압전 단결정 세라믹 PMN-29PT를 이용한 무인비행체용 작동기 S-LIPCA의 설계/제작/성능 평가

윤광준,윤범수 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

압전 다결정 세라믹(CTS 3203HD)에 비해 압전 상수(d31)가 큰 압전 단결정 세라믹((주)세라콤 PMN-29PT)을 이용하여 무인비행체용 작동기를 설계/제작하여 성능 시험을 하였다. 압전 단결정 작동기(S-LIPCA)의 제작을 위해서 압전 단결정의 물성 실험을 수행 하였고, 결과 값을 적용하여 작동기의 성능을 예측하였다. 여러 형태의 적층구조에 대해서 가장 성능이 좋은 적층 구조를 찾아, 압전 단결정 세라믹을 적용하여 작동기를 제작 하였고, 압전 다결정 세라믹 작동기와의 성능을 비교하였다. Piezo-composite curved actuator S-LIPCA with PMN-29PT was designed, fabricated and evaluated. The optimal stacking sequence to maximize the actuation performance of S-LIPCA was designed and fabricated using vacuum-bagging composite manufacturing process. From the performance evaluation test for a curved cantilever beam actuator, It was found that S-LIPCA can produce about 1.6 times more tip deflection than conventional LIPCA with CTS 3203HD poly-crystal ceramic layer

낟알 정렬된 Bi0.5(Na0.85K0.15)0.5TiO₃ 세라믹의 압전 특성

장기봉,김일원,안창원,조남규,황학인,배세환 한국물리학회 2010 새물리 Vol.60 No.4

Bi0.5(Na0.85K0.15)0.5TiO₃ (BNKT) were fabricated using the Reactive Templated Grain Growth (RTGG) method. Grain-oriented BNKT ceramics were made and dielectric and piezoelectric prop-erties of grain-oriented BNKT ceramics were measured. Surface morphology and phases of the grains were investigated using SEM and X-ray diffraction, respectively. Dielectric and piezoelectric properties such as P-E hysteresis, dielectric constants, piezoelectric coefficients, and electromech-nical coupling factors depending on the direction of grain orientations were investigated. BNKT ceramics made by RTGG method has 70 % of a-axis preference and it has higher piezoelectric properties by comparing to BNKT ceramics made by ordinary firing method. Bi0.5(Na1−xKx)0.5TiO₃무연계 압전 세라믹의 선행연구 결과로부터 x = 0.15 몰인 상경계영역(MPB) 조성 [Bi0.5(Na0.85K0.15)0.5TiO₃, BNKT]을 선택하여 Reactive Templated Grain Growth(RTGG) 방법으로 낟알 정렬된 BNKT 세라믹을 제조하여, 낟알 정렬 방향에 따른 BNKT 세라믹의 유전 및 압전 특성을 조사하였다. XRD와 SEM 측정으로부터 BNKT 세라믹의 결정구조와 낟알의 표면형상을 조사하였으며 낟알 정렬 방향에 따른 BNKT 세라믹의 P-E 이력곡선, 유전율, 전기기계 결합계수, 압전계수 등을 측정하여 유전 및 압전 특성을 조사하였다. RTGG 방법으로 제작된 BNKT 세라믹의 낟알은 a축 방향으로 70% 이상 정렬되었으며 일반적인 방법으로 제작된 BNKT 세라믹보다 우수한 압전 특성을 나타내었다.

두께 불균일 압전 초음파 트랜스듀서의 형태에 따른 특성변화 해석

김동현,김정순,김무준,하강렬,Kim, Dong-Hyun,Kim, Jung-Soon,Kim, Moo-Joon,Ha, Kang-Lyeol 한국음향학회 2008 韓國音響學會誌 Vol.27 No.6

압전판의 길이나 폭에 따라 두께가 변화하는 압전 세라믹을 사용하여 광대역 특성을 구현하는 초음파 트랜스듀서에 대하여 압전진동자의 측면에서 본 형태에 따른 전기-음향적 특성해석을 이론적으로 수행하였다. 압전진동자의 길이방향에 따른 두께 변화를 지수함수의 조합으로 표현하고 이 함수를 이용하여 압전진동자의 전기단자에서 본 자유 어드미턴스 및 파워전달함수에 대한 식을 도출하였다. 대표적인 PZT압전 세라믹을 예로 들어 압전 진동자의 측면 형태변화에 따른 비 대역폭을 고찰해본 결과 넓은 대역폭를 얻기 위한 최적의 형태가 존재함을 알 수 있었으며, 압전진동자의 최대두께에 대한 최소두께 비가 자아짐에 따라 대역폭은 100%이상까지도 넓어질 수 있으나 파워전달함수는 반대로 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 또 압전진동자의 길이가 길어질수록 전달함수의 크기는 증가하나 광대역 특성을 갖는 압전진동자의 형태는 매우 한정적이 됨을 확인할 수 있었으며 이는 고효율의 광대역 초음파 트렌스듀서 제작에 있어서는 정밀한 가공이 요구됨을 확인할 수 있었다. The electro-mechanical characteristics were theoretically analyzed for the wideband ultrasonic transducer made of non-uniform thickness piezoelectric vibrator. This paper proposes a combination of exponential functions which describes the thickness variation along the length of the vibrator to derive the input admittance and power transfer function of the transducer. The bandwidth and the power transfer function of the transducer were investigated while the lateral shape of the vibrator changes. The results showed there is an optimum shape for the wideband characteristics of the transducer, and the bandwidth has increased up to over 100% as the ratio of minimum value of thickness to maximum value decreases. However, the power transfer function had a downward trend as the ratio of thickness decreases. Also we confirmed that even though the value of transfer function increases as the length of the piezoelectric vibrator increases, the shape providing wideband characteristics is very limited. It means that precision processing is required to manufacturing a wideband ultrasonic transducer with high efficiency.

압전세라믹 연결방식에 따른 전력생산 평가 연구

권수안,이재준,문학룡,류승기 한국도로학회 2012 한국도로학회논문집 Vol.14 No.2

Natural disasters such as hurricanes, floods frequently occurs in the world. The cause of the natural disasters that occurs due to global warming because of increasing of global greenhouse gas emissions. To prevent the global warming, lots of researchers are studying renewable energy area. In order to protect grobal warming, government is trying to reduce green gas emissions under “Low Carbon Green Growth Policy”and investing climiate-friendly industries such as renewable energy harvesting. Research team is developing a renewable energy system that harvests mechanical energy imparted to road from driving vehicles and generates it into renewable electricity. This paper presents the research results of size effect of the piezoelectric ceramic and connection of piezoelectric ceramics. Power characteristics of piezoelectric ceramic as function of experimental variables were measured and analyzed. 세계각국에서 홍수, 태풍과 같은 자연재해가 많이 발생하고 있다. 이러한 자연재해가 발생하는 원인으로는 지구온실가스 배출 증가에 따른 지구온난화 현상 때문이다. 지구온난화를 막기 위해, 많은 연구진들이 신재생에너지에 대한 연구를 진행하고있다. 정부는 온실가스배출량을 감축하여 지구온난화를 막기위해“저탄소 녹색성장”의 국가정책 하에서 신재생에너지와 같은친환경적인 녹색산업에 많은 관심과 투자에 집중하고 있다. 연구팀들은 도로를 주행하는 차량으로부터 전달되는 역학전 에너지를 이용하여 신재생에너지를 생산하는 연구를 진행하고 있다. 본 논문에서는 압전세라믹의 크기와 연결방식에 따른 연구 결과를 나타내고 있다. 또한 실험변수에 따른 압전세라믹의 파워특성을 측정하여 분석을 하였다.

압전세라믹이 작동기로 부착된 외팔보 진동 시스템의 식별과 능동제어

황동환,송병근 국제차세대융합기술학회 2024 차세대융합기술학회논문지 Vol.8 No.2

이 논문은 시스템 식별 기법을 이용하여 외팔보 진동제어 시스템의 수학적 모델을 구한 후 PID 제어기를 장착하여 효과적인 진동제어 결과를 제시하였다. 압전세라믹(piezo-ceramic)은 작동기로서 가장 기본적인 유연 구 조물의 형태인 외팔보의 진동을 억제하는데 사용되었으며 레이저 센서가 보의 굽힘 변위를 측정하는데 사용되었 다. 압전 세라믹의 입력 전압으로부터 레이저 감지기의 출력 전압까지의 전달함수를 계단입력에 대한 응답 실험데 이터에 시스템 식별 기법을 적용하여 구하였다. PID제어기는 산업현장에서 널리 사용되고 있으나, 적절한 이득 값 을 결정하는 것은 간단하지 않아, 본 연구에서는 Ziegler-Nichols 기법을 통해 PID 제어기를 튜닝하여 압전 세라 믹을 작동기로 사용하는 외팔보 시스템의 진동 제어에 적용하였고 시뮬레이션과 실험적 결과를 통하여 시스템식 별 기법을 통해 구한 수학적 모델의 유용성과 설계된 제어기의 효과적인 진동 제어 성능을 확인하였다. In this paper first we obtained a mathematical model for a cantilever beam vibration control system with a piezoceramic actuator using system identification techniques and then implemented a PID controller for active vibration control. A piezoceramic is used as an actuator to control the vibration of a cantilever beam which has been used in many real structures, and a laser sensor is used to measure tip displacement of the cantilever beam in transverse motion. A transfer function from piezoceramic’s input voltage to laser sensor’s output voltage is obtained using system identification techniques utilizing experimental data from step response of the open-loop cantilever beam control system. The PID controller is tuned by Ziegler-Nichols technique and implemented to the beam control system. The result exhibits good performance in terms of vibration reduction, which validates the identification of the system and tuning of the PID controller.

압전가속도센서의 온도영향 보상

임종인,신병철,김선욱,백성기 경북대학교 센서기술연구소 1991 센서技術學術大會論文集 Vol.2 No.1

본 연구에서는 사용한 압전세라믹스의 유전특성에 대한 온도의존성과 압전가속도 센서 특성과의 상관 관계를 기술하였다. 그러고 고온에서 사용가능한 압전가속도 센서를 설계하고, 정전용량의 NTC(Nagative Temperature Coefficients)특성을 갖는 세라믹을 사용하여 온도 변화에 따른 압전세라믹의 전기적특성을 안정화시킬수 있는 방법을 제안한다. we descibed the influence of elevated temperature on dielectric properties of piezoelectric ceramics and explained the characteristics between piezoceramics and piezoelectric accelerometers. And we also designd the piezoelectric accelerometer for high temperature applications. A method of impedence stabilization is suggested, where the ceramics with negative temperature coefficients is used to stabilize the electrical impedence of the piezoelectric accelerometers.

압전복합재료를 이용한 초음파 트랜스듀서의 음향 특성

이상욱,류정탁,남효덕,김연보,Lee, Sang-Wook,Ryu, Jeong-Tag,Nam, Hyo-Duk,Kim, Yeon-Bo 한국음향학회 2007 韓國音響學會誌 Vol.26 No.2

본 연구에서는 압전세라믹과 고분자재료를 사용하여 다이스와 필 방법으로 2-2형 압전복합재료를 제작하고 이것을 이용하며 초음파 센서를 설계하고 제작하여 전기적 및 음향 특성을 조사하였다. 제작된 시편의 공진특성은 유한요소 해석 결과와 임피던스 분석기(HP4194A)를 이용하여 실제로 측정한 결과와 유사하게 나타났다. 2-2형 압전복합재료의 고유음향 임피던스는 PZT의 부피분율이 감소함에 따라 선형적으로 감소하였다. 이것을 이용하여 제작된 초음파 센서의 공진특성 및 전기기계결합계수는 PZT의 부피분율이 0.6일 때 가장 우수하였다. 또한, 이것의 음향특성을 측정한 결과 PZT 부피분율이 0.6일때 진폭, 주파수 대역폭, 울림감쇠 특성 등이 가장 우수하게 나타났으며, 단일 압전세라믹으로 제작된 센서에 비하여 상당히 우수한 감도 특성을 나타내었다. We have investigated on the development of 2-2 type piezocomposites that have better piezoelectric activity and lower acoustic impedance than those of conventional piezoceramics. In this study, we have investigated the piezoelectric and acoustic properties of 2-2 type piezocomposites sensor which was fabricated using dice-and-fill technique for the different volume fraction of PZT. The specific acoustic impedance of 2-2 type piezocomposites decreased linearly when PZT volume fraction was decreased. The resonance characteristics measured by an impedance analyzer(HP4194A) were similar to the analysis of finite element method (FEM). The resonance characteristics and the electromechanical coupling factor were the best when the volume fraction PZT was 0.6. It also showed the highest result from the standpoint of sensitivity, bandwidth and ring-down property and so on at the same condition. The specific characteristics show that the 2-2 type piezocomposites turned out to be superior to the ultrasonic sensor composed by single phase PZT.

Na와 K가 결핍된 Bi0.5(Na0.78K0.22)0.5-xTiO3 압전 세라믹의 변형 특성

최진호,석해진,안창원,조신욱,김일원 한국물리학회 2017 새물리 Vol.67 No.12

Na와 K가 결핍된 Bi$_{0.5}$(Na$_{0.78}$K$_{0.22}$)$_{0.5-x}$TiO$_3$ (BNKT, $x$ = 0 ~ 0.050) 세라믹을 고상 반응법으로 제조하였으며 $x$ = 0 $\sim$ 0.040에서 2차상 없는 정방정 (tetragonal) 상을 나타내었다. Na와 K 결핍이 증가할수록 BNKT 세라믹의 낱알 (grain) 크기가 커지면서 둥근 형태에서 막대 형태로 변화하였다. 실온에서 유전 상수 값은 1030 $\sim$ 1500 이었으며 상전이 온도 ($T_c$)는 280 $^\circ$C ~ 320 $^\circ$C 사이에 존재하였다. 순수한 BNKT 세라믹은 사각형 형태의 전형적인 $P-E$ 이력 곡선을 보여주었으나 Na와 K 결핍값 $x$가 증가할수록 조임 (pinch) 형태로 변화되었다. 그러나 조성 결핍 $x$가 0에서 0.015로 증가할수록 압전 특성이 향상되었으며, 특히 Na와 K의 양이 $x$ = 0.015 부족한 Bi$_{0.5}$(Na$_{0.78}$K$_{0.22}$)$_{0.485}$TiO$_3$ 세라믹에서 0.4%의 높은 변형과 함께 680 pm/V의 높은 압전 상수 $d_{33}^\ast$ ($S_{max}/E_{max}$) 값을 나타내었다. That the Bi$_{0.5}$(Na$_{0.78}$K$_{0.22}$)$_{0.5-x}$TiO$_3$ (BNKT) ceramics exhibit a tetragonal structure without any secondary phase was confirmed by X-ray diffraction (XRD) measurements. Scanning electron microscopy (SEM) images indicate that the shape of grains change from round to stick-like with increasing Na- and K-deficiency ratio. The dielectric constants of the BNKT ceramics are 1030~1500, and their Curie temperature ($T_c$) exists in the range 280 $^\circ$C ~ 320 $^\circ$C. The $P-E$ hysteresis loop of the BNKT ceramics changes from a normal ferroelectric to a pinched shape with increasing Na- and K-deficiency ratio. As a result, the BNKT ceramics shows a high strain ($S$ = 0.4%) state corresponding to a large normalized strain ($d_{33}^\ast$ = $S_{max}/E_{max}$ = 680 pm/V) at $x$ = 0.015. The observed large $d_{33}^\ast$ value suggests that Na- and K-deficient BNKT ceramics can be considered as potential candidates for use in lead-free actuator applications.

압전 배열 트랜스듀서의 진동 요소간 kerf 충진 매질에 따른 특성변화의 실험적 고찰

김정순,김무준,하강렬,Kim, Jung-Soon,Kim, Moo-Joon,Ha, Kang-Lyeol 한국음향학회 2008 韓國音響學會誌 Vol.27 No.5

의료용 초음파 프로브나 압전복합재료 트랜스듀서 등에 있어서는 배열된 압전세라믹 요소간의 공간, 즉 kerf에 주로 폴리머계열의 물질을 충진하고 있다. 이 경우 압전 요소의 횡방향 진동모드의 경계조건이 바뀌어 실제 사용되는 종방향 진동모드의 공진 주파수에도 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 kerf충진 매질에 따른 공진주파수의 변화를 실험적으로 고찰하기 위하여 크기가 $14mm{\times}0.22mm{\times}0.44mm$인 PZT 압전요소의 선형배열에 의한 초음파 트랜스듀서를 제작하고, kerf충진 매질이 없는 경우와 특성이 다른 두 종류의 에폭시로 충진한 경우 각각에 대한 측정을 행하였다. 그 결과 kerf충진 매질에 따른 종방향 공진주파수의 천이 경향이 이론해석 결과와 유사함을 확인하였다. The kerfs between arrayed piezoelectric elements in a medical ultrasonic transducer or a piezoelectric composite transducer are generally filled by polymeric materials. The boundary condition of the elements for lateral mode vibration is changed according to the kerf-filling materials, so that the resonance frequency for longitudinal mode of the transducer is also varied. In this study, to investigate the resonance frequency variation for an arrayed transducer experimentally, the piezoelectric vibration elements of $14mm{\times}0.22mm{\times}0.44mm$ were fabricated and those were linearly arrayed. And, the resonance frequencies were measured for three cases of kerf-filling condition, non-filling and two different kinds of epoxy filling. Conclusively, it is confirmed that the resonant frequency variation shows the similar tendency with the theoretical one for the longitudinal mode.

균열이 있는 기능경사 압전 세라믹의 충격 특성에 관한 연구

신정우 ( Sin Jeong U ),김태욱 ( Kim Tae Ug ),김성찬 ( Kim Seong Chan ) 한국복합재료학회 2003 Composites research Vol.16 No.5

선형 압전 이론(theory of linear piezoelectricity)을 이용하여 면외전단 충격(anti-plane shear impact)을 받는 기능경사 압전 세라믹(functionally graded piezoelectric ceramic)의 중앙에 존재하는 균열(central crack)의 동적 응답에 대해 연구한다. 기능경사 압전재료의 물성치(material property)는 두께방향을 따라 연속적으로 변한다고 가정한다. 라플라스 변환(Laplace transform)과 푸리에 변환(Fourier transform)을 사용하여 두 쌍의 복합적분 방정식을 구성하며, 이를 제2종 Fredholm 적분 방정식(Fredholm integral equations of the second kind)으로 표현한다. 재료 물성치의 변화도(gradient of material properties)와 전기하중(electric loading)의 영향을 보기 위해 동응력세기계수(dynamic stress intensity factor)에 대한 수치 결과를 제시하였다. Using the theory of linear piezoelectricity, the dynamic response of a central crack in a functionally graded piezoelectric ceramic under anti-plane shear impact is analyzed. We assume that the properties of the functionally graded piezoelectric material vary continuously along the thickness. By using the Laplace and Fourier transform, the problem is reduced to two pairs of dual integral equations and then into Fredholm integral equations of the second kind. Numerical values on the dynamic stress intensity factors are presented to show the dependence of the gradient of material properties and electric loading.