[논문]분극 전계에 따른 압전 페인트 센서 감도 측정

한대현; 박승복; 강래형

doi:10.7234/composres.2014.27.4.146

분극 전계에 따른 압전 페인트 센서 감도 측정
Sensitivity Measurement of the Piezoelectric Paint Sensor according to the Poling Electric Field 원문보기

Composites research = 복합재료, v.27 no.4, 2014년, pp.146 - 151

한대현 (Dept. of Mechatronics Engineering, and LANL-CBNU Engineering Institute Korea, Chonbuk National University) , 박승복 (Dept. of Mechatronics Engineering, and LANL-CBNU Engineering Institute Korea, Chonbuk National University) , 강래형 (Dept. of Mechatronics Engineering, and LANL-CBNU Engineering Institute Korea, Chonbuk National University)

초록
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본 연구에서는 분극 전계에 따른 압전 페인트 센서의 특성을 확인하기 위해 충격힘과 분극 전계를 변화시켜 가면서 실험적인 연구를 수행하였다. 페인트 센서 제작을 위해 유연 압전 재료인 $Pb(Ni_{1/3}Nb_{2/3})O_3-Pb(Zr, Ti)O_2$ (PNN-PZT) 파우더와 경화제를 포함하고 있는 에폭시 수지를 중량비 1:1로 혼합 후 몰드를 사용하여 $40{\times}10{\times}1mm^3$ 크기를 같는 시편을 제작 하였다. 이후 시편의 기공을 제거하기 위해 진공 데시케이터를 사용하였다. 분극 작업을 위해 시편의 전극은 실버페이스트를 윗면과 아랫면에 바르고 하루 동안 건조시켜 제작하였다. 분극 작업은 온도는 상온으로, 분극 시간은 30분으로 고정하고 분극 전계를 달리하여 진행되었다. 1 mm의 두께를 갖는 앞전 페인트센서를 제작하여 실험에 사용하였으며, 감도 측정 및 감도 변화는 충격 망치를 사용하여 시편에 충격을 가했을 때 압전 페인트에서 출력되는 전압과 충격 망치에서 출력되는 전압을 측정 후 신호처리 하여 비교하였다. 그 결과 압전 페인트의 민감도에 분극 전계가 미치는 영향에 대해 평가 하였고 그 결과를 기술하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the experimental study has been performed by varying the polarization of the electric field and impact force to check the piezoelectric characteristics of piezoelectric paint sensor. Piezoelectric paint sensor used in this study is composed of epoxy resin with a hardener and PNN-PZT powder in 1:1 weight ratio. The dimensions of the paint sensor specimen are $40{\times}40{\times}1mm^3$ and regular specimens were made using a mold. The voids are removed from the specimen in the vacuum desiccator. Both upper side and bottom side of the paint sensor were coated with silver paste for making an electrode and then dried at room temperature for a day. The poling treatment has been carried out under controlled conditions of the electric field in order to check the effect of piezoelectric sensitivities, while the poling temperature was fixed at room temperature and the poling time was set to 30 min. The piezoelectric sensitivities have been measured by comparing output voltage from paint sensor with output force from impact hammer when the impact hammer hits the paint sensor. In result, the effect of the electric field has been evaluated for the sensitivity and describe the result.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 장점을 바탕으로 기존의 연구자들이 압전 재료에 대한 많은 연구[2,3]를 수행하였지만 압전 페인트에 대한 연구는 아직 미비하다. 본 연구에서는 압전 세라믹을 사용한 압전 페인트 센서에 대한 내용을 다루고자 한다. 압전 효율을 증가시키기 위해서는 분극 처리가 필요한데, 일반적으로 압전 특성은 분극 온도, 분극 시간, 분극 전계에 따라 그 성질이 변하게 된다.
페인트 센서의 분극 조건은 분극 시간 30분, 분극 온도는상온으로 고정하였고 분극 전계가 압전 페인트 센서의 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 1-5 kV/mm로 선정하였다. 분극 시간은 분극 전계의 영향을 분석하기 위해 고정되었고, 분극 온도는 향후 비행기, 풍력발전 터빈, 그리고 교량과 같은 구조물에 적용될 경우 분극을 위해 추가적인 고온 장비의 필요성을 없앰과 동시에 열처리에 따른 구조물의 변형을 방지하고자 상온으로 고정했다. 각각의 분극 조건에 충격을 가할 때 동일한 시편에 10분 간격으로 3번씩 반복되어 진행되었고 충격 힘과 압전 페인트 센서의 출력 전압은 Fig.
압전 페인트는 분극 처리가 높은 전계와 높은 온도에서 수행되어야 하며, 압전 파우더 비율이 높아 구조물 전체에 적용하기 위해서는 큰 비용이 소요된다. 이러한 단점을 개선하기 위해 본 연구에서는 상온에서 추가적인 장비 없이 낮은 전계 하에 안전하게 분극 처리가 가능하고 압전 페인트의 비싼 비용과 무거운 단점을 개선하기 위해 압전 파우더와 에폭시 수지를 1:1 중량비로 혼합하여 제작하는 방법에 대해 다루고자 한다.

제안 방법

압전 세라믹 센서의 단점을 개선하고자 일부 연구자들은 압전 페인트 센서를 개발하고 분극 처리 및 두께가 압전 특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. Egusa와 Iwasawa[6]는 압전 파우더(Fuji Titanium Industry, PE 60A)와 에폭시 수지(Yuka Shell Epoxy K, Epikoto 1001)를 88:12 중량비로 섞어 압전 페인트 센서를 제작하고 상온에서 5-25 kV/mm 전계로 분극 처리를 수행하였다. Zhang과 Li[7]는 PZT5A powder와 epoxy resin을 7:3의 중량비로 혼합해 압전 페인트 센서를 제작하고 70-80℃의 온도에서 6.
연구에서는 분극 전계에 따른 압전 페인트 센서의 특성을 정의하기 위해 분극 전계를 달리하였고 각 분극 조건에 대해 0-200N 범위를 갖는 충격힘을 가해 실험적인 연구를 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
시편의 전극은 실버 페이스트(CANS, P-100)를 사용하여 윗면과 아랫면에 40 × 10 mm² 면적을 갖는 전극을 제작하였다. 이렇게 제작된 페인트 시편의 두께는 1 mm이며 센서로 사용하기 위해 고전압 앰프(FUG, HCN-140)를 사용하여 분극 시간은 30분, 분극 온도는 상온으로 고정하고 분극 전계를 1 kV/mm, 2 kV/mm, 3 kV/mm, 4 kV/mm, 5 kV/mm 총 5가지 조건으로 변경하면서 분극처리를 진행하였다.
하지만 압전 페인트는 에폭시 수지가 포함하고 있어 순수 세라믹과 비교하면 압전 파우더가 차지하는 비율이 낮아 압전성이 좋지 않다. 즉 기존의 공진-반공진법으로 압전 페인트 센서의 물성 측정이 어려우므로 본 연구에서는 충격 망치를 사용하여 페인트 센서에 충격을 주었을 때 충격 망치에서 출력되는 힘 신호와 페인트 센서에서 출력되는 전기 신호를 비교 분석하여 민감도를 식 (1)과 같이 정의하고 평가하였다.
충격 장치는 자유낙하 운동에 의해 페인트 센서에 충격을 가할 수 있도록 고안되었으며 연질의 충격 팁이 충격 망치에 사용되었다. 충격 장치에 의해 충격을 가할 때 페인트 센서에서 출력되는 전기신호와 충격 망치에서 출력되는 전기 신호는 DAQ 장비(DS1102)의 입력 단자에 연결되어 10 kHz로 데이터가 계측되었으며 두 신호를 비교 분석하였다.
충격량 변화가 압전 페인트 센서의 출력에 미치는 영향과 충격량의 범위를 확인하기 위해서 전계 4 kV/mm, 분극 시간 30분, 그리고 분극 온도를 상온으로 고정한 압전 페인트 센서를 사용하였다. Fig.
반복된 실험 모두 분극 전계에 따라 기울기가 변화되는 것을 확인할 수 있고 이는 분극 전계에 따라 압전 페인트 센서의 감도가 차이가 난다는 뜻이다. 충격에 대한 출력 전압을 1차 방정식으로 표현하기 위해 1차 curve fitting을 하여 감도 계산을 수행하였다. curve fitting시 교차점을 원점(0,0)으로 고정하지 않은 경우(Fig.
테이블 위에 고무 패드를 설치하여 충격을 주었을 때 발생할 수 있는 잡음신호를 최소화하였다. 충격을 줄 때 페인트 센서의 움직임을 방지하기 위해 실리콘 테이프를 이용하여 고정했다. Fig.
페인트 센서의 분극 조건은 분극 시간 30분, 분극 온도는상온으로 고정하였고 분극 전계가 압전 페인트 센서의 특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 1-5 kV/mm로 선정하였다. 분극 시간은 분극 전계의 영향을 분석하기 위해 고정되었고, 분극 온도는 향후 비행기, 풍력발전 터빈, 그리고 교량과 같은 구조물에 적용될 경우 분극을 위해 추가적인 고온 장비의 필요성을 없앰과 동시에 열처리에 따른 구조물의 변형을 방지하고자 상온으로 고정했다.
고안된 충격 장치의 낙하 높이가 제한되어 있어 200 N 이상의 충격은 사람의 손으로 내려치는 행위가 필요하다. 하지만 임의적으로 충격을 주면 충격 망치의 충격 각도, 그리고 충격 위치 등 충격 조건이 변동할 수 있어 본 연구에서는 충격량의 범위를 0-200 N으로 선정하였다.

대상 데이터

PNN-PZT 압전 파우더 제작은 Fig. 1에 요약되어 있으며 소결이 완료된 파우더는 수평 Sieve 장비(AS ONE, SKH-01)를 사용하여 53 µm의 입자 크기로 제작되었다.
2에 요약되었다. 시편은 몰드를 사용하여 제작되었으며, 시편을 몰드에서 쉽게 취출하기 위해 릴리즈 에이전트(HANKEL, 700-NC)를 사용하였다. 압전 파우더와 에폭시 레진이 혼합되면서 포함된 기공을 제거하기 위하여 진공 데시케이터를 이용했다.
시편의 전극은 실버 페이스트(CANS, P-100)를 사용하여 윗면과 아랫면에 40 × 10 mm2 면적을 갖는 전극을 제작하였다.
시편은 몰드를 사용하여 제작되었으며, 시편을 몰드에서 쉽게 취출하기 위해 릴리즈 에이전트(HANKEL, 700-NC)를 사용하였다. 압전 파우더와 에폭시 레진이 혼합되면서 포함된 기공을 제거하기 위하여 진공 데시케이터를 이용했다. 이렇게 제작된 시편은 압전 파우더와 에폭시 레진의 밀도차에 인하여 압전 파우더가 침전되는 현상을 방지하기 위해 경화 공정에서 일정한 시간 간격으로 윗면과 아랫면을 교차시켰다.
경질의 압전 세라믹은 낮은 전기기계적 결합 상수와 안전 변형률 상수를 가지기 때문에 분극 처리가 상대적으로 어렵다. 이에 본 연구에서는 연질의 압전 재료를 사용하여 압전 페인트 센서를 제작하였으며, 압전 세라믹을 연질화 시키기 위해 Nb₂O₅가 사용되었고 소결 온도를 1,000℃로 낮추기 위해 NiO가 사용되었으며, 압전 세라믹 재료인 PbO, TiO₂, ZrO₂(상기 모두 SIGMA ALDRICH)가 사용되었다.

이론/모형

압전 재료의 물성 측정은 일반적으로 공진-반공진법[9]을 이용하여 수행된다. 하지만 압전 페인트는 에폭시 수지가 포함하고 있어 순수 세라믹과 비교하면 압전 파우더가 차지하는 비율이 낮아 압전성이 좋지 않다.

성능/효과

(1) 압전 페인트 센서에 충격 힘을 달리하면서 출력 전압을 측정한 결과 분극 조건과 관계없이 선형적으로 증가하는 경향을 확인하였다.
(2) 분극 전계를 달리하여 충격 힘에 대한 압전 페인트 센서의 출력 전압을 비교하여 감도를 분석한 결과 최적의 분극 전계는 4 kV/mm였다.
(3) 감도 곡선을 원점(0, 0)에 고정한 경우와 고정하지 않은 경우를 비교하여 분극 처리 및 충격 방법의 타당성을 검증하였다. 기존의 압전 페인트 센서와 달리 낮은 전계와 상온에서 분극 처리가 가능한 압전 페인트 센서를 개발하였고 분극 전계에 따른 페인트 센서의 압전 특성을 평가하여 최적의 분극 조건은 온도는 상온, 분극 시간은 30분, 분극 전계는 4 kV/mm임을 입증하였다.
(3) 감도 곡선을 원점(0, 0)에 고정한 경우와 고정하지 않은 경우를 비교하여 분극 처리 및 충격 방법의 타당성을 검증하였다. 기존의 압전 페인트 센서와 달리 낮은 전계와 상온에서 분극 처리가 가능한 압전 페인트 센서를 개발하였고 분극 전계에 따른 페인트 센서의 압전 특성을 평가하여 최적의 분극 조건은 온도는 상온, 분극 시간은 30분, 분극 전계는 4 kV/mm임을 입증하였다. 향후 압전 페인트 센서는 구조물의 부식, 손상을 방지하는 페인트의 기본 기능에 외부 충격이나 구조물의 상태를 실시간으로 파악할 수 있는 안전성 관리 센서로 역할 수행이 가능하리라 본다.
이후 분극 전계가 5 kV/mm로 증가하자 감도는 반대로 감소하는 경향을 보였다. 두 가지 다른 감도 계산법을 통해 확인할 수 있는 것처럼 분극 전계에 대한 감도 변화가 비슷한 경향을 보였고 이는 본 연구에서 수행된 분극 처리와 충격 실험방법의 타당성이 있음을 말해준다. 이를 통해 최적의 분극 전계는 4 kV/mm로 선정하였다.

후속연구

기존의 압전 페인트 센서와 달리 낮은 전계와 상온에서 분극 처리가 가능한 압전 페인트 센서를 개발하였고 분극 전계에 따른 페인트 센서의 압전 특성을 평가하여 최적의 분극 조건은 온도는 상온, 분극 시간은 30분, 분극 전계는 4 kV/mm임을 입증하였다. 향후 압전 페인트 센서는 구조물의 부식, 손상을 방지하는 페인트의 기본 기능에 외부 충격이나 구조물의 상태를 실시간으로 파악할 수 있는 안전성 관리 센서로 역할 수행이 가능하리라 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전 세라믹의 분류는 어떻게 되는가?	압전 세라믹은 연질 압전 세라믹과 경질 압전 세라믹으로 분류될 수 있다. 연질의 압전 세라믹은 높은 전기기계적 결합 상수와 압전 변형률 상수를 갖기 때문에 상대적으로 분극이 용이하고 압전성이 좋다.
	압전 세라믹이 응력 센서나 액추에이터 등과 같은 분야에서 사용되는 이유는?	압전 세라믹은 응력 센서나 액추에이터 등과 같이 광범위하게 사용되고 있다[1]. 이는 기계적 신호와 전기적 신호 사이의 변환되는 효율이 매우 높기 때문이다. 이러한 장점을 바탕으로 기존의 연구자들이 압전 재료에 대한 많은 연구[2,3]를 수행하였지만 압전 페인트에 대한 연구는 아직 미비하다.
	연질의 압전 세라믹의 장점은?	압전 세라믹은 연질 압전 세라믹과 경질 압전 세라믹으로 분류될 수 있다. 연질의 압전 세라믹은 높은 전기기계적 결합 상수와 압전 변형률 상수를 갖기 때문에 상대적으로 분극이 용이하고 압전성이 좋다. 경질의 압전 세라믹은 낮은 전기기계적 결합 상수와 안전 변형률 상수를 가지기 때문에 분극 처리가 상대적으로 어렵다.

참고문헌 (9)

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Park, K.H., Yoon, K.G., and Park, H.C., "Piezoelectric Actuators for Smart Composite Materials," Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 15, No. 2, 2002, pp. 55-63.
Kholkin, A.L., Wutchrich, C., Taylor, D.V., and Setter, N., "Interferometric Measurements of Electric Field-induced Displacements in Piezoelectric Thin Films," Review of Scientific Instruments, Vol. 67, No. 5, 1996, pp. 1395-1941.
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상세보기
White, J.R., Poumeyrol, B., Hale, J.M., and Stephenson, R., "Piezoelectric Paint: Ceramic-polymer Composites for Vibration Sensors," Journal of Materials Science, Vol. 39, No. 9, 2004, pp. 3105-3114.

상세보기
Matsubara, M., Kikuta, K., and Hirano, S., "Piezoelectric Properties of Ceramics," Journal of Applied Physics, Vol. 97, No. 11, 2005, pp. 114105.

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