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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이희철
- 발행연도
- 2022
- 저작권
- 한국산업기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수22
초록· 키워드
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최근 전자 디바이스 등이 소형화, 경량화되고 에너지 절감형으로 바뀌어 낮은 전압에서 구동이 가능한 소자 개발의 중요성이 증대되고 있어 복잡한 전자 부품들을 압전 소자로 대체하는 경우가 많다. 압전 소자를 구성하는 압전세라믹은 응용 분야에 따라 요구되는 소재 특성이 달라 활용 범위에 따라 맞춤형 압전 소재의 개발이 필수적이다.
압전 재료를 액추에이터 소자로 응용하기 위해 PZT를 기반으로 완화형 강유전체를 포함한 특성이 개선된 새로운 조성의 원료를 개발하고 조성비와 도핑물질이 압전 재료의 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 압전해석 시뮬레이션 프로그램(ATILA)을 이용하여 개발한 압전 소재 물성과 소자를 구성하는 재료 및 구조에 따른 시뮬레이션을 진행해 응용제품의 구조를 최적화하였으며, 이를 바탕으로 실제 액추에이터 응용 소자를 제작하고 성능을 평가하였다.
첫 번째 액추에이터 응용소자인 압전스피커의 경우 soft relaxor를 활용한 0.2Pb((Zn0.8Ni0.2)Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 의 조성비에 0.1 wt% Li2CO3를 소결 조제로 첨가하여 875℃의 저온에서 소결하였으며, d33 = 500 pC/N, kp =0.63, g33 = 44 mV/N 으로 우수한 특성의 소재를 개발하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 한층 두께 약 40 ㎛, 12×16 (mm2) 의 적층형 압전 액추에이터 소자를 제작하였으며 압전 소자에서 발생되는 진동을 진폭시키는 진동판으로 PEEK 와 그보다 더 작은 사이즈의 Silicone rubber 필름을 복합 사용시 가장 우수한 응답 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 최적의 설계 구조를 적용해 20×24×1 (mm3) 크기의 실제 압전스피커를 제작하였으며, 5 V 전압 인가 시 가정주파수 범위에서 약 75 dB 의 SPL 과 15% 이하의 THD 특성을 나타내어 기능적으로 우수한 압전스피커를 개발하였다.
두 번째로 초음파진동자의 경우 soft relaxor 와 hard relaxor를 동시 활용한 0.08Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.07Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-0.85Pb(Zr0.5Ti0.5)O3+0.3wt% CuO +0.3wt% Fe2O3 의 조성비에 0.3 wt% Sb2O3를 hardener 로 첨가하여 d33 = 372 pC/N, kt = 0.54, Qm = 1151 로 큰 진동효율과 열적 특성이 안정한 새로운 조성의 압전 소재를 개발하였다. 시뮬레이션 해석을 통해 압전 세라믹의 형상과 치수를 최적화시킴으로써 목표로 한 생체 미용기기용 1 MHz 의 주파수에서 초음파를 발생시켜 최대 진폭을 나타내며 발진하는 초음파진동자 소자를 제작하였다.
본 연구를 통해 기존 제품 대비 우수한 성능의 압전 소재 및 그 소재를 사용한 세라믹 부품의 개발로 향후 소형화, 저전력화한 디바이스에의 응용 가능성을 확인하였다.
압전 재료를 액추에이터 소자로 응용하기 위해 PZT를 기반으로 완화형 강유전체를 포함한 특성이 개선된 새로운 조성의 원료를 개발하고 조성비와 도핑물질이 압전 재료의 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 또한 압전해석 시뮬레이션 프로그램(ATILA)을 이용하여 개발한 압전 소재 물성과 소자를 구성하는 재료 및 구조에 따른 시뮬레이션을 진행해 응용제품의 구조를 최적화하였으며, 이를 바탕으로 실제 액추에이터 응용 소자를 제작하고 성능을 평가하였다.
첫 번째 액추에이터 응용소자인 압전스피커의 경우 soft relaxor를 활용한 0.2Pb((Zn0.8Ni0.2)Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 의 조성비에 0.1 wt% Li2CO3를 소결 조제로 첨가하여 875℃의 저온에서 소결하였으며, d33 = 500 pC/N, kp =0.63, g33 = 44 mV/N 으로 우수한 특성의 소재를 개발하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 한층 두께 약 40 ㎛, 12×16 (mm2) 의 적층형 압전 액추에이터 소자를 제작하였으며 압전 소자에서 발생되는 진동을 진폭시키는 진동판으로 PEEK 와 그보다 더 작은 사이즈의 Silicone rubber 필름을 복합 사용시 가장 우수한 응답 특성을 나타내는 것을 확인하였다. 최적의 설계 구조를 적용해 20×24×1 (mm3) 크기의 실제 압전스피커를 제작하였으며, 5 V 전압 인가 시 가정주파수 범위에서 약 75 dB 의 SPL 과 15% 이하의 THD 특성을 나타내어 기능적으로 우수한 압전스피커를 개발하였다.
두 번째로 초음파진동자의 경우 soft relaxor 와 hard relaxor를 동시 활용한 0.08Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.07Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-0.85Pb(Zr0.5Ti0.5)O3+0.3wt% CuO +0.3wt% Fe2O3 의 조성비에 0.3 wt% Sb2O3를 hardener 로 첨가하여 d33 = 372 pC/N, kt = 0.54, Qm = 1151 로 큰 진동효율과 열적 특성이 안정한 새로운 조성의 압전 소재를 개발하였다. 시뮬레이션 해석을 통해 압전 세라믹의 형상과 치수를 최적화시킴으로써 목표로 한 생체 미용기기용 1 MHz 의 주파수에서 초음파를 발생시켜 최대 진폭을 나타내며 발진하는 초음파진동자 소자를 제작하였다.
본 연구를 통해 기존 제품 대비 우수한 성능의 압전 소재 및 그 소재를 사용한 세라믹 부품의 개발로 향후 소형화, 저전력화한 디바이스에의 응용 가능성을 확인하였다.
목차
- 그림 목차 Ⅲ표 목차 Ⅵ국문요약 Ⅶ제 1장 서론 1제 2장 이론적 배경 32-1. 압전세라믹스 개요 32-1-1. 압전현상 32-1-2. 압전세라믹스 기본이론 62-1-3. 압전세라믹스 치환 및 고용효과 82-2. 압전세라믹스 평가요소 102-2-1. 압전상수 102-2-2. 압전전압계수 102-2-3. 유전상수 102-2-4. 전기기계결합계수 112-2-5. 기계적품질계수 112-2-6. 퀴리온도 122-2-7. P-E 히스테리시스 곡선 122-3. 압전세라믹스 액추에이터 응용 142-3-1. 압전스피커 162-3-2. 초음파진동자 202-4. ATILA FEA(Finite Element Analysis) 소프트웨어 24제 3장 본론 263-1. 압전스피커 263-1-1. 서론 263-1-2. 실험방법 283-1-3. 결과 및 고찰 383-1-4. 요약 613-2. 초음파진동자 623-2-1. 서론 623-2-2. 실험방법 633-2-3. 결과 및 고찰 683-2-4. 요약 85제 4장 결론 86참고문헌 88Abstract 101
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