KR960012730B1 - 세라믹/고분자 3-3형 복합 압전체 제조 방법 - Google Patents

Abstract

요약없음

Description

세라믹/고분자 3-3형 복합 압전체 제조 방법

제1도는 본 발명에 따른 세라믹/고분자 3-3형 복합 압전체 제조 방법의 개략적인 공정 흐름도를 도식한 것이다.

제2도는 복합 압전체의 상접속도 패턴들을 도식한 것이다.

제3-a도는 본 발명에 의해 제작되어진 복합 압전체용 다공성 세라믹의 기공 분포를 나타낸 전자 현미경 사진이다.

제3-b도는 본 발명에 의해 제작되어진 복합 압전체용 다공성 세라믹의 구조를 나타낸 전자 현미경 사진이다.

제4-a, b도는 솔리드 PZT 트랜스듀서의 펄스-에코 응답 특성을 나타낸 것이다.

제5-a, b도는 본 발명에 따라 제작되어진 3-3형 복합 압전체의 펄스-에코 응답 특성을 나타낸 것이다.

본 발명은, 세라믹/고분자 3-3형 복합 압전체의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세라믹 분말과 유기 결합제를 혼합, 유기물 소거 소결하여 다공성 세라믹 소결체를 얻고, 상기의 다공성 세라믹 소결체를 특정의 고분자에 형성시킴으로서 세라믹/고분자 3-3형 복합 압전체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

압전체는 트랜스듀서에 응용되어 수중 음향 변환기, 정밀 거리측정용 센서, 유량 및 유위 센서, 어군의 탐지 및 분류, 선박의 잡음 측정, 수중생물의 음향 신호 연구, 지구 물리학적 탐사에 사용되어지는 청음기, 또는 의료용 계측용 탐침자등에 이용되어지는 산업상 매우 중요한 소재이다.

이와 같이 다양하고 중요한 용도를 갖는 압전체의 소재로서는 지르 코니아 티탄산 납(Lead Zirconate Titanate : 이하 PZT라 칭함)이 압전체로서의 특성이 우수하여 각종 압전 트랜스듀서 재료로 널리 사용되어지고 있다.

그러나 PZT 단일상(single phase)만으로는 밀도 및 유전율(dielectric constant)이 높아 공기나 물과의 음향 임피던스 정합(impedance matching)이 어려워 감도를 가늠하는 성능 지수가 낮은 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 PZT 압전소자의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 단일상 PZT 특유의 압전 특성은 그대로 유지 하면서, 압전체의 밀도와 유전율을 감소시킴으로써 음향 특성을 향상 시킬 수 있는 새로운 형태의 압전 소자의 제조 방법을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명가들은 단일상 PZT 세라믹 소재의 음향 특성을 향상시키기 위한 선행된 결과에서 복합압전체를 제조시 필러(filler)인 PZT 세라믹의 상 접속도(phase connectivity)가 음향특성에 큰 영향을 미친다는 사실을 발견하고, PZT 세라믹에 밀도 및 유전율이 낮은 에폭시 수지와 같은 고분자 매질을 특정의 상 접속도를 갖는 복합체를 제작함으로써 PZT세라믹 단일상의 음향특성이 크게 향상된다는 사실을 발견하여 본 발명에 도달하게 되었다.

즉, 본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, PZT로 대표되는 압전 세라믹 분말을 유기 결합제와 혼합하고, 이를 450~500℃의 온도에서 열처리하여 유기 결합제를 소거한 후, 1200~1300℃의 온도로 소결하여 다공성의 압전 세라믹 소결체를 얻은 다음, 이 다공성의 압전 세라믹 소결체를 에폭시 수지에 함침 시킴으로서 PZT 세라믹과 고분자 매질이 소위 3-3형의 상 접속도를 갖게하도록 하는 세라믹/고분자 3-3형 복합 압전체의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 있어서, 압전 세라믹 분말에 혼합하는 유기 결합제는 안전 세라믹 분말에 혼합되어 산화 분위기의 고온에서 산화 소거됨으로써 기공을 형성한다.

이와 같은 목적에서 사용되어지는 유기 결합제는 세라믹 분말에 대한 분산성이 좋고 비교적 낮은 온도에서 소거(燒去)가 용이하고 물과 혼합되어질 수 있는 폴리비닐알콜, 전분등이 사용되어지며, 세라믹 분말과의 혼합비에 따라 압전 세라믹의 기공율이 용이하게 조정될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기의 압전 세라믹 분말과 유기 결합제와의 혼합비는 소결체중의 기공율이 10~40% 되도록 하기 위해 세라믹 분말과 유기 결합제의 혼합비율을 유기 결합제가 세라믹 분말에 대하여 5~15중량% 되도록 하며, 이들 시편을 1200~1300℃의 전기로에서 소결함으로서 각종 기공율에 따른 미세구조가 양호한 다공성 세라믹 소결체를 제조한다.

한편, 가스나 수분을 감지하기 위한 센서는 일반적으로 가스 또는 수분이 특정의 고체표면에 접촉하여 고체의 표면에서 화학적, 광학적, 또는 기타 물리적 변화량이 전기적 신호로 변환되어 나타내어진다. 이에 따라 상기의 센서용도로 사용되기 위하여서는 감지부의 표면면적이 넓어져야 하는 특성이 요구되어진다.

본 발명에 의하여 제작되어지는 소결체는 기공율을 자유롭게 제어함으로서 요구되는 성능에 부합되는 비 표면적을 조절할 수 있다. 따라서 넓은 접촉면적을 필요로하는 가스, 수분등을 감지하는 습도 및 가스센서의 제작에 충분히 활용될 수 있는 기능을 갖는다.

본 발명에 있어서, 상기한 방법에 의하여 제작되어진 다공성의 PZT 압전세라믹 소결체는 전술한 바와 같이 압전 특성은 우수하지만 여전히 물 또는 공기에 대한 음향 임피던스 정합이 좋지 않다. 이러한 단점은 필러로 사용된 압전 세라믹 PZT 소결체에 고분자 매질(에폭시 수지)을 함침시킴으로 해서 세라믹과 고분자 매질(matrix)이 3-3접속도를 가지도록 3-3형의 복합압전체를 제작함으로서 개선되어진다.

복합 압전체들의 전속, 기계적 스트레스의 분포, 물리적, 전기적, 기계적 특성은 각 상들의 연결 방식(상 접속도)에 따라 많은 영향을 받게 된다. 서로 다른 성질의 두 가지의 물질, 즉, 압전 세라믹과 고분자가 복합화하여 만들어지는 복합 압전체인 경우 서로 다른 물질을 각각 하나의 상이라 할대, 이들 상들은 각각 X, Y, Z의 3차원적으로 연결되어 지며, 이의 연결방식을 상 접속도라 정의 한다.

2상의 복합 압전체에 대하여 제2도와 같이 0-0, 0-1, 0-2, 1-1, 1-2, 1-3, 2-2, 2-3 및 3-3등 10개의 상 접속도 형태로 나타내어진다.여기에서 앞의 숫자는 세라믹막의 상(빗금친 부분, 제1상)을 나타내며, 뒤의 숫자는 고분자상(백색칸 부분, 제2상)을 각각 나타낸다.

상기 10개의 상접속도에 있어서 세라믹과 고분자의 상이 각각 3차원적으로 자기 결합되어 있는 3-3형 복합 압전체에 있어서, 세라믹의 높은 밀도와 유전율은 낮은 밀도와 유전특성을 갖는 고분자가 균일하게 채워지게 됨으로서 음향 특성을 개선시켜 준다.

본 발명에 의하여 제작되어지는 세라믹/고분자 3-3형 복합 압전체에 대해 전술한 효과들을 첨부하는 도면에 따라 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제3도는 본 발명에 의하여 제작되어지는 다공성 압전 세라믹 소결체의 구조를 나타낸 전자 현미경도이다. 도면에서 보듯이 본 발명에 의하여 제작되어지는 압전 세라믹 소결체는 균일한 크기의 기공들이 매우 균일한 분포로 존재함을 알 수 있다. 이에 따라 본 발명에 의하여 제작되어지는 압전 세라믹 소결체는 높은 기공율을 가진 우수한 다공질 세라믹임을 확인할 수 있다.

제4도는 종래의 PZT 압전소자를 탐침자(probe)로한 트랜스듀서의 펄스-에코 응답특성을 나타낸 사진이며, 제5도는 본 발명에 의해 제조되어진 세라믹/고분자 3-3형 복합 압전체를 탐침자로한 트랜스듀서의 펄스-에코 응답특성을 나타낸 사진이다.

제4-a도에서 보듯이 채널 2에 나타난 입력 임펄스가 송신용 트랜스듀서에 가해지면 트랜스듀서는 여기되어 음파가 수중으로 전달된다. 전달된 음파는 반사판에 의해 반사되어 트란스 듀서에 수신되며, 이와 같은 과정의 반복을 거쳐 음파는 채널1에 나타난 것과 같이 점차 감쇠되어 소멸된다. 채널 1의 첫번째 좌측에 나타나는 파형군은 인가된 임펄스에 의해 진동자 자체의 진동에 의해 반복되어 나타나는 파형이며, 두번째 파형군은 진동자의 진동에 의해 수중으로 진행하여 반사되어 오는 수신파로 이 또한 앞의 경우와 같은 과정의 반복에 의해 파형군으로 나타난 것이다.

제4-b도는 두번째 파형군의 시간축을 5(㎲/div)으로 확대하였을 때의 출력 파형을 나타낸 것으로서 진동의 울림(ringing)이 여러 주기 동안 계속되어 수신 감도가 떨어지고 있음을 보여주고 있으며, 또 한편으로 수신감도가 저하되는 것을 압전 세라믹 솔리드 PZT의 수종 압전 정수 g_h의 값이 작기 때문이다.

한편, 본 발명에 의하여 제작되어지는 세라믹/고분자 3-3형 복합 압전체를 탐침자로 사용하는 트란스 듀서의 경우를 제5-a, b도에 나타내고 있다. 이들 결과들은 제4도에 나타낸 것과 같은 진동의 계속적인 울림 현상이 발생하지 않고 시간에 따라 급격한 울림 감쇠(ring down)현상이 일어남으로 송신 및 수신 특성이 양호하게 된다. 이는 세라믹과 고분자가 본 발명에서와 같이 3-3형으로 복합 압전체를 제작함으로서 낮은 밀도 및 유전율로 인해 압전 계수 d_h와 전압 계수 g_h가 높아져 송신 및 수신 특성이 개선된 결과라고 생각 할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의하여 제작되어지는 세라믹/고분자 3-3형 복합 압전체는 종래의 단일상 PZT압전체에 바하여 음향 특성이 개선됨을 알 수 있다. 이에 따라 보다 고감도가 요구되어지는 수산, 건설, 의료, 과학, 및 군사용등의 각종 수중 음파 탐지용 검침기의 성능을 효과적으로 개선 시킬 수 있을 것으로 기대되어 진다.

Claims (3)

1. PZT로 대표되는 압전 세라믹 분말을 유기 결합제와 혼합하고, 이를 450~500℃의 온도에서 열처리하여 유기 결합제를 휘발시킨 다음, 1200~1300℃의 PbO 분위기 중에서 소결하여 다공성의 압전 세라믹 소결체를 얻은 다음, 이 다공성의 압전 세라믹 소결체를 에폭시 수지에 함침시켜 PZT 세라믹과 고분자 매질이 소위 3-3형의 상 접속도를 갖게 하도록 사는 세라믹/고분자 3-3형 복합 압전체의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기한 유기 결합제는 폴리비닐 알콜, 또는 전분임을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기한 유기 결합제는 세라믹에 대하여 5~15중량%의 중량비로 첨가됨을 특징으로 하는 방법.