단결정 소재를 포함하고, 진동방향이 [32]방향으로 사용되도록 상기 압전 단결정 소재에 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자.
   
2. 압전상수(d)인 d₃₃, d₃₂, d₃₁ 절대값 중 d₃₂의 절대값이 최대인 압전단결정 소재를 포함하고, 진동방향이 [32] 방향으로 사용되도록 상기 압전 단결정 소재에 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자.
   
3. 탄성컴플라이언스계수(S)인 S₃₃, S₁₁, S₂₂의 절대값 중 S₂₂의 절대값이 최대인 압전단결정 소재를 포함하고, 진동방향이 [32] 방향으로 사용되도록 상기 압전 단결정 소재에 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자.
   
4. 압전상수(d) d₃₂의 값이 630p C/N 이상 2750p C/N 이하인 압전단결정 소재를 포함하고, 진동방향이 [32] 방향으로 사용되도록 상기 압전 단결정 소재에 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자.
   
5. 압전상수(d) d₁₅의 절대값이 1330p C/N 이상 3660p C/N 이하인 압전단결정 소재를 포함하고, 진동방향이 [32] 방향으로 사용되도록 상기 압전 단결정 소재에 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자.
   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 압전 단결정 소재는 PMN-PT, PIN-PMN-PT, PIN-PMN-PT Mn dopped 및 PMN-PZT 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 압전소자.
   
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 압전 단결정 소재는 진동방향인 [32] 방향으로 길이가 긴 직육면체 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자.
   
8. 제 7 항의 압전소자를 포함하는 트랜스듀서로서,
   복수 개의 상기 압전소자의 상기 진동방향으로 향하는 면이 함께 가진체에 접하는 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   복수 개의 상기 압전소자는 방사상으로 대칭되도록 배치된 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
   
10. 제 8 항에 있어서,
    복수 개의 상기 압전소자는 원주방향으로 면접하여 전체적으로 링형상으로 배치된 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
    
11. 제 8 항에 있어서,
    복수 개의 상기 압전소자 사이에는 수지재가 채워져 복수 개의 상기 압전소자를 고정하는 것을 특징으로 트랜스듀서.
    
12. 제 7 항의 압전소자를 포함하는 톤필츠형 트랜스듀스로서,
    전면추;
    상기 전면추와 이격되어 마주보는 후면추; 및
    상기 전면추와 상기 후면추를 연결하는 지지볼트;
    를 포함하고,
    상기 압전소자는 상기 전면추와 상기 후면추 사이에 배치되며,
    상기 압전소자의 상기 진동방향으로 향하는 면이 상기 전면추 및 상기 후면추에 접하도록 설치된 것을 특징으로 하는 톤필츠형 트랜스듀서.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 압전소자는 복수 개가 설치되며, 복수 개의 상기 압전소자의 상기 진동방향으로 향하는 면이 함께 상기 전면추 및 상기 후면추에 접하도록 설치된 것을 특징으로 하는 톤필츠형 트랜스듀서.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    복수 개의 상기 압전소자는 방사상으로 대칭되도로 배치된 것을 특징으로 하는 톤필츠형 트랜스듀서.
    
15. 제 13 항에 있어서,
    복수 개의 상기 압전소자는 원주방향으로 면접하여 전체적으로 링형상으로 배치된 것을 특징으로 하는 톤필츠형 트랜스듀서.
    
16. 제 13 항에 있어서,
    복수 개의 상기 압전소자 사이는 수지재가 채워져 복수 개의 상기 압전소자를 고정하는 것을 특징으로 톤필츠형 트랜스듀서.

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