[논문]평판형 압전 복합재료 작동기의 작동 변위에 미치는 인가전압 및 구동주파수의 영향

구남서; 우성충

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.5.576

평판형 압전 복합재료 작동기의 작동 변위에 미치는 인가전압 및 구동주파수의 영향
Influence of Applied Electric Fields and Drive Frequencies on The Actuating Displacement of a Plate-type Piezoelectric Composite Actuator 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.30 no.5 = no.248, 2006년, pp.576 - 584

구남서 (건국대학교 신기술융합학과) , 우성충 (건국대학교 인공근육연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The actuating performance test of plate-type piezoelectric composite actuators having different lay-up sequences was experimentally carried out at simply supported and fixed-free boundary conditions. The actuating displacement of manufactured plate-type piezoelectric composite actuator (PCA) was measured using a non-contact laser displacement measurement system. Our results revealed that the actuating displacement with increasing applied electric field at a drive frequency of 1Hz increased non-linearly at the simply supported boundary condition whereas it almost linearly increased at the fixed-free boundary condition. On the other hand, the actuating displacement of piezoelectric composite actuator depended on the applied electric field in a drive frequency range from 1Hz to 10Hz, but its behavior was different in higher drive frequencies beyond 15Hz due to the occurrence of resonance. On the basis of the above experimental results, the bending characteristics of PCAs revealed different behavior depending on applied electric fields, drive frequencies as well as boundary conditions. Therefore, by investigating drive frequencies together with applied electric fields, actuating performance can be easily controlled and PCAs which were fabricated for this study will be sufficiently applied to pumping devices.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 이들 결과를 고찰하여 펌핑 기구나 고양력장치 작동기에의 적용가능성을 확인하고자 한다.
이와 같은 말 안장형 곡률은 압전 복합재료 작동기의 성능을 저해하는 요인이 될 수 있을 뿐만 아니라 펌핑기구나 고양력장치 작동기로 적용하는데 있어 문제점이 될 수 있다. 말 안장형 곡률이 발생되지 않도록 하기 위해서는 평직형(fabric type) 섬유강화 복합재료를 사용함으로써 해결할 수 있는데, 본 연구자는 선행연구四纣)에서 평직형 탄소섬유/에폭시와 유리섬유/에폭시의 물성값을 이용하여 비대칭으로 적층된 평판형 압전 복합재료 작동기 (Plate-type piezoelectric Composite Actuator,PCA) 에 대해 성형시의 냉각과정에서 발생하는 잔류 열 변형을 고려한 3차원 유한요소해석을 수행하여 PZT의 두께, 작동기의 적층순서 그리고 경계조건이 작동성능에 미치는 영향을 규명 한바 있다. 또한 3점 굽힘하중을 받는 단일 PZT와본 연구에서 소개하고자 하는 PCA에 대해 하중 단계별 파괴거동을 비파괴평가법의 하나인 음향 방출법을 이용하여 진폭 및 주파수영역에서 감시하고 이를 해석하여 PCA의 최초 손상은 PZT층의 취성파괴로 인한 것이며 최종파단은 유리섬유 바닥층에서의 섬유파단으로 인한 주 균열의 급진전임을 밝혔다.
본 연구에서는 서로 다른 적층구성을 갖는 평판형 압전 복합재료 작동기를 제작하고 작동성능시험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 선행연구의 결과를 바탕으로 평직형 탄소섬유/에폭시와 유리섬유/에폭시 프리프레그를 이용하여 PCA를 제작하고 단순지지 조건과 외팔 평판 경계조건에서 인가전압과 구동 주파수에 따른 PCA의 굽힘 특성을 해명하고자 한다. 또한 이들 결과를 고찰하여 펌핑 기구나 고양력장치 작동기에의 적용가능성을 확인하고자 한다.

제안 방법

), 오실로스코프 (HP 54622A), 제작된 작동기로 구성된다. PZT층에 0~200Vpp(peak to peak voltage)의 교류 전압과 l~30Hz의 구동 주파수를 정현파의 형태로 가하여 작동변위를 측정하였다. Fig.
탄소섬유/에폭시는 전도체이므로 전기적 단전을 방지하기 위하여 PZT보다 가로 및 세로로 1mm 작은 크기를 사용하였고 유리섬유/에 폭시 는 작동성 능 시험 시 작동기의 탭 부분을 제작하기 위해 가로 및 세로방향으로 10mm 큰 것을 사용하였다. 또한 적층시 전압공급을 위해 PZT층 아래위에 구리선을 배치하였다. 편의상, PZT를 기준으로 상층부에 탄소섬유/에폭시 프리프레그의 장수에 따라 PCA-A, -B 그리고 -C 로 각각 명명하기로 한다.
Yoon 등㈣은 THUNDERTM작동기의 금속층을 섬유강화 복합 재료로 대체하여 성형곡률을 갖는 경량화 압전 복합재료 작동기 LIPCA를 개발하고 간단한 해석적 방법을 이용하여 작동기의 작동변위 발생 원리를 설명하였으며 THUNDER7-R 모델에 비해 34%의 경량화 및 13% 높은 작동성능을 나타내는 것으로 보고하였다. 또한, Gex 등⑲은 탄소섬유/에폭시 대신 일방향(unidirectional) 케블라/에폭시 플라이 내에 압전세라믹을 배치하여 GEPAC을 제작하고 저주파수 영역에서 초음파 비파괴검사 방법을 병행하여 피로시험을 수행하면서 건전성을 평가하였다.
Lee 등四은 본 연구에서 사용된 PZT 3203HD wafor가 인가 전압이 증가함에 따라 비선형거동을 보인다는 것을 실험을 통하여 확인하고 이 비선형거동을 표현할 수 있는 실험식을 증분형태의 수치적 방법으로 제안하였다. 본 연구에서는 PZT wafer의 비선형 거동을 근사적으로 반영하여 이를 유한요소 시뮬레이션에 적용하였다. 유한요소 모델의 크기는 가로(72mm)x세로(72mm)로 하였고 x축을 작동기의 가로방향, y축을 세로방향, z축을 두께 방향으로 설정하였다.
상용 유한요소 프로그램 ANSYS를 이용하여 전기적 하중을 받는 압전 복합재료 작동기의 작동 변위 또는 처짐량을 예측하였다. Lee 등四은 본 연구에서 사용된 PZT 3203HD wafor가 인가 전압이 증가함에 따라 비선형거동을 보인다는 것을 실험을 통하여 확인하고 이 비선형거동을 표현할 수 있는 실험식을 증분형태의 수치적 방법으로 제안하였다.
3단계는 PZT층에 전압을 가하여 횡 방향 작동변위를 예즉하는 단계이다. 유한요소 시뮬레이션에 적용된 경계조건은 실험 결과와의 비교를 위해 양단 단순지지조건과 외팔 평판 조건으로 모델링하였다.
2에는 본 연구를 위해 제작된 작동기의 적층구조와 적증구성별 이름을 나타낸다. 적증구성별 작동성능을 확인하기 위하여 3종류의 압전 복합재료 작동기를 제작하였다. 참고적으로 PCA-A는 시뮬레이션에 의한 선행연구에서 작동성능이 가장 우수하였고 PCA-C는 가장 좋지 못하였다.

대상 데이터

, USA), 평 직 형 탄소섬 유/에폭시 프리프레그 (WSN1K-B, SK Chemicals, Korea) 그리고 평직형 유리섬유/에폭시 프리 프레 그 (GEP108, SK Chemicals, Korea)이다. PZT를 보호하기 위하여 PZT 아래층은 두께가 0.07mm인 평직형 유리섬유/ 에폭시 프리프레그를 사용하였다. PZT층을 기준으로 상층부는 두께 0.
07mm인 평직형 유리섬유/ 에폭시 프리프레그를 사용하였다. PZT층을 기준으로 상층부는 두께 0.105mm의 평직형 탄소섬유/ 에폭시 프리프레그의 적층위치와 장수를 달리하여 제작하였다. 탄소섬유/에폭시는 전도체이므로 전기적 단전을 방지하기 위하여 PZT보다 가로 및 세로로 1mm 작은 크기를 사용하였고 유리섬유/에 폭시 는 작동성 능 시험 시 작동기의 탭 부분을 제작하기 위해 가로 및 세로방향으로 10mm 큰 것을 사용하였다.
본 연구에서는 PZT wafer의 비선형 거동을 근사적으로 반영하여 이를 유한요소 시뮬레이션에 적용하였다. 유한요소 모델의 크기는 가로(72mm)x세로(72mm)로 하였고 x축을 작동기의 가로방향, y축을 세로방향, z축을 두께 방향으로 설정하였다. 적층판의 층간에서는 요소 간의 완전결합을 부여하였고 해석에 사용된 요소는 8 절점 3차원 요소를 사용하였다.
적층 순서가 달라지면 각 층의 물성 및 강성의 '차이로 인해 성형 후에 발생하는 잔류 열응력의 분포와 돔 높이도 달라진다. 작동기 제작에 사용된 재료는 두께가 0.25mm인 단일 PZT wafer (3203HD, CTS Co., USA), 평 직 형 탄소섬 유/에폭시 프리프레그 (WSN1K-B, SK Chemicals, Korea) 그리고 평직형 유리섬유/에폭시 프리 프레 그 (GEP108, SK Chemicals, Korea)이다. PZT를 보호하기 위하여 PZT 아래층은 두께가 0.
작동변위 측정을 위한 전체적인 실험장치의 개략도는 Fig. 3과 같고 시험편 지지 장치, 작동변위를 측정할 수 있는 비 접촉식 레이저 변위계(Keyence LK-081), 전압 공급기 (TD-2 Power Supplier, Face International Co.), 오실로스코프 (HP 54622A), 제작된 작동기로 구성된다. PZT층에 0~200Vpp(peak to peak voltage)의 교류 전압과 l~30Hz의 구동 주파수를 정현파의 형태로 가하여 작동변위를 측정하였다.
유한요소 모델의 크기는 가로(72mm)x세로(72mm)로 하였고 x축을 작동기의 가로방향, y축을 세로방향, z축을 두께 방향으로 설정하였다. 적층판의 층간에서는 요소 간의 완전결합을 부여하였고 해석에 사용된 요소는 8 절점 3차원 요소를 사용하였다. 작동변위 예측을 위한 시뮬레이션은 3단계로 이루어져 있다.
105mm의 평직형 탄소섬유/ 에폭시 프리프레그의 적층위치와 장수를 달리하여 제작하였다. 탄소섬유/에폭시는 전도체이므로 전기적 단전을 방지하기 위하여 PZT보다 가로 및 세로로 1mm 작은 크기를 사용하였고 유리섬유/에 폭시 는 작동성 능 시험 시 작동기의 탭 부분을 제작하기 위해 가로 및 세로방향으로 10mm 큰 것을 사용하였다. 또한 적층시 전압공급을 위해 PZT층 아래위에 구리선을 배치하였다.

성능/효과

(1) PZT세라믹을 기준으로 하층부는 열팽창 계수가 크고 저강성인 유리섬유/에폭시 프리프레그와 상층부는 열팽창계수가 작고 고강성의 탄소 섬유/에폭시 프리프레그를 적층한 PCA-A의 경우가 성형 후 열 변형으로 인한 돔 높이가 가장 컸으며 준 정적 상태에서의 작동변위도 가장 크게 나타났다. 이는 상기의 적층구조로 인해 모멘트 평형에 의한 중립면이 압전세라믹 상부에 존재하여 압전 효과로 인한 굽힘 모멘트가 크게 작용함과 동시에 성형 후 작동기 내부의 응력구배가 작동기 성능을 증대시켰기 때문이다.
(2) 준 정적 상태인 1Hz에서의 인가전압 증가에 따른 작동변위는 PCA-A가 가장 컸으나 고 인가전압 및 고주파수 영역에서는 작동기별 공진 주파수의 발생으로 인하여 각 경계조건별로 작동 성능은 상이하였다. 특호k 구동주파수는 작동기의 작동 변위에 지대한 영향을 미치는 요소임을 알 수 있었다.
(3) 본 연구에서 제작된 평판형 압전 복합재료 작동기는 취성 재료인 압전세라믹과 면외 하중에 취약한 복합재료로 구성되어 있어, 작동기의 주된 작동모드인 굽힘 모드에 장기간 노출될 경우 작동기의 건전성 및 성능저하가 예상된다. 따라서 작동기의 신뢰성을 위해 건전성 평가도 수반되어야 할 것이다.
이는 인가전압이' 높아짐에 따라 압전세라믹 자체가 비선형 거동을 나타내기 때문이 며(27) 압전재료의 비 선형성 은 인가전압뿐만 아니라 기계적 내부 응력이 클수록 영향을 많이 받는 것으로 알려져 있다.(꺼) 본 연구에서 사용된 압전세라믹(3203HD PZT wafer)의 재료 비선형 거동을 고려한 예측치는 측정치와 비교하여 \品=200일 때 최대 8% 오차 내에서 비교적 잘 일치함을 보였으며 인가전압이 증가할수록 그 격차는 커졌다. 이러한 차이의 주된 원인으로는 유한요소 시뮬레이션 수행시에 작동기와 지지대 사이의 마찰과 그립의 무게 효과가 고려되지 않았기 때문인 것으로 사료된다.
4에 본 연구에서 제작된 작동기의 성형 후각 층의 열팽창계수 및 강성의 차이로 인해 발생하는 돔 높이를 비 접촉식 레이저 변위계를 이용하여 측정한 값과 유한요소 시뮬레이션으로 열변형 해석한 값을 나타낸다. Fig. 2에 나타내었듯이 PZT 상층부에 열팽창계수가 낮고 고 강성인 3장의 탄소섬유/에폭시를 적층한 PCA-A의 경우 경화 시의 열 변형에 의한 돔 높이가 가장 컸으며 열팽창계수가 높고 저 강성인 2장의 유리섬유/에폭시와 탄소섬유/에폭시가 교대로 적층된 PCA-C 의 돔 높이가 가장 작게 나타났다. 예측치와 측정치를 비교할 때, 성형 돔 높이는 15-20% 정도의 차이를 보였는데, 이러한 차이의 주된 원인은 작동기 제작시 적층판의 치수가 시뮬레이션에 사용된 것과는 다소 다르고, 작동기 성형시에 온도에 따라 복합재료의 물성이 변한다는 경화 반응과 관련된 현상이 시뮬레이션 수행 시에는 고려되지 않았기 때문인 것으로 판단된다.
이는 외팔 평판의 경우 작동변위는 작동기의 모서리부에서의 처짐변위를 측정하였는데 한쪽 단이 자유로워 굽힘 모멘트에 의한 에너지 전달이 더욱 용이하고 모서리 효과(comer effect)로 인해 작동변위를 크게 증대시킨 것이다. 따라서 준 정적 상태에서의 실험 결과로부터 작동기의 작동변위는 인가전압, 경계조건 그리고 작동기의 적층구조에 따라 달랐음을 알 수 있었다.
말 안장형 곡률이 발생되지 않도록 하기 위해서는 평직형(fabric type) 섬유강화 복합재료를 사용함으로써 해결할 수 있는데, 본 연구자는 선행연구四纣)에서 평직형 탄소섬유/에폭시와 유리섬유/에폭시의 물성값을 이용하여 비대칭으로 적층된 평판형 압전 복합재료 작동기 (Plate-type piezoelectric Composite Actuator,PCA) 에 대해 성형시의 냉각과정에서 발생하는 잔류 열 변형을 고려한 3차원 유한요소해석을 수행하여 PZT의 두께, 작동기의 적층순서 그리고 경계조건이 작동성능에 미치는 영향을 규명 한바 있다. 또한 3점 굽힘하중을 받는 단일 PZT와본 연구에서 소개하고자 하는 PCA에 대해 하중 단계별 파괴거동을 비파괴평가법의 하나인 음향 방출법을 이용하여 진폭 및 주파수영역에서 감시하고 이를 해석하여 PCA의 최초 손상은 PZT층의 취성파괴로 인한 것이며 최종파단은 유리섬유 바닥층에서의 섬유파단으로 인한 주 균열의 급진전임을 밝혔다.
본 연구에서는 구동주파수가 ”"에서의 작동변위를 준정적 상태라고 가정한다. 모든 작동기에 대해 인가 전압 증가에 따라 측정된 작동변위의 거동은 비선형성을 보였다. 이는 인가전압이' 높아짐에 따라 압전세라믹 자체가 비선형 거동을 나타내기 때문이 며(27) 압전재료의 비 선형성 은 인가전압뿐만 아니라 기계적 내부 응력이 클수록 영향을 많이 받는 것으로 알려져 있다.
최대가 되는 현상은 인가전압이 증가할수록 현저하였는데 이는 PZT층에 상대적으로 높은 전압이 가해지면서 PZT 내부에 강탄성 연화현상 (ferroelastic softening)0] 발생하기 때문이며 비슷한 결과가 Wang 등林과 Schwartz 등㈣에 의해 보고되었다. 상기의 결과로 비추어 볼 때 l~10Hz의 구동 주파수 범위에서 작동변위는 거의 변함이 없었으나 15Hz 이상 구동주파수에서는 PCA-C의 경우에만 공진 주파수의 발생으로 인해 작동기별로 상이한 굽힘 거동을 보였으므로 작동변위는 인가전압 보다는 구동주파수에 더욱 민감한 것으로 판단된다.
8(d)의 변화추이로 볼 때, 아마도 3아"보다 고주파수에서 공진현상이 나타났을 것으로 추측된다. 이와 같은 결과는 공진 주파수가 기하학적 특성, 재료적 특성 그리고 경계조건 등에 영향을 받음을 말해주고 있으며 전체적으로 단순지지 조건의 작동변위와 비교하면, 구동 주파수 증가에 따라 큰 작동변위의 값을 보였다. PCA-A의 경우, 단순 지지조건에서와는 달리 인가전압이 낮을 때(\—=50, 100)에도 공진주파수가 발생하였는데 이는 단순지지 조건에 비해 외팔 평판의 조건에서 에너지 전달이 용이하였던 것으로 사료된다.
인가전압 증가에 따라 작동변위는 단순지지 조건과는 다르게 거의선형적으로 증가함을 알 수 있다. 인가전압이 200Vpp일 때 PCA-A의 작동변위는 -C보다 약 1.61 배 높았으며 PCA-B는 약 1.52배 높은 것으로 나타났다. 이들 값은 단순지지 조건에서의 각 작동기별 작동변위 차이와 거의 비슷한 수준이다.
적층구성별 작동변위는 주파수 증가에 따라 상당히 다른 특징적 거동을 보였으며 공진주파수에서 작동변위가 최대가 되었다. 인가전압이 낮을 때(\上广50), 작동변위는 구동 주파수가 증가하여도 거의 변함이 없었으며 오히려 아주 근소하게 감소하는 경향을 보였다. Vpp=100일 때의 작동변위는 V„>=50일 때보다 전체적으로 높았지만 거의 비슷한 경향을 보였고 구동 주파수가 20Hz부터 PCA-C의 .
이러한 차이의 주된 원인으로는 유한요소 시뮬레이션 수행시에 작동기와 지지대 사이의 마찰과 그립의 무게 효과가 고려되지 않았기 때문인 것으로 사료된다. 측정값을 기준으로 인가전압이 200V”일 때, PCA-A의 작동변위는 PCA-C보다 약 1.65배 컸으며 PCA-B는 약 1.5배 컸다. 이와 같은 결과는 선행연구에서 규명되었듯이, 작동기의 작동성능은 굽힘 강성이 작을수록 그리고 작동거리가 클수록 커지는데"”。) PCA-A와 -B의 경우, 탄소섬유/에폭시의 체적비가 -C에 비해 높기 때문에 굽힘 강성은 PCA-C의 그것보다 크지만 모멘트평형에 의한 중립면의 위치가 PZT층 외부에 위치하고 작동거리가 컸기 때문이 다.
상이하였다. 특호k 구동주파수는 작동기의 작동 변위에 지대한 영향을 미치는 요소임을 알 수 있었다. 따라서 펌핑 기구의 기류나 유량을 적절히 제어하기 위해서는 인가전압과 구동 주파수의 영향이 동시에 고려되어야 할 것이다.

후속연구

작동변위의 측면에서는 공진주파수를 파악함으로써 최대의 작동변위를 내는 것이 바람직하나 작동기가 고전압 및 공진 주파수에서 장기간 작동하는 경우 PZT 및 복합재 층에 피로 누적에 의한 손상이 발생하여 작동기의 성능을 저하시킬 수 있으므로 적절한 구동주파수 제어가 요구된다. 인가전압뿐만 아니라 구동주파수에 따른 압전 복합재료 작동기의 작동 및 굽힘 특성을 동시에 평가함으로써 실제로 펌프나 고양력 장치에 적용될 때 이들을 적절히 제어한다면 유량이나 기류를 충분히 제어할 수 있을 것이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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