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문제 정의
- 본 연구에서는, 0.2PMN-0.8PZT 적층형 세라믹 액추에이터에서, 공진 및 반공진 주파수특성, 전기기계 결합계수와 준 압전상수의 열화특성에 대하여 고찰하였다.
제안 방법
- 0.2PMN-0.8PZT 적층형 세라믹 압전 액추에이터의 열화거동을 2~4 kV/mm의 유니폴라 잔 기장을 인가하면서 측정, 분석하였다. 또한 XRD 를 이용하여, 열화 전후의 압전체의 결정구조변화를 고찰하였다.
- MCA의 압전 현상을 정확히 관찰하기 위하여 인가 전기장에 따른 스트레인의 변화를 레이저 진동기를 이용하여 측정하였다.
- 주파수 의존성이다. MCA의 열화 특성을 보기 위 하여 2, 3, 4 kV/mm의 유니 폴라 전 기 장을 각각 인가한 상태에서 평가하였다. 표준화한 必3 값이 주파수가 증가함에 따라 감소하였는데, 아래의 1차 지수-시간 법칙(linear logarithmic time law)의 계산치와 비교하였다⑸.
- 전기장 E3 를도입해서 스트레인 X3 를 보정하였다. 또, 준 압전상수 必3 는 최대 전기장과 최소전기장에서의 스트레인값을 직선으로 연결해서 계산하였다. 즉, 그림 5에서의 기울기가 MCA의 준 압전상수이다.
- 측정하였다. 또한 PMN-PZT MCA의탈분극 거동은 2, 3, and 4 kV/mm의 unipolar biases 전기장을 MCA에 인가하여 관찰하였다. 전기장의 크기에 따른 변위는 도플러효과를 이용한 laser vibrometer Graphtec Demodulator AT3700 로 측정하였다.
- 8PZT 적층형 세라믹 압전 액추에이터의 열화거동을 2~4 kV/mm의 유니폴라 잔 기장을 인가하면서 측정, 분석하였다. 또한 XRD 를 이용하여, 열화 전후의 압전체의 결정구조변화를 고찰하였다. 액추에이터의 임피던스와 상의 주파수 의존성을 밝혀내었으며, 준 압전상수 必3 와 유효 전기기계결합 계수 keff 를 계산하여 실험결과와 비교하였는데, 서로가 대체로 일치하였다.
- 8PZT 적층형 세라믹 압전 액추에이터의 열화기구는 다른 재료를 이용한 액추에이터와 마찬가지로 1차 지수함수적 완화법칙을 따른다는 결과를 얻었다. 또한, 실측치와 잘 일치하는, 진정한 준 압전상수를 모델링하였다.
- 시스템의 개요도이다. 레이저 진동기의 분해능은 1 nm 이고, 정밀도를 높이기 위해서, 측정시스템을 광 테이블 위에 설치하고 컴퓨터로 제어하도록 구성하였다. 특히 MCA는 측정하는 동안에 진공 가nick으로 마이크로 스테이지에 고정하였다.
- 재료 내부의 무잘서도는 이완거동과 분극처리에 기인한다고 보고되었다 E1. 본 연구에서는 적층형 세라믹 액추에이터에서 시간에 따른 열화거동을 중점적으로 다루었다. 세라믹 액추에이 터를 구동하기위해서는 20~50 kV/cm의 비교적 고전압을 인가해야한다.
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2.2 측정 및 분석
분극처 리전, 분극처 리후, 열화에 의한 탈분극 후의 MCA 의 결정구조변화를 보기위하여, X-ray diffraction (XRD) pattern을 이용하였으며, 임피던스와 상의 주파수의존성은 HP 4194A impedance analyzer로 측정하였다. 또한 PMN-PZT MCA의탈분극 거동은 2, 3, and 4 kV/mm의 unipolar biases 전기장을 MCA에 인가하여 관찰하였다.
- 나타낸다. 열화현상을 관찰하기 위하여 MCA에 2 kV/mm의 유니폴라 전기장을 인가하였다. 그림 4 (a)는 임피던스의 주파수 의존성, (b)는 상의 주파수 의존성을 나타내는데, 주파수 범위는 1 kHz 에서 1 MHz 까지 이다.
- 또한 PMN-PZT MCA의탈분극 거동은 2, 3, and 4 kV/mm의 unipolar biases 전기장을 MCA에 인가하여 관찰하였다. 전기장의 크기에 따른 변위는 도플러효과를 이용한 laser vibrometer Graphtec Demodulator AT3700 로 측정하였다.
- 특히 MCA는 측정하는 동안에 진공 가nick으로 마이크로 스테이지에 고정하였다. 주파수 발진기와 증폭기를 이용하여, 100 Hz의 정현파를 발생시키고 증폭하였다.
대상 데이터
- 8PZT 를 MCA를 제작하는 압전재료로 선택하였다. 순도 99.9 % 이상의 PbO, ZrO2, TiO2, MgO, Nb2O5 분말을 이용하여 0.2PMN- 0.8PZT 압전재료 분말을 합성하였다. 이렇게 합성된 압전분말은 테이프 케스팅으로 그린sheet을 만들고, 이를 전극 처리하여 적층하고 소결과정을 거쳐 액추에이터를 제작하였다.
- 큰 값을 갖는다. 이런 점을 고려하여 0.2PMN-0.8PZT 를 MCA를 제작하는 압전재료로 선택하였다. 순도 99.
이론/모형
- 분극처리 할 때, <001> 방향으로 전기장을 걸어주면, 같은 방향으로 많은 domain이 배열해서 (001) 면 지수의 intensity가 커진 것으로 생각된다. XRD 결과로부터, PMN-PZT의 격자상수를 최소 자승법을 적용한 Nelson-Rilley 외삽 함수인 식 (1)을 이용하여 격자상수를 계산하였다[8].
성능/효과
- 또한 XRD 를 이용하여, 열화 전후의 압전체의 결정구조변화를 고찰하였다. 액추에이터의 임피던스와 상의 주파수 의존성을 밝혀내었으며, 준 압전상수 必3 와 유효 전기기계결합 계수 keff 를 계산하여 실험결과와 비교하였는데, 서로가 대체로 일치하였다. 여러 다른 크기의 unipolar bias 를 MCA에 인가하여, 열화의 시간, 전기장에의 의존성을 고찰하였는데, 그 결과로부터 0.
- 액추에이터의 임피던스와 상의 주파수 의존성을 밝혀내었으며, 준 압전상수 必3 와 유효 전기기계결합 계수 keff 를 계산하여 실험결과와 비교하였는데, 서로가 대체로 일치하였다. 여러 다른 크기의 unipolar bias 를 MCA에 인가하여, 열화의 시간, 전기장에의 의존성을 고찰하였는데, 그 결과로부터 0.2PMN-0.8PZT 적층형 세라믹 압전 액추에이터의 열화기구는 다른 재료를 이용한 액추에이터와 마찬가지로 1차 지수함수적 완화법칙을 따른다는 결과를 얻었다. 또한, 실측치와 잘 일치하는, 진정한 준 압전상수를 모델링하였다.
- Zhang 은 상유전재료의 열화가 여러 번의 이완과정을 거쳐서 일어난다고 보고하였고 [6, 7], S. Priya 역시 PMN-PT 와 PZN-PT 단결정에서 유사한 결과를 도출하였다[이. 이러한 결과를 종합해볼 때, 압전재료의 열화는 1차 지수함수적 완화법칙 (linear logarithmic relaxation law of stretched exponential)을 따르는 것이 분명해 보인다.
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