| 초록 |
핵심기술 압전 단결정 성장 (고상 단결정 성장법과 브릿지만 성장법), 압전 단결정 조성 설계, 압전 세라믹 사출 성형, 압전 단결정/세라믹 복합체 설계, 압전 단결정/세라믹 복합체 제조, 압전 단결정/세라믹/복합체의 압전 특성 평가, 압전 단결정/세라믹/복합체의 압전 응용 부품 개발 최종목표 · 압전상수(d 33 )가 2,500 pC/N 이상, 유전상수(K 3 T )이 8,000 이상이며 물성 균일도(T RT )가 110℃ 이상이면서 균일도가 ±3.0 이하인 압전단결정(Piezo-Crystal) 개발과, · 종횡비(H/D)가 10 이상인 압전 프리폼(Piezo-preform)과 음향 임피던스는 6 Mrayl 이하, HFOM (d h g h )는 8,000×10 -15 ㎡/N 이상이며, 크기가 150×150×6 ㎜ 이상인 압전복합체(Piezo–composite) 개발이며 또한 직경이 1.0 ㎜ 이하이며 길이가 120 ㎜ 이상인 압전섬유(Piezo –fiber) 개발임. · 또한 Peak work-energy density 특성이 500 in-lb/in 3 MFC(Macro fiber composite)의 개발임 개발내용 및 결과 · Bridgman법과 SSCG법을 이용하여 압전단결정(Piezo-Crystal)을 성장시켰으며 개발을 위해 조성 설계와 물성균일도 향상 방안을 수립하여 시편을 성장 시킨 결과 압전상수(d 33 )가 2,500pC/N(아이블포토닉스 2,682 /세라콤 2,600) 이상, 유전상수(K 3 T )가 8,000이상(아이블포토닉스 8,934 / 세라콤 8,500)이며, 상전이온도(T RT ) 및 균일도(ΔT)가 각각 110℃이상, ±3이하인 압전단결정(Piezo-Crystal) 소재를 개발하였으며, · 또한 분말사출성형공정(Powder injection moldling)을 적용하여 종횡비(H/D)가 11.59인 압전프리폼(Piezo–preform)을 제작하였음. 압전복합체(Piezo-composite) 제조 공정의 최적화를 통해서 음향임피던스는 5.38 Mrayl, HFOM(d h ×g h )는 9,689 ×10 -15 ㎡/N인 압전복합체를 제작하였으며, 크기가 165.017 × 165.022 × 8.038(t)㎜인 대형 압전복합체를 제작하였음. · 또한 압출 방식을 통하여 직경이 0.862㎜이며 길이가 121.329 ㎜인 압전 섬유(Piezo-fiber)의 제작하였음. Peak work -energy density 특성이 143 in-lb/in3인 MFC의 제작하였음. 기술개발 배경 · 수중 통신이나 의료용으로 인체에 사용되고 있는 초음파 트랜스듀서는 다결정체 PZT 압전 세라믹이 광범위하게 사용되고 있음. 그러나 단일상의 PZT 세라믹을 사용 할 경우 높은 유전율과 고밀도로 인한 높은 음향임피던스로 인하여 부정합이 발생하며, 이러한 문제를 해결하기 위해서는 정합을 필요로 함. 최근 이러한 문제점을 개선하기 위해 압전 성능이 우수한 압전 세라믹 재료와 음향 임피던스가 낮은 고분자 재료가 결합되어 만들어진 압전 복합체가 사용되고 있음. 다양한 결합구조 중에서도 1-3형 구조를 갖는 압전복합체는 고분자 재료 모재(matrix) 안에 압전 세라믹 막대들이 한 개의 축과 나란하게 삽입된 구조임. 1-3형 압전 복합체는 높은 두께 방향 전기기계 결합계수와 낮은 비유전율 및 고유 음향 임피던스를 가지고 있으며, 유전 및 기계적 손실이 적고 광대역 주파수 특성을 갖고 있음. · 최근 기존의 다결정 PZT 세라믹소재 보다 압전 상수 4 배(1,500 pC/N) 이상 높으며, 전기기계결합계수가 0.9 이상인 PMN-PT 압전 단결정 재료가 연구 개발됨. 이러한 압전 단결정들은 센서의 소형화/경량화/저전력소모 등 많은 장점을 지니고 있어, PMN-PT 단결정 소재의 소요가 급격히 증가되어 선진국을 중심으로 대량생산 기술 개발이 활발히 추진되고 있음. · PMN-PT 압전 단결정을 이용하여 최근 상용화된 제품 중에서 의료용 초음파 프로브는 기존의 다결정체 PZT 세라믹을 이용한 제품과 비교하여 해상도가 30% 이상 우수하여 기존 PZT 세라믹 의료용 초음파 프로브를 대체해 나가고 있으며, 군수용으로는 수중 소나용 음향센서의 종류인 Tonpilz형 음향센서에 집중적으로 활용되고 있음. · 한편 현재 개발된 PMN-PT 압전 단결정은 우수한 압전 특성에도 불구하고 일정 온도 이상 (상전이온도)에서는 응용 가능한 분야가 한정되어 있을 뿐만 아니라 군수용 무기체계의 각종 센서 및 민수용 센서 부품에서 보다 고감도의 성능을 요구하고 있는 상황임. 따라서, 기존 PMN-PT 압전 단결정 소재의 온도 특성 향상 및 고감도 물성을 가진 새로운 조성 개발이 필요함. · 압전 소재는 다양하게 사용되는 핵심 소재이고, 이러한 응용분야에 최고의 성능 및 기능을 부여하기 위해서는 핵심 소재에 고성능의 압전 특성 및 최적의 음향학적 성능을 부여하여야 하는 어려움이 있음. Piezo-Crystal 및 3D 망상형 압전 복합체는 기존 다결정체 PZT 세라믹으로 대표되는 압전 소재에 비하여 훨씬 우수한 압전특성 및 음향학적 특성을 보유 · Device의 크기 및 무게를 1/2로 줄일 수 있고, 기존에 구현하기 힘들었던 대형 크기의 선형, 평면형, 컨포멀형 음향센서를 곡면 및 평면 등 다양한 배열 형상화로 경제적으로 제작하는 것이 가능함 핵심개발 기술의 의의 · 본 과제에 개발된 압전 단결정의 유전 및 압전 특성은 세계 최고 수준임 · 본 과제에 개발된 세계 최고 수준의 압전 단결정은 의료용 초음파 진단기 분야와 압전 복합체 분야에 최초로 테스트 및 적용됨 · 삼성분 계(Pseudo Ternary) MPB 조성에 다양한 첨가제(Donor, Acceptor)를 참가한 복잡한 조성에서도, 고상 단결정 성장법을 적용하면 화학적으로 균질한 압전 단결정을 제조할 수 있음을 보였음 · 고상 단결정 성장법으로 세계 최고 수준의 압전 단결정을 경제적인 가격으로 대량 생산할 수 있는 가능성을 제시함 · 압전 혹은 온도 특성이 향상된 신 조성의 단결정 개발은 일본 등에서 먼저 수행되어 왔으나 압전 특성과 온도 특성을 모두 향상시키기 위한 소재 및 이 소재를 (001) 축을 가진 단결정으로 성장 하는 방법은 세계적으로 전례가 없을 만큼 매우 어려운 기술임 · 국내에서 브릿지만 법으로 가장 먼저 PMN 계열의 압전 단결정인 PMN-PT의 양산화를 이룩한 만큼 새로운 조성에 대한 개발 및 양산화를 가장 단 시간에 해결 할 수 있어 이를 응용한 제품의 성능 향상 및 가격 경쟁력 확보가 가능함 · 원천소재가 성공적으로 개발되면 연속적으로 부품과 시스템의 성능을 향상시켜 경쟁력이 커지고 소재, 부품의 국내 수직적 조달을 통해서 수출 경쟁력도 커지게 되고, 하나의 원천 소재가 그 소재를 사용할 수 있는 전체 시스템군의 매출과 부가가치에 미치는 영향은 약 만 배의 파급효과를 보이는 것으로 알려져 있음 · 기존 해외에서 제작한 제품의 성능을 크게 상회하는 고성능 압전 복합체를 개발하였음. 다양한 분야에 적용이 가능하지만, 양산성 및 제작 비용에 의하여 가격경쟁력이 부족한 압전 복합체의 제작 방식을 분말사출성형 방식을 활용하여 제작하여, 생산단가를 절감할 수 있는 기술을 개발함. 이를 바탕으로 국내 센서 산업의 경쟁력을 강화할 수 있을 것으로 기대됨 · 압전 복합체의 경우 군수산업이 발달된 일부국가의 소수업체에서 관련 제조기술 및 노하우를 독점하고 있으며, 대표적인 예로 (미)HC메터리얼, TRS, MSI 사 등이 고성능의 다양한 압전 복합체 소재를 제조하여 미국 해군 연구국(ONR)과 국방용 센서 시스템에 적용하고 있음 · 국내의 경우 의료 등 일부 산업에만 제한적으로 활용 되고 있는 실정으로, 대부분 수입에 의존하고 있음. 이를 극복하기 위한 일환으로 수행된 본 과제는 기존 압전 복합체에서 일부를 고분자로 대체하여 복합체 구조를 단순화하고 경량화 하였음. 더불어 수 작업 형태의 제조 공정을 분말사출성형공법을 이용하여 보다 균일한 특성을 확보했으며, 이를 통해 압전 복합체의 형태의 다양화 및 대형화와 대량생산이 가능하게 되었음 · 따라서 본 과제를 통하여 얻어진 압전 복합체 제조기술로 수입에 의존하고 있는 압전 복합체 소재를 국산화할 수 있으며, 국외 시장으로의 수출도 기대할 수 있는 경쟁력이 있는 기술이라고 |
