[논문]유한요소해석법을 이용한 2-2형 압전복합재료 초음파 트랜스듀서의 설계 및 압전특성

박재성; 이상욱

유한요소해석법을 이용한 2-2형 압전복합재료 초음파 트랜스듀서의 설계 및 압전특성
Design and Piezoelectric properties of 2-2 piezocomposite Ultrasonic Transducers by means of the Finite Element Methode 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the institute of electronics engineers of Korea. IE. 산업전자, v.48 no.2, 2011년, pp.40 - 46

초록
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본 연구에서는 테입-케스팅 방법을 이용하여 제작한 PZT-5A의 소결온도 변화에 따른 압전특성을 조사한 후 유한요소 해석법을 이용하여 2-2형 압전복합재료를 초음파 트랜스듀서를 설계하고 압전특성을 해석하였다. 2-2형 압전복합재료의 음향임피던스와 압전전하상수($d_{33}$)는 PZT 부피분율이 감소함에 따라 밀도의 감소로 감소하여 0.6~0.2의 범위에서 14~3 MRayl로 초음파 트랜스듀서로 사용가능한 특성을 나타내었다. 공진특성과 전기기계결합계수는 PZT부피분율이 0.6일 때 가장 우수한 특성을 나타내었으며, PZT의 부피분율이 0.2~0.6에서는 $k_t$ 값이 0.64~0.68로 거의 일정한 값을 유지하였지만 그 이상에서는 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 실험결과로부터 2-2형 압전복합재료는 초음파 트랜스듀서 재료로 응용 가능성을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, PZT-5A green sheet were prepared by using tape casting technique, and the piezoelectric properties of PZT-5A by variation of sintering temperature was investigated. After, design and piezoelectric properties of 2-2 piezocomposite ultrasonic transducers by menas of the FEA. The acoustic impedance and piezoelectric charge constant of the 2-2 type piezocomposite transducer decreased proportionally due to the density decrease caused by the PZT volume fraction decrease. The piezocomposite acoustic impedance were 7~3 MRayl between 0.6 and 0.2 allowing it to be used for a ultrasonic transducer. The resonance characteristics and the electro-mechanical coupling factor were the best when the volume fraction PZT was 0.6. The PZT volume fraction shows the fixed value, 0.6~0.65, approximately within the range between 0.2 and 0.6 while it is increased to decreased over the range. The result of the experiment above confirmed that the 2-2 piezoelectric composites could be used as the ultrasonic transducers.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

X-선 주사 시 인가한 전압 및 전류는 각각 40 ㎸와 100 ㎃이며, 스캔 스텝폭은 0.02°, 스텝 시간은 5 sec로 하였다.
본 연구에서 균일한 두께의 PZT 시편 제작을 위하여 복잡한 기계장치를 필요로 하지 않으며 균일한 두께의 성형체를 대량으로 생산할 수 있는 테입 케스팅(tape casting)공정을 이용하여 PZT-5A 그린시트(green sheet)를 제조하였다. 그린시트는 PZT 분말(Morgan Electro Ceramics Co.
본 연구에서는 초음파 트랜스듀서의 실제 제작에 앞서 MPB 근처의 조성이면서 soft계 압전재료 중의 하나인 PZT-5A를 선정하여 소결 온도에 따른 압전특성을 조사한 후 유한요소 해석법(finite element method, FEM)을 이용하여 PZT의 부피분율 변화에 따른 밀도와 음향 임피던스 및 압전특성에 대한 해석을 수행하여 높은 두께방향 전기기계결합계수(k_t)와 압전전하상수(d₃₃) 값을 가지는2-2형 압전복합재료 초음파 트랜스듀서의 제작 가능성을 조사하였다.
5 ㎜의 크기로 절단하여 1 ㎜ 두께로 연마 후, 스크린 인쇄방법을 이용하여 전도성 은전극(Dupont #7095)을 도포하여 120℃ 실리콘 오일에서 2 ㎸/㎜의 전압으로 30분간 분극을 실시하였다. 분극 처리 된 시편은 24시간 동안 공기 중에서 상온 방치 후 압전특성을 조사하였다.
소결 온도에 따른 소결성 및 2차상의 존재를 관찰하기 위해 회절각 2θ를 20～80° 범위에서 X-선 회절분석을 하였다.
소결된 시편은 다이아몬드 톱날(diamond saw)을 이용하여 10×10×1.5 ㎜의 크기로 절단하여 1 ㎜ 두께로 연마 후, 스크린 인쇄방법을 이용하여 전도성 은전극(Dupont #7095)을 도포하여 120℃ 실리콘 오일에서 2 ㎸/㎜의 전압으로 30분간 분극을 실시하였다.
2로 변화시켰다. 이 모델은 8,405개의 절점(node)과 6,400개의 육면체요소(hexa element)로 유한요소 모델링(finite element modeling)하였다. 이때 경계 조건으로는 압전복합재료의 x, y축을 고정하였다.
제작된 시트(sheet)는 상온에서 48시간 건조 후 물성을 측정하기 위하여 15×15×2.3 ㎜의 크기로 절단하여 600℃에서 4시간 바인더를 태우고, 1050～1180℃에서 2시간 소결 하였다.
테입 케스팅 방법을 이용하여 제작한 PZT-5A의 소결 온도변화에 따른 압전특성과 이를 물성값으로부터 유한요소 해석법을 이용하여 2-2형 압전복합재료 초음파 트랜스듀서의 압전특성과 음향 특성을 조사한 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

그린시트는 PZT 분말(Morgan Electro Ceramics Co., PZT-5A)에 유기첨가제를 첨가하여 적절한 점도의 슬러리(slurry)를 제조하여 건조 시켜 75×60 ×2.5 ㎜ 크기의 시트(sheet)를 제작하였다.
4에 나타내었다. 해석에 사용된 압전재료와 고분자재료는 각각 PZT-5A와 Epofix였으며, 각 재료의 물성은 Table 2의 물성값을 이용하여 적용하였다.

이론/모형

상용의 구조해석 프로그램인 ANSYS(Swanson analysis systems, Inc., U.S.A.)를 이용하여 유한요소해석법(FEA)에 의한 공진특성을 Fig. 4에 나타내었다. 해석에 사용된 압전재료와 고분자재료는 각각 PZT-5A와 Epofix였으며, 각 재료의 물성은 Table 2의 물성값을 이용하여 적용하였다.
초음파 트랜스듀서는 실제 제작에 앞서 사용용도와 기능에 따라 성능의 최적화를 이룰 수 있도록 이론적인 모델 및 설계과정을 거치게 된다. 초음파 트랜스듀서의 해석에는 일반적으로 3차원적 특성이나 비선형적 특성을 해석하기 위해서 유한요소 해석법, 경계요소 해석법 등을 사용한다^[3].

성능/효과

PZT-5A의 비유전율(εr)과 압전전하상수(d33)는 소결성 향상에 따른 기공률 감소로 인하여 증가한 반면 압전전압상수(g33)는 소결성에 관계없이 거의 일정한 값을 나타내었다.
PZT의 부피분율이 감소함에 따라 압전복합재료의 압전전압상수(g₃₃)는 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 압전복합재료의 PZT 부피분율이 감소하여도 d₃₃는 크게 변화가 없는 반면에 PZT 부피분율 감소에 따른 비유전율 감소에 기인한 것이며, 단일상의 PZT 보다 음파의 수신감도가 개선됨을 알 수 있다.
소결밀도(ρ)는 소결온도가 높아짐에 따라 소결성이 향상되어 증가하였으며, 1180℃에서 소결한 시편의 밀도는 7,747 ㎏/㎥를 나타내었다. 소결온도가 높아짐에 따라 입자크기의 증가에 따른 기공율 감소와 밀도의 증가에 의하여 비유전율(𝜖_r)도 증가하였다. 기계적품질계수(Q_m)는 밀도와 서로 비례하여 1180℃에서 최대값을 나타내었다.
따라서 소결온도 변화에 따라 모두 (002)면과 (200)면이 공존하므로 상경계 영역의 조성임을 확인할 수 있다. 소결온도변화에 따른 X-선 회절분석 결과 페로브스카이트 상 이외의 다른 피크는 나타나지 않는 것으로 보아 상합성이 잘 이루어졌음을 알 수 있었다.
5는 2-2형 압전복합재료 초음파 트랜스듀서의 PZT 부피분율 변화에 따른 밀도와 음향 임피던스 및 두께방향 전기기계결합계수의 유한요소 해석 결과를 나타내었다. 압전복합재료의 밀도와 음향 임피던스는 고분자재료의 밀도에 비해 PZT의 밀도가 매우 높은 값을 가지므로 PZT 부피분율이 증가함에 따라 밀도는 선형적으로 증가하였다. 음속과 밀도의 곱으로 표현되는 압전복합재료의 음향 임피던스는 밀도의 증가로 인하여 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있으며, 두께방향 전기기계결합계수는 그림에서 보는 바와 같이 PZT 부피분율이 0.
유한요소법을 이용한 해석결과 2-2형 압전복합재료의 PZT 부피분율이 감소함에 따라 음향임피던스는 감소하였으며, 두께방향 전기기계결합계수는 PZT 부피분율이 0.2～0.6에서 거의 일정한 값을 가지나 그 이상에서는 감소하는 경향을 보였다.
압전복합재료의 밀도와 음향 임피던스는 고분자재료의 밀도에 비해 PZT의 밀도가 매우 높은 값을 가지므로 PZT 부피분율이 증가함에 따라 밀도는 선형적으로 증가하였다. 음속과 밀도의 곱으로 표현되는 압전복합재료의 음향 임피던스는 밀도의 증가로 인하여 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있으며, 두께방향 전기기계결합계수는 그림에서 보는 바와 같이 PZT 부피분율이 0.6인 경우 가장 높게 나타났으며 그 이상에서는 고분자 상에 의한 PZT 상의 클램핑 (clamping) 효과에 의하여 두께방향 전기기계결합계수가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 일반적인 압전재료의 종횡비가 0.
이는 압전복합재료의 PZT 부피분율이 감소하여도 d₃₃는 크게 변화가 없는 반면에 PZT 부피분율 감소에 따른 비유전율 감소에 기인한 것이며, 단일상의 PZT 보다 음파의 수신감도가 개선됨을 알 수 있다. 이상의 결과로부터 2-2형 압전복합재료는 수중 및 의료용 초음파 트랜스듀서의 요구조건을 비교적 잘 만족하고 있음을 알 수 있다.
이상의 결과로부터 본 연구에서 해석한 2-2형 압전복합재료서는 초음파 트랜스듀서로 사용 가능성을 확인할 수 있었다. 향후 2-2형 압전복합재료를 이용한 초음파 트랜스듀서를 실제로 제작하여 이것의 초음파의 송수신 특성을 조사하여 단일상의 트랜스듀서 보다 성능이 뛰어난 초음파 트랜스듀서를 개발할 것이다.

후속연구

이상의 결과로부터 본 연구에서 해석한 2-2형 압전복합재료서는 초음파 트랜스듀서로 사용 가능성을 확인할 수 있었다. 향후 2-2형 압전복합재료를 이용한 초음파 트랜스듀서를 실제로 제작하여 이것의 초음파의 송수신 특성을 조사하여 단일상의 트랜스듀서 보다 성능이 뛰어난 초음파 트랜스듀서를 개발할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수 MHz 이상의 주파수를 사용하는 초음파 트랜스듀서의 문제점은?	기존의 수중 통신 및 의료용 초음파 트랜스듀서는 PZT계 압전세라믹의 전면에 초음파 파장의 1/4이 되는 두께의 정합층(matching layer)을 부착하여 제작하게 된다. 그러나 수 MHz 이상의 주파수를 사용하는 초음파 트랜스듀서의 경우 정합층의 두께가 0.1～0.2 ㎜로 얇아야 하는 등 정합층 제작 시 복잡한 설계 및 제어공정이 요구된다[1]. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 R.
	초음파 트랜스듀서의 해석에 사용되는 방법은?	초음파 트랜스듀서는 실제 제작에 앞서 사용용도와 기능에 따라 성능의 최적화를 이룰 수 있도록 이론적인 모델 및 설계과정을 거치게 된다. 초음파 트랜스듀서의 해석에는 일반적으로 3차원적 특성이나 비선형적 특성을 해석하기 위해서 유한요소 해석법, 경계요소 해석법 등을 사용한다[3].
	수 MHz 이상의 주파수를 사용하는 초음파 트랜스듀서의 문제점을 보완한 방법은?	E. Newnham[2] 등은 상접속도(phase connectivity) 개념을 이용한 압전복합재료를 이용하여 해결방안을 제시하였다. 특히 1-3형, 2-2형 등의 압전복합재료는 높은 두께방향 전기기계결합계수와 낮은 비유전율 및 고유 음향임피던스를 가지고 있으며, 유전 및 기계적 손실이 적고 광대역 주파수 특성을 얻을 수 있어 고주파용 트랜스듀서 및 초음파 트랜스듀서 등에 응용이 기대되고 있다.

참고문헌 (9)

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S. Takahashi, S. Hirose, K. Uchino and K. Y. Oh, "Electro-mechanical characteristics of lead-zirconate-titanate ceramics under vibration-level change", Proc. of IEEE, pp. 377-382, 1995.
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상세보기
M. J. Haun and R. E. Newnham, "Experimental and theoretical study of 1-3 and 1-3-0 piezoelectric PZT-Polymer composites for hydrophone applications", Ferroelectrics, Vol. 68, pp. 123-139. 1986.
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H. Takeuchi and C. Nakaya, "PZT/Polymer composites for medical ultrasonic probe", Ferroelectrics, Vol. 68, No. 1, p. 53-61, 1986.
D. Robertson, G. Hayward and A. Gachagan, "Comparison of the frequency and pyhsical nature of the lowest order parasitic mode in single crystal and ceramic 2-2 and 1-3 piezoelectric composite transducers", IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Contr., Vol. 53, No. 8, pp. 1503-1512, 2006.

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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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