KR20080000010A - 다층 구조를 가지는 2-2 압전 복합 초음파 발진자 및제조방법 - Google Patents

다층 구조를 가지는 2-2 압전 복합 초음파 발진자 및제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하여 복수의 압전층과 내부전극을 가지는 다층 압전 세라믹판과 폴리머 수지 매트릭스로 구성되는 다층 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체가 개시된다. 본 발명에 따른 압전 세라믹-폴리머 복합체는 특히 저온 동시소결 및 동시압출법에 의하여 제조될 수 있다. 본 발명은 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체의 압전 세라믹판을 복수의 압전층과 내부전극을 가지는 다층 형태로 구성하는 것이다. 그럼으로써 종래의 단층 압전 세라믹판을 사용하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체의 종방향 변위 크기가 압전 세라믹의 종방향 변위 이하로 제한되는 한계를 극복하여 더욱 큰 변위를 발생시킬 수 있는 압전 세라믹-폴리머 복합체를 제공한다. 따라서 본 발명은 낮은 전압에서 큰 변위 발생이 가능할 뿐만 아니라 광범위한 주파수를 사용할 수 있는 초음파 발진자에 적용할 수 있다.
압전 세라믹판, 압전 복합체, 압전체, 2-2 구조, 초음파 발진자, 내부전극, 세라믹 폴리머 복합체, 동시압출

Description

다층 구조를 가지는 2-2 압전 복합 초음파 발진자 및 제조방법{Multilayer Type 2-2 Piezo-Composite Ultrasonic Transducer and Method for the same}
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 다층구조를 가지는 2-2 압전 세라믹-폴리머 복합체를 나타낸 것으로서, (a)는 다층으로 이루어진 2-2 구조를 가지는 압전 세라믹-폴리머 복합체의 구조를 나타낸 것이고, (b)는 (a)의 구조에 전극이 배치되어 폴링된 후 전압인가에 의한 변위 변화의 발생 방향을 보여주는 모식도이며, (c)는 (a)의 복합체에 포함되는 각 압전 세라믹판에 대한 외부전극의 다른 배치 모형들이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따라 제조된 다층 구조로 이루어진 2-2 압전 세라믹-폴리머 복합체의 시편 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다층 구조로 이루어진 2-2 압전 세라믹-폴리머 복합체의 소결후 SEM 사진으로서, (a)는 900℃에서 4시간 소결한 다층 구조의 압전 세라믹판(slab)을 위에서 관찰한 SEM 사진이고, (b)는 다층 구조의 압전 세라믹판의 파괴 단면을 측면에서 관찰한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다층 구조로 이루어진 2-2 압전 세라믹-폴리머 복합체의 전압에 따른 변위 그래프로서(여기에서 31, 32, 33 방향은 도 1B에 정의되어 있다), (a)는 본 발명의 복합체의 변위 그래프이고, (b)는 비교를 위하여, 일반적인 2-2 구조를 가지는 압전 세라믹-폴리머 복합체의 변위 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 다층 구조로 이루어진 2-2 압전 세라믹-폴리머 복합체의 주파수에 따른 d33 방향의 변위 그래프이다.
본 발명은 다층으로 이루어진 2-2 구조를 가지는 압전 세라믹-폴리머 복합체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 압전 세라믹판을 내부전극을 가지는 다층 구조로 형성함으로써 단층의 종방향 진동모드(d33)의 크기에 제한되지 않고 종방향 진동모드의 크기를 향상할 수 있는 다층으로 이루어진 2-2 구조를 가지는 압전 세라믹-폴리머 복합체에 관한 것이다.
현재의 초음파 송수신자는 세라믹과 폴리머의 복합체를 사용한다. PZT를 이용한 압전체의 경우 우수한 각각의 진동모드 (d33 ~ 510 pC/N, d31 ~ -230 pC/N)에서 우수한 압전 특성을 보이지만 정수압 압전 특성(dh)는 작은 단점이 있다. 일반적으로 PZT의 정수압 압전 특성 (dh = d33 + 2 d31)은 거의 50 pC/N 밖에 안되기 때문에 두께 방향의 진동 모드인 d33는 일정하게 유지하면서 횡방향 진동 모드인 d31을 줄여 커다란 dh를 가지는 초음파 발진자를 사용하고 있다. 또한 순수한 PZT 세라믹은 자체 밀도가 매우 높아서 수중 임피던스가 물과 매우 다르기 때문에 송수신에 문제가 생긴다. 즉, 물처럼 밀도가 낮은 매질에서 세라믹처럼 밀도가 높은 매질로 음파가 도달하면 밀한 매질에서는 파를 흡수하지 못하고 반사하는 양상을 보이게 되어 수신율이 떨어지게 된다. 결국 압전체의 밀도를 줄여서 음파의 흡수를 돕고 방향성을 가지고 음파를 송수신하기 위해 나온 것이 세라믹-폴리머 압전 복합체이다. 이러한 복합체는 그 형태에 따라 1-3, 2-2, 0-3, 3-3 등 10가지 형태가 존재하며 앞의 숫자가 세라믹의 형태이며 뒤의 숫자가 에폭시의 형태이다. 예를 들어 1-3의 경우 1인 선형 압전 파이버를 3인 폴리머 매트릭스에 심은 형태이며, 2-2의 경우 판형 압전 판을 폴리머 판형에 넣은 경우이다. 이러한 세라믹-폴리머 복합체의 경우 가장 대표적인 것이 1-3 또는 2-2 모드를 이용한 압전 세라믹-폴리머 복합체이다. 2-2 구조의 경우 압전체 판을 한방향으로 세워서 배열하므로 d33은 일정하게 유지되는 반면에 각각의 판들이 떨어져 있어 d31 모드는 억제되고 결국 dh가 크게 된다. 또한 폴리머의 밀도가 낮기 때문에 전체 임피던스를 급격히 낮추어 물과 압전체 사이의 임피던스 매칭을 이루어 송수신의 효율을 극대화 시켰다.
하지만 내부 전극이 들어가지 않은 기존의 단순 압전 폴리머 복합체의 경우 압전체의 변위가 종방향 압전 상수 (d33) 값 이하로 제한되기 때문에 커다란 변위를 얻기 어려우며 압전체의 구동 전압 (>1000 V)이 높은 단점이 있다. 또한 커다란 변위를 얻기 위해 공진 주파수에서 증폭하여 사용하기 때문에 작동 주파수가 공진 주파수로 제한되어 다양한 주파수를 가진 초음파를 발생할 수 없다.
이에, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 압전체의 변위가 단일의 압전세라믹 판의 종방향 압전상수(d33)에 의하여 제한되는 문제점을 극복하기 위하여, 압전세라믹판을 내부전극이 포함된 다층구조로 형성함으로써 높은 종방향 압전상수를 얻을 수 있어 압전특성이 우수한, 다층 구조를 가지는 2-2 압전 세라믹-폴리머 복합체를 제공하는 것이다. 이러한 압전 복합체는 낮은 전압에서 매우 큰 변위를 발생시킬 뿐만 아니라 낮은 주파수에서 초음파 발진이 가능하여 광범위한 영역에 걸친 초음파 발진이 가능하여 초음파 발진자에 유용하게 사용될 수 있다.
또한 본 발명의 목적은 상기의 다층 구조를 가지는 2-2 압번 세라믹-폴리머 복합체를 동시압출법에 의하여 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적들 및 이점들은 아래에서 서술된 발명의 상세한 설명에 의하여 보다 분명하게 이해될 것이다.
본 발명은 복수의 압전 세라믹판들과 복수의 고분자 수지판들이 교대로 결합된 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체를 제공한다. 본 발명의 특징은 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체에 있어서 사용되는 압전 세라믹판들이 복수의 압전층과 내부전극층이 다층구조로 형성된다는 것이다. 즉, 각각의 상기 압전 세라믹판은 압전물질을 포함하는 복수의 압전층들 및 그들 사이에 개재된 압전층들의 수보다 하나가 적은 내부전극층(들)로 구성된다. 또한 본 발명의 복합체는 상기 압전 세라믹판들의 측면(즉, 상기 압전 세라믹-폴리머 복합체의 측면)에서 각 압전 세라믹판의 상기 내부전극층들과 접촉되어 상기 내부전극층들을 통하여 또는 상기 압전 세라믹판들의 상면 또는 하면(즉, 상기 압전 세라믹-폴리머 복합체의 상면 또는 하면)에 각 압전 세라믹판의 상부 또는 하부 압전층에 접하여 형성되는 적층 또는 코팅에 의하여 각 압전 세라믹판의 각 압전층에 전압을 형성하는 한 쌍의 외부전극층들을 포함한다. 상기에서, 상기 각 압전 세라믹판에 형성된 상기 내부전극층들은 상기 압전 세라믹판의 왼쪽 측면에서 노출되어 상기 한 외부전극층과는 접촉되지만 상기 압전 세라믹판의 오른쪽 측면에서는 노출되지 않아서 상기 다른 외부전극층과는 접촉되지 않게 형성된 제1 내부전극층과 이와 반대로 상기 압전 세라믹판의 오른쪽 측면에서 노출되어 상기 오른쪽 측면에 형성된 외부전극층과는 접촉되지만 상기 압전 세라믹판의 왼쪽 측면에서는 노출되지 않아서 상기 왼쪽 측면에 형성된 외부전극층과는 접촉되지 않게 형성된 제2 내부전극층이 교대로 형성된 것들이다. 상기 외부전극층들은 상기 각 압전 세라믹판의 한 측면(즉, 상기 압전 세라믹-폴리머 복합체의 측면) 상에서 상기 내부전극층들과 접촉되도록 형성되어 상기 이웃한 내 부전극층들(제1 및 제2 내부전극층들) 간에 전압이 형성되도록 하는 것이고 또한 상기 각 압전 세라믹판의 측면으로부터 연장되어 상면 또는 하면(즉, 상기 압전 세라믹-폴리머 복합체의 상면 또는 하면)에 형성된 그것들의 연장층과 상기 내부전극층 간에 전압이 형성되도록 하는 것이다.
또한 본 발명은 상기와 같은 내부전극을 포함하는 다층구조를 가지는 2-2 압전 세라믹-폴리머 복합체의 제조방법을 제공한다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 다층구조를 가지는 2-2 압전 세라믹-폴리머 복합체를 나타낸 것으로서, (a)는 다층으로 이루어진 2-2 구조를 가지는 압전 세라믹-폴리머 복합체의 구조를 나타낸 것이고, (b)는 (a)의 구조에 전극이 배치되어 폴링된 후 전압인가에 의한 변위 변화의 발생 방향을 보여주는 모식도이며, (c)는 (a)의 복합체에 포함되는 각 압전 세라믹판에 대한 외부전극의 다른 배치 모형들이다.
도 1A에서 보는 바와 같이, 통상적인 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체의 구조는 압전 세라믹으로 이루어진 복수의 압전 세라믹판이 한 방향으로 평행하게 배열되고 그들 사이에 열가소성 수지, 예를 들어, 에폭시 수지가 채워진 매트릭스 구조를 가진다. 본 발명의 특징은 이러한 통상적인 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체의 구조에 있어서 사용되는 압전 세라믹판이 복수의 압전층과 내부전극층이 교대로 적층된 다층 구조를 가진다는 것이다. 각 압전 세라믹판은 압전물질을 포함하는 5개의 압전층들을 포함한다. 이 압전층들 사이에는 압전층들의 개수보다 1이 적은, 즉 4개의 내부전극층들이 개재되어 있다. 이러한 압전 세라믹판은 통상적으로 동시압출법에 의하여 압전층과 내부전극층의 연속적인 적층에 의하여 제조될 수 있다.
도 1B를 참조하여, 압전 세라믹-폴리머 복합체 매트릭스의 내부전극들의 형상 및 외부전극들과의 연결 구조 그리고 변위 발생을 설명한다. 설명에서 언급되는 방향은 도 1B의 배치상태에 따라 정해진 그리고 정의된 방향을 기준으로 한다. 압전 세라믹-폴리머 복합체 매트릭스 상면과 좌 측면에는 일체로 한 외부전극이 형성되고 또한 하면 및 우 측면에도 일체로 다른 외부전극이 형성된다.
본 발명에서 내부전극층들은 두 가지로 구분된다. 즉, 압전 세라믹판의 왼쪽 측면에서 노출되어 한 외부전극층과는 접촉되지만 압전 세라믹판의 오른쪽 측면에서는 노출되지 않아서 다른 외부전극층과는 접촉되지 않게 형성된 제1 내부전극층과 이와는 반대의 형태로 형성된 제2 내부전극층으로 구분된다. 도 1B에서 보는 바와 같이, 2개의 제1 내부전극층들은 압전 세라믹판의 왼쪽 측면에서 노출되어 한 외부전극층과 직접적으로 접촉하지만 압전 세라믹판의 오른쪽 측면에서는 노출되지 않고 일정한 거리만큼 떨어져 압전층들에 매몰되어 있어 다른 외부전극층과는 직접적으로 접촉하지 않을 뿐만 아니라 전기적으로 연결되어 있지도 않는다. 2개의 제2 내부전극층들은 대응되지만 제1 내부전극층들과는 반대의 형태로 제1 내부전극층들이 접촉하지 않는 외부전극층에 접촉한다. 이러한 제1 및 제2 내부전극층들이 압전층들 내에 교대로 배치되어 있다. 그리하여 도면에서 보는 바와 같이, 외부에서 외 부전극층들로 전원이 공급되면 서로 이웃하는 제1 및 제2 내부전극층들 간에는 전압이 발생하여 전기장이 형성된다.
한편, 본 발명의 압전 세라믹판에서 외부전극층들은 압전 세라믹판의 측면에서 내부전극층들과 직접적으로 접촉할 뿐만 아니라 측면으로부터 연장되어 압전 세라믹판의 상면 또는 하면에 형성된 그것들의 연장층들을 가진다. 이러한 연장층들은 내부전극층들과의 사이에 전압을 형성하도록 배치된다. 도 1B에서는 2개의 제1 내부전극층들 및 2개의 제2 내부전극층들이 형성되어 있고 외부전극층들의 연장층들이 이러한 내부전극층들과 전압을 형성하기 위하여 왼쪽 측면에 형성된 외부전극층은 상면으로 연장되어 상면에 연장층을 가지고, 오른쪽 측면에 형성된 외부전극층은 하면으로 연장되어 하면에 연장층을 가진다. 이와 반대로 연장층이 형성되는 경우에는 내부전극층들과의 사이에서 전압이 형성될 수 없음은 자명하다.
도 1B에서 보는 바와 같이, 외부전극들을 형성한 후 높은 전압을 걸어 폴링을 하면 압전층들에 압전 세라믹판의 다층 적층 방향으로 분극이 발생하고, 그런 후 적당한 주파수의 교류전압을 전극에 걸어주면 종방향(d33)으로 변위 변화, 즉 수축 및 팽창이 발생한다. 이러한 종방향 변위는 내부전극을 가지지 않는 기존의 단일 압전 세라믹으로 된 압전 세라믹판을 이용하는 압전 세라믹-폴리머 복합체에서는 단일 압전층의 종방향 변위 이하로 제한되는데 반하여, 본 발명의 복합체에서는 내부전극을 가지는 다층 구조로 인하여 단일 압전층의 종방향 변위가 누적적으로 발생할 수 있어 큰 변위를 얻을 수 있게 된다.
한편 도 1C는 위와는 다른 형태의 압전 세라믹판 및 외부전극의 구조 및 그것들의 연결형태를 예시하고 있는데, 도 1C에서 보는 바와 같이, 1개의 제1 내부전극층과 1개의 제2 내부전극층을 가지는 압전 세라믹판(도 1C의 두 번째)에서는 왼쪽 측면에 형성되는 외부전극층은 연장되어 하면에 형성된 연장층을 가지고 있다. 그리고 제1 내부전극층의 개수가 제2 내부전극층의 개수보다 1 만큼 많은 압전 세라믹판(도 1C의 첫 번째 및 세 번째)에서는 왼쪽 측면에 형성되는 외부전극층은 실질적으로 상면 및 하면으로 연장되지 않으며 오른쪽 측면에 형성되는 외부전극층은 상면 및 하면 모두로 연장되는 연장층을 가진다. (제1 내부전극층의 개수가 제 내부전극층의 개수보다 1 만큼 적은 경우에는 위의 것과 대칭인 형상이 되지만 이것은 배치를 달리하면 위의 것과 일치하게 된다. 따라서, 본 발명에서 왼쪽 및 오른쪽 그리고 제1 내부전극층과 제2 내부전극층은 상대적인 개념이다.)
상기한 바와 같은 본 발명의 압전 세라믹판은 압전층뿐만 아니라 내부전극층을 가지고 있으므로 바람직하게는 동시소결에 의하여 제조되며, 더욱 바람직하게는 은(Ag)와 같이 녹는 점이 낮은 전도성 금속을 사용하기 위하여 저온 동시소결에 의하여 제조된다. 또한 본 발명의 압전 세라믹판은 동시압출법에 의하여 제조되는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 본 발명에서 사용되는 압전물질로는 PZN과 PZT가 복합된 PZN-PZT 복합체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 내부전극을 동시 압출에 의하여 동시에 형성하기 위해서는 압전물질의 성분과 동일한 물질과 금속의 혼합물로 내부전극을 형성하는 것이 바람직하며, 여기에서 금속으로서 은(Ag)를 사용함으로써 동시 압출 이후에 저온에서 동시소성이 가능하게 된다.
본 발명의 주발명자의 이전 특허출원 제2003-0089272호(출원일: 2003. 12. 10., 공개번호: 2005-0056331, 공개일: 2005. 6. 16.)는 1000℃ 이하, 바람직하게는 900℃ 이하에서 은(Ag)과 함께 저온 동시소성이 가능한 특별한 조성의 PZN-PZT 복합체를 개시하고 있다. 이러한 PZN-PZT 복합체의 특별한 조성은 xPZN-(1-x)PZT 복합체의 조성에 있어서, x가 0.1~0.6의 범위, 바람직하게는 0.3~0.5의 범위이고 PZN-PZT 복합체의 Pb(Zry,Ti1 -y)O3 조성에 있어서, y는 0.35~0.55의 범위이거나, PZN-PZT 복합체의 xPb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-(1-x)Pb(Zry,Ti1 -y)O3 조성에 있어서, x 및 y는 생성되는 PZN-PZT 복합체의 상공존 경계(Morphotropic Phase Boundary; MPB) 영역의 조성이 되도록 선택되는 것이다. 이러한 PZN-PZT의 특별한 조성은 본 발명의 방법에서 은(Ag)과 동시 소성을 수행하기 위하여 바람직하게 요구되는 사항이며, 그 이유는 위 특허공개문헌에 잘 설명되어 있다. 따라서 상기 특허문헌은 본 발명의 명세서에 합체된다.
본 발명에서 내부전극으로 사용되는 PZN-PZT 복합체와 은(Ag)의 혼합물 중에서 은의 함량은 30~80 중량%가 바람직하다. 은의 함량이 위 범위이면 순수한 은의 전기 전도성과 큰 차이가 없어 내부전극으로서의 역할을 충분히 할 수 있다. 본 발명에서는 내부전극으로 순수한 금속, 특히 은을 사용하지 않고 상기와 같은 혼합물을 사용하는 바, 이는 압전층과 전도층 간의 큰 열팽창 계수 차이로 인하여 압전층의 표면에 높은 잔류응력이 발생하는 것을 이용하여 우수한 변위특성 및 구동력을 얻기 위함이다. 또한 동시 압출에 의하여 압전층과 내부전극의 층간 접착력을 향상 시켜 우수한 내구성을 얻을 수 있다.
본 발명의 주발명자의 이전 특허출원 제2003-0093527호(출원일: 2003. 12. 19., 공개번호: 2005-0061910, 공개일: 2005. 6. 23.)은 PZN-PZT 복합체로 된 압전층 그리고 PZN-PZT/Ag 혼합물로 된 전도층을 포함하는 액츄에이터를 개시하고 있다. 이러한 액츄에이터는 종래의 단일(monolithic) 구조체로서 동시 압출과 저온 동시소성에 의하여 제조된다. 이 출원은 저온 동시 소성을 위한 압전물질의 특별한 조성, 높은 잔류응력 발생을 위한 전도층의 복합 구성 및 동시 압출에 의한 층간 접착력의 향상을 제안하고 있다. 따라서 상기 특허문헌은 본 발명의 명세서에 합체된다.
본 발명의 압전 세라믹판은 바람직하게 동시압출법에 의하여 제조되는데, 먼저 압전층을 위한 압전물질과 열가소성 수지의 혼합물 그리고 내부전극층을 위한 압전물질/금속 혼합물과 열가소성 수지의 혼합물을 준비하고, 이 혼합물들을 몰드를 사용하여 소정 두께의 판 또는 블록을 제조한다. 이러한 판들을 원하는 구조 및 배열로 배치한 초기의 피드로드(feedrod)를 형성한 후 동시압출함으로써 압전 세라믹판을 형성한다. 그런 후, 압출체를 열처리함으로써 압출체에 포함된 열가소성 수지를 태워 없애고 또한 압전물질을 소결시킨다. 이 때, 열처리 공정은 한 단계로 수행할 수도 있겠지만, 통상 650℃ 정도까지 천천히 가열하는 제1공정과 900℃ 정도 또는 1000℃ 이하의 온도까지 천천히 가열하는 제2공정으로 수행하는 것이 바람직하다. 제1공정에서 열가소성 수지가 제거되고, 제2공정에서 PbO 분위기 하에서 압전물질이 소결된다.
이렇게 소결된 압전 세라믹판을 위에서 설명한 바와 같이 틀에 배치하고 그들 사이를 에폭시 수지로 채워 경화시킴으로써 압전 세라믹-폴리머 복합체 매트릭스를 얻을 수 있다. 이 복합체 매트릭스의 상면과 좌 측면 그리고 하면과 우 측면에 외부전극들을 형성한 후 폴링한 다음에 소정 주파수의 교류전압을 인가함으로써 초음파 발진이 가능하게 된다. 이 때, 외부전극층을 형성하는 방법으로는 적층, 코팅 등의 여러 방법을 사용할 수 있지만 가장 간단하게는 전극물질을 직접 바르는 것이다. 외부전극층의 물질로는 은(Ag)을 사용할 수 있다.
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
시편 제조 방법
압전 세라믹판은 PZN-PZT, PZN-PZT/Ag 복합체(내부전극), 및 Ag(외부전극)을 이용하여 만든다. PZN-PZT는 우수한 압전 특성을 가지고 있으면서 저온 소결 (<900 oC)이 가능한 재료이다. PZN-PZT/Ag 복합체는 전도성을 가지는 전극 층으로 사용한 다. PZN-PZT는 조성을 Pb((Zn1 /3,Nb2 /3)0.2(Zr0 .5,Ti0 .5)0.8)O3로 하고, PZN-PZT/Ag 복합체의 Ag의 양은 50 wt%로 하였다.
PZN-PZT 복합체는 고순도의 PbO, ZrO2, TiO2, Nb2O5, ZnO를 시작 원료로 하여 볼밀을 이용하여 고상법으로 제조하였다. 초기에 믹싱을 위해서 12시간 동안 혼합하였고 건조한 파우더를 850℃에서 4시간 동안 하소하였다. 하소된 파우더를 분쇄하기 위해서 다시 24시간 동안 볼밀하였다. 압전 세라믹판의 압전층의 제조에는 순수한 PZN-PZT 파우더를 사용하였고 내부전극층의 제조에는 50%PZN-PZT/50%Ag 파우더를 사용하였으며, 두 파우더를 이용하여 각각 폴리머와 복합체를 만들었다. 이 때 사용된 폴리머는 Ethylene ethyl acrylate (EEA 6182; Union Carbide, Danbury, CT) 와 Acryloid B67 (Rohm and Haas, Philadelphia, PA)을 이용하였다. internal Mixer를 이용하여 110℃에서 2시간 동안 혼합하였다. Heavy mineral oil (Aldrich Chemical Co. Inc.), stearic acid (Junsei Chemical, Japan)과 polyethylene glycol (PEG1000, Acros Organics, NJ, USA)이 두 층의 점도를 동일하게 유지하기 위해서 첨가되었다. PZN-PZT와 PZN-PZT/Ag 혼합물을 각각 24mm*24mm 사각 몰드를 이용하여 130도에서 가열하면서 압력을 가하여 블록을 만들고 이를 4.2 mm 판과 0.6 mm 쉬트로 각각 만든 후 이를 처리하여 도 1A의 배열(5층의 압전층과 4층의 내부전극층)로 결합함으로써 초기의 피드로드(feedrod)를 만들고 이를 105℃에서 다시 대략 2 mm 두께(층들의 전체 높이)의 판으로 동시 압출하였다. 이러한 다층 구조를 가진 그린 시트(green sheet)를 CNC 머시닝(machining) 장비를 이용하여 압전 층의 길이 방향으로 일정한 간격으로 규칙적으로 절단 가공하여, 대략 190㎛ x 2 mm x 16 mm(압전층의 길이)의 압전 세라믹판을 얻었다. 동시압출을 할 때 시트 재료들이 유연성이 없다면, 압전층과 내부전극층의 길이 차이로 인하여, 양끝단들과 중앙부분 간에 단차가 생길 것이지만 실제로는 높은 압력과 가열된 조건에서 동시압출을 수행하기 때문에 양끝단에서 압전층 재료의 유연성이 발생하여 빈공간을 채우는 분배가 이루어짐으로써 실질적인 단차의 발생은 없게 된다. 이러한 다층 구조를 가진 압전 세라믹판에 있는 바인더를 제거하기 위해 600℃까지 온도를 천천히 올리면서 가열하였다. 소결시에는 PbO휘발를 막기 위해서 잘 덮혀진 알루미나 도가니 안에서 PbO분위기에서 소결하였다. 소결된 시편(압전 세라믹판)을 틀에 일정한 배열에 배치하고 그것들 사이에 에폭시 수지를 탈포하면서 채운 후 경화하여 2-2 구조의 다층 압전 세라믹-폴리머 복합체 매트릭스를 얻었다. 그리고 그 매트릭스의 상면과 한 측면에 한 외부전극층을 형성하고, 하면과 다른 측면에 다른 외부전극층을 형성하여 압전층을 폴링하기 위하여 높은 전압을 가하였다. 그런 후 전기적 특성을 측정하기 위해 70도로 가열된 실리콘 오일 안에서 50 V/mm의 전기장을 가하였다. 압전 특성은 piezoelectric d33 meter (model ZJ-3D, Institute of Acoustics, Beijing, China)로 측정하였다. 또한 변위 센서를 이용하여 전압에 따른 변위 특성을 측정하였다.
도 2에서 본 발명에 따라 실제로 제작된 시편을 볼 수 있고, 도 3에서 그 시편의 확대 SEM 사진을 볼 수 있다. 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체 매트릭 스에서 압전 세라믹판의 두께는 약 190㎛이고 채널의 길이는 약 880㎛였다. 그리고 압전 세라믹판에서 각 압전층의 두께는 약 260㎛이고 내부전극층의 두께는 약 40㎛였다.
실험 결과
상기와 같은 방법으로, 다층 구조를 가지는 2-2 압전 세라믹-폴리머 복합체 초음파 발진자를 CNC 머시닝 방법을 이용하여 제작하였다. 본 발명의 실시예에서는 저온 소결 가능하며 우수한 압전 특성을 보이고 있는 0.2(PbZn1 /3Nb2 /3)-0.8(PbZr0.5Ti0.5)를 압전층에 사용하였는데, 이러한 압전체 자체는 d33 ~ 510 pC/N, d31~230 pC/N, KP~0.65, KT~1700의 압전특성을 가지는 것이고, 내부전극으로는 동시 소결이 가능하면서 전도성이 매우 좋은 0.5PZN-PZT/0.5Ag 복합체가 사용되었다. 이렇게 제작된 시편에 50 V/mm, 1 kHz의 전기장을 인가하여 압전특성들을 측정하였으며, 그것을 표 1에 나타내었다.
표 1
Figure 112006044829209-PAT00001
본 발명의 다층으로 이루어진 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체의 경우 기존의 단층 2-2 복합체에 비해 우수한 압전 특성을 보인다. 즉 종방향 압전 상수 (d33) 값은 1200 pC/N으로 기존의 단층 복합체의 종방향 압전 상수인 340 pC/N 보다 훨씬 큰 값을 보이고 있다. 전기장에 따른 변위 그래프가 도 4이다. 도 4A의 경우 다층 구조로 이루어진 2-2 복합체이며, 각각의 33-, 31-, 및 32-에 대한 방향은 도 1B와 같다. 전기장을 가함에 따라 각 방향의 변위는 선형적으로 변하게 되고 50 V/mm, 1kHz의 전기장에 33 방향의 경우 6 x 10-5, 31방향의 경우 1.03 x 10-5, 32 방향의 경우 0.2 x 10- 5 의 변위를 보이고 있다. 전기장에 따른 변위 그래프의 기울기로부터 압전 상수 값을 정의하면 d33와 d31, d32 는 각각 1200 pC/N와 -206 pC/N, -40 pC/N를 보이고 있다. 이러한 d33 값은 d33 meter로 측정한 결과와 거의 일치하는 결과를 보이고 있다. 비교를 목적으로 단층으로 이루어진 2-2 복합체를 제조하여 특성을 측정한 것이 도 4B이다. 계산된 d33와 d31, d32 값은 각각 340 pC/N와 -130 pC/N, -30 pC/N로 측정되었다.
정수압 압전상수 값은 아래 공식으로부터 계산 가능하다.
dh = d33 + (d31 +d32) ------- (1)
gh = dh / ε33 T ------- (2)
FoM = dh x gh ------- (3)
여기서 dh 와 gh는 각각 정수압 압전 전하 상수와 정수압 압전 전압 상수로 두 값을 곱한 값 FoM(figure of merit)이 압전 특성을 결정 짓는 상수가 된다. 다층의 2-2 복합체의 경우 계산된 dh 값은 954 pC/N로 측정된 압전 상수 값인 ε33 T = 5100, ε0를 고려해 보면 전압 상수 (gh)는 21.1 mVm/N이고 FOM은 20130 x 10-15 m2/N로 계산된다. 비교를 위해 일반적인 2-2 복합체를 사용하였다. dh와 gh는 각각 180 pC/N와 48.4 mVm/N이고 FOM은 8710 x 10-15 m2/N로 계산된다. 이렇게 큰 값을 얻게 되는 이유는 d33에서 급격한 증가에 기인한다. 수직 방향의 주파수에 따른 변위를 10V 를 가하면서 측정한 것이 도 5이다. 도 5에 따르면 본 발명에 따른 실시예의 경우, 공진 주파수는 92 kHz에서 관찰 되었고 해당하는 압전 상수는 4300 pC/N이 며, 일반적인 2-2 구조의 복합체의 경우는 123 kHz에서 측정되며 공진에서의 압전 상수는 600 pC/N이다.
이러한 압전 복합체의 경우 압전 상수가 매우 커서 낮은 전압에서 사용이 가능하게 되고 주파수 또한 광범위하게 사용 가능하기 때문에 기존의 초음파 발진자가 가질 수 없었던 뛰어난 선명도를 가지게 되어 매우 유용한 압전 초음파 발진자가 될 것이다.
본 발명은 복수의 압전층과 내부전극을 가지는 다층 압전 세라믹판과 폴리머 수지 매트릭스로 구성되는 다층 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체를 제공한다. 본 발명에 따른 압전 세라믹-폴리머 복합체는 특히 저온 동시소결 및 동시압출법에 의하여 제조될 수 있다. 본 발명은 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체의 압전 세라믹판을 복수의 압전층과 내부전극을 가지는 다층 형태로 구성함으로써 종래의 단층 압전 세라믹판을 사용하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체의 종방향 변위 크기가 압전 세라믹의 종방향 변위 이하로 제한되는 한계를 극복하여 더욱 큰 변위를 발생시킬 수 있으므로, 낮은 전압에서 큰 변위 발생이 가능할 뿐만 아니라 광범위한 주파수를 사용할 수 있는 초음파 발진자에 적용할 수 있다.

Claims (17)

  1. 복수의 압전 세라믹판들과 복수의 고분자 수지판들이 교대로 결합된 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체에 있어서,
    각각의 상기 압전 세라믹판은 압전물질을 포함하는 복수의 압전층들 및 그들 사이에 개재된 압전층들의 수보다 하나가 적은 내부전극층(들)로 구성되고,
    상기 압전 세라믹판들의 측면(즉, 상기 압전 세라믹-폴리머 복합체의 측면)에서 각 압전 세라믹판의 상기 내부전극층들과 접촉되어 상기 내부전극층들을 통하여 또는 상기 압전 세라믹판들의 상면 또는 하면(즉, 상기 압전 세라믹-폴리머 복합체의 상면 또는 하면)에 각 압전 세라믹판의 상부 또는 하부 압전층에 접하여 형성되는 적층 또는 코팅에 의하여 각 압전 세라믹판의 각 압전층에 전압을 형성하는 한 쌍의 외부전극층들을 포함하며,
    상기에서, 상기 각 압전 세라믹판에 형성된 상기 내부전극층들은 상기 압전 세라믹판의 왼쪽 측면에서 노출되어 상기 한 외부전극층과는 접촉되지만 상기 압전 세라믹판의 오른쪽 측면에서는 노출되지 않아서 상기 다른 외부전극층과는 접촉되지 않게 형성된 제1 내부전극층과 이와 반대로 상기 압전 세라믹판의 오른쪽 측면에서 노출되어 상기 오른쪽 측면에 형성된 외부전극층과는 접촉되지만 상기 압전 세라믹판의 왼쪽 측면에서는 노출되지 않아서 상기 왼쪽 측면에 형성된 외부전극층과는 접촉되지 않게 형성된 제2 내부전극층이 교대로 형성된 것들이고,
    상기 외부전극층들은 상기 각 압전 세라믹판의 한 측면(즉, 상기 압전 세라 믹-폴리머 복합체의 측면) 상에서 상기 내부전극층들과 접촉되도록 형성되어 상기 이웃한 내부전극층들(제1 및 제2 내부전극층들) 간에 전압이 형성되도록 하는 것이고 또한 상기 각 압전 세라믹판의 측면으로부터 연장되어 상면 또는 하면(즉, 상기 압전 세라믹-폴리머 복합체의 상면 또는 하면)에 형성된 그것들의 연장층과 상기 내부전극층 간에 전압이 형성되도록 하는 것임을 특징으로 하는
    다층으로 이루어진 2-2 구조를 가지는 압전 세라믹-폴리머 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내부전극층의 개수는 상기 제2 내부전극층의 개수보다 1 만큼 크고, 상기 제1 내부전극층에 접촉되는 상기 외부전극층은 상기 상기 압전 세라믹-폴리머 복합체의 왼쪽 측면 상에 형성되어 있고 상기 제2 내부전극층에 접촉되는 상기 외부전극층(제2 내부전극층이 없는(개수가 0인) 경우에는 상기 제1 내부전극층에 접촉되는 상기 외부전극층에 대향하는 외부전극층)은 상기 압전 세라믹-폴리머 복합체의 오른쪽 측면 상에 형성되어 있을 뿐만 아니라 이로부터 연장하여 상기 압전 세라믹-폴리머 복합체의 상면 및 하면 상에도 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내부전극층 및 제2 내부전극층의 개수는 동일하고, 상기 내부전극층들에 접촉되는 상기 외부전극층들은 상기 압전 세라믹-폴리머 복합체의 한 쪽 면상에 형성되어 있을 뿐만 아니라 이로부터 연장하여 상기 압전 세라믹-폴리머 복합체의 상면 및 하면 중 어느 한 면 상에도 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전층의 압전물질은 PZN과 PZT가 복합된 PZN-PZT 복합체인 것을 특징으로 하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 내부전극층은 PZN-PZT 복합체와 Ag의 혼합물인 PZN-PZT/Ag로 형성되는 것임을 특징으로 하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 PZN-PZT/Ag에서 Ag의 함량은 30~80 중량%인 것을 특징으로 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 PZN-PZT/Ag 내부전극층 및/또는 상기 PZN-PZT 압전층에 사용되는 xPZN-(1-x)PZT 복합체의 조성에 있어서, x는 0.1~0.6의 범위인 것을 특징으로 하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 PZN-PZT/Ag 내부전극층 및/또는 상기 PZN-PZT 압전층에 사용되는 PZN-PZT 복합체의 Pb(Zry,Ti1 -y)O3 조성에 있어서, y는 0.35~0.55의 범위인 것을 특징으로 하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 PZN-PZT/Ag 내부전극층 및/또는 상기 PZN-PZT 압전층에 사용되는 PZN-PZT 복합체의 xPb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-(1-x)Pb(Zry,Ti1 -y)O3 조성에 있어서, x 및 y는 생성되는 PZN-PZT 복합체의 상공존 경계(Morphotropic Phase Boundary; MPB) 영역의 조성이 되도록 선택됨을 특징으로 하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 외부전극층은 Ag 페이스트를 코팅하여 형성되는 것임을 특징으로 하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지 매트릭스는 에폭시 수지로 된 것임을 특징으로 하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 복합체는 초음파 발진자에 적용되는 것임을 특징으로 하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체.
  13. 압전층의 재료 및 내부전극 재료 각각을 고분자 수지와 혼합하는 단계,
    상기 압전층 재료 혼합물 및 상기 내부전극 재료 혼합물을 각각 사각 몰드를 이용하여 압출성형하여 블록을 형성하는 단계,
    상기 압전층 재료 혼합물의 블록과 상기 내부전극 재료 혼합물의 블록을 차례로 척층, 배열하여 초기의 피드로드를 형성한 후 동시압출 성형하여 압전 세라믹판을 형성하는 단계,
    상기 다층 구조의 그린 시트를 CNC 머시닝 장비로 절단, 가공하여 원하는 치수의 압전 세라믹판을 형성하는 단계,
    상기 압전 세라믹판을 열처리하여 혼합된 고분자 수지를 태워 없애고 또한 압전물질을 소결하는 단계,
    상기 압전 세라믹판을 일정 간격을 두고 틀에 평행하게 배치한 후 상기 압전 세라믹판들 사이에 고분자 수지 매트릭스를 채우고 경화시켜 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체를 얻는 단계, 및
    상기 압전 세라믹-폴리머 복합체의 상면과 한 측면 그리고 하면과 다른 측면에 외부전극층들을 형성하는 단계를 포함하는
    다층으로 이루어진 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 압전층의 압전물질은 PZN과 PZT가 복합된 PZN-PZT 복합체인 것을 특징으로 하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 내부전극층은 PZN-PZT 복합체와 Ag의 혼합물인 PZN-PZT/Ag로 형성되는 것임을 특징으로 하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 PZN-PZT/Ag에서 Ag의 함량은 30~80 중량%인 것을 특징으로 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 PZN-PZT/Ag 내부전극층 및/또는 상기 PZN-PZT 압전층에 사용되는 xPZN-(1-x)PZT 복합체의 조성에 있어서, x는 0.1~0.6의 범위인 것을 특징으로 하는 2-2 구조의 압전 세라믹-폴리머 복합체의 제조방법.
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