특집: 복합체소음진동
1. 머리말
어떠한 형태의 에너지를 서로 다른 형태의 에 너지로 변환하는 장치를 트랜스듀서라고 한다.
이 중 초음파 트랜스듀서는 초음파 에너지를 전 기적 신호로 또는 전기적 신호를 초음파 에너지 의 형태로 변환시켜 주는 장치이다. 이 장치는 작 동 원리에 따라 압전 트랜스듀서, 자왜 트랜스듀 서, 정전 트랜스듀서 등 6가지로 분류될 수 있다.
이 중 압전 물질을 이용하는 압전 트랜스듀서는 기계적-전기적 에너지 변환 효율이 우수하고 넓 은 대역의 주파수에서 사용이 가능한 장점이 있 다. 그러므로, 이는 비파괴 평가나 구조 건전성 모니터링(structural health monitoring), 에너지 하 베스팅, 수중 음향, 의학적 치료 등 다양한 분야 에 응용되고 있다.
2. 압전 복합체 초음파 트랜스듀서
2.1 압전 복합체의 사용과 연결성
이러한 다양한 응용성에 맞추어, 여러 종류의 압전 물질이 개발되고 있다. 그러나 단일상의 압 전 물질로는 특정 응용 분야에 필요한 압전 물질 의 특성을 도출해내는 데 한계가 있다. 따라서 일 반적으로 압전 트랜스듀서는 능동소자인 압전 재료와 수동소자인 폴리머로 구성된 압전 복합
체로서 많이 사용된다. 이러한 압전 복합체는 능 동소자와 수동소자 각각의 연결성에 따라 분류 될 수 있다. 연결성은 압전 복합체에서 능동 물질 과 수동 물질 각각의 상의 배열을 정의한 것으로 서, 능동물질과 수동물질이 순서대로 각각 공간 상에서 연속적(self-connected)으로 분포하는 차원 수로 표현된다. 예를 들어, 3차원 폴리머 상에 PZT 혹은, PbTiO3와 같은 압전 입자가 분산되어 있는 경우, 이러한 연결성을 지닌 물질을 0-3 압 전 복합체라고 한다. 압전 복합체는 그 연결성에 따라 0-3, 1-3, 2-2, 3-3 등의 형태가 있다(그림 1).
2.2 압전 복합체의 연결성에 따른 사용 특성 0-3 복합체는 압전 복합체는 다른 연결성을 갖 는 복합체에 비하여 응력 집중이 떨어져 성능이 다소 저하되는 단점이 있다.
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압전 복합체 초음파 트랜스듀서
정지훈, 정진영, 오일권*
(한국과학기술원 기계공학과)
특집특집
복합체소음진동
그림 1 연결성에 따른 압전 복합체의 형태(Lee, H. J. et
al., 2014)
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그러나 제작이 간편하고 대량생산이 용이하며 유연성이 좋다. 그리고 얇은 막 형태를 포함한 원하는 형상으로의 제작이 가능하다. 이러한 장 점 때문에 압전 필름 스피커, 에너지 하베스팅 기구, 웨어러블 디바이스 등 다양한 곳에 응용되 고 있다.
1-3 압전 복합체는 압전 물질 주위에 있는 폴리 머가 압전 물질의 두께 방향 변위에 따른 측면 방 향으로의 변형을 흡수하여, 단일 상의 압전 물질 에 비해 두께 방향 변형 효율을 증가시키는 구조 를 지니고 있다. 이 때문에 사용 주파수의 대역폭
이 넓고, 음향 특성 임피던스가 낮아 물과의 음향 매칭에 유리하다. 또한, 곡면 현상의 구조가 가능 하다는 장점도 있다. 따라서, 수중 통신용 음향
그림 2 (a) 압전 필름 센서, (b) 압전 스피커, (c) 유연 압전 필름(Dagdeviren, C. et al., 2014)
그림 3 (a) 곡선형 1-3 압전 복합체(Neptune sonar Ltd), (b)~(d) 소 나 시 스 템 에 의 응 용 (Navaltoday, 2013)
(a)
(a)
(b)
(c)
(d) (b)
(c)
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트랜스듀서나 수중음파탐지장비(sonar) 등에 많 이 쓰인다.
2-2 압전 복합체는 2차원적으로 압전물질과 폴
리머가 교차하는 형상을 띈다. 1-3 압전 복합체와 비교할 때 압전 성능은 큰 차이가 없으나, 제작이 간편한 장점이 있다. 그리고 각각의 능동소자의 전기 결선을 따로 하여 측면 방향에 대한 분해능 을 확보할 수 있기 때문에, 의료용 초음파 장비나 음파를 이용한 영상화 장치에 많이 사용한다.
3-3 압전 복합체는 다공성 압전 물질에 폴리머 를 충진하여 제작된다. 1-3 압전 복합체에 비해
그림 4 (a),(b) 수중 음향 카메라(DIDSON), (c),(d) 의료 용 초음파 탐촉자(Niho Dempa Kogyo Co., Ltd)
그림 5 (a),(b) 다공성 압전 물질(Ramesh, R., et al., 2005), (c),(d) 3-3 압전 복합체 하이드로폰 (Kara, H. et al., 2004)
(a) (a)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
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상대적으로 제작이 간단하여(Marselli, S. et al., 1999; Kara, H. et al., 2002) 제작비용이 적게 들며, 하이드로폰의 성능 지표인 HFOM(Hydrostatic Figure of Merit) 성능이 우수한 특성(Arai, T. et al., 1991; Hundai, K. et al., 2003)을 지닌다. 또한 낮은 밀도에 비해 강성이 크고, 동시에 기계적인 유연 성도 지니는 장점이 있다. 그러나 제작 가능한 압 전 복합체의 크기에 한계가 있고, 물성을 사용자 의 의도대로 조절하는 것이 쉽지 않아, 아직 상용 화에 어려움이 있다(Andrey, N. et al., 2010).
2.3 압전 복합체의 설계 변수
압전 복합체는 능동소자와 압전 소자의 특성과 혼합방식에 따라 사용자가 원하는 물성을 제작 할 수 있다. 이 때 고려해야 될 설계 요소는 표 1 과 같다.
압전 복합체의 커패시터는 복합체의 유전율에 따라 결정되며, 병렬 커패시터 모델에서 복합체 ( )의 유전율( )은 폴리머( )와 압전 물 질( ) 각 성분의 부피비율( )로 표현될 수 있다.
�
따라서, 커패시터를 최대화하고자 하는 관점에 서는 그림 6(a)와 같이 압전 복합체에서 능동소 자의 부피비가 클수록 유리하다.
음향 임피던스( ) 관점에서 살펴보면, 압전 복 합체의 음향 임피던스는 압전 물질과 폴리머의 혼합비에 따라 그 사이값을 갖게 된다. 압전 소자 와 폴리머의 밀도( )와 음속( )의 범위가 일반 적으로 다음과 같은 범위의 물성을 지니기 때문 에, 압전 복합체의 음향 임피던스 또한 특정 범위 내의 값을 갖는다.
물을 기준으로 매질의 음향 임피던스가 이므로, 음향 임피던스 정합을 위해서는 폴리머의 부피분율이 높을수록 유리하다.
한편, 전기-기계 결합계수( )는 전기적 에너지 와 기계적 에너지 사이의 변환 효율을 의미하는 값으로서, 이 값이 높을수록 에너지 변환에서 발 생하는 에너지 손실이 적음을 의미한다. 이 계수
l k
t6 MRayl
1 5 .
ρ
polyρ
piezopoly piezo
poly comp piezo
c c
Z Z Z
1 2 6 8
1000 3000 4000 5000
1 6 25 35
3 3
~ ~
~ ~
~ ~ g/cm g/cm
m/sec m/sec
MRayl MRayl
( ) < ( )
( ) < ( )
( )
< <
( )c ρ
Z
piezoelectric composite
≈
polymer
1 10 F m
( ~ / )
piezoelectric
( 100 ~ 1000 F m / )
poly piezov
+ − ( 1 )
comp
v =
v piezo
poly comp
그림 6 (a) 압전 복합체에서 압전 물질(PZT)의 부피분율에 따른 유전율의 변화(Shin, H. Y., 2011), (b) 압전 복합체에서 압전 물질(PZT)의 부피분율에 따른 전 기-기계 결합계수의 변화(Shin, H. Y. et al., 2011)
표 1 압전 복합체의 설계 파라미터 (Materials Systems Inc.)
설계 파라미터 목표 성능
커패시턴스 최대화
전기적 임피던스 매칭 시스템과의 정합 음향 임피던스 매칭 시스템과의 정합
전기-기계 결합계수 최대화
전기적 손실 정접 최소화
기계적 손실 최소화
(a)
(b)
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는 압전 복합체의 연결성에 영향을 받으며, 폴리 머와 압전 물질의 부피비 뿐만 아니라 폴리머 자 체의 물성과도 밀접한 영향을 받는다. 1-3 압전 복합체의 경우, 폴리머의 강성이 낮을수록 전기- 기계 결합계수가 우수하게 나타난다. 또한 전체 복합체에서 압전 세라믹이 차지하는 부피분율 이 60 % ~ 70 % 일 때, 그림 6(b)와 같이 전기-기계 결합계수가 가장 우수하게 나타난다.
이를 종합하여 판단하면, 1-3 압전 복합체의 경 우에서 일반적으로 수신용 트랜스듀서의 경우 압전 물질의 부피비가 15 % ~ 25 %, 송신용 트랜 스듀서의 경우 50 % 이상, 송수신용 트랜스듀서 의 경우 30 % ~ 50 % 범위에서 사용하는 것이 적
절하다(그림 7).
2.4 설계 이슈 및 연구 동향
1-3 또는 2-2 압전 복합체의 경우 각 소자의 전 극을 독립적으로 연결하여 다채널 트랜스듀서 로도 많이 이용되고 있다. 이러한 다채널 트랜스 듀서에서 능동소자의 집적도는 트랜스듀서의 분해능을 결정하는 주요한 요소이다. 그러나 집 적도를 높일 경우 소자간 상호간섭(crosstalk)이 심해져 신호 특성에 악영향을 미친다. 따라서, 압전 복합체를 이용한 다채널 트랜스듀서의 설 계의 주요 이슈는 압전 물질의 집적도를 높이면 서 각 소자간 상호간섭도를 줄이는 것이다. 이와
그림 8 1-3 압전 복합체에서 압전 물질 기둥의 형상에 따른 소자간 상호 간섭도 변화 (a) 정사각기둥, (b) 45�삼각 기둥, (c) 임의 기둥 형상, (d) 가장 인접한 소자(Nearest)와 두 번째 인접한 소자(Next Nearest)의 상호간섭도(Yang, H. C., 2012)
그림 7 1-3 복합체에서 용도에 따른 압전 물질과 폴리머의 부피분율 변화 (a) 수신용, (b) 송신용 (c) 송/수신용(Materials Systems Inc.)
(a) (b) (c)
(a) (b) (c) (d)
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관련하여 국내외에서 수 많은 연구가 진행되고 있다.
Yang, H.-C. 등은 1-3 압전 복합체에서 상호간섭 도를 개선하기 위하여 임의 형상을 지닌 압전 소 자 기둥(pillar)의 사용에 대하여 제안하였다(그림 8). 사각형상과 이등변 삼각형 형상, 그리고 임의 의 형상을 지닌 압전 소자를 통해, 압전 소자의 형상이 복잡하고 불규칙성이 증가할수록 상호 간섭도가 감소함을 보였다.
Liu, R. 등은 IPB(interdigital pair bonding)이라는 새로운 소자간 접착 방법을 이용하여 1-3 압전체 의 제작을 제안하였다(그림 9). 또한 Cannata, J.
M. 등도 역시 같은 방법을 통해 기존의 dice and fill 방법으로는 불가능했던 6 μm수준의 정밀도 를 가진 초음파 트랜스듀서를 개발하였다 (Jonathan, M. C., 2006).
Lee, W. S. 등은 주 커프(major kerf) 외에 부 (minor) 커프를 만들고, 이에 서로 다른 물성을 충 진하는 방법을 제안하였다(그림 10). 이를 통해 상호간섭도를 압전 복합체에서 개선하고자 하
그림 10 새로운 커프(kerf) 채움 형상과(a~c), 그 형상에 따른 트랜스듀서 성능 비교 (d) 상호간섭도 (e) 수신감도 (f) 3 dB 수광각(Lee, W. S. et al., 2010)
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
그림 9 IPB 방법을 통한 1-3 압전 복합체의 제작 과정 (Liu, R., 2001)
그림 11 (a) 압전 물질 기둥의 옆면을 가공한 압전 복합체 형상, (b) 압전 물질의 SEM(scanning electron microscope) 이미지(Jian, X., et al., 2014,)
(a) (b)
(a)
(b)
(c) (d)
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였다.
Xiaoning 등은 1-3 복합체에서 압전소자 기둥을 경사지게 가공하고, 경사의 기울기에 따른 압전 복합체의 성능 변화를 확인하였다(그림 11). 그 리고 특정 기울기에서 압전 복합체의 성능이 가 장 우수해짐을 보고 하였다.
3. 맺음말
압전 재료는 전기적-기계적 에너지의 변환 효 율이 높고, 사용가능한 주파수도 넓으며, 견고하 다. 위와 같은 우수성 때문에, 압전재료는 비파괴 평가나 구조 건전성 모니터링, 에너지 하베스팅, 수중 음향, 의학적 치료 등 다양한 분야에 응용되 고 있다. 이러한 압전 재료는 사용자의 설계 의도 에 맞추어 폴리머와 적절히 혼합되어 복합체의 형태로 많이 쓰인다. 압전 재료를 복합체의 형태 로 사용하게 되면, 단일상의 압전 물질에 비해 임 피던스 정합에 유리하고, 트랜스듀서에 유연성 을 부여할 수 있다. 또한 전기-기계 결합계수를 높이고, 각각의 능동소자를 독립적으로 연결하 여 다채널로 사용할 수 있는 장점이 있다. 이러한 트랜스듀서는 그 연결성에 따라 0-3, 1-3, 2-2, 3-3 압전 복합체 등으로 분류되며, 각각의 연결성이 지닌 장단점에 따라 목적에 맞게 제작되어 사용 된다.
목적에 맞는 압전 복합체를 설계하기 위해서는 커패시턴스나 음향 특성 임피던스, 그리고 트랜 스듀서의 전기적-기계적 에너지의 변환 효율 등 을 고려하여야 한다. 또한 다채널로 사용할 경우
에는 공간 분해능을 높이기 위해서 집적도를 증 가시키고, 동시에 소자간 상호간섭을 줄일 수 있 는 방법에 대하여 고민하여야 한다.
최근 인체에 무해한 초음파의 이용에 대한 관 심이 높아짐에 따라, 다양한 형태의 초음파 트랜 스듀서도 많이 개발되고 있다. 특히 초음파의 이 용이 가장 활발한 초음파 영상 의료 분야에서 이 를 더 발전시키려는 연구가 활발하다. 압전 복합 체 형태의 트랜스듀서에 대한 연구는 오래전부 터 진행되어 왔지만, 향후에도 소자 및 가공 기술 의 발달에 더불어 보다 우수한 성능의 압전 복합 체가 개발될 수 있을 것이라고 전망한다.
참고문헌
(1) Akdogan, E. K. et al., 2005, Piezoelectric Composites for Sensor and Actuator Applications, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr.
Freq. Control 2005, 52, pp. 746~775.
(2) Newnham, R.E. et al., 1980, Composite Piezoelectric Transducers, Mater. Eng., pp.
93~106.
(3) Newnham, R.E. et al., 1978, Connectivity and Piezoelectric-pyroelectric Composites, Mater.
Res. Bull. pp. 525~536.
(4) Pilgrim, S. et al., Rohlfing, L., 1987, An Extension of the Composite Nomenclature Scheme, Mater. Res. Bull, pp. 677~684.
(5) 압전소재-소재기술백서(에너지,환경소재), 2010, 재료연구소.
