보고서 정보
주관연구기관 |
한국과학기술연구원 Korea Institute Of Science and Technology |
연구책임자 |
윤석진
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2011-07 |
과제시작연도 |
2010 |
주관부처 |
지식경제부 |
사업 관리 기관 |
한국기계연구원 부설 재료연구소 |
등록번호 |
TRKO201300022841 |
과제고유번호 |
1415112200 |
사업명 |
지식경제프론티어기술개발 |
DB 구축일자 |
2013-10-05
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키워드 |
적층형 압전 액츄에이터.저온 소결 압전 하드 재료.마이크로 펌프.고밀도 압전 후막..
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초록
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핵심기술
- 공압 및 비례제어 밸브용 적층형 압전 액츄에이터 제작 및 설계기술.
- 저온 소결 하드 압전 재료 개발 기술
- Drug Delivery System 및 Micro Direct Methanol Fuel Cell 용 마이크로 펌프 설계 및 제작 기술
최종목표
• 저온소결용 hard 압전조성 개발
- Ec≥1 V/㎛, life cycle≥109 cycle
- d33≥330 pC/N, kp≥60, Tc≥300℃
• 개발된 저온소결 hard 재료를 이용한 벤더 액츄에이터의 제작 및 특
핵심기술
- 공압 및 비례제어 밸브용 적층형 압전 액츄에이터 제작 및 설계기술.
- 저온 소결 하드 압전 재료 개발 기술
- Drug Delivery System 및 Micro Direct Methanol Fuel Cell 용 마이크로 펌프 설계 및 제작 기술
최종목표
• 저온소결용 hard 압전조성 개발
- Ec≥1 V/㎛, life cycle≥109 cycle
- d33≥330 pC/N, kp≥60, Tc≥300℃
• 개발된 저온소결 hard 재료를 이용한 벤더 액츄에이터의 제작 및 특성평가
• MEMS용 고밀도 압전막 개발
- Crack free, 두께 2-20 ㎛
- Pr≥30 μC/㎠, d33≥120 pC/N
• Dual actuation 마이크로펌프 개발
- 인가 전압 : 40 Vp-p,
- 변위량 ≥ 0.5 ㎛, 유량 ≥ 10 ㎕/min
- diffuser/nozzle 선폭: 10 ~ 100 ㎛
- device 크기 : 5×5×1.5 (㎣) 이하
개발내용 및 결과
• 저온소결 hard 압전 재료
- 0.09PZT-0.05PAN-0.05PMS 조성의 새로운 hard 압전재료 개발(1150℃ 소결: d33 = 303 pC/N, kp = 56 %, Qm = 1660)
- Softening 효과를 나타내기 위해 0.05 wt% La2O3를 첨가하여, kp 값 및 d33 값을 향상시켰으며, 저온 소결 조재로 1.5 wt% CuO를 첨가하여 900℃ 소결에서 특성값의 저하가 거의 없는 저온 소결 hard 재료를 개발하였음.(900 ℃ 소결: d33 = 336 pC/N, kp = 61 %, Qm = 1000)
• MEMS용 고밀도 압전막 개발
- Si 기반의 Clamping 효과로 인해, 스크린 프린팅으로 제작된 압전 후막의 경우 낮은 밀도 및 특성을 나타내는데, 이를 해결하기 위해 스크린 프린팅용 powder의 입도 분포를 조절하여 packing density를 향상시키고, 압전 후막을 CIP 처리를 하여 MEMS 고밀도 압전 후막을 개발함.
- 알루미나 buffer층을 사용하여, Si 기판의 calmping 효과를 감소시킴으로써, 밀도 및 특성값을 더 향상시킬 수 있었으며, Pr = 42 μC/㎠ 의 우수한 압전 특성을 가지는 MEMS용 압전막을 개발함.
• 마이크로 펌프
- 기존의 valveless 마이크로 펌프의 경우 그림과 같이 back lash가 발생하여, 유량이 줄어드는 특성을 나타내는데 반해, dual actuation 구조의 유체의 연동운동을 이용한 유량 및 특성값이 향상된 마이크로 펌프를 개발하였음.
기술개발배경
전 세계적으로 압전 기술과 관련된 미래 산업에서는 산업 고도화, 정밀화, 소형화 등의 산업 동향에 따라 우수한 압전 특성을 갖는 압전 소재 부분과 이를 이용한 압전 소자, 즉, 압전 센서, 액츄에이터 등의 개발이 더욱 가속화될 것으로 전망 됨.
• 적층형 압전 액츄에이터
- 산업 고도화, 정밀화, 소형화됨에 따라 이와 관련하여, 메카트로닉스와, 정보기술에서 정밀 위치 제어 및 소형화가 용이한 압전체 액츄에이터에 대한 요구가 증대됨.
- 압전 밸브의 경우 작은 사이즈, 저소비전력. 빠른 응답성, 정밀 제어성, 고발생력 등의 여러 가지 장점으로 인해 솔레노이드 밸브시장을 단시간 내에 대체할 수 있을 것으로 기대됨.
• 저온 소결 hard 압전 재료
- 벤더형 액츄에이터에서 soft 재료의 경우 변위량은 크지만, 큰 히스테리시스로 인하여 낮은 전압에도 도메인이 스위칭되어 변위가 오히려 감소하기 때문에 저온소결이 가능한 hard 재료의 개발이 중요하며, 수명에 있어서도 항전계가 큰 hard 재료가 유리함.
• 마이크로 펌프
- 최근 Drug Delivery System, Micro Total Analysis 등의 바이오•의료 관련 수요가 증가함에 따라, 관련 핵심 부품인 마이크로 펌프의 수요 또한 폭발적으로 증가할 것으로 예상됨.
- Si-based 압전 액츄에이터는 Micro factory, MEMS, Nano 관련 분야에 핵심적인 기술임.
핵심개발기술의 의의
• 적층형 압전 액츄에이터
- 국내 최초로 개발 및 산업화를 이루었으며, 전 세계적으로 3-4 번째로 상업화를 이루었으며, 기존 개발 제품에 비해 특성값이 우수함.
- 기존 솔레노이드 밸브를 압전 밸브로 대체해 나갈 것으로 예상되며, 우수한 특성으로 인해 수출 또한 많이 이루어질 것으로 예상됨.
• 저온 소결 hard 압전 재료
- Hard 압전 재료는 물질 자체적으로 특성값을 유지하면서 저온소결을 하는 것이 힘들기 때문에 연구결과가 많이 않을뿐더러 산업화는 전혀 이루어지지 않았음.
- 우수한 특성의 저온소결 hard 압전재료를 개발하여, 국내 최초로 산업화에 성공할 것으로 예상되며, 기술 수출 및 관련 제품의 매출 상승과 수출이 이루어질 것으로 예상됨.
• 마이크로 펌프
- 스크린 프린팅을 이용한 MEMS 액츄에이터용 고밀도, 고특성의 압전 후막을 개발하였음.
- 기존의 valveless 마이크로 펌프에서 문제가 되었던, back lash 및 낮은 유량 문제를 dual actuation 구조의 연동운동 방식으로 개발하여 유량 및 특성값을 크게 향상하였음.
적용분야
• 적층형 압전 액츄에이터
- 가정•산업용 공압 밸프 및 비례제어 밸브
- 색체선별기용 공압 밸브
- 자동차 연료 injector
- 정밀 광학기기 및 가공기기
- 정밀 위치제어 시스템 및 로봇
• 저온소결 hard 압전재료
- High power application
- 압전 transducer 및 변압기
- 적층형 액츄에이터
- 압전 초음파 모터
• 마이크로 펌프
- Drug Delivery System (DDS)
- Micro Total Analysis (μTAS), Lab on a chip
- Micro Direct Methanol Fuel Cell (μDMFC)
- 초소형 로켓 및 비행체
목차 Contents
- 표지 ... 2
- 제출문 ... 3
- 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 4
- <기술개발사업 주요 연구성과> ... 12
- 목차 ... 18
- 제 1 장 서론 ... 19
- 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 19
- 1. 기술적 측면 ... 19
- 2. 경제 산업적 측면 ... 21
- 3. 사회.문화적 측면 ... 21
- 제 2 절 국내.외 관련 기술의 현황 ... 23
- 1. 적층형 압전 액츄에이터 관련 기술 현황 ... 23
- 2. 저온 소결 hard 압전 재료의 관련 기술 현황 ... 27
- 3. 마이크로 펌프 관련 기술 현황 ... 30
- 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적.경제적 파급 효과 ... 32
- 1. 기술적 측면 파급효과 ... 32
- 2. 경제적 측면 파급효과 ... 33
- 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 36
- 제 1 절 3단계 최종 목표 및 평가 방법 ... 36
- 1. 연구개발의 최종 목표 ... 36
- 2. 최종 평가 방법 ... 36
- 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 37
- 1. 연차별 연구개발 목표 및 내용 ... 37
- 2. 연차별 목표 및 평가의 착안점 ... 38
- 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 40
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 40
- 1. 연구개발 추진 일정 ... 40
- 2. 연구개발 추진 실적 ... 41
- 3. 연구개발 결과 및 내용 ... 42
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 103
- 1. 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역 ... 103
- 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 104
- 1. 현재 국내.외 시장 현황 및 사업화 전망 ... 104
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