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성능/효과
- 1) PZT가 개발된 후에 PZT의 특성에는 급격한 증가는 없었지만, PZN-PT와 PMN-PT 단결정들은 PZT 다결정체 세라믹스에 비하여 압전 상수 (d33>2,000 pC/N)와 전기기계결합계수 (k33>0.9)에서 급격한 증가를 보였다.
- )가 높은 단결정의 제조가 성공하였고 단결정들의 물성도 보고되었다. 그러나 대부분의 결과들이 실험실 수준의 아주 작은 단결정 제조에 그쳤고, 실제로 단결정 성장 문제로 인하여 실용화 가능성은 아주 낮은 것으로 평가되었다. 개발된 고온 압전 단결정들 중에서 실용화 가능성이 있다고 평가되는 조성들은 크게 두 가지로 PIN-PMN-PT[Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbTiO3]와 PMN-PZPT [Pb(Mg2/3Nb1/3)O3-PbZrO3-PbTiO3]이다.
- Table 4는 압전 세라믹스 (PZT4와 PZT8)와 압전 단결정들의 FOM(Figure of Merits)을 비공진 모드와 공진 모드에서 비교하였다. 비공진 모드에서는 가장 큰 압전 상수 (d33)를 가지는 첨가제를 포함하지 않는 PMN-PT 단결정의 FOM이 가장 컸다. 그러나 Actuator와 Transformer 등의 공진 모드 응용에서는 Qm과 전기기계 결합계수 (k33)가 가장 큰 Acceptor가 첨가된 압전 단결정의 FOM이 가장 컸다.
- PZT4나 PZT8과 비교하면, Acceptor가 첨가된 압전 단결정의 FOM이 5~8배 정도 더 높았다. 이러한 결과는 Acceptor가 첨가된 압전 단결정은 Underwater Sound Projector나 초음파 모터 등의 고출력 응용에도 매우 적합하다는 것을 보여 주었다.
후속연구
- 고성능 압전 단결정은 향후 첨단 압전 부품의 핵심 소재가 될 것이며, 압전 단결정을 이용한 압전 응용 부품의 시장이 급격히 증가할 것이다. 압전 단결정의 출현으로 인한 이러한 큰 변화는 새로운 압전 부품 시장을 창출하는 것과 동시에 기존 압전 시장에도 큰 변화를 가져올 것이다.
- 세라콤은 미국 ONR 지원으로 브리지만 PMN-PT 단결정과 차별화되는 PMN-PZT 단결정을 고상 단결정 성장법을 이용하여 개발하였고, 미국 NUWC와 ARL 등에 공급하고 있다. 국내에서도 휴먼스캔, 메디슨, 프로소닉과 Siemens 등에서 압전 단결정 초음파 진단기 및 치료기 (HIFU)를 개발하고 있으며, 향후 압전 단결정의 주요 시장이 될 것이다. 최근에는 휴대폰의 스피커, 진동자, 초음파 모터와 압전 에너지 수확기 등에 적용이 시도되고 있으며, 이러한 시도가 성공하면 압전 단결정의 시장은 급속히 증가할 것으로 예상된다.
- 압전 단결정의 출현으로 인한 이러한 큰 변화는 새로운 압전 부품 시장을 창출하는 것과 동시에 기존 압전 시장에도 큰 변화를 가져올 것이다. 따라서 향후 압전 소재 및 응용 부품 시장을 선점하기 위해서는, 고성능 압전 단결정의 출현으로 인한 압전 소재 및 응용 부품에서의 큰 변화에 적절히 대응하는 것은 필수적이다.
- PZT 세라믹스 개발 과정을 보면, Dopant Engineering을 통하여 PZT 세라믹스의 성능을 개선하는 것이 얼마나 중요한 지 알 수 있다. 아직까지 압전 단결정 개발에서 Dopant Engineering 연구는 아직 초기 단계이나, 다양한 Donor와 Acceptor를 첨가하여 압전 단결정의 특성을 향상시키는 Dopant Engineering 연구는 향후 압전 단결정 개발에서 중요한 부분을 차지할 것이다.
- 5) Table 6에 보인 것과 같이, 압전 단결정 캔틸레버 수확기에서 얻어진 전력량은 PZT 세라믹스 캔틸레버 수확기에서 얻어진 전력량보다 100 배 이상 높았다. 이러한 결과는 압전 단결정을 이용하면 압전 에너지 수확 효율을 100 배 이상 높일 수 있다는 것을 보여 주고, 압전 에너지 수확기를 이용하는 대체 및 그린 에너지 분야의 연구 개발 및 시장에서 큰 변화가 있을 것으로 예상된다.
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