초음파용착기용 고신뢰성 다층조립형초음파용착기용 고신뢰성 다층조립형초음파용착기용 고신뢰성 다층조립형초음파용착기용 고신뢰성 다층조립형

진동자의 신뢰성향상 지원진동자의 신뢰성향상 지원진동자의 신뢰성향상 지원진동자의 신뢰성향상 지원

최종보고서최종보고서최종보고서최종보고서( )( )( )( )

2005. 6. 30.2005. 6. 30.2005. 6. 30.2005. 6. 30.

주관기관 주 존인피니티주관기관 주 존인피니티주관기관 주 존인피니티주관기관 주 존인피니티: ( ): ( ): ( ): ( )

위탁기관 산업기술시험원위탁기관 산업기술시험원위탁기관 산업기술시험원위탁기관 산업기술시험원::::

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

부품 소재통합연구단장 귀 하부품 소재통합연구단장 귀 하부품 소재통합연구단장 귀 하부품 소재통합연구단장 귀 하ㆍㆍㆍㆍ

본 보고서를 초음파용착기용 고신뢰성 다층조립형 진동자의 신뢰성향상지원 개발" "(

기간 과제의 최종보고서로 제출합니다:2004 . 6. 1.~2005. 5. 31.) .

2005. 6 . 30.2005. 6 . 30.2005. 6 . 30.2005. 6 . 30.

주관기관 주 존인피니티주관기관 주 존인피니티주관기관 주 존인피니티주관기관 주 존인피니티: ( ): ( ): ( ): ( )

주관책임자주관책임자주관책임자주관책임자 :::: 조 인 철조 인 철조 인 철조 인 철

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 :::: 이 동 열이 동 열이 동 열이 동 열

““““ :::: 김 완 수김 완 수김 완 수김 완 수

““““ :::: 신 인 생신 인 생신 인 생신 인 생

위탁기관 산업기술시험원위탁기관 산업기술시험원위탁기관 산업기술시험원위탁기관 산업기술시험원::::

위탁책임자위탁책임자위탁책임자위탁책임자 :::: 장 영 권장 영 권장 영 권장 영 권

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 :::: 김 준 섭김 준 섭김 준 섭김 준 섭

““““ :::: 박 수 홍박 수 홍박 수 홍박 수 홍

““““ :::: 김 창 희김 창 희김 창 희김 창 희

- 3 -

중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록중소기업신뢰성향상지원사업 보고서 초록

관리번호관리번호관리번호관리번호

사 업 명사 업 명사 업 명사 업 명 초음파용착기용 고신뢰성 다층조립형 진동자의 신뢰성향상

키 워 드키 워 드키 워 드키 워 드 초음파용착기 다층조립진동자 압전세라믹 가속계수 수명, , , ,

사업목표 및 내용 예시사업목표 및 내용 예시사업목표 및 내용 예시사업목표 및 내용 예시( )( )( )( )

최종 목표최종 목표최종 목표최종 목표1.1.1.1.

제조공정개선으로 초음파용착기용 다층조립형진동자의 수명을 현재의 배인 시간2 , 3,000

사용할 수 있도록 최종목표로 하였으며 가속시험방법 개발과 검증실험을 통한 수명 및,

신뢰성 검토를 수행하고자 하였다.

신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용2.2.2.2.

다층조립형 초음파진동자의 고장특성은 크게 가지 분석 되었다3 .

다층조립형 초음파진동자의 파손 건1) (21 )

다층조립형 초음파 진동자의 공진주파수 변위 건2) (7 )

파손 건3) Booster & Horn (14 )

주요 수명 및 신뢰성 저해요인

압전진동자의 밀도저하 기공율 과다로 응력집중에 의한 파괴유발1) ,

2) Pb(Zr,Ti)O3 페로브스카이트 결정립사이로 의 불균일로 전기적 특성이 변하고, PbO ,

전극 층이 얇아서 반복 진동에 의한 내마모성 저하3) Ag-

다층 진동자 조립조건 및 임피던스 부적합4)

결정립의 불균일로 인한 기계적 전기적 문제로 사용수명이 저하되고 신뢰성이 저하5) , ,

되는 것으로 분석됨

고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과3.3.3.3.

고장의 유형별 원인을 분석하여 제조공정을 개선하였다- .

원료혼합공정 원료하소공정PZT① ② ③원료조립공정 성형공정④ ⑤소성공정⑥분극공정 가⑦

공공정을 개선하여 고장발생의 주요인을 제거하였다.

금속 형상을 개선하여 주파수 매칭을 정밀제어 하였다- MASS .

용 다층조립형 진동자의 설계를 변경하여 주파수이상 발진으로 파손되는15kHz, 20kHz

고장을 제거하였다.

- 4 -

조립방법을 개선하여 고장의 주요인인 진동자 파손 주파수 변위 등의 고장 모드를 제- ,

거하여 고수명을 나타내었다.

조립 유압 압력을Press 50kg/ 로 낮추어 조립하여 주파수는 금속, Torque 10kg · f

의 길이 형태를 개선하여 공진주파수를 제어하였다Mass , .

신뢰성 적용결과 사업전신뢰성 적용결과 사업전신뢰성 적용결과 사업전신뢰성 적용결과 사업전4. (4. (4. (4. ( ㆍㆍㆍㆍ 후 정량적 비교후 정량적 비교후 정량적 비교후 정량적 비교))))

수명저하요인을 분석한 결과 초음파진동자 고장 주원인은 압전진동자의 파괴로 인한1)

단수명 전기적 특성 저하 신뢰성평가 기술을 미확보 등의 문제점을 해결하였고, , ,

당사 제품 다층조립형 진동자의 수명이 기존의 약 시간이 시간 정도로2) 1,500 3,000

획기적으로 향상되었으며,

본 신뢰성향상 기술지원 사업을 통하여 초음파용착기용 다층조립형 진동자의 수명평3)

가방법 수명명가 절차기술을 확보하였고, ,

라 수명 및 신뢰성 평가 방법을 통하여 정량적 수명 및 신뢰성을 향상을 확인할 수 있.

었다.

마 기존 당사에서 수행한 수명시험방법에 의한 소요시간은 일 이었으나 본 과제에서. 63

는 정한 가속시험방법으로 수명평가 시간은 시간 일 이내로 단축하여 정격수명200 (8 )

을 예측할 수 있었다.

기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과5. ( )5. ( )5. ( )5. ( )

기술적 효과

초음파 진동자의 품질성능 확보-

진동자의 가속수명기술 확보-

경제적 요과

수입대체 효과 당사기준 억원 년 국내 억원 년- ( 0,5 / , 10 / )

당사 제품의 신뢰성 확보 및 대외 인지도 향상-

적용분야적용분야적용분야적용분야6.6.6.6.

초음파의 기계적 에너지 이용분야

초음파 용착기-

초음파 가습기 및 크리너 등에 활용-

- 5 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 목적 및 중요성제 절 목적 및 중요성제 절 목적 및 중요성제 절 목적 및 중요성1111

제 절 기술개발 목표제 절 기술개발 목표제 절 기술개발 목표제 절 기술개발 목표2222

제 절 개발 내용 및 범위제 절 개발 내용 및 범위제 절 개발 내용 및 범위제 절 개발 내용 및 범위3333

제 장 관련이론제 장 관련이론제 장 관련이론제 장 관련이론2222

제 절 초음파 용착기 원리 및 구조제 절 초음파 용착기 원리 및 구조제 절 초음파 용착기 원리 및 구조제 절 초음파 용착기 원리 및 구조1111

제 절 압전세라믹스제 절 압전세라믹스제 절 압전세라믹스제 절 압전세라믹스2222

제 장 고장분석제 장 고장분석제 장 고장분석제 장 고장분석3333

제 절 고장 유형 분석제 절 고장 유형 분석제 절 고장 유형 분석제 절 고장 유형 분석1111

제 절 고장 모드별 원인분석제 절 고장 모드별 원인분석제 절 고장 모드별 원인분석제 절 고장 모드별 원인분석2222

제 절 선진 외국 제품의 고장 특성 분석제 절 선진 외국 제품의 고장 특성 분석제 절 선진 외국 제품의 고장 특성 분석제 절 선진 외국 제품의 고장 특성 분석3333

제 장 고장개선제 장 고장개선제 장 고장개선제 장 고장개선4444

제 절 고장 개선 방안제 절 고장 개선 방안제 절 고장 개선 방안제 절 고장 개선 방안1111

제 절 제조 공정 개선제 절 제조 공정 개선제 절 제조 공정 개선제 절 제조 공정 개선2222

제 절 금속 형상 개선제 절 금속 형상 개선제 절 금속 형상 개선제 절 금속 형상 개선3 Mass3 Mass3 Mass3 Mass

제 절 조립 방법 개선제 절 조립 방법 개선제 절 조립 방법 개선제 절 조립 방법 개선4444

제 장 고장 개선 결과제 장 고장 개선 결과제 장 고장 개선 결과제 장 고장 개선 결과5555

제 절 기계적 특정 향상제 절 기계적 특정 향상제 절 기계적 특정 향상제 절 기계적 특정 향상1111

제 절 소결 밀도 향상제 절 소결 밀도 향상제 절 소결 밀도 향상제 절 소결 밀도 향상2 (Sintering Density)2 (Sintering Density)2 (Sintering Density)2 (Sintering Density)

제 절 소자의 전극 두께 관리제 절 소자의 전극 두께 관리제 절 소자의 전극 두께 관리제 절 소자의 전극 두께 관리3 P.Z.T3 P.Z.T3 P.Z.T3 P.Z.T

제 절 전기적 특성 향상제 절 전기적 특성 향상제 절 전기적 특성 향상제 절 전기적 특성 향상4444

- 6 -

제 절 진동자 특성 개선 결론제 절 진동자 특성 개선 결론제 절 진동자 특성 개선 결론제 절 진동자 특성 개선 결론5555

제 장 가속 수명시험제 장 가속 수명시험제 장 가속 수명시험제 장 가속 수명시험6666

제 절 가속 수명시험 기법제 절 가속 수명시험 기법제 절 가속 수명시험 기법제 절 가속 수명시험 기법1111

제 절 가속 수명시험의 개발 절차제 절 가속 수명시험의 개발 절차제 절 가속 수명시험의 개발 절차제 절 가속 수명시험의 개발 절차2222

제 절 시험 계획제 절 시험 계획제 절 시험 계획제 절 시험 계획3333

제 절 수명추정제 절 수명추정제 절 수명추정제 절 수명추정4444

제 장 곁론제 장 곁론제 장 곁론제 장 곁론7777

제 절 결론제 절 결론제 절 결론제 절 결론1111

참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌

표 차례표 차례표 차례표 차례< >< >< >< >

표 기술 개발 목표< 1-1>

표 다층 조립형 초음파 진동자 고장 분석< 2-1>

표 다층 조립형 초음파 진동자 고장 유형별 발생 건수< 2-2>

표 외국산 다층 조립형 초음파 진동자 파단면 관찰< 2-3> SEM

표 사 소자 분석 결과< 2-4>BRANSON( )P.Z.T

표 사 소자 분석 결과< 2-5>MEGA SONIC( )P.Z.T

표 사 소자 분석 결과< 2-6>NGK( )P.Z.T

표 사 소자 분석 결과< 2-7>FUJI( )P.Z.T

표 사 볼트 조인용 금구 분석 결과< 2-8>BRANSON( ) EDS

표 다층조립형 처음파 진동자 소자 특성< 2-9>15kHz

표 다층조립형 처음파 진동자 소자 특성< 2-10>20kHz

표< 3-1>P.Z.T70 소성시 결정상 분석 결과

표 소성 온도에 따른 특성< 3-2>

표 분극 시간별 특성표< 3-3> (25KV,100)

표 분극 온도별 특성표 분< 3-4> (25KV,130 )

- 7 -

표 진동자 조립 방법에 따른 진동자 특성< 3-5>15kHz

표 진동자 조립 방법에 따른 진동자 특성< 3-6>20kHz

표 진동자 변화전< 3-7>15kHz Torque

표 진동자 변화후< 3-8>15kHz Torque

표 진동자 변화전< 3-9>20kHz Torque

표 진동자 변화후< 3-10>20kHz Torque

표 개선 방법으로 제작된 진동자의 특성< 3-11> (15kHz)

표 개선 방법으로 제작된 진동자의 특성< 3-12> (20kHz)

표 고장 메커니즘과 가속 스트레스< 4-1>

표 다층 조립형 초음파 진동자 제품의 년도 클레임 분석 결과< 4-2> 2003

표 다층 조립형 진동자제품의 주요 고장 메커니즘과 가속 스트레스< 4-3>

표 단계적 스트레스 시험 결과< 4-4>

표 고장전 후의 측정 데이터< 4-5> ㆍ

표 진동자 전기적 특성 데이터 통계량< 4-6>15kHz

표 진동자 전기적 특성 데이터 통계량< 4-7>20kHz

표 시험품으로 선정된 초음파 진동자의 전기적 특성 값< 4-8> 15kHz

표 시험품으로 선정된 초음파 진동자의 전기적 특성 값< 4-9> 20kHz

표 진동자 고장 데이터< 4-10>15kHz

표 진동자 고장 데이터< 4-11>20kHz

표 수명 분포 추정 결과< 4-12>

표 조건별 가속 수명< 4-13>

그림 차례그림 차례그림 차례그림 차례< >< >< >< >

그림 플라스틱 초음파 용착기의 구조및 명칭< 1-1>

그림 초음파 발진및 증폭기 구조< 1-2>

그림 공진 모드< 1-3>Power Supply

그림 진동자 단면적과 진폭 주파수와의 관계< 1-4>

그림 의 모형과 제작 원리< 1-5>Booster

그림 모형과 제작 원리< 1-6>Tool Horn

그림 초음파 용착기의 용착과정< 1-7>

그림 입력과 출력의 관계< 1-8>

그림 용착물의 용착산 형태에 따른 용착시간 비교< 1-9>

그림 형 결정< 1-10>ABO perovskite

그림< 1-11>PbTi03,-PbZrO3,-Pb(Ni1/3, Nb2/3) O3계의상그림

- 8 -

그림< 1-12>PbTiO3 - PbZrO3Pb(Ni1/3Nb2/3)O3계의 유전적 압전적 제특성의 조성,

변화

그림 다층 조립형 진동자 고장 분석< 2-1>

그림 다층 조립형 초음파 진동자< 3-2>

그림 초음파 용착기 사진< 3-3)

그림 전기적 특성이 저하된 압전 세라믹 소자 사진< 2-2>

그림 파손된 압전 세라믹 사진< 2-3>

그림 파손된 압전 세라믹 사진< 2-4>

그림 관찰 사진< 2-5>SEM Ⅰ

그림 관찰 사진< 2-6>SEM Ⅱ

그림 관찰 사진< 2-7>SEM Ⅲ

그림 관찰 사진< 2-8>SEM Ⅳ

그림 관찰 사진< 2-9>SEM Ⅴ

그림 파괴된 진동자의 측정 결과< 2-10> Impedance Analyser

그림 파괴된 진동자의 측정 모습< 2-11> Impedance Analyser

그림 부품< 2-12>BRANSON Co. LTD.

그림 사 압전 진동자 파단면 조직 배< 2-13>BRANSON( ) (500 )

그림 사 압전 진동자 파단면 조직 배< 2-14>BRANSON( ) (3,500 )

그림 사 압전 진동자 파단면 조직 배< 2-15>N.G.K( ) (500 )

그림 사 압전 진동자 파단면 조직 배< 2-16>N.G.K( ) (3,500 )

그림 사 압전 진동자 파단면 조직 배< 2-17>FUJI( ) (500 )

그림 사 압전 진동자 파단면 조직 배< 2-18>FUJI( ) (3,500 )

그림 사 압전 진동자 전극 파단면 조직< 2-19>BRANSON( ) Ag- (1,500)

그림 사 압전 진동자 전극 파단면 조직 배< 2-20>N.G.K( ) Ag- (3,500 )

그림 사 압전 진동자 전극 파단면 조직 배< 2-21>FUJI( ) Ag- (3,500 )

그림 사 의 소자의 분석결과 화면< 2-22>N.G.K( ) P.Z.T

그림 사 볼드 조인용 금구< 2-23>BRANSON( )

그림 원료의 하소 온도에 따른 결정상 변화< 3-1>P.Z.T

그림 유전제의 분극 처리< 3-2>

그림 압전 소자의 규격 사진< 3-3>

그림 표면 조도 측정< 3-4> (Roughness)

그림 신형 진동자 사진< 3-5>

그림 대표적인 진동자 금속 형상< 3-6> MASS

그림 와 변화에 따른 공진 주파수 변화< 3-7>Press Torque (15kHz)

그림 와 변화에 따른 공진 주파수 변화< 3-8>Press Torque (20kHz)

- 9 -

그림 주파수별 진동자의 임피던스 측정 모습< 3-9>

그림 각 진동자별 진폭 측정 모습< 3-10>

그림 진동자의 변화에 따른 진폭의 크기 변화< 3-11>15kHz Torque

그림 변화에 따른 진폭으 크기 변화< 3-12>Torque

그림 개선 방법으로 제작된 진동자의 공진 반공진 주파수 특성< 3-13> ㆍ

그림 공진 반공진 주파수 측정 모습< 3-14> ㆍ

그림 개선 방법으로 제작된 진동자의 공진 반공진 주파수 특성< 3-15> ㆍ

그림 공진 반공진 주파수 측정 모습< 3-16> ㆍ

그림 공정 개선전의 진동자 사진 배< 4-1> P.Z.T SEM (500 )

그림 공정 개선전의 진동자 사진 배< 4-2> P.Z.T SEM (2,000 )

그림 공정 개선후의 진동자 사진 배< 4-3> P.Z.T SEM (500 )

그림 공전 개선후의 진동자 사진 배< 4-4> P.Z.T SEM (2,000 )

그림 소자의 소결 밀도와 소성 수축율< 4-5>P.Z.T

그림 세라믹 소자의 전극< 4-6>P.Z.T Ag

그림 소자성분 분석 결과< 4-7>P.Z.T

그림 전기적 특성을 향상 시킨 진동자의 측정 모습과 결과< 4-8>

그림 측정 모습< 4-9>Spectrum Analyzer

그림 측정 결과< 4-10>Spectrum Analyzer

그림 빈도 가속 개념< 5-1>

그림 스트레스 가속 개념< 5-2>

그림 판정 가속의 개념< 5-3>

그림 가속수명 시험 개발 절차< 5-10>

그림 고장 분석 절차< 5-5>

그림 통계적 데이터 분석 절차< 5-6>

그림 보증 시험 설계 절차< 5-7>

그림 시료수 결정 방법< 5-8>

그림 다층 조립형 초음파 진동자 모델명< 5-9> ( :15kHz,20kHz)

그림 다층 조립형 초음파 진동자의 년도 클래임 분석 결과< 5-10> 2003

그림 가속 수명 시험 조건< 5-11>

그림 진동자 가속 시험시 파괴 정전용량< 5-12>

그림 진동자의 정전용량 측정 모습< 5-13>15kHz,20kHz

그림 공진 주파수에 대한 히스토그램< 5-14>

그림 반공진 주파수에 대한 히스토그램< 5-15>

그림 정전용량에 대한 히스토그램< 5-16>

- 10 -

그림 공진저항에 대한 히스토그램< 5-17>

그림 진폭에 대한 히스토그램< 5-18>

그림 두시험 조건의 고장 데이터를 와이블 확률지 타점결과< 5-19>

그림 동일한 형상모수를 가지는 경우의 와이블 확률지 타점 결과< 5-20>

그림 고장 싸이클수를 이용한 와이블 확률지 타점 결과< 5-21>

그림 기존시험조건과 가속시험 조건 사이의 가속 계수< 5-22>

그림 기존 시험 조건에서의 온도 특성< 5-23>

그림 가속 시험 조건에서의 온고 특성< 5-24>

그림 기존 시험 조건에서의 정전 용량 특성< 5-25>

그림 가속 시험 조건에서의 정전 용량 특성< 5-26>

그림 출력 결과< 5-27>Mini Tab

그림 가속 조건에 따른 진동자의 수명 확률지 적합 직선< 5-28>

그림 가속 조건에 따른 결과< 5-29> Relation Polt

- 11 -

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 목적 및 중요성제 절 목적 및 중요성제 절 목적 및 중요성제 절 목적 및 중요성1111

초음파 진동자의 활용분야가 광범위하여 산업적 활용도가 크며 응용제품으로는, (

초음파세척기 초음파가공기 초음파가습기 어군탐지기 의료기 등 많은 분야에 걸, , , ,

쳐 사용 플라스틱과 플라스틱 금속과 플라스틱 뿐 아니라 금속과 금속의 마찰용) ,

융 접합에 활용리어 전자기기 금속부품 등의 다량생산에 활용되는 산업적으로 중,

요한 생산기반 기기 이다.

초음파 접합 은 플라스틱과 플라스틱을 접착시키는 전형적인 방법으로서(Welding) ,

용착하고자 하는 제품의 한면에 에너지 디렉터 돌출부 를 형성시켜 서로 조립한( ) ,

후 초음파 진동을 가하면 에너지 디렉터가 용해 접착된다 이와 같이 초음파 접합, .

은 종래의 유기용매 열 또는 기타 화학 접착제를 사용하던 방법과는 비교가 안 될,

정도의 짧은 시간 초 에 접착이 이루어지며 접착력이 매우 강하고 접착부위가(0.1 ) ,

정교하므로 원가절감 및 생간성과 품질향상을 기대할 수 있다 따라서 각종 사출.

성형 플라스틱 가공에 널리 이용하고 있지만 산업이 고도화될수록 고정밀도 고강, ,

도의 초음파 접합이 요구되고 있는 실정이다.

전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 초음파 변환장치는 주로 압전진동자를

사용하게 되는데 초음파 용착기용 가진 장치인 진동자는 Ø 의 의30, 40 Ring Type

압전진동자를 개를 다층으로 조립한 구조로서 전기적 에너지를 기계적 에너지4~6

로 변환시키는 핵심 부품으로 고효율 주파수 정확성 고내구성이 요구된다, , .

현재 우리나라에서 생산되는 초음파 용착기의 신뢰성은 주로 압전진동자의 신뢰성

에 따라 결정되며 당사를 비롯한 국산 제품 진동자는 진동자의 구조적 결함에 의,

한 파손 절연파괴 초음파 주파수의 변화 등으로 인하여 사용수명이 낮고 신뢰도가, ,

없어 산업적 문제점으로 이를 해결해야 할 필요가 있다.

- 12 -

따라서 본 과제를 통하여 당사에서 개발하여 시판중인 초음파 용착기의 다층 조립

형 압전 진동자의 고장분석 및 개선을 통하여 사용수명과 신뢰성을 향상시키고자

하였다.

- 13 -

제 절 기술개발 목표제 절 기술개발 목표제 절 기술개발 목표제 절 기술개발 목표2222

최종목표최종목표최종목표최종목표1.1.1.1.

초음파 용착기용 다층조립형 초음파 진동자의 수명 향상

현재 시간을 시간으로 배 향상1,500 3,000 2∘

개발목표개발목표개발목표개발목표2.2.2.2.

표 기술개발 목표< 1-1>

- 14 -

제 절 개발내용 및 범위제 절 개발내용 및 범위제 절 개발내용 및 범위제 절 개발내용 및 범위3333

본 신뢰성 향상 기술지원 과제에서 수행한 초음파용착기용 다층조립형 진동자의"

신뢰성 향상 을 위한 기술개발 내용 및 범위는 다음과 같다" .

진동자의 고장분석 및 대책 강구1)

유형별 고장원인 분석을 통한 해결방안 검토

고장 유형 분류 및 분석-

초음파진동자의 파괴원인 분석 압전세라믹의 미세조직 결정분석 화학조성: ,∘

및 소결밀도 측정 및 분석 수행

기계적 문제점 분석 기동주파수 및 조립정밀도 저하 및 파괴추정:∘

전기적 특성 저하요인 분석 전기적 특성치 정전용량 공진주파수: ( CP (pF),∘

전기기계결합계수 임피던스Fr (kHz), Kp(%), R(Ω 측정)) .

고장 개선 및 수명 향상 방안 연구2)

소자의 품질 향상 방안 연구PZT

주파수 임피던스 결함계수 및 효율 향상을 위한 공정개선 연구, ,∘

진동자 전극 관리기준 설정

전극의 두께 균일화 방안 및 최적 두께관리 방안 확립∘

전극두께: 5± 0.5

진동자 가공 및 조립정밀도 향상방안

표면조도관리 기준∘

수명에 미치는 영향 및 개선 연구

수명 및 신뢰성 평가 연구3)

선진기술 동향 및 목표제품 신뢰성평가

등 선진제품 평가BRANSON∘

성능 및 사용수명 측정을 위한 가속수명시험∘

가속조건 선정 및 수명 예측-

시험결과의 검토 및 수명산정-

프로그램을 이용한 신뢰성 평가- MINITAB

- 15 -

제 장 관련 이론제 장 관련 이론제 장 관련 이론제 장 관련 이론2222

제 절 초음파 용착기의 원리 및 구조제 절 초음파 용착기의 원리 및 구조제 절 초음파 용착기의 원리 및 구조제 절 초음파 용착기의 원리 및 구조1111

초음파용착 원리초음파용착 원리초음파용착 원리초음파용착 원리1.1.1.1.

초음파 용접의 기본 원리는 높은 주파수 에 의해 만들어진 진동 즉(15KHz~40KHz) ,

수직왕복 운동을 반복할 경우 그것이 에 응용되면 라Thermoplastics Plastic Plastic

간의 접촉면에 마찰열을 생성하게 되는데 고주파의 전기 에너지를 고주파의 기계에

너지로 전환하는 원리를 응용한 용접방법 이다.

위와 같은 원리를 이용하여 열가소성 물질을 용접할 때 접합하는 부분의 열 발생은

기계적 진동에 의한 재료표면의 마찰로 에 마찰열이 집중되어Joint line, Interface

용접대상 물체는 순간적 고열이 발생되어 짧은 시간 내에 양 부분간의 결합으로 불

용해성 연결을 이룬다.

초음파 용착기의 구조 및 구성초음파 용착기의 구조 및 구성초음파 용착기의 구조 및 구성초음파 용착기의 구조 및 구성2.2.2.2.

초음파 용착기의 구조는 그림 과 같이 제어장차 초음파 발생보드 가 내장된 몸1-1 ,

체 산업적 특성에 맞게 설계 제작된 초음파 진동자와 이를 내장한 컨버터와 에너,

지를 증폭하는 브스터 와 혼으로 구성된다.

그림 와 같이 의 전기적 에너지를 를 통하여< 1-1> 60kHz Power Supply 15 ~

의 전기 에너지로 증폭 를 통한 기계적 에너지로 변환시켜40kHz Converter

을 통하여 기계적 진동에너지의 를 증감하여 순간적으로 플라Booster, Hern Power

스틱간의 분자적 접합을 이루게 되며 구성부품의 역할은 다음과 같다.

- 16 -

그림 플라스틱 초음파 용착기 의 구조 및 명칭< 1-1>

- 17 -

그림 초음파 발진 및 증폭 구조< 1-2>

가) Power Supply

를 높은 주파수의- 60Hz Electrical Power (15KHz, 20KHz, 27KHz, 28kHz,

로 전환40KHz) Electrical Energy

의 주파수와 일치되어 공진이 일어나- Converter

최고의 종진동이 에서 발생될 수 있도록 공진점을 전기회로에서 보상- Converter

한다.

그림 공진 모드< 1-3>Power Supply

- 18 -

나) Converter

에서 생성된 전기에너지를 기계적 에너지로 전환- Generator

압전소자의 수축 팽창에 의한 기계적 진동에너지 발생-

형 진동자 사용- BLT

그림 진동자 단면과 진폭 주파수 관계< 1-4> -

다) Booster

초음파 용접에서 에 적정한 진폭이 중요하다- Horn Tip .

에서 발생된 기계적 진동 에너지의 를 증감하여 재료의 특성에- Converter Power

맞는 최적의 진폭을 선택

의 필요한 모형 설계나 입출력 진폭이 여의치 않을 경우 가 의- Horn Booster Horn

진폭 증감을 위해 와 사이에 설치Converter Horn

재질 : Aluminium Titanium Steel

에서 초음파 진폭의 확대를 위한 이론적인 함수관계는 그림 와 같다Booster 2-4 .

그림 의 모형과 제작 원리< 1-5> Booster

- 19 -

라) TooL Horn

초음파 진동을 에서 발생시켜 를 통해 용접 대상 부품으로 에- Converter Booster

너지를 전달한다.

와 연계하여 진폭의 증감을 설계하여 적절한 를 재료의 용- Booster Horn Energy

접 부분에 직접 전달

소재경화 기간 중 필요한 압력 공급-

그림 의 모형과 제작 원리< 1-6> Tool Horn

마 초음파 용접의 과정)

그림 은 초음파 용착기의 초음파 발생과정 및 플라스틱의 접합 과정을 설명한1-7

표이다.

또한 그림 은 초음파 용착기의 초음파 진폭에 다른 발생 용접부에 작용하는 접1-8

합력과의 상관관계를 나타낸 그래프이다.

- 20 -

그림 초음파 용착기의 용착과정< 1-7>

그림 입력과 출력의 관계< 1-8>

- 21 -

바 초음파 에 따른 변화) Energy Director Weld Time

열가소성 플라스틱의 용착과정 를 설명하면 다음과 같다Welding Process( ) .

표면처리 용접 부위의 먼지나 이물질 제거- (Surface Process) :

가열 재료의 특성 및 고유 성질에 맞는 방법 선택- (Heating) : Welding

압력 재료와 재료 사이 표면에 긴밀한 접촉 공기나 기포를 용접 부- (Pressing) : ,

위로부터 제거하여 완전한 분자 내 용합을 위한 방법

융합 폴리머와 폴리머의 분자내 융합 과 연- (Diffusion) : (Intermolecular Diffusion)

결 엉킴 이루어져야 최적의 용착 상태(Cham Entanglement)

냉각 용착 부위는 녹은 폴리머가 굳을 때 속도가 용- (Cooling) : Resolidification

착 부위의 녹은 재료의 세포구조에 영향을 주고 잔류응력

을 형성(Residual Stress)

그림 용착물의 용착산 형태에 따른 용착 시간 비교< 1-9>

- 22 -

초음파 용착에 영향을 주는 요인은 다음과 같다.

재질의 특성1)

용착부분의2) Joint Design

의 진폭3) Tool Horn

용착 대상 물체의 형상4)

가압력5)

용착 시간6)

용착대상 물체의 받침 상태7)

제 절 압전 세라믹스제 절 압전 세라믹스제 절 압전 세라믹스제 절 압전 세라믹스2222

전기에너지와 기계에너지간의 변환소자로서의 기능 즉 소위 압전효과를 가지고 있,

는 압전 세라믹스의 역사를 보면 년 가1947 S.Toberts BaTiO3 티탄산바륨 에서 압( )

전성을 발견한 것이 효시가 된다 그러나 현재 압전 세라믹스로서 가장 광범위하게.

이용되고 있는 것은 Pb(Zr,Ti)O3 티탄산 지르콘산 납 계의 세라믹스이다( ) .

Pb(Zr,Ti)O3는 BaTiO3의 약 배의 전기기계 결합계수를 가지고 있으며 년 미2 1954

국의 등에 의하여 개발되어 라는 상품명으로 출현되고 그후 미국과 일B.Jaffe , PZT ,

본을 중심으로 압전세라믹스의 실용화가 비약적으로 발전하게 되었다 또한 를. PZT

기초로한 성분계 압전 세라믹스가 개발되어 현재의 재료의 주류로 되어있다3 .

압전 재료는 동력적 응용으로서 초음파 용착기 초음파 세정기 초음파 가습PZT , ,

기 압전 점화장치 각종 의료용 초음파 발진자, actuator, gas , , microphone,

초음파 가공기 압전트랜스 등이 있으며 또 통신적 응용으speaker, buzzer, , , relay ,

로서의 및 용 각종 와 표면파 광변조 소자LF, MF, HF VHF filter device, , Pick-up

등 광범위한 분야에서 이용되고 있다cartridge .

- 23 -

초음파 용착기용 압전진동자는 Pb 의 균일한 분산이 압전 특성에 중요한 역할을O

하고 소견밀도 및 결정입경 기공제어가 중요하며 현재 국산 다층조립형 초음파용, , ,

착기용 진동자는 신뢰성이 크게 떨어지고 사용수명이 낮은 문제점을 갖고 있다.

재료의 기본성질1) PZT

강유전성을 나타내는 세라믹 재료로는 BaTiO3, PbTiO3, Pb(Zr1-x,Tix)O3, PLZT,

KNbO3 등이 있으며 이들은 ABO3 형의 결정구조를 갖는다 여기서 는perovskite . A

에 대해 상대적으로 큰 이온반경을 갖는 원소이고 는 산소를 나타낸다B , O .

계열의 결정 재료에는 여러종류가 있으나 대부분Perovskite A2+B

4+O3

2-형태나

A1+B

5+O3

2-형태의 화합물만이 강유전성을 나타낸다 그림 에서는 입방구조의. < 1-10>

ABO3형 단위세포를 보여주고 있다 그림 구조에서perovskite . 1-10(a) perovskite

결정은 큐리온도 이상의 상유전상에서는 입방구조로 나타나며 입방격자의 구석(Tc)

을 이온이 차지하고 면심에 가 있으며 체심에 이온이 위치하고 있다 그러므A O , B .

로 이온은 개의 산소이온으로 만들어지는 면체의 중심에 존재한다B 6 8 .

그림< 1-10> ABO3형 결정perovskite

따라서 결정구조는 그림 에서 나타낸 것처럼Perovskite 1-10(b) BO6 면체들이 단8

순입방 배열을 하고 공극들은 이온이 채우는 구조로도 생각할 수 있다 이 구조는A .

큰 전하를 갖는 비교적 작은 이온이 넓은 공간에서 움직이기가 쉽고 이온분극율B

이 크다는 것이 재료의 강유전율과 밀접한 관계를 갖는다. Pb(ZrxTi1-x)O3는 반강유

전상인 PbZrO3와 강유전상인 PbTiO3가 의 비 로 혼합된 완전 고X:1-X mole (0<X<1)

용체로 Pb2+이온이 자리에A Ti+4와 Zr+4이온이 자리에 위치하는B A2+B4+O32-형

결정구조를 갖는다 이 고용체는 라고 불리우며 의 조성비와perovskite . PZT , Zr/Ti

온도에 따라 결정상이 정해진다.

- 24 -

2) PbTiO3-PbZrO3-Pb(Ni1/3Nb2/3)O3계의 특성

Pb(Ni1/3Nb2/3)O3는 120의 큐리점을 갖는 강유전체이다 이를 제 성분으로 포함. 3

하는 선분계는 에 의해 조사되었다 그림 는 그들이 조사한 상 그3 Buyanova . < 1-11>

림이다 유전적 압전적 특성을 나타내고 있다. .

그림< 1-11>PbTiO3 - PbZrO3 - Pb(Ni1/3,Nb2/3)O3계의상그림

그림< 1-12> PbTiO3 - PbZrO3Pb(Ni1/3,Nb2/3)O3계의

유전적 압전적 제특성의 조성 변화,

그림 은< 1-12> Tc, ε/ε0, d31의 조성변화를 나타낸 것이다 이 그림에서 큐리점은.

PbZrO3와Pb(Ni1/3Nb2/3)O3가 증가함에 따라 저하하고 있는것을 알 수 있다 또 실온.

에서 측정한 ε/ε0 와, d31은 최대가 되는 조성을 이루고 있다 이들 조성은 정방정과.

능면체정의 상경계인 곳에 대응되고 있다.

- 25 -

PbTiO3, PbZrO3, Pb(Ni1/3Nb2/3)O3가 각각 몰 인 조성의 것이40, 40, 20 % d31이 최

대로 106X10-12

이다 이 세라믹스 시료를 인 압력으로 일간 방치하면C/N . 100kg/ 3

d31은 약 저하한다 이40% . d31의 저하는 압전 세라믹스에서 분극이 큰 이동도를

갖는 것과 관련이 된다.

-50~100인 온도범위에서 공진주파수의 온도특성을 PbTiO3, PbZrO3,

Pb(Ni1/3Nb2/3)O3가 각각 몰 인 조성을 갖는 재료에 대해 조사한 결과50, 40, 10 %

이하였다 더욱이 이 조성이 몰 인 것은 이하였다 이 계는0.3% . 45, 35, 20 % 0.6% .

위에서 설명한 바와 같이 여러 가지 좋은 특성을 나타낸다. Pb(Zr,Ti)O3계 압전세라

믹스와 비교하여 대단히 낮은 온도에서 소결되는 것도 큰 장점이다.

소결된 시편은 밀도와 수축률 등을 측정하고 표면의 미세구조를 관찰한 후 연마지

를 사용하여 두께로 연마한 후 양면에 도전성 은전극(SiC, #1200) 1mm (DuPont

을 한 후7095) screen printing 600에서 분간 소부하여 전극을 형성시켰다 전10 .

극 처리된 시편은 유전 및 압전특성을 측정 한다.

압전 세라믹 에서 요구되는 특성3) (PZT)

BaTiO3 압전 세라믹스는 공진 주파수에 대한 온도 안전성의 문제가 많아 Pb(Zr,Ti)

의 성분계 성분계가 개발되어 온도 의존성과 경시변화가 매우 적고 결합계수가2 , 3 ,

크며 대 진폭에서 손실이 적은 재료로 압전세라믹스 분야에 광범위하게 이용되고,

있다.

초음파 진동자로서 요구되는 특성은

높은 전기 입력 에 대해 안정할 것 항전력이 크며 기계적 강도가 우수한(1) (power) ( ,

재료일 것)

- 26 -

전기 음향 변환율이 클 것 결합계수가 클 것(2) ( )

고 전기 입력에 대해서 발열이 적을 것 유전손실이 적으며 기계적 품질계수가(3) ( ,

클 것)

온도 변화에 대해 안정할 것 주파수 전기 기계결합계수의 온도계수가 작은 재료(4) ( ,

일 것 등 이다) .

초음파응착기의 응용은 초기에는 티탄산바륨의 각주형 진동자 가 극히(15-40kHz)

일부 사용되었지만 가 높아 내열성이 문제 등으로 곧 전왜 진동impedance ferrite

자가 점유하였다 이후 티탄산 지르콘산납계 세라믹스가 출현되어 볼트조인 란쥬반.

형 진동자가 가능케 되어 임피던스 특성과 내열성에 대해서도 개선이 되어 다시 압

전 세라믹스도 용착기용으로 이용되는 상태가 되었다.

이러한 진동자는 강력 초음파를 발생시키는 것이기 때문에 기계적 강도가 요구되

며 구조변화에 따른 공진주파수 대역별로 고품질 초음파진동자가 연구되고 있다, .

다층조립형 초음파진동자의 전기적특성은 공진주파수 반공진주파수 전기기계결합, ,

계수 공진 정전용량 전기기계변환능률 기계적 품질계수 등으로 고정, impedance, , ,

밀제어가 요구되고 있다.

- 27 -

제 장 고장분석제 장 고장분석제 장 고장분석제 장 고장분석3333

제 절 고장유형 분석제 절 고장유형 분석제 절 고장유형 분석제 절 고장유형 분석1111

당사가 다층조럽형 진동자 를 납품하여 장착된 초음파 용착기중에서 현장에서 제" "

품생산에 사용되고 있는 장비의 년간 발생된 고장원인을 분석 하였다1 .

초음파 용착기 부품 중 다층조립형 진동자 고장으로 인한 가 전체" " Converter A/S

고장건수 중 를 차지하여 초음파용착기중에서 가장 큰 고장을 나타냈다 진동30% .

자와 관련된 전체 고장율은 로 초음파용착기의 주요 고장은 다층조립형 초음파60%

진동자로 원인분석 되었다.

년 년 개월 까지 조사한 고객의 유형별 고장원인은 다음과 같2002 2 ~2003 2 (12 )月 月

다.

표 다층조립형 초음파 진동자 고장 유형 및 분포< 2-1>

고장 부품명 고장원인 대응방안

고장

횟수

고장율

(%)

Power Supply①

전자부품 교환

초음파지농 공진주파수와 부적합으로-

인한 횡파가 발생하여 부품이 파손.

부품교환 및-

진동부 교체

21

30

자동제어 오작동② 프로그램 고장-Micro processor-M/P Chip

교환

3.5

5

진동자 컨버터③

파손

진동자 변위-

진동자 파손-교환-

21

30

진동자 변위왜곡④진동자 과전압 인가-

피로 응력에 의한 공진주파수 변위-교환-

7

10

파손Booster⑤진동부 횡파 발생-

공진주파수 변위-교환-

7

10

파손Horn⑥

피로 응력에 대한 내구성 미비-

과전압에 의한 공진주파수 변위-

횡파 발생-

교환-7

10

공압라인 오작동⑦압력 게이지 고장-

압력 센서 고장-교체-

3.5

5

합 계70

100

- 28 -

다층조립형 초음파진동자의 고장특성은 크게 가지로 다음 표와 같다3 .

다층조립형 초음파진동자의 파손 건1) (21 )

다층조립형 초음파 진동자의 공진주파수 변위 건2) (7 )

파손 건3) Booster & Horn (14 )

그림 다층조립형 초음파 진동자 고장 분석< 2-1>

표 다층조립형 초음파 진동자의 고장유형별 발생건수< 2-2>

고장유형별고장건수

건( )고장율(%)

다층조립형 초음파진동자의 파손1) 21

여러 조각으로 파괴- 5 7

진동자 내부- Crack 10 14

전극 표면의 마모-Ag- 6 9

다층조립형 초음파 진동자의 공진주파수 변위2) 7

공진주파수 대역 무발진- 3 4

진동부의 횡파 발생- 2 3

진동부의 고열 발생- 2 3

파손3) Booster & Horn 14

진동부의 횡파 발생- 7 10

진동시 이상음 발생- 4 6

플라스틱 용착 불량- 3 4

합 계 42

- 29 -

주요 고장특성을 세분화하여 고장유형을 분석하여 본 결과 다층조립형 초음파진동

자의 파손이 전체의 로 가장 높은 수준으로 내부 이 로 중요 요인이30% , Crack 14%

었다.

그 다음이 파손으로 전체 고장율의 수준으로 진동부의 횡파Booster & Horn 20% ,

발생이 로 중요 요인이다 또한 다층조립형 초음파 진동자의 공진주파수 변위10% .

가 전체 고장율의 수준으로 공진주파수 대역 무발진이 로 중요 요인으로10% , 4%

나타났다.

제 절 고장 모드별 원인분석제 절 고장 모드별 원인분석제 절 고장 모드별 원인분석제 절 고장 모드별 원인분석2222

고장 형태고장 형태고장 형태고장 형태1.1.1.1.

아래의 그림은 다층조립형 초음파진동자제품으로 플라스틱 선진쏘닉테크 사 초음( )

파용착기에 장착하여 현장에서 가동중 고장난 제품에 대하여 초음파 진동자를 외관

검사 및 분해하여 주사전자현미경(Scanning electron microscope), Impedance

로 진동자 부품의 파괴현상을 관찰 하였으며 그 파괴 원인을 규명Analyser Crack, ,

하고 전기적 특성을 측정하여 고장 원인을 조사하였다 주요 고장 형태는 다음과, .

같다.

압전 진동자 전극 부위의 반복 진동에 의한 전극 표면의 마모로 압전 세라믹Ag①

전기적 특성 저하된 상태

그림 전기적 특성이 저하된 압전 세라믹 사진< 2-2>

- 30 -

다층조립형 진동부의 파손된 상태②

그림 파손된 압전 세라믹 사진< 2-3>

횡파 발생으로 인한 진동자 및 금속부 파손된 상태③

그림 파손된 압전 세라믹 사진< 2-4>

- 31 -

고장분석고장분석고장분석고장분석2.2.2.2.

가 이용한 파면관찰. S.E.M(Scanning Electron Microscope)

상기 고객의 유형별 고장원인을 분석한 결과 대의 고장율을 나타내는 초음파30%

진동자 및 컨버터를 교환한 제품 중 파손 압전 진동자의 파단면을 을 이용하여SEM

원인을 분석하였다 분석결과 고장유형은 다음과 같다. .

기공이 다량 존재하며 큰 기공이 몰려있어 피로하중에 의한 응력집중으로 년, , 1①

내에 파손된 것으로 분석됨.

그림 관찰 사진< 2-5> S.E.M I

압전 세라믹 중 Pb(Zr,Ti)O② 3 결정립의 불균일로 크랙 이 결정 입자 사이로(crack)

진전되어 페로브스카이트 결정상을 균일하게 제어하여야 하고 의, (perovskite) , Pb

확산이 편재되어 장시간 사용 시 전기적 특성이 변하는 것으로 분석됨.

- 32 -

그림 관찰 사진< 2-6> S.E.M Ⅱ

전극층이 얇아서 반복 초음파 진동에 대한 내마모성이 떨어짐Ag- .③

그림 관찰 사진< 2-7> S.E.M Ⅲ

압전 세라믹 파단면의 내부에 기공이 다량 존재함으로서 소결 밀도(Density; g/④

가 저하하여 고신뢰성 압전 진동자 대비 기공량이 많음) , .

- 33 -

그림 관찰 사진< 2-8> S.E.M Ⅳ

결정립이 조대하고 불균일함.⑤

그림 관찰 사진< 2-9> S.E.M Ⅴ

- 34 -

나 압전진동자의 전기적 특성평가를 통한 고장분석.

고장 초음파 진동자의 전기적 특성을 측정한 결과 완전 파손은 측정불가 하였고,

외관상 결함이 존재하지 않지만 교환된 다층조립형 진동자의 임피던스 변화

이용 를 측정하였다 측정결과는 다음과 같다(Impedance Analyzer(HP 4294A) ) . .

용 다층조립형 초음파진동자15kHz①

정격 주파수 인 고장 진동자의 초음파 공진 주파수가 변위된 상태로 반복15kHz ,

초음파진동에 의한 내구성이 떨어져 공진주파수가 상향 변위되어 이로 인하여 발,

진기에 과부하를 유발하여 부품 파손되었다, .

그림 파괴된 진동자의 측정 결과< 2-10> Impedance

용 다층 조립형 초음파진동자20kHz②

초음파 공진 주파수가 에서 로 변위된 상태로 이는 반복 초음파진19.4kHz 20.13kHz

동에 의한 내구성이 떨어지는 문제로 공진주파수가 상향 변위되어 발진기에 악영1

향을 미쳐 전기 제어부에 과부하를 초래하여 전자부품 파손을 유발하는 주 요인이

다.

- 35 -

그림 파괴된 진동자 측정 모습< 2-11> Impedance Analyser

제 절 선진 외국제품의 특성 분석제 절 선진 외국제품의 특성 분석제 절 선진 외국제품의 특성 분석제 절 선진 외국제품의 특성 분석3333

을 이용한 조직 관찰을 이용한 조직 관찰을 이용한 조직 관찰을 이용한 조직 관찰1. SEM(Scanning Electron Microscope)1. SEM(Scanning Electron Microscope)1. SEM(Scanning Electron Microscope)1. SEM(Scanning Electron Microscope)

다층조립형 초음파진동자의 고장 메커니즘 을 당사 제품과 비교 조(fail mechanism)

사하기 위하여 시간 약 년사용 시간 일 일 월 월 년 년3,000 ( 2 , 5 / x 25 / x 12 / x 2 =3,000

시간 사용한 외국산 다층조립형 초음파진동자부품을 분해한 후 에틸알콜에 초음) ,

파 세척을 분간 실시하였다10 .

을 이용하였으며 가속전압 은 하에JSA840A(JEOL Co.) , (accelerating voltage) 20kV

서 관찰을 실시하였다SEM .

외국산 제품은 미국 종류를 선BRANSON Co.,LTD, NGK Co.,LTD, Fuji Co.,LTD 3

택하여 분석하였다.

사 압전진동자 파단면 관찰1) BRANSON( ) SEM .

- 36 -

그림 부품< 2-12> BRANSON CO.,LTD

현장에서 시간 사용하고 있는 공진주파수 용 다층조립형 초음파진3,000 (fr) 15kHz

동자를 분해한 사진으로 진동자 부품이 거의 정상적으로 작동하고 있는 상태로 외,

관상으로도 이상이 없었다.

그림 사 압전진동자 파단면 조직 배< 2-13> BRANSON( ) (500 )

- 37 -

그림 사 압전진동자 파단면 조직 배< 2-14> BRANSON( ) (3,500 )

사 압전진동자 파단면 관찰2) NGK( ) SEM

그림 사 압전진동자 파단면 조직 배< 2-15> NGK( ) (500 )

- 38 -

그림 사 압전진동자 파단면 조직 배< 2-16> NGK( ) (3,500 )

사 압전진동자 파단면 관찰3) FUJI( ) SEM

그림 사 압전진동자 파단면 조직 배< 2-17> FUJI( ) (500 )

- 39 -

그림 사 압전진동자 파단면 조직 배< 2-18> FUJI( ) (3,500 )

외국산 다층조립형 초음파진동자 파단면을 관찰 한 결과는 다음과 같다SEM .

표 외국산 다층조립형 초음파진동자 파단면 관찰 결과< 2-3> SEM

항 목 BRANSON NGK FHJI

평균결정크기() 2.8 1.3 1.9

결정분포도 균일 균일 균일

결정입계 유리질량 극소량 극소량 극소량

기공 량(pore) 소량 소량 소량

당사 고장모드 제품과 비교할 때 결정입자가 미세하고 균일하며 결정입계의 유리,

질 량이 극소량으로 기공량이 소량으로 기계적 특성이 우수하며 전기적으로(glass) ,

도 안정한 상태로 추정되는 미세조직으로 나타났다.

압전진동자 전극 파단면 관찰4) Ag- SEM

사 전극 파단면BRANSON( ) Ag-①

- 40 -

그림 사 압전진동자 전극 파단면조직 배< 2-19> BRANSON( ) Ag- (1,500 )

사 전극 파단면NGK( ) Ag-②

그림 사 압전진동자 전극 파단면조직 배< 2-20> NGK( ) Ag- (3,500 )

- 41 -

사 전극 파단면FUJI( ) Ag-③

그림 사 압전진동자 전극 파단면조직 배< 2-21> FUJI( ) Ag- (3,500 )

사 전극 두께는 사 는 사 는 으로 관찰되BRANSON( ) Ag- 14 , NGK( ) 5 , FUJI( ) 4

었다.

분석분석분석분석2. EDS(Energy Dispersive Spectrometer)2. EDS(Energy Dispersive Spectrometer)2. EDS(Energy Dispersive Spectrometer)2. EDS(Energy Dispersive Spectrometer)

는 미소원소분석장치로서 주사전자현미EDS(Energy Dispersive Spectrometer) SEM(

경 챔버 내에서 차전자선으로 시료표면에 조사하면 차전자와 반사전자 전) 2 2 , Auger

자 선이 발생한다 여기서 차전자로 미세조직을 관찰하며 이때 발생되는 선, X- . 2 , X-

을 검출하여 각 원소가 갖는 고유의 에너지 레벨과 비교하여 시편의 표면조직의 원

소를 정성 및 정량분석을 실시 하였다.

압전진동자의 세라믹스 소자는 의 균일분산이 전기적 특성에 큰 영향을 미치PZT Pb

므로 외국산제품의 원소분석을 실시하여 의 함량과 분산성을 조사하였다, Pb .

는 영국의 사 을 사용하였EDS(Energy Dispersive Spectrometer) LINK( )AN-10,000

다.

- 42 -

사 압전진동자 분석1) BRANSON( ) EDS

표 사 소자 분석 결과< 2-4> BRANSON( ) P.Z.T

제품명 PbO ZrO2 TiO2 PaO SrO 계

Branson

소자PZT64.90 18.77 10.31 2.09 3.94 100.00

사 압전진동자 분석2) MEGASONIC( ) EDS

표 사 소자 분석 결과< 2-5> MEGASONIC( ) P.Z.T

제품명 PbO ZrO2 TiO2 PaO MnO SrO 계

Mekasonic

소자PZT68.61 16.10 9.79 2.76 0.43 2.32 100.00

사 압전진동자 분석3) NGK( ) EDS

표 사 소자 분석 결과< 2-6> NGK( ) P.Z.T

제품명 PbO ZrO2 TiO2 SrO 계

NGK

소자PZT88.00 6.03 4.61 1.36 100.00

그림 사 소자 분석 결과 화면< 2-22> NGK( ) P.Z.T

- 43 -

사 압전진동자 분석4) FUJI( ) EDS

표 사 소자 분석 결과< 2-7) FUJI( ) P.Z.T

제품명 PbO ZrO2 TiO2 PaO SrO MnO 계

Fuji

소자PZT64.48 17.45 9.40 2.30 3.26 0.10 100.00

PbO 함량이 범위로 분산되어64.5wt%-88.0wt% PbO 함량이 적으며 균일하게 분산

되어 전기적으로 양호한 특성을 나타내어 사용수명이 큰 것으로 분석 되었다.

사 볼트조인용 금구 분석5) BRANSON( ) EDS

표 사 볼트 조인용 금구 분석 결과< 2-8> BRANSON( ) EDS

그림 사 볼트조인용 금구< 2-23>BRANSON( )

- 44 -

다층조립형 진동자의 특성 평가3.

다층조립형 초음파진동자 의 특성 평가1) 15kHz

공진주파수 : 15.0±10.1kHz

공진저항 : under 5.0Ω

정전용량(1kHz) : 22,000±10% pF

허용입력전력 : 2000W

세라믹소자 : 5φ 0, 6ea

표 다층조립형 초음파진동자 소자 특성< 2-9> 15kHz

표면 거칠기2) (Roughness)

진폭3) (amplitude)

진동자 의 진폭 측정 시 부스터의 상단과 하단의 지름(φ 비 증폭비율은) φ60 : φ40

으로 배의 증폭을 하여 측정한 결과 값이다2.25 .

- 45 -

시편

항목SPL-1 SPL-2 SPL-3 avc. max. min.

amplitude

()20 21 21.5 20.83 21.5 20

다층조립형 초음파진동자4) 20kHz

공진주파수 : 20±0.1kHz

공진저항 : under 5.0Ω

정전용량(1kHz) : 14,000±10% pF

허용입력전력 : 1500W

세라믹소자 : φ38, 6ea

표 다층조립형 조음파진동자 소자 특성< 2-10> 20kHz

표면거칠기5) (Roughness)

진폭6) (amplitude)

- 46 -

진동자 의 진폭 측정 시 부스터의 상단과 하단의 지름(φ 비 증폭비율은) φ50 : φ36

으로 배의 증폭을 하여 측정한 결과 값이다1.93 .

Toque.

항목SPL-1 SPL-2 SPL-3 avc. max. min.

amplitude

()11 11.5 12 11.5 12 11

- 47 -

제 장 고장 개선제 장 고장 개선제 장 고장 개선제 장 고장 개선4444

제 절 고장개선 방안제 절 고장개선 방안제 절 고장개선 방안제 절 고장개선 방안1111

초음파용착기용 다층조립형 진동자의 고장분석결과 고장의 주원인은 압전 진동자의

파괴로 인한 단수명과 전기적 특성이 떨어지고 진동자의 전기적 품질산포가 큰 문,

제점으로 인한 고장율 증가는 초음파 진동자의 제조방법의 전 공정의 개선이 필요

하다.

진동자의 고장율 증가 원인은PZT

기공이 다량존재하고 큰 기공이 몰려있어 응력집중으로 내구성이 떨어지고, , ,①

Pb(Zr,Ti)O② 3 페로브스카이트 결정립사이로 의 불균일로 전기적 특성이 변하PbO

고,

전극층이 얇아서 반복 진동에 의한 내마모성 저하Ag-③

소결밀도 저하④

결정립의 불균일로 인한 기계적 전기적 문제로 사용수명이 저하되고 신뢰성이, ,⑤

저하되는 것으로 분석되어 이러한 문제를 해결하여 신뢰성을 향상하기 위하여 다

음과 같은 공정조건을 개선하였다.

소자의 신뢰성 향상방안PZT①

주파수 임피던스 결함계수 및 효율 향상을 위한 공정개선- , ,

진동자 전극 관리기준 설정②

전극의 두께 균일화 방안 및 최적 두께관리 방안 확립-

진동자 가공 및 조립정밀도 향상③

표면조도관리 기준-

평행도 및 가공정밀도에 따른 수명영향-

용착기용 초음파 진동자의 수명 및 신뢰성 평가기술④

을 이용한 수명 및 신뢰성평가-MINITAP

목표수명 시간 확보를 위한 제품 조립방안- (3,000 )

- 48 -

제 절 제조공정 개선제 절 제조공정 개선제 절 제조공정 개선제 절 제조공정 개선2222

원료혼합 공정1) PZT

원료 혼합 분쇄 기술 개발함으로써 나노 초미립자 주성분과 첨가제를 첨가하여 완, ,

전 혼합 균일화하여 성형밀도 및 소결밀도를 증가시켰다.

별 입도변화 시험 슬러리 평균입도- Milling Time : : : 100nm

원료 하소 공정2) (Calcination)

700 하소 온도에서 완전하게 로 전이가 가능, 2Hr (Calcination) Perovskite Phase

한 나노 초미립자 조성물을 개발하여 저온에서 하소하였다.

표< 3-1>P.Z.T 700 소성시 결정상 분석 결과

광물명 Pyrochlore Phase Perovsklte Phase 층정방법

700 X XRD

생성 소멸( : X: )

하소온도는 높은 만큼 소결이 촉진되며 경도도 높아진다 하소원료의 경도가 높은, .

만큼 분쇄공정 및 의 공정에서 마찰이 심하여 많은 분쇄시간이 요하므로Ball Mill

그만큼 불순물이 혼입되기 쉽다 따라서 하소온도는 목적에 따라 다르지만 가능한.

한 낮게 선정하는 것이 바람직하다.

아래의 그림은 하소 온도별 분말의 선 회절패턴을 나타낸 그림이다 에서 하소X .Data

온도가 600 에 서는 가 상당히 남아있으나Pyrochlore phase , 700에서는 완전한

가 되어 특성에 나쁜 영향을 미치는 이 제Perovskite phase PZT Pyrochlore Phase

거되어 하소온도가 700 이 상에서는 특성에 문제가 없었다 하소온도가. 800에서

는 분말이 너무 딱딱하여 차 분쇄가 곤란하였다2 .

따라서 본 연구에서는 700에서 시간 유지하여 하소하였으며 이때 승온속도는2 ,

200 고온에서 의 증발을 억제키 위해 뚜껑 있는 고 알루미나질의 도가니/Hr, Pb

를 이용하였다.

- 49 -

그림 원료의 하소온도에 따른 결정상의 변화< 3-1> PZT

원료 조립 공정3) (Spray Drying)

조립화 기술을 약 로 제조하여 성형원료로 사용가(Spray Drying) 50 Granul Size

능하게 하였다.

조건 확립-Spray Dryer (Inlet Temp.; 170, Outlet Temp.; 80 , Di sk RPM:

12,000)

측정장비 입도분석기-Granual Size: 50 ( : )

전자 원료분말은 일반 세라믹스 원료와는 달라 점토와 같은 가소성은 갖Ceramics

지 않기 때문에 일반적으로 결합제 를 넣어 정도의 과립(binder) 20-80mesh

으로 조립한다(granule) .

바인더로는 보통 등을 이용하고 있으며 바인더의 성PVA, Dextrin, Wax emulsion ,

질로는 원료분말 성형물에 기계적 강도를 주어야 하고 소량으로 조립이 가능한 것

이어야 한다 또한 결합제 양의 선정이 중요하다 바인더가 많게 되면 소성. (binder) .

시편에 기공이 많게 되어 바인더 후에 기공이 잔류하게 되는데 이것은 조Burn Out ,

립 시 과립 의 기계적 강도가 증가되어 성형 시 성형압에 의해 과립(granule)

이 완전히 파괴 되지 않고 기공이 잔류하기 때문이다 기공이 많게 되면(granule) , .

밀도가 저하되어 비유전율이 낮게 되며 밀도의 편차는 비유전율의 편차에 결정적인

영향을 미친다.

- 50 -

결합제 양이 많은 시편은 성형 직후에는 항복력이 존재하며 이것은 결합제(binder) ,

양이 많은 만큼 결합제 와 수분을 제거한 원료만의 밀도가 낮게 되(binder) (binder)

며 결합제 후에 기공이 보다 많이 잔류하는 것으로 사료된다 따, (binder) Burn Out .

라서 결합제 양은 일반적으로 고형분으로 범위가 적당하다(binder) 1-3wt% .

본 연구에서는 결합제 양은 였으며 수분은 분산제(PB-72) 3wt% , 80wt%, (Davan-C)

는 였다2wt% .

의 온도는Spray Dryer Inlet 170 온도는, Outlet 80 였으며 은, , Disk RPM

이었다 조립된 은 로 균질화 하였다12,000 . granule 50 .

성형 공정실험4) (Pressing)

성형 기술을 개발하여 분체내의 기공을 최소화 입자간 접촉면적을Press (Pressing) ,

늘리고 접촉면에 의해 입자간 변형을 일으키며 성형밀도를 증가시켜 최종적으로, , ,

소결밀도를 증가하여 고수명의 진동자 생산이 가능하였다.

성형조건 확립 성형압-Press ( :1.5ton/ )

성형조건 확립 성형 후 압력으로 성형을 행하였으나 특성의-CIP (Press 2ton/ CIP ,

차이는 없어 성형만 행하였다, Press .

성형의 목적은

분체내의 공극을 감소시켜 입자간 접촉면적을 늘린다- .

변형에 의해 에너지를 증가 시킨다 등의 변화를 일으켜 성형되지 않은 분말보다- .

고상반응이 촉진된다.

본 연구의 성형압은 였으며 를 사용하였다1.5ton/ , Meachanical press(20ton) .

성형은 일부 성형 을 행하였으나 특성의 차이는 없어 성형만Press CIP (2ton/ ) press

행하였다.

저온소성 공정 실험5) (Low Temp, Sintering)

저온소성 을 위해 초미립자 주성분과 첨가제 조성을 갖는 저(Low Temp. Sintering)

온소결 진동자의 특성은 다음과 같으며, 900 시간소성에서 소결밀도가, 1 7.8 g/

로 결정자 입자 크기가 로 소성 수축율은 였다I~2 8.0% .

- 51 -

표 소성 온도에 따른 특성< 3-2>

900 시간 소성에서 소결밀도가 특성을 갖는 진동자를 실장 시험결과, 1 7.8 g/

외국산 진동자와 자체 비교 시험 결과 우수한 전기적 특성이(Fuji, Branson, TDK)

확보되었다.

소성 시 승온 속도는 200 였으며/Hr , 550에서 시간 하여 결합제를2 Holding

을 행하였다 결합제 후 동일한 승온 속도로 상승시켜burn out . burn out 900에서

시간 유지한 후 자연 냉각 시켰다 소성 시 차 결합제 은 결합제 하소분1 . 1 burn out

위기로 인하여 시편의 환원을 방지하기 위하여 뚜껑을 사용하였다 또한 분위기 제.

어를 위해 분위기 Powder(PbO+ ZrO2 자체제조 를 사용하였다: ) .

분극 공정실험6) (Polling)

분극 기술은 강유전성 자기에 직류전계를 가하여 자기에 극성을 부여하는 것(Poling)

으로 고온 전극법을 이용하여 큐리온도 이하의 실온에서 전계 을 가하여 단Tc( ) (Ep)

시간에 포화상태에 달한다 분극 시 고전압 전계 의 방전을 막기 위하여 절연성 실. ( )

리콘오일 중에서 분극을 하였다.

- 52 -

그림 유전체의 분극처리< 3-2>

분극이란 강유전성 자기에 직류전계를 가하여 자기에 극성을 부여하는 것으로 그림

의 상태의 자발분극을 직류전계를 가하여 한방향으로 배열시키는 상태이<3-2> (a)

다 분극처리 방법으로는 다음 종류가 있다. 4 .

상온 분극법 큐리온도 이하의 실온에서 전계 을 가한다: Tc( ) (Ep) .①

고온분극법 큐리온도 이하의 가능한 한 높은온도에서 전계를 가한다 실온분: Tc( ) .②

극법과 비교해서 단시간에 포화상태에 달한다.

전계분극법 큐리온도 이상의 온도에서 전계를 가하면서 실온까지 냉각하는: Tc( )③

방법이다.

에이징 후 재분극법 이 방법은 공간 전하분극법을 고려하여 고안한 것으로 우선:④

이하의 온도에서 전계를 인가한 후 양 단자를 단락시켜Tc 60-80에서 에이징 시

키고 다시 이하 온도에서 전계를 인가시킨다, Tc .

상기 분극방법 중 에이징 후 특성은 상온 분극법이 가장 떨어졌다.

일반적으로 계는 고온분극법을 채택하고 있으나 때때로 에이징 후 특성향상을PZT ,

위해 에이징 후 재분극법도 이용하고 있다 본 시험에서는 고온분극법을 이용하였.

으며 분극 시 고전압 전계 의 방전을 막기위해 절연성 실리콘 오일 중에서 분극하, ( )

였다 이때 오일온도는. 100였으며 전계 는 였다, DC 25 . (4.5 /cm)

아래의 표 은 분극시간에 따른 특성이다 결과에서 인가시간이 분일경우는< 3-3> . 10

값이 낮은 값을 보였으나 분 이후는 큰 변화가 없었다 값의 결과로 보아Kp 20 . Kp

분극시간은 분이면 가능한 것으로 판단되었다20 .

- 53 -

표 오일의 온도변화별 특성 결과이다 시험에서 행한 온도별 특성에서< 3-4> . 100

일때 가장 좋은 값을 얻었다 따라서 제조공정에 적용되는 분극조건은 실리콘 오Kp .

일 100 중에 분으로 개선하였다25kV-30 .

표 분극 시간별 특성표< 3-3> (25 , 100 )

분극온도별 특성표 분<3-4> (25 , 30 )

진동자의 가공공정 개선7)

다층 조립형 진동자는 ø38, ø 진동자를 개를 에 볼트 조립하여야 하기 때50 6 Mass

문에 조립 시 압력이 정도 가하며 볼트 체결시 압력이Press 10ton Torque

로 조립된다 또한 초음파 용착 시 진동으로 인하여 고하중과 병행하100~300 f . ,

여 기계적 응력이 균일하게 분산되어야 수명을 향상시킬 수 있다 따라서 표면정밀.

도개 매우 중요하다.

표면조도 를 향상시키기 위하여 양면연마기로 상하면을 가공한 후(Roughness) ,

전극 처리하여 평행도를 목표치 이하로 가공하였다 진동자 표면의Ag- , Ra=20 , .

표면조도 를 로 측정 결과를 그림 에 나타내었(Roughness) Roughness Tester 4-4

다.

- 54 -

그림 압전 소자의 규격 사진< 4-3>

그림 표면조도 측정 결과< 3-4> (Roughness)

- 55 -

제 절 금속 형상 개선제 절 금속 형상 개선제 절 금속 형상 개선제 절 금속 형상 개선3 MASS3 MASS3 MASS3 MASS

초음파 진동자의 수명과 전기적 특성을 향상시키기 위하여 초음파 다층조립형 초,

음파진동자의 금속 와 조립방법을 설계 변경하여 기계적 전기적 특성을 향상Mass ,

시켰다.

대상 용 용 다층조립형 진동자1) : 15 , 20

부스터 의 설계변경2) (booster)

진동자 금속 의 형상 변경Mass

의 설계변경Housing

진동자 의 설계변경Cover

ø38, ø50 소자를 개 조립하여 상기 금속 의 설계변경으로Ring Type PZT 6 Mass

횡파를 최소화하고 초음파 종진동을 증폭시키고 고정밀 공진 주파수 특성을 갖는

고신뢰성 초음파 진동자 설계를 하였다.

다음은 신형 설계변경 진동자의 사진과 설계도는 다음과 같다.

그림 신형 진동자 사진< 3-5>

- 56 -

다층조립형 초음파진동자를 설계를 진동자의 공진주파수의 정밀도를 향상Housing

시켰으며 횡파발생을 없앰으로서 생산현장에서 극성을 잘못 연결하여 파손되는 고

장을 방지하였으며 수리 및 교환이 쉽게 설계하였다 또한 고전압에 의한 안전성을.

확보하였다 다음은 대표적인 초음파진동자 금속 의 구조이다. Mass .

그림 대표적인 진동자 금속 형상< 3-6> Mass

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제 절 조립방법 개선제 절 조립방법 개선제 절 조립방법 개선제 절 조립방법 개선4444

현재 조립 시 압 로 가압후 로 의 토크로 힘을Press 80 / 2 Torque wrench 30 ·f

가하여 볼트 조인하였다 공진주파수는 압력 토크 압력을 가할수록 공진주. Press ,

파수는 높아지는 경향으로 고압력으로 볼트 조인하여 주파수 특성을 맞추어 조립,

하는 실정이다 이러한 방법을 고정 주파수 특성변화를 모니터링하여 최적 조립조.

건으로 개선하였다.

현재의 조립방법현재의 조립방법현재의 조립방법현재의 조립방법1.1.1.1.

표 진동자 조립 방법에 따른 진동자 특성< 3-5> 15

상기 에서 압력 및 압에 기한 공진주파수의 변화는 다음과 같Data Press Torque

다.

표 진동자 조립 방법에 대한 진동자 특성< 3-6>20

- 58 -

그림 와 변화에 따른 공진주파수 변화< 3-7>Press Torque (15 )

현재 조립 시 압 의 힘을 가하여 볼트 조인함으로Press 100kg/cm2, Torque 10kg·f

써 과도한 압력으로 조인되어 초음파 진동에 의한 파괴현상이 쉽게 진전되는 경향

으로 분석되었다.

그림 와 변화에 따른 공진주파수 변화< 3-8>Press Torque (20 )

- 59 -

주파수별 진동자 임피던스 측정 모습<3-9>

그림 각 진동자별 진폭 측정 모습< 3-10>

- 60 -

표 진동자 변화 전< 3-7>15 Torque

표 진동자 변화 후< 3-8>15 Torque

그림 진동자의 변화에 따른 진폭의 크기변화< 3-11>15 Torque

표 진동자 변화 전< 3-9>20 Torque

- 61 -

표 진동자 변화 후< 3-10>20 Torque

그림 변화에 따 진폭의 크기변화< 3-12>Torque fms

개선방법2)

표 개선 방법으로 제작된 진동자 특성< 3-11> (15 )

유압 압력을 로 낮추어 조립하여 주파수는 금속Press 50kg/cm2, Torque 10kg·f

의 길이 형태를 전장의 설계도면과 같이 개선하여 공진주파수를 정확하게 맞Mass ,

추었다.

- 62 -

기준의 압력 의 고하중 볼트 조인 시 초1) Press 100~300kg/cm2; Torque 30kg·f

음파진동자의 부하에 의하여 장시간 사용시 파손현상과,

전기적 주파수변위가 큰 문제를 압력 및 하중을 줄여 조립하므로2) Press Torque

서 피로응력에 대한 주파수 안정도를 높여 초음파 압전진동자의 파손을 막고 수명

을 크게 향상시킬 수 있었다.

그림 개선 방법으로 제작된 진동자 공진 반공진 주파수 특성< 3-13> · (15 )

그림 공진 반공진 주파수 측정 모습< 3-14> ·

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표 개선 방법으로 제작된 진동자 특성< 3-12> (20 )

유압 압력을 로 낮추어 조립하였으며 공진주파수는Press 50 / , Torque 10 ·f ,

금속 의 길이 형태를 전장의 설계도면과 같이 개선하여 공진주파수를 정확하Mass ,

게 맞추어 조립하였다 이와 같이 저압력 저하중으로 볼트 조인한 용 다층조립. 20

형 진동자의 전기적 특성은 균일한 산포를 갖고 고수명을 갖는 진동자를 개발하여

신뢰성을 높일 수 있었다.

그림 개선 방법으로 제작된 진동자 공진 반공진 주파 특성< 3-15> · (20 )

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그림 공진 반공진 주파수 측정 모습< 3-16> ·

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제 장 고장개선 결과제 장 고장개선 결과제 장 고장개선 결과제 장 고장개선 결과5555

제 절 기계적 특성 향상제 절 기계적 특성 향상제 절 기계적 특성 향상제 절 기계적 특성 향상1111

개선전후의 진동자 파단면을 으로 배PZT SEM(scanning electron microscope) 500 ,

배 미세조직을 비교 분석한 결과 개선전의 기공 이 몰려있는 상태로 다2,000 , (pore)

량 존재하던 것을 공정조건을 개선하여 기공을 소량화 하였고 결정립도 균일하게

제어하여 전기적인 응력집중과 소결밀도와 기계적 강도를 향상시킴으로서 진동PZT

자의 파손을 방지하여 수명을 향상 시켰다.

그림 공정 개선 전의 진동자 사진 배< 4-1> PZT SEM (500 )

그림 공정 개선 전의 진동자 사진 배< 4-2> PZT SEM (2,000 )

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그림 공정 개선 후의 진동자 사진 배< 4-3> PZT SEM (500 )

그림 공정 개선 후의 진동자 사진 배< 4-4> PZT SEM (2,000 )

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제 절 소결밀도 향상제 절 소결밀도 향상제 절 소결밀도 향상제 절 소결밀도 향상2 (Sintering Density)2 (Sintering Density)2 (Sintering Density)2 (Sintering Density)

소결밀도 를 소성온도별 변화를 분석하여 본 결과는 다음과 같으(sintering density)

며, 900이상에서는 일부 결정입자 가 성분에 의하여 응응 현(grain) Flux (melting)

상이 발생하여 기계적 전기적 특성이 떨어지는 경향으로, , 900 시간 소성에서, 1

소결밀도 소성수축율 로 가장 양호한 특성을 나타냈다7.80g/ , 8.0% .

따라서 당사의 공정을 개선하여 진동자의 의 휘발을 억제하고 소결밀도가PZT Pb ,

높은 소자를 얻을 수 있었다PZT .

그림 소자의 소결밀도와 소성 수축율< 4-5> PZT

- 68 -

제 절 소자의 전극두께 관리제 절 소자의 전극두께 관리제 절 소자의 전극두께 관리제 절 소자의 전극두께 관리3 PZT3 PZT3 PZT3 PZT

개선 후의 진동자 파단면을 으로 관찰한PZT SEM(scanning electron microscope)

결과는 다음과 같다.

가속전압은 배 미세조직을 으로 관찰한 결과 개선전의 전극두15KV, 2,000 SEM , Ag-

께가 로 초음파발생으로 전극층이 마모되어 고전압에 의한 파괴가 발생하는2~3

문제가 발생하였다 이러한 고장 발생원인을 해결하고자 전극 층의 두께 관리. Ag-

로 해결가능하고 또한 세라믹과 전극 층과의 강고한 접합력을P.Z.T Ag Metallizing

향상시킴으로서 진동자의 파손을 방지하여 수명을 향상 시켰다P.Z.T .

그림 세라믹 소자의 전극< 4-6>P.Z.T Ag

불량 원인분석에서 시간 이상 사용 시 초음파 진동자의 종파에 의한 반복진동1,000

으로 압전세라믹스의 전극이 두께의 제품에서 마모되어 진동자가 파손Ag- 2~3

되는 원인을 에 의한 미세구조로 분석되었다 이러한 피로응력에 강한 압전진SEM .

동자를 제조하기 위하여 전극층의 두께를 정도로 두껍게 하고, Ag- 10~15 , PZT

세라믹과 전극층과 접합도 강고하게 하였다 층을 로 균Ag- Metallizing . Ag- 11~12

일하게 관리하여 불량원인을 제거하고 수명을 크게 향상시켰다, .

- 69 -

제 절 전기적 특성 향상제 절 전기적 특성 향상제 절 전기적 특성 향상제 절 전기적 특성 향상4444

개선후 성분의 균일분산과 휘발여부를 로Pb EDS(energy dispersive spectrometer)

분석하였다 공정개선에 의한 의 균일분산 과 휘발 감소량을. Pb EDS(energy

로 분석하여 검토하였다 분석한 결과 조성의 함dispersive spectrometer) . Batch Pb

량은 에서 소결 후 로 공정개선에 의하여 가 균일하게 분산되56.0wt% 55.4wt% Pb

어 전기적 특성을 크게 향상시키며 소결밀도도 크게 증가하여 고수명 압전진동자를

제조할 수 있었다 진동자내의 소결과정에서 의 증발 및 휘발로 인한 소. PZT Pb PZT

자의 전기적특성 즉 값의 저하로 내부결함 및 파손이 발생하는 주요인L,C,R (crack)

을 공정개선에 의하여 해결할 수가 있었다.

그림 소자 성분 분석 결과< 4-7>PZT

- 70 -

초음파용착기용 다층조립형진동자를 공진주파수 용도로 조립하여 제조공15 , 20

정을 개선하여 제조된 제품의 를 이용하Impedance Analyser, Spectrum Analyser

여 전기적 특성을 측정하였다.

에 의하여 공진주파수 반Impedance Analyzer (HP4294A Impedance Analyzer) (fr),

공진주파수 정전용량 공진저항 을 측정하였다 또한(fa), (Cp), (R) . Spectrum

를 이용하여 공진주파수 을 측정하여 공진주파수대역Analyser(HPE4405B) Sprctrum

을 검토하였다 측정결과는 다음과 같다Peak Pattern . .

그림 전기적 특성을 향상 시킨 진동자의 측정 모습과 결과< 4-8>

용 다층조립형초음파진동자 측정결과는 공진주파수 반공진주파수15 (fr) 14.57 ,

정전용량 공진저항 으로 양호한 전기적(fa) 15.55 , (Cp) 22,000pF(1 ), (R) 2.7 Ω

특성을 나타내고 있다.

- 71 -

또한 용 다층조립형초음파진동자를 측정한 결과는 공진주파수 반공20 (fr) 19.37 ,

진주파수 정전용량 공진저항 으로 양호한(fa) 21.15 , (Cp) 12,600pF(1 ), (R) 4.2 Ω

전기적 특성을 나타내고 있다.

그림 측정 모습< 4-9>Spectrum Analyzer

그림 측정 결과< 4-10>Spectrum Analyzer

- 72 -

개선전의 공진주파수 이 한 로 용 공진주파수 범Spectrum Pattern Broad Peak 15

위가 로 나타났으며 용은 로 넓게 나타났다 공정 개선후의 다층조20Hz , 20 10 .

립형 초음파 진동자이 공진 주파수 이 한 로 용Spectrum Pattern Sharp Peak 15

공진주파수 범위가 로 나타났으며 용은 로 넓게 나타났다5Hz , 20 5Hz .

소자의 결정크기를 작게 결정 경계면의 유리질 을 극소화하여 기공을PZT , (glass) ,

최소화하여 소결밀도를 높이고 의 증발량을 줄이므로서 전기적 특성이 크게 향Pb

상되어 주파수 매칭에서 우수한 결과를 얻었다.

- 73 -

제 절 진동자의 특성개선 결과제 절 진동자의 특성개선 결과제 절 진동자의 특성개선 결과제 절 진동자의 특성개선 결과5555

초음파 용착기용 다층조립형 초음파진동자 의 수명향상을 위하여 초음파진동자의" "

수명저하 요인분석 및 대책을 수립하여 시행하였다.

초음파진동자의 고장원인을 기계적 전기적 문제점을 분석,①

진동자의 품질산포가 큰 문제점을 공정을 개선한 결과 고신뢰성 제품을 제조할,②

수 있었다.

표 개선된 초음파 진동자의 특성< 3-9>

따라서 소자의 고장발생 원인을 다각적으로 분석하여 공정조건을 개선하여 다PZT

음의 목표치 대비 우수한 성능을 발휘하였다 현재의 사용수명이 약 시간으로. 1,500

개선 후 약 배의 시간의 수명향상 효과는 가속수명시험 기법을 개발하여 다2 3,000

음 장에서 검증하였다.

또한 최종 목표수준보다 우수한 품질수준을 구현하였다.

- 74 -

제 장 가속수명시험제 장 가속수명시험제 장 가속수명시험제 장 가속수명시험6666

제 절 가속수명시험 기법제 절 가속수명시험 기법제 절 가속수명시험 기법제 절 가속수명시험 기법1111

시험시간을 단축하기 위한 가속수명시험 기법에는 다음과 같이 가지 종류가 있다3 .

빈도 가속빈도 가속빈도 가속빈도 가속1-11-11-11-1

그림 빈도가속 개념< 5-1>

빈도 가속은 정상 사용조건의 사용빈도보다 더 높은 사용빈도로 시험을 실시하는

방법이다 예를 들면 전동공구의 경우 시간 계속하여 사용을 하지 않는다 사용. 24 .

자에 따라서 하루에 사용하는 시간이 다르겠지만 평균하여 시간 정도를 동작했다4 "

가 잠깐 멈추었다 를 반복한다고 하면 시험은 시간 내내 동작했다가 잠간 쉬는" 24

과정을 반복하는 것이다 이와 같이 시험하는 경우 사용빈도만을 고려할 때 시험조.

건은 정상 사용조건보다 배의 가속효과가 있다 즉 빈도 가속을 하여 개월을 시6 . , 1

험하면 실제 정상 사용조건에서는 개월을 사용한 효과가 있는 것이다6 .

- 75 -

빈도가속시험의 대표적인 사례로서 원자력 발전소 제어시스템에 들어가는 릴레이의

경우를 들 수 있다 원자력 발전소 기기들은 안전과 관련된 기능을 수행하는 기기.

의 경우 원자력 발전소 수명인 년동안 사용하는데 문제가 없음을 입증하여야 한40

다 릴레이의 경우 주된 고장원인이 접점이 붙었다 떨어지는 동작을 반복하는 것에.

의하여 피로가 누적되어 고장이 발생하는 것인데 이와 같은 고장메커니즘을 갖는,

릴레이 수명을 평가하기 위하여 동작시험을 실시한다 원자력 발전소에서ON/OFF .

정상적인 동작조건으로 릴레이가 작동하는 경우 년동안 회의 동40 60,000 ON/OFF

작을 하는 것으로 간주하는데 이와 같은 동작 빈도는 평균적으로 시간에 회, 5.84 1

년 일 시간 회 동작을 하는 것이다 하지만 릴레이의 수명시험에(=40 X365 X24 /60000 ) .

서는 초 초 즉 초에 회 동작을 하는 빈도로 빈도가속을 하여 시험을1 ON 1 OFF, 2 1

실시한다 이와 같이 시험을 실시하는 경우 년동안의 동작 상황을 약 시간. 40 34 (=2

초 회 에 재현할 수 있다X60,000 ) .

스트레스 가속스트레스 가속스트레스 가속스트레스 가속1-21-21-21-2

스트레스 가속은 제품의 고장메커니즘을 가속시킬 수 있는 스트레스 인자 온도 전( ,

압 온도사이클 등 를 사용하여 고장을 짧은 시간 내에 발생 시킨 후 수명과 스트, ) ,

레스 사이의 관계식을 사용하여 높은 스트레스 수준에서의 수명데이터를 정상 사용

조건의 수명데이터로 환산하는 방법이다 그림 참조.( 5-2 ).

그림 스트레스 가속 개념< 5-2>

- 76 -

예를 들어 전자부품의 경우 일반적으로 화학반응 부식 마이그레이션 금속간 화합, ( , ,

물 등 에 의하여 고장이 발생하는데 이러한 화학반응은 온도에 의하여 촉진된다) .

온도가 상승함에 따라서 제품의 수명이 감소하는 상관관계는 다음과 같은 아레니우

스 가속모델이 잘 맞는 것으로 알려져 있다.

Lu/La = exp(E/k)·(1/Tu-1/Ta)

단 는 정상 사용조건에서의 수명 는 가속조건에서의 수명 는 활성화에너, Lu , La , E

지 는 볼쯔만상수, k (8.617×10-5

는 정상 사용조건의 절대온도 는 가속eV/K), Tu , Ta

조건의 절대온도이다 이와 같은 아레니우스 가속모델에서는 활성화에너지 값만 알.

면 정상 사용조건과 가속조건사이의 가속 효과가 어느 정도 되는지 알 수가 있다.

여기서 활성화에너지는 화학반응이 일어나기 위하여 필요한 에너지 양으로서 고장

메커니즘에 따라서 다른 값을 갖는다 반도체 디바이스 예를 들어 활성화에너지가.

이라고 할 때 일반적으로 고온동작시험에서 실시하는 가속조건인1.0 125에서의

시간은 정상 사용조건인1000 35에서 시간 시간 을 사용한5,015,000 (=1000 X5,015)

것과 동일하다.

판정 가속판정 가속판정 가속판정 가속1.31.31.31.3

고장의 유형에는 파국고장과 열화고장 두 가지가 있다 파국고장은 정상적이던 제.

품이 갑자기 기능을 수행하지 못하게 되는 것으로 단선 단락 등의 고(open), (short)

장형태를 들 수 있다 열화고장은 제품의 특성이 시간이 지남에 따라서 점차 열화.

되어 미리 정한 고장판정기준만큼 열화되면 고장으로 판정을 하는 고장형태이다.

판정가속은 제품의 고장이 열화고장형태인 경우 고장판정을 더 빨리 내리도록 고장

판정기준을 바꾸어 적용하는 방법이다.

- 77 -

그림 판정가속의 개념< 5-3>

예를 들어 전지의 경우 충방전을 반복하면서 전지의 용량이 감소한다 전지의 국제.

규격에서는 전지의 고장을 다음과 같이 정의한다 전지 용량이 초기 용량의. 60%

수준까지 떨어지면 고장으로 간주한다 어느 한 전지의 충방전 시험에서 다음과 같.

은 열화특성이 얻어졌다.

전지의 용량이 국제 규격에서 제시한 고장판정기준인 용량변화율 초기 용량 시( -t

점에서의 용량 초기 용량 에 이르기까지 같은 경향을 가지고 떨어진다면X100/ ) 40%

고장판정기준을 에서 로 변경함으로써 약 배 의 가속효과를40% 10% 4 (=1000/240)

얻을 수 있다.

- 78 -

제 절 가속순명시험의 개발 절차제 절 가속순명시험의 개발 절차제 절 가속순명시험의 개발 절차제 절 가속순명시험의 개발 절차2222

가속수명시험을 개발하기 위하여 일반적으로 다음과 같은 절차를 따른다.

그림 가속수명시험 개발 절차< 5-4>

제품의 고장형태 조사제품의 고장형태 조사제품의 고장형태 조사제품의 고장형태 조사2-12-12-12-1

가속수명시험의 목적은 필드에서 발생하는 고장형태를 재현하면서 고장나는 시간만

을 단축시키는 것이므로 필드에서 발생하는 고장형태를 먼저 파악하여야 한다 제.

품의 고장형태에 따라서 가속 방법이 달라지기 때문에 가속수명시험을 개발하기 위

해서는 제품의 고장형태 조사가 선행되어야 한다.

- 79 -

고장부위 조사고장부위 조사고장부위 조사고장부위 조사2-22-22-22-2

가속시험을 실시하고자 하는 대상 제품이 커패시터나 저항같은 부품이 아니고 여러

가지 부품이 결합된 제품인 경우 필드에서 일어나는 고장형태와 함께 고장이 발생

하는 주요 부위를 파악하여야 한다 어느 부위에서 고장이 발생하는지를 알아야 그.

부위에 초점을 맞추어 가속을 어떻게 할 것인지 설계를 한다 고장 부위를 정확히.

알지 못하고 시험을 하는 경우 필드에서 주로 고장이 발생하는 부위 이외의 장소에

서 고장이 가속되어 필드 고장을 재현하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.

고장부위별 고장메커니즘 조사고장부위별 고장메커니즘 조사고장부위별 고장메커니즘 조사고장부위별 고장메커니즘 조사2-32-32-32-3

고장 발생을 가속시킨다는 것을 정확히 표현하면 고장 메커니즘을 가속시킨다는 것

이다 고장이 어떤 현상을 거쳐서 발생하게 되는지 파악이 되어야 가속을 어떻게.

할 것인지를 설계할 수 있다 예를 들어 반도체 디바이스의 경우 최근 플라스틱 패.

키지를 사용하면서 수분의 흡습에 의한 배선의 부식 또는 불순물이 수분에 녹아,

스며들어 배선 위에 놓여 전류의 흐름을 방해하는 등의 고장이 발생을 하고 와이,

어와 패키지 사이의 열팽창계수 차이에 의하여 온도가 변화할 때 열응력이 발생함

으로써 와이어 넥이 끊어지는 등의 고장이 많이 발생하는데 이와 같은 경우 온습,

도와 온도사이클이 고장을 가속시킬 수 있는 효과적인 스트레스 인자가 될 수 있

다.

유효한 가속스트레스 선정유효한 가속스트레스 선정유효한 가속스트레스 선정유효한 가속스트레스 선정2-42-42-42-4

대상 제품의 고장형태 고장부위 고장메커니즘이 파악되면 이들 정보를 바탕으로, ,

고장을 가속시키는데 효과적인 스트레스를 선정한다 가속 스트레스는 무엇보다도.

고장메커니즘에 가장 밀접한 관계가 있는데 대표적인 고장메커니즘과 가속스트레스

로서 다음과 같은 것들이 있다.

- 80 -

표 고장메커니즘과 가속스트레스< 4-1>

고장메커니즘 가속스트레스

화학반응 온도

수분 침투에 의한 고장메커니즘 온ㆍ습도

구성 재료들 사이의 열팽창계수 차이에 의한 열응력 온도사이클

과전압 과전류, 전압 또는 전류

기계적 피로 마모, 부하

스트레스 수준 결정스트레스 수준 결정스트레스 수준 결정스트레스 수준 결정2-52-52-52-5

가속스트레스가 결정된 후에는 시험을 어떤 수준들에서 실시한 것인지 결정한다.

일반적으로 한 종류의 스트레스를 사용하여 가속하는 경우 수준에서 시험을 실시3

하고 시험을 여러 수준에서 실시할 수 없는 경우 적어도 수준에서는 시험을 하여, 2

야 가속모델을 추정할 수 있다 시험할 스트레스 수준을 결정하는 부분에 있어서는.

무엇보다도 가장 높은 스트레스 수준을 어떻게 결정하는가가 가장 어렵고 중요하

다 스트레스 수준을 높게 결정할수록 가속효과는 더 커지겠지만 정상 사용조건과.

고장메커니즘이 달라질 가능성도 또한 커지게 된다 가장 높은 스트레스 수준은 일.

반적으로 구성 재료의 특성에 좌우되는데 구성 재료의 특성에 대한 정보가 없는 경

우에는 예비시험을 통하여 높일 수 있는 한계 스트레스 수준을 결정한다 한계 스.

트레스 수준이 결정되면 한계 스트레스 수준을 포함한 한계 스트레스 수준과 정상

사용조건 사이의 적정한 스트레스 수준들을 선택하여 시험을 실시한다 이 때 스트.

레스 수준들 사이에는 충분한 차이를 주어 스트레스 수준들 사이에 가속효과가 다

르게 나타날 수 있도록 한다.

측정항목 선정측정항목 선정측정항목 선정측정항목 선정2-62-62-62-6

고장형태와 관련하여 제품의 고장 여부를 판단하기 위하여 어떤 측정 항목을 측정

하여야 하는지 결정하여야 한다 특히 제품의 특성이 열화되어 고장이 발생하는 경. ,

우 열화되는 특성을 모델링함으로써 판정가속을 통하여 시험시간을 단축할 수 있

고 고장이 발생하는 전조를 발견할 수 있어 고장 발생을 미리 방지할 수도 있으므,

로 의미있는 정보를 줄 측정항목을 선택하여야 한다.

- 81 -

측정항목의 측정방법 결정측정항목의 측정방법 결정측정항목의 측정방법 결정측정항목의 측정방법 결정2-72-72-72-7

측정항목이 결정되면 측정항목을 시험 중에 어떻게 측정할 것인지 결정하여야 한

다 가장 바람직하기는 연속적으로 측정항목의 변화를 모니터링하는 것이 좋으나.

시험장비 준비가 복잡해지고 시험비용이 높아진다 특성값이 순간적으로 변화하는.

것을 확인하여야 한다거나 정확한 고장시간을 알아야 하는 경우가 아니면 일정한

측정시간을 정해놓고 측정항목을 측정하는 것이 시험에 소요되는 비용과 시험준비

에 소요되는 시간 및 노력을 줄일 수 있다.

시험시간 결정시험시간 결정시험시간 결정시험시간 결정2-82-82-82-8

시험시간은 길면 길수록 많은 정보를 얻을 수 있으나 일반적으로 시간에 제약을 받

으므로 각 스트레스 수준에서 최소한 개의 고장데이터가 얻어질 때까지 시험하는3

것이 바람직하다 각 스트레스 수준에서 개 이상의 고장이 발생하여야 각 스트레. 3

스 수준에서의 수명분포 적합성을 판단해 볼 수 있다.

시료수 결정시료수 결정시료수 결정시료수 결정2-92-92-92-9

시료도 많으면 많을수록 많은 정보를 얻을 수 있으나 시험할 수 있는 시료의 수에

제약이 있는 경우가 있으므로 무조건 많은 수의 시료를 시험 할 수는 없지만 가능

한 각 스트레스 수준에서 개 이상의 시료를 시험하는 것이 바람직하다5 .

시료 선정시료 선정시료 선정시료 선정2-102-102-102-10

시료를 선정할 때 시험목적에 따라서 선정기준이 달라진다 제조공정이 안정되어.

제품의 산포가 크지 않은 상황에서 제품의 수명을 평가하자 하는 경우 공전에서 시

험품을 무작위로 뽑아서 시험하는 것이 바람직하지만 개발 제품에 대하여 수명을,

평가한다거나 제조공정에서 제품의 산포가 큰 상황에서 제품 수명에 대한 대표값을

산출하고자 하는 경우 시료는 가능한 이상 시료가 포함되지 않은 일반직인 특성을

갖는 시료들을 선택하는 것이 바람직하다.

- 82 -

시험 준비시험 준비시험 준비시험 준비2-112-112-112-11

시험을 실시하기 전에 시험 결과에 영향을 미칠 요소들에 대한 관리가 필요하다.

시험하는 목적에 따라서 시험실의 온도 변화나 시험기에 입력되는 전압 산포 등과

같은 요인이 시험결과에 어떻게 영향을 미칠지 파악하여 필요한 조치를 취하여야

한다.

시험 실시시험 실시시험 실시시험 실시2-122-122-122-12

시험을 시작하게 되면 정기적으로 시험 진행 상창을 파악하여 이상 부를 확인하고,

문제가 발생하는 경우 발생시간 문제점 조치 내용 등을 기록하여 시험결과를 분석, ,

할 때 참고가 되도록 한다.

고장분석고장분석고장분석고장분석2-132-132-132-13

시험에서 고장이 발생하면 발생한 고장이 필드에서의 고장과 동일한 형태의 고장인

가 확인하고 개선방법을 찾기 위하여 고장분석을 실시한다 고장분석은 일반적으로, .

그림 와 같은 절차를 따른다5-5 .

고장분석은 고장이 발생한 상황 및 고장현상에 대한 정확한 파악으로 부터 출발한

다 어떤 고장현상이 발생하였고 어떤 환경 하에서 어느 정도 사용된 후에 고장이. ,

발생하였지 등에 대한 정보를 먼저 조사하여야 한다 이와 같은 조사가 진행된 후.

에는 고장 시료를 파괴하지 않고 가능한 많은 정보를 얻을 수 있도록 분석을 진행

한다 외관검사를 통하여 어느 부위에서 어떤 고장이 발생하였는지 파악하고 특성. ,

측정을 통하여 고장 모드를 확인한다 이와 같은 기본적인 검사를 통하여 고장원인.

을 추정하고 추정된 고장원인을 확인할 수 있는 비파괴검사 분석 등 를, (X-ray, SAT )

실시한 후 파괴검사 화학물리적분석 등 를 실시하여 고장원인을 밝혀낸다(SEM, ) .

- 83 -

그림 고장분석 절차< 5-5>

통계적 데이터분석통계적 데이터분석통계적 데이터분석통계적 데이터분석2-142-142-142-14

시험 후에 고장데이터가 얻어지면 다음과 같은 절차에 따라서 데이터 분석을 실시

한다 가속수명시험에 있어서 모델은 일정 스트레스 수준에서의 수명분포와 수명과.

스트레스 사이의 관계식이 사용되는데 데이터분석을 실시하기 위하여 먼저 수명분

포를 결정한다 수명데이터에 대한 수명분포로서 일반적으로 지수분포 와이블분포. , ,

대수정규분포가 사용된다 어떤 분포가 가장 적합한지 판단하기 위하여.

통계량 값을 계산하여 통계량 값이 가장 작은 수명분포를 선택Anderson-Darling

한다.

그림 통계적 데이터분석 절차< 5-6>

- 84 -

수명분포가 결정된 후에는 각 스트레스 수준들 사이에 가속성이 성립하는지 확인한

다 가속성이 성립한다는 것은 동일한 고장 메커니즘에 의하여 고장이 발생함을 의.

미한다 가속성 성립 여부는 고장분석을 통하여 직접 고장 메커니즘의 동일성을 확.

인하는 방법도 있지만 고장데이터를 활용하여 우도비검정과 같은 통계적 방법을 통

해서도 가속성이 성립하는지 판단할 수 있다.

가속성 성립 여부가 확인된 후에는 가속성이 성립하는 수준들 사이의 가속효과를

모델링한다 즉 적절한 수명과 스트레스 사이의 관계식을 가정하고 수명분포와 수. , ,

명과 스트레스 사이의 관계식을 추정한다 이와 같은 모델이 추정되면 추정된 모델.

로부터 관심있는 값(B10 수명 가속계수 등 을 추정할 수 있게 된다, ) .

가속내구성시험의 규격화가속내구성시험의 규격화가속내구성시험의 규격화가속내구성시험의 규격화2-152-152-152-15

앞 절에서 설명한 바와 같이 가속수명시험을 실시하여 가속모델이 추정되었으면 이

후 시험에서는 가장 시험시간을 단축할 수 있는 가속조건에서만 시험한 후 추정된

가속모델로부터 계산 가능한 가속계수를 이용하여 정상 사용조건에서의 수명을 평

가한다 이 때 시험을 수행함에 있어서 목적에 따라서 규격화함으로써 사내 규격으. ,

로 사용할 수 있다 현재 계양전기에서 실시하는 내구성시험의 목적은 개발 제품에.

대하여 목표하는 내구성을 갖는지 확인하는 것이다 이와 같은 시험에 있어서 제품.

의 수명이 산포를 갖기 때문에 몇 개의 시험품을 시험하는가에 따라서 시험 결과에

어느 정도의 확신을 가질 수 있는지가 달라진다 제품이 목표하는 수명을 가짐을.

보증하는 시험은 통계적으로 다음과 같이 설계된다.

보증시험을 통하여 신뢰수준 로 시험한 제품의 수명이p% tGoal 이상 된다는 것을

보증하기 위하여 일반적으로 개의 시험품을 시간 시험하여 개 이하의 고장이n T c

발생하면 합격시키는 방식을 취한다 이 때 시험조건은 정상 사용조건이 될 수도.

있고 가속조건이 될 수도 있다 하지만 어느 조건이던지 조건이 정해지면 관계된.

시간들도 정해진 조건에서의 시간들로 환산해 주어야 한다 예를 들면 정상 사용조.

건에서 시험하는 경우 보증하고자 하는 제품의 목표 수명도 정상 사용조건에서의

수명이고 시험 시간도 정상 사용조건에서의 시간을 의미한다 가속조건인 경우 목, .

표 수명은 가속조건에서의 목표 수명으로 환산되어야 하고 시험시간도 가속조건에,

서의 시간을 의미한다.

- 85 -

이와 같은 보증시험 방식에서 시험을 하기 전에 결정하여야 할 값들이 있다 즉 신. ,

뢰수준 목표 수명p%, tGoal 시험품 수 시험시간 허용 고장 개수 가 그 값, n, T, c

들이다 이 값들은 서로 상관관계가 있으며 일반적으로 다음과 같은 절차에 따라서.

결정한다.

그림 보증시험 설계 절차< 5-7>

그림 에서 시료 수는 수명분포에 따라서 다르게 결정되는데 지수분포와 와이블4-8

분포를 따르는 경우의 시료수 결정방법을 나타내었다.

- 86 -

그림 시료 수 결정방법< 5-8>

제 절 시험계획제 절 시험계획제 절 시험계획제 절 시험계획3333

대상 제품대상 제품대상 제품대상 제품3.13.13.13.1

그림 다층조립형 초음파진동자 모델명< 5-9> ( :15 ,20 )

본 신뢰성향상 과제에서 가속수명시험방법을 개발하기 위하여 대상으로 삼은 제품

은 그림 와 같은 초음파용착기용 다층조립형 초음파진동자 이다5-9 " " .

- 87 -

이 다층조립형 초음파진동자의 기존 사용수명시험은

압력 초 회 조건에서5 / , 30 /

초음파용접시간 초 으로1.0 ON

순수가동시간 시간 일 월 월 년 년 시간 가중치 시간 일 을5 X25 / X12 / X2 =3,000 / 2=1500 /63 ]

실시하였다.

새로 제품을 개선한 후 내구성을 평가하기 위하여 시간 일 을 시험하여야1,500 (63 )

하므로 개선 효과를 확인하는데 많은 시간이 소요되었다 본 과제에서는 기존 내구.

성시험시간을 시간 일 이내로 단축하는 것을 목표로 하여 가속수명시험방법을200 (8 )

개발하였다.

제품의 고장형태 고장 부위 고장 메커니즘 조사제품의 고장형태 고장 부위 고장 메커니즘 조사제품의 고장형태 고장 부위 고장 메커니즘 조사제품의 고장형태 고장 부위 고장 메커니즘 조사3.2 , ,3.2 , ,3.2 , ,3.2 , ,

가속수명시험은 현장에서 발생하는 고장현상을 재현하면서 시험시간을 단축시킬 수

있어야 하므로 현장에서 어떤 고장이 발생하는지 조사하여야한다 본 과제에서 대.

상으로 한 다층조립형 초음파진동자제품의 년도 클레임 데이터를 조사2003 (Claim)

한 결과 현장에서의 고장형태가 다음과 같았다.

표 다층조립형 초음파진동자제품의 년도 클레임 분석 결과< 4-2> 2003

고장형태 건수 비율 (%)

전자부품 교환Power Supply 21 28

자동제어부 오작동 3.5 5

진동자 컨버터 파손 21 28

진동자 변위 왜곡 7 9

파손Booster & Horn 14 18

공압 라인 오작동 3.5 5

기 타 5 7

계 75 100

- 88 -

그림 다층조립형 초음파진동자제품의 년도 클레임 분석 결과< 5-10> 2003

표 의 데이터를 살펴보면 현장에서의 주된 고장형태는 진동자 컨버터 파손 진4-2 ,

동자 공진주파수 변위 왜곡 파손을 알 수 있다 이 고장형태는 진, Booster & Horn .

동자의 과전압에 의한 공진주파수변위 진동자 피로응력에 대한 내구성 미비 진동, ,

부 횡파발생에 의한 진동자 및 파손이 발생하는 것으로 판단되었Booster & Horn

다.

유효한 가속스트레스 선정유효한 가속스트레스 선정유효한 가속스트레스 선정유효한 가속스트레스 선정3.33.33.33.3

다층조립형 초음파진동자 제품의 고장메커니즘과 각 고장메커니즘에 따라서 가속스

트레스로서 사용할 수 있는 스트레스들을 생각해보면 다음과 같다.

- 89 -

표 다층조립형 진동자제품의 주요 고장메커니즘과 가속스트레스< 4-3>

고장부위 주요 고장메카니즘 가속요인 가속스트레스 종류

다층조립형진

동자

진동자 파손발진시간

용착압력

용착시간 ON/OFF

압력

내부 crack발진시간

온도

용착시간 ON/OFF

부하

전극표면 마모 발진시간 용착시간 ON/OFF

공진주파수 변위발진시간

중량Horn

용착시간 ON/OFF

부하

횡파 발생발진시간

용착깊이

용착시간 ON/OFF

압력

고열 발생 발진시간 용착시간 ON/OFF

Booster &

Horn

파손발진시간

용착압력

용착시간 ON/OFF

압력

내부 crack발진시간

중량Horn

용착시간 ON/OFF

부하

본 과제에서 대상인 다층조립형 진동자제품의 주된 고장형태가 진동자의 파손

결함 주파수변위 횡파 발생이었으므로 가속스트레스로서 용착시(rupture), (crack), ,

간을 사용하였고 시험시간을 단축하기 위하여 기존의 내구성시험에 있어서 진동자,

파손에 큰 영향을 주는 용착시간 발진시간 을 초 초 초 로 가혹조건으로 시( ) 4 , 8 , 12

간을 연장하여 가속수명시험 시간을 단축 가능한지를 검토하였다 또한 기존의 방, .

법은 회 초 발진횟수를 시간을 단축하기 위하여 기존의 내구성시험에서 진동자1 /30

파손에 영향이 적을 것으로 판단되는 발진횟수를 회 초로 단축하였다1 /10 .

스트레스 수준 결정스트레스 수준 결정스트레스 수준 결정스트레스 수준 결정3.43.43.43.4

가속스트레스로서 결정한 용착시간 발진시간 을 어느 수준까지 높일 수 있는지 조( )

사하기 위하여 단계적 스트레스 시험을 실시하여 다음과 같은 데이터를 얻었다.

- 90 -

표 단계적 스트레스 시험 결과< 4-4>

발진시간을 높이는데 있어서 제약이 되는 것은 발열온도이다 발진시간을 높이면.

초음파 종진동에 의한 마찰열이 많이 발생하여 다층조립형 초음파진동자 의 온도" "

가 높아지게 되는데 발열온도가 50이상 되면 일반적으로 값이 상승하Impedance

여 공진주파수 변위 및 횡파가 발생하여 진동자 및 파손이 일어나Booster & Horn

는 것으로 알려져 있다 이와 같은 제약 조건을 고려하여 표 의 단계적 스트레. 4-4

스 시험 결과를 살펴보면 부하가 초가 되면 진동자의 발열온도가, 16 50이상 됨을

알 수 있다 본 과제에서는 진동자의 발열온도가. 50이상 되지 않도록 가속 발진[

시간 조건을 초로 결정하였다] 12 .

기존의 내구성시험에서는 발진횟수를 회 초로 하였으나 현장에서의 주된 고장형1 /30

태가 진동자의 파손이었으므로 발진횟수는 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단되었

다 발진횟수는 진동자가 플라스틱 피착물에 하강하여 접촉하여 가압하는 순간에.

기존의 방법은 초 이내의 짧은 시간 동안 발진되고 초음파의 마찰열로 플라스틱이1

용착되어 상승되는 시간이 초 당 회 상하운동을 하였다30 1 .

이와 같은 경우는 발진횟수가 진동자의 고장에 영향을 미친지는 않지만 진동자의,

발진시간이 길어짐에 따라서 온도가 진동자의 임피던스 올라가는 지점(impedance)

이상으로 길어지게 되면 진동자의 고장에는 영향을 미친다.

- 91 -

본 과제에서 대상으로 한 공진주파수 의 경우 회 초로 발진횟수가15 , 20 1 /10

증가 되었을 때 온도가 포화점까지 이르는데 시간정도가 소요되는 것으로 조사되1

어 발진횟수가 초음파용착기의 고장에 영향을 미치지만 다층조립형 초음파진동자, " "

에 영향을 미치는 고장형태는 발진시간이 증가함에 따라 온도가 상승함으로써 더

고장이 가속되는 진동자의 파손 및 주파수변위와 같은 고장이다 다층조립형 초음. "

파진동자 는 진동자의 파손 및 주파수변위 등이 주된 고장형태였으므로 발진횟수가"

크게 영향을 받지 않을 것으로 판단되어 발진횟수를 초에서 초로 늘려서 시10 30

험을 실시하였다.

위와 같이 스트레스 수준을 고려하여 다음과 같은 조건에서 시험을 하였다2 .

그림 가속수명시험 조건< 5-11>

측정항목 선정 및 측정방법 결정측정항목 선정 및 측정방법 결정측정항목 선정 및 측정방법 결정측정항목 선정 및 측정방법 결정3.53.53.53.5

시험 중 고장판정기준은 다층조립형 초음파진동자 가 초음파 무 발진이나 횡파가" "

발생하는 것으로 정하였고 특성 모니터링 시스템을 연결하여 연속적으로 진동자의,

온도 임피던스 공진주파수 특성을 모니터링 하였다 모니터링 한 온, (impedance), .

도 임피던스 공진주파수 특성은 진동자의 시간에 따른 특성 변화를, (impedance),

분석하는데 사용하였다.

- 92 -

표 고장전 후의 특성값 측정 결과< 4-5> ·

그림 진동자 가속 시험시 파괴 정전 용량< 5-12>

그림 진동자의 정전 용량 측정 모습< 5-13>15 ·20

시험시간 및 시료수 결정시험시간 및 시료수 결정시험시간 및 시료수 결정시험시간 및 시료수 결정3.63.63.63.6

그림 같은 조건에서 개씩 시료를 사용하여 모든 시료가 고장 날 때까지5-11 1 5

시험하였다.

- 93 -

시료 선정시료 선정시료 선정시료 선정3.73.73.73.7

가속수명시험에 사용할 시료를 선정하기 위차여 무부하 조건에서 진동자의 전기적

특성과 초음파 진폭을 측정하였다 전기적 특성은 공진주파수 반공진주파수 정전. , ,

용량 공진저항 초음파진폭을 측정하였다 측정한 특성 데이터의 통계량을 정리하, , .

면 표 와 그림 그림 와 같다4-6 5-l4~ 5-18 .

표 진동자 전기적 특성 데이터의 통계량< 4-6> 15

표 진동자 전기적 특성 데이터의 통계량< 4-7> 20

- 94 -

진동자진동자진동자진동자15kHz15kHz15kHz15kHz

진동자진동자진동자진동자20kHz20kHz20kHz20kHz

그림 공진 주파수에 대한 히스토그램< 5-14>

- 95 -

진동자진동자진동자진동자15kHz15kHz15kHz15kHz

진동자진동자진동자진동자20kHz20kHz20kHz20kHz

그림 반 공진 주파수에 대한 히스토그램< 5-15>

- 96 -

진동자진동자진동자진동자15kHz15kHz15kHz15kHz

진동자진동자진동자진동자20kHz20kHz20kHz20kHz

그림 정전 용량에 대한 히스토그램< 5-16>

- 97 -

진동자진동자진동자진동자15kHz15kHz15kHz15kHz

진동자진동자진동자진동자20kHz20kHz20kHz20kHz

그림 공진 저항에 대한 히스토그램< 5-17>

- 98 -

진동자진동자진동자진동자15kHz15kHz15kHz15kHz

진동자진동자진동자진동자20kHz20kHz20kHz20kHz

그림 진폭에 대한 히스토그램< 5-18>

- 99 -

시험할 시료는 무부하시험을 통하여 특성을 측정한 개 중 전기적 특성값이100 Q1

과 범위에 있는 진동자를 선정하여 랜덤하게 선택하였다 시험품으로 선택된Q3 .

진동자의 전기적 특성값은 다음과 같았다.

표 시험품으로 선정된 초음파진동자 의 전기적 특성값< 4-8> “15 ”

표 시험품으로 선정된 초음파진동자 의 전기적 특성값< 4-9> “20 ”

- 100 -

시험 결과시험 결과시험 결과시험 결과3.83.83.83.8

고장데이터 분석고장데이터 분석고장데이터 분석고장데이터 분석3.8.13.8.13.8.13.8.1

그림 과 같은 조건에서 시험하여 다음과 같은 고장데이터를 얻었다5-13 1 .

표 진동자 고장데이터< 4-10>15

- 101 -

진동자 고장데이터<4-11>20

표 의 고장데이터를 보면 기존의 시험조건에서는 주된 고장부위가 진동자로서4-10

현장에서 주로 고장 나는 진동자가 내장된 컨버터 부위에서 고장이 발생(converter)

하였음을 알 수 있다 기존 시험조건의 주 고장형태인 다층조립형 초음파진동자 고. " "

장을 대상으로 하여 두 조건에서의 수명 분포를 추정하면 다음과 같다 고장시간 데(

이터를 이용하여 분석 단 수명분포 추정에는 소프트웨어를 사용하였다). , MINITAB .

그림 에 두 조건에서의 고장데이터를 와이블 확률지에 타점한 결과를 나타6-17,18

내었다.

- 102 -

표 수명분포의 추정 결과< 4-12>

구분 추정된 수명분포

기존의 시험조건 F(t)=1-exp-(t/1476.5)12.147

가속 시험조건 F(t)=1-exp-(t/113.44)11.661

두 조건 사이의 가속성이 성립하는지 확인하기 위하여 우도비 검정을 실시한 결과

다음과 같이 유의수준 일 때 두 조건 사이에 가속성이 성립하는 것으로 밝혀졌0.05

다 두 시험조건에서의 고장시간에 대한 분포는 동일한 형상모수를 가진다. .

T = 2(LA+LB-LO) = 2(-23.150-12.237+36.029)

= 0.642<x2(1-0.05;1) = 3.84

동일한 형상모수를 가지는 경우의 와이블 확률지 타점 결과를 그림 에 나타내5-20

었다.

그림 두 시험조건의 고장데이터를 와이블 확률지에 타점한 결과< 5-19>

- 103 -

그림 동일한 형상모수를 가지는 경우의 와이블 확률지 타점 결과< 5-20>

두 조건 사이에 가속성이 성립하므로 가속계수 를 구해보(Acceleration Factor, AF)

면 다음과 같다.

AF=15229.9/119.35=12.7

위식의 가속계수는 스트레스 가속과 빈도 가속 효과가 결합되어 나타난 값이다 빈.

도 가속 효과는 시간을 초에서 초로 늘어 났지만 시험 시작부터 부품의OFF 30 90

파괴 까지 걸리는 시험시각을 로 줄었다 스트레스 가속 효과는 시간만을1/14 . ON

기준으로 한다면 두 조건 사이에 시간은 동일하게 정하였으므로 싸이클 수를ON

기준하여 분석하면 알 수 있다 싸이클 수를 기준 하는 경우 가속계수는 다음과 같.

다 그림 참고( 5-21 ).

AF=182719/167632=1.09

- 104 -

그림 고장 싸이클 수를 이용하여 와이블 확률지에 타점한 결과< 5-21>

기존의 시험조건과 가속 시험조건의 가속효과는 다음과 같이 정리될 수 있다.

그림 기존 시험조건과 가속 시험조건 사이의 가속계수< 5-22>

- 105 -

온도 및 전류 특성 분석온도 및 전류 특성 분석온도 및 전류 특성 분석온도 및 전류 특성 분석3.8.23.8.23.8.23.8.2

시험 중 온도와 전류 센서를 시험품에 부착하고 개발한 특성 모니터링 시스템을 이

용하여 온도와 전류 특성을 모니터링 하였다.

다음 그림 과 그림 는 기존 시험조건과 가속 시험조건에서의 온도특성을5-23 5-26

나타낸 것이다 초기에 시작하여 온도특성이 어떻게 변화되는지 나타낸 것으로 특.

성을 모니터링한 대의 시험품이 일정 시간 지난 후에는 동일한 온도범위에서 상4

승 하강을 반복함을 볼 수 있다 온도 특성은 제품 간 산포가 크게 나타나 넓은 온, .

도범위에서 온도가 변화하였는데 부하가 높은 가속시험 조건에서는 개 시험품이3

30~34싸이를 오르내리고 개 시험품이1 27~29사이를 오르내린 반면 기존 시

험조건에서는 26, 27, 29, 29주위를 오르내렸다 단 그림 에서 번. , 5-23 4

째 시험품의 온도가 급격하게 내려간 것은 시험기를 조절하기 위하여 시험기의 동

작을 멈추었기 때문이다 가속조건에서 부하가 더 높이 걸리므로 온도가 높을 것으.

로 예상하였으나 제품 간 산포가 커서 기존 시험조건과 가속 조건 사이의 차이는

뚜렷이 구분하기가 어려웠다.

그림 기존 시험조건에서의 온도 특성< 5-23>

- 106 -

그림 가속 시험조건에서의 온도 특성< 5-24>

그림 기존 시험조건에서의 정전용량 특성< 5-25>

- 107 -

그림 가속 시험조건에서의 정전 용량 특성< 5-26>

- 108 -

제 절 가속 수명 추정제 절 가속 수명 추정제 절 가속 수명 추정제 절 가속 수명 추정4444

아래의 데이터는 을 이용하여 각 스트레스에 따른 가속 수명 자료의 회귀Mini Tab

분석을 통하여 실제 적인 수명을 파악 할 수 있다 추정 방법은. Accelerated Life

를 이용하여 을 로 가속하여 생존Testing Welding Time 1sec, 4sec, 8sec, 12sec

시간은 아래의 데이터와 같은 생존 시간 결과를 통하여 분석한 결과 시간을, 3,245

생존 수명을 추정 할 수 있다.

다음 결과 창에서 대수 출력 창으로부터 대수 변환된 추정회귀직선 식을 설정하면,

과 같은 식은 추정된 회귀 직선 식이다.

표 조건별 가속 수명< 4-13>

위의 회귀 직선 식과 데이터 결과로 보아 가속조건인 이 일 때Weding Time 1sec

평균 시간을 가속하는데 비하여 가속 조건을 로 할 경우에는 평균 시1351 12sec 97

간만 실험 하여도 제품의 실제 적인 수명은 시간을 생존함을 추정 할 수 있3,245

다.

- 109 -

그림 분석 출력 데이터< 5-27>Mini Tab

그림 그림 은 가속 수명 시험 메뉴를 이용하여 분석할 때 각 가속변수5-28 5-29

에 따른 적합된 직선 도시와 모수 추정값 값 값을 나타내(Weding Time) , A-D , F/C

는 확률지 도시 그림과 스트레스 변수와 제 백분위수의 관계를 도시한10, 50, 90

그림 이다.

- 110 -

그림 가속 조건에 따른 진동자의 수명의 확률지 적합 직선< 5-28>

그림 가속 조건에 따른 결과< 5-29> Relation Plot

- 111 -

제 장 결과제 장 결과제 장 결과제 장 결과7777

초음파용착기용 다층조립형 초음파진동자의 수명을 현재 시간을 시간으1,500 3,000

로 배 수명향상을 목표로 본 과제를 수행하였다2 .

수명저하요인을 분석한 결과 초음파진동자 고장 주원인은 압전진동자의 파괴로1.

인한 단수명 전기적 특성 저하 신뢰성평가 기술을 미확보 등의 문제점을 해결, ,

하였고,

당사 제품 다층조립형 진동자의 수명이 기존의 약 시간이 시간 정도2. 1,500 3,000

로 획기적으로 향상되었으며,

본 신뢰성향상 기술지원 사업을 통하여 초음파용착기용 다층조립형 진동자의 수3.

명평가방법 수명명가 절차기술을 확보하였고, ,

수명 및 신뢰성 평가 방법을 통하여 정량적 수명 및 신뢰성을 향상을 확인할 수4.

있었다.

기존 당사에서 수행한 수명시험방법은 압력 초 회 초음파용접시간5. ( 5 / , 30 /1 ,

초 수명향상 효과를 확인하는데 일 이상의 많은 시간이 소요되었으나 본1.0 ) 63 ,

과제에서는 정한 가속 시험방법으로 수명평가 기간은 시간 일 이내로 단축· 200 (8 )

하여 정격수명을 예측할 수 있었다.

시험중 고장판정기준은 다층조립형 초음파진동자 가 초음파 무발진이나 횡파가1) " "

발생 진동주파수가 변위하는 것으로 정하였다, .

가속수명시험을 통해 얻은 데이터를 을 이용하여 분석한 결과 수명분포2) MINlTAB

적합도 에서 와이블 분포가 적합하였다.

가속인자는 발진시간 초에서 초로 발진횟수를 회 초에서 회 초로 정3) 1 12 , 1 /30 1 /90

하여 기존의 시험조건과 가속조건으로 시험하였다.

- 112 -

발진시간 초에 대한 발진횟수 초 의 가속계수는 이었4) 12 90 (1cycle=down/up) 2.65

다.

가속조건에서 부하가 더 높이 걸리므로 온도가 높을 것으로 예상 하였으나 제5) ,

품간 산포가 커서 기존 시험조건과 가속조건 사이의 차이는 뚜렷이 구분하기가

어려웠다.

- 113 -

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