PZT-5 계열 압전진동자의 위성부품 활용성 연구를 위하여 CVCM(Collected Volatile Condensable Material) 및 TML(Total Mass Loss)을 측정하여 규정된 0.1% 및 1.0% 이하의 값을 얻었고, 베이크아웃챔버를 이용하여 고온 및 고진공상태에서 $500ng/cm^2/hr$ 이하의 낮은 TQCM(ThermoelectricQuartz Crystal Microbalance) 값을 얻어 위성체 부품으로의 적합성을 재확인하였다. 압전진동자에 대한 고진공 환경 전후의 압전특성을 비교 분석한 결과 진공환경에 의한 전기-기계적 특성은 1% 미만으로 큰 변화가 없음을 확인하였다. 아울러, $-100^{\circ}C{\sim}90^{\circ}C$의 범위에 대한 PZT-5계열의 압전 진동자에 대하여 온도변화에 따른 특성변화를 조사한 결과, 공진 및 반공진주파수는 상온일 때를 중심으로 온도의 변화에 따라 증가하였고 유전상수의 경우 주어진 온도 범위에서 2500~7500의 범위에서 선형적으로 증가하였다. 기계적 손실은 0.08 ~ 0.03의 범위에서 선형적으로 감소하는 경향을 보였다.
PZT-5 계열 압전진동자의 위성부품 활용성 연구를 위하여 CVCM(Collected Volatile Condensable Material) 및 TML(Total Mass Loss)을 측정하여 규정된 0.1% 및 1.0% 이하의 값을 얻었고, 베이크아웃 챔버를 이용하여 고온 및 고진공상태에서 $500ng/cm^2/hr$ 이하의 낮은 TQCM(Thermoelectric Quartz Crystal Microbalance) 값을 얻어 위성체 부품으로의 적합성을 재확인하였다. 압전진동자에 대한 고진공 환경 전후의 압전특성을 비교 분석한 결과 진공환경에 의한 전기-기계적 특성은 1% 미만으로 큰 변화가 없음을 확인하였다. 아울러, $-100^{\circ}C{\sim}90^{\circ}C$의 범위에 대한 PZT-5계열의 압전 진동자에 대하여 온도변화에 따른 특성변화를 조사한 결과, 공진 및 반공진주파수는 상온일 때를 중심으로 온도의 변화에 따라 증가하였고 유전상수의 경우 주어진 온도 범위에서 2500~7500의 범위에서 선형적으로 증가하였다. 기계적 손실은 0.08 ~ 0.03의 범위에서 선형적으로 감소하는 경향을 보였다.
All spacecraft components shall be checked for compatibility with vacuum using CVCM and TML in advance. CVCM and TML of the PZT-5 piezoelectric vibrator has to be less than 0.1% and 1.0% respectively. Also, it has less than $500ng/cm^2/hr$ of TQCM for vacuum bake-out test using high tempe...
All spacecraft components shall be checked for compatibility with vacuum using CVCM and TML in advance. CVCM and TML of the PZT-5 piezoelectric vibrator has to be less than 0.1% and 1.0% respectively. Also, it has less than $500ng/cm^2/hr$ of TQCM for vacuum bake-out test using high temperature and high vacuum. Thus, the piezoelectric vibrator may be employed in the vacuum environments. Finally, it can be confirmed that the characteristics change of the piezoelectric vibrator is less than 1% under vacuum environments. Also, the temperature dependency of the characteristics in the PZT-5 piezoelectric vibrator with the lateral mode was investigated in the range of $-100^{\circ}C$ to $90^{\circ}C$ using the thermal vacuum chamber to utilize the vibrator to the aerospace industries. As the results, at room temperature, the resonant and anti-resonant frequencies had the minimum value, whereas, the dielectric constant increased linearly from about 2500 to 7500 in the given temperature range. The mechanical loss decreased linearly from 0.08 to 0.03.
All spacecraft components shall be checked for compatibility with vacuum using CVCM and TML in advance. CVCM and TML of the PZT-5 piezoelectric vibrator has to be less than 0.1% and 1.0% respectively. Also, it has less than $500ng/cm^2/hr$ of TQCM for vacuum bake-out test using high temperature and high vacuum. Thus, the piezoelectric vibrator may be employed in the vacuum environments. Finally, it can be confirmed that the characteristics change of the piezoelectric vibrator is less than 1% under vacuum environments. Also, the temperature dependency of the characteristics in the PZT-5 piezoelectric vibrator with the lateral mode was investigated in the range of $-100^{\circ}C$ to $90^{\circ}C$ using the thermal vacuum chamber to utilize the vibrator to the aerospace industries. As the results, at room temperature, the resonant and anti-resonant frequencies had the minimum value, whereas, the dielectric constant increased linearly from about 2500 to 7500 in the given temperature range. The mechanical loss decreased linearly from 0.08 to 0.03.
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문제 정의
압전진동자를 이용한 압전 밴딩모드 액추에이터, 위치제어센서 등에 사용되는 압전 자이로스코프, 통신용 필터에 사용되는 압전 표면파 디바이스 등은 모두 압전 횡진동 모드를 이용한 예이다(5-7). 본 연구에서는 우주환경 하에서 횡진동 모드 압전 진동자의 실용적인 활용을 위하여 시판되고 있는 압전 진동자에 대한 진공환경 호환성과 온도 및 압력변화에 따른 전기-기계적 특성 변화를 실험적으로 고찰한다.
제안 방법
따라서 사전에 사용될 소자들이 진공에 적합한지 여부를 CVCM (Collected Volatile Condensable Material) 및 TML (Total Mass Loss)을 통해 확인하고, 위성 부품의 제작 후 지상에서 고온(80 ℃ 이상)과 고진공(5.0 × 10-3 Pa 이하)의 상태를 모사하여 오염물질의 방출 및 근원을 검출할 수 있는 진공 베이크아웃 시험을 수행한다(9).
먼저 상용 PZT-5 계열의 압전진동자에 대한 CVCM과 TML 측정을 수행하였다. 신뢰성있는 값을 얻기 위하여 측정은 표준과학연구원에 의뢰하였으며, CVCM은 0.
베이크아웃 시험을 통해 진공환경에서의 사용적합성을 확인 한 다음 온도변화에 따른 압전진동자의 특성 변화를 관찰하기 위하여 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 동일한 압전 시편 두 장을 열 진공 챔버 내부에 진동에 영향을 받지 않도록 고정하고 그 중 한 장의 시편의 전극에는 리이드선을 연결하여 외부의 임피던스 분석기(Impedance Analyzer 4294a)에 연결하여 공진 특성을 측정하였다. 열전대의 접촉에 의한 진동특성에의 영향을 제거하기 위하여 다른 한 장의 시편에는 열전대를 장착하여 시편의 온도를 측정하게 하였다.
열전대의 접촉에 의한 진동특성에의 영향을 제거하기 위하여 다른 한 장의 시편에는 열전대를 장착하여 시편의 온도를 측정하게 하였다. 시편을 장착한 챔버 내부의 온도를 90 ℃로 설정하여 온도평형이 이루어지길 기다려 어드미턴스(admittance)를 측정하였으며 온도를 -100 ℃까지 낮추어 가며 공진특성의 변화를 관찰하였다.
우주환경 하에서 압전진동자의 보다 적극적인 활용을 위해 시판되는 PZT-5계열의 압전 횡진동 모드 압전체의 온도 및 압력에 대한 특성변화를 실험적으로 확인하였다. 우주환경을 모사하기 위하여 항공우주연구원에서 사용하는 열진공 챔버를 사용하였다.
진공상태에서 압전진동자의 온도 및 압력변화에 따른 특성변화를 확인하기 위해서 Fig. 2에 나타낸 것과 같은 온도 및 압력가변형 열진공 챔버를 사용하였다. 열진공 챔버는 내직경 1 m, 길이 1.
대상 데이터
우주환경 하에서 압전진동자의 보다 적극적인 활용을 위해 시판되는 PZT-5계열의 압전 횡진동 모드 압전체의 온도 및 압력에 대한 특성변화를 실험적으로 확인하였다. 우주환경을 모사하기 위하여 항공우주연구원에서 사용하는 열진공 챔버를 사용하였다. 그 결과 압력변화에 따른 압전체 특성변화는 무시할 만한 수준이었으며, 챔버내의 온도가 -100℃ ~ 90℃ 의 범위로 변할 때 압전시료의 공진특성은 상온에서의 공진 특성을 기준으로 약 10% 이상 변화를 보였다.
횡진동 모드 압전진동자의 시편으로 시판되는 PZT-5계열의 압전세라믹을 사용하였으며 그 크기 및 밀도를 Table 1에 나타내었다. 1차원적인 해석이 가능하게 하기 위하여 시편의 진동방향의 길이는 두께의 10배 이상 길게 하였다.
성능/효과
우주환경을 모사하기 위하여 항공우주연구원에서 사용하는 열진공 챔버를 사용하였다. 그 결과 압력변화에 따른 압전체 특성변화는 무시할 만한 수준이었으며, 챔버내의 온도가 -100℃ ~ 90℃ 의 범위로 변할 때 압전시료의 공진특성은 상온에서의 공진 특성을 기준으로 약 10% 이상 변화를 보였다. 온도에 따른 탄성특성변화를 알아보기 위하여 측정한 탄성 컴플라이언스는 상온일 때의 값을 중심으로 온도의 변화에 따라 감소하는 경향을 확인할 수 있었으며, -100℃ 일 때는 상온일 때의 값에 비해 약 4 × 10- 12[m2/N]만큼 감소하였다.
0% 이하를 각각 만족하는 값이다. 동일하게 TQCM으로 측정된 값도 500ng/cm2/hr 이하 수준으로 압전진동자 자체에서 방출되는 오염량은 한국항공우주연구원에서 허용하는 위성부품 적용 수준 내에 있음을 확인할 수 있었다.
3% 이내임을 알 수 있었다. 또 (8)식을 이용하여 전기-기계적 결합계수를 측정한 결과를 Fig. 4에 나타내었는데, 압전진동자의 전기-기계적 특성 변화는 주어진 환경변화에 대해 0.1% 이내로 대기압에서 측정된 구동기내 압전 특성을 진공 하에서 동일하게 적용할 수 있음을 확인하였다.
647 kHz로 측정되었다. 또한 기계적 공진 주파수는 근사적으로 콘덕턴스가 최대인 점의 주파수로 결정할 수 있으므로 f0=44.397 kHz로 확인 되었다. 이들의 결과를 식(9) 및 식(10)에 적용하면 기계적 손실을 구할 수 있다.
먼저 상용 PZT-5 계열의 압전진동자에 대한 CVCM과 TML 측정을 수행하였다. 신뢰성있는 값을 얻기 위하여 측정은 표준과학연구원에 의뢰하였으며, CVCM은 0.005%, TML은 0.0361%의 값을 얻었다. 이는 위성부품용 조건인 0.
압전체를 10-3 Pa 이하의 고진공 환경(Fig. 4의 case B, C, K)과 상압 상태를 번갈아 겪게 하며 공진 및 반공진주파수를 측정한 결과 횡진동 모드에 대한 공진 및 반공진 주파수의 변화 범위는 상온 상압시의 값을 기준으로 0.3% 이내임을 알 수 있었다. 또 (8)식을 이용하여 전기-기계적 결합계수를 측정한 결과를 Fig.
온도에 따른 탄성특성변화를 알아보기 위하여 측정한 탄성 컴플라이언스는 상온일 때의 값을 중심으로 온도의 변화에 따라 감소하는 경향을 확인할 수 있었으며, -100℃ 일 때는 상온일 때의 값에 비해 약 4 × 10- 12[m2/N]만큼 감소하였다.
반공진 주파수의 경우도 유사한 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이 결과로부터 시편의 횡진동 모드 공진 주파수는 상온에서의 공진 주파수를 기준으로 약 10.3%, 반공진의 경우 약 12.6%의 변화를 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 이는 탄성 표면파 필터(SAW filter) 등 통신용 소자로 사용될 경우 매우 큰 통신에러로 작용할 수 있으며 액츄에이터 등 동력원으로 사용될 경우에도 압전재료는 일반적으로 기계적 품질계수가 매우 크므로 공진주파수의 변화는 에너지 변환효율의 극단적인 감소를 가져와 구동에 큰 문제를 야기할 수 있다.
6에 나타내었다. 이 결과를 보면 -100 ℃에서 약 47.5 kHz이던 공진 주파수는 온도가 증가함에 따라 서서히 감소하다가 상온인 22 ℃에서 약 43.0 kHz로 최소값을 나타내고 다시 증가하여 90 ℃에서는 약 44.0 kHz를 나타내고 있다. 반공진 주파수의 경우도 유사한 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다.
11에 나타내었다. 이 결과를 보면 기계적 손실은 주어진 온도변화 범위 내에서 약 0.05에서 0.08사이의 범위 내에서 변하고 있으나 전체적으로 온도의 증가에 따라 기계적 손실은 감소하는 경향을 나타내고 있다. 이는 약 200 ℃ 의 압전체 큐리온도 이전까지는 일반적으로 기계적 품질계수가 온도에 따라 증가한다는 다른 연구의 결과와도 일치한다(12).
이 결과를 보면 주어진 온도변화 범위에서 압전 상수는 368.77×10-12~600.98×10-12[C/N]의 범위에서 증가 경향을 보이고 있으며, 단위 온도당 그 평균 증가량은 약 1.21×10-12[C/N/℃]이었다.
8에 나타내었다. 전기-기계결합계수는 온도가 증가함에 따라 전체적으로 감소하는 경향을 나타내나 주어진 온도범위에서는 약 40% 부근으로 큰 변화를 보이지 않았다. 이는 저온영역에서는 압전체의 탄성의 변화에 의해 기계적인 특성(공진특성)은 크게 변화하나 압전 현상은 비교적 큰 영향을 받지 않음을 나타낸다.
후속연구
따라서 이러한 환경 하에서 압전진동자의 특성 변화는 기기의 오작동 및 정보의 오해를 가져올 수 있다. 따라서 압전체의 우주산업에 대한 활용범위를 넓히기 위해서는 압전체의 온도 및 압력의존성을 정확히 파악하여 이를 이용한 장치 설계에 적용해야 할 것이다.
이상의 결과들로부터 우주환경에서 운항 궤적에 따라 발생할 수 있는 온도변화에 기인한 압전 횡모드 진동자의 특성변화경향을 확인할 수 있었고, 관련 디바이스를 설계할 경우, 이들 결과가 기초 데이터로 활용될 것을 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우주 환경은 어떤 환경인가?
최근 이러한 압전 진동자의 우수한 특성을 이용한 통신 및 기계 소자를 우주-항공 산업에 활용하려는 시도가 보고되고 있으나(3), 그 사용 영역에 있어서는 극히 제한되어 있어 실용화를 위해서는 보다 충분한 검토가 요구되고 있다. 우주 환경은 고진공 및 고온과 저온의 상태가 비행체의 운항궤적에 따라 주기적으로 나타나는 환경이다. 따라서 이러한 환경 하에서 압전진동자의 특성 변화는 기기의 오작동 및 정보의 오해를 가져올 수 있다.
압전 진동자를 이용한 액츄에이터의 특징은?
압전 진동자의 응용분야는 통신용 소자 혹은 초음파 탐상을 위한 전기-음향 변환소자 뿐만 아니라 초음파 모터나 바이몰프형 액츄에이터 등 기계 소자 분야에도 그 범위를 넓혀가고 있으며 국내에서도 이에 대한 연구가 다수 수행되고 있다. 특히 압전 진동자를 이용한 액츄에이터는 전자기파의 발생이 적으며 정밀 제어가 가능해 첨단 기기의 동력원으로 활용되는 예가 많다(1-2).
우주 환경에서 압전진동자의 특성변화는 어떠한 문제를 일으킬 수 있나?
우주 환경은 고진공 및 고온과 저온의 상태가 비행체의 운항궤적에 따라 주기적으로 나타나는 환경이다. 따라서 이러한 환경 하에서 압전진동자의 특성 변화는 기기의 오작동 및 정보의 오해를 가져올 수 있다. 따라서 압전체의 우주산업에 대한 활용범위를 넓히기 위해서는 압전체의 온도 및 압력의존성을 정확히 파악하여 이를 이용한 장치 설계에 적용해야 할 것이다.
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