살다보면...

PIEZOELECTRIC TRANSDUCERS MODELING AND CHARACTERIZATION
Author: Miodrag Prokic / Published 2004 in Switzerland by MPI

위의 자료(책)가 초음파 진동자를 이해하기가 좋은 자료인 것 같아 관심있는 지인들과 함께 공부 할 요량으로 번역을 해봤습니다. 많은 오역이 존재 할 수 있다는 것을 사전에 밝힙니다. 이 점을 참고하시고 보시기 바랍니다.

[그림 8] 컨버터-혼 BVD 단순화 이중 회로

[그림 8]에서는 컨버터에 혼이 추가된 고차의 전기 및 기계적 필터 회로를 만들어 앞에서 말한 전기회로 이론을 적용하여 [그림 1, 2, 3, 5, 6]에 제시된 기본 컨버터 모델로 나타낼 수 있다. 또한 [그림 8]의 단순화한 회로 변환 도표에서 강하게 상호 결합(동일한 전류 또는 전압 회로를 결합)된 공진회로를 다루며, 동일한 공진주파수에서 작동하는 물리적 부하를 배치할 수 있는 것을 알 수 있다.(부하는 [그림 5, 6]에서 나타낸 것 같이 처리해야 한다.) 추가된 혼과 관련된 공진회로에서 손실 요소를 찾을 수 있기 때문에 추가된 혼의 내부 손실 요소를 무시하지 않는다.

초음파 엔지니어링 분야에서 수년간의 경험을 통해 단일 컨버터 보다 혼, 부스터 또는 다른 잘 설계된 소노트로드를 컨버터에 추가하면 새로운 “컨버터+혼” 조합이 기계적 품질 요소가 훨씬 높아질 것이라는 점을 알고 있고, 즉 높은 기계적 품질 요소를 만드는 연결은 기계적 공진 회로가 상호 연결(컨버터+혼) 되어야 함을 의미한다. 이는 동일한 공진을 가지는 직렬(때로는 병렬 또는 보다 복잡한)연결의 다중 필터 블록의 연결에 관한 필터 이론과 일치하며, [그림 8, 9]의 단순화 도표는 이를 뒷받침해 준다.

운동 캐패시던스와 인덕턴스가 병렬로 연결된 이중 회로 모델에서 시작하여 “컨버터+혼”의 모델링(컨버터와 혼이 동일한 공진주파수에서 동작 할 때)을 설명하기 위해 [그림 8]의 하나와 동일한 단순화된 도표를 만들 수 있다([그림 9]참조). [그림 8, 9]에서 주어진 “컨버터+혼”조합의 운동 인덕턴스가 동일한 공진주파수에서 진동하면서 음향적으로 또는 기계적으로 강하게 결합되어 있고, 이를 통해 제시된 회로 변환을 이해하기 쉽게 하는 것이 중요하다. 전기회로 이론 관점에 볼 때, [그림 8, 9]는 기계적으로 강력하게 결합된 “컨버터+혼”을 인덕턴스 결합 형식(L*s와 L*s1결합과 L*p와 L*p1결합) 또는 이상적인 변환 결합([그림 8]에서 L*s는 1차 변환 영역이고 L*s1과 Cs1은 2차 변환 영역이다. [그림 9]에서 L*p는 1차 변환 영역이고 L*p1과 Cp1은 2차 변환 영역이다)을 편리한 등가 형태로 제공한 것이다.

5. 고 출력 BLT 조립 순서 및 중요 사항 들

1) 준비작업: 연마(Polishing) 및 세척(Cleaning)
(1) Metal mass
① 피에조세라믹의 적층 상부에 위치하는 Head-body와 하부에 위치하는 Tail-body는 1차 가공이 끝난 후 접촉면의 평탄도와 이물질 제거하기 위해 연마재를 사용하는 래핑(Lapping) 2차 가공처리를 한다.
② Metal mass에 잔존되어 있는 연마재를 없애기 위해 초음파 세척을 한다.
③ 초음파 세척으로도 제거 되지 않은 연마제 입자를 제거하기 위한 Dry Polishing을 한다.
④ 접촉면에 남아 있는 이물질 및 유분 등을 제거하기 위한 세척 약품을 사용한 최종 세척을 한다.

(2) 전극
전극의 표면에 붙어 있는 이물질(납땜을 하면서 발생 할 수도 있는) 및 유분 등을 제거하기 위한 세척 약품을 사용한 세척을 한다.

(3) 압전소자(피에조세라믹)
진동자 조립 전에 압전소자(피에조세라믹)에 혹시 있을지도 모르는 미세한 이물질 및 산화물의 제거를 위하여 일정하게 평면으로 회전(작동)하는 실크 천 사포(600방 이상) Polishing을 한쪽 면 당 5 ~ 10초간 한 다음, 압축공기 분사기로 공기세척을 한다. 이렇게 하면 압전소자 표면에 뿌옇게 있던 부분이 있으면 없어지며 광택이 난다.

2) 진동자 조립
(1) 중심 축 정렬 지그에서 압전소자 및 적층할 소재들을 차례대로 적층한다.
(2) 센터볼트가 압전소자를 관통하는 부분에 해당하는 만큼 이상의 크기로 절연튜브를 끼운 다음, 머리 부분의 헤드바디에 접촉되는 마찰 면과 테일바디의 나사면에 잠기는 부분에 해당하는 센터볼트에 열에 강한 그리스를 바른다. 이렇게 하지 않으면 센터볼트를 조이는 과정에서 가한 힘의 30~60% 마찰 손실이 일어 날 수도 있다.
(3) 조이는 힘의 마찰손실과 정렬상태를 유지하기 위하여 적층 가조립된 진동자를 볼트 조임 압력의 90%에 해당하는 압력으로 눌러놓고 센터볼트를 볼트 조임 압력까지 조여 준다. 센터볼트는 적층소자 들을 기계적으로 연결하여 주는 스프링으로서의 역할과 BLT의 양쪽 끝단을 전기적으로 연결하는 역할도 한다.

3) 열처리
진동자를 조립한 후에는 품질 안정화를 위하여 60~120℃ 사이의 오븐에 3~7시간 동안 열처리를 하고 오븐이 꺼진 상태로 24시간 이상 자연냉각 한다. 진동자의 금속 소재 들을 열처리 하여 줌으로 각 금속 소재들이 서서히 팽창하였다가 서서히 수축하면 조립·정렬 상태가 기계적·전기적으로 안정화 된다.

4) 1차 특성 검사
열처리가 끝난 진동자들의 임피던스 특성 그래프를 검사를 검사하여 정상 범주의 제품을 선별한다.

5) 숙성(Ageing)
(1) 1차 초음파 전원 인가
1차 특성 검사에서 양품으로 선별된 진동자 들을 무부하 상태로 최대출력 전력(또는 전압)의 60~80%를 10~20분간 초음파 전력을 인가한다. 이때 문제가 있는 진동자 들을 걸러낸다.
(2) 2차 초음파 전원 인가
1차 초음파 전원인가에서 선별된 진동자는 다시 무부하 상태의 최대출력 전력(또는 전압)을 10~30사이로 인가하면 간혹 발열 및 아크방전과 코로나가 발생되기도 하는데 특별한 문제가 없는 경우 이것들은 바로 또는 얼마 후 사라진다. 만약 아크방전이나 코로나 발생이 소멸되지 않으면 불량 제품이다.

6) 1차 품질 검사
(1) 기계적 조립 상태 검사
숙성과정까지 마친 진동자 금속 부분의 온도가 실온과 같게 냉각 되었을 때 단위 조립된 진동자의 1~5%를 무작위로 선정하여 토크게이지를 사용하여 볼트 조임 압력 확인과 풀림이 있는지 확인한다. 만약 10%이상 풀림이 발생했다면 금속 소재 파트에 문제가 있거나, 혹은 소재 디자인이 잘못된 것이다.
(2) 절연저항 검사와 내전압 검사
● 절연저항: 100㏁ 이상
● 내전압: DC 1000V에서 60초 이상

7) 최종 조립
(1) 코팅
적절한 절연재를 사용하여 압전소자(피에조세라믹)의 측면에 습기와 아크방전 등을 막을 수 있게 보호 코딩을 한다. 실리콘 스프레이, 에폭시, 마네트와이어 래커 등을 사용하여 0.1~0.3mm 두께의 코팅 막을 형성시킨다. 이때 보호 물질이 적층된 틈새로 흘러 들어가지 않게 매우 주의 하여야 한다.
(2) 외부 케이스 조립
절연재의 코팅이 완전히 마르고 단단히 굳어진 다음, 분극된 쌍극자 정렬 상태의 특성을 오랜 동안 유지하기 위해 10㏁의 방전저항을 진동자 양극에 부착하고 외부 케이스를 조립한다.
8) 최종 품질 검사
완전히 조립된 진동자는 상온 25℃에서 100시간 이상 방치한 다음, 먼저 절연저항 검사에서 10㏁이상 인 진동자들만 진동자의 주요 특성을 측정하여 양품을 선별한다.

4. 볼트 조임 압력
BLT형 진동자에서 적절한 볼트의 조임 압력은 아래의 식과 같다.

    Ps: 볼트 조임 정압
    Pp: 정(압축 / 누르는)방향 압력
    Pn: 역(신장 / 늘어나는)방향 압력

만약에 압축 또는 신장 방향의 압력을 모를 경우, 압축방향의 압력은 압전소자를 누르는 방향으로 압력을 증가 시켜, 압전소자가 파괴(깨지는, 부서지는)되는 압력 점이 압축방향의 압력이다. 대부분의 압전소자(Piezoceramic)는 압축(누르는)방향의 압력이 당기는(늘어나는) 방향의 압력보다 5배 정도 크다. 또 BLT의 적층된 압전소자에 60MPa 이상의 압축방향 압력을 가하지 않는 것을 권장한다. 참고로 Branson의 최고 출력 진동자의 볼트 조임 압력은 51MPa이다.

최적의 볼트 조임 압력을 찾는 다른 방법은 센터볼트를 서서히 조이면서 임피던스 분석기로 임피던스 특성과 주파수특성을 관찰하여 찾아내는 방법이다. 실행 절차는 다음과 같이 한다.

① 압전소자의 적층 상태가 유지 될 수 있는 최소한의 조임 압력으로 실험 진동자를 만든다.
    (또는 지그를 갖춘다.)

② 센터볼트를 아주 조금씩 조여 나가면서 임피던스 특성, 정전용량, 주파수를 가한 압력과 함께 기록한다.

③ 센터 볼트를 계속해서 조여 나가다 보면 임피던스 특성, 정정용량, 주파수 값이 상대적으로 안정화 되고 기계적 품질계수가 최고가 되는 구간이 나타난다.

④ 센터 볼트를 계속해서 조이면 측정 파라메타 요소들이 상대적으로 안정화 된 상태가 반복적으로 점점 더 짧게 나타나다가 비 직선적으로 급격한 변화를 보이며 압전소자나 센터 볼트에 치명적인 손상이 나타난다.

⑤ 측정된 파라메타 요소들이 상대적으로 안정화 된 상태가 시작된 처음 구간과 마지막 구간에서 처음 시작된 구간부터 50% 안쪽의 압력 점들마다 2차 실험 진동자를 다수 만든다.(최초 시작점의 압력에 대해서는 2차 실험 진동자를 만들지 않는다. 왜냐하면 지속적인 압력이 가해진 상태에서 각 부분의 이완이 발생하고 일정 시간이 지난 후 초기 종임 압력의 10%정도 풀림이 발생하기 때문이다.)

⑥ 측정된 파라메타 요소들이 상대적으로 안정화 된 상태의 압력 점마다 만들어진 다수의 진동자를 일정시간(3시간 ~ 7시간 사이) 열처리(60℃ ~ 120℃ 사이)한다. 열처리가 끝나면 자연스럽게 실온까지 냉각 시킨 후 24시간을 상온 상태에 방치 한다.

⑦ 열처리가 끝나고 24시간 상온에 방치된 진동자의 파라메타 요소를 측정하여 가장 좋은 특성을 지닌 진동자의 볼트 조임 압력이 최적의 볼트 조임 압력이다.

⑧ 만약 BLT形 진동자의 중요 부분이 변경되면 위의 절차대로 실험을 되풀이하여 최적의 볼트 조임 압력을 찾아야 한다.

1. 소재(피에조 세라믹) 선정 기준
● 고출력 초음파 진동자(Transducer)를 제작에는 Hard Piezoceramic material을 사용하는 것이 중요
● Hard Piezoceramic material의 기계적 품질계수 Qm은 1000 이상
● 분극(Polarization)된 성능에 따라서도 큰 품질의 차이가 발생되므로 인가 할 수 있는 최대 DC전압을 걸어 최대의 분극장(Polarization Field)을 형성해야 된다. 분극을 할 때에는 DC 고 전압을 오랜 시간동안 인가하고, 실리콘 오일(혹은 다른 절연 물질)속에서 온도를 높게 유지한다. 이렇게 하면 일정 시간 후에 외부에서 가해진 전기장의 방향에 따라서  내부의 쌍극자(Dipole)들이 정렬된다. 정렬된 상태를 유지하기 위해서는 분극장이 유지된 상태에서  실리콘 오일의 냉각을 자연적으로 최소 24시간 이상 동안 이루지게 하여야 한다. 만약 냉각 시간을 단축하기 위해 인위적인 방법으로 빠르게 냉각시키면 조립된 진동자(BLT)의 최대 출력이 낮아집니다.

2. 고 출력 BLT 제작에 적합한 압전소자(Piezoceramic) 요소
● 유전상수(Dielectric constant): 보다 큰 값
● 정전용량(Capacitance): 보다 큰 값
● 압전 d정수(d33): 보다 큰 값
● 기계적 품질계수(Qm): 최소한 1000 이상의 보다 큰 값
● 큐리온도(Curie Temperature): 보다 높은 온도 값
● 소자의 입자크기가 균일하고 작은 것
● 소성 후 기공이 적은 것

3. 전극 선정
● 재질은 니켈(99%이상), 냉간압연 제품(열처리를 하지 않은 것이 좋음)
● 재질을 베릴늄(Beryllim)합금을 사용하는 경우에는 니켈 경질도금 처리로 도금 두께는 약 5 ~ 10㎛
● 표면 경도: 100HV ~ 140HV
● 두께: 약 0.25mm
● 평탄도: 극도로 평탄하여야 함.
● 거칠기: 경면 처리로 밝게 빛나야 함.

압전소자와 접촉되는 모든 물체의 표면 다음과 같은 사항들에 대하여 가능한 범위 내에서 최대한 만족하여야 한다.
 - 접촉 표면적을 극대화 할 것
 - 기계적인 결합상태가 음향의 진동을 잘 전달 될 수 있을 것
 - 열전도성이 좋을 것
 - 표면 전기 저항이 매우 낮을 것
 - 내열 저항이 매우 낮을 것
 - 수평의 방사의 방향으로 낮은 마찰력과 유연성이 좋을 것
 - 음향 진동 상태에서 매우 긴 피로수명을 갗을 것
 - 표면 부식이 잘 안 될 것

정전용량(Capacitance[nF])

진동자에서 정전용량 C 값은 공진회로의 fr을 결정하는 L(inductance)값에 영향을 주는 중요한 파라메터이다. C 값은 진동자의 발진에 따라서 압전세라믹에서 열이 발생하며, 발생된 열이 진동자의 C 값이 상승되고,  fr값의 변화를 초래하여 급격한 발진 효율의 저하를 야기 시킨다. 즉 C 값은 기계적 품질계수 Qm 값에 영향을 미치는 파라메터로 발진 상태에서 C 값의 변화를 억제하는 것이 가장 중요하다.

진동자의 공진주파수 fr값이 발진회로와 정확히 매칭된 상태에서 과도하게 높은 전압을 인가하면 순간적으로 압전세라믹의 변위가 증대됨에 따라 무리(과도)한 진폭이 발생하며, 이러한 현상은 진동자의 열 발생으로 이어진다. 열 발생에 대하여 효율적인 대처 방법은 진동자의 fr점과 초음파 전원공급 장치 상의 등가회로 상에서 최적의 전압을 인가하여 최고 효율을 얻어내는 것이다. 즉 초음파 전원공급의 전력 측면에서 전압과 전류의 위상을 일치 시키고 진동자가 감당 할 수 있는 전력의 70% ~ 80%에 해당하는 전압이 최적의 전압이다.

압전세라믹의 변위 폭은 앞서 언급한 k계수와 d정수, 단면적에 대한 인가전압과 비례하며, 세라믹의 두께와 반비례한다. 또한 압전세라믹을 1장 보다 여러 장을 사용했을 때 훨씬 큰 변위를 얻을 수 있으며, 이는 진동자의 진폭 증대와 상관관계가 있고, 초음파 전원공급 장치의 출력전력과 비례한다.

BLT 진동자 제작 후 마지막으로 확인해야 할 진동자 특성은 정전용량 C, 공진 임피던스 , 공진주파수 , 반공진주파수  4가지 특성을 임피던스 분석기를 통해 쉽게 측정하고, 이 값을 이용하여 기계적 품질계수 와 전기기계결합계수 를 산출한다.