PZT-PZNN 압전소재 합성 및 압전 스피커 적용 연구

Abstract

압전 세라믹은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 스마트 물질이다. 이러한 압전 세라믹을 이용한 부품은 통신, 의료, 센서, 음향 부품 등 모든 산업 분야에서 광범위 하게 사용되고 있다. 압전 재료를 액츄에이터 등의 소자에 적용하기 위해서는 기본적으로 높은 압전 변형 상수(d31)와 변환 효율(kp)을 가지는 재료가 필요하기 때문에 적층형 압전 소자가 필요 하다. 실제로 압전 소자의 변형 정도는 적층체의 층수에 비례한다. 따라서 적층형 압전체를 구현 할 경우 높은 변형율을 가지는 압전 소자를 기대할 수 있다. PZT-PZNN 세라믹스는 그 자체로 매우 높은 d33와 kp를 가지고 있다. 그러나 MPB에서의 유전율이 높아, 본 연구를 위하여 MPB가 아닌 Rhombohedral 조성을 사용 하였다. 기존의 K. Carl의 연구에 따르면 PZT세라믹의 경우, MPB에서 Rhombohedral 쪽으로 조성이 변함에 따라 유전율은 급감하지만, 잔류 분극이 감소하지 않아 d33의 감소는 유전율에 비해 적은 것을 알 수 있다. 이러한 관계를 이용하여 MPB에서 Rhombohedral 쪽으로 벗어난 특정 조성에서 비교적 높은 d33와 매우 낮은 유전율을 얻을 수 있을 것으로 예상할 수 있었고, 따라서 본 연구에서 PZT-PZNN 세라믹스의 PZNN 함량에 따른 구조 분석 및 압전 특성 분석을 하였다. 본 연구에서는 PZNN의 함량이 늘어나게 되면 구조는 점차 Pseudo Cubic으로 변해가게 되는데, 이 경우, 유전율은 매우 큰 비율로 감소하나 d33의 감소 폭은 크지 않은 것을 알 수 있었고, 따라서 약 0.31의 PZNN함량에서 비교적 높은 d33와 매우 낮은 유전율을 얻을 수 있었다. 또한, CuO가 첨가됨에 따라 액상 소결이 이루어져 약 0.5 mol%의 CuO만 첨가 되어도 매우 높은 소결 밀도를 얻을 수 있었는데, 이 때의 소결 밀도는 CuO 첨가 없이 1100oC에서 소결한 순수 0.69PZT-0.31PZNN 세라믹스와 같은 값을 가졌다. 소결 밀도 증가와 함께 압전 특성 또한 향상 되었으며, 특히 900oC의 저온 소결 에도 불구하고 CuO 없이 1100oC에서 소결한 시편과 매우 유사한 값을 나타내었다. 0.5 mol% 및 1.0 mol%의 CuO가 첨가 되었을 때 가장 우수한 압전 특성을 나타내었다. 압전 스피커의 음압 특성을 향상 시키기 위해서는 압전 상수 d33 이 높아야 고변위 변형을 일으킬 수 있으며, 유사한 capacitance 를 갖는 압전 소자간에도 적층수가 높은 것이 음압 특성 향상에 기여하게 되므로, 본 연구 결과로 얻어진 조성은 현재 주로 일본에서 수입 되고 있는 압전 파우더와 유사한 압전 특성을 만족하면서 상대적으로 30% 정도 적은 비유전율 특성을 나타내기 때문에 적층형 압전 스피커를 제작할 때 기존 제품의 보다 소자 설계시 적층수를 더 확보할 수 있기 때문에 음압특성을 3~5dB 정도 향상 시키는 결과를 확인 할 수 있었다. 뿐만 아니라, 저온 소결이 가능하므로 고적층 제품을 양산 하게 될 때 원가 경쟁력도 확보할 수 있다.