PVDF-TrFE와 BZT 단결정을 이용한 소형초음파 검출소자용 1-3형 압전 복합체의 제조

Abstract

초음파 변환기의 압전재료는 크게 ceramic과 고분자 재료로 나누어지며 ceramic재료의 대표적 물질로는 lead zircornia titanate(PZT)가 있고, 고분자의 대표물질로는 polyvinylidene fluoride(PVDF)가 주로 사용되어 왔다. 그러나 두 물질의 상형성 온도와 분극 조건이 서로 맞지 않아 제품제조에 어려움이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 압전성이 큰 ceramic과 밀도 및 유전율이 낮은 고분자매질(polymer matrix)을 복합화하여 소형화시킨 1-3형 복합체(ceramic-polymer composites)를 제조하였다. 고분자재료로는 PVDF에 비해 쉽게 β상으로 결정화되는 poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene(PVDF-TrFE)을 사용하였고, ceramicwofy로는 낮은 온도에서도 분극이 가능하고 PZT보다 d33값도 월등히 높은 Ba(Zr,Ti)O3(BZT) 단결정을 사용하여 1-3형태의 transducer를 제작하였다. BZT 단결정을 일정한 간격으로 배열한 후 PVDF-TrFE 용액을 주입하고 경화시켜 분극을 시켰다. 이때 분극의 유/무를 알아보고 주파수 대역을 파악하고자 impedance analyzer를 이용하여 impedance를 측정하였고, 초음파의 송수신 특성을 측정하기 위해서 pulse/receiver와 oscilloscope를 사용하여 pulse-echo 특성을 평가하였다. 또한 단일 재료와 복합체의 pulse-echo 측정 시 sensor의 수신감도나 초음파의 지향성이 어떠한 차이를 갖는지도 검토하였다.; The combined use of ceramics and organic polymers have been widely utilized as piezoelectric materials for ultrasonic transducers. Pb(Zrx,Ti1-x)O3(PZT) and polyvinylidene fluoride(PVDF), typical of the ceramic and polymeric materials, have been successfully commercialized. These materials, however, have difficulties in handling because of a notable difference in temperature for phase-forming and poling. To solve this problem, we made 1-3 composite by combining Ba(Zr,Ti)O3(BZT) single crystal, a ceramic of high piezoelectricity, and polyvinylidene fluoride -trifluoroethylene(PVDF-TrFE), an organic polymer of low dielectric constant. As well recognized, PVDF-TrFE produces β-form crystal more easily than PVDF and BZT easily polarizes below 100℃ and gives bigger d33 value than PZT. A 1-3 type composite transducer was successfully obtained by arraying BZT single crystal(5×5, 300μm thickness) on aluminum plate, followed by pouring and hardening PVDF-TrFE solution on the single crystal. The pulse-echo properties of the composite transducer was analyzed with pulse/receiver oscilloscope to characterize the capability of ultrasonic transmittance and admittance. The effects of the organic-inorganic hybridization on the sensitivity to the ultrasonic wave was evaluated by comparing transducer made of neat BZT with that composed of PVDF-TrFE and BZT composite. In addition, the hybridization effects on the directivity of the ultrasonic wave was also investigated.