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태은 오
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12 < 표 2-1> 압전세라믹스재료의기능및응용분야 < 표 2-2> 압전세라믹스재료의응용분야및응용제품

13 < 표 2-3> 압전세라믹스재료의응용제품

14 < 그림 2-1> 유전, 압전세라믹스재료의결정학적범위

15 <그림 2-2> BaTiO3의 결정구조 압전 세라믹스의 1950년대 대표적 재료인 BaTiO3 는 130 이상에서는 3차 원 대칭구조를 갖는 cubic 구조(a=b=c=4.009Å at 130 )이며, 130 이하에서 비대칭(c 방향 늘어남) 구조를 갖는 Tetragonal (a=b c, a=b=4.003å, c=4.022 Å at 130, tetragonality c/a=1.005), (a=b=3.992å, c=4.035å at 0, tetragonality c/a=1.011)로 온도가 내려갈수록 c 방향이 상대적으로 늘어나는 구조이다(상온에서 tetragonality 약 1%). 참고적으로 PbTiO3는 상전이 온도가 490 이며 결정구조는 BaTiO3와 같이 Pb가 A site, Ti가 B site에 위치하는 구 조이며 Tetragonal (a=b c, a=b=3.94å, c=4.01å at 490 tetragonality, c/a=1.018), (a=b=3.89å, c=4.14å at 25, tetragonality c/a=1.06)로 상온에서 tetragonality가 6%로 상당히 크다. 따라서 순수 PbTiO3는 소결후 냉각시 490 상전이 온도에서 큰 이방성 때문에 소결된 재료가 분말로 부서지는 현상이 있 다. BaTiO3는 상전이 온도가 130 로 낮고 온도에 대한 압전특성이 민감하게 변 하기 때문에 상업적으로 Pb(Zr,Ti)O3 (이하 PZT)라는 재료가 이용된다. PZT는 PbZrO3와 PbTiO3의 완전 고용체(complete solid solution)이고 상전이 온도가 350도 이상이기 때문에 압전 특성의 온도 안정성이 뛰어나 상업적으로 많이 이 용된다. 결정구조는 BaTiO3 와 같이 Pb가 A site, Zr, Ti가 B site에 위치하는 구조이며 Zr과 Ti의 조성비에 따라 B site에 균일하게 분포되어 있다. PZT 세 라믹스는 Zr/Ti비가 약 0.52/0.48인 조성에서 강유전 정방정상(ferroelectric tetragonal phase)과 강유전 능면체정상(ferroelectric rhombohedral phase)의 경 계(morphotropic phase boundary, 이하 MPB)가 존재하며, 상경계(MPB) 조성 - 8 -

16 < 그림 2-3> 압전세라믹스재료의분역 (domain) 결정구조모식도

17 변환된 기계적 에너지인가된 전기적 에너지

18 < 그림 2-4> 압전체의형태에따른주진동모드

20 < 그림 2-5> 압전직접효과 < 그림 2-6> 역압전효과

22 < 표 2-4> 압전현상의기본식 기계적으로 축적된 에너지전기적 입력 에너지 전기적으로 축적된 에너지기계적 입력 에너지

24 < 표 2-5> 대표적인복합 perovskite 구조의제 3 성분

25 < 그림 2-7> PZT 세라믹스에서유전상수및커플링인자의조성의존성

26 < 표 2-6> PZT 세라믹스의치환효과 < 그림 2-8> 압전세라믹스의분극처리

28 < 그림 2-9> 압전재료의기본기능

29 < 표 2-7> 압전세라믹스의응용 ( 전기에너지 기계에너지 ) < 표 2-8> 압전재료의응용 ( 기계에너지 전기에너지 )

30 < 표 2-9> 압전재료의응용 ( 전기에너지 기계에너지 전기에너지 )

31 < 표 2-10> 초음파의특성과그응용예

32 < 표 2-11> 초음파이용계측기 < 표 2-12> 초음파거리계측방식및주요특징

35 < 그림 2-10> 콘형초음파센서의내부구조 < 표 2-13> 초음파센서종류별주요특성

36 < 표 2-14> 가속도센서의구조와특징 케이스 압전체 압전체 추 추 압전체 추 케이스 케이스 케이스

37 < 그림 2-11> AE 센서의구조및초음파탐상 (UT)/AE 비교

38 < 그림 2-12> 충격센서의구조 < 표 2-15> 진동검출형노킹센서

39 < 그림 2-13> 공진형노킹센서

40 < 그림 2-14> 진동형노킹센서및압력형노킹센서 < 그림 2-15> 연소압력파형

42 < 표 2-16> 압전액츄에이터의분류 < 그림 2-16> 각종압전액츄에이터의구조와구동원리

43 < 표 2-17> 압전액츄에이터의특성의이론값 < 그림 2-17> 굴곡변위형압전액츄에이터의구조

44 < 그림 2-18> 압전액츄에이터의특성비교

45 < 그림 2-19> 적층액츄에이터의내부전극형태

46 < 그림 2-20> 적층액츄에이터의표준구조 < 그림 2-21> 압전펌프동작원리 [X: 흡입체크밸브, Y: 토출체크밸브 ]

47 < 그림 2-22> 마이크로펌프의동작원리

48 < 그림 2-23> 압전트랜스포머의기본구조 < 그림 2-24> 압전트랜스포머의등가회로

49 < 그림 2-25> 입력전압과진동속도 < 그림 2-26> 진동속도와발열량

51 < 표 2-18> 기존기술과의특성비교

52 < 그림 2-27> 카메라자동초점렌즈구동기구 < 그림 2-28> 시계침구동용초음파모터

53 < 그림 2-29> 로봇관절용초음파모터 < 그림 2-30> 카드전송장치로의응용

55 < 표 2-19> 산업및제품별국내외압전재료및부품관련업체

57 < 표 3-1> INSPEC 수록분야

58 情報源 ~ ~ ~

59 < 그림 3-1> 연도별발표현황 문헌수누적문헌수 문헌건수 누적문헌건수 발행년도 < 그림 3-2> 국가별발표현황 (1996~2002 년 ) 한국 4% 호주 2% 기타 18% 독일 5% 러시아 4% 미국 23% 프랑스 6% 타이완 3% 캐나다 3% 중국 12% 일본 12% 이탈리아 2% 영국 6%

60 < 그림 3-3> 발표국가의연도별현황 문헌건수 발행년도 한국러시아독일인도영국 중국구소련일본미국프랑스 국가

61 < 그림 3-4> 저자별발표현황 (A) 1969~2002 년 저자 Cross, L.E. 114 Uchino, K. 81 New nham, R.E. 69 Takahashi, S. 65 Nakamura, K. 65 Tomikawa, Y. 64 Fukada, E. 64 Safari, A. 59 Shimizu, H. 56 Ballato, A 문헌건수 (B) 1996~2002 년 저자 Uchino, K Nakamura, K Ikari, T Fukuyama, A Cross, L.E Trolier-McKinstry, S Shindo, Y Damjanovic, D Lethiecq, M Yang, J.S. Chen, W.Q Sasaki, Y Chan, H.L.W Hayw ard, G Yoshino, K. Narita, F Lamberti, N Yamashita, Y Safari, A Meguid, S.A Takahashi, S 건수

62 < 그림 3-5> 소속기관별발표현황 (A) 1969~2002 년 소속기관 Pennsylvania State Univ Tohoku Univ Tokyo Univ California State Univ Rostov state Univ A.F. Ioffe Physicotech Inst Yamagata Univ Bell Labs V irginia Polytech. Inst. & State Univ Rutgers state Univ 문헌건수 379 (B)1996~2002 년 소속기관 PENNSYLVANIA STATE UNIV TOHOKU UNIV ZHEJIANG UNIV TSINGHUA UNIV HONG KONG UNIV CALIFORNIA UNIV TOKYO UNIV M ARYLAND UNIV XI'AN JIAOTONG UNIV SHANGHAI JIAOTONG UNIV NAT. TAIWAN UNIV ROSTOV STATE UNIV SINGAPORE NAT. UNIV SYDNEY UNIV INHA UNIV TORONTO UNIV STANFORD UNIV MIT, CAMBRIDGE RUTGERS UNIV 문헌건수

63 < 표 3-2> INSPEC 기술분류

64 < 그림 3-6> 기술분야별발표현황 (A) 1969~2002 년 문헌건수 발행년도 A7760 B2860 B2810 C3260 B7230 A4388 B7810 A6220 B7320 A4630 분류코드

65 (B) 1996~2002 년 건수 연도 A7760 B2860 A4630 B8380 A6220 A4388 분류코드 B7230 C3260 A7780 B2810 < 그림 3-7> 기술분야별현황 B7810 6% A6220 6% B7320 5% A4630 5% A % A4388 6% B7230 8% C3260 8% B % B %

66 < 그림 3-8> 문헌형태별발표현황 보고서 0.1% 학회출판물및보고서 40.8% 잡지 59.1% < 그림 3-9> 주요잡지발표현황 학회출판물및보고서 41% 잡지 59% 기타 46% Appl. Phys. Lett. 2% Int. J. Solids Struct. 2% 3% IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 3% Smart Mater. Struct. 3% J. Appl. Phys.

67 < 표 3-3> 특허분석에이용된데이터베이스

68 < 그림 3-10> 국가별특허출원현황 (A) 연도별현황 출원건수 일본미국유럽한국 출원국가 출원년도

69 (B) 국가별현황 한국 10% 미국 29% 일본 42% 유럽 19%

70 < 그림 3-11> 기술별특허출원현황 G01N-029 3% H03H-003 3% G01P-015 3% B06B-001 2% C04B-035 6% H02N-002 6% H01L % H04R-017 7% B41J % H03H % < 표 3-4> IPC 분류의기술내용

71 < 그림 3-12> 출원인별특허출원현황 (A) 출원인별출원건수 Murata Manufacturing 1357 Matsushita Electric Industrial 1319 NEC 900 SEIKO EPSON 598 출 TOKIN 428 원 Siemens 365 인 Robert Bosch 354 Fujitsu 337 KY OCERA 310 BROTHER IND 출원건수 (B) 출원인 / 연도별출원현황 출원건수 출원년도 MURATA MFG MATSUSHITA ELECTRIC IND NEC SEIKO EPSON TOKIN SIEMENS ROBERT BOSCH FUJITSU KY OCERA BROTHER IND 출원인

72 (C) 출원인별출원기술현황 출원건수 H01L-041 H03H-009 B41J-002 C04B-035 H04R-017 H03H-003 H02N-002 G01P-015 G01C-019 G01P-009 기타 MURATA MFG SEIKO EPSON NEC TOKIN KY OC ERA BROTHER IND ROBERT BOSCH FUJITSU SIEMENS MATSUSHITA ELECTRIC IND 출원인 IPC

73 < 그림 3-13> 연도별특허출원현황 출원건수 출원건수누적건수 누적건수 출원년도 < 그림 3-14> 기술별특허출원현황 G02F-001 5% H01L % H04R-017 4% G01P-015 3% H04N-005 3% H01L % H02N-002 5% C 04B-035 9% B41J % H03H %

74 < 표 3-5> IPC 분류의기술내용

75 < 그림 3-15> 연도 / 기술별특허출원현황 출원건수 출원년도 H01L-041 H03H-009 B41J-002 C04B-035 H02N-002 G02F-001 IPC H01L-021 H04R-017 G01P-015 H04N-005 < 그림 3-16> 출원인별특허출원현황 출원인 삼성전기무라타세이사꾸쇼대우전자삼성전자엘지전자로베르트보쉬현대자동차엔이씨마쯔시다덴끼산교 엘지전자부품 출원건수

76 < 그림 3-17> 출원인 / 연도별특허출원현황 출원건수 출원년도 삼성전기무라타세이사꾸쇼대우전자삼성전자엘지전자로베르트보쉬현대자동차엔이씨마쯔시다덴끼산교엘지전자부품 출원인 < 그림 3-18> 국적별특허출원현황 내국인 53% 외국인 47% 일본 28% 미국 8% 독일 6% 기타 5%

77 < 그림 3-19> 연도별특허출원동향 출 600 원 500 건수 출원건수누적건수 출원년도 누적건수

78 < 그림 3-20> 기술별특허출원동향 H03H-003 4% C04B-035 6% G01C-019 2% G01N-029 3% G01P-015 2% H01L % H04R-017 7% H02N-002 8% B41J % H03H % < 표 3-6> IPC 분류의기술내용

79 < 그림 3-21> 연도 / 기술별특허출원현황 출원건수 H01L-041 H03H-009 B41J-002 H02N-002 H04R-017 IPC C04B-035 H03H-003 G01N-029 G01C-019 G01P-015 출원년도 < 그림 3-25> 출원인별특허출원현황 MATSUSHITA ELECTRIC IND MURATA MFG NEC 출 SEIKO EPSON 원 TOKIN 인 KYOCERA BROTHER IND TOSHIBA OLYMPUS OPTICAL FUJITSU 출원건수 < 그림 3-23> 출원인 / 연도별특허출원현황

80 출원건수 MATSUSHITA ELECTRIC IND MURATA MFG NEC SEIKO EPSON TOKIN KYOCERA BROTHER IND TOSHIBA OLYMPUS OPTICAL FUJITSU 출원인 출원년도

81 < 그림 3-24> 연도별특허출원동향 출원건수누적건수 출원건수 누적건수 출원년도 < 그림 3-25> 기술별특허출원동향 G01P-015 6% H04R-017 6% G10K-011 5% G01N-029 4% G01L-001 3% H01L % G01L-009 6% B06B-001 7% B41J % H03H %

82 < 표 3-7> IPC 분류의기술내용 < 그림 3-26> 연도 / 기술별특허출원현황 250 출원건수 출원년도 H01L-041 H03H-009 B41J-002 B06B-001 G01L-009 H04R-017 IPC G01P-015 G10K-011 G01N-029 G01L-001

83 < 그림 3-27> 출원인별특허출원현황 출원인 ROBERT BOSCH SIEMENS MURATA MANUFACTURING MATSUSHITA ELECTRIC SEIKO EPSON NGK INSULATORS MOTOROLA THOMSON-CSF NEC FUJITSU 출원건수

84 < 그림 3-28> 출원인 / 연도별특허출원현황 출원건수 출원인 ROBERT BOSCH SIEMENS M URATA M ANUFACTURING MOTOROLA M ATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL SEIKO EPSON NGK INSULATORS THOM SON-CSF NEC FUJITSU 출원년도 < 그림 3-29> 연도별특허출원동향 출원건수 출원건수누적건수 출원년도 누적건수

85 < 그림 3-30> 기술별특허출원동향 G01N-029 4% B41J-002 4% G01L-009 3% G01P-015 G01L-001 3% A61B-008 3% 3% C04B-035 4% H04R-017 7% H03H % H01L % < 표 3-8> IPC 분류의기술내용

86 < 그림 3-31> 연도 / 기술별특허출원현황 출원건수 출원년도 H01L -041 H03H-009 H04R-017 C 04B-035 B41J-002 IPC G 01N-029 G 01L -009 G 01L -001 G 01P -015 A61B-008

87 < 그림 3-32> 출원인별특허출원현황 출원인 Murata Manufacturing 303 Siemens NEC Matsushita Electric 135 The Secretary of the Navy 95 General Electric Motorola Hitachi NGK Insulators U.S. Philips 출원건수 < 그림 3-33> 출원인 / 연도별특허출원현황 출원건수 출원년도 Murata Manufacturing Siemens NEC M atsushia Electric Industrial The Secretary of the Navy General Electric Motorola Hitachi NGK Insulators U.S. Philips 출원인

89 < 그림 4-1> 세라믹스분야에서의압전세라믹스위치 세라믹스 파인세라믹스 구조세라믹스 전자세라믹스 압전세라믹스 전통세라믹스

90 < 그림 4-2> 파인세라믹스의제조공정과기술 굴곡강도측정 원료분체평가 순도측정조성측정입도측정결정성측정 물성특성 인장강도측정압축강도측정피로도측정크립강도측정파괴인성측정 초음파법비파괴 X 선법시범 Acoustic Emission 법수명보증시험 원료분말 성형소성가공제품 고상법 액상법 산화법열분해법반응법 공침법알콕시드법전해법졸ㆍ겔법 에멀젼법분무법 금형성형법러버프레스법압출성형법 사출성형법주입성형법 상압소결법핫프레스법열간정수압가압소결법분위기가압소결법반응소결법재결정소결법 기계적가공법 ( 천공, 절삭, 연마, 초음파등 ) 화학적가공법 ( 에칭, 포토에칭, 접착, 접합등 ) 전기적가공법 ( 방전, 전자빔, 이온빔, 레이저등 ) 표면처리 ( 증착, 스퍼터링등 ) 기타 ( 세라믹스 - 금속접착 ) 기상합성법 기상법 기상산화법기상열분해법

92 < 표 4-1> 세계압전세라믹스의연도별개발현황 < 표 4-2> 국내전자세라믹스의발전과정

94 < 표 4-3> 압전세라믹스재료의응용분야

96 < 표 4-4> 압전세라믹스재료의국내기술단계

100 < 그림 4-3> 세계및일본의압전세라믹스시장규모추이 2,500 시장규모 ( 억엔 ) 2,000 1,500 1,000 일본시장 세계시장 1,340 1,112 1, , , , 연도

101 < 그림 4-4> 국내압전세라믹스시장규모추이 6,000 5,576 5,024 시장규모 ( 억원 ) 5,000 4,000 3,000 3,992 4,162 4,340 4,526 2,000 1, 연도

102 < 그림 4-5> 일본압전트랜스포머시장규모추이 시장규모 ( 억엔 ) 연도

103 < 표 4-5> 압전액츄에이터시장전망

104 < 그림 4-6> 일본압전액츄에이터시장규모추이 시장규모 ( 억엔 ) 연도 < 표 4-6> 선진국압전액츄에이터개발현황

105 < 표 4-7> 압전액츄에이터의연구기관및응용분야

106

107

108 < 그림 4-7> 일본초음파모터시장규모추이 시장규모 ( 억엔 ) 연도

109 < 표 4-8> 국내업체현황 < 표 4-9> 해외업체현황

110 < 그림 4-8> 세계및일본의압전세라믹스시장규모예측 3,000 2,970 일본시장 세계시장 시장규모 ( 억엔 ) 2,500 2,000 1,500 1, ,905 1,010 2,160 1, 연도

111 < 그림 4-9> 국내압전세라믹스시장규모예측 18,000 16,000 17,578 14,000 시장규모 ( 억원 ) 12,000 10,000 8,000 6,000 5,024 6,191 10,431 4,000 2, 연도

112

113

114

115

116

117 フロンティアセラミックス

118 저자소개

<B3EBC6AE322E687770>

<B3EBC6AE322E687770> 특허등록건수 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 63 66 69 72 75 78 81 84 87 90 93 96 99 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 특허출원건수 내 국 인 에 의 한 특 허 등 록 건 수 내 국 인 에 의 한 특 허 출 원 4000