[논문]0.65Pb(Zr1-xTix)O3-0.35Pb(Zn1/6Ni1/6Nb2/3)O3 세라믹의 압전 특성 및 압전 에너지 하베스터 적용

조소라; 김대수; 조유리; 손신중; 강형원; 남산; 한승호

doi:10.4313/jkem.2018.31.4.216

0.65Pb(Zr1-xTix)O3-0.35Pb(Zn1/6Ni1/6Nb2/3)O3 세라믹의 압전 특성 및 압전 에너지 하베스터 적용
Piezoelectric Properties of 0.65Pb(Zr1-xTix)O3-0.35Pb(Zn1/6Ni1/6Nb2/3)O3 Ceramics and Their Application to Piezoelectric Energy Harvester 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.31 no.4, 2018년, pp.216 - 220

조소라 (전자부품연구원 융복합전자소재연구센터) , 김대수 (전자부품연구원 융복합전자소재연구센터) , 조유리 (전자부품연구원 융복합전자소재연구센터) , 손신중 (전자부품연구원 융복합전자소재연구센터) , 강형원 (전자부품연구원 융복합전자소재연구센터) , 남산 (고려대학교 신소재공학과) , 한승호 (전자부품연구원 융복합전자소재연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The piezoelectric properties of $0.65Pb(Zr_{1-x}Ti_x)O_3-0.35Pb(Zn_{1/6}Ni_{1/6}Nb_{2/3})O_3$ ($PZT_x-PZNN$) ceramics with $0.530{\leq}x{\leq}0.555$ were investigated for application to piezoelectric energy harvesters. Although a morphotropic phase boundary (MPB) was found at approximately x = 0.545, the ceramic with the highest figure of merit (FOM) ($d_{33}{\times}g_{33}$) was observed at a composition of x = 0.540. Values of this figure of merit, $d_{33}{\times}g_{33}$, of $19.6pm^2/N$ and $20.2pm^2/N$ were obtained from $PZT_{0.540}-PZNN$ ceramics sintered at $920^{\circ}C$ and $950^{\circ}C$, respectively. A high output power of $937{\mu}W$ and a high power density of $3.3mW/cm^3$ were obtained from unimorph-type piezoelectric energy harvesters fabricated using $PZT_{0.540}-PZNN$ ceramic sintered at $920^{\circ}C$ for 4h.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 압전 에너지 하베스터 적용을 위한 0.65Pb(Zr 1-xTix)O3 -0.35Pb(Zn1/6Ni 1/6Nb2/3)O3 (PZT-PZNN, 0.530≤x≤0.555) 조성에서 FOM이 최대가 되는 Ti 함량을 찾고자 하였다.
압전 에너지 하베스터 적용을 위하여 PZTx-PZNN (0.530≤x≤0.555) 세라믹에서 d33×g33가 최대가 되는 조성을 찾고자 하였다.

제안 방법

555) 조성에서 FOM이 최대가 되는 Ti 함량을 찾고자 하였다. FOM이 가장 높은 조성을 이용하여 유니모프 캔틸레버 타입의 energy harvester를 제작하여 전력(power)을 측정하였다.
준비된 파우더는 약 12 mm의 지름을 가지는 원판형 시료로 1축 성형한 후 알루미나 도가니에서 920~950℃의 온도로 4시간 동안 소결을 진행하였다. 소결된 시편의 X-선 회절(XRD) 패턴을 분석하여 상을 확인하였고, 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 소결된 시편의 소결도를 확인하기 위하여 아르키메데스법으로 소결밀도를 측정하였다.
시편의 d33는 d33 meter (PM-100, Piezotest Inc., UK)로 직접 측정하였고, 유전상수(ε33T/ε0)는 LCR meter (HP4192A, Yokogawa-Hewlett Packard LTD, Japan)를 사용하여 capacitance를 측정한 후 계산식으로 얻었다.
압전 에너지 하베스터의 전력 측정을 위하여 파워 앰프(Type 2719, Brüel & Kjær, Bremen, Germany)가 연결된 가진기(Type 4808, Brüel & Kjær, Bremen, Germany)를 사용하였다. 압전 에너지 하베스터에 하모닉 신호 인가를 위하여 함수 발생기(Wave Factory, WF 1946, NF Corporation, Yokohama, Japan)로 공진 주파수에서 진동 가속도 0.7 g과 1.0 g (g＝9.8 m/s²)의 신호를 인가하였으며, 가변저항기의 저항을 바꿔 가면서 출력전압을 디지털 오실로스코프 (DPO3034, Tektronix, USA)로 측정하여 전력을 측정 하였다. 압전 에너지 하베스터의 공진주파수를 찾기 위하여 함수 발생기로 주파수를 바꿔 가면서 캔틸레버 팁의 변위를 레이저 바이브로미터(OFV-552, Polytec) 로 측정하였고 이때 변위가 최대가 되는 주파수를 공진 주파수로 설정하였다.
0 g 모두 123 Hz인 것으로 확인되었다. 압전 에너지 하베스터의 고유 저항이 부하 저항(load resistance)과 일치하여야 임피던스 정합(impedance matching)이 이루어져 최대 전력 전달이 되므로, 123 Hz 공진주파수에서 매칭 저항을 변화하여 제곱평균제곱근(root mean square, RMS) 전압을 측정하였고, 저항과 RMS 전압 결과로부터 전력을 측정하였다. 0.
8 m/s²)의 신호를 인가하였으며, 가변저항기의 저항을 바꿔 가면서 출력전압을 디지털 오실로스코프 (DPO3034, Tektronix, USA)로 측정하여 전력을 측정 하였다. 압전 에너지 하베스터의 공진주파수를 찾기 위하여 함수 발생기로 주파수를 바꿔 가면서 캔틸레버 팁의 변위를 레이저 바이브로미터(OFV-552, Polytec) 로 측정하였고 이때 변위가 최대가 되는 주파수를 공진 주파수로 설정하였다. 제작된 압전 에너지 하베스터와 전력을 측정하기 위한 셋업은 그림 1에 도시하였다.
유니모프 캔틸레버 형태의 압전 에너지 하베스터 제작을 위하여 PZTPZNN 세라믹을 15 mm × 15 mm × 0.2 mm로 가공한 후 외부 Ag 전극을 도포하고 디스크 타입 샘플과 같은 조건으로 분극을 진행한 후 이액형 에폭시를 사용하여 0.4 mm 두께의 스테인리스스틸(SUS304) 플레이트에 접착하였다.
G₃₃는 d₃₃에 유전상수를 나누어서 측정하였다. 전기기계결합계수(k_p)와 기계적 품질계수(Q_m)는 임피던스 분석기(HP 4294A, Agilent Technologies, USA)를 이용하여 공진 및 반공진 주파수를 측정한 후 JEITA EM-4501을 이용하여 계산하였다. 유니모프 캔틸레버 형태의 압전 에너지 하베스터 제작을 위하여 PZTPZNN 세라믹을 15 mm × 15 mm × 0.
본 논문에서는 PZTx-PZNN 압전 세라믹 조성을 전 통적인 세라믹스 합성법에 의하여 합성하였다. 출발 원료인 PbO, ZrO₂, TiO₂, ZnO, NiO 그리고 Nb₂O₅ (고순도화학, 99% 이상)을 분자량에 맞게 평량한 후, 나일론 자(nylon jar)에 넣고 지르코니아 볼 및 에탄올과 함께 24시간 분쇄 및 혼합하였다. 혼합된 분말을 오븐에서 24시간 건조한 후 880℃에서 4시간 동안 하소를 진행하였다.

대상 데이터

압전 에너지 하베스터의 전력 측정을 위하여 파워 앰프(Type 2719, Brüel & Kjær, Bremen, Germany)가 연결된 가진기(Type 4808, Brüel & Kjær, Bremen, Germany)를 사용하였다.
하소된 분말을 균질하게 분쇄하기 위하여 48시간 동안 분쇄하고 오븐에서 건조하여 파우더를 준비하였다. 준비된 파우더는 약 12 mm의 지름을 가지는 원판형 시료로 1축 성형한 후 알루미나 도가니에서 920~950℃의 온도로 4시간 동안 소결을 진행하였다. 소결된 시편의 X-선 회절(XRD) 패턴을 분석하여 상을 확인하였고, 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 미세조직을 관찰하였다.

이론/모형

본 논문에서는 PZTx-PZNN 압전 세라믹 조성을 전 통적인 세라믹스 합성법에 의하여 합성하였다. 출발 원료인 PbO, ZrO₂, TiO₂, ZnO, NiO 그리고 Nb₂O₅ (고순도화학, 99% 이상)을 분자량에 맞게 평량한 후, 나일론 자(nylon jar)에 넣고 지르코니아 볼 및 에탄올과 함께 24시간 분쇄 및 혼합하였다.
소결된 시편의 X-선 회절(XRD) 패턴을 분석하여 상을 확인하였고, 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 소결된 시편의 소결도를 확인하기 위하여 아르키메데스법으로 소결밀도를 측정하였다. 소결된 시편의 양면을 균질하게 연마한 후 Ag 전극을 도포하고 550℃에서 10분간 열처리하여 전극을 형성하였다.

성능/효과

0.7 g과 1.0 g의 가속도 조건에서 80 kΩ 매칭 저항일 때 각각 574.6 μW와 937.4 μW의 높은 전력이 얻어졌다.
D33× g33가 가장 높은 PZT0.540-PZNN 조성을 920℃에서 4시간 소성한 세라믹을 이용하여 유니모프 캔틸레버 타입의 energy harvester를 제작하여 전력을 측정한 결과, 0.7 g와 1.0 g의 가속도 조건에서 각각 574.6 μW와 937.4 μW의 전력이 얻어졌다.
X＝0.530 조성일 때 능면체(rhombohedral) 구조를 나타내다가 Ti의 함량이 증가한 x＝0.545 조성에서는 2θ＝45˚ 피크에서 (002)와 (200) 피크가 분리되며 능면체 구조에서 정방정계(tetragonal) 구조로 상이 변하기 시작했으며, x＝0.555일 때 완전한 정방정계 구조를 가지는 것을 확인하였다.
540- PZNN 조성을 920℃에서 4시간 소성한 세라믹으로 압전 에너지 하베스터를 제작하여 전력을 측정한 결과이다. 레이저 센서 헤드를 캔틸레버 팁 끝에 위치시키고 함수 발생기로 주파수를 바꿔 가면서 캔틸레버 팁 변위 를 측정하였을 때 변위가 최대가 되는 주파수는 0.7 g, 1.0 g 모두 123 Hz인 것으로 확인되었다. 압전 에너지 하베스터의 고유 저항이 부하 저항(load resistance)과 일치하여야 임피던스 정합(impedance matching)이 이루어져 최대 전력 전달이 되므로, 123 Hz 공진주파수에서 매칭 저항을 변화하여 제곱평균제곱근(root mean square, RMS) 전압을 측정하였고, 저항과 RMS 전압 결과로부터 전력을 측정하였다.
555) 세라믹을 920℃에서 4시간 소결한 샘플의 XRD 패턴이다. 모든 조성의 세라믹에서 2차상이 없는 균질한 페로브스카이트(Perovskite) 결정구조를 가지는 것을 확인하였다. X＝0.
비록 x＝0.545 조성에서 높은 압전 특성을 나타내었지만, x≥0.545 조성에서는 d33는 감소하고 유전율이 비 슷하게 유지되면서 g33의 급격한 감소가 유도되고, 그로 인해 d33×g33도 감소하는 것으로 나타났다.
이로써 능면체 구조에서 정방 정계 구조를 동시에 가지는 0.540≤x≤0.550 조성이 MPB 영역으로 높은 압전 특성과 유전 특성을 보일 것으로 판단하였다.
4 μW의 전력이 얻어졌다. 이를 전력 밀도로 환산하면 각각 2.0 mW/cm³과 3.3 mW/cm³로 WSN에 적용 가능한 수준임을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전 에너지 하베스터의 높은 출력 밀도를 얻기 위해서는 무엇이 필요한가?	압전 세라믹은 압전 에너지 하베스터 구현을 위한 중요한 구성요소로서, 압전 에너지 하베스터의 높은 출력 밀도를 얻기 위해서는 압전 세라믹의 FOM (figure of merit)이 높아야 한다고 보고되었다. FOM은 에너지 변환효율에 대한 특성 값으로 압전 전하 상수(d33)와 압 전 전압 상수(g33)의 곱으로 나타내어지는데, 현재 대표 적으로 상용화되어 쓰이고 있는 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) 계열의 압전 세라믹이 높은 압전 특성 및 FOM을 가지는 것으로 알려져 있다 [1-5].
	에너지 하베스팅 기술에 기대할 수 있는 점은 무엇인가?	주변의 버려지는 열, 빛, 진동 등 다양한 에너지를 활 용하는 에너지 하베스팅 기술이 최근 많은 관심을 받고 있다. 이러한 버려지는 에너지원을 활용하여 배터리를 교체 또는 생략할 수 있어 시스템의 수명과 활용도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 배터리 처분에 의한 주 변 환경 이슈를 해결할 수 있어 매우 획기적인 기술이라고 할 수 있다. 다양한 주변 에너지원 중에서 기계적 에너지를 전기에너지로 전환할 수 있는 압전 에너지 하베스팅(piezoelectric energy harvesting)은 wireless sensor node와 같은 작은 전자제품의 전원을 충분히 제공할 수 있어 최근 많은 주목을 받고 있다.
	압전 에너지 하베스팅이 최근 많은 주목을 받는 이유는 무엇인가?	이러한 버려지는 에너지원을 활용하여 배터리를 교체 또는 생략할 수 있어 시스템의 수명과 활용도를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 배터리 처분에 의한 주 변 환경 이슈를 해결할 수 있어 매우 획기적인 기술이라고 할 수 있다. 다양한 주변 에너지원 중에서 기계적 에너지를 전기에너지로 전환할 수 있는 압전 에너지 하베스팅(piezoelectric energy harvesting)은 wireless sensor node와 같은 작은 전자제품의 전원을 충분히 제공할 수 있어 최근 많은 주목을 받고 있다.

참고문헌 (12)

S. Priya, IEEE Trans. Ultrason. Eng., 57, 2610 (2010). [DOI: https://doi.org/10.1109/TUFFC.2010.1734]

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I. T. Seo, Y. J. Cha, I. Y. Kang, J. H. Choi, S. Nahm, T. H. Seung, and J. H. Paik, J. Am. Ceram. Soc., 94, 3629 (2011). [DOI: https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04817.x]

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Y. J. Cha, I. T. Seo, I. Y. Kang, S. B. Shin, J. H. Choi, S. Nahm, T. H. Seung, and J. H. Paik, J. Appl. Phys., 110, 084111 (2011). [DOI: https://doi.org/10.1063/1.3653274]

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C. H. Choi, I. T. Seo, D. Song, M. S. Jang, B. Y. Kim, S. Nahm, T. H. Sung, and H. C. Song, J. Eur. Ceram. Soc., 33, 1343 (2013). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.12.011]

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T. G. Lee, H. J. Lee, S. W. Kim, D. H. Kim, S. H. Han, H. W. Kang, C. Y. Kang, and S. Nahm, J. Eur. Ceram. Soc., 37, 3935 (2017). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.05.029]

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C. J. Jeon, H. N. Hwang, Y. H. Jeong, J. S. Yun, J. H. Nam, J. H. Cho, J. H. Paik, J. B. Lim, S. Nahm, and E. S. Kim, J. Korean Phys. Soc., 63, 1772 (2013). [DOI: https://doi.org/10.3938/jkps.63.1772]

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T. G. Lee, H. J. Lee, D. H. Kim, H. B. Xu, S. J. Park, J. S. Park, S. Nahm, C. Y. Yoon, and S. J. Yoon, J. Eur. Ceram. Soc., 36, 4049 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2016.07.014]

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C. W. Ahn, S. Y. Noh, S. Nahm, J. Ryu, K. Uchino, S. J. Yoon, and J. S. Song, Jpn. J. Appl. Phys., 42, 5676 (2003). [DOI: https://doi.org/10.1143/JJAP.42.5676]

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C. H. Nam, H. Y. Park, I. T. Seo, J. H. Choi, M. R. Joung, S. Nahm, H. J. Lee, Y. H. Kim, and T. H. Sung, J. Am. Ceram. Soc., 94, 3442 (2011). [DOI: https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2011.04538.x]

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S. Mahajan, C. Prakash, and O. P. Thakur, J. Alloys Compd., 471, 507 (2009). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.04.046]

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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