PZT 압전재료PZT 압전재료

압전현상 (Piezoelectricity) (I)

압전현상 (Piezoelectricity)이란 : 결정의 비대칭성에 의해 생긴 Permanent Dipole을 매개로 한

Direct piezoelectric effect

결정의 비대칭성에 의해 생긴 Permanent Dipole을 매개로 한

에너지의 변환

기계적에너지 전기적에너지

Direct piezoelectric effect

Inverse piezoelectric effect

2)za

tion

(μC

/cm

Pola

riz

<기계적 응력에 의해 분극 발생> <인가되는 전계에 의해 변형 발생>

압전현상 (Piezoelectricity) (II)

전기적특성에따른물질의분류

절연체 압전체 초전체 강유전체절연체 압전체 초전체 강유전체

상유전체

절연체 : 전계인가시에도 분극발생 X

상유전체 : 전계인가시에만 분극이 재배열

압전체 : 전계인가에기인하지않는분극존재E fi ld초전체 : 온도변화에의한전하중심간거리변화

→분극의크기변화→전류발생

E-field

강유전체 : 전계에 의한 반전이 가능한 분극존재

압전현상과전왜현상

압전 (Piezoelectricity) : 결정내 (+)전하와 (-) 중심간 거리 변화에 의해 변형유발

E-field

전왜 (Electrostriction): Dipole들간의 interaction에 기인하는 변형발생

P

+ + + +

전왜 (Electrostriction): Dipole들간의 interaction에 기인하는 변형발생

_ _+_ +_

_+_

_+_

attraction

repulsion

압전재료의특성

전기기계결합계수 (Electromechanical coupling coefficient, k)전기에너지 ⇔ 기계적 에너지간의 변환효율을 나타내는 계수

EnergyElectricaltoConvertedEnergyMechanical2

EnergyMechanicalInput

EnergyElectricaltoConvertedEnergyMechanicalk =2

EnergyElectricalInput

EnergyMechanicaltoConvertedEnergyElectrical=

진동모드에 따라 k31, k33, k15, kt, kp의 다섯가지가 존재

일반적으로 물성을 비교할 때에는 kp를 사용p

kt - Thickness coupling factor kp - Planar coupling factor (BaTiO3 : 35%, PZT : 50%)

압전재료의특성

기계적 품질계수 (Mechanical Quality Factor)y )

전기적 에너지와 기계적 에너지 간의 교환시 축적되는 에너지의 비율

Permanent dipole들의 이동시 발생하는 인가전압과의 위상차이에 기인p손실은 대부분 열에너지의 형태로 발산

압전체가 공진주파수에서 일으키는 공진의 Sharpness를 결정

기계적 품질계수 값이 낮으면 일반적으로 열화(Degradation)가 빨리 발생

전기적 품질계수와는 다른 값

t dA

PZT : 102-103, Quartz single Crystal : 104-106

cycleperdissipatedEnergystoredenergyAverageQfactorQuality =)(

강유전체 (Ferroelectrics)

강유전성 (Ferroelectricity)Polarization

강유전성 (Ferroelectricity)자발전기분극이 존재하여, 외부전기장

의 극성에 따라 자발전기분극이 반전Electric Field

하는 성질

자발분극의 방향이 입자(grain)마다

ElectricField

다른 세라믹스를 poling과정을 거쳐

압전체로 사용할 수 있는 요인

Energy

상유전 – 강유전 상전이시 발생하는

에너지증가를 억제하기 위해 분역

구조를 가진다는 특징A O

Z

구조를 가진다는 특징

상전이 온도 이상에서는 Curie 법칙에

따라 유전율이 변화

A OB

ABO3 type Z 따라 유전율이 변화ABO3 type Ferroelctrics

강유전체의 Poling

Poling : 자발분극들의정렬과정→강유전체에거시적인압전성을부여하는공정

E-field E-field

Experimental process전극부착 ( 600oC 안팎에서소부) 후 100oC ~ 150oC에서 1kV/mm ~5kV/mm의

전계를 시편의 양단에 인가

Sili OilSilicon OilBath

압전현상의응용 (I) : 전기 ⇒ 기계 에너지 변환

압전부저전기를 가하면 기계적 진동이 일어남전기를 가하면 기계적 진동이 일어남

기존 스피커에 비해 소형, 경량화

응용처 : 무선전화기, APM(Acoustic Piston Mode) 스피커

초음파 세척기

압전체가 초음파를 발사하여 초음파 진동을 발생시키므로서

초음파 가습기

세척물 표면에 달라붙어 있는 오염물을 제거

압전체로 이루어진 초음파 진동자를 이용하여 물을 무화시킴

압전현상의응용 (II) : 전기 ⇒ 기계 에너지 변환

초음파모터 (Ultrasonic Motor)정밀공학의 발달에 따라 micron order의 변위량을 제어하는

기술이 필요 :

기존의 모터는 관성의 영향으로 정밀제어에 문제점

공진주파수의 전압이 압전체에 입력 → 압전체의 표면이 μm

크기의 타원운동 → 이동자가 미끄러지면서 이동

초음파 모터라고 불리우는 이유 :초음파 모터라고 불리우는 이유 :

압전체의 진동주파수가 초음파 영역이기 때문이며

실제 이동자의 이동속도는 수cm-수십cm/sec 안팎임

기존의 모터구동방식에 비해 미세구동이 가능하며 홀딩

torque 가 커서 순간적으로 정지하며 (반응시간<10ms)

전체 크기가 소형화된다는 장점

마찰력에 의하여 움직이므로 인가전압을 증가시키더라도

일정 속도 이상으로의 고속 이동이 불가능하다는 단점

카메라 셔터 자동초점조절 잉크젯 프린터 헤드등에 응용카메라 셔터, 자동초점조절, 잉크젯 프린터 헤드등에 응용

압전재료의 응용 (III) : 기계 ⇒ 전기에너지 변환

압전착화소자동작원리 : 기계적 응력을 가해 탄성변화 유도

→ 고전압 발생 → 방전 → 연료를 착화

응용처 : 라이터, 각종 가스 기기 등에 이용되는

점화 자로 핵심재료

압전센서

음향, 진동 , 응력 등의 기계적 에너지를

전기적 신호로 추출

가속도센서 노킹센서 자이로스코프 등의 핵심재료가속도센서, 노킹센서, 자이로스코프 등의 핵심재료

응용처 : 차량용 항법장치, 진동 및 운동방향 감지, 자동차/냉장고/스키플레이트 등의 압력조절장치

응용예 : 압전 센서는 스키판이 진동하는 것을 감지하고

이와 반대되는 진동을 압전 진동자를 통해 인위적으로

발생시켜 스키판의 진동을 완화시킴발생시켜 키판의 진동을 완화시킴

압전재료의 응용 (IV) : 전기 ⇔ 기계 에너지의 상호변환

SONAR(Sound Navigation and Ranging)수중에서는 전자기파가 전달되지 못하기 때문에 신호를

전달하기 위해 초음파와 같은 음파(Acoustic wave)를 사용

초음파는 수중에서 감쇄효과가 적다는 특성을 이용초음파는 수중에서 감쇄효과가 적다는 특성을 이용

초음파가 반사되어 돌아오는 시간으로부터 물체를

감지하고 물체의 형상 및 물체와의 거리를 추정

이때 응용되는 압전세라믹스의 특징은 압력센서에서 설명

한 바와 같이 기계적인 힘이나 충격을 전기로 바꾸어줄 뿐

아니라, 기계적 진동에 의해 초음파를 직접 발생시키는 특성아니라, 기계적 진동에 의해 초음파를 직접 발생시키는 특성

잠수함의 SONAR, 어군탐지기 뿐 아니라 자동차 후방 충돌

감시시스템, 로봇 등에 응용

초음파의 전파에 의한 신호전달

( c : 매질내에서의 음파의 진행속도, T : 전파속도, d : 전파거리)fBc ⋅== λ ( c : 매질내에서의 음파의 진행속도, T : 전파속도, d : 전파거리)fρ

압전재료의 응용 (V) : 전기 ⇔ 기계 에너지의 상호변환

초음파 진단장치초음파 진단장치진단원리 : 펄스에코를 이용하며 어군탐지기나 레이더와

동일한 원리

- 초음파를 발생시켜 원하는 방향으로 진행시킨 후- 초음파를 발생시켜 원하는 방향으로 진행시킨 후

대상 물체에서 반사되어 나오는 파의 시간과 위치에

따른 강도변화로부터 화면형성

신호처리순서 : 초음파 펄스 송신 → 인체내부의 각 부위신호처리순서 : 초음파 펄스 송신 → 인체내부의 각 부위

에서 에너지를 반사, 산란, 흡수하면서 전파 → 반사 및

산란 성분을 어레이 형상으로 배열된 진동자로 수신 →

수신강도에 따른 휘도변조 → 초음파 단층화상 형성수신강도에 따른 휘도변조 → 초음파 단층화상 형성

미세한 신호를 수신하여야 하므로 탐침(Probe)에 고성능

압전재료를 이용

Saw Kerfs

Matching

초음파의 발생방식과 신호처리방식에 따라 sector scanning

transducer, linear array transducer, converse transducer,

MatchingLayer

Ceramic

Backing

phased array transducer, annular array transducer로 나뉨. Pedestal

압전재료의 응용 (VI) : 전기 ⇔ 기계 에너지의 상호변환

압전트랜스포머

원리 : 압전재료에 1차 및 2차 전극을 설치후 1차측 전극에서

공진주파수의 전압을 인가 ⇒ 1차측 전극에 기계적 진동

발생 ⇒ 2차측 전극에 기계적 진동이 유도 ⇒압전효과에 의해 기전력을 발생 ⇒ 반대편 전극을 진동시켜

전기신호 발생

gdV 14

(d31, g33 : 압전정수, a : 트랜스포머의 길이, s : compliance

Qas

gdVVN ⋅⋅

⋅⋅==

14'

31312π

Q : quality factor)

R t 과 적층형의 두가지가 있으며 전극형상 재료의 종류에Rosen type과 적층형의 두가지가 있으며 전극형상, 재료의 종류에

따라 전압의 변압비가 결정

노트북용 백라이트와 같이 소형, 경량의 트랜스포머를 요구하는

곳에 응용곳에 응용

압전재료의 응용 (VII) : 전기 ⇔ 기계 에너지의 상호변환

압전필터압전필터응용원리 : 세라믹의 물리적 공진 주파수와

인가전압의 주파수가 일치하면 공진에 의해

큰 기계적 진동발생큰 기계적 진동발생 →

전기 신호로 변환하여 외부로 출력 →

특정주파수의 전기신호통과

LC 공진회로에 비해 탄성진동을 이용한 압전LC 공진회로에 비해 탄성진동을 이용한 압전

세라믹필터는 품질 계수 및 온도계수가 우수

하다는 장점을 가짐.필터의 분류

1) 기능에 따른 분류

: 필터, disciminator, trap2) 주파수에 따른 분류

: AM용, FM용 필터

응용분야 : 무선전화기, PCS, TV, ASDL

압전재료의 응용 (VIII) : 전기 ⇔ 기계 에너지의 상호변환

SAW 필터SAW란 Surface Accoustic Wave의 약자로서 SAW 필터는

표면탄성파를 이용하여 인접채널신호를 제거하고 수신채널

신호를 정형하는 일종의 대역통과필터 (Band Pass Filter)- 소형, 경량화가 가능

- 박막공정을 이용한 대량생산이 가능

- 조정공정이 필요없고 신뢰성이 높으며 충격에 강함.- 삽입손실이 크고 초고주파에서의 적용이 난이하다는 단점

- 박막을 이용하므로 고전력 응용이 어려움.구동원리 : 압전체에 표면에 적절한 형태의 전극을 설치한 후

전기적 신호 → 기계적 신호 → 전기적 신호로의 전환과정을

거쳐 외부에서 인가된 전기신호를 filtering하여 다시 전기적

신호로 전달하게 됨.기본구조 : 수정, LiNbO3, LiTaO3 등의 단결정 기판상에 얇은

빗살무늬의 금속전극으로 구성된 두 개의 송수신용변환기

(Inter Digital Transducer : IDT)로 구성( g ) 구성