pzt 압전세라믹스 현장실습 보고서

소개글

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본문내용

의 경험이 뒷받침된 적량첨가로 시편의 실패율이 적게 나왔음을 확인하였다.
아쉬운 점은 PVA양의 변화와 PVA가 아닌 다른 바인더를 첨가하였을 경우에 따른 성형에 미치는 영향을 알아보지 못한 점과 소결시에 다양한 온도와 시간의 변수를 주지 않은 것이 아쉬움으로 남았다.
실습일자 : 2007년06월25일(월요일)
일 일 점 검
지도 담당
담당 부서장
실습단원명
PZT 압전세라믹스 특성평가(Kp, Qm) 및 압전체와 유전체의 성능평가
작업단위
개 요
완성된 PZT 압전세라믹스의 전기기계 결합계수(Kp), 기계적 품질계수(Qm)의 특성평가와 압전세라믹스를 사용한 시제품의 성능평가 및 유전체를 이용한 형광등의 성능평가를 목적으로 한다.
사 용
기자재
리스트
임피던스 측정기 : 전기기계 결합계수(Kp), 기계적 품질계수(Qm)을 측정한다.
실 습
내 용
< 이 론 >
▶ 전기기계결합계수 (Electromechanical coupling coefficient, k)
전기에너지와 기계적 에너지간의 변환효율을 나타내는 계수로 압전 특성 평가의 기준이 되며 재료의 압전적인 활성을 나타낸다.
진동모드에 따라 k31, k33, k15, kt, kp의 다섯가지가 존재하며 일반적으로 물성을 비교할 때에는 kp를 사용한다.
※표현방법※
(K는 ‘%’ 또는 수치로 표시 : 60% 또는 0.6)
Kp(=Kr)
원판의 펼쳐진 진동 모드
(BaTiO3 : 30%, PZT : 50%)
K33
봉의 세로 진동 모드의 결합 계수
K33`
각주의 세로 진동 모드
K31
원통의 호흡 진동 모드
Kt
판의 두께세로 진동 모드
K15
두께 미끄러짐 진동 모드
※압전세라믹스와 결합계수※
결합계수가 높은 세라믹스 일수록 소형화가 가능하다. 1996년 일본의 후지쓰연구소는 값싼 연계 페로브스카이트 구조의 세라믹스에 착안 엄밀한 최적조성을 찾고 불순물 혼입을 억제해 큰 결정체의 형성을 실현함. 종전의 스칸듐계 재료가 갖던 78%의 기록을 깨고 80.8%라는 고결합계수를 얻음.
※결합계수와 성능※
높은 결합계수를 가질수록 재료는 소형화가 되고 이것을 이용하여 비디오 카메라의 떨림 방지기구, 자기디스크헤드나 주사터널 현미경(STM), 노광 장치 등의 정밀위치 결정의 제어성능의 향상을 꾀할 수 있다.
※변압기에서의 결합계수※
2개의 코일이 접근되어 있을수록 K는 커진다.(1개의 틀에 2개의 코일을 함께 감으면 분리하여 감은 후 접근시키는 것보다 결합계수는 커진다.) 코일의 자력선로를 형성해 주는 Core가 있게 되면 K는 증가한다.
▶ 기계적 품질계수 (Mechanical Quality Factor, Qm)
압전 진동자에 대하여 고유 진동을 일으켰을 때의 공진 특성의 날카로움의 정도를 나타내는 정수의 일을 말하는 것으로, Q는 공진의 품질(quality)을 나타내고 전기, 전자 분야 뿐 만이 아니라 기계 진동에 대해서도 공진계의 질을 나타내는 것으로서 사용되고 있어 일반적으로 “공진계가 축적하고 있는 진동에너지와 단위시간에 외계에 출입하는 에너지의 비”라고 말할 수 있다. 전기적 에너지와 기계적 에너지 간의 교환시 축적되는 에너지의 비율로 Permanent Dipole들의 이동시 발생하는 인가전압과의 위상차이에 기인한다. 손실은 대부분 열에너지의 형태로 발산되고 압전체가 공진주파수에서 일으키는 공진의 Sharpness를 결정한다. 기계적 품질계수 값이 낮으면 일반적으로 열화(Degradation)가 빨리 발생한다. 전기적 품질계수와는 다른 값이다.
PZT의 경우 102~103, Quartz single Crystal의 경우 104~106의 Qm을 나타낸다.
높은 Qm(낮은 기계적 손실)을 가진 재료가 초음파 모터에 적합하다. 이에 반하여 낮은 Qm은 넓은 주파수 범위에서 신호를 수신할 수 있기 때문에 힘 센서(force sensor)와 음향 변환기(acoustic transducer)에 적합하다.
※hig hQ and low Q※
초음파 진동자, 압전 필터, 레조네이타 에서는 Qm이 큰 편이 바람직하다고 여겨져 일반적으로는 Qm치가 300 이상의 것을 high Q(저손실 재료), 미만을 low Q라고 부른다.
다만, 볼트 합계 란쥬반 진동자용의 압전 소자에서는 금속제 공진부의 Qm치가 비교적 높기 위해 압전 소자의 Qm가 그다지 높지 않아도 사용할 수 있다고 하는 것이 있고 오히려 실제로 구동하는 변위량인 d33값이 큰 것이 바람직하다고 할 수도 있다.
Qm이 큰 재료에서는 공진 주파수에 일치하는 진동을 외계로부터 받았을 때만 진폭이 성장해 진동이 성장하기에도 감속하기에도 시간이 걸린다. 반대로, Qm이 작은 재료에서는 공진 주파수와는 조금 다른 주파수의 진동에도 반응해 진동이 성장하는 것도 감속하는 것도 빠르다는 장점이 있다.
< 실 험 과 정 >
모든 공정이 완료된 PZT압전체의 압전세라믹스로서의 특성을 평가하기 위하여 인피던스 측정기로 Kp, Qm값을 측정하였고 특성평가 후 가습기나 초음파 세척기, 미용기 등에 사용이 되는 본 시편을 진동자와 연결하여서 성능평가를 해보았다. 그 후 PIM회사에 맡긴 유전체가 응용이 되는 형광등의 성능평가를 하였다.
실습결과
자기소견
압전체의 특성평가 결과 제품에 응용할 시편으로는 적당한 Kp, Qm값이 나왔으므로 실험의 전 과정이 어느정도 오차없이 잘 이루어진 것이라고 생각되어진다. 또한 압전체를 응용한 가습기나, 미용기 등에 쓰이는 진동자 성능평가 및 유전체를 이용한 형광등을 직접 성능평가 해봄으로서 빠른 시일내에 상품화가 되어서 기존 형광등의 단점을 보완해 주었으면 하는 바램이었다.
아쉬운 점으로는 이전 실험과정인 소결과정에서 온도와 시간의 변수를 주어서 특성결과에 미치는 영향을 알아보지 못한 점이 아쉬움으로 남는다. 전체적으로는 전 실험과정에서 온도, 가열시간, RPM, 분말의 비율 등을 다양한 변수를 주면서 실험을 해보지 못하고 정해진 레시피에 맞춰서 실험을 한 제한성이 큰 아쉬움으로 남았다.
이번 현장실습을 통해서 4년간 전공실험을 통해서 배운것을 전반적으로 재 습득하는 기회가 되었고 취업에 앞서서 직접 현장을 체험해 봄으로서 많은 경험이 쌓이게 된 것 같다.

키워드

분무건조(spray dryer),   압전체,   유전체,   Qm, Kp,   바인더(pva),   하소(calcine),   소결(sintering),   pzt 압전세라믹