• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2007.11a
• /
• pp.346-346
• /
• 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.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2007.11a
• /
• pp.295-295
• /
• 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.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2004.07a
• /
• pp.138-141
• /
• 2004

[ $MnO_2$ ]가 첨가된 $0.9Pb(Zr_{0.5}Ti_{0.5})O_3-0.2Pb[(Zn_{0.8}Ni_{0.2})_{1/3}Nb_{2/3}]O_3$(0.8PZT-0.2PZNN) 세라믹스는 그 압전특성과 유전특성이 뛰어나지만 $1000^{\circ}C$ 이하의 낮은 소결 온도에서는 소결되지 않는다. $1000^{\circ}C$이하의 낮은 소결온도에서 소결하기 위해 CuO를 첨가한 결과, 소결온도 $920^{\circ}C$에서 소결성은 우수하였으나 그 압전 특성의 저하가 두드러졌다. 이는 XRD에서 확인한 결과에 따르면 CuO의 첨가가 우수한 MPB 조성으로 판명된 $MnO_2$ 가 첨가된 0.8PZT-0.2PZNN 세라믹스의 결정구조를 Rhombohedral 구조로 바꾸기 때문인 것으로 보였으며 이러한 문제는 PZNN의 비율을 조절하여 0.875PZT-0.125PZNN 세라믹스를 선택함으로 인해 해결할 수 있었다. 그러나 여전히 낮은 $Q_m$값을 높이기 위해서 $Al_2O_3$를 첨가하였고 그 결과 시편의 tetragonality 감소와 $Q_m$값의 증가를 확인할 수 있었으나 그 첨가량이 0.2wt% 이상일 경우에는 밀도의 감소로 인한 압전특성의 저하가 나타났다. 밀도의 향상을 위해 Zn and Ni excess 조성을 선택하였고 그 결과 0.5wt% $MnO_2$와 0.2wt% CuO 그리고 0.3wt% $Al_2O_3$를 첨가한 0.875PZT-0.125PZNN 세라믹스(Zn and Ni excess 조성)를 $920^{\circ}C$에서 소결한 경우 $k_p=0.581,\;Q_m=809,\;d_{33}=345\;pC/N\;and\;{\varepsilon}_{33}/{\varepsilon}_0=1345$의 빼어난 압전 및 유전특성과 $330^{\circ}C$의 높은 $T_c$를 보였고 그 조성의 vibration velocity는 약4.5 m/s로 나타났다.

• Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD
• /
• v.39 no.4
• /
• pp.41-54
• /
• 2002

In this study, we have analyzed the effects of the membrane layer and the bragg reflector layers on the resonance characteristics through comparing the characteristics of the membrane type FBAR (Film Bulk Acoustic Wave Resonator) and the one type bragg reflector layers with those of the ideal FBAR with top and bottom electrode contacting air by using equivalent circuit technique. It is assumed that ZnO is used for piezoelectric film, $SiO_2$ are used for membrane layer and low acoustic impedance layer, W are used for the high acoustic reflector layer and Al is used for the electrode. Each layer is considered to have a acoustic propagation loss. ABCD parameters are picked out and input impedance is calculated by converting 1-port equivalent circuit to simplified equivalent circuit that ABCD parameters are picked out possible. From the variation of resonance frequency due to the change of thickness of electrode layers, reflector layers and membrane layer it is confirmed that membrane layer and the reflector layer just under the electrode have the greatest effect on the variation of resonance frequency. From the variation of resonance properties, K and electrical Q with the number of layers, K is not much affected by the number of layers but electrical Q increases with the number of layers when the number of layers is less than seven. The electrical Q is saturated when the number of layers is large than six. The electrical Q is dependent of mechanical Q of reflector layers and membrane layer. Both ladder filter and SCF (Stacked Crystal Filters) show higher insertion loss and out-of-band rejection with the increase of the number of resonators. The insertion loss decreases with the increase of the number of reflector layers but the bandwidth is not much affected by the number of reflector layers. Ladder Filter and SCF with membrane layer show the spurious response due to spurious resonance properties. Ladder filter shows better skirt-selectivity characteristics in bandwidth but SCF shows better characteristics in insertion loss.

• Geophysics and Geophysical Exploration
• /
• v.8 no.3
• /
• pp.224-231
• /
• 2005

In geophysical field surveys, commercial equipments often fail to resolve the subsurface target or even sometimes fail to be applied because they do not fit to the various field situations or the physical properties of the medium or target. We developed a geophysical measurement system, which can be easily adapted for the various field situations and targets. The system based on PXI with A/D converter and some stand alone equipment such as Network Analyzer was applied to borehole radar survey, borehole sonic measurement and electromagnetic noise measurement. The system for borehole radar survey consists of PXI, Network Analyzer, dipole antennas, GPIB interface is used for PXI to control Network Analyzer. The system for borehole sonic measurement consists of PXI, 24 Bit A/D converter, high voltage pulse generator, transmitting and receiving piezoelectric sensors. The electromagnetic noise measurement system consists of PXI, 24 Bit A/D converter, 2 horizontal component electric field sensors and 2 horizontal and 1 vertical component magnetic filed sensors. The borehole radar system has been successfully applied to detect the width of the artificial tunnel through which the borehole pass and to image buried steel pipe, while the commercial borehole radar equipment failed. The borehole sonic system was tested to detect the width of artificial tunnel and showed a reasonable result. The characteristic of electromagnetic noise was grasped at an urban area with the data from the electromagnetic noise measurement system. The system is also applied to characterize the signal distortion by induction between the electric cables in resistivity survey. The system can be applied various geophysical problems with a simple modification of the system and sensors.

• Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology
• /
• v.37 no.3
• /
• pp.196-213
• /
• 2001

A split beam ultrasonic transducer operating at a frequency of 70 kHz to use in the fish sizing echo sounder was developed and the acoustic radiation characteristics were experimentally analyzed. The amplitude shading method utilizing the properties of the Chebyshev polynomials was used to obtain side lobe levels below -20 dB and to optimize the relationship between main beam width and side lobe level of the transducer, and the amplitude shading coefficient to each of the elements was achieved by changing the amplitude contribution of elements with 4 weighting transformers embodied in the planar array transducer assembly. The planar array split beam transducer assembly was composed of 36 piezoelectric ceramics (NEPEC N-21, Tokin) of rod type of 10 mm in diameter and 18.7 mm in length of 70 kHz arranged in the rectangular configuration, and the 4 electrical inputs were supplied to the beamformer. A series of impedance measurements were conducted to check the uniformity of the individual quadrants, and also in the configurations of reception and transmission, resonant frequency, and the transmitting and receiving characteristics were measured in the water tank and analyzed, respectively. The results obtained are summarized as follows : 1. Average resonant and antiresonant frequencies of electrical impedance for four quadrants of the split beam transducer in water were 69.8 kHz and 83.0 kHz, respectively. Average electrical impedance for each individual transducer quadrant was 49.2$\Omega$ at resonant frequency and 704.7$\Omega$ at antiresonant frequency. 2. The resonance peak in the transmitting voltage response (TVR) for four quadrants of the split beam transducer was observed all at 70.0 kHz and the value of TVR was all about 165.5 dB re 1 $\mu$Pa/V at 1 m at 70.0 kHz with bandwidth of 10.0 kHz between -3 dB down points. The resonance peak in the receiving sensitivity (SRT) for four combined quadrants (quad LU+LL, quad RU+RL, quad LU+RU, quad LL+RL) of the split beam transducer was observed all at 75.0 kHz and the value of SRT was all about -177.7 dB re 1 V/$\mu$Pa at 75.0 kHz with bandwidth of 10.0 kHz between -3 dB down points. The sum beam transmitting voltage response and receiving senstivity was 175.0 dB re 1$\mu$Pa/V at 1 m at 75.0 kHz with bandwidth of 10.0 kHz, respectively. 3. The sum beam of split beam transducer was approximately circular with a half beam angle of $9.0^\circ$ at -3 dB points all in both axis of the horizontal plane and the vertical plane. The first measured side lobe levels for the sum beam of split beam transducer were -19.7 dB at $22^\circ$ and -19.4 dB at $-26^\circ$ in the horizontal plane, respectively and -20.1 dB at $22^\circ$ and -22.0 dB at $-26^\circ$ in the vertical plane, respectively. 4. The developed split beam transducer was tested to estimate the angular position of the target in the beam through split beam phase measurements, and the beam pattern loss for target strength corrections was measured and analyzed.