[논문]평판형 적층 세라믹 초음파 압전 트랜스미터의 제조와 성능 평가

나용현; 이민선; 조정호; 백종후; 이정우; 정영훈

doi:10.4313/jkem.2019.32.3.207

[국내논문] 평판형 적층 세라믹 초음파 압전 트랜스미터의 제조와 성능 평가
Fabrication and Performance Evaluation of Flat-Type Multilayer Piezoelectric Ceramic Ultrasonic Transmitter 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.32 no.3, 2019년, pp.207 - 212

나용현 (한국세라믹기술원 광전자부품소재센터) , 이민선 (한국세라믹기술원 광전자부품소재센터) , 조정호 (한국세라믹기술원 광전자부품소재센터) , 백종후 (한국세라믹기술원 광전자부품소재센터) , 이정우 (부산대학교 재료공학과) , 정영훈 (한국세라믹기술원 광전자부품소재센터)

Abstract ▼ AI-Helper

A flat-type piezoelectric ceramic ultrasonic transmitter was successfully fabricated for application in acoustic devices with cone-free diaphragms. The transmitter, possessing a center frequency of 40.6 kHz, exhibited a higher displacement characteristic for a multilayer type compared with a single layer type. Surface roughness treatment of an Al elastic diaphragm influenced a slight increase (1.1 dB) in the sound pressure level (SPL) at $10V_{rms}$ due to the enlarged surface area. The fabricated multilayer piezoelectric ceramic ultrasonic transmitter showed increasing SPL with increasing input voltage, with a maximum SPL of approximately 123.6 dB at $10V_{rms}$. This implies a doubly increased SPL density of $3.6dB/mm^3$, superior to that of a commercial open-type transmitter with a cone.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic image of typical piezoelectric ultrasonic transmitter with a cone.
그림 Fig. 2. (a) Schematic image of the fabricated multilayer piezoelectric ceramic ultrasonic transmitter, (b) cross-sectional FE-SEM image of the piezoelectric film, (c) top (left) and side (right) view images of the fabricated piezoelectric ultrasonic transducer.
그림 Fig. 3. Experimental set up for measurement of acoustic properties of the piezoelectric ultrasonic transmitter.
그림 Fig. 4. (a) Displacement spectra at 5 Vrms of the ultrasonic transmitters with piezoelectric element of the single layer (top) and the multilayer (bottom) and (b) bending of the Al diaphragm at the resonant frequency for the multilayer piezoelectric ultrasonic transmitter.
그림 Fig. 5. (a) AFM topography images of the top surface and (b) measured roughness profiles of Al diaphragm before and after surface roughness treatment.
그림 Fig. 6. Impedance and phase angle characteristics of the ultrasonic transmitters for the piezoelectric ceramics with (a) a single layer and (b) multilayer from 30 kHz to 50 kHz.
그림 Fig. 7. (a) Frequency dependant sound pressure level of the ultrasonic transmitters for the piezoelectric ceramics with a single layer and multilayer and (b) variation of sound pressure level dependant on applied voltage for the surface roughness treated multilayer piezoelectric ultrasonic transmitter from 35 kHz to 45 kHz.
표 Table 1. Comparison of acoustic performance between the commercial ultrasonic piezoelectric transmitter and the fabricated flat-type multilayer piezoelectric ceramic ultrasonic transmitter in this work.

AI 본문요약
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문제 정의

6 kHz로 고정값을 가진다. 따라서 빔의 방사각을 줄이기 위하여 진동판 상부 표면의 거칠기(roughness)를 증가시켜 비표면적을 향상시킴으로써 진동판의 유효면적을 증가시키는 효과를 얻고자 하였다. 이를 위하여 적층형 압전체를 이용한 평판형 초음파 트랜스미터의 Al 탄성판을 연마공정으로 표면처리하였다.
본 연구에서는 콘형 구조물이 없는 평판형 초음파 압전 트랜스미터를 40 kHz의 공진 주파수를 가지도록 설계 및 제작하였다. 콘을 제거함으로 낮아지는 음압을 보상하기 위해 저전압 구동 및 높은 변형률을 가질 수 있는 적층형 압전 소자를 사용하고 표면 거칠기 제어 통한 진동판의 유효 비표면적을 증가시켜 음압 성능의 향상을 평가하였다.

제안 방법

알루미늄 탄성판의 상부 표면은 자동연마기(auto-polisher, Automet 2000, BUEHLER, USA)를 이용하여 표면처리하였다. 그림 2(a)에서 보듯이 압전체는 알루미늄 탄성판의 하부 표면에 접합되어 있으며, 이를 위해 상온에서 에폭시를 접합면에 전면 도포한 후, 고압가열오븐(PO1-700-20, Korea)에서 65℃, 3.5 bar 조건으로 20분 동안 가압 열경화 방식으로 접합하였다. 그림 2(b)는 압전체의 단면구조를 보여주고 있으며, 이는 약 50 ㎛ 두께를 갖는 압전층이 총 6층 적층된 구조를 가지며, 표면과 내부 전극으로 약 2 ㎛두께의 Ag/Pd 전극층으로 구성되어 있다.
Table 1. Comparison of acoustic performance between the commercial ultrasonic piezoelectric transmitter and the fabricated flat-type multilayer piezoelectric ceramic ultrasonic transmitter in this work.
본 연구에서 제작된 압전 초음파 트랜스미터의 주파수 반응성은 임피던스 분석기(E4990A, KEYSIGHT, USA)를 이용하였으며, 음향 특성의 측정과 평가는 외부 소음을 차단하기 위해 흡음제가 사용된 음향 chamber에서 30 cm 이격거리를 갖는 마이크로폰(46BF, GRAS, Denmark)과 음향 분석기(APx515, Audio precision, USA)로 구성된 음향 평가 시스템을 활용하였다. 압전 초음파 트랜스미터의 동작을 위한 전기신호는 동일한 음향 분석기와 앰프(NF, HSA4014, USA)로 인가하였으며, 인가전압에 따른 압전 초음파 트랜스미터의 변위를 측정하기 위해서 laser vibrometer (PSV-500, Polytec, Germany) 를 사용하였다.
그림 2(b)는 압전체의 단면구조를 보여주고 있으며, 이는 약 50 ㎛ 두께를 갖는 압전층이 총 6층 적층된 구조를 가지며, 표면과 내부 전극으로 약 2 ㎛두께의 Ag/Pd 전극층으로 구성되어 있다. 분극(poling) 은 3 kV/mm의 전계 조건으로 100℃ 실리콘 오일에서 15분 동안 수행하였으며, 실리콘 접착제를 이용하여 적층 압전 세라믹의 모서리 네 곳의 끝단 하부와 아크릴 기판의 상부 표면이 안정적으로 결합되도록 부착하였다. 그림 2(c)는 본 연구에서 실제 제작한 평판형 초음파 압전 트랜스미터의 이미지를 보여준다.
30 mm (두께)를 갖는 사각형 알루미늄 탄성판을 사용하였다. 알루미늄 탄성판의 상부 표면은 자동연마기(auto-polisher, Automet 2000, BUEHLER, USA)를 이용하여 표면처리하였다. 그림 2(a)에서 보듯이 압전체는 알루미늄 탄성판의 하부 표면에 접합되어 있으며, 이를 위해 상온에서 에폭시를 접합면에 전면 도포한 후, 고압가열오븐(PO1-700-20, Korea)에서 65℃, 3.
본 연구에서 제작된 압전 초음파 트랜스미터의 주파수 반응성은 임피던스 분석기(E4990A, KEYSIGHT, USA)를 이용하였으며, 음향 특성의 측정과 평가는 외부 소음을 차단하기 위해 흡음제가 사용된 음향 chamber에서 30 cm 이격거리를 갖는 마이크로폰(46BF, GRAS, Denmark)과 음향 분석기(APx515, Audio precision, USA)로 구성된 음향 평가 시스템을 활용하였다. 압전 초음파 트랜스미터의 동작을 위한 전기신호는 동일한 음향 분석기와 앰프(NF, HSA4014, USA)로 인가하였으며, 인가전압에 따른 압전 초음파 트랜스미터의 변위를 측정하기 위해서 laser vibrometer (PSV-500, Polytec, Germany) 를 사용하였다. 그림 3은 압전 초음파 트랜스미터의 음향 성능 분석을 위한 음향 평가시스템을 보여준다.
따라서 빔의 방사각을 줄이기 위하여 진동판 상부 표면의 거칠기(roughness)를 증가시켜 비표면적을 향상시킴으로써 진동판의 유효면적을 증가시키는 효과를 얻고자 하였다. 이를 위하여 적층형 압전체를 이용한 평판형 초음파 트랜스미터의 Al 탄성판을 연마공정으로 표면처리하였다.
본 연구에서는 콘이 없으면서도 우수한 음향 특성을 가지는 평판형 초음파 압전 트랜스미터를 제조하기 위하여 적층형 압전 세라믹 필름을 이용하였다. 제조한 초음파 압전 트랜스미터의 구조와 주파수 반응성, 변위, 전기음향 특성을 평가하였으며, 아울러 단판형 압전 세라믹 기반 개방형 초음파 트랜스미터의 성능과 비교하였다.
본 연구에서는 콘형 구조물이 없는 평판형 초음파 압전 트랜스미터를 40 kHz의 공진 주파수를 가지도록 설계 및 제작하였다. 콘을 제거함으로 낮아지는 음압을 보상하기 위해 저전압 구동 및 높은 변형률을 가질 수 있는 적층형 압전 소자를 사용하고 표면 거칠기 제어 통한 진동판의 유효 비표면적을 증가시켜 음압 성능의 향상을 평가하였다. 공진주파수에서 동일구조의 단판형 압전 세라믹과 적층형 압전 세라믹을 이용한 압전 초음파 트랜스미터의 변위 특성을 비교한 결과 적층 세라믹을 이용한 초음파 압전 트랜스미터 중심의 최대 변위는 3.
6 dB의 높은 음압 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다. 표 1에서는 개방형 상용 초음파 압전 트랜스미터와 본 연구에서 제조한 거칠기 표면처리된 평판형 적층 세라믹 초음파 압전 트랜스미터를 구성하는 파트별 부피와 음압 성능을 비교한 결과를 요약하였다. 각 트랜스미터를 구성하는 총 부피를 고려하면 동일한 인가전압에서 출력되는 단위 부피당 음압 크기를 의미하는 음압 밀도는 상용 트랜스미터의 경우 1.

대상 데이터

본 연구에서는 40 kHz의 중심주파수를 갖는 평판형 압전 초음파 트랜스미터를 제작하기 위하여 압전소재는 6.0 mm (가로) × 6.0 mm (세로) × 0.31 mm (두께) 크기의 PZT계(SJPCM01, Samjeon Ltd., d33＝600pC/N, kp＝78%, Qm＝65, #) 적층 세라믹을 이용하였으며, 진동판은 8.8 mm (가로) × 8.8 mm (세로) × 0.30 mm (두께)를 갖는 사각형 알루미늄 탄성판을 사용하였다.
본 연구에서는 콘이 없으면서도 우수한 음향 특성을 가지는 평판형 초음파 압전 트랜스미터를 제조하기 위하여 적층형 압전 세라믹 필름을 이용하였다. 제조한 초음파 압전 트랜스미터의 구조와 주파수 반응성, 변위, 전기음향 특성을 평가하였으며, 아울러 단판형 압전 세라믹 기반 개방형 초음파 트랜스미터의 성능과 비교하였다.

성능/효과

표 1에서는 개방형 상용 초음파 압전 트랜스미터와 본 연구에서 제조한 거칠기 표면처리된 평판형 적층 세라믹 초음파 압전 트랜스미터를 구성하는 파트별 부피와 음압 성능을 비교한 결과를 요약하였다. 각 트랜스미터를 구성하는 총 부피를 고려하면 동일한 인가전압에서 출력되는 단위 부피당 음압 크기를 의미하는 음압 밀도는 상용 트랜스미터의 경우 1.9 dB/mm³의 낮은 출력을 나타낸 것에 반하여 본 연구에서 제조한 테스트 시편의 경우 약 2배에 가까운 3.6 dB/mm³의 높은 음압 밀도를 나타냄을 알 수 있다. 이러한 음압 밀도의 향상은 압전 트랜스듀서에 사용된 active element로서 압전체의 적층 구조 적용을 통해 전계 효율을 개선하고, 설계된 트랜스듀서의 중심 주파수를 유지하면서 거칠기 표면처리를 통한 진동판의 유효 비표면적을 증가시킨 효과로 인한 것이다.
콘을 제거함으로 낮아지는 음압을 보상하기 위해 저전압 구동 및 높은 변형률을 가질 수 있는 적층형 압전 소자를 사용하고 표면 거칠기 제어 통한 진동판의 유효 비표면적을 증가시켜 음압 성능의 향상을 평가하였다. 공진주파수에서 동일구조의 단판형 압전 세라믹과 적층형 압전 세라믹을 이용한 압전 초음파 트랜스미터의 변위 특성을 비교한 결과 적층 세라믹을 이용한 초음파 압전 트랜스미터 중심의 최대 변위는 3.92 nm로 단판형 소자를 이용한 경우보다 1.75 nm 증가하였다. 또한 제조한 초음파 트랜스듀서의 비표면적 증가를 통한 음압 성능 향상을 위해 거칠기 표면처리 후 측정된 음압 성능 평가 결과 약 1.
75 nm 증가하였다. 또한 제조한 초음파 트랜스듀서의 비표면적 증가를 통한 음압 성능 향상을 위해 거칠기 표면처리 후 측정된 음압 성능 평가 결과 약 1.1 dB 정도 향상되었음을 확인할 수 있었다. 제작된 시편은 인가전압 증가에 따라 출력 음압은 증가하는 경향을 나타내었으 며, 30 cm 이격거리에서 측정한 테스트 시편의 최대 음압은 10 V rms 인가전압에서 최대 123.
7 kHz에서 11 dB 이상의 높은 음압 출력을 나타내었다. 또한, 적층형의 경우 거칠기 표면처리 전후의 중심주파수의 변화는 약 0.2 kHz로 거의 변화가 없었지만 39.4 kHz 이상에서 음압이 증가하는 양상을 보였으며, 최대출력 음압의 크기는 약 1.1 dB 정도로 증가하는 효과가 나타났다. 그림 7(b)는 동일한 주파수 범위에서 거칠기 표면처리된 테스트 시편의 인가전압 변화에 따른 음압 특성의 변화를 보여준다.
또한 인가전압이 증가함에 따라 중심주 파수가 낮은 쪽으로 이동하는 현상을 관찰할 수 있으며 이는 여러 논문에서 알려진 바와 같이 높은 전계에서 전기-기계적(electro-mechanical) 특성이 선형적으로 변하지 않기 때문이다 [18,19]. 본 연구에서는 거칠기 표면처리된 Al 탄성체를 이용한 적층형 초음파 압전 트랜스미터로부터 10 V rms 인가 시 30 cm 이격 거리에서 최대 123.6 dB의 높은 음압 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다. 표 1에서는 개방형 상용 초음파 압전 트랜스미터와 본 연구에서 제조한 거칠기 표면처리된 평판형 적층 세라믹 초음파 압전 트랜스미터를 구성하는 파트별 부피와 음압 성능을 비교한 결과를 요약하였다.
6 dB로 높은 음압 출력 성능을 나타냈다. 이는 압전 초음파 트랜스 듀서를 구성하는 총 부피를 고려한 음압 밀도로 환산하면 약 3.6 dB/mm³로 동일한 측정 조건에서 평가한 개방형 상용 압전 초음파 트랜스미터와 비교하여 약 2배 높은 수준의 음압 밀도를 가지는 것으로 평가되었다.
그림 7(b)는 동일한 주파수 범위에서 거칠기 표면처리된 테스트 시편의 인가전압 변화에 따른 음압 특성의 변화를 보여준다. 인가전압이 2 V_rms에서 10 V_rms 까지 2 V_rms씩 증가하면서 측정된 음압은 지속적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 그림 6에서 관찰할 수 있듯이, 36.
(rms: root mean square)로 교류전압 인가 시 측정된 변위 스펙트럼을 보여주는 그래프이다. 제작된 두 시편은 모두 설계된 대로 40.0 kHz 근처에서 1차 공진 모드를 가지는 변위 피크를 관찰할 수 있었다. 단판형의 경우 40 kHz에서 중심부와 모서리에서 각각 약 2.
1 dB 정도 향상되었음을 확인할 수 있었다. 제작된 시편은 인가전압 증가에 따라 출력 음압은 증가하는 경향을 나타내었으 며, 30 cm 이격거리에서 측정한 테스트 시편의 최대 음압은 10 V rms 인가전압에서 최대 123.6 dB로 높은 음압 출력 성능을 나타냈다. 이는 압전 초음파 트랜스 듀서를 구성하는 총 부피를 고려한 음압 밀도로 환산하면 약 3.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파 트랜스듀서란?	초음파 트랜스듀서(ultrasonic transducer)는 가청 주파수 영역을 초과하는 20 kHz 이상의 교류 에너지를 같은 주파수의 기계적 진동과 같은 다른 형태의 출력 신호로 변환해 주는 전자부품으로 주로 압전(piezoelectricity) 효과 또는 자왜(magnetostriction) 효과를 이용한다 [1]. 특히, 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환하는 압전 초음파 트랜스듀서는 일반적으로 압전 단결정 물질로써 높은 안정성을 가지는 석영(quartz)을 사용하거나 다결정 압전체로 PZT 계열의 박막 또는 박판 등 다양한 재료를 통해 제작되고 있다 [2-5].
	압전 초음파 트랜스듀서란?	압전 초음파 트랜스듀서는 인가된 전기 신호로부터 초음파 진동을 생성하는 액츄에이터로서 압전 트랜스 미터(transmitter)의 기능과 물리적인 초음파 신호를 전기 신호로 인식하는 센서로서 리시버(receiver)의 기능을 가질 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 수중에서 거리 및 이미지를 인식하는 수중음파탐지기 [6,7], 시험체를 파괴하지 않고 내부 구조를 파악하는 비파괴검사 장치 [8,9] 및 음향 구현을 위한 마이크로 스피커[10-13] 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다.
	압전 초음파 트랜스듀서의 장단점은?	특히, 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환하는 압전 초음파 트랜스듀서는 일반적으로 압전 단결정 물질로써 높은 안정성을 가지는 석영(quartz)을 사용하거나 다결정 압전체로 PZT 계열의 박막 또는 박판 등 다양한 재료를 통해 제작되고 있다 [2-5]. 우수한 주파수 반응성과 빠른 응답속도, 높은 출력 신호, 소형화 등의 다양한 장점을 가지고 있는 반면에, 압전 소재가 가지는 높은 임피던스 물성으로 인하여 별도의 앰프(amplifier)가 필요하며 높은 내구성을 갖는 압전 소재의 성형이 어렵다는 단점을 가진다.

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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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