초록 ▼

최종목표
압전 및 유전 특성이 우수한 무연 압전세라믹 소재를 개발하고 이를 이용하여 촉감생성용 저전력 벤더형 적층 압전액츄에이터 개발
개발내용 및 결과
1) 압전 및 유전특성이 우수한 친환경 압전 액츄에이터용 조성 개발
- WEEE(waste electrical and electronic equipment), RoHS(restriction of hazardous substance) 등에 따른 환경규제정책에 따라 Pb를 함유한 전기전자제품의 생산이 제한받고 있는 실정이기 때문에 온도안정성이 우수하고, 저손실인 k

최종목표
압전 및 유전 특성이 우수한 무연 압전세라믹 소재를 개발하고 이를 이용하여 촉감생성용 저전력 벤더형 적층 압전액츄에이터 개발
개발내용 및 결과
1) 압전 및 유전특성이 우수한 친환경 압전 액츄에이터용 조성 개발
- WEEE(waste electrical and electronic equipment), RoHS(restriction of hazardous substance) 등에 따른 환경규제정책에 따라 Pb를 함유한 전기전자제품의 생산이 제한받고 있는 실정이기 때문에 온도안정성이 우수하고, 저손실인 kp≥ 0.50, d₃₃≥400[pC/N] 인 우수한 무연(Pb-free) 압전세라믹스 소재 개발이 절실히 필요하다.
- 최종 개발 목표를 달성하는 친환경 세라믹 조성 개발
o LF-1 : k_p=0.466, d₃₃=317[pC/N], Q_m=48
o LF-2 : ksub>p=0.47, d₃₃=462[pC/N], Q_m=198
o LF-3 : ksub>p=0.51, d₃₃=454[pC/N], Q_m=239
o LF-4 : ksub>p=0.43, d₃₃=259[pC/N], Q_m=109
- 온도안정성이 우수한 친환경 세라믹 조성 개발
2) 친환경 벤더형 적층 압전액츄에이터 개발
- LF-1 조성을 이용한 햅틱 압전액츄에이터(No-mass) size : 30×3×0.5[mm], 구동전압 : 20[V], 구동전류 : 369[㎂], 소비전력 : 6.337[mW], 변위 : 24[㎛]
- LF-3 조성을 이용한 햅틱 압전액츄에이터(No-mass) size : 30×3×0.5[mm], 구동전압 : 21[V], 구동전류 : 362[㎂], 소비전력 : 6.739[mW], 변위 : 26[㎛]
- LF-4 조성을 이용한 햅틱 압전액츄에이터(No-mass) size : 30×3×0.6[mm], 구동전압 : 21[V], 구동전류 : 366[㎂], 소비전력 : 6.757[mW], 변위 : 35[㎛]
3) 벤더형 적층 압전액츄에이터 구동회로 설계 및 제작
- 모바일 디바이스에서 햅틱 감각을 전달하기 위한 햅틱 액츄에이터는 동작 주파수, 자극의 세기뿐만 아니라 크기와 전력소모까지도 고려해야한다. 햅틱 압전액츄에이터를 구동하기 위하여 DC-DC 컨버터, 스위치 제어부, 풀-브리지 인버터, 압전액츄에이터 소자로 구성하여 구동회를 제작하였다.
- 전원 소스는 휴대기기의 Li-ion 배터리를 사용하기에 전압의 승압을 위한 승압형 DC-DC 컨버터가 사용되어 졌다.
- 스위치 제어부는 4개의 스위치의 스위칭 동작을 제어하여 압전액츄에이터 전압의 주기를 제어하고, 주파수를 제어하기 위해 제작되었다.
- 압전액츄에이터에 정현파를 공급하기 위하여 풀-브릿지 구동 회로를 제작하였다.
기술개발 배경
1) 개발 대상 기술의 필요성 및 연구 배경
- 오늘날 스마트폰(핸드폰), PDA, 디지털카메라와 같은 소형이며 휴대 가능한 컴퓨팅기기가 우리 삶속에 급속도로 빠르게 침투하고 있어 가까운 장래에 우리는 아마도 친숙한 GUI( graphical user interface)으로 장착한 종래의 데스크톱 컴퓨터보다 위와 같은 휴대용 모바일기기와 더 많은 시간을 보낼 것이다.
- 정보를 얻기 위해 사람은 시각정보를 가장 많이 사용 하지만, 최근 현장감 및 몰입감을 증대시켜주는 햅틱(Haptic) 기술개발이 활발히 이루어져 이 기술이 모바일 기기와 결합하여 보다 우수한 인간 - 모바일기기 간 인터페이스를 갖게 만들었다.
- 그러나 모바일기기에서는 기존의 진동 모터, 솔레노이드,형상기억합금 등을 촉감 생성 액츄에이터(=햅틱 액츄에이터)를 사용하고 있으나, 이러한 햅틱 액츄에이터들은 크기가 커서 모바일기기에 사용될 때 모바일기기를 슬림화하기가 힘들며 작동속도가 매우 낮아 다양한 자극을 생성하기 어려울뿐만 아니라 반응속도가 늦어 구동 시 어색한 느낌을 제공할 가능성이 존재한다. 또한, 이들은 전력소모도 많고, 동작소음발생 등의 문제가 있어, 소형이며, 저전력, 빠른 응답성 및 광대역주파수를 갖는 새로운 촉각효과 생성을 위한 새로운 개념의 햅틱 액츄에이터의 개발이 절실히 필요한 실정이다.
2) 무연 압전액츄에이터 개발 동기
- 본 연구에서는 모바일 기기 터치스크린의 햅틱 기술에 핵심 부품인 압전액츄에이터를 개발하기 위하여 우수한 압전 특성을 갖는 친환경 Lead-free계 압전 세라믹 소재를 개발하고 이를 이용하여 -20~80℃에서 사용이 가능한 unimorph 또는 bimorph기본구조에 압전세라믹을 적층한 벤더(bender)형 압전 액츄에이터를 개발하고자 한다.
- 아직까지 무연 압전세라믹스 조성을 이용한 압전액츄에이터 개발에 있어 좋은 결과를 얻지 못하였다. 이는 친환경무연 압전세라믹스 조성의 특성이 PZT계 압전 세라믹스조성의 압전 및 유전 특성과 비교해 매우 낮기 때문이라 생각된다. 본 연구개발 성공 시 개발기술의 상용화를 위한 기반기술을 구축할 수 있는 새로운 기술걱 시로도 특허를 획득하여 이 분야의 기술적 선도를 이룰 수 있을 것이라 기대되며 환경 친화적인 기술개발로서의 의의도 매우 클것으로 사료된다.
핵심개발 기술의 의의
- 현재 사용되고 있는 압전액츄에이터용 소재는 대부분 수입에 의존하고 있으며 납(Pb)을 포함하는 PZT 시스템 세라믹스로 제작되며 중량비의 60%이상이 인체에 유해한 납 성분으로 구성되있다.액츄에이터 제작과정 중 PbO의 휘발로 인한 환경오염문제가 제기되고 있어 그린에너지를 강조하는 환경친화적 시대적 상황에서 환경을 중시하는 무연 압전세라믹스의 연구개발이 절실히 필요하다. 그러나, Pb(Zr,Ti)O₃계 압전체는 이렇다할 대체재료가 없기 때문에 사용되고 있다.
- 본 연구에서는 친환경 무연 압전세라믹스 소재를 이용하여 큰 변위특성을 갖는 햅틱 압전액츄에이터를 개발하였다.
적용 분야
햅틱 압전액츄에이터의 개발은 전력소모가 많고, 동작속도가 느리며 소형화가 어려운 기존의 촉각기능생성을 위한 편심회전하는 매스모터와 선형공진액츄에이터를 대처할 수 있으며, 친환경 압전세라믹스 소재의 개발과 함께 압전모터,압전 변압기, 필터, 에너지하베스팅 소자 등에 응용이 가능하다.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 16
• 목차 ... 20
• 제 1 장 서론 ... 22
• 제 1 절 과제의 개요 ... 22
• 1. 압전액츄에이터용 친환경 압전세라믹스 개발 필요성 ... 22
• 2. 촉감생성을 위한 압전액츄에이터 개발의 필요성 ... 24
• 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 32
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 32
• 1. 최종목표 ... 32
• 2. 개발기술의 평가방법 및 평가항목 ... 33
• 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 35
• 1. 1차년도 사업목표 및 내용 ... 35
• 2. 2차년도 사업목표 및 내용 ... 36
• 3. 3차년도 사업목표 및 내용 ... 37
• 제 3 절 연차별 기술개발 마일스톤 ... 38
• 1. 1차년도 상세 마일스톤 ... 38
• 2. 2차년도 상세 마일스톤 ... 38
• 3. 3차년도 상세 마일스톤 ... 39
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 39
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 40
• 제 3장 결과 및 사업화 계획 ... 41
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 41
• 1. 해당년도 추진 현황 ... 41
• 2. 해당 연도 추진 실적 ... 42
• 제 2절 기술개발 결과 ... 107
• 1. 1차년도 실적 ... 107
• 2. 2차년도 실적 ... 108
• 3. 3차년도 실적 ... 109
• 제 3 절 결론 ... 112
• 1. 친환경 무연 압전세라믹스 조성개발 ... 112
• 2. ATILA 시뮬레이션 및 벤더형 햅틱 압전액츄에이터 제작 ... 115
• 3. 햅틱 압전액츄에이터 구동회로 설계 및 제작 ... 116
• 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 118
• 끝페이지 ... 119