[논문]세라믹 사출성형기술로 제조한 1-3형 압전복합체의 물성 평가

신호용; 김종호; 임수진; 임종인

doi:10.4191/kcers.2011.48.6.648

[국내논문] 세라믹 사출성형기술로 제조한 1-3형 압전복합체의 물성 평가
Material Properties Evaluation of 1-3 type Piezo-composite Fabricated with Ceramic Injection Molding Technology 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.48 no.6, 2011년, pp.648 - 653

신호용 (한국세라믹기술원 기업지원본부 시뮬레이션센터) , 김종호 (한국세라믹기술원 기업지원본부 시뮬레이션센터) , 임수진 (한국세라믹기술원 기업지원본부 시뮬레이션센터) , 임종인 (한국세라믹기술원 기업지원본부 시뮬레이션센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Generally the piezo-composites have superior hydrostatic response characteristics than PZT ceramics due to both the stress amplification effect in axial direction and stress reduction effects in radial direction. This paper described material properties of a 1-3 type piezo-composite that fabricated with ceramic injection molding (CIM) technology. The electro-mechanical performances of the composite have been analyzed using FEM and the physical properties of the composite have been measured with the vol% of the PZT ceramics. Based on the results, the $k_t$ increased rapidly as the vol% of the PZT ceramics increased up to 30 vol% and saturated the constant value in the above region. Also the experimental results have good agreement with the simulation values of the composite. Finally we developed the composites having high piezoelectric properties than the PZT ceramics with the CIM technology.

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문제 정의

본 연구에서는 CIM을 이용하여 1-3형 압전복합체를 제작하고자 하였다. 그러나 CIM을 이용하여 1-3형 압전복합체를 제작할 경우 높은 금형 제작비로 인하여 다양한 형상 및 조건에 따른 제작이 어렵고, 또한 제작하더라도 압전 물성 측정을 통한 성능의 평가가 힘들다.
그래서 FEM을 이용하여 압전복합체의 물성을 평가하고 압전복합체 제작에 적용하고자 하였으며, 1-3형 압전복합체는 PZT의 부피 비(volume fraction)에 따라 10~60%의 사출 금형을 제작하고 성형하여 제작하고자 하였다. 이후 CIM을 이용하여 제작한 압전복합체의 물성 성능을 비교 평가하고 FEM 해석결과와 비교하여, CIM 공정을 이용한 1-3형 압전복합체의 신뢰성을 검증하고자 하였다.
본 연구에서는 기존의 압전복합체의 제작 방식인 배열(array)과 가공 등에서 발생할 수 있는 문제점을 보완하기 위해 제작공정에 CIM을 적용하여 1-3형 압전복합체를 제작하고자 하였다. 그러나 CIM 공정 설계시 많은 비용과 시간이 발생하는 금형 제작에 의하여 요구되는 모든 형상을 제작하기가 힘들고 제작하더라도 다양한 모드의 압전 성능을 평가하기는 쉽지 않다.
CIM으로 제작된 압전복합체의 물성을 측정하였으며, 이를 FEM 해석결과와 비교하여 CIM으로 제작된 1-3형 압전복합체의 신뢰성을 평가하고자 하였다. Fig.

제안 방법

7) 혼합공정은 미세분말과 유기결합제인 바인더를 혼합하여 사출이 가능하도록 유동성을 부여한 피드스탁을 만드는 과정이며, 본 연구에서는 직접 합성한 PZT-5A 분말과 유기바인더를 가열된 double planetary mixer를 이용하여 1차 혼련을 실시하여 2차로 이축 스크류 압출기(twin screw extruder)를 이용하여 혼합하였다.
그러나 CIM을 이용하여 1-3형 압전복합체를 제작할 경우 높은 금형 제작비로 인하여 다양한 형상 및 조건에 따른 제작이 어렵고, 또한 제작하더라도 압전 물성 측정을 통한 성능의 평가가 힘들다. 그래서 FEM을 이용하여 압전복합체의 물성을 평가하고 압전복합체 제작에 적용하고자 하였으며, 1-3형 압전복합체는 PZT의 부피 비(volume fraction)에 따라 10~60%의 사출 금형을 제작하고 성형하여 제작하고자 하였다. 이후 CIM을 이용하여 제작한 압전복합체의 물성 성능을 비교 평가하고 FEM 해석결과와 비교하여, CIM 공정을 이용한 1-3형 압전복합체의 신뢰성을 검증하고자 하였다.
본 연구에서는 유한요소프로그램인 PZflex (Weidlinger Associates Inc.)를 사용하여 1-3형 압전복합체의 임피던스 특성을 분석하였다. 해석에 적용되는 압전재료는 PZT-5A이며, 매트릭스는 Table 1에서 나타난 3가지 폴리머 재료를 적용하였다.
해석에 적용되는 압전재료는 PZT-5A이며, 매트릭스는 Table 1에서 나타난 3가지 폴리머 재료를 적용하였다. 또한 해석 모델은 Fig. 1과 같은 1-3 결합 구조로 압전복합체를 구성하고, 두께방향 모드 공진자의 유한요소 모델을 구성하여 주파수에 따른 임피던스 특성을 해석하였다. 그리고 압전재료의 부피 비는 5%부터 95%까지 변화시키며 압전복합체를 해석하였고, 이렇게 해석된 임피던스를 이용하여 k_t 등의 압전 성능을 평가하고자 하였다.
1과 같은 1-3 결합 구조로 압전복합체를 구성하고, 두께방향 모드 공진자의 유한요소 모델을 구성하여 주파수에 따른 임피던스 특성을 해석하였다. 그리고 압전재료의 부피 비는 5%부터 95%까지 변화시키며 압전복합체를 해석하였고, 이렇게 해석된 임피던스를 이용하여 k_t 등의 압전 성능을 평가하고자 하였다. 또한 두께방향 진동 모드 외에도 PZT 부피비가 20%, 40%, 60%인 1-3형 압전복합체를 해석하여 다양한 모드의 FEM 해석을 통하여 1-3형 압전복합체의 압전상수를 도출하고자 하였다.
그리고 압전재료의 부피 비는 5%부터 95%까지 변화시키며 압전복합체를 해석하였고, 이렇게 해석된 임피던스를 이용하여 k_t 등의 압전 성능을 평가하고자 하였다. 또한 두께방향 진동 모드 외에도 PZT 부피비가 20%, 40%, 60%인 1-3형 압전복합체를 해석하여 다양한 모드의 FEM 해석을 통하여 1-3형 압전복합체의 압전상수를 도출하고자 하였다.
⁷⁾ 혼합공정은 미세분말과 유기결합제인 바인더를 혼합하여 사출이 가능하도록 유동성을 부여한 피드스탁을 만드는 과정이며, 본 연구에서는 직접 합성한 PZT-5A 분말과 유기바인더를 가열된 double planetary mixer를 이용하여 1차 혼련을 실시하여 2차로 이축 스크류 압출기(twin screw extruder)를 이용하여 혼합하였다. 그리고 펠릿(pellet) 형태로 만들어 사출시 피드스탁이 선단부로 이송이 가능하도록 하였다.
사출공정에 앞서 사출성형 금형을 PZT의 부피 비에 따라 10, 20, 30, 40, 50, 60%의 금형을 제작하여 CIM을 실시하였다. 금형은 사출시 스프루부의 손실을 최소화 하기 위하여 핫런너 시스템을 적용하였으며, 다이렉트 게이트를 적용하여 변형과 뒤틀림 등의 원인이 되는 내부의 압력구배를 최소화 하였다.
사출공정에 앞서 사출성형 금형을 PZT의 부피 비에 따라 10, 20, 30, 40, 50, 60%의 금형을 제작하여 CIM을 실시하였다. 금형은 사출시 스프루부의 손실을 최소화 하기 위하여 핫런너 시스템을 적용하였으며, 다이렉트 게이트를 적용하여 변형과 뒤틀림 등의 원인이 되는 내부의 압력구배를 최소화 하였다.
혼합된 피드스탁을 분말전용사출기를 스크류와 실린더가 내마모성, 내부식성을 강화한 분말사출성형기를 이용하여 성형하였다. 일반적으로 사출성형공정은 충진(Filling), 보압(Packing), 냉각(Cooling)으로 이루어진다.
일반적으로 첫 번째 조성의 바인더가 제거될 때, 부피 변화가 적게 일어나면 성형체의 비틀림을 최소화할 수 있다. 이러한 이유로 용매 추출법을 이용하여 열분해 전에 가소제 및 윤활제를 제거하였으며, 이후 전기로에서 열분해를 이용하여 잔류 바인더를 모두 제거하였다. 탈지공정이 완료된 후 1250℃에서 1시간동안 소결을 실시하여 분말들이 강도와 기계적 특성을 확보하도록 치밀화 하였다.
이러한 이유로 용매 추출법을 이용하여 열분해 전에 가소제 및 윤활제를 제거하였으며, 이후 전기로에서 열분해를 이용하여 잔류 바인더를 모두 제거하였다. 탈지공정이 완료된 후 1250℃에서 1시간동안 소결을 실시하여 분말들이 강도와 기계적 특성을 확보하도록 치밀화 하였다. Fig.
CIM을 이용하여 제작된 압전세라믹을 1-3형 압전복합체로 제작하기 위하여 용기에 넣고 폴리머를 경화시키는 작업을 실시하였다. 사용된 매트릭스 폴리머는 HP이며 경화제와 주재를 배합하여 압전세라믹 사이에 부어 넣고 상온에서 24시간 경화시켰다.
그러나 CIM 공정 설계시 많은 비용과 시간이 발생하는 금형 제작에 의하여 요구되는 모든 형상을 제작하기가 힘들고 제작하더라도 다양한 모드의 압전 성능을 평가하기는 쉽지 않다. 그래서 FEM 을 이용하여 압전복합체의 성능을 예측하여 경향성을 분석하였다. 그 결과 부피비가 20%, 40%, 60%의 압전 상수들를 도출하였으며, PZT 부피 비 증가에 따른 kt 변화를 분석하였다.
그 결과 부피비가 20%, 40%, 60%의 압전 상수들를 도출하였으며, PZT 부피 비 증가에 따른 kt 변화를 분석하였다. 그리고 CIM으로 제작하기 위하여 PZT의 부피 비가 10~60%인 금형을 제작하여 압전세라믹을 제조하고 압전 성능을 평가하였다. 이렇게 측정된 1-3형 압전복합체의 임피던스, k_t특성 등을 FEM해석 결과와 비교하였다.
또한 Table 2는 시뮬레이션을 통하여 1-3형 압전복합체의 PZT의 부피 비별 압전특성을 예측한 결과이다. 1-3형 압전 복합체의 경향성과 특성을 파악하기 위하여 다양한 형상의 시편제작이 필요하지만, 모드별 공진자를 제작하거나 측정하기가 쉽지 않아서 해석을 수행하였으며 Table 2와 같은 결과를 도출하였다. 나타낸 것처럼 비유전율, d₃₃, e₃₃, 음향임피던스, 밀도 등은 PZT 부피 비에 따라 증가하며, g₃₃값은 감소한다.

대상 데이터

)를 사용하여 1-3형 압전복합체의 임피던스 특성을 분석하였다. 해석에 적용되는 압전재료는 PZT-5A이며, 매트릭스는 Table 1에서 나타난 3가지 폴리머 재료를 적용하였다. 또한 해석 모델은 Fig.
CIM을 이용하여 제작된 압전세라믹을 1-3형 압전복합체로 제작하기 위하여 용기에 넣고 폴리머를 경화시키는 작업을 실시하였다. 사용된 매트릭스 폴리머는 HP이며 경화제와 주재를 배합하여 압전세라믹 사이에 부어 넣고 상온에서 24시간 경화시켰다. Fig.

데이터처리

그리고 CIM으로 제작하기 위하여 PZT의 부피 비가 10~60%인 금형을 제작하여 압전세라믹을 제조하고 압전 성능을 평가하였다. 이렇게 측정된 1-3형 압전복합체의 임피던스, k_t특성 등을 FEM해석 결과와 비교하였다. 그 결과 CIM을 이용한 우수한 특성의 1-3형 압전복합체를 제작하였음을 검증할 수 있었다.

성능/효과

이상의 결과를 요약하면 FEM 해석결과와 제작된 1-3형 압전복합체의 성능을 비교하였을 때, 밀도 및 비유전율의 비교 결과가 목표로 하였던 PZT 부피 비의 시편이 제작하였음을 알 수 있었고, 이외에도 임피던스, kt 특성 등을 평가하여 비교한 결과, FEM에 상응하는 우수한 특성의 1-3형 압전복합체를 CIM을 이용하여 제작하였음을 확인하였다.
그래서 FEM 을 이용하여 압전복합체의 성능을 예측하여 경향성을 분석하였다. 그 결과 부피비가 20%, 40%, 60%의 압전 상수들를 도출하였으며, PZT 부피 비 증가에 따른 kt 변화를 분석하였다. 그리고 CIM으로 제작하기 위하여 PZT의 부피 비가 10~60%인 금형을 제작하여 압전세라믹을 제조하고 압전 성능을 평가하였다.
이렇게 측정된 1-3형 압전복합체의 임피던스, k_t특성 등을 FEM해석 결과와 비교하였다. 그 결과 CIM을 이용한 우수한 특성의 1-3형 압전복합체를 제작하였음을 검증할 수 있었다.
그리고 PZT의 부피 비가 60 vol% 이상이 되면, k_t는 다시 감소하는 경향성을 보이고 있다. 그리고 MP 및 HP 폴리머보다 상대적으로 유연한 SP 폴리머를 사용할 경우, 복합체는 전체적으로 우수한 k_t 특성을 지니고 있는 것으로 분석되었다. 이상의 결과는 Chan 등¹¹⁾이 분석한 결과와도 유사한 결과이다.
7은 PZT 부피 비 증가에 따른 밀도 변화를 비교 분석한 결과이다. 또한 PZT의 부피 비에 따른 FEM과 제작 시편의 비유전율 변화는 Fig. 8과 같으며 밀도와 마찬가지로 비유전율이 높은 PZT가 증가할수록 비례하여 비유전율이 증가함을 알 수 있다. 두 경우 모두 선형적으로 증가며 측정결과와 해석결과가 유사하게 나타난다.
두 경우 모두 선형적으로 증가며 측정결과와 해석결과가 유사하게 나타난다. 이를 통하여 압전 복합체가 PZT 부피 비의 형상으로 제작되었음을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전복합체는 결합구조에 따라 어떻게 구분되는가?	E. Newnham 등에 의하여 제시되었으며,1,2) 우수한 압전성능의 PZT계 압전세라믹과 낮은 음향임피던스의 폴리머를 결합하여 제작하며 결합구조에 따라 압전복합체는 0-0, 0-1, 0-2, 0-3, 1-1, 1-3, 2-1, 2-2, 2-3, 3-3 등으로 구분된다.1-6) 특히 1-3형 압전복합체는 Fig.
	1-3형 압전복합체의 단점은?	이와 같은 1-3형 압전복합체는 배열(Array) 및 가공(Dice and fill)에 의하여 제작하였으나 기존방식으로는 균일하거나 대형화 및 대량생산이 용이하지 않는 단점이 있다. 이 같은 단점을 보완하기 위하여 최근에는 Softmold법, 분말사출성형(Powder injection molding) 등의 다양한 제조공정이 연구되고 있다.
	Powder injection molding의 장점은?	이 같은 단점을 보완하기 위하여 최근에는 Softmold법, 분말사출성형(Powder injection molding) 등의 다양한 제조공정이 연구되고 있다. 분말사출성형은 복잡한 기계 가공이 요구되거나 생산성 능률이 떨어지는 금속부품에 적용되는 MIM(metal injection molding)이나 3차원 형상의 제작 및 기계적 가공이 어려운 난가공성 세라믹분야의 CIM(ceramic injection molding)을 적용할 경우 높은 양산성을 확보할 수 있다.7) 이와 같은 공정상의 장점을 이용하여 MSI社(미국) 등에서는 CIM을 이용하여 다양한 압전복합체를 제작하고 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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L. Bowen and K. French, "Fabrication of Piezoelectric Ceramic/Polymer Composites by Injection Molding," Proceedings of the Eighth IEEE International Symp. on Applications of Ferroelectrics, 160-63 (1992).
R. Gentilman, D. Fiore, H. Pham, W. Serwatka, and L. Bowen, "Manufacturing of 1-3 Piezocomposite $Sono-Panel^{TM}$ Transducers," Proceedings SPIE, 2447 274-81 (1995).
H. L. W. Chan and J. Unsworth, "Simple Model for Piezoelectric Ceramic/polymer 1-3 Composites used in Ultrasonic Transducer Applications," IEEE Trans. Ultra. Ferro. Freq. Cntr., 36 [4] 434-41 (1989).

상세보기
A. Gachagan and G. Hayward, "Improving the Bandwidth of 1-3 Connectivity Composite Receivers using Mode Coupling," J. Acost. Soc. Am., 130 [6] 3344-52 (1998).

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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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