[논문]압전 스피커 응용을 위한 PSN-PZT계 세라믹스의 미세구조 분석 및 전기적 특성 평가

김성진; 권순용

doi:10.4313/jkem.2019.32.2.110

압전 스피커 응용을 위한 PSN-PZT계 세라믹스의 미세구조 분석 및 전기적 특성 평가
Microstructures and Electrical Properties of PSN-PZT Ceramics for Piezoelectric Speaker 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.2, 2019년, pp.110 - 115

김성진 ((주)제닉슨) , 권순용 (한국교통대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

$Pb(Sb_{0.5}Nb_{0.5})_x(Zr_{0.51}Ti_{0.49})_{1-x}O_3$ (abbreviation: PSN-PZT) ceramics were synthesized, using conventional bulk ceramic processing technology, with various PSN doping contents. The maximum density of PSN-PZT was 97% of the theoretical density in the samples sintered at $1,250^{\circ}C$. The maximum values of the piezoelectric properties achieved using the conventional processes were: $k_p$ of 0.625, $d_{33}$ of 531 pC/N, and $g_{33}$ of $33mV{\cdot}m/N$. Finally, we fabricated a piezo-speaker with the optimized PSN-PZT ceramics. The SPL of the speaker was measured at a distance of 1 m, with a driving voltage of $40V_{rms}$ in the frequency range of ~300 Hz to 9 kHz. The measured $SPL_{max}$ was at a very high level (95 dB), which was superior in quality in comparison with those of other commercial products.

주제어

표/그림 (7)

$Fig. 1. X-ray diffraction patterns of PSN-PZT ceramics at various PSN amounts of x (mole ratio): (a) 0.02, (b) 0.04, (c) 0.06, and (d) 0.08.$ 그림 Fig. 1. X-ray diffraction patterns of PSN-PZT ceramics at various PSN amounts of x (mole ratio): (a) 0.02, (b) 0.04, (c) 0.06, and (d) 0.08.
그림 Fig. 2. Sintering density of PSN-PZT ceramics as a function of PSN composition.
그림 Fig. 3. SEM images of PSN-PZT ceramics at various PSN compositions of x: (a) 0.02, (b) 0.04, (c) 0.06, and (d) 0.08.
그림 Fig. 4. Dependence of electromechanical coupling factor (k_p) and mechanical quality factor (Q_m) on PSN composition in PSN-PZT ceramics.
그림 Fig. 5. Variation of relative dielectric constant (ɛ_r) with different doping amounts of PSN in PSN-PZT ceramics.
그림 Fig. 6. Effects of PSN composition on piezoelectric charge constant (d₃₃) and piezoelectric voltage constant (g₃₃) in PSN-PZT ceramics.
그림 Fig. 7. The SPL of the piezoelectric speaker measured without (closed circle) and with (open square) an additional vibration media.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 우수한 압전 특성을 갖는 Pb (Sb_0.5Nb_0.5)_x(Zr_0.51Ti_0.49)_1-xO₃ (이하 PSN-PZT라 함) 3성분 압전세라믹 조성을 선행 연구들의 조사를 통하여 설계하였다 [9-11]. 그 다음 조성의 최적화를 위하여 Pb(Sb_0.
본 연구에서는 압전 스피커 응용을 위한 PSN-PZT계 세라믹스에서 PSN 첨가량을 변화시켜 조성 최적화 실험을 수행하였다. 시편의 상대 소결 밀도는 x＝0.

제안 방법

49)_1-xO₃ (이하 PSN-PZT라 함) 3성분 압전세라믹 조성을 선행 연구들의 조사를 통하여 설계하였다 [9-11]. 그 다음 조성의 최적화를 위하여 Pb(Sb_0.5Nb_0.5)O₃ (이하 PSN이라 함) 조성(x)을 변화시키면서 비유전율, 전기기계결합계수 및 기계적 품질계수 등의 전기적 특성을 평가하였다. 또한 최적화된 PSN-PZT 세라믹 조성을 이용하여 압전 스피커를 제작하여 상업적 이용 가능성도 평가하였다.
내부가 무향장치로 채워진 실험 공간(chamber) 내에 압전 스피커를 고정하고, 음압을 측정하기 위한 마이크로폰(B&K 4135)을 압전 스피커로부터 1 m 되는 위치에 고정하였다.
PZT에 새로운 물질을 첨가하면 보통 Ti가 좀 더 많은 쪽으로 상경계 영역이 이동한다. 따라서 본 연구에서는 PSN을 첨가하기 때문에 Zr/Ti 조성비를 51/49로 설계하였다. 그림 1은 결정구조 해석을 위하여, PSN 첨가량 변화에 따른 PSN-PZT 세라믹의 X-선 회절 패턴의 변화를 분석한 결과이다.
일반적으로 PZT계 세라믹에서는 상경계 영역(morphotropic phase boundary, MPB)에서 가장 우수한 전기적 특성을 보인다 [6]. 따라서 본 연구에서도상경계 영역에서 Pb(Sb_0.5Nb_0.5)_x(Zr_0.51Ti_0.49)_1-xO₃ 조성을 설계하였고, PSN 조성(x)을 0.02~0.08 범위에서 변화시키면서 실험하였다.
5)O₃ (이하 PSN이라 함) 조성(x)을 변화시키면서 비유전율, 전기기계결합계수 및 기계적 품질계수 등의 전기적 특성을 평가하였다. 또한 최적화된 PSN-PZT 세라믹 조성을 이용하여 압전 스피커를 제작하여 상업적 이용 가능성도 평가하였다.
설계된 조성의 세라믹스의 특성을 평가하기 위해서 일반적인 세라믹 분말의 소결 공정을 적용하여 시편을 제작하였다. 먼저 조성에 따라서 원료 분말을 0.
1wt%)를 첨가한 다음 직경 15 mm의 원판(disk) 형태로 1,000 kgf/cm² 압력을 가하여 성형한 후, 1,250℃에서 2시간 동안 소결 공정을 수행하였다. 소결 공정이 완료된 시편의 미세구조를 관찰하기 위해 주사전자현미경(SEM)을 이용하였으며, X-선 회절기(XRD)를 이용하여 결정구조를 분석하였다.
내부가 무향장치로 채워진 실험 공간(chamber) 내에 압전 스피커를 고정하고, 음압을 측정하기 위한 마이크로폰(B&K 4135)을 압전 스피커로부터 1 m 되는 위치에 고정하였다. 압전 스피커를 구동하기 위한 유효 입력전압은 40 V_rms를 인가하였고, 입력주파수 범위는300 Hz ~ 9 kHz로 설정하여 구동하였다.
우수한 압전체는 전기기계결합계수, 기계적 품질계수, 압전전압상수 등의 압전 특성이 높아야 한다 [4,5]. 이상의 논의들을 종합적으로 검토한 결과, PSN이 0.04 첨가된 조성을 적용하여 스피커를 제작하였다. 두께가 0.
이상의 실험을 통해서 최적화된 조성으로 압전 스피커용 압전체를 제작하였다. 압전체는 25 mm x 25 mm 사각형 형태이고, 두께는 0.
전기적 특성을 평가하기 위하여 1 mm 두께로 연마한 시편에 은 페이스트(silver paste)를 도포하고 650℃에서 20분 동안 열처리하여 전극을 형성한 후, 120℃의 실리콘유(silicone oil) 내에서 3.5 kV/mm의 전계를 가해 40분간 분극처리(poling) 하였다. 제작된 시편의 압전전하상수(piezoelE 5 kV/mm의 전계를 가해 40분간 분극처리(poling) 하였다. 제작된 시편의 압전전하상수(piezoelECtric charge constant)는 압전전하상수 측정기(d₃₃-meter: APC-8000)를 이용하여 측정하였다. 비유전율(ε_r), 전기기계결합계수(k_p) 및 기계적 품질계수(Q_m) 등은 임피던스 분석기(impedance/gain phase analyzer: HP4194A)를 이용하여 측정하고, 공진-반공진법을 이용하여 계산하였다 [12,13].
6 mm). 제작된 압전 스피커의 음압은 마이크로폰을 이용하여 무향실내에서 측정하였다. 압전 스피커와 마이크로폰 사이의 거리는 1 m로 고정하였고, 압전 스피커 구동전압은 40 V_rms를 인가하였다.
02일때 33 mV · m/N으로 최대값을 나타내었다. 최적화된 PSN-PZT 압전체를 이용하여 바이모프형 압전 스피커를 제작하였다. 구동전압을 40 V_rms로 하고, 1m 거리에서 압전 스피커의 음압을 평가한 결과 최대 음압이 3 kHz 주파수에서 95 dB로 평가되었다.
하소한 분말은 24시간 동안 다시 혼합, 분쇄 후 건조하여 최종 PSN-PZT 분말을 얻었다. 최종 분말에 PVB (0.1wt%)를 첨가한 다음 직경 15 mm의 원판(disk) 형태로 1,000 kgf/cm² 압력을 가하여 성형한 후, 1,250℃에서 2시간 동안 소결 공정을 수행하였다. 소결 공정이 완료된 시편의 미세구조를 관찰하기 위해 주사전자현미경(SEM)을 이용하였으며, X-선 회절기(XRD)를 이용하여 결정구조를 분석하였다.
추가적인 진동매체의 적용에 따른 음압의 변화를 확인하기 위하여 제작된 사각형의 바이몰프형 압전체를 아크릴 판(10 cm x 10 cm x 1mm)에 부착하여 음압 특성을 평가하였다.

대상 데이터

두께가 0.2 mm인 사각형의 압전 스피커용 압전체(25 mm x 25 mm)를 두께 0.2 mm의 황동판의 양면에 부착하여 바이몰프형 스피커를 제작하였다 (총 두께: 0.6 mm).
압전체는 25 mm x 25 mm 사각형 형태이고, 두께는 0.2 mm로 제작되었다.

이론/모형

)의 변화를 보여주고 있다. 각각의 값들은 임피던스 분석기(HP4194A)로 측정한 임피던스 스펙트럼 데이터를 이용하여 공진-반공진법을 적용하여 다음 식을 이용하여 계산한 것이다 [12,13]. 여기에서 f_r은 1차 공진 주파수, f_{비유전율(εr), 전기기계결합계수(kp) 및 기계적 품질계수(Qm) 등은 임피던스 분석기(impedance/gain phase analyzer: HP4194A)를 이용하여 측정하고, 공진-반공진법을 이용하여 계산하였다 [12,13].}
그림 2는 PSN-PZT 소결체에서 PSN 첨가량의 변화에 따른 소결 밀도의 변화를 보여주고 있다. 소결 밀도는 아르키메데스(Archimedes)법 (ASTM C373-71)을 적용하여 측정하였다 [14]. 그림 1(a)의 XRD 회절실험 결과로부터 계산한 이론 밀도 값인 8.

성능/효과

압전 스피커의 진동판에 적용하기 위해서는 전기기계결합계수가 가능한 큰 값을 갖는 것이 유리하다. PSN의 첨가량이 0.04일 때에 가장 높은 전기기계결합계수 값을 보이는데, 이때 값은 약 62.5%로 우수한 특성을 보였다. PSN 조성이 0.
04 이상인 경우에서 PSN-PZT 소결체들의 상대 밀도는 96% 이상의 우수한 값을 보였다. x＝0.04일 때 상대밀도가 약 97% (측정 밀도:7.85 g/cm³)로 가장 우수한 값을 나타내었고, 그 이상의 PSN 첨가 시에는 다소 밀도가 감소하는 경향을 보였다. 이러한 감소는 첨가물질의 양이 많아짐에 따라서 소결체 내에 양이온 공공(metal vacancy) 등의 더 많은 결함이 생성되기 때문이라고 판단된다.
최적화된 PSN-PZT 압전체를 이용하여 바이모프형 압전 스피커를 제작하였다. 구동전압을 40 V_rms로 하고, 1m 거리에서 압전 스피커의 음압을 평가한 결과 최대 음압이 3 kHz 주파수에서 95 dB로 평가되었다.
다만 그림 7의 결과를 보면, 1 kHz 이하의 저주파 영역에서의 급격한 음압 감소는 추후 실험을 통하여 해결해야 할 연구 과제이다. 그럼에도 이상의 우수한 스피커 음압 특성은 상용 제품으로 적용 가능성이 충분함을 확인할 수 있었다.
그래프에서 사각형 기호가 압전체를 아크릴 판에 부착한 것에서 얻은 실험 결과이고, 채워진 원이 바이모프형 압전체 스피커만 구동하였을 때의 음압이다. 아크릴 판에 압전체를 부착한 경우, 압전체만의 음압에 비하여 월등히 향상된 음압 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 약 3 kHz 주파수에서의 최대음압(SPL_max)은 약 95dB 정도로 매우 우수한 특성을 보였다.
아크릴 판에 압전체를 부착한 경우, 압전체만의 음압에 비하여 월등히 향상된 음압 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 약 3 kHz 주파수에서의 최대음압(SPL_max)은 약 95dB 정도로 매우 우수한 특성을 보였다. 특히 저주파수 영역인 300 Hz에서 5 kHz까지의 범위에서는 진동매체 유무에 따른 현격한 차이를 보이고 있으며, 이는 압전 스피커의 단점으로 지적되었던 저주파 구동이 가능함을 보여주고 있다.
8도로 측정되었다. 이러한 실험 결과로부터 격자상수와 이론 밀도를 계산할 수 있는데, 계산한 PSN-PZT의 이론 밀도는 약 8.1 g/cm³이었고, 정방정도(tetragonality: T＝c/a)는 약 1.012 (c＝4.0902Å, a＝4.0462 Å)로 계산되었다. 다른 조성의 회절선에서도 (002)/(200) 면의 회절선 위치가 거의 변화가 없어서 상대밀도를 계산하는데 같은 이론 밀도 값을 적용하여 계산하였다.

후속연구

일반적인 압전 스피커에서 9~20 kHz 범위에서의 음압 감소는 크지 않다 [5]. 다만 그림 7의 결과를 보면, 1 kHz 이하의 저주파 영역에서의 급격한 음압 감소는 추후 실험을 통하여 해결해야 할 연구 과제이다. 그럼에도 이상의 우수한 스피커 음압 특성은 상용 제품으로 적용 가능성이 충분함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전체를 이용하여 스피커 제작시 어떤 소재가 유리한가?	PZT에 다양한 물질들을 첨가하여 우수한 특성의 압전체를 개발하여 여러 전자소자들을 제작하고 있다 [7,8]. 압전체를 이용하여 스피커를 제작하는 경우에는 적당한 기계적 품질계수(Qm)를 가지면서 우수한 전기기계결합계수(kp) 및 낮은 비유전율(εr) 특성을 나타내는 소재가 유리하다 [4,5].
	압전 세라믹스란?	압전 세라믹스는 진동, 변형, 압력 등의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 혹은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 소자로서 압전스피커의 핵심 소재이다 [4,5]. 현재 압전체 중에서 상업적으로 가장 많이 사용되는 것은 PbZrxTi1-xO3 (이하 PZT라 함) 조성을 기본으로 하고 있다 [6].
	압전 세라믹을 이용하여 압전 스피커를 만들때 장점은?	기존의 마그네틱 스피커는 혼, 보이스 코일, 자석 등으로 구성되어 스피커의 두께를 감소시키는 데는 한계가 크다. 하지만 압전체를 이용하는 압전 스피커는 압전체 단독으로 얇게 제작하여 소리를 낼 수도 있고, 다른 매체에 진동을 전달하고 그 매체가 혼의 역할을 하여 음을 증폭시키는 것도 가능하기 때문에 고성능의 박형 스피커를 제작하기에 용이한 장점이 있어 최근에 주목을 받고 있다 [1-3].

참고문헌 (14)

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IRE Standard Committee, Proc. IRE Standards on Piezoelectric Crystals: Determination of the Elastic, Piezoelectric, and Dielectric Constants-The Electromechanical Coupling Factor, 1958 (IEEE, 1958) p. 764.
IRE Standard Committee, Proc. IRE Standards on Piezoelectric Crystals: Measurements of Piezoelectric Ceramics, 1961 (IEEE, 1961) p. 1161.
Standard Test Method for Water Absorption, Bulk Density, Apparent Porosity, and Apparent Specific Gravity for Fired White Ware Products, ASTM C373-72, 1972.

저자의 다른 논문 :

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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