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제안 방법
- 2.1kV/mm의 분극 전압에서 최적화된 음압 특성을 나타낸 스피커는 가청 주파수(200 Hz ∼ 20 kHz) 범위에서 동작 전압의 크기와 측정 거리에 따라 압전 세라믹 스피커로서의 응용 가능성을 평가하였다.
- Stainless steel 재질의 윈도우 프레임을 상·하로 배치하여 적층형 액츄에이터가 부착된 진동판을 프레임과 접착하기 위하여 각 프레임 내측에 삽입하여 정렬한 후, 에폭시를 이용하여 윈도우 프레임과 진동판의 접합면에 부착하여, 50℃에서 20 분간 가열 오븐을 이용하여 경화하였다.
- d33 meter(ZJ-613, Institute of Acoustics, Chinese Academy of Science, China), impedance analyzer(E4990A, Keysight, USA)를 이용해 압전변위상수(d33), 압전전압계수(g33), 전기기계 결합계수(kp), 기계품질 계수(Qm)를 측정하였다. 또한 적층형 압전 세라믹 액츄에이터의 단면 구조 관찰을 위하여 FE-SEM (JSM-7610F, JEOL, Japan)을 이용하였다.
- 내부와 외부 전극을 측면에서 서로 연결한 후 1,100℃에서 1 시간 동안 열처리 공정을 수행하였으며, 동시 소성된 각 시편은 소결 후 각 압전 세라믹의 층간 두께를 고려하여 1.7∼2.9 V/㎛의 전계 조건에서 30분 동안 분극 (polarization)을 실시하여 적층형 압전 세라믹 액츄에이터를 제조하였다.
- 본 연구에서 사용한 상용 압전 원료 분말의 압전 특성을 분석하기 위하여 일반적인 압전 세라믹 성형 공정을 이용하여 지름 10 mm의 디스크 형태의 시편을 1 ton/cm2의 압력으로 가압 성형하였다. 성형한 시편은 1,080℃에서 1,150℃까지 1시간 동안 소결한 후 전극 제조를 위해 디스크 시편의 위, 아래 면에 silver paste를 균일하게 도포한 후 700℃에서 30분 동안 curing하였다.
- 본 연구에서는 우수한 압전 물성을 가지는 상용 압전 세라믹 원료를 이용하여 테이프 캐스팅(tape casting) 공정을 통해 제조한 압전 후막 시트(sheet)를 적층하여 바이몰프와 같은 굴곡 변형을 일으키는 적층형 압전 세라믹 액츄에이터를 제조하였다. 뿐만 아니라, 제조한 다층 구조의 압전 액츄에이터를 유연한 폴리머 진동판에 부착한 후, stainless steel 재질의 윈도우 프레임에 진동판을 부착한 스피커 소자를 제조하여 가청 주파수 (200 Hz ∼ 20 kHz) 범위에서 음향 특성을 측정하여 압전 세라믹 스피커로서의 응용 가능성을 평가하였다.
- 뿐만 아니라, 제조한 다층 구조의 압전 액츄에이터를 유연한 폴리머 진동판에 부착한 후, stainless steel 재질의 윈도우 프레임에 진동판을 부착한 스피커 소자를 제조하여 가청 주파수 (200 Hz ∼ 20 kHz) 범위에서 음향 특성을 측정하여 압전 세라믹 스피커로서의 응용 가능성을 평가하였다.
- 압전 스피커에 교류 전기 신호를 인가하고 표준 마이크로폰(46BF, G.R.A.S., Denmark)에 수신된 전기 신호를 분석하기 위하여 2채널 Audio analyzer(APx515,Audio Precision, USA)를 이용하였으며, 음압 특성을 평가하기 전에 분석 데이터의 신뢰성 확보를 위해 1kHz, 114 dB의 신호를 발생하는 calibrator(42AB, G.R.A.S., Denmark)를 이용하여 표준 마이크로폰의 수신신호를 정밀 보정해 주었다. 사용된 반무향실 내부이미지를 그림 5에 나타내었다.
- 이에 본 연구에서는 적층형 압전 액츄에이터의 최적 소결 온도를 1,100℃로 선정하여 열처리 공정을 수행하였다. 그림 6(a)는 1,100℃에서 소결한 적층형 압전세라믹 액츄에이터의 단면 FE-SEM 이미지를 보여주고 있다.
- 전극이 인쇄된 5장의 green sheet를 라미네이터(Woori system, Korea)로 60℃에서 적층하고 3,000 psi, 65℃에서 10분 동안 WIP (warm isostatic press) 처리한 후 다이싱(dicing) 하여 12mm × 16 mm 크기의 적층된 압전 그린 시트를 제조하였다.
- 제조한 압전 스피커의 음압 특성을 평가하기 위하여 반무향실 내부에서 배플 플레이트(baffle plate)에 압전 스피커를 장착한 후, 200 Hz에서 20 kHz까지의 주파수 범위에서 압전 스피커의 단자에 5 Vrms(root mean square voltage)에서 20 Vrms까지 전압 신호를 인가한 후 10 cm에서 20 cm까지 거리에 위치한 마이크로폰에 수신된 음향신호로부터 음압(sound power level)의 크기를 측정하였다.
- 제조한 압전 후막 그린 시트를 이용하여 적층형 세라믹 액츄에이터를 제조하기 위하여 각 시트의 표면에는 내·외부 전극으로 사용될 전극 패턴을 스크린 프린팅 공정으로 인쇄하였다.
- 동시소성 공정을 이용하여 전극 인쇄된 압전시트 5층을 적층하여 제조된 압전 액츄에이터는 1,100℃에서 안정적으로 소결되었으며, 소결된 시편은 112 ㎛의 두께를 가지며 치밀한 미세구조를 나타내었다. 제조한 적층 구조의 압전 액츄에이터를 유연한 polyolefin 진동판에 부착한 후, stainless steel 재질의 윈도우 프레임에 진동판을 부착하여 prototype의 압전 스피커 소자를 제작하였다. 2.
- 주파수 범위는 200 Hz에서 20 kHz까지 주파수 범위에서 측정하였으며, 인가된 분극 전압의 크기는 적층 액츄에이터를 구성하는 압전체 층의 두께 (20 ㎛)를 고려하여 1.7 kV/mm에서 2.9 kV/mm까지 인가하였다.
- 탈포된 슬러리는 테이프 캐스팅 장비(TCA-2000, Techgen, Korea)를 사용하여 닥터 블레이드(doctor blade)로 두께 약 25 µm의 그린 시트(green sheet)를 제조하였으며 가로 15 cm, 세로 20cm로 절단하였다 (그림 2).
- 테이프 캐스팅용 슬러리를 제조하기 위해 준비된 압전 파우더 분말에 톨루엔(purity 99.5%, Samchun Pure Chemical, Korea), 에탄올(purity 99.5%, Samchun Pure Chemical, Korea), polyvinyl butyral (BM-SZ, Sekisui, Japan), dibutyl phthalate (purity 99.0%, Daejung Chemical & Metals, Korea) 및 분산제(BYK-111, BYK-Chemie GmbH, Germany)를 최적 비율로 첨가 및 혼합하였다.
- 혼합된 슬러리(slurry)는 폴리에틸렌 재질의 병에 주입한 후, 다양한 지름 크기를 가지는 4종의 지르코니아 볼(ᛰ= 3 mm, 5 mm, 10 mm, 15 mm) 미디어를 이용하여 24시간 동안 혼합 분쇄하였으며, 망(mesh) 구조의 스크린(screen)을 이용해 혼합 슬러리를 균일한 크기로 체거름한 후, 진공 탈포기를 이용하여 –760mmHg 진공도로 1시간 동안 슬러리 내부의 기포를제거하였다.
대상 데이터
- 그림 6(b)에서는 제조된 적층형 압전 세라믹 액츄에이터의 분극 공정 제어를 통해 유도된 각 압전체 층의 분극 분포를 도식적으로 보여주고 있다. 본 연구에서 제작된 적층형 액츄에이터는 총 다섯 개의 압전체 층을 이루고 있으며 가운데층의 경우, 음압주파수를 이동시키는 역할을 하는 더미 층(dummy layer)으로 분극이 형성되지 않는다.
- 제조된 적층형 압전 세라믹 액츄에이터는 압전 스피커로서 응용 가능성을 평가하기 위하여 프로토타입(prototype)의 압전 스피커를 제조하였다. 본 연구에서 제작한 압전 스피커는 그림 4에 나타낸 것처럼 연한 폴리머(polyolefin) 필름을 진동판으로 이용하여 액츄에이터의 한쪽 면에 얇고 균일하게 에폭시(epoxy)를 도포하여 진동판에 부착하였다. Stainless steel 재질의 윈도우 프레임을 상·하로 배치하여 적층형 액츄에이터가 부착된 진동판을 프레임과 접착하기 위하여 각 프레임 내측에 삽입하여 정렬한 후, 에폭시를 이용하여 윈도우 프레임과 진동판의 접합면에 부착하여, 50℃에서 20 분간 가열 오븐을 이용하여 경화하였다.
- 사용된 스크린 마스크(screen mask)는 325 mesh, 50 μm 의 opening size의 규격을 가지며, 전극으로는 압전 파우더의 소성 온도를 고려하여 30%의 팔라듐(Pd) 성분이 함유된 은(Ag) 페이스트(WT-SPD30-A, Winner Technology, Korea)를사용하였다.
- 사용된 원료 분말은 soft계 압전 소재로 우수한 압전변위상수(d33>500 pm/V)와 전기기계결합계수(kp>55%) 물성을 가지는 Pb(Zr,Ti)O3계 상용 압전 파우더(S55,Sunnytec, Taiwan)를 이용하였다.
- 우수한 압전 물성을 가지는 상용 압전 세라믹 원료 S55를 이용하여 테이프 캐스팅(tape casting) 공정을 통해 제조한 압전 후막 시트(sheet)를 적층하여 바이몰프와 같은 굴곡 변형을 일으키는 적층형 압전 세라믹 액츄에이터를 제조하였다. 동시소성 공정을 이용하여 전극 인쇄된 압전시트 5층을 적층하여 제조된 압전 액츄에이터는 1,100℃에서 안정적으로 소결되었으며, 소결된 시편은 112 ㎛의 두께를 가지며 치밀한 미세구조를 나타내었다.
- 제조된 적층형 압전 세라믹 액츄에이터는 압전 스피커로서 응용 가능성을 평가하기 위하여 프로토타입(prototype)의 압전 스피커를 제조하였다. 본 연구에서 제작한 압전 스피커는 그림 4에 나타낸 것처럼 연한 폴리머(polyolefin) 필름을 진동판으로 이용하여 액츄에이터의 한쪽 면에 얇고 균일하게 에폭시(epoxy)를 도포하여 진동판에 부착하였다.
이론/모형
- )를 측정하였다. 또한 적층형 압전 세라믹 액츄에이터의 단면 구조 관찰을 위하여 FE-SEM (JSM-7610F, JEOL, Japan)을 이용하였다.
- 본 연구에서는 압전 세라믹 후막을 제조하기 위하여 일반적으로 사용되는 테이프 캐스팅 공정을 이용하였다. 사용된 원료 분말은 soft계 압전 소재로 우수한 압전변위상수(d33>500 pm/V)와 전기기계결합계수(kp>55%) 물성을 가지는 Pb(Zr,Ti)O3계 상용 압전 파우더(S55,Sunnytec, Taiwan)를 이용하였다.
- 성형한 시편은 1,080℃에서 1,150℃까지 1시간 동안 소결한 후 전극 제조를 위해 디스크 시편의 위, 아래 면에 silver paste를 균일하게 도포한 후 700℃에서 30분 동안 curing하였다. 제조한 시편의 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정하였으며, 2.5 kV/mm의 전계로 분극 공정을 수행한 후 압전 특성을 평가하였다.
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