KR100908791B1

KR100908791B1 - 원반형 압전 액츄에이터와 그를 이용한 압전 초음파선형모터 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR100908791B1
Application number: KR1020070080424A
Authority: KR
Inventors: 김현이; 이경우; 전신희
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단; 경원훼라이트공업 주식회사
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2009-07-22
Also published as: KR20090016062A

Abstract

본 발명은 압전 세라믹스를 이용하는 압전 액츄에이터와 그를 이용한 초음파 선형모터 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 압전층(11)과 복합층(12)이 고온소결에 의해 일체로 형성되고 중앙에 홀(13)이 천공되며 두께방향으로 분극되어 전압인가시 전후면으로 움직이는 유니몰프(uni-morph) 타입인 원반형태의 압전 액츄에이터(10)에 의하여 압전 초음파 선형모터를 제조하므로, 압전 액츄에이터가 이동체를 직접적으로 이동시키는 메카니즘에 의해 변위가 크면서도 정확하고 정밀한 제어가 가능하고, 압전체와 복합체를 고온소결로 융착시킴에 의해 내구성이 크게 향상될 뿐만 아니라 접착제의 사용이 불필요하며, 충분한 압전효과를 가지며 양방향으로 선형이동이 가능하다. 또한, 사출성형이 용이하고 두께가 얇은 액츄에이터를 저렴하고 용이하게 제조할 수 있다.

유니몰프, 압전 액츄에이터, 압전 초음파 선형모터, PZN-PZT, 관성, 동시 사출법

Description

원반형 압전 액츄에이터와 그를 이용한 압전 초음파 선형모터 및 그의 제조방법{Piezoelectric actuator, Piezoelectric ultrasonic linear motor thereby and Manufacturing method thereof}

본 발명은 압전 세라믹스를 이용하는 압전 초음파 선형모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전 액츄에이터가 이동체를 직접적으로 이동시키는 메카니즘을 구현하여 변위가 크면서도 정확하고 정밀한 제어가 가능하고, 압전체와 복합체를 고온소결로 융착시킴으로써 내구성이 크게 향상될 뿐만 아니라 접착제의 사용이 필요없는 원반형 압전 액츄에이터와 그를 이용한 압전 초음파 선형모터 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

압전 초음파 선형모터는 자석이나 권선을 필요로 하지 않는 새로운 형의 구동원으로서 20kHz 이상의 초음파 영역을 사용하는 전기력 모터이며, 그 작동원리는 복수의 압전 세라믹스에 고주파 전압을 가하여 압전 세라믹스를 진동시키고 이러한 진동력에 의해 일정 방향의 구동력을 얻는 것이다. 초음파 선형모터의 용도는 저속 회전에서 큰 힘을 필요로 하는 다이렉트 드라이브용이나 현장 여건상 자기 에너지를 쓸 수 없는 장치의 구동원 또는 초소형 사이즈의 구동원 등에 이용되고 있다. 초음파 선형모터에는 정재파 방식과 진행파 방식이 있으며, 진행파 방식은 압전 세라믹스를 금속의 탄성체에 맞붙인 스테이터와 로터를 마주 접촉시켜 탄성체에 발생하는 종파와 횡파에 의한 진행파에서 구동력을 얻는 방식이다. 이 방식은 정역전이 가능하고 소형화가 용이하며 긴 수명 등의 장점이 있어서 초음파 선형모터에는 일반적으로 이 방식이 채용되고 있다.

압전 초음파 선형모터의 구동원인 압전 세라믹스는 기계적 에너지와 전기적 에너지의 상호 변환을 가능하게 하는 성질을 가지고 있는 소자로서, 액츄에이터 분야에서의 압전 세라믹스는 최근 변위의 정밀제어가 요구되는 전자기기 및 정밀기계장치의 발달 및 소형화 추세로 인하여 새로운 형식의 변위 트랜스듀서(Transducer)로서 주목받고 있으며, 종래의 전자식 액츄에이터에서 주류를 이루는 코일을 이용한 솔레노이드 방식으로는 구현하기 어려운 빠른 응답속도의 실현 및 소형 경량화가 가능하며 낮은 소비전력과 전자노이즈의 방해를 받지 않는다는 장점을 가지고 있다.

따라서, 이를 이용한 압전 초음파 선형모터는 종래의 전자석을 이용한 모터에 비해 높은 토크를 가지면서 저속으로 구동되어 위치제어의 정밀성을 지니며 자계의 영향을 받지 않을 뿐만 아니라, 소음이 없고 소형화가 용이하며 빠른 응답성을 갖는다는 장점을 지닌다. 이러한 이유로 압전 초음파 선형모터는 로봇, 반도체 제조공정에서의 위치제어기구, 카메라 렌즈, 의료용 장비, 자동기계 등의 구동에 사용되고 있다.

압전 초음파 선형모터는 고정자와 연결된 이동자가 구현하는 움직임의 형태 에 따라 회전형과 선형으로 구분할 수 있다.

회전형 초음파 선형모터의 구동은 고정자에 부착된 압전체에 원주방향으로 진행하는 진행파를 인가하여 압전체에서 발생한 진동이 고정자에 전달되고, 따라서 고정자 표면의 질점들이 타원 궤적을 그리며 운동할 때 이동자를 적절한 압력으로 상기 고정자와 접촉시킴으로써, 이동체가 상기 타원운동에 의한 마찰력으로 회전하게 되는 원리에 의한다.

그리고, 선형 초음파 선형모터의 구동은 초음파 영역의 교류전원을 이용하여 세라믹의 단순진동을 직선운동으로 변환시킴에 의한 것으로서, 부가장치를 이용하여 회전운동을 선형운동으로 변환하는 종래의 모터와 달리 직접 선형구동이 가능하기 때문에 장비의 소형 경량화 구현이 가능하다는 장점을 가지지만, 선형으로 이동하는 압전 초음파 선형모터는 회전형에 비해 이동체의 움직임을 구현하는 조건이 복잡하다는 단점을 지녀서 많은 개발이 이루어지지 못하고 있다.

이를 해결하기 위하여 최근에는 관성을 이용하여 이동체가 선형으로 이동할 수 있도록 하는 연구들이 이루어지고 있으며, 관성을 이용하여 움직임을 구현하는 경우 비교적 단순한 구조의 시편으로도 이동체의 움직임을 나노미터 정도로 정밀하게 제어할 수 있다는 장점을 지닌다. 이와 같이 관성을 이용한 압전 초음파 선형모터의 시편으로는 주로 캔틸레버(cantilever) 형태의 액추에이터가 사용되는데, 이들의 형태는 대표적으로 유니몰프(uni-morph)와 바이몰프(bi-morph)가 있으며, 압전층을 얇게 가공한 뒤 금속 심(shim)을 부착하여 제조한다. 이와 같은 형태에 의하여 전기가 가해짐에 따라 압전층은 수축과 팽창을 하지만 금속층은 전장에 대한 변화가 없으므로 결과적으로 액추에이터가 휘어지게 되어 마찰에 의해 이동체를 이동시키는 것이다.

이와 같은 초음파 선형모터에 관한 연구로는 "초소형 압전 초음파 선형모터의 해석"("Analysis of tiny piezoelectric ultrasonic linear motor", Japanese Journal of Applied Physics, V.45, N.5B, 2006, 4782~4786p, 고현필 외 5인)이 있으며, 상기의 논문에 개시된 초음파 선형모터의 구조는 도 8과 같다.

도면을 참조하여 설명하면, 샤프트(2)는 트랜스듀서(1)에 연결되어 있고, 샤프트(2)의 일측에 이동체(3)가 고무링(4)을 개재하여 설치되어 있다. 상기 트랜스듀서(1)는 환형의 탄성체(5)의 양측면에 각각 환형의 압전세라믹(6)이 부착되어 하우징(7) 내에 장착된 구조이다.

상기 초음파 선형모터의 작동방식을 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 전압이 인가되지 않은 운동초기에는 이동체(3)가 (a)에서와 같이 트랜스듀서(1)에서 거리 Sa 만큼 떨어진 위치에 있다. 전압이 영에서부터 최대치까지 선형적으로 인가되면 샤프트(2)와 이동체(3)는 함께 A만큼 이동하여 (b)에서와 같이 위치한다. 다음으로, 인가전압을 갑자기 최소치까지 떨어뜨리면 (c)에서 알 수 있는 바와 같이 샤프트(2)는 원래의 위치로 돌아가지만 이동체(3)는 관성력에 의하여 그 자리에서 움직이지 않는다. 이 상태에서 다시 전압이 최소치부터 최대치까지 선형적으로 인가되면 샤프트(2)와 이동체(3)는 (d)에서와 같이 함께 A만큼 이동하고, 그 상태에서 다시 인가전압을 갑자기 최소치까지 떨어뜨리면 (e)에서와 같이 위와 마찬가지로 샤프트(2)는 원위치되나 이동체(3)는 그 자리에 있게 된다.

그러나, 상기와 같은 초음파 선형모터는 이동체를 선형적으로 이동시키기는 하지만 직접적으로 이동시키지 않고 샤프트의 진동에 따른 마찰력에 의하여 간접적으로 이동시키게 되므로, 이동체를 직접적으로 이동시킬 때보다 정확하고 정밀한 제어가 어렵다는 문제점이 있다.

그리고, 상기와 같은 모터의 액추에이터는 변위와 변형력이 작을 뿐만 아니라, 압전층과 금속심을 에폭시 등의 접착제로 부착시켜 사용하므로, 액츄에이터를 반복적으로 사용할 때 압전판과 금속판의 접착력이 약화되어 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.

따라서, 상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는 압전 액츄에이터가 이동체를 직접적으로 이동시키는 메카니즘을 구현함으로써 변위가 크면서도 정확하고 정밀한 제어가 가능하고, 압전체와 복합체를 고온소결로 융착시킴으로써 내구성이 크게 향상될 뿐만 아니라 접착제의 사용이 필요없는 원반형 압전 액츄에이터를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는 상기 원반형 압전 액츄에이터를 이용하여 제조됨으로써 충분한 압전효과를 가지며 양방향으로 선형이동이 가능한 압전 초음파 선형모터를 제공하는 것이다.

그리고, 본 발명의 또 다른 기술적 과제는 상기 원반형 압전 액츄에이터를 제조하는 제조방법을 제공하는 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,

압전층과 복합층이 고온소결에 의해 일체로 형성되고 중앙에 홀이 천공되며 두께방향으로 분극되어 전압인가시 전후면으로 움직이는 유니몰프(uni-morph) 타입인 원반형태의 압전 액츄에이터를 제공한다.

상기 압전층은 납(Pb), 아연(Zn) 및 니오브(Nb)로 조성된 PZN과 납(Pb), 지르코늄(Zr) 및 티타늄(Ti)으로 조성된 PZT를 소정의 비율로 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다.

상기 복합층은 납(Pb), 아연(Zn) 및 니오브(Nb)로 조성된 PZN과 납(Pb), 지르코늄(Zr) 및 티타늄(Ti)으로 조성된 PZT를 소정의 비율로 혼합한 후 은(Ag) 분말을 소정의 비율로 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다.

상기 압전층과 복합층은 PZN과 PZT가 부피비 1:9 내지 5:5의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.

상기 복합층은 PZN-PZT과 은(Ag)이 중량비 7:3 내지 4:6의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.

상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,

압전층과 복합층이 고온소결에 의해 일체로 형성되고 중앙에 홀이 천공되며 두께방향으로 분극되어 전압인가시 전후면으로 움직이는 유니몰프(uni-morph) 타입인 원반형태의 액츄에이터;

전압인가시 상기 액츄에이터의 외주면 쪽 움직임을 차단하여 내주면의 움직임을 유도하도록 액츄에이터의 외주면을 고정시키는 지지체; 및

상기 액츄에이터의 내주면과 밀착되도록 홀에 수직으로 삽입되어 내주면의 진동에 따라 마찰력에 의해 전후로 이동하는 봉형상의 이동체; 를 포함하는 압전 초음파 선형모터를 제공한다.

상기 액츄에이터는 이동체의 움직임에 중력의 영향을 배제하기 위하여 수직으로 설치되는 것이 바람직하다.

상기 이동체는 액츄에이터의 움직임을 방해하지 않도록 내주면과의 마찰을 최소화하기 위한 소재로서 파이렉스(Pyrex)로 형성할 수 있다.

상기 이동체의 일측에는 액츄에이터와의 마찰에 의한 움직임을 축방향으로 제한하기 위하여 지지대를 설치할 수 있다.

상기 지지대는 이동체의 움직임을 방해하지 않도록 마찰계수가 작은 테프론(Teflon)으로 형성할 수 있다.

상기 압전 초음파 선형모터에 인가되는 전압은 톱니파와 역톱니파를 사용하는 것이 바람직하다.

상기의 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,

(a)납(Pb), 아연(Zn) 및 니오브(Nb)로 조성된 PZN과 납(Pb), 지르코늄(Zr) 및 티타늄(Ti)으로 조성된 PZT를 소정의 비율로 혼합하여 저온 소결이 가능한 분말화된 PZN-PZT 파우더를 제조하는 단계;

(b)상기 PZN-PZT 파우더에 폴리머를 첨가하여 압전체를 제조하는 단계;

(c)상기 (a)단계에서 제조된 PZN-PZT 파우더에 은(Ag) 분말을 소정의 비율로 혼합한 후 폴리머를 첨가하여 복합체를 제조하는 단계;

(d)상기 압전체와 복합체를 동시에 사출하여 두 층이 결합된 판형상으로 이루어진 압전 액츄에이터의 초기 형상인 그린바디(green body)를 성형하는 단계;

(e)상기 압전체와 복합체가 결합된 그린 바디를 CNC 기계에 의하여 중앙에 홀(13)이 형성된 원반형태의 시편을 제작하는 단계;

(f)상기 시편에 포함된 폴리머를 제거하기 위하여 일정온도로 가열된 로(爐) 안에서 열처리 과정을 거치는 단계; 및

(g)상기 시편에 포함된 산화납(PbO)의 휘발을 최소화하기 위하여 로(爐) 안 에서 동일한 조성을 가진 PZN-PZT 파우더를 덮은 상태에서 고온으로 가열하는 단계; 를 포함하는 압전 액츄에이터의 제조방법을 제공한다.

상기 (a)단계에서 PZN-PZT 파우더는 PZN과 PZT의 분말을 부피비 1:9 내지 5:5의 비율로 혼합할 수 있다.

상기 a)단계에서 PZN-PZT 파우더는 PZN과 PZT를 에탄올과 함께 혼합시킨 후 건조시키는 단계와, 상기 혼합물을 800 내지 850℃에서 4 내지 12시간 동안 하소(calcination)시키는 단계와, 상기 하소된 혼합물을 24 내지 48시간 동안 볼밀하여 미세분말입자로 분쇄시키는 단계를 포함하여 제조될 수 있다.

상기 (b)단계와 (c)단계에서의 폴리머는 EEA(Ethylene Ethyl Acrylate)와 IBMA(Isobutyl Methacrylate)의 혼합물을 이용할 수 있다.

상기 (b)단계에서 PZN-PZT 파우더와 폴리머의 혼합물에서 PZN-PZT 파우더는 60% 이상의 부피비로 하는 것이 바람직하다.

상기 (b)단계에서 PZN-PZT 파우더에는 압전체의 공진주파수에 따른 변위를 증대시키기 위하여 망간(Mn)을 소량 도핑할 수 있다.

상기 (c)단계에서 복합체는 PZN-PZT 파우더와 은(Ag) 분말을 중량비 6:4 내지 4:6의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 (c)단계에서 PZN-PZT와 은(Ag)을 혼합한 파우더와 폴리머의 혼합물에서 PZN-PZT와 은(Ag)을 혼합한 파우더는 부피비 60% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기 (d)단계에서 압전체와 복합체의 점도를 높이기 위하여 100 내지 150℃로 가열하여 동시에 사출하는 것이 바람직하다.

상기 (f)단계에서 로(爐)의 내부온도는 500 내지 600℃로 유지하는 것이 바람직하다.

상기 (g)단계에서의 연소 및 소결온도는 900 내지 930℃인 것이 바람직하다.

상기에서 설명한 바와 같은 본 발명의 원반형 압전 액츄에이터에 의하면, 압전 액츄에이터가 이동체를 직접적으로 이동시키는 메카니즘에 의해 변위가 크면서도 정확하고 정밀한 제어가 가능하고, 압전체와 복합체를 고온소결로 융착시킴에 의해 내구성이 크게 향상될 뿐만 아니라 접착제의 사용이 불필요하게 된다.

또한, 상기 원반형 압전 액츄에이터를 이용한 압전 초음파 선형모터에 의하면, 충분한 압전효과를 가지며 양방향으로 선형이동이 가능하다.

그리고, 상기 원반형 압전 액츄에이터를 제조하는 방법에 의하면, 서로 다른 소재인 압전체와 비활성 복합체가 동시 사출법(co-extrusion method)으로 사출될 수 있으면서 가공 및 성형이 용이하고, 또한 고온소결과정에 의해 결합력이 우수하고 두께가 얇은 액츄에이터를 용이하고 저렴하게 제조할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통해 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 액츄에이터의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 초음파 선형모터의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 제조방법으로 제조된 압전 초음파 선형모터의 사진이다.

압전 액츄에이터는 압전세라믹의 가역적인 변위 특성을 이용하여 전자기기나 정밀기계의 미소제어에 이용할 수 있게 만들어진 구동기를 말하는 것으로서, 압전세라믹의 적층형태에 따라 유니몰프(unimorph), 바이몰프(bimorph) 등 다양한 형태로 분류되며, 통상적으로는 제조상의 편의로 인하여 압전세라믹을 금속기판 양면에 적층한 바이몰프 형태가 많이 사용되지만, 본 발명에서는 내구성과 제조상의 편의 측면에서 훨씬 뛰어난 유니몰프 형태로 제조한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 액츄에이터(10)는 압전층(11)과 복합층(12)의 2층이 고온소결에 의해 일체로 형성된 유니몰프(uni-morph) 타입의 원반형태를 이루고 있으며, 중앙에 이동체(30)를 삽입할 수 있는 홀(13)이 천공되어 있다.

상기 압전 액츄에이터(10)는 두께방향으로 분극되어 있어서 전압인가시 원반의 전후면으로 움직이도록 구성되어 있다.

상기 압전층(11)은 납(Pb), 아연(Zn) 및 니오브(Nb)로 조성된 PZN과 납(Pb), 지르코늄(Zr) 및 티타늄(Ti)으로 조성된 PZT를 소정의 비율로 혼합하여 제조되고, 상기 복합층(12)은 납(Pb), 아연(Zn) 및 니오브(Nb)로 조성된 PZN과 납(Pb), 지르코늄(Zr) 및 티타늄(Ti)으로 조성된 PZT를 소정의 비율로 혼합한 후 은(Ag) 분말을 소정의 비율로 혼합하여 제조된다. 상기 압전층(11)과 복합층(12)의 제조방법은 하기에서 상세히 설명하기로 한다.

다음으로, 도 2를 참조하여 상기 압전 액츄에이터(10)를 이용하여 제조된 압전 초음파 선형모터에 관하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 의한 압전 초음파 선형모터는 원반형태로 형성되고 두께방향으로 분극되어 전압인가시 전후면으로 움직이는 유니몰프(uni-morph) 타입의 액츄에이터(10)와, 액츄에이터(10)의 외주면(14)을 고정시키는 지지체(20)와, 액츄에이터(10)의 홀(13)에 수직으로 삽입되어 내주면(15)과의 마찰력에 의해 전후로 이동하는 봉형상의 이동체(30)를 포함한다.

압전 초음파 선형모터에 설치되는 상기 압전 액츄에이터(10)는 상기에서 설명한 바와 같이 유니몰프(uni-morph) 타입으로서 압전층(11)과 복합층(12)이 일체로 형성되고 중앙에 홀(13)이 천공된 원반형태를 이루고 있으며, 이동체(30)의 움직임에 중력의 영향을 배제하기 위하여 모터내에 수직으로 설치된다.

즉, 이동체(30)가 수직으로 이동하게 되는 경우 상기 이동체(30) 자체에 대한 중력에 의해 이동체(30)의 운동에 영향를 줄 수 있으므로, 이동체(30)가 중력의 영향이 없는 수평방향으로만 이동할 수 있도록 하기 위해 액츄에이터(10)를 수직으로 세운 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 액츄에이터(10)는 두께방향으로 분극되어 있으며, 압전층(11)과 복합층(12)에 각각 에나멜 선으로 전극과 연결하여 전압을 가할 수 있도록 제작하였다.

그리고, 상기 지지체(20)는 액츄에이터(10)의 움직임을 극대화하기 위해 외주면(14) 쪽을 고정시켜 내주면(15)의 움직임을 유도하도록 액츄에이터(10)의 외주면(14)을 고정시키기 위한 부재이다. 따라서, 전압인가시 상기 액츄에이터(10)의 압전층(11)은 내주면(15) 쪽으로만 신장 또는 수축되어 홀(13) 내의 이동체를 원반 전후면 쪽으로 이동시킨다.

다음으로, 상기 이동체(30)는 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 봉형상의 부재로서, 액츄에이터(10)의 홀(13)에 수직으로 삽입되어 내주면(15)과 밀착되도록 설치되며, 상기에서 설명한 바와 같이 내주면(15)의 진동시 마찰력에 의해 전후로 이동하게 된다. 즉, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 홀(13)에 봉형상의 이동체(30)를 끼워서 액츄에이터(10)의 움직임이 직접 이동체(30)에 전달될 수 있도록 하는 구조를 가지도록 하였다.

또한, 상기 이동체(30)는 액츄에이터(10)와 이동체(30) 사이의 마찰을 최소화시켜 이동체의 움직임에 방해가 되지 않을 조건을 가져야 하므로, 액츄에이터(10)와 내주면(15) 사이의 마찰을 최소화하기 위한 소재를 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명의 일 실시예에서는 이동체(30)를 그러한 소재의 하나로서 파이렉스(Pyrex)로 형성하였다. 또한, 이동체(30)의 직경과 홀(13)의 직경이 정확하게 일치할수록 이동체의 이동이 용이하다.

그리고, 상기 이동체(30)의 일측에는 이동체(30)가 이동하면서 기울어지는 현상을 방지하기 위해 액츄에이터(10)와의 마찰에 의한 움직임을 축방향으로 제한하기 위한 지지대(40)를 설치하는데, 상기 지지대(40)도 상기와 마찬가지로 이동체의 움직임을 방해하지 않기 위하여 마찰계수가 작은 소재를 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명의 일 실시예에서는 그러한 소재의 하나로서 테프론(Teflon)으로 형성하였다.

도 4는 도 2와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 초음파 선형모 터에 전압이 인가될 때 이동체의 단계별 움직임을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

압전층(11)은 전압을 인가하였을 때 그 부피가 수축 또는 팽창하는 특징을 지니며 이를 압전효과라 한다. 그러나, 복합층(12)은 전압을 인가하여도 그 부피의 변화가 없어 압전층(11)과 비교하여 직경방향으로 상대적인 길이차이를 가지게 된다. 압전 효과에 의한 길이 변화는 초기 길이에 비례하므로 두께 방향보다 직경방향의 길이가 더 긴 경우 직경방향의 길이 변화가 보다 크게 된다.

본 발명의 일 실시예에 의한 압전 액츄에이터(10)의 둘레를 단단한 물질로 고정시키고 두께방향으로 전압을 인가하면, 압전층(11)은 직경방향으로 수축 또는 팽창을 하게 되지만 복합층(12)은 길이변화가 없으므로 액츄에이터(10)가 휘어지는 현상을 보이게 된다. 이러한 휨은 액츄에이터(10)의 중심부분, 즉 내주면(15)에서 가장 크게 발생하므로 이러한 액츄에이터(10)의 움직임이 이동체(30)에 전달되는 것이다.

도 4를 참조하여 상기 압전 초음파 선형모터의 작동을 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 압전 초음파 선형모터에는 이동체(30)의 선형운동을 야기시키기 위하여 전압을 톱니파와 역톱니파로 인가한다. 상기 파형은 전압이 천천히 증가하다가 갑자기 감소하거나, 전압이 천천히 감소하다가 갑자기 증가하는 모양을 지닌다.

상기 파형에서 전압이 천천히 변화할 때 전압에 의한 액츄에이터(10)의 길이 변화도 천천히 나타나게 되고, 그에 따라 이동체(30)는 액츄에이터(10)가 휘어지는 방향을 따라 이동하게 된다. 그러나, 전기장이 갑자기 변화할 때 이동체(30)는 관성에 의해 액츄에이터(10)의 이동을 따르지 못하여 그 자리에 정지하게 된다. 이러 한 원리에 의하여 이동체(30)를 선형적으로 이동시키는 것이다.

상기 톱니파와 역톱니파는 그 전압이 천천히 증가 또는 감소하는 방향이 서로 상반되므로, 상기 파형의 전압들이 액츄에이터(10)에 가해질 때 이동체(30)가 그에 따라 이동하는 방향이 서로 반대로 되고, 이를 이용하여 압전 초음파 선형모터를 양방향으로 구동할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 액츄에이터의 제조방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

먼저, 본 발명에 따른 압전 액츄에이터의 제조방법에 대한 전체적인 과정을 간략하게 설명하면, PbO, ZrO₂, TiO₂, ZnO, Nb₂O₅와 같은 해당 원료의 산화물인 고순도의 원료 분말을 원료로 하여 저온소결이 가능한 압전체의 원료인 PZN-PZT 세라믹 파우더를 제조하고, 열가소성 고분자와 PZN-PZT 세라믹을 소정 비율로 혼합한 압전체 및 상기 PZN-PZT 세라믹 파우더에 은(Ag) 파우더를 혼합하여 복합체를 제조하고, 상기 압전체와 복합체를 소정 크기의 성형틀을 통과시켜 그린바디(green body)를 동시 사출시키고, 상기 사출된 그린바디를 컴퓨터로 디자인된 액츄에이터의 모양에 따라 드릴링(drilling)하며, 상기 성형된 그린바디를 열처리에 의해 액츄에이터로 완성시키는 과정으로 구성된다.

도면을 참조하여 본 발명에 따른 압전 액츄에이터의 제조방법을 더욱 자세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 납(Pb), 아연(Zn) 및 니오브(Nb)로 조성된 PZN과 납(Pb), 지르코 늄(Zr) 및 티타늄(Ti)으로 조성된 PZT를 소정의 비율로 혼합하여 저온소결이 가능한 분말화된 PZN-PZT 파우더를 제조하는 단계(S1)를 거친다.

상기 PZN-PZT 파우더를 제조하기 위해서는 우선 PbO, ZrO₂, TiO₂, ZnO, Nb₂O₅ 와 같은 해당 원료의 산화물에 대한 고순도의 원료 분말을 원료로 하여 저온소결이 가능한 압전체의 원료인 PZN-PZT 파우더를 제조한다. PZT는 납(Pb), 아연(Zn), 티타늄(Ti)이 소정 비율로 혼합된 화합물인 납 지르코니아 티타네이트(Pb(Zr,Ti)O₃) 세라믹스로서 낮은 제조 단가와 뛰어난 물성으로 인해 대표적인 압전체의 재료로 사용되고 있으며, PZN은 납(Pb), 아연(Zn), 니오브(Nb)가 소정 비율로 혼합된 화합물이다.

PZN-PZT 파우더는 PZN과 PZT를 부피비 2:8 내지 4:6의 비율로 혼합하여 제조할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 부피비 3:7의 비율로 혼합하여 제조한 파우더를 사용하였다.

PZN 과 PZT는 혼합이 어려우므로 초기에 PZN 과 PZT를 섞기 위해서 에탄올과 함께 혼합하고 건조시킨 다음, 800 내지 850℃의 고온에서 4 내지 12시간 동안의 하소(calcination) 과정을 거친 후, 커진 입자를 볼밀하여 분쇄시킨다.

하소란 혼합물의 분체 상태에서 미리 고상반응을 종결시키기 위한 작업으로서 가소 또는 예비소성이라고도 부른다. 일반적으로 2종류 이상의 물질을 혼합하여 가열하면 합성반응에 기인하여 한번 팽창한 후 수축되어 소결된다. 이러한 변형과정을 경험한 분말을 다시 재가열하면 변형이 적을 뿐만 아니라 불순물 및 소성시 발생될 가스가 제거된다. 또한, 하소를 하지 않고 소결하게 되면 소결시의 큰 체적변화에 기인된 크랙이나 변형 등으로 인하여 원하는 형상을 얻는 것이 어려울 뿐만 아니라 치밀한 소결체를 만들기도 어렵다. 따라서, 본 소성시의 변형이나 크랙 등의 발생을 방지하여 세라믹스의 균질성을 높이기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에서는 PZN과 PZT를 에탄올과 섞어 12시간 정도 혼합하였으며, 에탄올을 건조시킨 후 850도에서 4시간 동안 하소시켜 PZN-PZT세라믹 파우더를 제조하였다. 하소 과정을 거치면서 입자가 커진 파우더는 다시 한번 48시간 동안 지르코니아 볼을 이용하여 분쇄하였다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 압전체의 공진 주파수에 따른 변위 변화를 증대시키기 위하여 상기 PZN-PZT 파우더에 망간(Mn)을 소량 도핑하였다.

상기와 같은 과정을 거쳐 얻어진 PZN-PZT 파우더를 이용하여 다음 단계로서 압전체를 제조하는 압전체 제조단계(S2)를 거치게 된다.

PZN-PZT는 각각이 모두 세라믹이므로 이들을 소결하는 경우 원하는 모양으로 사출성형하거나 드릴링하는 것이 어려우나, 폴리머와 함께 복합체를 만들면 일정온도 이상에서 세라믹-폴리머 복합체가 점도를 지니기 때문에 사출성형이 가능하고 원하는 모양으로의 드릴링이 용이하게 된다.

즉, 상기 PZN-PZT 파우더에 EEA(Ethylene Ethyl Acrylate; Union Carbide, Danbury, CT)와 IBMA(Isobutyl Methacrylate; Rohn and Haas, Philadelphia, PA)와 같은 폴리머를 혼합하여 세라믹-폴리머 혼합체를 제조하며, PZN-PZT 파우더와 폴리머의 혼합비는 PZN-PZT 파우더가 부피비 60% 이상이 되도록 한다.

이와 같이 제조된 세라믹-폴리머 혼합체는 실온에서 일반적인 폴리머와 같이 딱딱한 특성을 가지지만 일정 온도 이상에서는 점도를 갖기 때문에 사출성형이 가능하다. 이와 같은 특성을 열가소성이라 한다. PZN-PZT 세라믹 파우더와 상술한 폴리머를 혼합함으로써 세라믹 -폴리머 혼합체로 제조하는 이유는 PZN과 PZT가 모두 세라믹이기 때문에 소결할 경우 원하는 모양으로 성형하거나 사출하는 것이 불가능하기 때문이다. 따라서, 상기와 같이 제조된 세라믹-폴리머 혼합체는 제조자가 원하는 모양과 크기로 성형이 가능하다.

본 발명의 실시예에서는 EEA(Ethylene Ethyl Acrylate)와 IBMA(Isobutyl Methacrylate)를 일정비율로 혼합한 폴리머를 이용하였으며, PZN-PZT 파우더와 폴리머는 부피비 6:4로 혼합하여 압전체를 제조하였다.

다음으로, 상기 PZN-PZT 파우더 제조단계(S1)에서 제조된 PZN-PZT 파우더를 이용하여 복합체를 제조하는 복합체 제조단계(S3)를 거친다.

즉, PZN-PZT 파우더에 은(Ag) 분말을 소정의 비율로 혼합한 후 폴리머를 첨가하여 제조하는데, 상기 PZN-PZT 파우더와 은(Ag)의 혼합물은 은(Ag)이 30 내지 60 중량%의 비율로 포함되도록 한다. 이러한 비율로 혼합된 파우더에는 상기 압전체 제조단계(S2)에서와 마찬가지로 EEA(Ethylene Ethyl Acrylate)와 IBMA(Isobutyl Methacrylate)를 일정비율로 혼합한 폴리머를 혼합하여 세라믹-폴리머 혼합체를 제조하며, 상기 은함유 파우더와 폴리머의 혼합비도 마찬가지로 은함유 파우더가 부피비 60% 이상이 되도록 한다.

복합체 제조시 은(Ag)을 PZN-PZT 파우더와 혼합하는 것은 소결 후 PZN-PZT내 에 분산된 은 성분이 3차원적으로 연결되기 때문에 순수한 은과 거의 동일한 저항값을 가지게 되어 우수한 전기적인 성질을 가질 수 있도록 하기 위한 것이다. 상기와 같이 은이 함유된 복합체는 폴리머 제거 후 전도성을 가질 뿐만 아니라 전기장 인가시 압전 효과를 나타내지 않는 층이 된다.

본 발명의 실시예에서는 PZN-PZT 파우더에 은(Ag) 분말을 40 중량%의 비율로 혼합하였고, 상기 은함유 파우더와 폴리머는 부피비 6:4로 혼합하여 복합체를 제조하였다.

다음으로, 상기 압전체 제조단계(S2)와 복합체 제조단계(S3)에서 제조된 폴리머가 혼합된 압전체와 복합체를 이용하여 그린바디(green body)를 형성하는 그린바디 성형단계(S4)를 거치게 된다.

즉, 상기 점성을 가진 폴리머가 혼합된 압전체와 복합체를 동시사출법(co-extrusion)을 이용하여 동시에 사출하여 2층이 접합된 판형상인 압전 액츄에이터의 초기 형상으로서의 그린바디(green body)를 사출시킨다. 동시 사출된 상태의 압전체-복합체 결합형태의 판 혹은 막대를 그린바디(green body) 상태라 칭한다.

상기 압전체와 복합체는 폴리머와 함께 혼재되어 있으므로 약 100℃로 가열하면 점성을 가지게 되어 각각 판 또는 막대를 형성하도록 사출한 후, 이들을 서로 접촉시켜서 동시 사출함으로써 층간 결합을 형성하게 한다. 이러한 과정은 종래에 압전 액츄에이터의 제조를 위해 금속 심(shim)을 덧붙이는 과정이 생략될 수 있어서 금속과 압전체 사이의 접착제 사용을 배제할 수 있도록 한다.

이와 같은 동시사출법을 이용하면 시편의 사이즈를 줄일 수 있다는 장점이 있으므로 초소형의 압전 액츄에이터를 용이하게 제조할 수 있다.

다음으로, 상기 압전체와 복합체가 결합된 그린바디(green body)를 이용하여 CNC 기계에 의하여 중앙에 홀(13)이 형성된 액츄에이터의 형상을 가진 원반형태로 가공하는 시편제작단계(S5)를 수행한다.

상기 그린바디(green body)를 이용하여 CNC 기계에 의해 원하는 모양으로 시편을 제작하게 되는데, 본 발명에서는 압전체-복합체 그린바디를 판 모양으로 동시 사출 성형하여 유니모르프(uni-morph) 형태의 시편을 제작하였으며, CNC 기계를 이용하여 해당 시편을 중앙에 홀(13)이 형성된 원반형태의 시편으로 가공하였다. CNC 기계란 작업 공간에 가공하고자 하는 시편을 두고 캐드(CAD) 프로그램을 이용하여 원하는 모양을 디자인하여 입력하면, 컴퓨터에 의해 드릴의 위치가 제어되면서 시편을 원하는 모양으로 가공하는 장비를 말한다.

여기서는 상기 그린바디 성형단계(S4)에서와 마찬가지로 폴리머가 혼합된 그린바디를 사용하므로 컴퓨터로 제어된 CNC 공작기계를 이용하여 손쉽게 드릴링할 수 있다.

이와 같이 동시 사출법과 CNC 공작법을 이용하면, 일정한 모양의 시편을 연속적으로 얻을 수 있어 생산성 향상을 가져 올 수 있으며, 압전 초음파 선형모터의 모양과 크기를 용이하게 변경할 수 있다는 장점이 있다.

다음으로, 상기 시편에 포함된 폴리머를 제거하기 위하여 일정온도로 가열된 로(爐) 안에서 열처리하는 폴리머 제거단계(S6)를 수행한다.

상기 압전체와 복합체에 혼재되어 있는 폴리머는 위에서와 같이 동시 사출성 형이나 가공과정을 용이하게 할 수 있도록 함과 동시에, 500℃ 정도까지 열처리를 하게 되면 폴리머 성분만 연소되고 순수한 세라믹인 압전체와 복합체를 형성시킬 수 있다.

마지막으로, 상기 시편을 로(爐) 안에서 고온으로 가열하는 열처리 단계(S7)를 수행하여 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 액츄에이터를 완성한다.

상기 시편은 내부에 포함된 산화납(PbO)의 휘발을 최소화하기 위해 로(爐) 안에서 동일한 조성을 가진 PZN-PZT 파우더를 덮은 상태에서 고온으로 가열하는데, 알루미나 도가니 내의 온도를 930℃까지 가열함으로써 단단한 압전 액츄에이터를 제조하게 된다.

은이 혼합된 복합체와 압전체 경계에서는 두 층이 서로 잘 접합되어 있어서 두 층 간의 계면문제가 발생하지 않으므로 우수한 특성을 가지는 압전 초음파 선형모터를 제조할 수 있는 장점을 가진다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 초음파 선형모터에 전압을 인가할 때 주파수에 따른 변위를 측정한 그래프로서, 도 6a는 톱니파를 인가한 경우이고, 도 6b는 역톱니파를 인가한 경우이다.

즉, 도 6은 제작된 압전 초음파 선형모터에 톱니파와 역 톱니파가 인가되었을 때 내경이 휘어지는 정도의 변화를 주파수에 따라 측정한 그래프이다. 톱니파가 인가된 도 6a와 역톱니파가 인가된 도 6b는 모두 비슷한 형태의 길이 변화를 보이며, 동일한 공진 주파수를 갖는 것을 확인할 수 있다.

일반적으로 압전체는 공진주파수라 칭해지는 영역에서 전압이 인가되었을 때 길이 변화가 급속히 증가하게 되므로 이러한 길이 변화의 측정을 통해 공진주파수를 알아낼 수 있게 되며, 이와 같은 공진주파수에서 압전 초음파 선형모터를 사용할 때 그 성능이 보다 효율적으로 활용될 수 있다고 알려지고 있다. 본 발명에서 사용된 시편의 경우 압전 모터의 공진 주파수는 약 36.5 kHz 로 측정된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 초음파 선형모터에 전압을 인가할 때 전압에 따른 이동체의 변위를 나타낸 그래프이다.

도 4에 의하여 설명한 바와 같은 원리에 의하여 공진주파수에서 압전 초음파 선형모터에 이동체를 끼워 전기장을 인가하는 경우 이동체의 움직임을 관찰할 수 있으며, 도 7은 인가전압을 변화시켜 가면서 압전 초음파 선형모터의 움직임을 측정한 그래프이다. 톱니파와 역 톱니파를 인가하는 경우 모두 유사한 경향의 측정값을 지니지만, 이동체의 이동 방향은 반대인 특징을 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 액츄에이터의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 초음파 선형모터의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 제조방법으로 제조된 압전 초음파 선형모터의 사진이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 압전 초음파 선형모터에 전압이 인가될 때 이동체의 단계별 움직임을 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 8은 종래의 압전 초음파 선형모터에 대한 사시도 및 분해사시도이다.

도 9는 종래의 압전 초음파 선형모터의 작동방식을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10:액츄에이터 11:압전층

12:복합층 13:홀

14:외주면 15:내주면

20:지지체 30:이동체

40:지지대

Claims

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납(Pb), 아연(Zn) 및 니오브(Nb)로 조성된 PZN과 납(Pb), 지르코늄(Zr) 및 티타늄(Ti)으로 조성된 PZT를 소정의 비율로 혼합하여 제조되는 압전층(11)과, 납(Pb), 아연(Zn) 및 니오브(Nb)로 조성된 PZN과 납(Pb), 지르코늄(Zr) 및 티타늄(Ti)으로 조성된 PZT를 소정의 비율로 혼합한 후 은(Ag) 분말을 소정의 비율로 혼합하여 제조되는 복합층(12)이 소결에 의해 일체로 형성되고, 중앙에 홀(13)이 천공되며 두께방향으로 분극되어 전압인가시 전후면으로 움직이는 유니몰프(uni-morph) 타입인 원반형태의 액츄에이터(10);

전압인가시 상기 액츄에이터(10)의 외주면(14) 쪽 움직임을 차단하여 내주면(15)의 움직임을 유도하도록 액츄에이터(10)의 외주면(14)을 고정시키는 지지체(20); 및

상기 액츄에이터(10)의 내주면(15)과 밀착되도록 홀(13)에 수직으로 삽입되어 내주면(15)의 진동에 따라 마찰력에 의해 전후로 이동하는 봉형상의 이동체(30); 를 포함하는 압전 초음파 선형모터.
제6항에 있어서, 상기 액츄에이터(10)는 이동체(30)의 움직임에 중력의 영향을 배제하기 위하여 수직으로 설치되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 선형모터.
제6항에 있어서, 상기 이동체(30)는 내주면(15)과의 마찰을 최소화하기 위한 소재로 파이렉스(Pyrex)로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 선형모터.
제6항에 있어서, 상기 이동체(30)의 일측에는 액츄에이터(10)와의 마찰에 의한 움직임을 축방향으로 제한하기 위하여 지지대(40)가 설치되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 선형모터.
제9항에 있어서, 상기 지지대(40)는 마찰계수가 작은 테프론(Teflon)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 초음파 선형모터.
제6항에 있어서, 상기 압전 초음파 선형모터에 인가되는 전압은 톱니파와 역톱니파인 것을 특징으로 하는 압전 초음파 선형모터.
(a)납(Pb), 아연(Zn) 및 니오브(Nb)로 조성된 PZN과 납(Pb), 지르코늄(Zr) 및 티타늄(Ti)으로 조성된 PZT를 소정의 비율로 혼합하여 소결이 가능한 분말화된 PZN-PZT 파우더를 제조하는 단계(S1);

(b)상기 PZN-PZT 파우더에 폴리머를 첨가하여 압전체를 제조하는 단계(S2);

(c)상기 (a)단계에서 제조된 PZN-PZT 파우더에 은(Ag) 분말을 소정의 비율로 혼합한 후 폴리머를 첨가하여 복합체를 제조하는 단계(S3);

(d)상기 압전체와 복합체의 점도를 높이기 위하여 100℃ 내지 150℃로 가열하여 각각 판 또는 막대를 형성하도록 사출한 후, 이들을 서로 접촉시켜서 동시에 사출하여 두 층이 결합된 판형상으로 이루어진 압전 액츄에이터의 초기 형상인 그린바디(green body)를 성형하는 단계(S4);

(e)상기 압전체와 복합체가 결합된 그린 바디를 CNC 기계에 의하여 중앙에 홀(13)이 형성된 원반형태의 시편을 제작하는 단계(S5);

(f)상기 시편에 포함된 폴리머를 제거하기 위하여 일정온도로 가열된 로(爐) 안에서 열처리 과정을 거치는 단계(S6); 및

(g)상기 시편에 포함된 산화납(PbO)의 휘발을 최소화하기 위하여 로(爐) 안에서 동일한 조성을 가진 PZN-PZT 파우더를 덮은 상태에서 가열하는 단계(S7); 를 포함하는 압전 액츄에이터의 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 (a)단계에서 PZN-PZT 파우더는 PZN과 PZT의 분말을 부피비 1:9 내지 5:5의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터의 제조방법.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 (a)단계에서 PZN-PZT 파우더는 PZN과 PZT를 에탄올과 함께 혼합시킨 후 건조시키는 단계와, 상기 혼합물을 800 내지 850℃에서 4 내지 12시간 동안 하소(calcination)시키는 단계와, 상기 하소된 혼합물을 24 내지 48시간 동안 볼밀하여 미세분말입자로 분쇄시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터의 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 (b)단계와 (c)단계에서의 폴리머는 EEA(Ethylene Ethyl Acrylate)와 IBMA(Isobutyl Methacrylate)의 혼합물인 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터의 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 (b)단계에서 PZN-PZT 파우더와 폴리머의 혼합물에서 PZN-PZT 파우더는 부피비 60% 이상인 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터의 제조 방법.
제12항에 있어서, 상기 (b)단계에서 PZN-PZT 파우더에는 압전체의 공진주파수에 따른 변위를 증대시키기 위하여 망간(Mn)을 소량 도핑하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터의 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 (c)단계에서 복합체는 PZN-PZT 파우더와 은(Ag) 분말을 중량비 6:4 내지 4:6의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터의 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 (c)단계에서 PZN-PZT와 은(Ag)을 혼합한 파우더와 폴리머의 혼합물에서 PZN-PZT와 은(Ag)을 혼합한 파우더는 부피비 60% 이상인 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터의 제조방법.
삭제
제12항에 있어서, 상기 (f)단계에서 로(爐)의 내부온도는 500 내지 600℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터의 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 (g)단계에서의 연소 및 소결온도는 900 내지 930℃인 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터의 제조방법.