• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2007년도 추계학술대회 논문집
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• pp.346-346
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• 2007

압전세라믹 재료는 현재 압전 변압기, actuator, transducer, sensor, speaker 등에 광범위하게 이용이 되고 있다. 이 중에서 압전세라믹 소결체를 이용한 스피커의 제조는 가공이 까다롭고, 대형의 크기로 제작 시 소자가 깨지는 등의 많은 제약을 받고 있으며, 저음 특성이 떨어져 응용 범위가 한정되어 있다. 따라서 최근에는 이러한 단점을 극복하기 위하여 세라믹/고분자 복합체를 이용한 필름 스피커를 제작하고자 시도하고 있다. 이러한 세라믹/고분자 0-3형 압전 복합체를 이용할 경우, 제품의 경량화를 실현할 수 있고, 크기나 환경의 영향을 거의 받지 않으므로, 고기능성 스피커로의 응용에 적합할 것으로 보인다. 따라서 본 연구에서는 PZT계의 세라믹와 PVDF, PVDF-TrFE, Polyester, acrylic resin 등의 여러 고분자 물질과의 복합체를 제조하여 압전특성을 평가하였다. 본 실험은 먼저 $(Pb_{1-a-b}Ba_aCd_b)(Zr_xTi_{1-x})_{1-c-d}(Ni_{1/3}Nb_{2/3})_c(Zn_{1/3}Nb_{2/3})_dO_3$ (이하 PZT라 표기)의 최적화 조성을 선택하여, $1050^{\circ}C$에서 소결된 분말을 48시간 ball milling방법 로 약 $1{\mu}m$ 크기로 분쇄하였다. 고분자 물질들은 알맞은 용제들을 선택하여 녹였다. 그 다음 소결된 PZT분말과 고분자를 50:50, 60:40, 65:35, 70:30등의 무게 분율로 혼합하고, 분산제, 소포제 등을 첨가하여 3단 roll mill을 이용하여 충분히 분산시켜 페이스트 (Paste)를 제조하였다. 제조된 페이스트를 ITO가 코팅된 PET필름 위에 스크린 프린팅 법을 사용하여 인쇄하여 $120^{\circ}C$에서 5분간 건조하였다. 코팅된 복합체의 두께는 약 $80{\mu}m$ 정도로 측정되었다. Ag 페이스트를 이용한 상부 전극 형성에도 스크린 프린팅 법을 적용하였다. 이를 $120^{\circ}C$에서 4 kV/mm의 DC 전계로 분극 공정을 수행한 후 전기적 특성을 평가하였다. 유전특성을 조사하기 위해서 LCR meter (EDC-1620)를 사용하였고, 시편의 결정구조는 XRD (Rigaku; D/MAX-2500H)을 통해 분석하였으며, 전자현미경(SEM)을 이용하여 미세구조를 분석하였다. 압전 전하상수$(d_{33})$ 값은 APC 8000 모델을 이용하여 측정하였다. PZT의 혼합비가 증가할수록 비유전율 및 압전 전하 상수 등의 전기적 특성이 증가되었다. 또 여러 고분자 물질 중에서 PVDF-TrFE 수지가 가장 우수한 특성을 보였다. 이는 PVDF-TrFE 수지가 압전성을 나타내기 때문인 것으로 판단되었다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2008년도 추계학술대회 논문집 Vol.21
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• pp.190-190
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• 2008

자연적으로 발생되는 파도, 비, 우박 등과 철도, 차량 및 엘리베이터 등과 같은 인위적인 설치, 이동에 의해 발생되는 진동에너지는 우리 일상생활에서 가장 흔하게 발생할 수 있는 에너지원인데, 이러한 진동에너지는 압전 소재를 이용하여 재생 가능하여 최근에는 이에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 예를 들면, 미국의 MIT에서는 인간이 걸을 때 신발에 가해지는 압력을 이용하여 전력을 발생시키는 연구를 진행하여 2.9 mW의 전력을 얻었다. 특히 이러한 기술은 인간의 걷기 운동 등과 같은 일상적인 동작으로 필요한 전력을 얻을 수 있고, 세라믹 소자를 이용하기 때문에 전자노이즈가 발생되지 않을 뿐 아니라 반영구적으로 사용할 수가 있어서, 소형 전자기기 등에 서 기존 이차전지를 대체 또는 보완 할 수 있는 기술로 검토되고 있다. PZT계 세라믹스는 높은 유전상수와 우수한 압전특성으로 이러한 압전발전 분야에서 가장 널리 사용되어지고 있다. 하지만 에너지 효율을 높이기 위하여 적층 구조의 제작 시 구조적 특성상 내부전극이 도포된 상태에서 동시 소결이 필요한데, $1000^{\circ}C$ 이상의 높은 소결온도 때문에 소재 원가가 낮은 Ag전극 대신 값비싼 Pd나 pt가 다량 함유된 Ag/Pd, Ag/Pt 전극이 사용되고 있어 경제성이 떨어지는 단점을 갖게 된다. 순수 Ag 전극을 사용하거나 Ag의 비율이 높은 내부전극을 사용하기 위해서는 $900^{\circ}C$ 이하에서 소결되고 우수한 전기적 특성을 보이는 압전 세라믹스 소재를 개발 하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 압전특성이 우수한 $(Pb_{1-x}Cd_x)(Ni_{1/3}Nb_{2/3})_{0.25}(Zr_{0.35}/Ti_{0.4})O_3$ 계의 조성을 설계하고, 소결온도를 낮추기 위해서 2 단계 하소법을 이용하였다. 또한 $MnCO_3$, $SiO_2$, $Pb_3O_4$ 등을 소랑 첨가하여 액상 소걸 특성을 부여하여 소결 온도를 감소시키려는 시도도 하였다. 소결체의 전체적인 제조 공정은 일반적인 벌크 세라믹의 소걸 공정을 따랐다. 최종 소결된 시편을 XRD분석을 통하여 상을 확인하였고 SEM을 이용하여 미세조직을 관찰 하였다. 전기적 특성을 평가하기 위하여 두께를 1mm로 연마한 시편에 Ag 전극을 도포하여 $650^{\circ}C$ 에서 열처리한 후, 분극처리 하였다. Impedance analyzer를 이용하여 압전 특성 (전기기계결합계수 및 기계적품질계수)을 측정 하였고, 압전전하상수는 $d_{33}$-meter로 측정하였다. 본 연구에서는 압전체에 가해지는 하중의 크기, 시편의 크기, 하중을 가하는 방법, 에너지 저장회로의 최적화 등을 다양하게 시도하면서 에너지 변환 및 저장 효율을 평가하였다.

• Smart Structures and Systems
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• 제22권2호
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• pp.133-137
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• 2018

Increasing interest in prognostics and health management has heightened the need for wireless sensor networks (WSN) with efficient power sources. Piezoelectric energy harvesters using Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) are one of the candidate power sources for WSNs as they efficiently convert mechanical vibration energy into electrical energy. These types of devices are resonated at a specific frequency, which has a significant impact on the amount of energy harvested, by external vibration. Hence, precise prediction of mechanical deformation including modal analysis of piezoelectric devices is crucial for estimating the energy generated under specific conditions. In this study, an experimental vibrational system capable of controlling a wide range of frequencies and accelerations was designed to generate mechanical vibration for piezoelectric energy harvesters. In conjunction with MATLAB, the system automatically finds the resonance frequency of harvesters. A small accelerometer and non-contact laser displacement sensor are employed to investigate the mechanical deformation of harvesters. Mechanical deformation under various frequencies and accelerations were investigated and analyzed based on data from two types of sensors. The results verify that the proposed system can be employed to carry out vibration experiments for piezoelectric harvesters and measurement of their mechanical deformation.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제29권10호
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• pp.601-607
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• 2016

Piezoelectric thick films of soft $Pb(Zr,Ti)O_3$ (PZT) based commercial material (S55) were fabricated using a conventional tape casting method. Ag-Pd electrodes were printed on the piezoelectric film at room temperature and all 5 layered films with a dimension of $12mm{\times}16mm$ were successfully laminated for a multi-layered piezoelectric ceramic actuator. The laminated specimens were co-fired at $1,100^{\circ}C$ for 1 h. A flat layered and dense microstructure was obtained for the $112{\mu}m$ thick piezoelectric actuator after sintering process. Thereafter, a prototype piezoelectric speaker was fabricated using the multi-layered piezoelectric ceramic actuator which can operate as a bimorph. Its SPL (sound pressure level) characteristic was also evaluated for speaker application. Frequency response revealed that the output SPL with a root mean square voltage of 10 V increased gradually to the highest peak of 87.5 dB for 1.5 kHz and exhibited a relatively stable behavior over the measured frequency range (${\leq}20kHz$) at a distance of 10 cm, implying that the fabricated piezoelectric speaker is potential for speaker applications.

• Composites Research
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• 제27권4호
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• pp.146-151
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• 2014

본 연구에서는 분극 전계에 따른 압전 페인트 센서의 특성을 확인하기 위해 충격힘과 분극 전계를 변화시켜 가면서 실험적인 연구를 수행하였다. 페인트 센서 제작을 위해 유연 압전 재료인 $Pb(Ni_{1/3}Nb_{2/3})O_3-Pb(Zr, Ti)O_2$ (PNN-PZT) 파우더와 경화제를 포함하고 있는 에폭시 수지를 중량비 1:1로 혼합 후 몰드를 사용하여 $40{\times}10{\times}1mm^3$ 크기를 같는 시편을 제작 하였다. 이후 시편의 기공을 제거하기 위해 진공 데시케이터를 사용하였다. 분극 작업을 위해 시편의 전극은 실버페이스트를 윗면과 아랫면에 바르고 하루 동안 건조시켜 제작하였다. 분극 작업은 온도는 상온으로, 분극 시간은 30분으로 고정하고 분극 전계를 달리하여 진행되었다. 1 mm의 두께를 갖는 앞전 페인트센서를 제작하여 실험에 사용하였으며, 감도 측정 및 감도 변화는 충격 망치를 사용하여 시편에 충격을 가했을 때 압전 페인트에서 출력되는 전압과 충격 망치에서 출력되는 전압을 측정 후 신호처리 하여 비교하였다. 그 결과 압전 페인트의 민감도에 분극 전계가 미치는 영향에 대해 평가 하였고 그 결과를 기술하였다.

• 대한전자공학회논문지SD
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• 제37권4호
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• pp.1-6
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• 2000

최근에 빠른 쓰기/읽기 속도, 적은 소비 전력과 비휘발성을 가지는 메모리 캐패시터의 유전 재료로서 SrBi/sub 2/Ta/sub 2/O/sub 9/(SBT)에 대한 관심이 집중되고 있다. 강유전체 물질을 이용한 고밀도 FeRAM을 생산하기 위하여서는 식각에 의한 패턴이 형성되어야 한다. 강유전체 물질의 성장과 그 전기적 특성에 관한 연구와 발표는 많이 발표 되고 있다. 그러나, 강유전체 물질의 식각의 어려움 때문에 SBT 박막 식각에 관한 연구는 거의 전무하다고 할 수 있다. 그러므로, SBT 박막의 식각의 특성을 알아보기 위하여, SBT 박막은 CF/sub 4/Ar 가스 플라즈마를 이용하여 MEICP로 식각 되어졌다. XPS를 이용하여 식각 된 SBT 박막의 표면에서의 화학 반응을 분석하였고, XPS 분석을 검증하기 위하여 SIMS 분석을 하여 비교하였다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2007년도 추계학술대회 논문집
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• pp.295-295
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• 2007

기계적 에너지를 전기적 에너지로 변화하는 에너지 변환소자인 압전 세라믹스는 액츄에이터, 변압기, 초음파모터, 초음파 소자 및 각종 센서로 응용되고 있으며, 그 응용분야는 크게 증가하고 있다. 최근 이러한 에너지 변화 소자는 앞으로 도래하는 ubiquitous, 무선 모바일 시대의 휴대용 전자제품, robotics, 항공우주, 자동차, 의료, 건축, MEMS 분야 등의 대체 에너지원으로 응용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히 인간의 동작 등과 같은 일상적인 동작으로 필요한 전력을 얻을 수 있고, 세라믹 소자를 이용하기 때문에 전자노이즈가 발생되지 않을 뿐 아니라 반영구적으로 사용할 수가 있어서, 기존 이차전지, 연료전지를 대체 또는 보완 할 수 있는 방안도 검토되고 있다. PZT계 세라믹스는 높은 유전상수와 압전특성으로 전자세라믹스분야에서 가장 널리 사용되어지고 있지만 $1200^{\circ}C$이상의 높은 소결온도 때문에 $1000^{\circ}C$ 부근에서 급격히 휘발되는 PbO로 인한 환경오염과 기본조성의 변화로 인한 압전 특성의 저하가 문제시되고 있다. 또한, 적층 세라믹스의 제작 시 구조적 특성상 내부 전극이 도포된 상태에서 동시 소결이 필요한데, 융점이 낮은 Ag전극 대신 값비싼 Pd나 Pt가 다량 함유된 Ag/Pd, Ag/Pt 전극이 사용되고 있어 경제적인 문제가 발생하게 된다. 따라서 순수 Ag 전극을 사용하거나, Ag의 비율이 높은 내부 전극을 사용하기 위해서는 $950^{\circ}C$ 이하에서 소결되는 압전 세라믹스를 개발 하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 압전특성이 우수한 $(Pb_{1-x}Cd_x)\;[(Ni_{1/3}/Nb_{2/3})_{0.25}Zr_{0.35}Ti_{0.4}]O_3$계의 조성을 설계하여, 소결온도를 낮추기 위해서 2단계 하소법을 이용하였다. 분말을 ball milling을 통해 24시간 동안 혼합하였다. 혼합된 분말은 $800^{\circ}C$에서 2시간 동안 하소하였다. 하소한 분말을 72시간 동안 ball milling 하여 최종 분말을 얻었다. 최종 분말에 PVB를 첨가하여 ${\Phi}21$ disk 형태로 성형한 후, $800{\sim}950^{\circ}C$ 소결을 하였다. 최종 분말 및 소결된 시편을 XRD분석을 통하여 상을 확인하였고, SEM을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 전기적 특성을 확인하기 위하여 두께 1mm로 연마한 시편에 Ag 전극을 도포하여 열처리한 후, 분극 처리하였다. 압전특성은 $d_{33}$ 미터로 측정하였고, impedance analyzer를 이용하여 주파수 및 impedance 특성을 측정하였다. 그 결과 $900^{\circ}C$에서 우수한 압전 특성 및 전기적 특성을 확보 할 수 있었다.

• 대한전기학회:학술대회논문집
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• 대한전기학회 1999년도 하계학술대회 논문집 D
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• pp.1553-1555
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• 1999

Recently, $SrBi_2Ta_2O_9$(SBT) and $Pb(ZrTi)O_3$(PZT) were much attracted as materials of capacitor for ferroelectric random access memory(FRAM) showing higher read/write speed, lower power consumption and nonvolartility. Bi-layered SBT thin film has appeared as the most prominent fatigue free and low operation voltage for use in nonvolatile memory. To highly integrate FRAM, SBT thin film should be etched. A lot of papers on SBT thin film and its characteristics have been studied. However, there are few reports about SBT thin film due to difficulty of etching. In order to investigate properties of etching of SBT thin film, SBT thin film was etched in $CF_4$/Ar gas plasma using magnetically enhanced inductively coupled plasma (MEICP) system. When $CF_4/(CF_4+Ar)$ is 0.1, etch rate of SBT thin film was $3300{\AA}/min$, and etch rate of Pt was $2495{\AA}/min$. Selectivities of SBT to Pt. $SiO_2$ and photoresist(PR) were 1.35, 0.6 and 0.89, respectively. With increasing $CF_4$ gas, etch rate of SBT thin film and $P_t$ decreased.

• 한국재료학회지
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• 제30권7호
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• pp.343-349
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• 2020

NKN [(Na,K)NbO₃] is a candidate lead-free piezoelectric material to replace PZT [Pb(Zr,Ti)O₃]. A single crystal has excellent piezoelectric-properties and its properties are dependent of the crystal orientation direction. However, it is hard to fabricate a single crystal with stoichiometrically stable composition due to volatilization of sodium during the growth process. To solve this problem, a solid solution composition is designed (Na,K)NbO₃-Ba(Cu,Nb)O₃ and solid state grain growth is studied for a sizable single crystal. Ceramic powders of (Na,K)NbO₃-M(Cu,Nb)O₃ (M = Ca, Sr, Ba) are synthesized and grain growth behavior is investigated for different temperatures and times. Average normal grain sizes of individual specimens, which are heat-treated at 1,125 ℃ for 10 h, are 6.9, 2.8, and 1.6 ㎛ for M = Ca, Sr, and Ba, respectively. Depending on M, the distortion of NKN structure can be altered. XRD results show that (NKN-CaCuN: shrunken orthorhombic; NKN-SrCuN: orthorhombic; NKN-BaCuN: cubic). For the sample heat-treated at 1,125 ℃ for 10 h, the maximum grain sizes of individual specimens are measured as 40, 5, and 4,000 ㎛ for M = Ca, Sr, and Ba, respectively. This abnormal grain size is related to the partial melting temperature (NKN-CaCuN: 960 ℃; NKN-SrCuN: 971 ℃; NKN-BaCuN: 945 ℃).

• 한국정밀공학회지
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• 제20권7호
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• pp.233-240
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• 2003

Recently, the world are preparing for new revolution, called as If (Information Technology), NT (Nano-Technology), and BT (Bio-Technology). NT can be applied to various fields such as semiconductor-micro technology. Ultra precision processing is required for NT in the field of mechanical engineering. Recently, together with radical advancement of electronic and photonics industry, necessity of ultra precision processing is on the increase for the manufacture of various kernel parts. Therefore, in this paper, stability of ultra precision cutting unit is investigated, this unit is the kernel unit in ultra precision processing machine. According to alteration of shape and material about hinge, stability investigation is performed. In this paper, hinge shapes of micro stage in UPCU(Ultra Precision Cutting Unit) are designed as two types, where, hinge shapes are composed of round and rectangularity. Elasticity and strength are analyzed about micro stage, according to hinge shapes, by FE analysis. Micro stage in ultra precision processing machine has to keep hinge shape under cutting condition with 3-component force (cutting component, axial component, radial component) and to reduce modification against cutting force. Then we investigated its elasticity and its strength against these conditions. Material of micro stage is generally used to duralumin with small thermal deformation. But, stability of micro stage is investigated, according to elasticity and strength due to various materials, by FE analysis. Where, Used materials are composed of aluminum of low strength and cooper of medium strength and spring steel of high strength. Through this stability investigation, trial and error is reduced in design and manufacture, at the same time, we are accumulated foundation data for unit control.