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문제 정의
- 이와 같이 2-2형 압전복합재료에 대한 이론적 해석[7-9]이나, 이것의 제작공정에 대한 연구 [10][11]는 다수 있지만, 2-2형 압전복합재료를 이용하여 초음파 트랜스듀서의 시제품을 제작하고 음향 특성을 연구한 결과나 유사한 결과는 찾을 수 없었다. 따라서 본 연구에서는 압전성이 우수한 PZT와 낮은 밀도를 가지는 고분자재료를 결합시킨 2-2형 압전복합재료를 이용한 초음파 트랜스듀서를 설계하고 제작하여 음향특성을 조사하였다.
- 이와 같이 2-2형 압전복합재료에 대한 이론적 해석[7-9]이나, 이것의 제작공정에 대한 연구 [10][11]는 다수 있지만, 2-2형 압전복합재료를 이용하여 초음파 트랜스듀서의 시제품을 제작하고 음향 특성을 연구한 결과나 유사한 결과는 찾을 수 없었다. 따라서 본 연구에서는 압전성이 우수한 PZT와 낮은 밀도를 가지는 고분자재료를 결합시킨 2-2형 압전복합재료를 이용한 초음파 트랜스듀서를 설계하고 제작하여 음향특성을 조사하였다.
제안 방법
- 2-2형 압전복합재료의 제작은 그림 1에서 보는 바와 같이 분극된 PZT 시편을 다이아몬드 톱날 (두께 300 ㎛)을 이용하여 폭 (kerf)을 일정하게 300 ㎛로 고정하고 PZT의 시편의 폭을 변화시켜 PZT의 부피분율이 각각 0.8, 0.6, 0.4, 0.2가 되도록 하였다. 가공된 PZT 시편의 홈 (kerf)에는 충진제가 첨가된 고분자재료를 채우고 침투성을 높이기 위하여 진공펌프를 이용하여 고분자재료 내부의 기포를 제거한 후 30℃와 100℃＜3에서 24시간 경화시켰다.
- 2-2형 압전복합재료의 제작은 그림 1에서 보는 바와 같이 분극된 PZT 시편을 다이아몬드 톱날 (두께 300 ㎛)을 이용하여 폭 (kerf)을 일정하게 300 ㎛로 고정하고 PZT의 시편의 폭을 변화시켜 PZT의 부피분율이 각각 0.8, 0.6, 0.4, 0.2가 되도록 하였다. 가공된 PZT 시편의 홈 (kerf)에는 충진제가 첨가된 고분자재료를 채우고 침투성을 높이기 위하여 진공펌프를 이용하여 고분자재료 내부의 기포를 제거한 후 30℃와 100℃＜3에서 24시간 경화시켰다.
- 이때 #이므로 복합재료의 유전율 #는 PZT의 유전율과 체적비에 의존하게 된다. PZT (PZT-5A)와 고분자재료를 이용하여 제작한 2-2형 압전복합재료의 PZT 부피분율에 따른 비유전율은 임피던스 분석기 (Impedance Analyzer, HP4194A)를 사용하여 1 kHz에서 정전용량 (C)을 측정하여, 다음식 (2)를 이용하여 계산하였다.
- 이때 #이므로 복합재료의 유전율 #는 PZT의 유전율과 체적비에 의존하게 된다. PZT (PZT-5A)와 고분자재료를 이용하여 제작한 2-2형 압전복합재료의 PZT 부피분율에 따른 비유전율은 임피던스 분석기 (Impedance Analyzer, HP4194A)를 사용하여 1 kHz에서 정전용량 (C)을 측정하여, 다음식 (2)를 이용하여 계산하였다.
- PZT의 제작은 PZT (PZT-5A) 분말 (Fuji Titan PZT-5A)을 닥터블레이드 (doctor blade)법 [13]을 이용하여 60×50×2 ㎜ 크기의 시트를 제작한 후 580 ℃에서 1시간 동안 바인더를 태우고, 1,180℃에서 2시간 소결하였다.
- 가공된 PZT 시편의 홈 (kerf)에는 충진제가 첨가된 고분자재료를 채우고 침투성을 높이기 위하여 진공펌프를 이용하여 고분자재료 내부의 기포를 제거한 후 30℃와 100℃＜3에서 24시간 경화시켰다. 경화된 시편은 두께가 1 ㎜가 되도록 래핑 기계를 이용하여 양면 연마를 실시하였다. 연마된 시편의 제 특성을 측정하기 위하여 10×10×1 ㎜의 크기로 절단한 후 상온용 은 전극 (Nilaco Co.
- )를 선정 하였다. 또한, 고분자재료의 수축률을 최소화 시키고 PZT와의 접착력을 증가시키기 위해 TiO2 분말을 충진제로 선정한 후 고분자재료에 각각 10 wt% 첨가하였다. PZT의 제작은 PZT (PZT-5A) 분말 (Fuji Titan PZT-5A)을 닥터블레이드 (doctor blade)법 [13]을 이용하여 60×50×2 ㎜ 크기의 시트를 제작한 후 580 ℃에서 1시간 동안 바인더를 태우고, 1,180℃에서 2시간 소결하였다.
- )를 선정 하였다. 또한, 고분자재료의 수축률을 최소화 시키고 PZT와의 접착력을 증가시키기 위해 TiO2 분말을 충진제로 선정한 후 고분자재료에 각각 10 wt% 첨가하였다. PZT의 제작은 PZT (PZT-5A) 분말 (Fuji Titan PZT-5A)을 닥터블레이드 (doctor blade)법 [13]을 이용하여 60×50×2 ㎜ 크기의 시트를 제작한 후 580 ℃에서 1시간 동안 바인더를 태우고, 1,180℃에서 2시간 소결하였다.
- 소결된 PZT 시트는 25×25×1.5 ㎜의 크기로 절단하여 은전극을 도포한 후, 120℃ 실리콘 오일에서 2 ㎸/㎜의 전압으로 30분간 분극을 실시하였다.
- 실제 제작된 2-2 압전복합재료 트랜스듀서의 송수신 특성을 알아보기 위하여 펄스-리시버 (Pulse-Receiver, Panametrics 5072PR)와 오실로스코프 (Agilent 54624A)를 사용하여 음향특성을 측정하였다. 그림 7과 8은 각각 2-2형 압전복합재료 트랜스듀서의 시간영역 특성과 주파수 영역 특성을 나타낸 것이다.
- 실제 제작된 2-2 압전복합재료 트랜스듀서의 송수신 특성을 알아보기 위하여 펄스-리시버 (Pulse-Receiver, Panametrics 5072PR)와 오실로스코프 (Agilent 54624A)를 사용하여 음향특성을 측정하였다. 그림 7과 8은 각각 2-2형 압전복합재료 트랜스듀서의 시간영역 특성과 주파수 영역 특성을 나타낸 것이다.
- 연마된 시편의 제 특성을 측정하기 위하여 10×10×1 ㎜의 크기로 절단한 후 상온용 은 전극 (Nilaco Co.)을 양면에 도포하고 은선 (silver wire)을 신호선으로 연결하였다.
- 연마된 시편의 제 특성을 측정하기 위하여 10x10x1 颇의 크기로 절단한 후 상온용은 전극 (Nilaco Co.)을 양면에 도포하고 은선 (silver wire)을 신호선으로 연결하였다.
대상 데이터
- 2로변화시켰다. 이 모델은 8,405개의 절점과 6,400개의 육면체요소 (hexa element)로 형성되어 있다. 이때 경계 조건으로는 압전복합재료의 X, y축을 고정하였다.
- 압전복합재료 제작시 사용된 고분자재료의 경화에 따른 수축 현상은 시편의 변형을 일으키고 PZT와 고분자재료의 접착력을 약화시키는 원인이 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 사용된 고분자재료는 수축률과 밀도가 낮으며 상용으로 많이 사용되고 있는 Araldite (Ciba Geigy), Epofix (Struers Corp.)와 DEP (Daihan Poly.)를 선정 하였다. 또한, 고분자재료의 수축률을 최소화 시키고 PZT와의 접착력을 증가시키기 위해 TiO2 분말을 충진제로 선정한 후 고분자재료에 각각 10 wt% 첨가하였다.
- 압전복합재료 제작시 사용된 고분자재료의 경화에 따른 수축 현상은 시편의 변형을 일으키고 PZT와 고분자재료의 접착력을 약화시키는 원인이 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 사용된 고분자재료는 수축률과 밀도가 낮으며 상용으로 많이 사용되고 있는 Araldite (Ciba Geigy), Epofix (Struers Corp.)와 DEP (Daihan Poly.)를 선정 하였다. 또한, 고분자재료의 수축률을 최소화 시키고 PZT와의 접착력을 증가시키기 위해 TiO2 분말을 충진제로 선정한 후 고분자재료에 각각 10 wt% 첨가하였다.
- 그림 3은 상용의 구조해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 유한요소해석 (FEA)법에 의한 공진특성을 나타내었다. 해석에 사용된 압전재료와 고분자재료는 각각 PZT (PZT-5A)와 Epofix를 사용하였으며 그 물성은 표 1과 같다. 압전복합재료 모델은 기계-전기-자기-열의 커플 요소 (couple element)인 solid5를 사용하여 직육면체로 가로(X)와 세로 (y)를 각각 10 ㎜, 높이 (z)를 1 ㎜크기로 하여 압전복합재료의 부피분율을 0.
이론/모형
- 2-2형 압전복합재료의 PZT 부피분율 변화에 따른 고유음향 임피던스는 펄스-에코 (Pulse-echo)법으로 반사파의 속도를 측정하여 계산하였는데, 그 결과를 그림 6에 나타내었다. 음속과 밀도 곱으로 주어지는 압전복합재료 트랜스듀서의 고유음향 임피던스는 측정 대상 매질의 경계면에서 일어나는 초음파의 반사 및 투과를 결정짓는 중요한 요소로 복합재료의 두께가 일정한 경우 고유음향 임피던스는 재료의 밀도에 의존하게 된다.
- 2-2형 압전복합재료의 PZT 부피분율 변화에 따른 고유음향 임피던스는 펄스-에코 (Pulse-echo)법으로 반사파의 속도를 측정하여 계산하였는데, 그 결과를 그림 6에 나타내었다. 음속과 밀도 곱으로 주어지는 압전복합재료 트랜스듀서의 고유음향 임피던스는 측정 대상 매질의 경계면에서 일어나는 초음파의 반사 및 투과를 결정짓는 중요한 요소로 복합재료의 두께가 일정한 경우 고유음향 임피던스는 재료의 밀도에 의존하게 된다.
- 본 연구는 압전복합재료를 PZT와 고분자재료를 이용하여 다이스와 필 (dice-and-fill)방법으로 제작하였다[12]. 압전복합재료 제작시 사용된 고분자재료의 경화에 따른 수축 현상은 시편의 변형을 일으키고 PZT와 고분자재료의 접착력을 약화시키는 원인이 된다.
- 본 연구는 압전복합재료를 PZT와 고분자재료를 이용하여 다이스와 필 (dice-and-fill)방법으로 제작하였다[12]. 압전복합재료 제작시 사용된 고분자재료의 경화에 따른 수축 현상은 시편의 변형을 일으키고 PZT와 고분자재료의 접착력을 약화시키는 원인이 된다.
성능/효과
- PZT 부피분율이 0.6이 되면 적절한 务값과높은 전기기계결합계수를 나타내어 높은 대역폭과 진폭 특성을 나타내었으며, 0.4와 0.2에서는 다시 감소하였다.
- PZT의 부피분율이 0.2〜0.6에서는 kt 값이 0.64~0.68로 거의 일정한 값을 유지하였지만 그 이상에서는고분자재료 상에 의한 PZT상의 클램핑 (clamping)효과에 의하여 두께방향 전기기계결합계수가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 일반적인 압전세라믹의 종횡비가 0.
- PZT의 부피분율이 0.2〜0.6에서는 kt 값이 0.64~0.68로 거의 일정한 값을 유지하였지만 그 이상에서는고분자재료 상에 의한 PZT상의 클램핑 (clamping)효과에 의하여 두께방향 전기기계결합계수가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 일반적인 압전세라믹의 종횡비가 0.
- 공진특성은 유한요소해석 결과와 실제로 제작한 시편을 실험으로 측정결과 유사하게 나타났다. 두께방향 전기기계 결합계수는 PZT 부피분율이 0.2〜0.6에서 거의 일정한 값을 가지나 그 이상에서는 감소하는 경향을 보였다. 압전복합재료 트랜스듀서의 고유음향 임피던스는 고분자 재료의 종류에는 크게 영향을 받지 않으며, 대체적으로 PZT의 부피분율에 영향을 받는다.
- 이는 PZT와 고분자재료가 단순히 병렬 구조만을 갖고 있다는 가정하에 PZT의 부피분율 변화에 따른 유전상수의 변화를 계산한 Haun의 이론 모델 결과와 유사한 경향을 나타내었다. 따라서 압전복합재료의 비유전율은 고분자재료의 체적과 유전율 보다는 PZT의 체적비와 유전율에 의존함을 확인 할 수 있었다.
- 6의 범위에서 3〜7 Mrayls로 단일의 PZT에 비하여 현저히 낮게 나타났다. 음향특성을 측정한 결과 PZT의 부피분율이 0.6일 때 가장 높은 진폭과 넓은 주파수 대역폭을 가지므로 우수한 감도 및 해상도를 가진다. 이것은 정합층을 가지는 일반적 인 초음파 트랜스듀서와 대등한 성능을 가진다.
- 6의 범위에서 3〜7 Mrayls로 단일의 PZT에 비하여 현저히 낮게 나타났다. 음향특성을 측정한 결과 PZT의 부피분율이 0.6일 때 가장 높은 진폭과 넓은 주파수 대역폭을 가지므로 우수한 감도 및 해상도를 가진다. 이것은 정합층을 가지는 일반적 인 초음파 트랜스듀서와 대등한 성능을 가진다.
- 하지만 고분자재료의 부피가 증가하면 압전복합재료의 유전율이 감소에 따른 gh값이 높아져 단일 PZT로 구성된 트랜스듀서에 비하여 우수한 송·수신 특성을 나타내었다.
후속연구
- 이것은 정합층을 가지는 일반적 인 초음파 트랜스듀서와 대등한 성능을 가진다. 따라서 본 연구에서 제작한 2-2형 압전복합재료 트랜스듀서는 일반적인 압전 트랜스듀서에서 사용하는 까다로운 정합층 부착공정을 해결할 수 있을 것으로 사료된다.
- 이것은 정합층을 가지는 일반적 인 초음파 트랜스듀서와 대등한 성능을 가진다. 따라서 본 연구에서 제작한 2-2형 압전복합재료 트랜스듀서는 일반적인 압전 트랜스듀서에서 사용하는 까다로운 정합층 부착공정을 해결할 수 있을 것으로 사료된다.
- 2 일때 고유음향 임피던스는 7~3 MraylsS 현저하게 감소함을 보여 주고 있다. 이것은 물이나 인체의 고유음향 임피던스에 상당히 근접한 값을 나타내어 2-2형 압전복합재료가 수중 및 의료용의 초음파 트랜스듀서로 사용 가능성을 확인 할 수 있다.
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