KIAT-1566.hwp

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1 고출력초음파진동자조성설계및생산공정기술지원 지원기관 : 요업기술원참여기업 : ( 주 ) 래트론 산업자원부

2 제출문 산업자원부장관 귀하 본보고서를 고출력초음파진동자조성설계및생산공정기술지원 ( 지원기간 : ~ ) 과제의기술지원성과보고서로제출합니다 지원기관 : 요업기술원 ( 대표자 ) 오유근 참여기업 : ( 주 ) 래트론 ( 대표자 ) 이충국 지원책임자 : 백종후 참여연구원 : 김세기 : 임은경 : 이원경 : 왕영성 : 조현승 2

3 기술지원성과요약서 과제 고유번호 연구사업명 연구기간 ~ 부품소재종합기술지원사업 지원과제명 고출력초음파진동자조성설계및생산공정기술지원 지원책임자백종후지원연구원수 총 내부 외부 : 3 : 2 : 1 명 명 명 총 사업비 정부: 50,000 기업: 30,000 계 : 80,000 천원 천원 천원 지원기관명요업기술원소속부서명전자부품팀 지원기업기업명 : 래트론기술책임자 : 이원경 요약 보고서면수 180 o o o 기술지원세부목표 고출력초음파진동자용압전조성설계 설계조성에서균일한혼합을위한원료배합기술개발 저가이면서최적양산공정기술확립 d 33 (10 12 m/v 280 이상 k 33 (%) 65이상 Q m, 품질계수 1200 이상 Tc ( ) 큐리온도 300 이상 기술지원내용및범위 고품질초음파진동자조성설계에대한기술지원 균일한혼합을위한원료배합에대한기술지원 혼합의방법, 혼합공정제어, 원료배합에대한지원 입도분포제어및충진밀도제어를통한성형기술에대한지원 공정별오차의최소화및치수제어기술지원 열처리조건변경에의한최적열처리조건에대한지원 초음파진동자의양산공정확보에대한지원 색인어 ( 각 5 개이상) 한글초음파, 압전, 진동자, 조성, 세척기 영어 Ultrasonic, Piezoelectric, Resonator, Composition, Cleaner 3

4 기술지원성과요약문 1. 사업목표 o 대상품목 세척기용고출력초음파진동자 세정기, 융착기용초음파진동자 o 고출력초음파진동자조성설계및생산공정개발 고출력초음파진동자용압전조성설계 설계조성에서균일한혼합을위한원료배합기술개발 입도분포제어및충진밀도제어를통한성형기술에대한지원 초음파진동자제조공정개발및공정별핵심기술확보 저가이면서최적양산공정기술확립 2. 기술지원내용및범위 o o o 기술지원세부목표 고출력초음파진동자용압전조성설계 설계조성에서균일한혼합을위한원료배합기술개발 저가이면서최적양산공정기술확립 d 33 (10 12 m/v 280 이상 k 33 (%) 65이상 Q m, 품질계수 1200 이상 Tc ( ) 큐리온도 300 이상 기술지원내용및범위 o 선진국제품분석, 평가방법개발기술지원 선진국 sample 분석및평가 o 초음파진동자평가방법에대한기술지원 초음파세척기의원리및구동방법기술지원 o 고품질초음파진동자조성설계에대한기술지원(1) PCMNPZT 조성시스템과 PSNPZT 조성시스템개발. d 33 (10 12 m/v 293, k 33 (%) 69.5 Q m, 품질계수 1942, Tc ( ) 큐리온도 320 4

5 o 균일한혼합을위한원료배합에대한기술지원 혼합의방법, 혼합공정제어, 원료배합에대한지원 o 입도분포제어및충진밀도제어를통한성형기술에대한지원 성형공정, 결합제, 첨가제의영향조사 o o o o 입도분포제어기술및입도측정방법지원 공정별오차의최소화및치수제어기술지원 각공정의평가방법및치수제어기술지원 온도의존성평가및특성분석 열처리조건변경에의한최적열처리조건에대한기술지원 하소열처리제조건파악및유지시간변화영향조사 소결열처리제조건파악및소결온도변화영향조사 미세조직제어기술확립 초음파진동자측정및평가방법에대한기술지원 초음파진동자물성평가방법지원 진동자의특성측정및비교분석 초음파성능검사방법지원 초음파진동자의양산공정확보에대한지원 선진국 sample 특성비교검토 신뢰성특성분석및평가 5

6 3. 지원실적 지원항목 기술지원前 지원내용 기술지원後 비고 고출력초음파진동자용압전조성설계 초음파진동자의조성설계에어려움. 고출력의특성을갖는조성의미확보 초음파진동자의조성설계 능력확보 선진국수준을능 가하는특성을갖는조성개 발 d 33 (10 12 m/v 293, k 33 (%) 69.5 Q m, 품질계수 1942, Tc ( ) 큐리온도 320 상세내용은 보고서에 수록 설계조성에서균일한혼합을위한원료배합기술개발 고출력의특성을갖는원료배합기술미확보 혼합의방법, 혼합공정제 어, 원료배합에대한조건확 보 입도분포제어및충진밀도제어를통한성형기술에대한지원 입도분포제어를통한성형공정미흡 성형공정, 결합제, 첨가제 의영향 입도분포제어기술및입도 측정방법 열처리조건변경에의한최적열처리조건에대한기술지원 열처리조건변경에대한영향파악미흡 하소열처리제조건파악 및유지시간변화영향파악 소결열처리제조건파악 및소결온도변화영향 미세조직제어기술확립 초음파진동자측정및평가방법에대한기술지원 측정및평가방법에대한자체능력미흡 법 초음파진동자물성평가방 진동자의특성측정및비 교분석 초음파성능검사방법확립 6

7 4. 기술지원성과및효과 1) 해당기술적용제품 o 적용제품명 : 초음파세척기용진동자 o 모델명 : 2) 품질및가격 구분경쟁제품 지원전 경쟁제품대비품질일본다무라 해당기술적용제품 지원후 d 33 (10 12 m/v 293 k 33 (%) 69.5 Q m, 품질계수 1942 Tc ( ) 큐리온도 320 경쟁제품대비가격일본다무라 1,500 원/EA 비고상세내용은보고서참조 3) 원가절감효과 구분절감금액비고 원부자재절감 75 백만원/ 년 인건비절감 25 백만원/ 년 계 75 백만원/ 년 4) 적용제품시장전망 ( 매출성과 ) 구분당해연도매출차년도예상매출전년대비증가비율비고 내수 10 백만원/ 년 30 백만원/ 년 300% 수출 50 천달러/ 년 200 천달러/ 년 400% 계 60 백만원/ 년 230 백만원/ 년 300% 산출근거: 차년도는중국현지공장을통해서현지생산예정임. 생산제품은국내에일산썬텍 등의초음파세척기업체에공급예정. 국내초음파소요물량에대해 50% 공급을전제로 함. 5) 수입대체효과 7

8 모델명당해연도수입액차년도수입액수입대체금액비고 천달러/ 년천달러/ 년천달러/ 년 천달러/ 년천달러/ 년천달러/ 년 계 천달러/ 년천달러/ 년천달러/ 년 적용당시환율 : 1,150/$ 6) 해당기술의기술력향상효과 o 고출력초음파진동자용압전조성설계능력확립 o 설계조성에서균일한혼합을위한원료배합최적화기술개발 o 제조공정기술의개선향상을통한생산기술력확보 초음파진동자측정및평가방법에기술력확보 7) 기술적파급효과 고출력초음파진동자의조성국산화 초음파미용기, 가습기등의응용제품으로의개발및생산에활용 압전변압기개발에활용 기타액츄에이터를포함한압전응용제품에공정기술활용 8

9 5. 적용기술인증, 지적재산권획득여부 1) 규격, 인증획득 2) 지적재산권 6. 세부지원실적 항 목 지원건수 지 원 성 과 기술정보제공 5건 초음파관련특허, 문헌, 규격 시제품제작 1건 특성평가용시제품제작 양산화개발 1건 현지공장에서의양산화추진 공정개선 3건 원가절감, 공정단순화 품질향상 5건 선진국제품과경쟁수준으로향상 시험분석 50건 성능향상, 평가방법확립, 국외산비교평가 수출및해외바이어발굴 건 교육훈련 2건 원천기술확보로자체기술개발역량향상 기술마케팅/ 경영자문 1건 정책자금알선 건 논문게재및학술발표 1건 사업관리시스템지원실적업로드회수 건 참여기업방문회수 8건 기타 9

10 7. 종합의견 초음파진동자의조성설계및자체개발능력이부족한지원업체를지원하기위해서 여러가지분석장비와고가의정밀기기를이용하여조성개발, 공정개선및평가를수행 하였음. 또한본사업에서는한단계수준높은초음파진동자를개발하기위해서, 선진국제 품분석, 평가방법개발, 초음파세척기의원리및구동방법, 균일한혼합을위한원료배 합, 입도분포제어및충진밀도제어를통한성형, 공정별오차의최소화및치수제어 기술, 열처리조건변경에의한열처리조건및, 측정및평가방법에대한기술, 초음파 진동자의양산공정확보에대한개발내용을지원하였다. 그결과본기술지원사업을통해서개발된초음파진동자의특성은선진국제품의특 성보다도월등히우수한결과를얻었으며, 이러한결과는관련학술회의에보고함. 향후개발조성을기반으로해서경쟁력있는제품양산화가가능할것으로사료되며, 매출증대가기대되고있으며, 기술력도한단계업그레이드하게되어고부가가치분야 로더많은이익이창출될것이며새로운시장, 매출도형성될것으로예상된다. 10

11 연구과제 ( 세부과제 ) 성과 1. 과학기술연구개발성과논문게재성과 주1) 부처: 사업주관부처기재 2) 사업명: 사업명기재 3) 관리번호: 관리번호는기관에서관리하는과제관리번호임 4) 세부과제명: 세부과제명을기재 5) 연구책임자: 연구책임자를기재 6) 연구기관명: 연구기관명을기재 7) 과제시작년도: 해당세부과제의시작년도기재 ( 예, 2001) 8) 과제종료년도: 해당세부과제의종료( 예정) 년도기재 ( 예, 2002) 9) 게재년도: 해당논문의학술지게재연도기재 10) 논문명: 해당논문의제목기재 11) 저자: 해당논문의저자를기재하되, 주저자 (first author), 교신저자 (corresponding author), 공동저자 (coauthor) 등해당란에기재 12) 학술지명: 해당논문이게재된학술지명기재 ( 예, Cell) 13) Vol.(No.): 해당논문이게재된학술지의 Volume(Number) 기재 ( 예, 114(4)) 14) 국내외구분 : 학술지의국내외구분 ( 예: 국외) 15) SCI 구분 : SCI 등재학술지이면 SCI, 그렇지않으면 비 SCI 기재 11

12 2. 사업화성과 특허성과 출원된특허의경우 등록된특허의경우 주1)~8): 과학기술연구개발성과의 주1)~8) 와동일 9) 출원( 등록) 년도: 해당특허의출원또는등록연도기재 10) 특허명: 해당특허의명칭을기재 11) 출원( 등록) 인: 해당특허의출원또는등록인기재 12) 출원( 등록) 국: 해당특허의출원또는등록국가명기재 ( 예, 한국) 13) 출원( 등록) 번호: 해당특허의출원또는등록번호기재 ( 예, 등록제 호) 특허이외의지적재산권의경우상기양식에준용하여기재 12

13 사업화현황 사업화세부사항 (9) 사업화명 (10) 사업화내용 (11) 사업화업체개요 (12) 업체명대표자종업원수사업화형태 기매출액 ( 백만원) (13) 당해연도매출액 ( 백만원) (14) 매출액합계 ( 백만원) 주11) 사업화업체개요의사업화형태는 1. 연구책임자창업, 2. 기술이전에의한 창업, 3. 창업지원, 4. 기존업체에서상품화중에서선택하여번호기입 고용창출효과 (9) 창업 ( 명) 고용창출세부사항 (10) 사업체확장 ( 명) (11) 합계 ( 명) 주9) 창업의경우는 2. 사업화성과 에서사업화현황의종업원수를기입 10) 사업체확장에의한고용창출은국가연구개발사업을통해서기업체의팀이나 부서의신규생성및확대에의한것을의미하며확인된경우만기입 13

14 세부지원실적증빙내용 1. 지원기업현장방문 : 8 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 초음파세척기용조성설계협의 초음파세척기용진동자조성및공정협의 초음파세척기용진동자제조공정, 설비검토 진동자조성에대한평가및신규조성검토 균일한혼합을위한원료배합및입도분포제어협의 차조성결과분석및열처리조건실험지원내용 신뢰성검사항목검토및실험진행내용 진동자평가및보고서검토 2. 기술정보제공 : 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 압전관련논문제공유 관련특허 관련규격 신뢰성, 온도안정성자료 발표논문공유 3. 시제품제작 : 1 건 NO. 일자 구체적내용 증빙유무 현지생산을위한제품제작 유 14

15 4. 시험분석 : 50 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 1 수시 Impedence 측정 2 수시 XRD 3 수시 SEM/EDX 4 수시분체특성평가 5 수시 PSA, 신뢰성분석 유 5. 기술지원실적업로드 : 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 유 15

16 목 차 제 1 장사업의개요 제 1 절기술지원필요성 제 2 절기술지원목표 제 3 절기술지원내용 제 2 장국내외기술현황 제 3 장기술지원수행내용및결과제 1 절기술지원수행 1. 선진국제품분석, 평가방법개발기술지원 2. 초음파세척기의원리및구동방법기술지원 3. 고품질초음파진동자조성설계에대한기술지원 (1) 4. 고품질초음파진동자조성설계에대한기술지원 (2) 5. 균일한혼합을위한원료배합에대한기술지원 6. 입도분포제어및충진밀도제어를통한성형기술에대한지원 7. 공정별오차의최소화및치수제어기술지원 8. 열처리조건변경에의한최적열처리조건에대한기술지원 9. 초음파진동자측정및평가방법에대한기술지원 10. 초음파진동자의양산공정확보에대한지원제 2 절기술지원성과 1. 기술지원의달성도 2. 수행한기술지원의내용 3. 지원내용의기업전략에의기여도 제 4 장목표달성도및관련분야에의기여도 제 5 장기술지원결과의활용계획 제 6 장참고문헌 부 록 16

17 제 1 장사업의개요 제 1 절기술지원필요성 압전세라믹스는압력이가해졌을때전압를발생하고, 전계가가해졌을때기계적 인변형이일어나는소자로서기계적인진동에너지를전기에너지로, 전기에너지를 기계적인진동에너지로상호변환이가능하며변환효율이매우높은재료이다. 진동을전기적인에너지로변환할수있는원리를이용해가속도센서등으로응용 하고, 가청영역의소리를전기에너지와상호변환할수있는원리를이용해레코드 디스크의픽업, 마이크로폰, 스피커, 버저등의소자로이용된다. 또한초음파를 투과하고받을수있으므로초음파센서의프루브(Probe), 어군탐지기등으로사용 된다. 외부로부터힘이나압력을받으면고전압스파크를발생시킬수있어가스기기의 ignitor 와압전변압기에응용된다. 기타응용제품으로는세라믹필터, delay line, 초음파세척기, 초음파가공기, 초음파용착기, 초음파가습기등여러방면에서활 용되고있다. 압전세라믹스는초음파응용기기분야의핵심기초소자로서응용분야에따라요구 되는특성이매우상이하며정밀한제조공정제어가필요하다 년대산업적으로응용되기시작한이래각종제품의소형, 경량화및자동화 추세에따라응용범위가확대되고있다. 향후전자, 기계, 재료공학의복합기술로 서광학기기, 반도체장치, 정밀기기, 소형모터등의주요부품으로무한한발전이 기대된다. 그러나이는일본을주축으로한선진국에의해이루어지고있고, 국내의 경우양산기술부족등으로인해대부분완제품또는원료를수입하여후가공처리, 판매하고있는실정이다. 특히, 고출력초음파진동자는세정, 가공, 융착이필요한다양한분야즉, 반도체 공정, 미생물학, 광학, 가전분야, 정밀기기, 의료기기, 계측기기분야에적용되고있 으며그응용분야는점차확대되고있다. 이러한초음파진동자는원통형, 원판또는각판, 굴곡형등이주로사용되고있는 데, 원판형의경우금속과의결합으로낮은주파수영역에서높은 power를갖는장 점을가지고있어서수요가확대되고있는추세이다. 고출력초음파진동자는대량 생산을용이하게하기위해서는공정여유도가크고고품질인조성설계및특성편차 가적은생산공정개발이필수요건이다. 따라서고출력초음파진동자용고품질 조성설계와생산공정안정화를통한양산성을확보하고자한다. 현재고출력초음파진동자는일본등에서대부분을소자형태로수입하거나합성된 원료를수입하여가공처리하여사용하고있는데수입대체및원천기술확보차원 에서국내개발이시급히요청된다. 17

18 제 2 절기술지원목표 o 대상품목 세척기용고출력초음파진동자 세정기, 융착기용초음파진동자 o 고출력초음파진동자조성설계및생산공정개발 고출력초음파진동자용압전조성설계 설계조성에서균일한혼합을위한원료배합에대한기술개발 입도분포제어및충진밀도제어를통한성형기술개발 초음파진동자제조공정개발및공정별핵심기술확보 저가이면서최적양산공정기술확립 제 3 절기술지원내용 o 선진국제품분석, 평가방법개발기술지원 선진국 sample 분석및평가 o o 초음파진동자평가방법에대한기술지원 초음파세척기의원리및구동방법기술지원 고품질초음파진동자조성설계에대한기술지원 PCMNPZT 조성시스템과 PSNPZT 조성시스템개발. d 33 (10 12 m/v 293, k 33 (%) 69.5 Q m, 품질계수 1942, Tc ( ) 큐리온도 320 o 균일한혼합을위한원료배합에대한기술지원 혼합의방법, 혼합공정제어, 원료배합에대한지원 o 입도분포제어및충진밀도제어를통한성형기술에대한지원 성형공정, 결합제, 첨가제의영향조사 o o 입도분포제어기술및입도측정방법지원 공정별오차의최소화및치수제어기술지원 각공정의평가방법및치수제어기술지원 온도의존성평가및특성분석 열처리조건변경에의한최적열처리조건에대한기술지원 하소열처리제조건파악및유지시간변화영향조사 소결열처리제조건파악및소결온도변화영항조사 18

19 미세조직제어기술확립 o 초음파진동자측정및평가방법에대한기술지원 초음파진동자물성평가방법지원 진동자의특성측정및비교분석 초음파성능검사방법지원 o 초음파진동자의양산공정확보에대한지원 선진국 sample 특성비교검토 신뢰성특성분석렌평가 19

20 제 2 장국내외기술현황 초음파진동자제조회사로서는일본의 Murata, TDK, Honda 사등과독일 Siemens 사등에서생산하여세계적으로공급하고있으며, 일본의경우 TDK, Honda, Tamura, NEC 사에서공급하고있다. 또한미국의 Ferro Solutions Inc, MIDE Inc 에서도새로운모델의진동자를개발하고있다. 국내에서는일산썬텍, 경원훼라이트, 레트론등에서대부분을소자를수입하거나, 합성원료를가공하여사용하고있고있으며, 자체조성을개발하여적용한예는없 는것으로보고되어있다. 래트론에서는초음파가습기, 미용기를개발하여가전업체에일부납품하고있으 나, 고출력초음파진동자의조성및공정기술은기술적으로상당히미비한실정 이며, 본부품의지원을통한개발을통해서중국시장을필두로세계시장에공략하 려고한다. 선진국의경우 3 주파매칭초음파, 듀얼타입진동자, 고주파소재개발에초점을 맞추고있으며, 지속적으로개발을진행하고있다. 일반적으로초음파란인간의귀로감지할수없는영역을의미하는것으로 20 khz 이상의주파수범위를가리킨다. 초음파는우리생활에서광범위하게사용되고있다. 이를테면의료용초음파진단 시스템, 유속. 유량측정, 초음파거리측정, 비접촉초음파감지장치, 초음파세척 기, 용착기, 초음파가습기, 초음파지방두께측정기, 초음파가축용임신진단장 비, 초음파해충퇴치기, 초음파노즐/ 스프레이, 초음파위치탐지시스템, 초음파 가진장치, 초음파모터, 초음파개퇴치기, 어군탐지기, 초음파후방감지시스템 등이있다. 초음파진동자에는초음파를발생시키는음원에따라서자왜형, 압전 전왜형및 전자형진동자등이있으며, 현재압전 전왜형중볼트체결형란쥬반진동자 (Boltclamped Langevin Transducer BLT) 를가장많이사용하고있다. 공진주파수에따라서도 28 khz, 40 khz, 50 khz, 60 khz등으로구분된다. 28 khz및 40 khz단주파진동자의경우 Ring Type의압전소자 2매를서로마주보 도록설치한후전기적으로병렬로연결하고상단및하단에금속 여전체를볼트로조인구조를갖는다. block을부착하 압전소자는구동회로로부터구동신호를인가받아기계적인진동으로변환시켜주 는역할을하며이때구동주파수는압전시편의공진주파수가아니라조립된상태 에서의공진주파수로인가되므로양자사이에는상당한차이가있다. 실제로 28 khz및 40 khz진동자에있어압전시편자체는동일한물성및크기를 가지며주파수의차이는금속 block 부위의형상에의해좌우된다. 20

21 압전시편하부의금속 block은 mass로서압전시편에서두께모드로발생한미소 진동의진폭을증폭시키는역할과진동자에서발생한열을흡수, 냉각시키는역할 을한다. 압전소자상부의금속 block은압전소자에비해현저히낮은음향 Impedance를 지니며, 압전소자에의해상하양방향으로발생되는초음파중상방향으로의 wave 를반사시켜하방향으로합산되도록하는역할을한다. Mass와 Booster는압전세라믹스소자에서두께모드로발생한미소진동의진폭을 증폭시키는역할과진동자에서발생한열을흡수, 냉각시키는역할을한다. Hom은 booster를통해증폭된초음파를다시증폭시키는역할과초음파를집적하 여대상체에전달하는역할을한다. 이들금속부품들은모양, 치수, 질량등의설계에따라구동주파수와진동모드에 영향을미친다. 이는정확한설계와제작방법이필요하다. 현재초음파진동자는세계여러곳에 서개발이되어초음파유화기, 세포파쇄기, 초음파세척기용으로극해제한된응 용이이루어지고있다. 그러나, 연속가동시발열문제와공진주파수가시간에따라변화함에따라작동 이되지못하는경우가허다하다. 또한실제진동자가낼수있는출력보다훨씬높은출력을요구하는경우가많아 진폭증대를위해극히고배율의혼을사용하고있다. 실제혼의경우는 10:1 많다. 1:1 비율이가장이상적이나진폭의증대를위해어떤경우는 정도의혼을사용하는경우도있어진동자가견디지못하고파손되는경우가 또한출력의증대를위해과도한전압과전류를인가해서사용하는경우도허다하 다. 초음파를발생시키는초음파진동자로현재가장많이이용되는것은초음파세척 기, 초음파용착기용진동자로서일본의 Murata, TDK, Honda 는이미설계, 제조기 술, 성능평가기술등이확보되어있는상태이다. 현재세계적으로개발되어진초음파의응용분야는다음과같다. 계측 초음파줄자, 이동로븟의전방의방해물감지, 마이크로로봇 정보통신 소나, 어군탐지기등수중탐지 의료용진단장치 초음파단층촬영기, 초음파치료기외 재료내부결함검사 비파괴검사, 용접부위결함검사, 주물내부공격검사 산업용설비진단 AE센서 산업용기계 세척기, 용착기, 가공기, 연마기, 유화기 가공 초음파금형가공 디지털데이터전송 공장내부에서무인차량의제어용통신 기타 초음파모터, 초음파이송장치등. 21

22 제 3 장기술지원수행내용및결과 제 1 절기술지원수행 1. 선진국제품분석및평가방법개발기술지원 가. 초음파진동자개요 인간의귀를통하여들을수있는가청주파수범위는 20 khz ~ 20 khz이다. 초음 파는가청주파수밖의진동음을말한다. 소리는기계적인진동에의하여공기의 압력이고압과저압으로빠르게변화하여진동소스로부터전파되어사람귀에들 리는것이다. 음은크게초저주파, 가청음, 초음파로분류한다. 인간이들을수있는가청주파수대역(20~20000 khz) 보다높은주파수즉 20 khz 이상을초음파이라고한다. 초음파는응용범위가매우다양하다세척, 가공, 계측, 의료진단등매우많은분야에활용되고있다. 야산의동물들은사람귀보다감지 하는주파수범위가훨씬넓다. 동물들은지진, 화산활동, 산불등이발생되기이전 에이미전초적으로전달되는초저주파를감지하여몸을피하여안전한곳으로이 동하기도한다. 가청주파수보다낮은초저주파의응용은공학적으로사용빈도가초음파에비하여 매우용도가낮다. 경우에따라서는비록가청주파수범위의음파이라도사람의귀 를통하여듣기위한목적이아니라기계의고장진단등공학적목적으로사용되 면초음파응용기술범주에포함시킨다. 넓은의미에서는초저주파응용기술도초 음파의범위에포함시키기도한다. (1) 초음파의분류 초저주파 : 20 khz이하 가청주파수 : 20 ~ 20 khz 초음파 : 15 khz이상 (2) 초음파의정의 인간이들을수없는 ( 가청주파수이상의) 높은주파수의음파 인간이듣기위한목적이아니고, 음파의성질을이용하여물체, 물질의물성적 변화와계측등에이용하는경우의음파 (3) 초음파의응용분야 통신적응용 22

23 등 수중 Sonar, 어군탐지가, 탐상기, 두께측정기, 액면계, 점도계, 의료용진단기기 동력적응용 세정기, 제진기, 분무기, 건조기, 가공( 융착, 용접, 절삭등), 초음파치료기기등 (4) 파동의간섭 두개이상의파동이겹쳐질때나타나는현상. 간섭결과생기는파동양상은 원래파동의주기, 진폭, 위상, 파면의진동방향및진행방향에의해결정된다. 보강간섭 : 두파동의위상이동상이어서마루와마루끼리서로합쳐질때 상쇄간섭 : 두파동의위상이이상이어서골과마루가서로상쇄될매 정재파 : 간섭의예로서주기, 진폭및진행방향이같으나위상이다른파동의 간섭으로발생 < 보강간섭과상쇄간섭 > < 간섭으로나타난정재파 > (5) 초음파진동자초음파발생장치는고주파전기신호를발생시키는발진기와전기신호를초음파로변환시키는진동부로구성된다. 그림 1 진동자 ransdure 는개략도 23

24 ( 가) 자왜진동자(Magnetostrictive transducer) ㆍ자왜현상 자성물질에자장이가해지면결정이미세하게수축, ㆍ자왜진동자 자왜현상을일으키는물질을이용한진동자 팽창하는현상 초기에는니켈박판을중첩한것이많이사용되었으나그후페라이트가많이사용 되게되었다. ㆍ장점 절연저항이높아과전류에의한손실이거의없기때문에효율이 90% 이상 종방향성분이많아효율적인세척기의구성이가능하다. 가격이비교적저렴하다. 파워밀도를높일수있다. ㆍ단점 구조적으로취약하여파손되기쉽다. 사용가능한온도가낮다.(80 정도) ( 나) 피에조진동자(Electrostrictive transducer) 혹은압전진동자 ㆍ 압전현상 ( 전왜현상) 강유전성을가지는결정체에고압의전계를가하면구조 에서미세변위가발생된다. ㆍ 전왜진동자 전왜효과를이용초음파를발생시키는소자. 수정, 로셀염, 티탄산바륨등이있으나현재는 PZT라고하는물질이가잘많이사 용됨. PZT 는납, 지르콘산, 티탄산등을혼합소결한것으로큐리점이높고, 파워밀도가 높으며, 양산성이우수한등의많은장점이있다. 24

25 ( 다) PZT 진동자종류ㆍ원판형( 디스크형) : 다양한주파수의것이있어사용이편리한반면대출력의용도에는적합하지않기때문에주로의료용및센서등에사용되며세척기용으로는소형이나고주파세척기등의일부분에만사용된다. 그림 2 초음파진동자 ㆍ BLT 진동자 : 2개의링형압전소자를금속블록사이에넣어볼트로조임으로 써샌드위치형상으로만든것이다. 기계적으로매우강하고, 고온에서사용이가능 하다. 이러한장점들때문에최근의강력초음파응용에서는거의대부분 BLT 진동 자를사용한다. 가격이비싸며파워밀도균질성이떨어져에로젼현상이심해지는 단점이있다. (6) 발진기 (Generator) 발진기는발진부(Oscillator) 와전력증폭부, 임피던스매칭부로구성되어있다. ( 가) 발진기(Oscillator) 1자려식 자려식은전력증폭하는능동소자(TR,FET 등) 자신이발진회로를겸하 도록한것. 간이자동추미( 진동자의부하변동에따른출력변화를억제하도록주파수가자동 으로변화하는회로) 가가능. 회로구성이간단하다. 발진회로의안정도가나쁘다. 외부의영향을많이받는다. 호환성이나쁘다. 2 타려식(Master oscillating power amplifier : mopa) 증폭부와분리된별도의 발진회로를이용하는방식. 현재주류를이루고있다. 발진의안정도가높다. 25

26 호환성이비교적높다. PLL(Phase Locked Loop) 회로, FM, AM 등의변조방식, PWM(Pulse width modulation) 등을이용한고도의출력제어등이가능한장점이있다. 그림 3 PLL 귀환방식 PLL회로에서출력된신호를출력회로에서소정의출력으로증폭되어, 정합회로에 의해진동자와의 matching 을하여, 진동자를구동시킨다. 또한, 진동검출회로에의 해진동자의진동에비례한전압을검출하여, 위상회로에귀환시켜위상보정을한 다. 다음에신호에의해 PLL 회로가최적주파수를발진하여, 출력회로에서전력증폭 을하여, 진동자를구동한다고하는동작을되풀이한다. 이회로구성에의해, 항상 최대진폭이되는주파수를, 자동적으로추미하는것이가능하다. ( 나) 전력증폭부(Power amplifier) 증폭부는발진부로부터고주파의신호를받아증폭하여진동자에공급하는회로로 써대용량반도체스위칭소자를사용한다. 스위칭소자로써 TR, FET가많이이용 되고있다. ( 다) 임피던스매칭회로(Impedance matching) 진동자는용량성혹은유도성의부하로써전력전달의측면에서는바람직하지않기 때문에최대전력전달이가능하도록 L혹은 C 를이용하여임피던스매칭을행한다. 그림 4 임피던스매칭회로 26

27 ( 라) 전력측정회로에관해서 세정효과에대한관리를하기위해서는, 초음파의출력상태를관리하는것이중요 하다. 출력상태의관리는, 초음파의액중음압을실제로측정하는것이바람직하지 만, 소리의강도를측정하기위해서는음압 sensor를세정면전체에다수를설치 이동시켜측정해야한다. 이방법은비용이드는것과, 세정증에측정을할수없 는것등의이유로실용상은채용되어있지않다. 일반적으로행하여지고있는방 법으로서는, 발진기로부터진동자에공급되는전력을고주파전력계로측정하여, 전 력치를관리하는방법이주로채택되어있다. 본기기의전력측정회로 block diagram 인 < 그림 3> 을보면전력증폭부에서소정의크기가지증폭된전력은, 정합 회로와진동검출회로, 진동자에공급된다. 전력측정은, 정합회로에서진동자에가 해지는전압과전류를직류전압으로변화하여취득, 각각의위상차이를 digital 신 호화하여, CPU 회로부에연산시킨결과를표시하고있다. 회로상에사용하고있 는 current sensor 등의부품에의해, 생기는위상의틀어짐을 CPU 회로부에서위 상보정을하고있다. ( 마) 발진기익각종부가치로 remote 회로 HIGH, LOW 잔기진단기능 외부출력제어 timer 동작 출력회로 Analog 출력(0 ~ 5 V) 외부 interface(rs485) ( 바) 작동순서 1 전원차단을확인한다. 2 진동부콘넥터를발진기뒷면의 OUTPUT 콘넥터에연결한다. ( 방향주의) 3 리모트기능을이용할경우, 제어선을리모트단자에연결한다. (Option) V 전원에연결한다. ( 본발진기는 220 V 전용임.) 5 6 진동부에세척액이충분한지확인한다. ( 최소 5 cm 이상) 전원 S/W를 ON 한다. 초음파동작중에는스위치상단녹색 LED 가켜진다. ( 타이머부착형인경우에는타이머스타트기능을함) 7 타이머부착형인경우시간을설정한다. 8 세척조건에따라출력조절볼륨을조정한다. 9 스위프기능을이용할때는스위프 S/W 를누른다. 27

28 ( 사) 사용상의주의사항 1 세제가없을때초음파를작동시키지말것. 2 전원전압변동률을 10% 이내로유지할것. 3 젖은손으로발진기를조작하지말것. 4 진동이나충격에주의할것. ( 특히진동부의표면) 5 관계자이외에는작동하지말것. 6 장기간사용하지않을때는전원을빼고습기가없는곳이보관할것. 7 용. 8 이상상태( 소음이나냄새, 연기등) 때는즉시전원을차단하고원인조치후사 질산등강한부식성약품을사용할때는간접세정을할것.( 수명이단축됨) ( 아) 이상때의조치방법 상태 원인 처리 비고 전원이상 Fuse 단선반복누전출력조절이상표시기이상 ㆍ ㆍ ㆍ ㆍ ㆍ ㆍ ㆍ Fuse 단선 전원공급선이상 출력과다 입력전압이높을때 접지연결불량 진동자극성바뀜 노이즈필터고장 Fuse 교체 수지(A/S 의뢰) 것 출력을저하시킴 입력전압을정격이내로할 접지를확실하게접속한다. 극성수정 교체(A/S 의뢰) ㆍ내부회로파손 수리(A/S 의뢰) ㆍ감도설정이상 감도조정(A/S 의뢰) 세척불균일금속성소음기계적진동음세척이약할때 ㆍ 정재파의형성 ㆍ 알칼리세제의 경우강한 표 면장력에의해하울링이발생 할수있다. ㆍ FAN 작동상태불량 ㆍ볼트가느슨해짐 ㆍ출력조절이 LOW ㆍ온도가적정하지않다. ㆍ물의경우, 탈기안됨ㆍ눈금이조밀한바스켓사용 ㆍ플라스틱용기등으로간접세척ㆍ피세척물위치가나쁘다. 피세척물위치변경 사용수의를낮춘다. 세제를다른종류로교체 정상보다출력을 50% 이상 상승시킴 통풍상태를점검 각부분의볼트, 너트조임 HIGH 상태로한다. 온도를맞춘다. 탈기후사용 눈금이큰바스켓사용 금속혹은유리용기사용 방향을수정한다. 28

29 나. 선진국제품분석 관련초음파진동자의선진국 sample 를분석하여표에정리하였다. 표 1 선진국초음파진동자특성값 그림 5 는일본제작진동자의주사전자현미경(SEM) 파단면사진이다. 그림에나타 낸바와같이전체적으로평균입경이 2 3 μm 으나, 부분적으로기공이존재하는것을확인하였다. 정도로일정한결정립을나타내었 29

30 (a) 2k 배율 (b) 3k 배율 (c) 5k 배율그림 5 중국제작초음파진동자파단면 SEM 사진 그림 6 은일본제작진동자의표면과측면의외관사진을보여주고있다. (a) 표면 (b) 측면 그림 6 초음파진동자 ( 일본제작 ) 30

31 다. 초음파평가방법 표 2 초음파세척효과판정방법 평가방법장, 단점정도비 비고 육안간단하게평가기능미흡 현미경간단하게평가기능양호 자외선관찰간단하게평가기능우수 X 선밀도계 반사광 연질의오염물일경 우유리함표면에오염분포상 태가결과에영향을 줌 양호 미흡 투과광투명재료에유리미흡 분산광 화학분석 형광도료 표면피막의 학분석 화 제한된 가능 화학제품만 미흡 최우수 미흡 미흡 석출산화물분석금속재료만가능우수 OPTO SHELL, 비중계미소물체양호비중측정 또는 사용분산광의정방향을측정 칠판위에동도금 OPTO MULTI를 400 까지가열, 반사광으로관찰되 는산화막의모양을보고판정 납 Erosion 우수중량감소에의한평가( 표준) 알루미늄 침식 박판 음장의영향을받음우수빛의투과혹은무게감소로평가 흑연분산측정이쉬움양호 물방울낙하표면이평평한시효양호 방사능측정평가기술자가요구됨최우수 마찰시험표면평활이요구양호 부착력시험 표면전도도 평활한표면의유리 나금속재료만가능주위상황에영향을 받음 양호 최우수 유리나세라믹위에흑면을도포 육안이나밀도계로평가( 표준) 세척면에물방울이나수막을주어그 분포로측정동위원소 P32 또는 C14 등을미량과 표준오염을섞어사용 음향적방법한정된재료에적용최우수압전형 Crystal의공진주파수를측정 31

32 2. 초음파세척기의원리및구동방법기술지원 가. 세척의기본 세척이란필요한물건위에더러운때, 물질, 가루등이묻어있는것을분리하는 공정이다. 우리생활에서도빨래세탁기, 식기세척, 방바닥청소기등세척활동이많 다. 또한생산현장에서도산업화가진행될수록세척공정이많아진다. 세척작용은기계적작용, 린스작용, 화학적작용이결합되어나타난다. 기계적작용 은작은범위에서마찰등을이용하여이물질을제거하고화학적인반응을촉진시 키는역할을하는것으로세척의핵심요소가된다. 분리작용은일단분리제거된이물질이다시달라붙지못하도록격리시키며잔류 세정성분을제거하는역할을하게된다. 화학적인작용력은주로세제에의해일어 나게되는데기름성분등을제거하는데효과적이다. 표 3 손빨래, 세탁기및초음파세척의작용력대비 종류작용 손빨래 세탁기 초음파세척 기계적작용 비빔 수류, 마찰력 캐비테이션및입자가속도 분리작용 물살 수류, 헹굼 수류 화학적작용 비누 세제 물, 세제 복합적인세척작용의예를보면, 기름으로더러워진식기를물과수세미로만씻는 것은힘들다. 그러나비누를쓰면수세미를쓰지않아도잘씻을수있다. 수세미를 쓰면더효과적이다. 즉수세미는물리력이며비누는화학력이다. 세척에서는물리 력보타화학력이더중요하다세척하고자하는대상물에묻은이물질을제거하는데 세제의선택이중요하다. 더러움의종류에따라어떤세제를선택하면좋은가를해 결하고그것에맞는파워의초음파장치를선택하는것이세척의효율을높일수 있는방법이다. 나. 초음파세척의분류 초음파세척이란초음파에너지를이용하여세척에이용하는기술이다. 현재까지이용가능한여러가지의공학적세척기술가운데가장효율적이며경제성이높을뿐아니라다른세척기술로는달성할수없는미세세척효과를얻을수있다. 32

33 특히복잡한형상의물체혹은정밀세척을요하는분야에서는중요한세척기술이 되고있으며산업구조의고도화에따라점점그적용이넓어지고있다. 종류로는 28 khz, 40 khz의단주파, 복합파형을이용하는동시다주파및 1 MHz이상의고주파 세척이있다. 표 4 발진주파수대역변화에따른분류 분류 주파수 ( khz ) 세정목적 저주파세정 20 ~ 90 직진류, 캐비테이션을이용한강력세정, 거친세정 고주파 100 ~ 400 캐비테이션 damage 가없는정밀세정(LED, Wafer 등) 초고주파 1 MHz이상 Submicron 초정밀세정(Wafer, LED, PDP 등) 항목 28 khz단주파 40 khz단주파다주파 (40~90 khz ) 스프레이초음파 (1 MHz ) 세척원리케비테이션케비테이션케비테이션입자가속도 입자가속도 1500 G 2500 G 2500~5000 G G 충격력수백기압수십기압수십기압없음 정재파( 비균일성) 매우강력강력약함없음 파동의특징회절강함회절강함회절강함직진성높음 제거가능입자 3 μm이상 2 μm이상 1.5 μm이상 0.1 μm이상 용도일반세척용일반세척용정밀세척용초정밀세척용 그림 7 단주파와다주파 (1) 단주파식 (28 및 40 Hh) 초음파세척기 단일주파수를초음파에사용하는방식이다. 보통 20 khz, 40 khz등이많이쓰이며 경우에따라서는 60 khz, 90 khz등도단주파세척에사용된디. 초음파파장의공간 적시간적위치형태에따라진행주파수와반사주파수가일치되어공간에정지상 태가되기도한다. 33

34 즉액면높이에따라파워가강한부분과파워가발생하지않는부분이있어, 세척물이세척이되는잘부분과안되는부분등으로구분되어세척이불균질하게되는문제가있다. 이러한형상을정재파현상이라고한다. 특성 : 액높이에따라파워가강력한부분이발생하는특징을이용하여일차세 척이나금속가공물의탈지세정용으로많이사용한다. 단점 : 파워가강한부분에의한제품의손상, 또는정재파현상으로인한세정얼 룩이있다. 발진부와진동부의호환성이없어 A/S시주파수매칭을해야하는불편 이있다. 전기신호를받으면기계적인신호로변환하여주는장치 전왜진동 수정, 티탄사바륨, 지르콘티탄산납등 자왜진동 니켈, 알페로등의페라이트계열 랑지방형진동자 압전또는진왜진동자의양면에금속전극을부착하고전체의공진주파수로진동 하며, 최근에는볼트고정하여사용함으로 BLT 진동자라고도함 초음파가후방으로나오지못하고전방으로만나갈수있도록파장의정수배로가 공하여취부함 왜진동자로 + 극, 극 2개를전극사이에결합하여초기기계진동이발생하는 곳 전기적인교류신호인가전극 일반적으로진동자의공진주파수를입력함 반파장의정수배의길이로절단하여붙임 재질 : 알루미늄 목적 ; 미세진동증폭역할 (2) 다주파식초음파세척기 2870 khz또는 4090 점을개선할수있다. khz대역의초음파를발생시켜사용하는방식으로단주파의단 균일세척 : 여러주파수대역의초음파를발생시켜세척불균일이나피세척물 의손상을방지할수있어정밀세정용으로사용한다. 안정된출력 : 단주파방식에서나타나는출력변화( 세정액높이변화, 세제의종 류, 온도변화, 제품의투입등) 현상이매우적다. 호환성발진부와진동부의호환성이있어별도의주파수매칭없이상호교체작 업이가능하며설비보전시간의단축및설비가동률을올려준다. 2개의진동자를직육면체의 Horn에부착하여 40 khz의진동을주면 Horn에 40~90 khz의복합공진이발생하여동싱에다양한주파수를나타냄 34

35 28 khz다주파와 40 khz다주파두종류로분류됨 세정강도가단주파에비해약하나정재파문제가없으므로피세척물의균일세정에유리함 수위및와류에의한출력감쇠가적고진동판의수명이길어유지보수가용이함 그림 8 초음파진동자체결방법 (3) 고주파식 (1Mhz) 초음파세척기 고주파식초음파세척기는특별히반도체및 LCD등의초정밀세척을위하여개발 된제품으로캐비테이션에의한강력한파워대신큰입자가속도를이용하여세척 하는방식이다. 이방식은초정밀세척(SUBMICRON, 0.1 μm) 이가능한특징이있 다. 이방식은다시반도체등에적합한침지식과대면적 LCD 에적합한스프레이식( 샤 워식, 제트식, 펄스식등메이커에따라다양한이름으로불리고있음) 초음파가있 다. 다. 초음파세척의원리 초음파세척은주로초음파의캐비테이션현상에의해이루어진다. 캐비테이션현 상은초음파가용액중으로전파될때초음파의큰압력변화에의해미세기포군이 생성되고소멸되는현상으로매우큰압력과고온을동반한다. 이압력과고온은 수백분의 1초에서수천분의 1 초단위의짧은시간동안발생한다. 이러한강력한 힘에의해오염물질을분산및분해시키며또한세척제의효과를극대화시킬수있 게된다. 한편, 고주파의경우에는초음파의특성상이러한종류의캐비테이션은일 어나지않고액체분자의입자가속도가매우커지게된다. 가속도는큰마찰력및 충격력을발생시키므로이를이용하여초정밀세척을하게된다. 초음파발진장치로부터전기신호가진동판의진동자로인가되면이진동자는기계 신호로변환하고, 이변환된기계신호는수중의매질을통하여진동하여, 음압의변 호로케비테이션현상을발생시켜이물의박리및제거에사용하는것을초음파세 정이라고한다. 35

36 라. 캐비테이션현상 (1) 초음파세정시스템. 그림 9 초음파세정시스템 초음파의감압측의반주기로음의압력이발생하기때문에액체속에공동이발생 증압측의반주기에밀려일그러져서그때에발생하는충격적인큰압력에비해수축과팽창을반복적으로동작 표면장력이상의압력에의하여수축폭발이일어나는현상 수축폭발에의해서발생한매우미세한기포들이피세척물의이물을박리및제거 그림 10 케비테이션현상 36

37 초음파세척의원리는그림 11과같이초음파의음압효과와캐비테이션효과 2가 지로나누어볼수있다. 캐비테이션에의한효과는기포의진동에의한교반효과 와기포의폭발에의한기계적, 회화적, 열적효과로나누어볼수있다. 그림 11 초음파세척의원리 그림 12 캐비네이션현상 캐비테이션에의해오염이제거되는과정은다음과같다. 그림 12(a) 와같이캐비 테이션기포가폭발하여오염물질사이에틈을만들고 들이침투차여폭발함으로써완전하게오염물질을탈착하게된다. (b) 와같이그틈으로기포 (2) 1 캐비테이션기포의생성과정 용역내에강력한초음파를조사하면압축력( 정압) 과팽창력( 부압) 이반복적으로 나타나게된다. 2 발생됨 부압주기때에액중의미세한이물질혹은기체분자를중심으로기포( 공동) 가 3 이기포는다음의압축주기때에고압으로압축된다. 압축력이용액의표면장 력보다작을때기포는소멸되지않는다. 4 기포는다음의부압때다시팽창한다. 부압의세기가어느수준이상이면기포 의입경은커진다. 37

38 5 이과절을무수히반복하면서점점입경이커지게된다. 6 어느일정압력이상( 용액의표면장력이상) 이되면이기포는단번에수축폭 발하면서매우큰충격파를일으키게된다. 그림 13 캐비테이션기포의생성과정 (3) 캐비테이션임계값 캐비테이션발생이시작될때의액체압력을임계값이라고한다. 이값은실험조건 에따라다르고, 특히액체의물리적, 화학적인성질에많을영향을받는다. 캐비테 이션발생시점의기준에대해서는여러가지의의견이있지만강력초음파응용에 서는눈으로보아캐비테이션기포가발생하는시점으로규정한다. (4) 초음파주파수와캐비테이션발생 5 khz이하 주파수에관계없이캐비테이션을일으키는음의강도는일정 10 khz이상 음의강도가점점커짐 수십kHz대 실용주파수대 100 khz이상 매우커짐 주파수가높을수록더높은파워( 음의강도) 가요구되는이유는주파구가높을수록 기포가충분히커질수있는시간적인여유가점점줄어들기때문이다. 실용적으로 캐비테이션을효과적으로이용하려면수십kHz대의것을사용하는것이좋다. 38

39 (5) 기포의수축과온도상승기포가초음파의압력을받아수축할때기포의내부는고온상태가된다. 이론적으로계산하면수천도까지되지만실제로는방열등에의해온도상승이크지않다. 그러나순간적으로는고열이발생한다는것을알수있다. (6) 기포의수축과압력상승기포가수축되면기포내부의압력은상승한다. 실제로이압력을측정할수는없지만대략수십기압에서수천기압정도일것으로추정된다. 마. 초음파세척의주요물리적특성 (1) 온도 물인경우온도가높을수록캐비테이션강도가약해지고캐비테이션기포의수는 증가한다. 캐비테이션강도는용액의기화점(boiling Point) 부근에서는매우약해진다. 용제(Solvent) 의경우에는기화온도보다 10 도낮게사용함. 또한화학적인안전 성관계에따라서도온도설정이영향을받는다. 소음과의관계 높은온도에서는큰소음이발생하기때문데소음을줄일필요 가있을경우에는낮은온도로사용하는것이좋다. 그림 14 캐비테이션현상 39

40 (2) 용액속의용존가스 용액안에녹아있는용존가스는캐비테이션강도를약화시킨다. 예를들면일반 물에는 8 ppm정도의산소가녹아있는데이를 0.5 ppm까지제거하면초음파의 세기는약 5 배까지강해진다. 최근에는세척의품질관리측면에서특히중요성이 높아져가고있다. (3) 용존가스의제거법 전용탈기장치사용 : 중공사를이용한공기제거장치를이용하면빠른시간안에완벽한탈기를행할수있다. 초음파의단속적인조사, 특히초음파를펄스형으로동작시키면탈기효과가있다. 용액의가열 : 용액을끊이면포화용존가스량이줄어드는효과가있다. 세제류의이용 : 세제를이용하면표면장력이증가하여공기와액체와의결합이약해진다. (4) 표면장력(Surface Tension) 표면장력이큰액체에서는캐비테이션강도가강해진다. 그러나발생하기는어렵다. (5) 초음파주파수 고주파일수록캐비테이션강도는낮아지지만기포의크기가미세해지므로정밀세척 에유리하며소음레벨이낮아진다. ㆍ초음파주파수의입경의관계 입경 0.4 μm이상에서는 28 khz 입경 0.1μm이하에서는 300 khz이상 그사이에서는 40~50 khz대를이용함 40

41 그림 15 초음파주파수와침투력의관계 바. 초음파세척각론 (1) 정재파세척(Standing Wave Problem) ㆍ정재파란파형이정지하고있는것과같은에너지분포를나타내는현상 ㆍ단일주파수방식의초음파에서는매 1/4 주기(25 khz일때의약 30 mm) 마다고 저의음압분포가형성됨. ㆍ정재파문제를극복하기위한여러방안 피세척물을세척탱크내에서상하운동시키는것 초음파방사면을특수하게제작하는것 측면에진동자를부가하는방법 초음파의주파수를높이는것 두개이상의초음파를이용하는것 단일주파수를연속가변(Sweep) 하는것 41

42 그림 16 정재파세척 (Standing Wave e Problem) (2) 다주파방식 ㆍ특수구조의복합주파수방식: 진동자를특수하게사각형태로하여모서리에서 생기는복합공진을이용하는방식으로현재가장널리사용되고있으며가까운장 래에표준기종이될전망이다. ㆍ 2 주파방식 : 기본주파수와 1차고조파를적극적으로이용하는방식으로일본에 서는많이사용하는방식이지만호환성및파워의균일성이모자라좋은효과를얻 지못하고있다. ㆍ 진동자스위칭방식 : 2 종류이상의진동자를장치하여사용하는방법. 발진기가 2 대이상필요하다. 42

43 그림 17 다주파방식 (3) 스위프방식(Sweep frequency FfM 방식이라고도한다.) 공진주파수부근에서주파수를스위프( 연속가변) 시켜정재파의영향을분산시키 는방식이다. 정밀세척용으로많이사용되고있다 43

44 그림 18 스위프방식 (4) 출력변동 초음파세척기는세정액의높이나부하 피세척물 에따라출력이변동하는문 제를가지고있다. 특히단주파방식에서는매우변등폭이커서무부하때의 20~30 % 정도에불과한경우도있다. 그림 19는 NTK의 24 khz 300 W 투입형진동 자로실험한것으로수심과전기입력의관계를보여주고있다. 이그래프에서보 면수심의작은변화에도출력이크게변화한다는것을알수있으며, 약 30 mm 마다출력이주기적으로변동한다. 이현상은기본적으로초음파진동자의특성변 화 임피던스 에기인하는것으로단주파진동자특유의공진특성에서비롯된 다. 즉 BLT진동자는 2개의압전소자와그앞뒤를구성하는금속블록의공진을이 용하는것인데, 초음파세척탱크와연결되면탱크내용액의높이가또다른공진 블록처럼되어전체공진특성에영향을미치게된다. 따라서수위의미세한변화 가공진주파수및임피던스에큰변화를일으킨다. 그림 19 수심과전기입력의관계 44

45 이현상을면밀하게검토하면진동자의특성변화는정재파현상과매우밀접한관계 가있다는것을알수있다. 즉세정액이공진블럭으로써의역할을하게될때는 정재파가형성되기때문이다. 따라서정재파현상이적으면출력변동도작아지고 정재파현상이크면출력변동도크게된다. 따라서출력변동을없애기위해서는먼 저정재파를제거해야한다. 또한발진기회로내에진동자의특성변화를보상해줄 수있는정전력회로를사웅하면개선효과를볼수있다. 상대적으로다주파및 고주파방식에서는이런문제가없다. 사. 세제와오염물질의종류 초음파세척을적절하게활용하기위해서는다음의여러가지사항에대해조사분석할필요가있다. 오염물질의종류와표면에붙어있는정도 피세척물의표면성질과형상 피세척물의부피와조작의편리성 요구되는세척의정도 초음파에의해제거될오염물질의종류는보통다음부류중의하나가된다. 1 가용성물질 2 가용성의바인더에의해결합된비가용성물질 3 기계적결합이나이온결합에의해붙어있는비가용성물질 초음파에의한교반과캐비테이션은이러한종류의오염물질을모두제거할수있 다. 처음의경우에세척효과는세제와초음파의화학적효과에의해생기며, 3번째 의경우는일차적으로초음파의기계적효과에의해생긴다. 오염물질의종류와표면에붙어있는정도 피세척물의표면성질과형상 피세척물의부피와조작의편리성 요구되는세척의정도 (1) 가용성물질(Soluble contaminants) 초음파는용제와가용성물질을교반시켜이러한종류의불순물을제거할수있 다. (2) 가용성바인더에의해결합된비가용성물질 (Nonsoluble contaminant held by a soluble biner) 45

46 초음파의충격력과교반작용에의해입자를떨구어낸다. (3) 비가용성물질(Nonsoluble contaminant) 붙어있는물질을초음파캐비테이션에의한충격파로제거하여세척할수있다. (4) 세척용액의선정 적절한세척용액의선정은초음파세척기에서 1 차적으로중요한요소이다. 세제의선정에있어서고려되어야할요소들은용해력, 가연성, 경제성, 환경영향, 초음파와의적합성여부이다. 3. 고품질초음파조성설계에대한기술지원 가. 조성설계개요 BaTiO 3 세라믹스에처음으로압전성이개발된이후많은화학적개량과응용으로 의연구가이루어졌으나낮은상전이온도(Tc=120 ) 와압전특성(kp=0.354) 등 의이유로그응용에많은제약을받았다. 이후 Perovskite형압전세라믹스로 PbTiO 3, PbZrO 3, PbSnO 3, PbHfO 3 등많은연구가이루어졌으며, 특히, Jaffe에의 해 PbTiO 3 와 PbZrO 3 의고용체에서정방정계 삼방정계의상경계(MPB; Morphotropic Phase Boundary) 에서강한압전성을가지며 390 의 Curie temperature를가지는 Pb(Zr,Ti)O 3 고용체가발견됨에따라서이 Pb(Zr,Ti)O 3 세라 믹스를사용하여압전정효과및역효과를이용한 transducer, actuator, filter, resonator, transformer 등압전세라믹스의활용에대한연구가광대하게이루어졌 으며, Smolenski에의해이 PZT세라믹스에새로이화합물을가해고용시킨 3성분 계에관한많은연구가이루어졌으며, B자리에다른원자가를가지는 A 2+ (B 1/3 2+ B 2/3 5+ )O 3, A 2+ (B 1/2 2+ B 1/2 5+ )O 3, A 2+ (B 1/2 2+ B 1/2 6+ )O 3, A 2+ (B 2/3 3+ B 1/3 6+ )O 3, A 3+ (B 2+ 1/2 B 4+ 1/2 )O 3, (A 1+ 1/2 A 3+ 1/2 )O 3 등의복합 Perovskite 화합물에관한연구가활 발히이루어졌다. 표7에복합 Perovskite 화합물의예를나타내었다. 46

47 표 5 복합합 perovskite 화합물의예 압전특성조절방법으로주조성인 Pb(ZrxTiy)O 3 ( 이하 PZT) 로서, 여기에복합페 롭스카이트다성분계로상업화되어있다. 첨가하는첨가제는크게 3종류로서 softner, harder, stabilizer 로구분할수있다. 47

48 Softner는주로 donor doping으로서 PZT재료의 Pb 자리에 +3 가이온, Zr, Ti 자리 에 +S가이온이첨가된경우로서 Pb 공공(vacancy) 이형성되도록하는경우이다. PZT에 donor 가첨가될경우하기와같은특성변화가생긴다. 1 increased dielectric constant 2 high dielectric loss 3 increased elastic compliance 4 low mechanical Q 5 high piezoelectric coupling factor 6 low coercive field, relatively square hysteresis loop 7 greatly increased electrical volume resistivity 8 anomalousiy small aging effects 9 easy nonelastic mechanical deformation 10 yellow color 11 easy phototropic darkening 12 translucency. PZT에 donor효과를내는첨가제는원자가와이온반경을고려할때표에열거한 원소들을고려할수있다. 그러나표에나타낸원소들이반드시 donor 역할을하는 것이아니며또한원자가상태가여러가지로존재하는경우는현상이복잡해지며, A, B 자리양쪽에들어가는경우 donor 나, acceptor 도아닌경우가있다. Hardner는주로 acceptor doping으로서 Pb 자리에 +1가이온이치환되거나 Zr, Ti 자리에 +3 가, +2 가이온이치환될경우로서산소공공(Oxygen vacancy) 이형성된 다. 이경우하기와같은전기적현상이일어난다. 1 relatively low dielectric constant 2 low dielectric loss 3 moderately lowered electrical resistivity 4 high mechanical Q 5 high coercive field 6 more difficult poling and depoling 7 relatively dark color 8 relatively insensitivity to darkening by light 48

49 일반적으로 PZT 세라믹스는상경계영역(MPB) 에서가장높은유전율과전기기계결 합계수를가지며, 상경계영역에서는두상이공전하므로분극과정에서쌍극자가재 배열할수있는결정학적방향이많아분역(domain) 의재배열이용이하므로강한 압전효과를나타낸다. 또한초음파세척기는 high mechanical Q 와 high piezoelectric coupling factor, 려하여조성을설계하였다. 그리고높은 Tc를요구하기때문에이러한점을고 따라서본개발지원에서는기포실험을통해서확보한 결과를기초로해서 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 )O 3 + Pb(Zr x Ti 1x )O 3 (PCMNPZT) 시스템과 Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O 3 + Pb(Zr x Ti 1x )O 3 (PSNPZT) 시스템의조성개발을통해서기술지 원을진행하였다. 또한이러한조성등의최적의공정을확보하기위해서여러소 결온도, 소결시간에서제작하였으며, 각각에대해서첨가제를첨가하여미세조직과 특성을파악하였다. 나. 실험방법 본과제에서진행한기본적인실험방법은일반적인새라믹재조공정으로진행하였 다. PbO (Aldrich, 99.9%), Nb 2 O 5 (Aldrich, 99%), TiO 2 (Aldrich, 99.9%), MnO ( 고순도화학, 99.9%), ZrO 2 ( 고순도화학, 99.9%), CaCO 3 (Aldrich, 99.9%), 이며, 전자 저울을사용하여원료분말을 ±0.1 mg 의오차범위에서정밀하게평량하였다. 평량 한분말의혼합은 HDPE jar에서지르코니아볼을사용하여습식으로 36시간하였 다. 혼합된시료는 에서건조한후, 850 에서 2 시간하소하였다. 하 소분말은지르코니아볼을사용하여습식으로 48 시간을분쇄하였다. 충분히건조 시킨후이를일축성형하여시편을만들었다. 성형시편들은여러온도에서소결하 였으며, 소결된시편은 siiver paste 로전극처리하였으며, 처리된시편은 120 의 실리콘절연유내에서 2.5 kv/mm의직류전류계를 15분인가하어분극처리하였 다. 소결시편의상합성과결정구조등은 XRD(Mac Science KFX987228SE) 로 분석하였으며, 시편의미세구조는주사전자현미경(SEM Topcon SM300) 과광학 현미경(Olympus SZ60) 으로분석하였다. 다조성개발내용 먼저 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 )O 3 + Pb(Zr x Ti 1x )O 3 (PCMNPZT) 시스템을기본조성으로 하여 Zr/(Zr+Ti) 첨가량에따른압전특성의변화를조사하였으며, 그실험결과를 다음과같이요약하여정리하였다. 그림 20과그림 21은 1200 서 2시간소결한 0.08 Pb(Ca1/4Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 (x, Zr/(Ti+Zr)=0.505, 0515, 0.525, 0.535, 0.545) 조성에서의 Zr/(Ti+Zr) 첨가량에따른유전상수와 Capacitance 를나타내었다. Zr/(Ti+Zr) 가증 가함에따라유전상수와 Capacitance 가감소하였으며, 결정구조의변화와밀접한 관계가있는것을보인다. 49

50 그림 20 Die ielectric ectric Constant (ε ( r ) of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) x=0.505, (b) x=0.515, (c) 1x x=0.525, (d) x=0.535 그림 21 Capacitance of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x 1x )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) x=0.505, (b) x=0.515, (c) x=0.525, (d) x=0.535 그림 22와그림 23은 1200 에서 2시간소결한 0.08 Pb(Ca1/4Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 (x, Zr/(Ti+Zr)=0.505, 0515, 0.525, 0.535, 0.545) 조성에서의 Zr/(Ti+Zr) 첨가량에따른압전전하상수(d 33 ), 압전전하상수 (g 33 ) 을나다낸것이다. 50

51 압전전하상수 (d 33 ) 는 Zr/(Ti+Zr) 가증가함에따라전반적으로감소하는경향을보이 고있으며압전전하상수 (g 33 ) 는반대로증가하는경향을보이고있다. 압전전하상 수는전기기계결합계수 (k p ) 와유전상수에의해주로결정되어지는데, 그림에서나타 낸 Zr/(Ti+Zr) 에따른유전상수의변화와유사한형태를보여주고있다. 그림 22 Piezoe oelectric ectric constant (d 33 ) of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 33 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) x=0.505, (b) x=0.515, (c) 1x x=0.525, (d) x=0.535 그림 23 Piezoe oelectric ectric constant (d 33 ) of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 33 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) x=0.505, (b) x=0.515, (c) 1x x=0.525, (d) x=

52 그림 24는 1200 에서 2시간소결한 0.08 Pb(Ca1/4Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 조성에서의 Zr/(Ti+Zr) 비에따른기계적품질계수(Q m ) 를나타낸것이 다. 기계적품질계수(Q m ) 는 Zr/(Ti+Zr) 비가증가함에따라증가하는하였고, 0545조 성에서 1400 정도의최대값을나타내었다. 그림 24 Mechanical l quaq ualit ity factor (Q ( m ) of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) x=0.505, (b) x=0.515, (c) 1x x=0.525, (d) x=0.535 그림 25은 1200 에서 2시간소결한 0.08 Pb(Ca1/4Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 (x, Zr/(Ti+Zr)=0.505, 0515, 0.525, 0.535, 0.545) 조성에서의 Zr/(Ti+Zr) 첨가량에따른전기기계결합계수(k p ) 를나타낸것이다. 전기기계결합계수 는 Zr/(Ti+Zr) 비가 조성영역에서우수한전기기계결합계수특성을나타낸것은 분극가능한축이공존하는상경계영역에서분극특성이향상됨에따라나타난것 으로보인다. 52

53 그림 25 Electro E ectromechanica echanical Coupling factor (K ( p ) of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) x=0.505, (b) x=0.515, (c) 1x x=0.525, (d) x=0.535 표 6 Zr/(Ti+Z +Zr) 조성변화에따른압전특성 그림 26는 1200 에서 2시간소결한 0.08 Pb(Ca1/4Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 조성에서의주사전자현미경(SEM) 사진이며, 그림에나타낸바 와같이전체적으로평균입경이 입도분포도일정하게나타난것을알수있다. 2 3 μm정도로일정한결정립을나타내었으며, 53

54 (a) 2k 배율 (b) 3k 배율 (c) 5k 배율 그림 26 SEM micrographs of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 sintered at 1200 for 2 hrs 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x 1x )O 3 지금까지의결과를기초로해서가장우수한특성을나타낸 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 기본조성으로하여 Mn Source를 변화시켜가며압전특성을조사하였으며, 그실험결과를다음과같이요약하여정 리하였다. 이때사용한 Mn Source는 MnO, MnO 2, Mn 2 O 3, Mn 3 O 4 4 가지로하였다. 그림 27은 1200 에서2시간소결한 0.08 Pb((Ca1/4Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 기본조성조성에서 Mn Source 변화에따른 X선회절결 과를나타내었다. 그림에서보는바와같이전체조성에서잘합성된것을확인하였 으며, 기본회절선(fundamental reflection) 이순차적으로이동하기때문에잘고용 되어있음을알수있다. 54

55 그림 27 Xra ray diffraction patterns of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn Pb(Zr Ti /4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) MnO,, (b) MnO 2,, (c) Mn 2 O 3, (d) Mn 3 O 4 그림 28과그림 29는 1200 에서 2시간소결한 0.08 Pb(Ca1/4Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 기본조성조성에서의 Mn Source 변화에따른유전상수와 Capacitance 를나타내었다. MnO 2 첨가조성에서 600정도의최대유전상수를나타 내었다. 그림 28 Die ielectric ectric Constant (ε ( r ) of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn Pb(Zr Ti /4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) MnO,, (b) MnO 2,, (c) Mn 2 O 3, (d) Mn 3 O 4 55

56 그림 29 Capacitance of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn sintered at /4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 for 2 hrs (a) MnO,, (b) MnO 2,, (c) Mn 2 O 3, (d) Mn 3 O 4 그림 30과그림 31은 1200 에서 2시간소결한 0.08 Pb(Ca1/4Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 기본조성조성에서의 Mn Source 변화에마른압전전하상 수 (d 33 ), 압전전하상수 (g 33 ) 을나타낸것이다. 압전전하상수(d 33 ) 는 Mn 3 O 4 첨가조성 에서 161 의최대값을나타내었으며, 압전전하상수 (g 33 )F 35의높은값을나타내었 다. 그림 30 Piezoe oelectric ectric constant(d 33 ) of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn Pb(Zr Ti /4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) MnO,, (b) MnO 2,, (c) Mn 2 O 3, (d) Mn 3 O 4 56

57 그림 31 Piezoe oelectric ectric constant(d 33 ) of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn Pb(Zr Ti /4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) MnO,, (b) MnO 2,, (c) Mn 2 O 3, (d) Mn 3 O 4 그림 32와그림 33은 에서 2시간소결한 0.08 Pb(Ca1/4Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 기본조성조성에서의 Mn Source 변화에따른기계적품 질계수 (Q m ) 외전기기계결합계수(k p ) 를나타낸것이다. 전기기계결합계수는 Mn 3 O 4 첨가조성에서급격히증가하는경향을나타내었다. 그림 32 Mechanical l quaq ualit ity factor (Q ( m ) of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn Pb(Zr Ti /4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) MnO,, (b) MnO 2,, (c) Mn 2 O 3, (d) Mn 3 O 4 57

58 그림 33 Electro E ectromechanica echanical Coupling factor (K ( p ) of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 0.92 Pb(Zr Ti /4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) MnO,, (b) MnO 2,, (c) Mn 2 O 3, (d) Mn 3 O 4 표 7 Mn Source 변화에따른압전특성 지금까지의실험을토대로추가실험을진행하였다. 이에조성은 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 )O 3 + Pb(Zr x Ti 1x )O 3 (r=0.475,0.485,0.495,0.505) 시스템을기 본조성으로하여 Zr/(Zr+Ti) 첨가량에따른압전특성의변화를조사하였으며, 그실 험결과를다음과같이요약하여정리하였다. 58

59 (a) (b) (c) (d) 그림 Pb(Ca 1/4 Mn (e) (f) 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) Die ielectric ectric Constant (ε ( r ), (b) Capacitance, (c) Piezoe oelectric ectric constant(d 33 ), (d) Piezoe oelectric ectric constant(g 33 )(e) Mechanical l quaq ualit ity factor (Q ( m ), x (f) Electro E ectromechanica echanical Coupling factor (K ( p ) 59

60 표 8 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 syste stem 의압전특성 1x 지금까지의실험결과를기본으로해서가장우수한특성을나타낸 Mn 3 O 4 사용하여 Zr/(Zr+Ti) 첨가량변화를크게하여실험하였으며, 그기본식은다음과같다. 기본식 : 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 ( x=0.485, 0.497, 0.505, 0.515, 0.525, 0.535, ) 이조성에서 Zr/(Zr+Ti) 첨가량과소결온도에따른압전특성의변화를조사하였으 며, 그실험결과를다음과같이요약하여정리하였다. 그림 35는 1200 에서 2시간소결한 0.08 Pb(Ca1/4Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 (x=0.485, 0.495, 0.505, 0.515, 0.525, 0.535, ) 조성에서의 Zr/(Ti+Zr) 첨가량에따른 X 선회절결과를나타내었다. 전체조성에서첨가량이 증가함에따라 (110) 기본회전선(Fundamental reflection) 이순차적으로이동하기 때문에 Zr/(Ti+Zr) 변화량에관계없이전체조성에서잘고용되어있음을알수있 다. 삼방정(rhombohedral) 구조와정방정(tetragonal) 구조를나타내는 X선회절 peak가 20=45 부근에서존재하며, 정방정구조는 (200) 과 (002) 면이공존하며, 삼 방정구조는 (200) 면만존재하는데, 이들회절 peak에의하여상경계지점을판단 할수있다. 본실험결과를보면 Zr/(Ti+Zr) 가증가함에따라정방정(tetragonal) 구조에서삼방정 (rhombohedral) 구조로전이되는것을알수있으며, 조성부근에서상경계 (Morphotropic Phase Boundary) 조성임을알수있다. 또한특성에영향을미치는 것으로알려져있는 2차상인 pyrochlore(2 θ=28 부근에서관찰) 상은전체조성에서 관찰되지않았다. 60

61 그림 35 Xra ray diffraction patterns of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) x=0.485, (b) x=0.495, (c) 1x x=0.505, (d) x=0.515, (e) x=0.525, (f) x=0.535, (g) x=0.545 그림 36은 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 (x=0.485, 0.495, 0.505, 0.515, 0.525, 0.535, ) 조성에서의 Zr/(Ti+Zr) 첨가량과소결온도에 따른유전상수를나타내있다 에서소결한시편의경우 Zr/(Ti+Zr) 가증가함 에따라유전상수가증가하였으며, 조성이상에서는오히려감소하는경향을 나타내고있다 에서소결한시편에서 Zr/(Ti+Zr) 전체조성에서가장놓은 특성을나타내었다. 유전상수가 Zr/(Ti+Zr) 과소결온도에따라차이가있는것은결 정구조에서볼수있듯이유전특성이최대가되는상경계 (Morphotropic Phase Boundary) 영역의차이에서나타나는결과로보여진다. 61

62 그림 36 Die ielectric ectric Constant (ε ( r ) of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn Pb(Zr x Ti 1x 1x )O 3 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O 그림 37은 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 ( x=0485, 0.495, 0.505, 0.515, 0.525, 0535, 0.545) 조성에서의 Zr/(Ti+Zr) 첨가량과소결온도에따 른기계적품질계수 (Q m ) 을나타낸것이다. 기계적품질계수 (Q m ) 는소결온도가증가함에급격히증가하는영역을보여주고있 으며, 전반적으로 400에서 1800 정도의값을나타내었다. 이것은 Mn이 acceptor 로작용하기때문에나타나는결과이다. Hardner는주로 acceptor doping으로서 Pb 자리에 +1가이온이치환되거나 Zr, Ti 자리에 +3 가, +2 가이온이치환될경우로서산소공공(Oxygen vacancy) 이형성된다 이것은 Mn 첨가에의하여전하보상을위하여생성된산소공공(vacancy) 가도메 인벽(Domain wall) 의이동을억제하기때문에 Q m 값이증가하는것으로보여진다. 62

63 그림 38 Mechanical l quaq ualit ity factor (Q ( m ) of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn Pb(Zr x Ti 1x )O 3 1x Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O 그림 38은 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 ( x=0485, 0.495, 0.505, 0.515, 0.525, 0535, 0.545) 조성에서의 Zr/(Ti+Zr) 첨가량과소결온도에따른전기기계결합계수 (k p ) 를나타낸것이다. Zr/(Ti+Zr) 첨가량이 0.515조성에서최대값을나타내었으며, 이것은분극가능한축이공존하는상경계영역에서분극특성이향상되기때문으로보인다. 즉상경계영역에근접함에따라정방정(tetragonal) 구조에서는분극가능한축방향이 6 개이고삼방정(rhombohedral) 구조에서는분극가능한축방향이 8개이므로두구조가공존하는상경계영역에서는분극가능한축방향이 14개가되기때문이다 그림 33 Electro E ectromechanica echanical Coupling factor (K ( p ) of 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 0.92 Pb(Zr x Ti 1x )O 3 1x Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O 3 63

64 표 9 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 syste stem 압전특성 1x 4. 고품질초음파조성설계에대한기술지원 본기술지원에서는고품질의초음파진동자를개발하기위해서새로운조성시스템 을설계하여제작하였다 Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 (PSNPZT+Mn) 시스템을기본조성으로하여 Zr/(Zr+Ti) 첨가량에따른압 전특성의변화를조사하였으며, 그실험결과를다음과같이요약하여정리하였다. 그림 39는 0.04 Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 (x, Zr/(Ti+Zr)=0.485, 0.495, 505, 515, 0.525) 조성이서의 Zr/(Ti+Zr) 첨가량과소결 온도에따른밀도를나타내었다. Zr/(Ti+Zr) 의전체범위에서 0.78 g/ cm3에서 0.83 g/ cm3의높은밀도를나타내었다. 64

65 그림 39 Densit ensity of 0.04 Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 그림 40, 41은 0.04 Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 (x, Zr/(Ti+Zr)=0.485, 0.495, 505, 515, 0.525) 조성에서의 Zr/(Ti+Zr) 첨가량과소 결온도에따른유전상수와 Capacitance 를나타내었다. Zr/(Ti+Zr) 가증가함에따라 유전상수와 Capacitance가증가하였다가 조성이상에서감소하였으며, 전체 소결온도영역에서같은경향을보여주고있다. 소결온도가증가함에따라유전상 수가전체적으로증가하였으며, 1200 에서소결한시편에서 Zr/(Ti+Zr) 전체조성 에서가장놓은특성을나타내었다. 그림 40 Die ielectric ectric Constant (ε ( r ) of 0.04 Pb(Sb 1/ wt% MnCO 3 1/2 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x 1x )O 3 65

66 그림 41 Capacitance of 0.04 Pb(Sb 1/2 1/2 Nb 1/2 MnCO 3 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% 1x 그림 42, 43은 0.04 Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 (x, Zr/(Ti+Zr)=0.485, 0.495, 505, 515, 0.525) 조성에서의 Zr/(Ti+Zr) 첨가량과소 결온도에따른압전전하상수 (d 33 ). 압전전하상수 (g 33 ) 을나타낸것이다. 압전전하상 수 (d 33 ) 는 Zr/(Ti+Zr) 비가 조성에서최대값을최대값을나타내었다가그이상 조성에서다시완만하게감소하는경향을보이고있으며각소결온도에서의압전전 하상수는 280에서 300 정도의값을나타내었다. 압전상수 (d 33 ) 는전기기계결합계수(k p ) 와유전상수에의해주로결정되어지는데, 그 림에나타난 Zr/(Ti+Zr) 비에따른유전상수와전기기계결합계수(k p ) 의변화와유사 한형태를보여주고있으며, 이것은이방성증가에따른분극값의증대와상경계 영역에서의결정구조변화등의복합적인효과에위해서나타난결과로생각된다. 압전전하상수 (g 33 ) 는 Zr/(Ti+Zr) 비가증가함에따라완만하게증가하는경향을나타 내고있다. 66

67 그림 42 Piezoe oelectric ectric constant(d 33 ) of 0.04 Pb(Sb 1/2 33 Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 1x 1/2 Nb 1/2 1/2 )O 그림 43 Piezoe oelectric ectric constant(g 33 ) of 0.04 Pb(Sb 1/2 33 Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 1x 1/2 Nb 1/2 1/2 )O 그림 44은 0.04 Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 (x, Zr/(Ti+Zr)=0.485, 0.495, 505, 515, 0.525) 조성에서의 Zr/(Ti+Zr) 첨가량과소결 온도에따른품질계수 (Q m ) 를나타낸것이다 에서 2시간소결한조성에서 1942 의최대값을나타내었다. 67

68 그림 44 Mechanical l quaq ualit ity factor (Q ( m ) of 0.04 Pb(Sb 1/2 Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 1x 1/2 Nb 1/2 1/2 )O 그림 에서의 45는 0.04 Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 조성 Zr/(Ti+Zr) 첨가량과소결온도에따른전기기계결합계수(k p ) 를나타낸것이 다. 전기기계결합계수는 0.505조성까지급격히증가하였다가그이상조성에서완 만하게감소하는경향을나타내고있다. 전기기계결합계수의최대값은 이며, 그림의유전상수의변화와일치함을알수있다. 그림 45 Electro E ectromechanica echanical Coupling factor (K ( p ) of 0.04 Pb(Sb 1/ Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 1x 1/2 Nb 1/2 1/2 )O 3 68

69 표 10 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 syste stem 압전특성 1x 지금까지의실험결과를토대로가장우수한특성을나타낸 0.04 Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O Pb (Zr Ti ) O 3 조성을기본조성으로하고 MnCO 3 첨가량을변화 하어실험을진행하였다 Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O Pb (Zr Ti ) O 3 + x wt% MnCO 3 (X=0, 0.25, 05, 0.75, 1.0 wt%) 시스템을기본조성으로하여 MnCO 3 첨가량에따른압 전특성의변화를조사하였으며, 그실험결과를다음과같이요약하여정리하였다. 그림 MnCO 3 46은 0.04 Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O Pb (Zr Ti ) O 3 + x wt% (x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 wt%) 조성에서의 MnCO 3 첨가량과소결온도에 따른유전상수를나타내었다. MnCO 3 첨가량이증가함에따라유전상수는감소하였 다가 0.25 wt% 조성이상에서증가하는경향을나라내고있다. 소결온도가증가함 에따라유전상수가전체적으로증가하였다. 69

70 그림 46 Die ielectric ectric Constant (ε ( r ) of 0.04 Pb(Sb 1/2 Ti /2 Nb 1/ ) O 3 + x wt% w MnCO 3 1/2 ) O Pb (Zr ( 그림 MnCO 3 47은 0.04 Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O Pb (Zr Ti ) O 3 + x wt% (x=0, 0.25, 0.5, 0.75, 1.0 wt%) 조성에서의 MnCO 3 첨가량과소결온도에 따른압전전하상수 (d 33 ) 는 MnCO 3 첨가량이 0.25인조성에서최소값을나타내었다 가그이상조성에서다시완만하게증가하는경향을보이고있다. 압전전하상수 (d 33 ) 는전기기계결합계수(k p ) 와유전상수에의해주로결정되어지는데, 그림에나타난 MnCO 3 유사한형태를보여주고있다. 첨가량에따른유전상수와전기기계결합계수 (k p ) 의변화와 70

71 그림 47 Piezoe oelectric ectric constant (d 33 ) of 0.04 Pb(Sb 1/2 (Zr Ti ) O 3 + x wt% w MnCO 3 1/2 Nb 1/2 1/2 ) O Pb 그림 48은 0.04 Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O Pb (Zr Ti ) O 3 + x wt% MnCO 3 조성에서의 MnCO 3 첨가량과소결온도에따른기계적품질계수 (Q m ) 를나타 낸것이다. 기계적품질계수 (Q m ) 는 MnCO 3 첨가량이증가함에따라증가하는경향 을보이고있다. 이것은 MnCO 3 첨가에의하여전하보상을위하여생성된산소공 공(vacancy) 가도메인벽(Domain wall) 의이동을억제하기때문에 Q m 값이증가하는 것으로보여진다. 그림 48 Mechanical l quaq ualit ity factor (Q ( m ) of 0.04 Pb(Sb 1/2 (Zr Ti ) O 3 + x wt% w MnCO 3 1/2 Nb 1/2 1/2 ) O Pb 71

72 그림 49은 0.94 Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O Pb (Zr Ti ) O 3 + x wt% MnCO 3 조성에서의 MnCO 3 첨가량과소결온도에따른전기기계결합계수 (k p ) 를나타 낸것이다. 전기기계결합계수는 MnCO 3 첨가량이 0.25 wt% 조성에서급격히감소 하였다가그이상조성에서증가하는경향을나타내고있다. 그림 49 Electro E ectromechanica echanical Coupling factor (K ( p ) of 0.04 Pb (Sb 1/ Pb (Zr ( Ti ) O 3 + x wt% w MnCO 3 1/2 Nb 1/2 1/2 ) O

73 표 Pb (Sb 1/2 1/2 Nb 1/2 1/2 ) O Pb (Zr ( 압전특성 Ti ) O 3 + x wt% w MnCO 3 의 5. 균일한혼합을위한원료배합에대한기술지원 균질한혼합을위한원료배합에대한기술지원을하기위해서평량한분말의혼합 은 HDPE jar에서지르코니아볼을사용하여습식으로 36 시간하였다. 혼합된시료 는 100~150 에서건조한후, 850 에서 2 시간하소하였다. 하소분말은지르코 니아볼을사용하여습식으로 48 시간을분쇄하였으며그결과는다음과같다. 그림은 850 에서 2시간하소한 0.08 Pb(Ca1/4Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 조성에서의 X 선회절결과를나타내었다. 하소한분말의 X선 회절결과는일반적인패턴을보여주고있음을알수있다. 73

74 그림 50 Xra ray diffraction patterns of 0.08Pb(Ca 1/4 Mn +0.92Pb( 0.92Pb(Zr Ti )O 3 calcined cined at 850 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 )O 3 for 2 hrs 그림 51은 1150 에서 2시간소결한 0.08 Pb(Ca1/4Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 조성에서의 X 선회절결과를나타내었다. 그림에서보는 바와같이 (110) 기본회절선(Fundamental reflection) 이순차적으로이동하기때문 에잘고용되어있음을알수있다. 또한특성에영향을미치는것으로알려져있 는 2차상인 pyrochlore(2 θ=28 부근에서관찰) 상은전체조성에서관찰되지않았 다. 따라서이리한공정조건에서균질한혼합을어한윈료배합이잘이루어지는것 을확인하였다. 74

75 그림 51 Xra ray diffraction patterns of 0.08Pb(Ca 1/4 Mn +0.92Pb( 0.92Pb(Zr Ti /4 Mn 1/4 Nb 1/2 )O )O 3 sintered at 1150 for 2 hrs 그림 52은 1150 에서2시간소결한 0.04 Pb(Sb1/2Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 (x=0.485, 0.495, 0.505, 0.515, 0.525) 조성에서의 X선회절 결과를나타내었다. 그림에서보는바와같이 (110) 기본회절선(Fundamental reflection) 이순차적으로이동하기때문에잘고용되어있음을알수있다 에서 2시간소결한조성에서도이차상이없는페로브스카이트상을합성할수있 었으며 Zr/(Ti+Zr) 첨가량이증가함에따라삼방정 (rhombohedral) 구조와정방정 (tetragonal) 구조의공존범위가달라지는것을알수있으며, (200) 과 (002) 면의 분리된회절선이더약하게나타나는것으로보아삼방정구조로상전이가일어나 는것을알수있다. 이러한결과는소결온도가결정구조의변화에영향을받는 유전상수등의압전특성에영향을미칠것을의미한다. 또한특성에영향을미치 는것으로알려져있는 2차상인 pyrochlore(2 θ=28 부근에서관찰) 상은전체조성 에서관찰되지않았다. 따라서이러한공정조건에서균질한혼합을위한원료배합 이잘이루어지는것을확인하였다. 75

76 그림 52 Xra ray diffraction patterns of 0.04 Pb(Sb 1/2 1/2 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 sintered at 1150 for 2 hrs (a) x=0.485, (b) 1x x=0.495, (c) x=0.505, (d) x=0.515, (e) x=0.525 그림 53과그림 54는 1200 와 1250 에서 2시간소결한 0.04 Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 (x=0.485, 0.495, 0.505, 0.515, 0.525) 조성에서의 X 선회절결과를나타내었다. 그림에서보는바와 같이 1150 의결과와마찬가지로 (110) 기본회절선(Fundamental reflection) 이 순차적으로이동하기때문에잘고용되어있음을알수있으며, Zr/(Ti+Zr) 첨가량 이증가함에따라삼방정 (rhombohedral) 구조와정방정 (tetragonal) 구조의공존 범위가달라지는것을알수있으며, (200) 과 (002) 면의분리된회절선이더약하 게나타나는것으로보아삼방정구조로상전이가일어나는것을알수있다. 따라 서전체소결온도에서균질한혼합을위한원료배합이잘이루어지는것을확인하였 다. 76

77 그림 53 Xra ray diffraction patterns of 0.04 Pb(Sb 1/2 1/2 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 sintered at 1200 for 2 hrs (a) x=0.485, (b) 1x x=0.495, (c) x=0.505, (d) x=0.515, (e) x=0.525 그림 54 Xra ray diffraction patterns of 0.04 Pb(Sb 1/2 1/2 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 sintered at 1250 for 2 hrs (a) x=0.485, (b) 1x x=0.495, (c) x=0.505, (d) x=0.515, (e) x=0.525 그림 55와그림 56은각각 1250 에서 2시간과 4 시간소결한 0.04 Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 + x wt% MnCO 3 조성에서의 X선회 절결과를나타내었다. 마찬가지로 2차상에의한 peak 은관찰되지않았으며, 전체 조성에서잘고용되어있음을알수있다. 77

78 MnCO 3 첨가량이증가함에따라삼방정 (rhombohedral) 구조와정방정 (tetragonal) 구조의공존범위가달라지는것을알수있으며, (200) 과 (002) 면의분리된회절선이더강하게나타나는것으로보아정방정구조로상전이가일어나는것을알수있다. 따라서이러한공정조건에서균질한혼합을위한원료배합이잘이루어지는것을확인하였다. 그림 55 Xra ray diffraction patterns of 0.04 Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O Pb Ti ) O 3 + x wt% w MnCO 3 sintered at 1250 for 2 hrs (a) x=0, (b) x=0.25, (c) x=0.50, (d) x=0.75, (e) x=1 (Zr 그림 56 Xra ray diffraction patterns of 0.04 Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O Pb Ti ) O 3 + x wt% w MnCO 3 sintered at 1250 for 4 hrs (a) x=0, (b) x=0.25, (c) x=0.50, (d) x=0.75, (e) x=1 (Zr

79 6. 입도분포제어및충진밀도제어를통한성형기술에대한지원 가성형기술개요 (1) GRANULE ( 가) 중요성 제조기술 FINE CERAMIC들은일반적으로건식PRESS 성형공정을거쳐제품화하고있으며 이방법은비록제품의형성은단순하지만높은생산효율과재현성을얼을수있어 서각광받고있다. 건식PRES 성형법에서균일한성형체를얻기위해서는 GRANULE 의제반특성(FLOW ABILITY, 유동도, TAP DENSITY, GRANULE SIZE DISTRIBUTION ) 등이정확히조절되어야비교적균일한부피밀도의과립을얻을 수있고높은유동도와균일한 GRANULE 입도분포를얻을수있는 SPRAY DRYING ( 분무건조공정) 으로 GRANULE 의제반특성을얻고있다. 그러나분무건조 공정의장점뿐만아니라 SPRAY DRYER 의운전조건, 원료의분체특성, SLUSRRY의 조건을맞추기어렵다는단전을가지고있어서최적분무조건을설정하기란매우 어려운실정이다. 그러므로본내응에서는 SPRAY DRYING에형향을미치는제반 요인에대하여정리하고제조된 의 GRANULE 로발전하는초석이되고자한다. GRANULE에요구되는특성을이해함으로써고품질 ( 나) SLURRY의제조 1 WATER 2 BINDER : 결합제로서 GRANULE 을이루게하며, 성형성을부여하며, 성형체의 강도를유지 3 첨가제 가 분산제 : PARTICLE SURFACE의전하를낮게해서 1 차입자( 분쇄되지않은상 태) 를분산 나 다 표면처리제 윤활제 (LlQUID PARAFFIN) 라 마 가소제 : : : 표면장령을낮게하여본체의유동성을개선 성형시이형성과입자간의미끄러짐을양호하게하여성형성을향상 가소성을부여 감수제 : 분체+ 물로 SLURRY를제조할때가능한한적은수분량으로점도를 낮추는역활 바 소포제 : SLURRY중의기포를눌러서제거시킴 ( 다) SLURRY의점도의조정 79

80 1 일반적으로 SPRAY DRYING공정에적합한점도는 1.0POISE10.0POISE 정도로 알려져있으며원료의특성에맞게적정점도를맞춘다. 2 점도의조정방법 ㆍ물을첨가하면서점도를조정하는방법 ㆍ분산제를첨가하여점도를조정하는방법 ㆍ감수제를첨가하여점도를조정하는방법 ( 라) GRANULE의회수 1 SLURRY 의분무 : SLURRY 가작은액적으로나누어지는단계이다. SLURRY에 가해지는 2 ENERGY 에따른분류에서와같이세가지방법으로분류가능하다. ROTARY ATOMIXER는고속으로회전하는 WHEEL에의해얻어진원심력으로 SLURRY가분무되는방법이며효율적으로분무를하려면원심력이중력이 10배이 상이바람직하고 WHEEL 과 DISK의회전속도에따라 GRANILE SIZE 가결정된다. 그리고 WHEEL 은고속으로(8000~15000 R.P.M) 회전되므로균일한크기의 GRANULE 을얻으려면회전시진동이없어야한다. CERAMIC 분말을 PRESSURE NOZZLE TYPE에사용할경우 NOZZLE 나액적(DROPLET) 이불균일해지므로주의하여야한다. 구멍을파손시켜비대칭분무가일어나거 3 PNEUMATIC NOZZLE (TWO FLUID NOZZLE) 은고속의공기가 SLURRY화충돌 하면서높은마찰력이발생하여액적으로부숴지는현상을이용한방법으로 EXTERNAL( 외부혼합법) 과 INTERNAL( 내부혼합법) 의두가지 SLURRY와 AIR의혼합 방법이있다. 4 져서 PRESSURE NOZZLE은 SLURRY에압력에너지가얇은 SLURRY SHEET에가해 KINETIC ENERGY로바뀌어져서공기와의마찰에의해난기류가발생하여작 은액적으로부수뜨리는원리에의한방식이다.SPRAY PATTERN은액적의밀도분 포에따라서 HOLLOW CONE과 SOLID CONE 으로나눌수있다. SOLID CONE은 큰액적이많이분포되어있으며압력에너지가낮을경우나점도가높을경우발생 되며 SLURRY의공급속도와분무압이일정한경우 HOLLOW CONE의입도가균일 하다. 이방법은여러가지종류의SLURRY의사용에적합하며공기와 SLURRY의비 율을조정하여입도조절의범위를넓게할수있다. 과립의입도분포가넓지만낮 은압력의 PUMP SYSTEM을채용할수있으므로 NOZZLE의막힘현상을방지하는 장점이있다. 비교적고점도의 SLURRY 의분무에적합하다. 5 분무된 SLURRY와열풍의접촉은액적과열풍이접촉하는건조의단계이다. 액 적과열풍의상관관계에따라건조속도, SPRAY DRYER 내의 DROLET의체류시간 과대벽에쌓이는정도가결정된다. 액적과열풍의상관관계는 FAN의디자인과위 치, NOZZLE의디자인과위치및 DRYER 의내부크기에의해결정된다. 80

81 ( 마) 액적가열풍의접촉방법 1 COCURRENT : 주로 이급격한증발을하기때문에 ROTARY ATOMIZER에적용되며분무초기에액적의수분 DRYER의온도를낮게유지하여액적의분포를넓 게하는것이바람직하다. 그리고 PRESSURE NOZZLE에사용할때는 HOLLOW CONE 방식을선택하는것이좋다. 이방법은분무초기의액적이차가운공기를만 나게되고 OUT LET 부분에서열풍을만나게된다. PRESSURE NOZZLE을사용할 경우 SOLID CONE 이적당하다. ( 바) 액적의건조 액적이 GRANULE화되는건조MECHANISM 은다음과같다. 1 과정 2 AB : BC : 발을보인다 3 분무되는액적이짧은시간안에열을흡수하여공기와평형상태가되는 액적내부의수분이동적평형상태를나타내며일정한속도로빠른증 CD : C 는액적표면의수분증발한계점이며액적표면에는수분이존재치못하 므로표면이경화되는상태이고증발속도는저하된다. 액적내부의수분이딱딱한 표면으로이동하는상태임. 4 DE : D 는모든표면은수분이분포화상태에있으며딱딱한표면층의수분투 과도에의해증발이일어난다. 즉표면층의기공을통하여수분의증발이일어난다. 5 HOLLOW GRANULE이생성되는원인분무된 DROPLET이열풍과접촉하여열 을받게되어표면에수분의불포화층이형성되면서액적내부의미립자들이표면 으로이동하게되는데표면이고화됨에따라내부에있는수분이표면으로이동하 면서기동을남긴다. 이때내부온도가올라감에따라액적내부의잔류수분이증 발하면서표면층의약한부위를파괴하여 HOLLOW 가생성하게된다. S/D 시 INLET TEMP가높은경우 HOLLOW GRANULE INFLATING화되어속이 빈형의 GRANULE 등이생기게되고 GRANULE 의밀도가낮아지게된다. 초기증발 속도, 즉 INLET TEMP를낮추거나표면고하층이다공성이면구형을유지하면서 증발이일어나이상적인 GRANULE을얻을수있으며고체함량이높은 SLURRY일 수록에너지를절약할수있고, 생산성을향상시킬수있다. (2) GRANULE 의특성 GRANULE의특성은 SLURRY 의조건, S/D 의디자인, 가동조건에의해결정되며, 건식 PRESS 성형이원활하게될수있는 GRANULE의특성을찾는것이긍정적인 목적이다. 81

82 ( 가) GRANULE이갖추어야할특성 1 유동성이양호할것( 안식각을측정하여판단할수있다 ) 2 GRANULE 의형상이구형일것 3 GRANULE 의입도분포가좁을것 4 GRANULE 의입도가성형체의크기에따라조절될것 5 적절한결합강도를유지할것 6 성형시과립이잘파괴될것 7 GRANULE 의자체밀도가높을것 8 적정량의수분이함유될것. ( 왜냐하면수분은수용성BINDER 의유리점(Tg) 을 낮추어주므로성형시변형을쉽게하여주지만함수량이많을경우성형시금형에 GRANULE 의부착을유발하며, 함수량에따라 GRANULE의압축특성이달라지므로 세심한조절이요구된다. 다. 수분의함유량은일반직으로 0.1~3.0% 로향상일정하게조절하는것이중요하 ( 나) BINDER가갖추어야할조건 1 성형체의강도를높일수있을것 2 금형의미모율이적을것 3 입자에 4 물에잘녹을것 WETTING이잘될것 5 흡습성, 조해성이적을것 6 입자간, 금형간의윤활성이있을것 7 가압시 GRANULE이잘파괴될것 일반적으로 VINDER로서널리사용되는 P.V.A (POLY VINYL ALCOHOL) 는중합도, 순도수화도등을잘검토한후결정하여야하며, 종류및첨가비는 KNOWHOW 에속한다. 그리고 P.V.A계열의가소제로는 GLYCRIN, POLY ETHYLENE GLYCOL(P.E.G) 이이용되며흡습성이있으므로대기중의방출을금한다. ( 다) S/D의조건 중합도, 순도, 수화도및 BINDER의특성을갖춘 BINDER를적절한첨가량을공정 실험에의해얻은후조건을정립해야한다. 분산제는 CERAMICS 분말에흡착되어 정전기를띠게되므로반발력이발생되어 1차입자를분삭시키게되며혼합에균일 성을주고물을대체하여점도를조정하므로써에너지절약에기여할수있으므로 최소첨가점을찾아야한다. 82

83 고농도의 SLURRY를사용하면 GRANULE의밀도가높아지고건조속도를늦게하면 역시 GRANULE의밀도가높아지지만 CHAMBER 가커야한다는단점이있다. 그러므로 CHAMBER가커지지않은상태에서최적농도와건조속도를찾아야한다. GRANULE 잔여수분량은 OUTLETTEMP. 에의해결정되고 INLET과 OUTLET의온 도차가작으면잔류수분이많아지므로 GRANULE이균일한잔여수분량을갖기위 해서는최적 INLET TEMP와 OUTLET TEMP. 를설정해야한다. 기존직업공정중 전극소성공정은직업시간이많이걸리는공정으로노무비에많은부분을차지하 고있고, 작업내용도몇가지부분작업을포함하고있다. 이러한공정을개선함으 로서작업시간단축을통해원가절감을가져오고, 작업을단순하고편하게함으 로서생산성을향상시키는데목적이있다. 나. 입도분포제어기술 가장우수한특성을나타낸 0.04 Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O Pb (Zr Ti ) +0.5 wt% MnCO 3 기본조성에서입지크기및분포는입도분석기 (Photo sizer 200s, Section co, Japan) 를이용하여측정하였다. 그림 57은이조성에서의입도분포 도이다. 그림 57 PSA(Partic (Particle Size Ana naly lysis) of 0.04 Pb(Sb 1/2 Ti /2 Nb 1/ ) +0.5 wt% MnCO 3 sintered at 1250 for 2 hrs 1/2 )O Pb(Zr 이조성의하소온도는 850 에서 2 시간으로하였으며, 하소분말은지르코니아볼 을사용하여습식으로 48 시간을분쇄하였다. 이때의평균입자크기는 μm로 나타났으며, 입도분포도 0.1 μm에서 2 μm영역의균일한특성을나타내었다. 83

84 그림 58은 0.04 Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O Pb (Zr Ti ) +0.5 wt% MnCO 3 기본조성에서 850 에서 4시간하소한 powder의 SEM 이미지이다. 500 nm ~ 1000 nm 정도의입자크기를보이고있으며, 형태는약간구형에가까운모습을나 타내고있다. 그림 58 SEM micrographs of 0.04 Pb(Sb 1/2 1/2 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr wt% MnCO 3 calcined cined at 850 for 4 hrs Ti )O 3 다. 성형기술지원 그림 59는 0.04 Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x ) +0.5 wt% MnCO 3 조성의성 형체의형태를보여주고있으며충진밀도제어를통해서 확인할수있었다. Crack 없이성형된것을 84

85 0.04 Pb(Sb 1/2 그림 59 1/2 Nb 1/2 원형시편으로성형후모습 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 (a) x=0.485, (b) x=0495, (c) x=0.505, (d) x=0.515, (e) x= x 그림 60, 61, 62는각각 0.04 Pb(Sb 1/2 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 조성에서의여러온도에서의소결체를나타내고있다. 모든소결온도에서치 밀한초음파진동자의소결체를얻을수있었다 Pb(Sb 1/2 그림 , 2hrs 1/2 Nb 1/2 소결후모습 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 (a) x=0.485, (b) x=0.495, (c) x=0.505, (d) x=0.515, (e) x= x 85

86 0.04 Pb(Sb 1/2 그림 , 2hrs 1/2 Nb 1/2 소결후모습 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 (a) x=0.485, (b) x=0.495, (c) x=0.505, (d) x=0.515, (e) x= x 0.04 Pb(Sb 1/2 그림 , 2hrs 1/2 Nb 1/2 소결후모습 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O wt% MnCO 3 (a) x=0.485, (b) x=0.495, (c) x=0.505, (d) x=0.515, (e) x= x 그림 63은 0.04 Pb (Sb 1/2 Nb 1/2 ) O Pb (Zr Ti ) O 3 + x wt% MnCO 3 조성에서 MnCO 3 첨가량에따른성형체를나타내고있으며, 첨가량이증가 함에따라성형체의색깔이진하게변하는것을확인하였다. 또한각조성의충진 밀도제어를통해서 Crack 없이성형된것을확인할수있었다. 86

87 0.04 Pb (Sb 1/2 1/2 Nb 1/2 그림 63 원형시편으로성형후모습 1/2 ) O Pb(Zr Ti ) O 3 + x wt% w MnCO 3 (a) x=0, (b) x=0.25, (c) x=0.50, (d) x=0.75, (e) x=1 그림 64는 1250 에서 2시간소결한 0.04 Pb (Sb1/2 Nb 1/2 ) O Pb (Zr Ti ) O 3 + x wt% MnCO 3 조성에서 MnCO 3 첨가량에따른소결체를나타 내고있다. MnCO 3 첨가량이증가함에따라소결체의색깔이진하게변하는것을 확인하였으며, 이것은 MnCO 3 첨가가색깔에영향을주는에너지준위를만들어나 타나는현상으로보여진다 Pb (Sb 1/2 1/2 Nb 1/2 그림 , 2hrs 1/2 ) O Pb(Zr 소결후모습 Ti ) O 3 + x wt% w MnCO 3 (a) x=0, (b) x=0.25, (c) x=0.50, (d) x=0.75, (e) x=1 87

88 그림 source를 65는 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 조성에서 Mn MnO, MnO 2, Mn 2 O 3, Mn 3 O 4 로변화시킨성형체의형태를보여주고있으 며, 충진밀도제어를통해서 Crack 없이성형된것을확인할수있었다. 그림 Pb(Ca 1/4 Mn 원형시편으로성형후소결전모습 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 (a) MnO,, (b) MnO 2, (c) Mn 2 O 3, (d) Mn 3 O 4 그림 66은 1200 에서 2시간소결한 0.08 Pb(Ca1/4Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 조성에서 Mn source 변화에따른소결체를보여주고있다. 전 체적으로약간의색깔변화를나타내었으며, 치밀한소결체를얻을수있었다. 그림 , 2hrs 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 소결후모습 1/2 )O Pb(Zr Ti )O 3 (a) MnO,, (b) MnO 2, (c) Mn 2 O 3, (d) Mn 3 O 4 그림 67은 0.08 Pb(Ca 1/4 Mn 1/4 Nb 1/2 )O Pb(Zr x Ti 1x )O 3 조성에서 Zr/(Ti+Zr) 비에따른성형체의변화모습을나타내고있다. 성형체의측면사진에서나타난바 와같이 Crack 없이성형된것을확인할수있었다. 88