본문내용
1. 압전소자의 원리와 활용
1.1. 압전효과(Piezoelectric Effect)
압전효과(Piezoelectric Effect)는 고체에 힘을 가하였을 때 결정 겉면에 전기적 분극이 일어나는 현상이다. 압전 직접효과라고 하는 것은 전압발생 기능으로 압전 소자에 외부응역, 진동변위 등을 주면 그 출력단에 전기 신호가 발생하는 현상을 말한다. 또한 압전 역효과는 변위 발생 기능으로 압전 소자에 외부로부터 전압을 걸어주면 소자가 기계적 변위를 일으키는 현상을 말한다. 결정체에 가해지는 힘의 방향과 전하가 발생하는 방향이 같은 경우를 종효과, 직각인 경우를 횡효과라 한다. 압전효과는 1880년 프랑스의 자크 퀴리(Jacque Curie)와 피에르 퀴리(Pierre Curie) 형제가 처음 발견하였다. 이후 수정(Quartz), Zinc-Blende, Rochelle염 등의 많은 결정에서 압전성이 발견되었다. 압전결정소자란 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전 직접효과와 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 압전 역효과를 갖는 기능성 세라믹스를 말한다.
1.2. 압전물질의 종류와 특성
압전물질이란 기계적인 외부 압력을 가했을 때 전기적인 분극이 발생하는 물질이다. 대표적인 압전물질로는 수정, 전기석, 로셸염 등이 있다. 수정은 공진주파수의 대역폭이 좁고 온도계수가 매우 작아 신호주파수를 발생시키는 오실레이터 소자로 사용되며, 가격이 비싸고 전기기계결합계수가 작다는 단점을 가지고 있어 응용분야가 제한된다. LiNbO3와 LiTaO3 단결정은 ZnO 박막 소재와 함께 탄성표면파 필터로 응용되고 있다. 다결정 소재로는 PZT계, PT계, PZT-Complex Perovskite계, BaTiO3 등이 있는데, PZT계 세라믹스는 가공성이나 제반 압전특성이 우수하고 가격이 저렴하여 초음파 진동자, 필터, 레조네이터, 착화소자 및 센서 등에 가장 널리 응용되고 있다. 박막 소재로는 ZnO, CdS, AlN 등이 있으며, AlN, ZnO 등의 소재는 GHz 대역 FBAR Bandpass Filter 재료로 응용되고 있다. 고분자 소재로는 PVDF, P(VDF-TrFe), P(VDF-TeFE), TGS 등이 있고, 복합재료로는 PZT-PVDF, PZT-Silicon Rubber, PZT-Epoxy, PZT-발포 Polymer, PZT-발포 우레탄 등이 있다. 고분자재료와 PZT계의 복합재료는 시트형태로 가공이 쉽기 때문에 각종 키보드나 수중 음향부품, 의료용 탐촉자 등에 주로 응용되고 있다. 이처럼 다양한 압전물질들은 각자의 특성에 따라 다양한 응용분야에서 활용되고 있다.
1.3. 압전기의 발견과 원리
1880년 프랑스의 자크 퀴리(Jacque Curie)와 피에르 퀴리(Pierre Curie; 1859~1906) 형제가 전기석(tourmalin)에서 압전효과를 처음 발견하였다. 이들은 일정한 방향에서 압력을 가하면 결정판의 양면에 외력에 비례하는 양·음의 전하(電荷)가 나타나는 현상을 발견하였다. 이후 수정(Quartz), Zinc-Blende, Rochelle염 등 다양한 결정에서 압전성이 발견되었다. 압전기는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 현상을 말하며, 가해진 압력에 비례하여 전압이 발생하는 것을 압전 직접효과라 한다. 또한 이와 반대로 전압을 가하면 결정체가 변형되는 현상을 압전 역효과라고 한다. 압전 직접효과의 경우 압축력을 가하면 양전하가, 신장력을 가하면 음전하가 발생한다. 압전 역효과에서는 전압의 극성에 따라 결정체가 팽창 또는 수축하게 된다. 이러한 압전효과는 초음파 센서, 압전 모터와 같은 다양한 응용분야에 활용되고 있다. 압전기의 발견은 이후 압전결정소자 기술의 발전으로 이어져 마이크로폰, 스피커, 레조네이터, 필터, 진동자 등 수많은 전자기기에 핵심 부품으로 사용되게 되었다.
1.4. 압전결정소자의 개요
일반적으로 고체물질은 원자나 이온이 규칙적으로 배열되어 있으며, 이러한 배열이 3차원적으로 된 것을 결정이라 한다. 이러한 결정에 전계를 인가하면, 양전하와 음전하가 전계에 대하여 역방향으로 변위되기 때문에 결정 중에 기계적인 변형이 수반된다. 이 현상을 전기왜곡(electro-striction)현상이라 하며 전계의 방향을 변화시켜도 전기왜곡은 변화되지 않는다. 또 역으로 결정에 기계적인 응력을 가하면 결정격자내의 전하의 위치를 변화시킬 수가 있지만, 만약 격자가 대칭중심을 가지고 있으면 그 대칭성 때문에 분극이 나타나지 않는다. 그러나 대칭 중심이 없는 결정족에서는, 물론 하나의 예외(점군 432)는 있지만, 기계적인 응력에 의해 분극이 발생한다. 이것을 압전효과라 한다. 압전성 결정에 전계를 인가하면 기계적인 변형이 발생하며 전계의 방향을 반대로 하면 변형의 방향도 변화한다. 따라서 압전효과에 의해 생긴 변형은 전기왜곡과는 다른 것이다. 압전결정소자란 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전 직접효과와 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 압전 역효과를 갖는 기능성 세라믹스를 말한다. 압전 직접효과는 전압발생 기능으로 압전 소자에 외부응역, 진동변위 등을 주면 그 출력단에 전기 신호가 발생하는 현상을 말하며 착화용 압전소자나 각종 센서에 응용된다. 또한 역압전 효과는 변위 발생 기능으로 압전 소자에 외부로부터 전압을 걸어주면 소자가 기계적 변위를 일으키는 현상을 말하며, 액츄에이터 등에 응용된다. 따라서 압전결정소자는 기계적 에너지와 전기 에너지 간 변환이 가능한 소재이다.
2. 압전결정소자의 제조 및 특성
2.1. 압전결정소자의 소재에 따른 분류
압전결정소자는 단결정 소재, 다결정 소재, 박막 소재, 고분자 소재, 복합재료 등 다양한 종류가 있다. 단결정 소재에는 α-AlPO4(Berlnite), α-SiO2(Quartz), LiTiO3, LiNbO3, SrxBayNb2O8, Pb5-Ge3O11, Tb2(MoO4)3, Li2B4O7, CdS, ZnO, Bi12SiO20, Bi12GeO20 등이 있는데, 수정은 공진주파수의 대역폭이 좁고 온도계수가 매우 작아 오실레이터 소자로 주로 사용되지만 전기기계결합계수가 작아 응용분야가 제한된다. LiNbO3와 LiTaO3 단결정은 탄성표면파 필터로 응용된다. 다결정 소재로는 PZT계, PT계, PZT-Complex Perovskite계, BaTiO3 등이 있는데, PZT계 세라믹스가 가공성과 압전특성이 우수하고 가격이 저렴하여 초음파 진동자, 필터, 레조네이터, 착화소자 및 센서 등에 가장 널리 응용된다. 박막 소재로는 ZnO, CdS, AlN 등이 있으며 FBAR Bandpass Filter 재료로 사용된다. 고분자 소재에는 PVDF, P(VDF-TrFe), P(VDFTeFE), TGS 등이 있고, 복합재료에는 PZT-PVDF, PZT-Silicon Rubber, PZT-Epoxy, PZT-발포 Polymer, PZT-발포 우레탄 등이 있는데, 고분자재료와 PZT계의 복합재료는 시트형태로 가공이 쉬워 키보드나 수중 음향부품, 의료용 탐촉자 등에 주로 응용된다. 즉, 압전결정소자의 소재는 각 용도에 맞는 고유한 특성을 가지고 있어 다양하게 응용되고 있다.
2.2. 압전결정소자의 제조 프로세스
압전결정소자의 제조는 압전소재를 장착한 소자의 형상에 따라서 크게 두 가지 생산공정으로 나눌 수 있다. 하나는 압전분말을 성형, 소결한 후 다른 부품과 결합하여 사용하는 공정으로 이 공정을 통해 벌크형 압전결정소자를 제작할 수 있다. 다른 하나는 압전 적층소자를 제조하는 공정이다. 압전 분말을 유기물과 혼합하여 슬러리를 제작하고, 제작한 슬러리로 닥터블레이드 방법을 이용하여 테이프 형태를 다시 제작한다. 이 테이프에 원하는 전극형상을 프린팅하고 적층한 후 탈지 및 소성 공정을 통하여 적층형상의 소자를 완성한다. 이러한 적층소자 제조공정에서 적층공정의 양산성이나 신뢰도를 향상시키기 위해서는 우수한 설비뿐만 아니라 양질의 슬러리를 제조하는 기술이 필요하다. 특히 적정강도와 유연성, 고밀도 등을 갖는 슬러리를 제조하기 위해서는 분산제, 결합제, 가소제, 소포제, 계면활성제, 균질제 등 유기물의 적절한 배합 기술의 확보가 중요하다. 현재 이 분야에 대한 연구가 계속 되어지고 있다. 최고 수준의 기술을 보유하고 있는 국외의 연구실이나 업체에서는 분산성을 향상시키기 위해서 2가지 이상의 유기물을 복합시켜 만든 유기용매나 분산제 등을 사용하기도 한다. 그러나 국내에서는 이러한 지식과 기술이 부족한 가운데 있으며, 특성평가 분야에서도 미흡한 실정이다. 이는 양산성과 직결되는 문제이므로 적정화가 충분히 필요하다...
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