2-2 mode PZT/Epoxy 복합체의 해석 및 제조에 관한 연구

Abstract

초음파 변환자들은 압전세라믹의 전기기계결합특성을 이용해 수중에서 초음파를 발신, 수신하는 역할을 한다. 이러한 응용분야에서 압전물질의 전기기계결합계수와 음향임피던스가 중요하다. 그러나 압전세라믹은 측정대상인 수중이나 인체와의 음향임피던스 차이가 너무 커서 이것이 수중이나 의료용으로 사용될 때 음향임피던스의 차이로 인하여 대부분의 초음파는 그 경계면에서 반사되거나 잡음신호에 가려져 사용이 어려운 상태가 된다. 이 음향임피던스 부정합을 해결하기 위하여 세라믹과 경계면 사이에 후막 형태의 정합층을 설치하여 사용하고 있다. 그러나 적절한 정합층을 구성하기 위해서는 복잡하고 설계 및 제작공정을 필요로 하여 기술적 어려움이 있다. 압전복합체는 고분자 재료에 종래의 압전세라믹을 적절히 배치하여 고분자재료의 낮은 음향임피던스와 압전세라믹의 우수한 기계, 전기에너지 변환특성을 가지도록 만든 것으로 기존의 압전세라믹이나 압전고분자와 비교해서 많은 이점들을 가지고 있어 많은 연구가 이루어져 왔다. 따라서 본 연구에서는 우수한 압전특성을 가지고, 낮은 음향임피던스를 갖는 PZT세라믹과 에폭시를 이용한 새로운 2-2 모드 압전복합체에 대한 설계 및 제조에 관한 연구를 하였다. 제작에 앞서 복합체의 임피던스 특성을 예측하고 공진모드 특성을 살펴보기 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 Atila S/W를 이용하여 압전복합체를 해석하였고, 제작을 간편하게 하기 위하여 Tape casting 방법을 적용하여 제작된 PZT 압전체와 에폭시를 사용하여 PZT/Epoxy 복합체를 제작하였다. 복합체의 다양한 구조 및 압전체의 부피 변화에 따른 전기적 임피던스 및 공진모드 특성 등을 분석하기 위하여 일반적인 2-2 모드 압전복합체인 normal type과 이를 변형한 cross type을 압전세라믹의 부피분율에 따라 제조하였다. 또한 두께가 동일한 PZT 압전체를 사용하여 압전체 사이의 간격을 달리함으로써 부피분율을 조절하였고, 에폭시를 충진하여 PZT/Epoxy 복합체를 제작하고 그 성능을 평가하였다. 본 연구로부터 유한요소법을 통해 예측된 압전복합체의 공진주파수는 PZT 부피분율이 증가할수록 고주파수에서 나타났으며, 전기기계 결합계수는 normal type의 경우 0.65, cross type의 경우 0.6으로 부피분율에 영향을 거의 받지 않는 것으로 나타났다. Tape casting을 이용하여 제작된 압전복합체의 공진주파수 또한 시뮬레이션 결과와 동일하게 PZT부피분율이 증가할수록 고주파에서 나타는 경향을 보였으며, 공진 임피던스 또한 PZT 부피분율의 증가에 따라 감소하였다. 두께방향 진동모드의 전기기계결합계수는 normal type과 cross type에서 각각 0.60 ~ 0.42, 0.62 ~ 0.53로 나타났으며 d33는 100pC/N부터 200pC/N까지 증가하는 경향을 보여주었다. g33는 80×10-3Vm/N 에서 30×10-3Vm/N으로 감소하는 경향을 나타내어 기존 압전소자보다 우수한 전압감도특성을 가지는 압전복합체를 제작하였다. 본 연구는 유한요소법을 이용하여 2-2 모드 압전복합체의 특성을 해석하였으며 tape casting 법에 의해 압전복합체를 제조하여 새로운 구조의 압전복합체를 개발하였다는 데에 큰 의미가 있다고 사료된다.