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조인 perovskite 구조의 특성에 착안하여 활발한 연구가 진행되어 왔고, 1954년 미국의 Jaffe 등에 의해 perovskite 구조의 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) 세라믹스가 개발되었다. 이 PZT는 큐리온도가 400℃ 정도로 높을 뿐만 아니라 티탄산바륨보다 우수한 압전특성을 가지고 있 다.
다. 압전효과
압전 효과란 전압을 발생시키는 기능으로 압전 소자에 외부 응력, 진동 변위 등을 주 면 그 상응하는 전기 신호가 발생하는 현상을 말하며 착화용 압전소자나 각종 센서에 응 용된다. 또 역압전효과라고 하는 것은 변위를 발생시키는 기능으로 압전 소자에 외부로부 터 전압을 걸어주면 소자가 기계적 변위를 일으키는 현상을 말하며 액츄에이터 등에 적용 되며, 통칭해서 압전효과(Piezoelectric Effect)라고 부르고 있다. 이러한 현상은 전기장을 가하지 않아도 자연적인 electric polarization이 생기는 물질인 ferroelectric 물질인 경우와 결정구조의 대칭성이 없는 결정 물질인 경우에 발생한다. 압전 현상을 보이는 물질에는 ZnO, CdS, 그리고 PZT(Pb(Zr,Ti)O₃, lead zirconate titanate)등이 있다. 그림 5.2.18은 압전 효과의 설명으로 ⒜는 압전 소자에 외부 응력이 없는 상태에서는 출력되는 전압이 없다. 그러나 ⒝와 같이 F의 압축력을 가하면 상하의 전극에 각각 (+), (-)의 전압이 발 생하고 소자 두께는 감소하며, 반대로 ⒞와 같이 신장력 F를 가하면 상하의 전극에 각각 (-), (+)의 전압이 발생하고, 이 때 소자의 두께가 초기 무응력 상태보다 증가하며 압축력 을 가했을 경우와 반대 현상이 발생된다. 그림 5.2.19는 역압전 효과에 대한 것으로, 여기 서는 직류와 교류 전압을 인가한 경우 기본 작동을 각각 나타내고 있다. 그림 20의 ⒜는 압전 소자에 외부로부터 구동전압이 인가되어 있지 않은 상태로 압전 소자는 전혀 변위를 나타내지 않는다. ⒝는 상부에 전원의 (+)극을 또 하부에 전원의 (-)극을 각각 가한 경우 로, 압전 소자의 내부 전하와 외부에서 가한 전압이 반발을 일으켜 압전 소자는 압축된다.
이와 반대로 ⒞는 상부에 전원의 (-)극을 또 하부에 전원의 (+)극을 가하면, 압전 소자의 내부 전하와 외부에서 가한 전압이 서로 끌려, ⒝와 달리 압전 소자가 늘어나는 현상을 나 타낸다. 이러한 효과를 응용하여 교류 전압을 가하면 그 주파수에 대응한 초음파 에너지 가 방사되며 ⒟는 이러한 현상을 활용한 초음파 진동자이다.
+ -
+
- + -
+
- +
P P P -
t
0
t
1 0
t
2 0
압전소자 전극
양전하의 중심
음전하의 중심 전극
F
F
F F
⒜ 응력 없음 ⒝ 압축력 ⒞ 신장력 그림 5.2.18 압전 직접효과
+ P -
압전소자 전극
전극 -
+ P - F +
F
⒜ 전압 안 가함 ⒝ 상부에 +, 하부에 -
+
- + P - F F
～
+
○
P -
⒞ 상부에 -, 하부에 + ⒟ 교류전압 가함 그림 5.2.19 역 압전효과
라. 압전 액츄에이터
압전 액츄에이터는 전기를 입력 에너지로 하여 변위 또는 발생력을 출력하는 전기식 액츄에이터이다. 즉 압전 액츄에이터를 구성하는 압전 세라믹스에 전압을 가하면 늘어나
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거나 수축하는 성질을 이용하는 것을 액츄에이터라고 한다. 세라믹스는 취성 재료이지만, 온도변화에 의해 열팽창을 일으키며, 또 압력을 가하면 작게 수축한다. 이런 것들이 전기 장을 가할 때에도 일어나는 것이다. 압전 액츄에이터의 특징으로는
① 미소 변위의 고정밀 제어가 가능하다.
② 발생력이 크다.
③ 응답이 빠르다.
④ 에너지 변환 효율이 높다.
⑤ 전자적인 간섭이 없다.
⑥ 형태의 영향이 적다. 등이 있다.
압전 액츄에이터는 면내 변위를 이용하는 직선 변위형과 면의 변위를 이용하는 곡선 변위형의 두 종류로 분류할 수 있다. 직선 변위형은 단판형과 적층형이 있고, 적층굴곡변 위형은 monomorph, unimorph, multimorph 등이 있다. 직선 변위형의 단판형은 두께 방 향으로 분극된 압전판으로 분극과 평행한 전기장(electronic field)을 가할 때 발생되는 길 이방향의 신축변위를 이용한 것이다. 적층형은 압전판을 적층시킨 것으로 인접한 압전판 의 분극은 서로 반대방향으로 일어나며, 전기적으로 병렬 구동되는 압전판 변위는 적층의 축방향으로 발생한다. 또 굴곡변위형의 bimorph는 두 장의 압전판을 접착한 것으로 압전 판은 서로 반대방향의 응력이 만들어지기 때문에 전계를 인가하면 굴곡변형이 발생하게 되는데 흔히 bender element라고도 한다.
표 5.2.2 압전 엑츄에이터 특성의 이론값
구 분 변 위(㎛) 발생력(N) 변환율(%) 공진주파수(Khz)
단 판 형 0.36 0.42 8.4 85
적 층 형 1.6 16 38 0.12
bimorph 43 0.08 4.9 0.7
이들을 동일 재료, 동일 조건하에서 구동할 경우 이론적으로 계산된 액츄에이터 특성 치를 표2에 나타내었다. 판형은 단순 구조이지만, 발생 변위가 극히 작아 그 용도가 한정 적인데 비해 적층형은 이것보다 10배 이상의 변위가 얻어진다. 이 변위량은 각 압전판의 두께를 얇게 함으로써 더 크게 될 수도 있다. 또 압전 종효과로 구동되기 때문에 에너지 변환효율이 크며 발생력, 응답성도 우수하다. bimorph형은 변위량이 상당히 큰 반면에 발 생력, 응답성, 에너지 변환효율에 문제가 있다.
제 3 절 발진기-수진기 기본 모형 연구