초음파진동자 특성에 영향을 미치는 파라메터 요소 - 압전성능

초음파진동자 특성에 영향을 미치는 파라메터 요소 - 압전성능

초음파용착기用 진동자는 피에조(압전)세라믹을 이용하여 안정적인 구조를 갖는 BLT Type으로 제작된다. BLT Type으로 제작된 초음파진동자의 특성에 영향을 미치는 파라메터 요소는 압전세라믹의 재료의 특성과 BLT 진동자 제작 과정에서 결정 된다.

압전재료의 물리적 특성은 주로 공진-반공진법을 이용하여 평가하고 이에 대한 측정규격은 IEEE 및 일본 전자재료공업회(EMAS)에 기술되어 있다.

초음파진동자는 압전현상을 이용한 액츄에이터(Actuator)로 압전세라믹과 현상에 대하여 알아본다.

□ 압전의 정의

압전성: 물질에 응력(신축응력, 전단응력)을 가할 때 발생하는 전기, 즉 전기분극을 생기게 하는 성질 또는 이 전기 자체를 의미 함.

압전현상(효과): 응력에 의하여 압전물질 자체의 전기분극이 변하는 압전-정효과와 압전 물질에 전계를 인가할 때 기계적 왜형(변형)이 발생하는 압전-역효과(전왜효과)를 압전현상 또는 압전효과라 한다.

□ 압전 성능

압전의 성능은 압전상수로 나타내고, 이 압전상수는 입력과 출력을 무엇으로 취하느냐에 따라 다르며, 사용 목적에 사용하기 쉽도록 표현 형식을 변화시킨 압전기본식을 사용한다.

    [S] (strain)단위 길이당 신축
    [T] (stress)응력, 단위면적 당 가하는 힘
    [E] 전계강도, 단위길이 당 전압
    [D] 전속밀도, 표면전하밀도
    [위 첨자 E, T] 전계, 응력이 일정하거나 0(영)일 때의 값을 의미한다.
    [s] 탄성계수, 영률의 역수, 영률(Young modules)은 고체 재료의 강성을 측정하는 역학적 특성으로 단축(uniaxial)
      변형 영역에서 선형 탄성 재료의 응력과 변형률 사이의 관계를 정의하는 탄성계수
    [d] 압전 정수, 압전왜 정수
    [ε] 유전율
    [g] 전압 출력 계수
    [β] 역 유전율
    [c] 탄성강도
    [h] 압전소자 충전 계수

- 압전 d정수(압전왜 정수)
압전체에 전계(V/m)를 인가했을 경우, 얼마나 변위하는지를 나타내는 계수로 전계방향과 변위 방향에 의하여 d33, d31, d15로 표현된다. 압전 정수의 단위는 [pm/V]로 표현되는 것이 일반적이다. BLT Type의 진동자 재료로는 d33의 정수가 큰 것이 좋다.

- 압전 g정수
응력이 가해지지 않은 상태의 압전체에 응력(힘, 압력)을 가했을 경우, 얼마나 전계(전압)가 발생하는지를 나타내는 계수로 응력과 분극의 방향에 따라 g33, g31로 표현된다. 압전 g정수의 단위는 [mV/N]이 쓰인다.

응력과 전계, 전속밀도는 크기나 방향이 어떤 벡타 성분을 가지고 있기 때문에 이것을 결부 시키는 정수 s, d, ε도 방향이 있다. 좌표축 x, y, z를 각각 1(4), 2,(5) 3(6)방향으로 하고, 분극 방향을 3으로 정하면 1, 2방향은 분극 축에 수직으로 존재하게 된다.