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문제 정의
- 이 연구에서는 진공단열 창문 제작 시 필요한 밀봉 기술에서 유리-금속 간 접합력을 높이기 위하여 필요한 초음파 진동자의 성능인 공진주파수 60 kHz, 끝단 진동 진폭 14 um 이상의 초음파 진동자를 제작하였다. 초음파 진동자를 60 kHz의 공진주파수로 설정하는 방안과 이를 통하여 50 V 입력 전압에 대하여 16.
제안 방법
- 임피던스 해석기를 이용하여 구해진 공진주파수값을 토대로 공진주파수를 변화하였으며 60,380 Hz에서 최대 진동 속도가 측정되었다. 따라서 진동자의 공진 설계가 적합하다는 것을 알 수 있으며, 출력단의 변위는 LVS로 측정한 속도를 이용하여 다음과 같이 계산하였다.
- 이 연구에서는 유리-금속의 이종금속 접합을 위하여 요구되어지는 60 kHz의 진동수를 이용하며 필요한 끝단 지름 4 mm에서 14 um 이상의 진폭 성능능 갖는 진동자를 설계하였다. 먼저 수치 해석을 통한 압축력이 없는 혼의 설계와 이를 이용하여 제작한 진동자의 압축력에 의하여 변하는 구동주파수와 진폭을 측정하여 설계 방안을 검토하였다.
- 무연 솔더를 사용하여 유리-금속 접합 시 접합강도를 높이기 위하여 필요한 초음파 에너지를 발생하는 초음파 진동자를 수치해석을 통하여 설계하였으며, 제작된 진동자의 압전자 가압력에 따른 공진주파수 변화를 알아보았다. 진동자 제작을 위한 가압력에 따라 공진주파수가 약 18.
- Sherr(6) 등은 Mason's model을 이용하여 스텝 혼을 등가회로로 모델링 하였다. 스텝혼을 bolt와 piezoelectric stack, backing layer, horn의 세 부분으로 모델링 하고 혼의 임피던스와가속도를 계산하고 해석결과는 실험을 통해 모델링 결과를 증명하였다. Kim(7) 등은 유한요소 해석을 이용하여 단순 실린더 혼과 스풀 혼을 설계하고, 실험계획법을 이용하여 스풀 혼의 그루브(groove) 형상이 진폭 균일도에 미치는 영향을 분석하였으며, 혼의 형상에 따른 응력과 공진주파수의 변화를 해석하고, laser doppler vibrometer를 이용하여 해석 결과를 검증하였다.
- 열전달 해석을 위해 접합 시험 시 끝단에 위치하는 히터를 가상 금속으로 두어 히터의 온도보다 높은 300 ℃의 조건을 주었으며 진동자가 열평형 상태일 때의 예측 값을 Fig. 4에 나타내었다. Fig.
- 유한요소 해석을 위해 상용 소프트웨어를 사용하였으며, 자유경계조건으로 모드해석을 수행하였다. 초음파 진동자의 웨이브 가이드 재질은 티타늄(titanium T-6)이며, 압전소자는 기계 및 유전 손실이 적은 hard 계열의 압전소자(PZT8)를 사용하였다.
- 이 연구에서는 Fig. 2와 같이 진동자 끝단에서 많은 진동에너지를 얻기 위하여 이보다 큰 면적의 압전소자를 이용하여 스텝형 혼의 개념 설계를 하였으며, 진동자의 압전소자와 접촉부분의 하부금속에 진동절면(nodal plane)을 유도하였다. 진동절면은 초음파 진동자를 고정할 수 있는 지지대로 사용하며, 초음파 진동 에너지의 소모를 최소화할 수 있다.
- 이 연구에서는 유리-금속의 이종금속 접합을 위하여 요구되어지는 60 kHz의 진동수를 이용하며 필요한 끝단 지름 4 mm에서 14 um 이상의 진폭 성능능 갖는 진동자를 설계하였다. 먼저 수치 해석을 통한 압축력이 없는 혼의 설계와 이를 이용하여 제작한 진동자의 압축력에 의하여 변하는 구동주파수와 진폭을 측정하여 설계 방안을 검토하였다.
- 유리-금속 접합을 위하여 무연 솔더를 용융시키는 과정이 필요한데 이를 위하여 진동자 끝단부터 5~20 mm에 걸쳐 히터를 이용하여 약 250 ℃의 열을 가하게 된다. 이렇게 가해지는 열에 의하여 압전소자의 온도가 상승하여 특성 변화를 가져올 수 있기에 압전소자의 온도 변화를 예측하여 안전 여부를 확인하였다.
- 임피던스 해석기를 이용하여 구해진 공진주파수값을 토대로 공진주파수를 변화하였으며 60,380 Hz에서 최대 진동 속도가 측정되었다. 따라서 진동자의 공진 설계가 적합하다는 것을 알 수 있으며, 출력단의 변위는 LVS로 측정한 속도를 이용하여 다음과 같이 계산하였다.
- 제작된 초음파 진동자 출력단의 진동폭에 따라 접합력에 영향을 미칠 것이라 판단되어 지기 때문에 전압의 입력과 진동자 출력간의 관계를 알아보기 위하여 Fig. 7과 같이 시스템을 구성하여 진동 특성 실험을 수행하였다. 시스템 구성은 초음파 진동자를 가진할 수 있는 함수발생기와 발진앰프, 그리고 진동자의 진동 진폭을 측정하기 위한 Polytec 사의 Laser Vibrometer System(LVS) 그리고 측정된 속도를 확인하기 위한 오실로스코프로 구성되어 있다.
- 수치해석 시 볼트 조임 압력 경계조건을 무시하였기에 조임 압력이 적용되어 제작된 진동자와는 공진주파수에서 차이를 보인다. 조임 압력에 의한 공진주파수 상승을 고려하여 약 5 kHz 작은 공진주파수를 갖도록 설계를 하였다. Fig.
- 1절에 언급한 바와 같이 진동자의 구조가 볼트조임 구조를 갖으며, 볼트 조임 가압력에 따라 공진주파수가 달라진다. 처음 진동자 설계 시 60 kHz의 주파수를 갖는 진동자를 제작하는 것이 목표였기 때문에 진동자 제작 시 볼트 조임 가압력에 따라 주파수를 최적으로 조율하였으며, Fig. 6에 임피던스 해석기를 이용하여 압전소자를 조이는 힘에 따른 공진주파수의 변화를 나타내었다. 가압력 25 ~ 190 kgf․cm 따라 5 ~ 6 kHz의 공진주파수 변화 범위를 보이며, 약 192 kgf․cm에서 60,300 Hz의 공진주파수가 확인 되었다.
대상 데이터
- 수치해석 결과의 설계 인자에 따라 제작된 초음파 진동자는 Fig. 5와 같으며 임피던스 분석기 HP 4194A를 이용하여 공진주파수를 측정하였다. 2.
- 7과 같이 시스템을 구성하여 진동 특성 실험을 수행하였다. 시스템 구성은 초음파 진동자를 가진할 수 있는 함수발생기와 발진앰프, 그리고 진동자의 진동 진폭을 측정하기 위한 Polytec 사의 Laser Vibrometer System(LVS) 그리고 측정된 속도를 확인하기 위한 오실로스코프로 구성되어 있다.
- 유한요소 해석을 위해 상용 소프트웨어를 사용하였으며, 자유경계조건으로 모드해석을 수행하였다. 초음파 진동자의 웨이브 가이드 재질은 티타늄(titanium T-6)이며, 압전소자는 기계 및 유전 손실이 적은 hard 계열의 압전소자(PZT8)를 사용하였다. 사용된 티타늄의 물성값은 Table 1과 같다.
성능/효과
- 5와 같으며 임피던스 분석기 HP 4194A를 이용하여 공진주파수를 측정하였다. 2.1절에 언급한 바와 같이 진동자의 구조가 볼트조임 구조를 갖으며, 볼트 조임 가압력에 따라 공진주파수가 달라진다. 처음 진동자 설계 시 60 kHz의 주파수를 갖는 진동자를 제작하는 것이 목표였기 때문에 진동자 제작 시 볼트 조임 가압력에 따라 주파수를 최적으로 조율하였으며, Fig.
- 6에 임피던스 해석기를 이용하여 압전소자를 조이는 힘에 따른 공진주파수의 변화를 나타내었다. 가압력 25 ~ 190 kgf․cm 따라 5 ~ 6 kHz의 공진주파수 변화 범위를 보이며, 약 192 kgf․cm에서 60,300 Hz의 공진주파수가 확인 되었다. 그래프에서 알 수 있듯이 압전소자를 조이는 힘이 ‘0’일 경우 약 56,500 Hz의 공진주파수가 예상되는 것을 알 수 있으며, 이는 유한요소 해석 결과인 55,520 Hz와 약 1.
- 그래프에서 알 수 있듯이 압전소자를 조이는 힘이 ‘0’일 경우 약 56,500 Hz의 공진주파수가 예상되는 것을 알 수 있으며, 이는 유한요소 해석 결과인 55,520 Hz와 약 1.8 %의 오차가 발생하는 것을 알 수 있다.
- 4(b)는 압전소자 부분만의 온도 프로파일을 나타낸 것이다. 여기서 알 수 있듯이 적층된 압전소자 온도는 최고 102.98 ℃ 인 것을 확인 할 수 있으며, 실험을 통한 접촉식 온도계를 이용하여 측정한 결과 103.3 ℃가 측정되었다.
- 무연 솔더를 사용하여 유리-금속 접합 시 접합강도를 높이기 위하여 필요한 초음파 에너지를 발생하는 초음파 진동자를 수치해석을 통하여 설계하였으며, 제작된 진동자의 압전자 가압력에 따른 공진주파수 변화를 알아보았다. 진동자 제작을 위한 가압력에 따라 공진주파수가 약 18.6 Hz/kgfcm로 선형적으로 변화하는 것을 알았으며 제작된 진동자 끝단의 진폭은 가해지는 전압에 대하여 약 2.7 um/V로 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 이 연구에서는 진공단열 창문 제작 시 필요한 밀봉 기술에서 유리-금속 간 접합력을 높이기 위하여 필요한 초음파 진동자의 성능인 공진주파수 60 kHz, 끝단 진동 진폭 14 um 이상의 초음파 진동자를 제작하였다. 초음파 진동자를 60 kHz의 공진주파수로 설정하는 방안과 이를 통하여 50 V 입력 전압에 대하여 16.7 um의 끝단 진폭을 가지는 초음파 진동자를 설계 할 수 있었다.
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