고효율 압전 단결정의 개발 및 응용

압전 세라믹과 초음파 응용

특 집

CERAMIST

Ⅰ. 서론

1. 고효율 압전 단결정의 개발

압전 효과 (Piezoelectric Effect)는 기계적 에너지와 전 기적 에너지의 상호 변환 과정이며, 정효과 (Direct Piezoelectric Effect)와 역효과 (Converse Piezoelectric Effect)로 분류된다. 압전 정효과는 외부의 기계적 힘을 전기적 신호나 전기적 에너지로 변환하는 현상이며, 압 력 센서, 가속도계, 가스 점화기와 압전 에너지 수확기 (Piezoelectric Energy Harvesting) 등에 활용된다. 그리 고 압전 역효과는 외부 전기장에 의해 재료의 기계적 변 형 및 힘이 발생하는 현상이며, 압전 액추에이터, 초음파 모터, 레조네이터, 초음파 트랜스듀서와 스피커 등에 활 용된다. 이러한 압전 효과는 의료, 이동 통신, 자동차, 로 봇, 우주 항공 및 정밀 기계 분야에 활용되고 있으며, 또 한 그 응용 범위는 첨단 기술의 발달과 함께 지속적으로 확대되고 있다. 압전 재료의 특성이 압전 응용 부품의 성 능을 결정하므로, 보다 우수한 압전 특성을 가지는 새로 운 압전 재료에 대한 개발 노력과 수요가 빠르게 증가하 고 있다.

압전 재료의 대표적인 특성은 크게 세 가지로 표현된 다. 첫째는 외부 응력에 의해 발생되는 분극의 비 (압전 정효과)나 외부 전기장에 의한 변형률의 비 (압전 역효 과)로 표현되는 압전 상수 (Piezoelectric Constants; d

[i=1,2,3; j=1,2,..,6])이고, 둘째는 에너지 변환 효율과 관 련된 전기기계결합계수 (Electromechanical Coupling

Factor; k

)이고, 셋째는 발생력 (Actuation Strength)과 관 련된 최대 변형률 (Strain Level)이다.

1940년대에 BaTiO

가 개발되어 압전 재료로서는 처

음 실용화되었으며, 1950년대에 PZT [Pb(Zr,Ti)O

]가 개 발된 후에는 현재까지 60년 동안 PZT 세라믹스가 압전 재료로서 가장 널리 사용되었다. 1980년대에 일본 동경 공대 Kuwata 교수 그룹과 1990년대 미국 펜실베이니아 주립대학 Tom Shrout 교수 그룹에서 개발된 PZN-PT [Pb(Zn

Nb

)O

-PbTiO

]와 PMN-PT [Pb(Mg

Nb

)O

-

PbTiO

] 단결정들은 압전 재료 시장에 큰 변화를 가져

왔다.

PZT가 개발된 후에 PZT의 특성에는 급격한 증가

는 없었지만, PZN-PT와 PMN-PT 단결정들은 PZT 다결 정체 세라믹스에 비하여 압전 상수 (d

>2,000 pC/N)와 전기기계결합계수 (k

>0.9)에서 급격한 증가를 보였다.

Table 1에서 PZT 다결정체 세라믹스와 PMN-PT 단결 정의 특성을 비교하였다. 예를 들어 d

과 k

을 비교하 면, PMN-PT 단결정이 PZT 세라믹스에 비하여 d

과 k

은 각각 8 배와 2 배 정도가 더 높았다. 그리고 Table 2 는 단결정의 결정방향에 따른 압전 상수와 전기기계결합 계수의 변화를 보여준다. 압전 다결정체 세라믹스와는 달리 단결정은 결정 방향에 따라서 압전 특성이 크게 변

고효율 압전 단결정의 개발 및 응용

글

_ 이호용 (주)세라콤

Table 1. PZT-5H 다결정체 세라믹스와 PMN-PT 단결정 특성 비교

특 집 이호용

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한다. 그리고 특정 결정면과 방향에서는 PZT 세라믹스 에서는 기대할 수 없었던 아주 큰 압전 상수를 얻을 수도 있었다. Table 1과 2에서 보인 것과 같이, 기존의 PZT 세라믹스에 비하여 월등히 우수한 압전 특성을 보이는 PMN-PT 및 PZN-PT 압전 단결정들은 “차세대 압전 재 료”로 불리게 되었다.

2. 고효율 압전 단결정의 응용 분야

PMN-PT 및 PZN-PT 압전 단결정은 미국의 ONR (Office of Naval Research)과 DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) 주도하에 주로 해군의 SONAR 용 트랜스듀서에 활용하기 위하여 개발되었다. 미국 NUWC와 PSU ARL 등에서는 기존의 PZT 세라믹스 트 랜스듀서보다 성능이 우수하고 크기도 1/2로 소형화된 압전 단결정 SONAR용 트랜스듀서를 이미 개발하여 시 스템 적용 및 실용화를 준비하고 있다. 민간 분야에서는 Philips와 Toshiba 등에서 압전 단결정들을 의료용 초음 파 진단기 및 치료기에 사용하기 위해서 개발하였으며, 현재 Philips, 휴먼스캔, GE, Siemens와 Hitachi 등에 의 해서 압전 단결정 초음파 진단기가 상용화되었다.

SONAR용 트랜스듀서와 의료용 초음파 진단기를 시작 으로, 압전 액추에이터, 압전 센서, 의료용 초음파 치료기 (HIFU), 초음파 모터와 압전 에너지 수확기 등의 다양한 분야에 응용이 시도되고 있다.

Fig. 1과 같이 (a) 제조된 판상형 단결정, (b) 가공된 웨 지 (Wedge)형 단결정, (c) 유연성을 가지는 단결정 에폭 시 복합체 (Flexible Single Crystal Fiber Composite [SFC]) 와 (d) 1-3형 압전 단결정 에폭시 복합체 등이 개발이 되 어, 초음파 트랜스듀서, 압전 액추에이터, 압전 센서와 압 전 에너지 하베스팅 분야 등에서 상용화가 진행 중이다.

Table 3은 압전 재료의 물성과 압전 응용 부품의 성능

과의 상관관계를 보여 준다. 기존의 PZT 세라믹스에 비 하여 높은 압전 상수 (d

>2,000 pC/N)를 가지는 압전 단결정은 같은 전기장 하에서 보다 큰 변형 (Strain)을 유 발하므로 압전 액추에이터용 소재로 적합하다. 그리고 압전 단결정의 높은 전기기계결합계수 (k

>0.9)는 트랜 스듀서의 대역폭 (Bandwidth)과 감도 (Sensitivity)를 크 게 증가시키므로, 압전 단결정은 트랜스듀서용 소재로 아주 적합하다. 그리고 Fig. 1과 같이, 압전 단결정과 에 폭시 등을 이용하여 압전 복합체를 만드는 경우에는 트 랜스듀서의 성능을 더욱 향상 시킬 수 있다.

Ⅱ. 압전 단결정 기술 개발 동향 및 전망

1. 국내 연구개발 동향

미국과 일본에서 시작된 압전 단결정 제조 및 응용 기 술 개발은 국내에서도 1990년대 후반부터 학계와 산업 Table 2. 결정 방향에 따른 PMN-PT 단결정 특성

Fig. 1.

-에폭시 복합체 .

Table 3. 압전 재료 물성과 부품 성능과의 상관 관계

체에서 시작되었다. 압전 단결정 제조 기술은 연구 개발 초기에는 서울대학교와 KAIST 등의 학계에서 시작되었 지만, 현재 (주) 세라콤과 (주) 아이블포토닉스 등의 회사 에서 주도적으로 개발되었다. 아이블포토닉스는 미국과 일본에서 개발된 브리지만법 (Bridgeman Method)으로

PMN-PT 단결정을 제조하고 있다. 세라콤은 용융공정을

포함하지 않는 소결 공정으로 단결정을 제조하는 고상 단결정 성장법 (Solid-State Single Crystal Growth (SSCG) Method)을 자체적으로 개발하였다. 압전 단결정을 이용 한 의료용 초음파 진단기 (휴먼스캔, 삼성메디슨, 알피니 언 등), 압전 에너지 하베스팅 (KIST, ETRI, KETI, KERI, 코아칩스 등), 압전 액추에이터 (건국대, KIMM 등), 초 음파 모터 및 압전 센서 등의 응용 연구도 활발히 진행되 고 있다.

2. 해외 연구개발 동향

미국 펜실베이니아 주립대학 Tom Shrout 교수 연구팀 에서 Flux법으로 PZN-PT 단결정 제조에 성공한 후에, 연구 개발 초기에는 Flux법을 이용한 다양한 압전 단결 정 개발이 시도되었다. 그러나 Flux법으로는 압전 단결 정의 대량 생산에는 한계가 있었다는 것이 곧 밝혀졌다.

미국 스탠포드 대학의 Feigelson 교수는 ONR 지원을 받 아 Flux법 대신에 Bridgman법을 사용하여 PMN-PT 단 결정 성장에 성공하였다. 그 후에 미국의 Pennsylvania State Univ., TRS Technologies Inc., HC Materials, Morgan Electroceramics, 그리고 중국의 SICCAS 등에서 브리지 만 법을 이용한 PMN-PT 단결정 제조에 성공하였다. 현 재는 대부분의 압전 단결정 제조 회사에서는 브리지만 법을 이용하여 3 인치 이상 크기의 PMN-PT 단결정을 생산하고 있다.

현재 진행되고 있는 압전 단결정 관련 중요한 연구 분 야들은 크게 세 가지로 분류할 수 있고 다음과 같다.

(1) 압전 단결정 제조 기술 개발

현재 PMN-PT 단결정 제조 회사들은 주로 브리지만법 을 이용하고 있다. 그러나 브리지만법을 이용한 PMN- PT 압전 단결정 제조는 용융 공정 중 휘발성이 강한 PbO의 제어, 비싼 플라티늄 도가니 및 도가니 가공비,

제조된 단결정내의 조성 구배로 인한 단결정 특성 변화 와 높은 생산 단가 등의 문제점들이 있다. 이러한 문제점 들을 해결하기 위하여, 브리지만법을 개선하거나 또는 대신할 수 있는 새로운 단결정 성장법을 개발하려는 시 도들이 활발히 진행되고 있다. 제조된 단결정내의 조성 구배 (또는 Phase Segregation at the Solution Edge of the Melt)를 최소화하기 위하여 브리지만법을 개선한 Zone- Leveling Bridgman법과 TSSG (Top-Seeded Solution Growth)법 등의 개발이 시도 되었다. 그리고 단결정내의 조성 구배 문제를 근본적으로 제거하기 위하여 용융 공 정을 포함하지 않는 고상 단결정 성장법 (SSCG법)의 개 발이 미국 Pennsylvania 주립대학의 G. A. Messing 교 수, Lehigh 대학의 M. P. Harmer 교수와 MSI 등에 의해 서 시도되었다. 현재는 압전 단결정 상용화에 가장 큰 걸 림돌이 되는 높은 단결정 제조 가격을 낮추기 위해서, 단 결정의 생산 원가를 낮출 수 있는 압전 단결정 대량 생산 기술 개발을 위한 노력이 계속되고 있다.

(2) 고온 압전 단결정 조성 (High T

/T

Composition) 개발 Fig. 2는 폴링된 (001) PMN-30PT 단결정의 온도에 따른 유전율 변화를 보여 준다. PMN-PT 단결정은 Rhombohedral 상인 경우에만 Table 1과 2에서 보이는 우 수한 압전 특성을 보이고, 다른 상으로 상전이가 일어나 면 압전 상수의 급격한 감소가 일어난다. Fig. 2와 같이, 상온에서 Rhombohedral상인 PMN-PT 단결정은 온도가 90 도에 이르면 Tetragonal상으로 바뀌게 된다. 이러한 상

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Fig. 2.

(001) PMN-30PT 단결정의 온도에 따른 유전율 변화 .

전이 온도를 T

(Phase Transition Temperature between Rhombohedral and Tetragonal Phases)로 부르고, 이 T

온도 이상에서는 실제적인 폴링 제거 (Depoling) 현상이 일어나기 때문에 단결정 사용 온도의 한계가 된다. PMN- PT와 PZN-PT 단결정들은 기존의 PZT 세라믹스에 비하 여 이러한 상전이 온도들 (T

와 T

[Curie Temperature]) 이 낮아, 실제 사용 가능한 온도가 낮다. 압전 단결정의 상전이 온도들 (T

와 T

)을 높여서 압전 단결정들의 사 용 온도 범위를 확장하기 위하여, 상전이 온도가 높은 새 로운 조성의 고온 압전 단결정들의 개발이 시도되었다.

최근까지 고온 압전 단결정들용 많은 새로운 조성들이 제안되었고, 실제로 상전이 온도들 (T

와 T

)가 높은 단 결정의 제조가 성공하였고 단결정들의 물성도 보고되었 다. 그러나 대부분의 결과들이 실험실 수준의 아주 작은 단결정 제조에 그쳤고, 실제로 단결정 성장 문제로 인하 여 실용화 가능성은 아주 낮은 것으로 평가되었다. 개발 된 고온 압전 단결정들 중에서 실용화 가능성이 있다고 평가되는 조성들은 크게 두 가지로 PIN-PMN-PT [Pb(In

Nb

)O

-Pb(Mg

Nb

)O

-PbTiO

]와 PMN-PZ- PT [Pb(Mg

Nb

)O

-PbZrO

-PbTiO

]이다. PIN-PMN- PT 단결정은 Toshiba에서 처음 개발에 성공하였고, 그 후 에 HC Materials, TRS와 아이블포토닉스 등에서 3 인치 크기의 단결정 제조에 성공하였다. PIN-PMN-PT 단결 정은 브리지만법으로 제조되었는데, 브리지만 PMN-PT 단결정과 같이 제조된 단결정내의 조성 구배 (또는 Phase Segregation at the Solution Edge of the Melt)가 여 전히 문제가 되고 있다. PMN-PZ-PT (또는 PMN-PZT) 단결정은 내부에 포함된 PZ (PbZrO

)가 Incongruent melt- ing을 하기 때문에 일반적인 용융 공정을 포함하는 단결 정 성장법 (즉, Flux 또는 Bridgman법)으로는 제조할 수 없다고 알려져 있다. 국내의 세라콤에서 용융 공정을 포 함하지 않는 고상 단결정 성장법으로 PMN-PZT 제조에 성공하여 상용화하였다.

높은 상전이 온도를 가지는 새로운 조성의 고온용 압 전 PMN-PZT와 PIN-PMN-PT 단결정의 개발로 압전 단 결정의 응용 범위가 더욱 확대되고 또한 압전 단결정의 시장 규모도 크게 증가하였다.

(3) Dopant Engineering: Piezoelectrically Soft and Hard Single Crystals

PZT 세라믹스 연구 개발에서 알려진 것과 같이, PZT 에 Donor나 Acceptor를 첨가하면 압전 특성이 크게 향 상되고 또한 특성을 다양하게 (즉, Soft 또는 Hard하게) 변화시킬 수 있다. 따라서 현재는 상용화된 PZT 세라믹 스에는 Donor 또는 Acceptor가 반드시 첨가되어져 있다 고 할 수 있다. 이렇게 Donor나 Acceptor를 첨가하여 압 전 재료의 압전 특성을 향상시키거나 특성을 다양하게 변화시키는 기술을 “Dopant Engineering”이라고 부른다.

일반적으로 Donor나 Acceptor가 첨가된 PZT 세라믹 스 제조 공정은 첨가하지 않은 PZT 세라믹스 제조 공정 과 크게 다르지 않다. 주로 1% 이내의 Donor나 Acceptor 를 첨가하더라도 분말 제조 시에 분산이 어렵지 않고 세 라믹 제조 공정 중에도 Segregation이 심하지 않기 때문 이다. 그러나 단결정 제조 시에는 1% 이내의 Donor나 Acceptor를 첨가하더라도 단결정 성장 조건에 크게 영향 을 줄 뿐 만 아니라 미량 첨가물의 Segregation도 심하게 일어나기 때문이다. 이러한 이유로 인하여 PZT 세라믹 스와는 달리 압전 단결정에서 Dopant Engineering을 적 용하기 어려워 그에 관한 시도나 연구 결과들도 아주 적 었다.

압전 단결정을 의료용 초음파 진단기에 적용하는 경우 에 임피던스 매칭 (Electrical Impedance Matching)이 중 요하다. 임피던스 매칭을 위해서는 Table 3에서 보는 것 과 같이 압전 단결정의 유전 상수를 더 높일 필요가 있 다. 압전 단결정의 유전 상수도 PZT 세라믹스에서와 같 이 Donor를 첨가하면 증가시킬 수 있다. 따라서 의료용 초음파 진단기 등의 분야에 압전 단결정을 최적화하기 위해서는 Donor가 첨가되어 유전 상수가 최대화된 압전 단결정의 개발이 필요하다.

일반적으로 첨가제가 첨가되지 않은 PMN-PT등의 압 전 단결정의 유전 손실은 0.5% 이내이고 기계적 품질계 수(Q

)는 100 이하로 작아서, 압전적으로 Soft한 특성을 보인다. 공진 모드를 활용하지 않는 압전 응용에서는 문 제가 없지만, 공진 모드를 활용하거나 고출력 (High Power)이 필요한 초음파 모터 등의 응용에서는 낮은 Q

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을 가지는 Soft한 압전 단결정의 적용이 어렵다. Table 3 에서 보는 것과 같이, Underwater Sound Projector나 초 음파 모터 등의 고출력 (High Acoustic Power) 응용을 위해서는 압전 단결정의 Q

을 증가 (또는 압전적으로 hard한)시켜야 한다. 이러한 이유들로 인하여 압전 단결 정에서 Dopant Engineering 연구의 필요성이 다시 제기 되었다.

최근에 PMN-PZT 단결정에 Mn등의 Acceptor를 첨가 한 경우에는 압전 단결정의 항전계 (Coercive Electric Field (E

))가 증가하고 Internal Bias (E

)도 발생한다는 것이 보고되었다.(Fig. 3)

그리고 압전 재료 내부에 Internal Bias (E

)가 발생하면서 Q

이 100에서 1,000까지 10 배 정도 증가하였다. 일반적인 PZT 세라믹스에서는 Q

이 증가하면 압전 상수와 전기기계결합계수가 반대로 감소하는 것이 일반적인 경향이다. 그러나 압전 단결정 의 경우에는 Q

이 1,000까지 크게 증가하였지만, 압전 상수 (d

)는 1,000 pC/N이었고 전기기계결합계수 (k

)는 0.9를 유지하였다. 이렇게 압전 상수와 전기기계결합계 수가 높으면서 동시에 높은 Q

을 가지는 압전 단결정은 고출력 (High Acoustic Power) 응용에서는 최적의 재료 가 된다.

Table 4는 압전 세라믹스 (PZT4와 PZT8)와 압전 단 결정들의 FOM(Figure of Merits)을 비공진 모드와 공진 모드에서 비교하였다. 비공진 모드에서는 가장 큰 압전 상수 (d

)를 가지는 첨가제를 포함하지 않는 PMN-PT 단결정의 FOM이 가장 컸다. 그러나 Actuator와

Transformer 등의 공진 모드 응용에서는 Q

과 전기기계 결합계수 (k

)가 가장 큰 Acceptor가 첨가된 압전 단결 정의 FOM이 가장 컸다. PZT4나 PZT8과 비교하면, Acceptor가 첨가된 압전 단결정의 FOM이 5~8배 정도 더 높았다. 이러한 결과는 Acceptor가 첨가된 압전 단결정 은 Underwater Sound Projector나 초음파 모터 등의 고 출력 응용에도 매우 적합하다는 것을 보여 주었다.

PZT 세라믹스 개발 과정을 보면, Dopant Engineering 을 통하여 PZT 세라믹스의 성능을 개선하는 것이 얼마 나 중요한 지 알 수 있다. 아직까지 압전 단결정 개발에 서 Dopant Engineering 연구는 아직 초기 단계이나, 다 양한 Donor와 Acceptor를 첨가하여 압전 단결정의 특성 을 향상시키는 Dopant Engineering 연구는 향후 압전 단 결정 개발에서 중요한 부분을 차지할 것이다.

Ⅲ. 시장동향 및 전망

Fig. 4는 압전 재료의 국내, 일본 및 세계 시장 규모를 보여 준다. 2005년 기준으로 국내 시장은 약 7천억 원, 일본 시장은 약 1조 2천억 원, 그리고 세계 시장은 약 2 조8천억 원 정도로 추정된다.

그리고 시장 규모 증가 는 연 13% 이상으로 빠르게 성장하고 있다. 이러한 증가 율을 고려하면 2010년의 세계 시장 규모는 5 조원이 넘 을 것으로 추정된다.

압전 세라믹스 시장에서 PMN-PT 등과 같은 압전 단 결정 의 시장 규모에 대해서는 아직까지 구체적으로 잘 알려져 있지 않지만, 압전 세라믹스 시장의 1% 정도 일 것으로 추정된다. 현재까지 압전 단결정이 상용화된 부

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Table 4. 압전 세라믹 (PZT4 와 PZT8) 과 압전 단결정 성능 비교

Fig. 3. (001) PMN-PZT와 Mn-첨가된 PMN-PZT

:

Mn

Internal Bias(E

)

)

.

분은 의료용 초음파 진단기와 군수용 SONAR 트랜스듀 서들 등이고, 대부분은 아직 연구 개발 단계이다. 1990년 대 말에 개발된 PMN-PT등의 압전 단결정의 실용화가 지 연되는 이유는 크게 두 가지이다. 첫째는 단결정 제조 기 술에 관한 것으로 단결정 대량 생산 기술 부족으로 인하 여 단결정 제조 단가가 매우 높고 대량 생산이 어렵다는 것이다. 둘째는 낮은 상전이 온도 (T

/T

)와 낮은 항전 계 (E

) 등으로 인한 단결정 사용 범위가 제한된다는 것 이다. 그러나 압전 단결정 생산 기술의 발전 (개선된 브 리지만법과 고상 단결정 성장법 등)과 새로운 고온용 압 전 단결정들 (PMN-PZT와 PIN-PMN-PT 등)의 개발 등 으로, 압전 단결정 실용화의 문제점들이 상당히 극복되 었다. 이러한 기술적인 문제점들이 해결됨으로써 기존의 PZT 세라믹스보다 특성이 우수한 압전 단결정의 상용화 도 빠르게 진행되고 있으며 그에 따른 시장 규모도 급격 히 증가하고 있다.

Table 5는 대표적인 국내외 압전 단결정 제조 회사들 을 보여준다. 미국에는 HC Materials (www.hcmat.com), TRS Technologies Inc. (www.trstechnologies.com)와 Morgan Electroceramics (www.morganelectroceram- ics.com), 중국에는 SICCAS (www.sic.cas.cn), 일본에는 JFE Mineral Co., Ltd. (www.jfe-mineral.co.jp), 싱가포르 에는 Microfine (www.microfine-piezo.com), 그리고 한국

에는 (주) 아이블포토닉스 (www.ibule.com)와 (주) 세라 콤 (www.ceracomp.com) 등이 있다. Table 5에서 보는 것 과 같이, HC Materials, TRS Technologies Inc., Morgan Electroceramics, SICCAS, JFE Mineral Co., Ltd.와 아 이블포토닉스 등은 브리지만법을 이용하여 PMN-PT 단 결정을 주로 생산하고 있다. 그리고 Microfine은 Flux법 을 이용하여 PZN-PT 단결정을, 세라콤은 고상 단결정 성장법을 이용하여 PMN-PT와 PMN-PZ-PT 단결정을 생 산하고 있다.

1. 국내시장 동향

Table 5에서 보는 것과 같이, 국내 압전 단결정 제조사 는 (주) 아이블포토닉스와 (주) 세라콤이다. 아이블포토 닉스는 의료용 초음파 프로브 제조사인 휴먼스캔과 공동 으로 압전 단결정 의료용 초음파 프로브를 국내 최초로 개발하였다. 세라콤은 미국 ONR 지원으로 브리지만

PMN-PT 단결정과 차별화되는 PMN-PZT 단결정을 고

상 단결정 성장법을 이용하여 개발하였고, 미국 NUWC 와 ARL 등에 공급하고 있다. 국내에서도 휴먼스캔, 메디 슨, 프로소닉과 Siemens 등에서 압전 단결정 초음파 진 단기 및 치료기 (HIFU)를 개발하고 있으며, 향후 압전 단결정의 주요 시장이 될 것이다. 최근에는 휴대폰의 스 피커, 진동자, 초음파 모터와 압전 에너지 수확기 등에 적용이 시도되고 있으며, 이러한 시도가 성공하면 압전 단결정의 시장은 급속히 증가할 것으로 예상된다.

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Fig. 4.

,

.

Table 5. 국내외 압전 단결정 제조 회사 및 특징들

2. 해외시장 동향

압전 단결정의 개발을 주도한 미국과 일본을 중심으로 압전 단결정의 상용화가 진행되고 있다. 미국은 ONR과 DARPA의 주도하에서 압전 단결정을 이용한 군수용 최 첨단 부품 개발을 진행하고 있다. NUWC와 ARL 등을 중심으로 진행된 SONAR용 트랜스듀서 개발은 현재 시 스템 적용 등의 실용화 단계에 있다. 그리고 우주 및 항 공 분야에서도 압전 단결정을 적용한 액추에이터, Deformable Mirror, 모터와 센서 등을 개발하고 있다. 민 간 부문에서는 Philips, GE와 Siemens 등이 압전 단결정 의료용 초음파 프로브를 사업화하여 압전 단결정 관련한 가장 큰 시장을 형성하고 있다. 일본은 군수 분야보다 민 간 분야에서 연구 개발을 활발하게 진행하고 있으며, Toshiba, Aloka와 Hitachi 등의 회사에서 압전 단결정 초 음파 프로브를 사업화하여 미국 Philips 등의 선두 업체 와 경쟁하고 있다.

최근 국내는 물론이고 해외에서는 대체 및 그린 에너 지에 관련된 시장이 급속히 증가하고 있다. 기계적 진동 을 이용하여 전기 에너지를 얻는 압전 에너지 수확기는 대체 및 그린 에너지 분야에서 중요하게 활용되고 있다.

버지니아 공대의 Daniel Inman 교수는 PZT 세라믹스와 압전 단결정을 이용하여 압전 에너지 수확 실험을 하였 고 그 결과를 비교하였다 (Table 6).

Table 6에 보인 것 과 같이, 압전 단결정 캔틸레버 수확기에서 얻어진 전력 량은 PZT 세라믹스 캔틸레버 수확기에서 얻어진 전력량 보다 100 배 이상 높았다. 이러한 결과는 압전 단결정을 이용하면 압전 에너지 수확 효율을 100 배 이상 높일 수 있다는 것을 보여 주고, 압전 에너지 수확기를 이용하는 대체 및 그린 에너지 분야의 연구 개발 및 시장에서 큰

변화가 있을 것으로 예상된다.

최근에 진행된 압전 단결정 제조 기술의 발전 (개선된 브리지만법과 고상 단결정 성장법)과 새로운 고온용 압 전 단결정들 (SSCG PMN-PZT와 Bridgman PIN-PMN- PT 등)의 개발 등으로 인하여 압전 단결정 실용화의 기 술적인 문제점들이 많이 해결되어, 향후 압전 단결정의 실용화와 시장 규모의 성장은 빠르게 진행할 것으로 예 상된다.

Ⅳ. 결언

기존의 다결정체 PZT 세라믹스에 비하여, 높은 압전 상수 (d

>2,000 pC/N)와 전기기계결합계수 (k

>0.9)를 가지는 고성능 압전 단결정들 (PMN-PT, PZN-PT, PIN- PMN-PT와 PMN-PZ-PT 등)은 차세대 압전 재료로서 중요한 장점들을 제공한다. 압전 단결정 제조에서도 개 선된 브리지만법과 고상 단결정 성장법의 개발로 단결정 생산 기술도 산업적 대량 생산 수준으로 근접하고 있다.

현재 세계적으로 10 개 내외의 압전 단결정 제조 회사들 이 다양한 압전 응용 부품에 적용할 수 있는 양질의 단결 정을 제공하고 있다. 이러한 압전 단결정을 이용한 의료 용 초음파 진단기, 의료용 초음파 치료기, SONAR용 트 랜스듀서, 정밀 측정 및 제어 기기, 압전 에너지 수확기, 압전 액추에이터와 초음파 모터 등은 연구 개발 및 사업 화가 활발히 추진되고 있다.

고성능 압전 단결정은 향후 첨단 압전 부품의 핵심 소 재가 될 것이며, 압전 단결정을 이용한 압전 응용 부품의 시장이 급격히 증가할 것이다. 압전 단결정의 출현으로 인한 이러한 큰 변화는 새로운 압전 부품 시장을 창출하 는 것과 동시에 기존 압전 시장에도 큰 변화를 가져올 것 이다. 따라서 향후 압전 소재 및 응용 부품 시장을 선점 하기 위해서는, 고성능 압전 단결정의 출현으로 인한 압 전 소재 및 응용 부품에서의 큰 변화에 적절히 대응하는 것은 필수적이다.

참고문헌

1. S. E. Park and T. Shrout, Journal of Applied Physics

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고효율 압전 단결정의 개발 및 응용

Table 6. 압전 단결정과 세라믹의 에너지 하베스팅 성능 비교

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CERAMIST

[82], 1804 (1997)

2. S. Zhang, Applied Physics Letters [93], 122908 (2008) 3. Fuji Chimera Research Institute, “유망전자부품”

4. 산업연구원, “신소재산업의 개발전략”

5. A. Erturk, O. Bilgen, and D. J. Inman, Applied Physics Letters [93], 224102 (2008)

이 호 용

1993년 한국과학기술원 재료공학과 박사 1993년 현재 선문대학교 신소재공학과 교수 1995년 1996년 미국 Lehigh 대학 방문 교수 2000년 ㈜ 세라콤 창업

2007년 2008년 미국 Penn State 대학 방문 교수

2011년 독일 TUD (Darmstadt) 방문 교수