Ag-ceramic 복합소재 내부전극을 이용한 적층형 압전 세라믹 액추에이터의 신뢰성 연구 Reliability of Low-Firing Multilayer Piezoelectric Ceramic Actuators Using Ag-Ceramic Composite Conductors as Internal Electrodes원문보기
압전 및 전왜재료를 이용한 액추에이터는 정밀한 미소변위 조절과 높은 발생력 등을 요구하는 광학 stage, 정밀 전자기기 그리고 반도체 소자등과 같은 응용분야에 널리 이용되고 있으며, 특히 적층형 압전 세라믹 액추에이터(Multi-Layer Ceramic Actuator, ...
압전 및 전왜재료를 이용한 액추에이터는 정밀한 미소변위 조절과 높은 발생력 등을 요구하는 광학 stage, 정밀 전자기기 그리고 반도체 소자등과 같은 응용분야에 널리 이용되고 있으며, 특히 적층형 압전 세라믹 액추에이터(Multi-Layer Ceramic Actuator, MLCA)는 연료 분사기, 광학 테이블, Surgery devices, Sunroof motor, Active Engine Mount 등 정밀기계 및 전자기기 분야에서 광범위하게 연구되어지고 있다. MLCA는 세라믹 층과 내부전극 층을 교대로 적층하여 동시에 소성하는 과정을 거쳐 제작된다. 적층형 MLCA의 신뢰성은 작동 중의 결함발생과 이러한 결함이 진행되어 파괴되는 과정이 주요 관심사이다. 이것은 세라믹 층과 내부전극층 사이의 delamination과 계면에서의 미세균열들이 균열성장의 핵으로 생각되어지고, 탈지공정 동안 유기첨가물을 포함하고 있는 금속전극의 촉매반응과 동시소성 치밀화부정합으로 인한 내부전극과 세라믹층간의 불충분한 부착력과 열 수축 특성의 부정합으로 인하여 계면에서의 미세균열들의 발생과 외부전극의 납땝과 냉각과정에서의 내부응력 발생 때문에 delamination이 발생되며 일반적으로 이러한 미세균열과 내부결함은 MLCA의 성능저하와 파괴의 주된 원인이 된다. 현재 MLCA에 사용되는 내부전극으로는 Ag-Pd계가 주로 사용되고 있으며, MLCA의 소결온도가 낮을수록 값비싼 Pd의 함량을 낮추어 값 싼 Ag전극재료의 사용이 가능하게 되어 제품의 단가를 절감할 수 있지만, Ag의 경우 MLCA의 제작과정에서 세라믹 층과의 부착력이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 순수한 Ag의 녹는점은 961.9℃이며, 950℃ 이상의 소성온도를 가지는 소재에서는 이용이 불가능하다. 이에 따라, 본 연구의 선행연구로 950oC 이하의 소성온도에서 우수한 압전특성을 가지는 세라믹스를 개발하기 위하여 소결조제로 0.1wt.%Li2CO3를 첨가한 PMN-PZT세라믹스의 저온소성 연구를 하였으며, 그 결과 소성온도 950oC에서 전기기계결합계수(kp) 66.7%, 압전상수(d33) 534pC/N의 우수한 압전특성을 나타내었다. 따라서, 본 연구에서는 PMN-PZT+0.1wt.%Li2CO3 저온소성 소재를 이용하여 이에 적합한 Ag-Ceramic 복합 내부전극을 연구하는 것을 목표로 하였다. 이에 저온소결온도(950oC 이하)에서 사용가능한 Ag paste에 고에너지 분쇄법(HEBM)을 이용하여 미립화된 PZT계 나노분말을 첨가하여 세라믹 분말의 함량변화에 따른 Ag-ceramic 복합소재 내부전극의 열 수축 특성과 전기전도도 특성변화를 연구하였으며, 이를 저온소성 MLCA에 적용하여 동시소성 정합성을 관찰하고 내부 결함의 유무와 유전 및 압전특성의 변화 및 전기․기계적 특성을 비교․분석하였다. 그 결과, 내부전극 중 압전세라믹 분말의 함량이 증가할수록 모재 세라믹과 유사한 열 수축특성을 나타내어 MLCA 제작 시 동시소성 정합성이 향상되었고 Ag-ceramic 복합소재 내부전극을 이용한 MLCA의 변위특성은 내부전극의 종류에 큰 영향 없이 200V의 전계 하에서 8.0×10-4~1.1×10-3의 변형률을 보였으며, 90Ag-10ceramic 전극의 경우 가장 뛰어난 변위 특성을 나타내었다. 발생력 또한 Ag-ceramic계 내부전극이 95Ag-5Pd의 경우보다 더 우수하였으며, 신뢰성 테스트 결과 MTTF(Cycle) 결과치가 Ag, 90Ag-10ceramic 전극을 사용한 적층형 액추에이터의 경우 각각 5.3x107, 2.1x108으로 90Ag-10Ceramic을 복합전극으로 사용한 경우 가장 높은 신뢰성을 나타내었다. 이와 같이 Ag-ceramic계 전극의 경우 특성 저하 없이 우수한 전기․기계적 특성을 나타내고 신뢰성에서도 우수한 결과를 나타내어 Ag 및 고가의 Ag-Pd 내부전극을 저가의 Ag-ceramic 복합소재 내부전극으로 대체 가능함을 확인하였다.
압전 및 전왜재료를 이용한 액추에이터는 정밀한 미소변위 조절과 높은 발생력 등을 요구하는 광학 stage, 정밀 전자기기 그리고 반도체 소자등과 같은 응용분야에 널리 이용되고 있으며, 특히 적층형 압전 세라믹 액추에이터(Multi-Layer Ceramic Actuator, MLCA)는 연료 분사기, 광학 테이블, Surgery devices, Sunroof motor, Active Engine Mount 등 정밀기계 및 전자기기 분야에서 광범위하게 연구되어지고 있다. MLCA는 세라믹 층과 내부전극 층을 교대로 적층하여 동시에 소성하는 과정을 거쳐 제작된다. 적층형 MLCA의 신뢰성은 작동 중의 결함발생과 이러한 결함이 진행되어 파괴되는 과정이 주요 관심사이다. 이것은 세라믹 층과 내부전극층 사이의 delamination과 계면에서의 미세균열들이 균열성장의 핵으로 생각되어지고, 탈지공정 동안 유기첨가물을 포함하고 있는 금속전극의 촉매반응과 동시소성 치밀화 부정합으로 인한 내부전극과 세라믹층간의 불충분한 부착력과 열 수축 특성의 부정합으로 인하여 계면에서의 미세균열들의 발생과 외부전극의 납땝과 냉각과정에서의 내부응력 발생 때문에 delamination이 발생되며 일반적으로 이러한 미세균열과 내부결함은 MLCA의 성능저하와 파괴의 주된 원인이 된다. 현재 MLCA에 사용되는 내부전극으로는 Ag-Pd계가 주로 사용되고 있으며, MLCA의 소결온도가 낮을수록 값비싼 Pd의 함량을 낮추어 값 싼 Ag전극재료의 사용이 가능하게 되어 제품의 단가를 절감할 수 있지만, Ag의 경우 MLCA의 제작과정에서 세라믹 층과의 부착력이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 순수한 Ag의 녹는점은 961.9℃이며, 950℃ 이상의 소성온도를 가지는 소재에서는 이용이 불가능하다. 이에 따라, 본 연구의 선행연구로 950oC 이하의 소성온도에서 우수한 압전특성을 가지는 세라믹스를 개발하기 위하여 소결조제로 0.1wt.%Li2CO3를 첨가한 PMN-PZT세라믹스의 저온소성 연구를 하였으며, 그 결과 소성온도 950oC에서 전기기계결합계수(kp) 66.7%, 압전상수(d33) 534pC/N의 우수한 압전특성을 나타내었다. 따라서, 본 연구에서는 PMN-PZT+0.1wt.%Li2CO3 저온소성 소재를 이용하여 이에 적합한 Ag-Ceramic 복합 내부전극을 연구하는 것을 목표로 하였다. 이에 저온소결온도(950oC 이하)에서 사용가능한 Ag paste에 고에너지 분쇄법(HEBM)을 이용하여 미립화된 PZT계 나노분말을 첨가하여 세라믹 분말의 함량변화에 따른 Ag-ceramic 복합소재 내부전극의 열 수축 특성과 전기전도도 특성변화를 연구하였으며, 이를 저온소성 MLCA에 적용하여 동시소성 정합성을 관찰하고 내부 결함의 유무와 유전 및 압전특성의 변화 및 전기․기계적 특성을 비교․분석하였다. 그 결과, 내부전극 중 압전세라믹 분말의 함량이 증가할수록 모재 세라믹과 유사한 열 수축특성을 나타내어 MLCA 제작 시 동시소성 정합성이 향상되었고 Ag-ceramic 복합소재 내부전극을 이용한 MLCA의 변위특성은 내부전극의 종류에 큰 영향 없이 200V의 전계 하에서 8.0×10-4~1.1×10-3의 변형률을 보였으며, 90Ag-10ceramic 전극의 경우 가장 뛰어난 변위 특성을 나타내었다. 발생력 또한 Ag-ceramic계 내부전극이 95Ag-5Pd의 경우보다 더 우수하였으며, 신뢰성 테스트 결과 MTTF(Cycle) 결과치가 Ag, 90Ag-10ceramic 전극을 사용한 적층형 액추에이터의 경우 각각 5.3x107, 2.1x108으로 90Ag-10Ceramic을 복합전극으로 사용한 경우 가장 높은 신뢰성을 나타내었다. 이와 같이 Ag-ceramic계 전극의 경우 특성 저하 없이 우수한 전기․기계적 특성을 나타내고 신뢰성에서도 우수한 결과를 나타내어 Ag 및 고가의 Ag-Pd 내부전극을 저가의 Ag-ceramic 복합소재 내부전극으로 대체 가능함을 확인하였다.
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