MFC(Macro Fiber Composite)의 FEM 해석 및 제조 방법에 관한 연구

Abstract

MFC(Macro Fiber Composite)은 2장의 interdigitate 전극 필름 사이에 2-2형 압전 복합체를 압착한 형태로 low profile actuator 또는 sensor이다. 압전 actuator나 sensor의 경우, 주로 높은 압전 성능을 나타내는 PZT를 이용하여 제작한다. 하지만, PZT를 수중용이나 의료용으로 사용할 경우 음향 임피던스 값이 높아 매질과의 부정합이 발생하고 주파수 대역이 좁아 초음파 송∙수신 감도가 떨어진다. 또, 압전 세라믹은 쉽게 깨지는 취성을 가지고 있어 제작 중이나 사용 중 쉽게 깨지고 굴곡진 면에는 부착을 할 수가 없다. 이러한 단점 때문에 PZT와 Polymer를 결합하여 제작한 압전복합체를 개발하였다. 또 더 나아가 MFC를 개발하고 많은 연구가 진행 중이다. 본 연구에서는 MFC 특성을 FEM 해석을 통해 예측하고 MFC의 제조에 관한 연구를 하였다. 먼저, FEM 해석 프로그램인 COMSOL을 이용하여 인가된 전압에 따른 d33 모드 MFC의 Free Strain 변화 경향성과, 압전 복합체와 전극 패턴이 MFC에 끼치는 영향을 보고자하였다. 변수는 총 4가지로 PZT fiber 폭, epoxy 폭, 전극 폭, 전극 간격이다. PZT fiber와 epoxy의 폭은 압전 복합체가 MFC에 끼치는 영향을, 나머지 변수는 전극 패턴이 끼치는 영향을 보고자 설정하였다. 또, NASA에서 공개한 MFC 제작 방법을 참고하여 보다 간편하게 MFC를 제작하고자 하였다. 먼저, interdigitate 전극 필름과 dicing된 PZT Wafer에 epoxy를 바르고 열과 압력을 가해 압착시켜 MFC를 제작하였다. 그런 다음, Laser Displacement Meter와 Video Gauge를 이용하여 MFC의 Free Strain을 측정하였다. 본 연구로부터 FEM 해석을 통해 예측한 MFC의 Free Strain은 인가된 전압이 증가할수록 점점 증가하는 경향을 보였다. 또, 압전복합체보다 전극 필름이 MFC의 Free Strain에 영향을 더 끼쳤으며, epoxy 폭보다 fiber 폭이, 전극 폭보다 전극 간격이 더 큰 영향을 끼쳤다. 제작된 MFC의 Free Strain 또한 인가된 전압이 클수록 점점 증가하였으나, FEM해석 결과에 미치지 못한 결과였다. 본 연구는 FEM 해석을 통해 MFC의 Free Strain을 해석하였으며 MFC를 제조하고 개발하였다는 데에 의미가 있다고 사료된다.