후막 스피커 응용을 위한 Pb(Zr,Ti)O₃-PVDF 0-3형 복합체의 압전 특성 평가 = Evaluation of Piezoelectric Properties in Pb(Zr,Ti)O₃-PVDF 0-3 Type Composites for Thick Film Speaker Application

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 우수한 특성의 후막형 스피커 제작을 위한 세라믹-고분자 압전 복합체를 제조하고, 이를 이용한 후막 제작 공정을 최적화하여 압전 특성을 평가하였다. 압전체 세라믹으로는 압전 상수가 매우 높은 Pb(ZrxTi1-x)O3 계를 적용하였고, 고분자 물질은 압전 특성을 보이는 PVDF를 이용하였다. 세라믹과 고분자 압전체의 장점을 접목시키기 위하여 0-3 형 압전 복합체를 다양한 혼합 비율로 제작된 PZT-PVDF 페이스트를 ITO/PET 기판 위에 코팅하여 80 ㎛ 두께의 복합체 필름을 제작하였다
복합체의 상대 밀도는 65:35 혼합 분율에서 73.4 %로 가장 높게 나타났다. 상대 밀도가 높은 경우에서 복합체 내의 기공이 최소가 될 것으로 예상되며 혼합비가 70:30인 경우에는 세라믹 분말의 양이 많아 고르게 분산이 이루어지지 않은 결과로 많은 기공을 함유하고 있는 것으로 확인되었다.
XRD 회절 분석 결과 분말시료와 복합체의 회절 도형은 거의 유사함을 볼 수 있다. 회절선을 이용하여 상 동정을 수행한 결과 2차상이 없는 완전한 페로브스카이트 구조의 PZT 회절선임을 확인할 수 있었다.
PZT-PVDF 복합체 필름들의 전기적 특성 평가 결과 상대 유전 상수 및 압전 전하 계수는 PZT 함량이 증가함에 따라서 계속 증가함을 확인하였다. 즉, 70:30 복합체에서 상대 유전 상수 및 압전 전하 계수는 최대값을 보이는데, 그 최대값은 각각 88.26 및 24 pC/N 이다.
압전 전압 상수인 g33 값은 g33=d33/(k0·k) 의 관계를 이용하여 계산한 결과 압전 전하 상수와는 달리 압전 전압 상수는 65 wt%의 PZT 혼합 분율에서 최대값을 보이고, 그 값은 32 mV·m/N이었다. 또한, 70 wt%의 PZT 혼합 분율에서 감소하는 것은 상대 유전율의 증가에 따른 효과임을 알 수 있다.
65:35 혼합 분율로 제조된 복합체 필름을 이용하여 후막형 필름 스피커를 제작하고 주파수에 따른 음압(SPL) 특성 실험한 결과 전압이 증가함에 따라서 증가하다가 70 Vrms 이상에서는 거의 변화가 없음을 확인되었으며 1 kHz에서의 음압은 약 68 dB 정도를 나타내고 있는데, 이는 상용 전동 스피커(electro-dynamic speaker)의 특성과 유사함을 알 수 있었다.
상기와 같은 결과로부터 65:35 혼합 분율의 압전 세라믹-고분자 복합체 필름은 후막형 압전 스피커로의 응용 가능성이 충분한 것으로 판단되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We reported on characteristics of the piezoelectric ceramic-polymer composite for the application of the thick-film speaker. The PVDF-PZT composites were fabricated to incorporate the advantages of both ceramic and polymer with various mixing ratios by 3-roll mill mixer. The composite solutions were coated by the conventional screen-printing method on ITO electrode coated PET(polyethylene terephthalate) polymer film. After depositing the top-electrode of silver-paste, 4 ㎸/㎜ of DC field was applied at 120 ℃ for 30 min to poling the composite films. The value of d33(piezoelectric charge constant) was increased when the PZT weight percent was increased. The maximum value of the d33 was 24 pC/N at 70 wt% PZT. But the g33(piezoelectric voltage constant) showed the maximum value of 32 mV?m/N at 65 wt% of PZT powder. The SPL (sound pressure level) of the speaker fabricated with the 65:35 composite film was about 68 dB at 1 kHz.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 = 1
• 2. 이론적 배경 = 3
• 2-1. 스피커의 개요 및 산업동향 = 3
• 2-2. 스피커의 종류 및 특징 = 6
• 2-2-1. 자기구동 방식의 스피커 = 6
• 2-2-2. 압전형 스피커 = 10
• 2-2-3. 필름 스피커 = 11
• 2-2-4. 압전 필름 스피커 = 12
• 2-2-5. 모바일 기기용 스피커 = 18
• 3. 실험방법 = 19
• 3-1. PZT 분말 합성 및 성형 = 19
• 3-2. PZT 분말과 PVDF의 복합체 제조 = 24
• 3-3. 후막 필름을 제조 = 24
• 3-4. 상 및 미세구조 분석 = 24
• 3-5. 전극 소부 및 분극 처리 = 25
• 3-6. 전기적 압전 특성 평가 = 26
• 4. 실험결과 = 27
• 4-1. PZT 분말 합성 및 성형 결과 = 27
• 4-2. PZT-PVDF 복합체 필름 제조 = 35
• 4-3. PZT-PVDF 복합체의 X선 회절 분석 결과 = 39
• 4-4. PZT-PVDF 복합체 필름의 전기적 특성 평가 결과 = 39
• 4-5. 압전 전압 상수(g33) 측정 결과 = 40
• 4-5. 후막형 필름 스피커 제작 결과 = 44
• 5. 결론 = 48
• References = 50
• Abstract = 53