KR100895577B1 - 컴포지트 압전체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컴포지트 압전체에 관한 것으로서, 압전 세라믹스와 내부에 기포를 분산시켜 밀도를 0.4g/㎤ 이하로 한 고분자를 주 부재로 하여 구성된 것으로서, 밀도가 낮고, 압전 세라믹스의 체적률이 작음에도 불구하고, 전기 기계 결합계수가 높고, 음향 임피던스가 낮고, 또 초음파 탐촉자 등의 제작에 있어서도 가공성이 우수한 것을 특징으로 한다.

Description

컴포지트 압전체{COMPOSITE PIEZOELECTRIC BODY}

본 발명은 두께 방향의 공진(세로 진동의 공진)을 이용하는 초음파 진단기나 초음파 탐상기 등의 송수파기의 초음파 탐촉자로서 적절하게 사용되는 컴포지트 압전체에 관한 것이다.

종래부터 컴포지트 압전체는 높은 전기 기계 결합계수를 가진 압전 세라믹스와 음향 임피던스가 낮은 고분자 재료를 복합화하여 제작되고, 높은 전기 기계 결합 계수를 갖고, 또 낮은 음향 임피던스를 갖는 압전 진동자로서 초음파 탐촉자로 사용되고 있다.

그리고, 그 초음파 탐촉자를 이용한 초음파 진단기나 초음파 탐상기 등의 송수파기에서는 초음파 탐촉자에 전압을 인가하여 음파를 발생시키고, 대상물로부터 반사되어 되돌아오는 음파를 초음파 탐촉자에서 수파(受波)하여 전압 신호로 바꿔 영상 등으로 나타내고 있다.

통상, 상기 초음파 탐촉자 중의 전기를 음파로 바꾸는(또는 음파를 전기로 바꾸는) 작용을 하는 압전 진동자로는, 전기 기계 결합 계수의 매우 높은 재료[예를 들면, 티탄산 지르콘산 납(이하, 「PZT」라고 함])이나 티탄산아연산니오브산 납 단결정(이하, 「PZNT 단결정」이라고 함 등)으로 구성되는 압전 세라믹스(정확 한 정의로는 단결정은 세라믹스가 아니지만, 여기서는 포함)가 사용되고 있다.

그러나, 상기 압전 세라믹스는 비중이 크므로 음향 임피던스(비중×음속)가 약 30Mray1으로 높고, 이 때문에 대상물이 음향 임피던스가 낮은 유기물이면 높은 전기 기계 결합 계수를 갖고 있어도 음향 임피던스에 차가 있으므로 효율적으로 음파가 전달되지 않는다. 또, 대상물이 비중이 비교적 높은 것이라도 대상물에 도달하는 중간층이나 매체가 물이나 유기물과 같은 것이면 그것들의 음향 임피던스의 상위로 인해 음파가 효율적으로 전달되지 않는다.

따라서, 높은 전기 기계 결합 계수를 갖고, 음향 임피던스를 비교적 낮게 할 수 있는 컴포지트 압전체가 유효하게 된다.

컴포지트 압전체는 비중이 높고, 또 높은 전기 기계 결합 계수를 갖는 압전 세라믹스와 비중이 작고, 또 음향 임피던스가 낮은 고분자가 복합화된 것이며, 높은 전기 기계 결합계수를 유지하면서 음향 임피던스를 낮게 하는 것을 목적으로 구성되어 있다.

이 컴포지트 압전체 중의 압전 세라믹스의 체적률(전체 체적 중에서 압전 세라믹스가 차지하는 비율)을 작게 하면 할수록 음향 임피던스를 낮게 할 수 있지만 압전 세라믹스의 체적률이 작아지면 고분자의 압전 세라믹스의 진동을 구속하는 인자가 강해지므로, 전기 기계 결합 계수가 저하하는 문제가 있었다. 또, 전기 기계 결합 계수가 높은 곳에서는 음향 임피던스도 높아지는 문제가 있었다.

컴포지트 압전체를 구성하기 위한 고분자로서, 유연하고 탄력성이 있는 실리콘 고무계 재료를 선정하면 압전 세라믹스의 체적률이 비교적 낮아도 높은 전기 기 계 결합 계수를 가진 컴포지트 압전체를 얻을 수 있지만, 상기와 같은 실리콘 고무계 재료는 초음파 탐촉자의 제작 시에 접착제와의 접합성이 나쁘고, 또 기계 가공할 때의 절단 가공성이 매우 나쁘므로 초음파 탐촉자의 제작상 실용성이 부족한 문제가 있었다. 또, 컴포지트 압전체로는 통상, 그 상면과 하면에 전기를 취출하기 위한 전극이 형성되지만, 상기와 같은 실리콘 고무계 재료는 전극과의 밀착성도 나쁘므로 상기와 마찬가지로 초음파 탐촉자의 제작상 실용성이 부족하다.

또, 고분자의 밀도(bulk density)는 낮아도 겨우 1이고, 이 때문에 전기 기계 결합 계수가 높은 상태로 음향 임피던스를 낮추는 것에는 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하여, 전기 기계 결합 계수가 높고, 음향 임피던스가 낮고, 또 초음파 탐촉자의 제작 시에도 가공성이 우수하고, 상기와 같은 문제를 생기게 하지 않는 컴포지트 압전체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 상기 목적은 압전 세라믹스와 내부에 기포를 분산시켜 밀도를 0.4 이하로 한 고분자를 주 부재로 구성한 컴포지트 압전체를 제공함으로써 달성된다.

본 발명의 컴포지트 압전체라는 것은 구조적으로는 일반적으로 일컬어지고 있는 것처럼 압전 세라믹스(여기서는 단결정도 포함)와 고분자와의 복합체를 주 부재로서 구성되는 압전체를 의미한다. 컴포지트 압전체는 압전 세라믹스와 고분자를 어떻게 복합화할지에 따라 1-3 컴포지트, 2-2 컴포지트, 0-3 컴포지트, 3-0 컴포지트 등이라고 불리운다. 상기 「1-3」, 「2-2」, 「0-3」, 「3-0」 등의 숫자 는 압전 세라믹스가 단면으로 나갈 수 있는 x y z 방향의 수와 고분자가 단면으로 나갈 수 있는 x y z 방향의 수를 나타내고 있다.

도 1은 본 발명에 따른 컴포지트 압전체의 일례를 전극을 제외한 상태로 모식적으로 나타내는 도면,

도 2는 본 발명에 따른 컴포지트 압전체의 다른 예를 전극을 제외한 상태로 모식적으로 나타내는 도면, 및

도 3은 본 발명에 따른 컴포지트 압전체의 또 다른 예를 전극을 제외한 상태로 모식적으로 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 형태를 도면을 참조하면서 설명한다.

우선, 도 1에 도시한 컴포지트 압전체에 대해 설명하면, 도 1은 1-3 타입의 컴포지트 압전체를 모식적으로 나타내는 것이지만 이 도 1에 도시한 컴포지트 압전체에서는 압전 세라믹스(1)의 단면이 컴포지트 압전체의 x y z 방향으로 한방향(세로 방향)만 나가고, 고분자(2)의 단면이 컴포지트 압전체의 x y z 방향으로 3방향 나가므로 1-3 컴포지트가 된다. 상기 도 1에 도시한 1-3 타입의 컴포지트 압전체에 대해 더 설명하면, 압전 세라믹스(1)는 복수개의 각주(角柱)가 독립적으로 직립된 상태로 존재하고, 그 주위에 고분자(2)가 배치되어 있고, 그 고분자(2)에는 도시하지 않은 기포가 분산된 상태로 존재하고, 그 고분자(2)의 밀도는 0.4g/㎤ 이하 로 되어 있다. 또, 컴포지트 압전체에는 통상, 그 상면 및 하면에 대향하는 전극이 형성되어 있지만, 그 전극을 도시하면 압전 세라믹스(1)와 고분자(2)의 관계를 알기 어려워지므로 도 1에서는 전극의 도시를 생략하고 있지만, 실제로는 상면 및 하면에 대향하는 전극이 형성되어 있다. 또, 이하에 설명하는 도 2 및 도 3에서도 전극의 도시를 생략하고, 컴포지트 압전체를 도시하고 있지만, 그 상면 및 하면에는 대향하는 전극이 형성되어 있다. 또, 도 1을 비롯하여 이후에 설명하는 도 2나 도 3에서도 압전 세라믹스(1)와 고분자(2)를 시각적으로 식별하기 쉽게 하기 위해, 압전 세라믹스(1)에는 색이 칠해져 있다.

도 2는 2-2 타입의 컴포지트 압전체를 모식적으로 나타내며, 상기 도 2에 도시한 컴포지트 압전체에서는 압전 세라믹스(1)의 단면이 컴포지트 압전체의 x y z 방향으로 2방향으로 나가고, 고분자(2)의 단면이 컴포지트 압전체의 x y z 방향으로 2방향으로 나가 있으므로, 2-2 컴포지트가 된다. 상기 도 2에 도시한 2-2 타입의 컴포지트 압전체에 대해 더 설명하면, 압전 세라믹스(1)와 고분자(2)는 모두 장방형 형상의 판 형상으로 교대로 배치된 상태로 복합화되어 있고, 상기 고분자(2)에는 도시하지 않지만 기포가 분산된 상태로 존재하고, 상기 고분자(2)의 밀도는 0.4g/㎤ 이하로 되어 있다.

본 발명의 컴포지트 압전체는 그 제조 방법상의 가능성 때문에 고분자가 0이 되는 3-0 컴포지트와 같은 것은 포함되지 않지만, 상기 예시한 1-3 컴포지트나 2-2 컴포지트에만 한정되지 않고, 예를 들면 도 3에 도시한 바와 같이 하면측이 전체면에 걸쳐 압전 세라믹스(1)로 구성되어 있는 컴포지트 압전체도 본 발명에 포함된 다. 상기 도 3에 도시한 컴포지트 압전체에 대해 더 설명하면, 상기 도 3에 도시한 컴포지트 압전체는 도 1에 도시한 1-3 타입의 컴포지트 압전체의 하부가 전면에 걸쳐 압전 세라믹스(1)로 구성되어 있는 것에 상당한다. 즉, 압전 세라믹스(1)로 구성되는 복수개의 각주는 하부로 연결되어 있고, 그 압전 세라믹스(1)의 각주 형상 부분의 주위에 고분자(2)가 배치되어 있고, 상기 고분자(2)에는 도시하지 않지만 내부에 기포가 분산된 상태로 존재하고, 고분자(2)의 밀도는 0.4g/㎤ 이하로 되어 있다.

본 발명의 컴포지트 압전체는 상기와 같이 압전 세라믹스와 내부에 기포가 분산되어 있고 밀도가 0.4g/㎤ 이하의 고분자를 주 부재로 하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하고, 고분자 중에 기포가 분산된 상태에서 존재하는 것에 의해 고분자가 압전 세라믹스의 진동을 구속하는 것이 경감되는 것에 기초하는 것이라고 생각되지만, 압전 세라믹스의 체적률이 낮아도 높은 전기 기계 결합 계수를 가질 수 있다.

또, 본 발명의 컴포지트 압전체에서는 고분자 중에 기포가 분산되어 있으므로 비중을 작게 할 수 있고, 그만큼 음향 임피던스가 낮아지는 이점을 갖고 있다.

본 발명의 컴포지트 압전체의 압전 세라믹스라는 것은, 세라믹스에 전극을 형성하고, 분극 처리하여 압전성을 갖도록 한 것을 의미하며, 그 세라믹스로서는 PZT계 세라믹스(티탄산 지르콘산 납계 세라믹스), PZNT 단결정(니오브산 아연산 티탄산 납 단결정), 마그네슘산 니오브산 티탄산 납(PMNT) 단결정, 니오브산 납계 세라믹스, 티탄산 납계 세라믹스, 티탄산 비스마스계 세라믹스 등이 전기 기계 결합 계수가 비교적 높으므로 특히 바람직하게 이용된다.

본 발명의 컴포지트 압전체의 고분자재로서는, 예를 들면 에폭시계, 아크릴계, 우레탄계를 사용할 수 있지만, 엄격한 기계 가공성이 요구될 경우에는 아크릴계, 에폭시계 등의 비교적 단단한 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 단, 어떤 고분자를 사용해도 본 발명에 의하면 음향 임피던스를 저감할 수 있고, 또 높은 전기 기계 결합 계수를 갖는 컴포지트 압전체를 제공할 수 있다.

본 발명의 컴포지트 압전체는 세라믹스에 기계 가공으로 복수의 홈을 형성하는 제 1 공정과, 상기 제 1 공정으로 형성된 세라믹스의 홈 내에 소정의 온도에서 기화하는 액체를 봉입한 고분자 분체를 충전하고, 상기 액체가 기화하는 온도로 열처리함으로써 고분자를 팽창시켜 밀도를 0.4g/㎤ 이하로 한 고분자와 세라믹스를 일체화시키는 제 2 공정을 경유하는 것에 의해 제조된다. 그리고, 상기 컴포지트 압전체의 제조 공정에 있어서, 필요에 따라서 불필요 고분자나 세라믹스를 제거하여 두께를 조정하는 제 3 공정을 가질 수 있어 좋다. 또, 상기와 같은 홈의 형성이나 고분자의 일체화에 있어서는 통상, 분극 처리 전의 세라믹스가 사용되고, 그 후 전극 형성이나 분극 처리가 실시되지만, 분극 처리 완료의 압전 세라믹스를 이용하여 홈의 형성이나 고분자와의 일체화를 실시해도 좋다.

본 발명의 컴포지트 압전체의 제조에서 이용하는 액체를 봉입한 고분자 분체라는 것은, 소정 온도로 가열됨으로써 고분자가 연화되고, 또 고분자 분체 중에 봉입된 액체가 기화하도록 설정된 고분자 분체를 말하며, 그 구체적인 예로서 예를 들면 이소부탄, 이소펜탄, 노멀펜탄, 노멀헥산 등의 액체를 봉입한 아크릴로니트릴 계 공중합 수지나 이소부탄, 이소펜탄 등의 액체를 봉입한 우레탄계 수지, 에폭시계 수지 등이 이용된다.

상기와 같은 액체를 봉입한 고분자 분체를 세라믹스로 형성된 홈 내에 충전한 후, 소정 온도로 가열하면 봉입된 액체의 기화 시의 압력과 고분자의 연화에 의해 고분자가 팽창되어 세라믹스와 고착하고, 매우 비중이 낮은 고분자가 되어 세라믹스와 일체화된다. 그 후, 필요에 따라서 여분인 세라믹스나 과잉으로 고착된 고분자의 제거나 두께 조정의 목적 등으로 연마기로 그 표면을 연마한 후, 스퍼터, 진공 증착, 도금 등으로 전극을 형성하고, 그 전극 형성 후에 직류의 전압을 인가하여 분극 처리함으로써 컴포지트 압전체가 제조된다. 예를 들면, 도 1에 도시한 1-3 타입의 컴포지트 압전체의 제조에서는 도 3에 도시한 상태의 것을 제조하고, 그 하면부의 압전 세라믹스를 연마하여 하면에 고분자(2)가 노출되도록 하고 있지만, 도 3에 도시한 상태의 것으로 이용하면 하면부의 압전 세라믹스(1)를 연마하여 제거할 필요가 없다.

본 발명에서 컴포지트 압전체 중의 고분자의 밀도를 0.4g/㎤ 이하로 규정하고 있지만, 이는 고분자의 밀도가 0.4g/㎤ 보다 높아지면 고분자의 체적률이 동일한 컴포지트 압전체로 비교한 경우, 고분자에 의한 구속이 현저해지거나 전기 기계 결합 계수가 낮아지기 때문이며, 고분자의 밀도로서는 0.05g/㎤ 정도까지 낮게 할 수 있지만, 실용 상 0.1g/㎤ 정도까지가 바람직하다.

본 발명의 컴포지트 압전체의 제조 시에 홈을 형성하기 위한 기계 가공에는 슬라이서, 다이싱머신 등이 바람직하게 이용된다.

실시예

이하에 실시예를 예로 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않는다.

실시예 1

압전 세라믹스 구성용 세라믹스로서는 전기 기계 결합계수 k33가 80%이고, 밀도가 7.8g/㎤인 PZT계 세라믹스를 이용하였다.

상기 세라믹스를 두께가 1.00mm인 판 형상으로 하고, 그 세라믹스판의 한쪽 변에 평행하게 200㎛ 피치, 100㎛의 폭의 블레이드로 다이싱머신으로 깊이가 0.800mm인 홈을 형성하였다. 계속해서 상기 방향에 대해 수직 방향으로 상기와 동일한 설정으로 홈을 형성하고, 100㎛×100㎛×800㎛의 세라믹스의 각주가 복수개 직립된 구조의 PZT계 세라믹스를 얻었다.

계속해서 이소펜탄이 봉입된 아크릴로니트릴계 공중합 수지를 상기 PZT계 세라믹스에 형성된 홈의 안에 충전하고, 150℃에서 5분간 열처리함으로써 내부에 기포가 분산된 아크릴로니트릴계 공중합 수지와 PZT계 세라믹스를 일체화시킨 후, 양면 연마기로 과잉의 수지와 PZT계 세라믹스를 제거하고, 두께 조정을 실시하여 도 1에 도시한 구조로 두께가 0.60mm이고 PZT계 세라믹스의 1 유닛의 사이즈가 100㎛×100㎛이고 PZT계 세라믹스의 체적률이 25%인 1-3 컴포지트를 얻었다.

얻어진 1-3 컴포지트의 기하학적인 사이즈를 마이크로메타와 노기스로 측정하고, 정밀 천칭(天秤)으로 중량을 측정하여 측정값으로 1-3 컴포지트의 밀도를 산출하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다. 또, 이 1-3 컴포지트의 고분자 성분 의 밀도는 계산상 0.2g/㎤이었다.

얻어진 1-3 컴포지트의 상면 및 하면에 대향하는 전극을 형성할 목적으로 상기 1-3 컴포지트에 Ni 무전해 도금을 실시하고, 또 금 도금을 실시함으로써 두께 0.7 ㎛의 Ni와 그 위의 두께 0.3 ㎛의 금으로 구성되는 전극을 형성하였다.

상기 1-3 컴포지트의 사방을 절단하여 소정 사이즈로 한 후, 1kv/mm의 직류 전압을 100 ℃로 인가하여 분극 처리함으로써, 목적으로 하는 1-3 컴포지트 압전체를 얻었다.

상기 1-3 컴포지트 압전체의 주파수-임피던스 특성을 HP사제(휴렛팩카드사제)의 임피던스 아나라이저 4194A로 측정하여, 얻어진 세로 진동(두께 진동)의 공진 주파수(fr)와 반공진 주파수(fa)로 두께 방향의 k정수(kt)를 일본 전자 재료 공업계의 압전 세라믹스 진동자의 시험 방법에 준하여 산출하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다. 또, 얻어진 공진 주파수(fr)와 밀도로 음향 임피던스를 산출하였다. 그 결과도 하기 표 1에 나타낸다.

또, 이 컴포지트 압전체의 가공성을 조사하기 위해, 한쪽 전극면에 0.6mm의 두께의 정합층용 수지를 접착한 후, 10mm×0.1mm의 사이즈로 다이싱머신으로 절단하여 50개의 두께가 1.2mm이고 10mm×0.1mm의의 단책 형상으로 가공하여 시험부로 한 후, 그 시험부의 절단면을 실체 현미경으로 관찰하여, 전극의 박리, 컴포지트 압전체의 꺽임 등이 없는지를 조사하였다. 그 결과도 하기 표 1에 나타낸다.

비교예 1

실시예 1과 동일하게 하여 얻은 100㎛×100㎛×800㎛의 세라믹스의 각주가 복수개 직립된 구조의 PZT계 세라믹스의 홈에 실시예 1의 경우와 동일 종류의 아크릴로니트릴계 공중합 수지(수지의 밀도는 1.1g/㎤)로 충전한 후, 경화하여 1-3 컴포지트를 제작하고, 그 1-3 컴포지트를 이용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 압전 세라믹스의 체적률이 25 %인 1-3 컴포지트 압전체를 얻었다.

이 비교예 1의 1-3 컴포지트 압전체에 대해서도 상기 실시예 1의 경우와 마찬가지로 밀도, kt, 가공성을 조사하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.

비교예 2

실시예 1과 동일하게 하여 얻은 100㎛×100㎛×800㎛의 세라믹스의 각주가 복수개 직립된 구조의 PZT계 세라믹스의 홈에 실리콘 고무계 접착재(실리콘 고무의 밀도는 1.0g/㎤)로 충전한 후, 경화하여 1-3 컴포지트를 제작하고, 그 1-3 컴포지트를 이용한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 압전 세라믹스의 체적률이 25 %인 1-3 컴포지트 압전체를 얻었다.

이 비교예 2의 1-3 컴포지트 압전체에 대해서도 상기 실시예 1의 경우와 마찬가지로 밀도, kt, 가공성을 조사하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다. 또, 가공성의 평가(전극 박리 및 꺽임 평가)에 관해서는 평가의 대상으로 한 시험부(상기 정합층용 수지를 접착한 상태에서의 두께가 1.2mm이고 10mm×0.1mm의 단책 형상 가공품)의 수를 분모로 나타내고, 전극 박리나 꺽임이 생긴 컴포지트 압전체의 시험부의 수를 분자로 나타내는 태양으로 하기 표 1에 표시한다.

상기 표 1에 나타내는 결과로 명확해진 바와 같이 실시예 1의 컴포지트의 압전체는 종래의 컴포지트 압전체에 상당하는 비교예 1∼2의 컴포지트 압전체와 세라믹스의 종류나 체적률이 동일함에도 불구하고, kt, 즉 전기 기계 결합 계수가 높고, 음향 임피던스가 낮고, 또 초음파 탐촉자의 제작에 있어서 필요한 가공성이 우수했다.

이에 대해, 비교예 1∼2의 컴포지트 압전체는 실시예 1의 컴포지트 압전체와 동일한 재질의 압전 세라믹스를 사용하여, 동일한 체적률이나 동일한 1-3 컴포지트 구조로 하고 있음에도 불구하고, 비교예 1의 컴포지트 압전체와 같이 가공성이 양호한 경우에는 kt가 낮고, 음향 임피던스가 높아지고, 비교예 2의 컴포지트 압전체와 같이 kt가 비교적 양호한 경우에는 가공성이 매우 높고, 특히 전극과의 밀착성이 매우 나빴다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 컴포지트 압전체는 밀도가 낮고, 압전 세라믹스의 체적률이 작음에도 불구하고 전기 기계 결합계수가 높고, 음향 임피던스가 낮고, 또 가공성이 우수하다.

따라서, 본 발명의 컴포지트 압전체는 두께 방향의 공진(세로 진동의 공진)을 이용하는 초음파 진단기나 초음파 탐상기 등의 송수파기의 초음파 탐촉자로서 바람직하게 사용된다.

Claims (2)

1. 압전 세라믹스와 내부에 기포가 분산되어 있고 밀도가 0.2g/㎤ 이하인 아크릴로니트릴계 공중합 수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 컴포지트 압전체.
2. 세라믹스에 기계 가공으로 복수의 홈을 형성하는 제 1 공정과,

   상기 제 1 공정으로 형성된 세라믹스의 홈 내에 소정의 온도에서 기화하는 액체를 봉입한 아크릴로니트릴계 공중합 수지의 분체를 충전하고, 상기 액체가 기화하는 온도로 열처리함으로써 아크릴로니트릴계 공중합 수지를 팽창시켜 밀도를 0.2g/㎤ 이하로 한 아크릴로니트릴계 공중합 수지와 세라믹스를 일체화시키는 제 2 공정을 경유하는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 컴포지트 압전체의 제조 방법.

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