압전 세라믹스(Piezoelectric Ceramics)

2002. 12.

유재영 (책임연구원)

김기일 (선임연구원)

손은화 (연 구 원)

제 1 장 서 론 ·······································································································1

1. 연구의 배경 및 필요성 ························································································1

2. 연구의 목적 ············································································································2

3. 연구의 방법 ············································································································2

제 2 장 기술동향분석 ·································································································4

1. 기술개요 ··················································································································4

2. 압전 세라믹스 개요 ······························································································7

2.1 기본 이론 ············································································································7

2.2 세라믹스의 압전성 ··························································································10

3. 압전 세라믹스 재료 ····························································································12

3.1 압전 효과 ··········································································································12

3.2 압전 재료의 기초 ····························································································14

3.2.1 압전기본식 ···································································································14

3.2.2 전기기계결합계수 ·······················································································15

3.3 압전 세라믹스 재료 ························································································16

3.3.1 압전 세라믹스 개발 현황 ·········································································17

3.3.2 PZT 세라믹스와 상경계 조성(MPB) ······················································18

3.3.3 압전 세라믹스의 분극 ···············································································19

3.3.4 Non-Pb계 압전 세라믹스 재료 ································································20

4. 압전 세라믹스 재료의 응용 ··············································································20

4.1 압전 세라믹스의 초음파 응용 ······································································23

4.1.1 초음파 거리측정계 ·····················································································24

4.2 압전 세라믹스 센서 ························································································26

4.2.1 초음파 센서 ·································································································26

4.2.2 압력 센서 ·····································································································29

4.2.3 노킹 센서 ·····································································································31

4.3 압전 액츄에이터 ······························································································34

4.3.2 굴곡 변위형 압전 액츄에이터 ·······························································36

4.3.3 적층형 압전 액츄에이터 ···········································································37

4.4 압전 트랜스포머 ······························································································40

3.4.1 개 요 ·············································································································40

4.4.3 고전력용 트랜스포머 재료 ·······································································42

4.5 압전 초음파 모터 ··························································································43

4.5.1 개요 ···············································································································43

4.5.2 초음파 모터의 응용 ···················································································44

5. 국내외 개발 현황 ································································································47

제 3 장 기술․특허 정보분석 ·················································································50

1. 기술문헌정보 분석 ······························································································50

1.1 분석방법 ············································································································50

1.1.1 정보분석 대상 DB ······················································································50

1.1.2 분석범위 및 방법 ·······················································································51

1.2 기술문헌정보 동향 ··························································································51

1.2.1 연도별/국가별 발표건수 추이 ·································································51

1.2.2 주요저자 및 연구기관 발표건수 추이 ···················································53

1.2.3 기술분야별 발표건수 추이 ·······································································56

1.2.4 주요 저널의 현황 ·······················································································58

2. 특허정보분석 ········································································································60

2.1 분석의 범위 및 방법 ······················································································60

2.2 특허출원동향 ····································································································61

2.2.1 전체특허동향 ·······························································································61

2.2.2 국내특허동향 ·······························································································65

2.2.3 해외특허동향 ·······························································································70

(1) 일본 ·················································································································70

(2) 유럽 ·················································································································73

(3) 미국 ·················································································································77

3. 기술문헌․특허 정보분석을 통한 기술 전망 ················································80

제 4 장 시장동향 및 향후 전망 ·············································································82

1. 산업의 개요 및 특성 ··························································································82

1.1 산업의 개요 ······································································································82

1.2 국내외 발전과정 ······························································································84

1.3 응용 현황 ··········································································································86

2. 산업환경 분석 ······································································································88

2.1 외부 환경분석 ··································································································88

2.2 시장 기회 요인 및 위협 요인 분석 ····························································90

2.2.1 기회요인 ·······································································································90

2.2.2 위협 요인 ·····································································································92

3. 국내외 시장 동향 분석 ······················································································93

3.1 시장동향 분석추이 ··························································································93

3.1.1 국내외 시장규모 ·························································································93

3.1.2 품목별 동향 ·································································································94

3.1.3 업체동향분석 ·····························································································101

3.2 수요예측 ··········································································································103

3.3 사업전략 ··········································································································104

제 5 장 결 론 ···································································································106

< 참 고 문 헌 > ······································································································108

압전 세라믹스 재료의 기능 및 응용분야 ·············································5

압전 세라믹스 재료의 응용분야 및 응용제품 ·····································5

압전 세라믹스 재료의 응용제품 ·····························································6

압전 현상의 기본식 ·················································································15

대표적인 복합 perovskite 구조의 제 3성분 ······································17

PZT 세라믹스의 치환효과 ······································································19

압전 세라믹스의 응용 (전기에너지 ⇒ 기계에너지) ························22

압전 재료의 응용 (기계에너지⇒ 전기에너지) ··································22

압전 재료의 응용(전기에너지 ⇒ 기계에너지 ⇒ 전기에너지) ······ 23

초음파의 특성과 그 응용 예 ·······························································24

초음파 이용 계측기 ···············································································25

초음파 거리 계측 방식 및 주요특징 ·················································25

초음파 센서 종류별 주요 특성 ···························································28

가속도 센서의 구조와 특징 ·································································29

진동검출형 노킹센서 ·············································································31

압전 액츄에이터의 분류 ·······································································35

압전 액츄에이터의 특성의 이론값 ·····················································36

기존 기술과의 특성 비교 ·····································································44

산업 및 제품별 국내외 압전 재료 및 부품관련 업체 ···················48

INSPEC 수록분야 ·····················································································50

INSPEC 기술분류 ·····················································································56

특허분석에 이용된 데이터베이스 ·························································60

IPC 분류의 기술내용 ···············································································63

IPC 분류의 기술내용 ···············································································67

IPC 분류의 기술내용 ···············································································71

IPC 분류의 기술내용 ···············································································75

IPC 분류의 기술내용 ···············································································78

세계 압전 세라믹스의 연도별 개발현황 ·············································85

국내 전자 세라믹스의 발전과정 ···························································85

압전 세라믹스 재료의 응용분야 ···························································87

압전 세라믹스 재료의 국내 기술단계 ·················································89

압전 액츄에이터 시장전망 ·····································································96

선진국 압전 액츄에이터 개발현황 ·······················································97

압전 액츄에이터의 연구기관 및 응용분야 ·········································98

국내 업체 현황 ·······················································································102

해외업체현황 ·······················································································102

유전, 압전 세라믹스 재료의 결정학적 범위 ····································7

BaTiO3의 결정구조 ···············································································8

압전 세라믹스 재료의 분역(domain) 결정구조 모식도 ·················9

압전체의 형태에 따른 주진동 모드 ···············································11

압전 직접효과 ·······················································································13

역 압전효과 ···························································································13

·······································································································································18

압전 세라믹스의 분극 처리 ·······························································19

압전 재료의 기본 기능 ·······································································21

콘형 초음파 센서의 내부 구조 ·······················································28

AE 센서의 구조 및 초음파 탐상(UT)/AE 비교 ·························30

충격 센서의 구조 ···············································································31

공진형 노킹 센서 ···············································································32

진동형 노킹센서 및 압력형 노킹센서 ·······································33

연소압력 파형 ·····················································································33

각종 압전 액츄에이터의 구조와 구동원리 ···································35

굴곡 변위형 압전 액츄에이터의 구조 ···········································36

압전 액츄에이터의 특성 비교 ·························································37

적층 액츄에이터의 내부 전극 형태 ···············································38

적층 액츄에이터의 표준 구조 ·························································39

압전펌프 동작원리[X:흡입 체크밸브, Y:토출 체크밸브] ············39

마이크로 펌프의 동작원리 ·······························································40

압전 트랜스포머의 기본 구조 ·························································41

압전 트랜스포머의 등가회로 ···························································41

입력전압과 진동속도 ·········································································42

진동속도와 발열량 ·············································································42

카메라 자동 초점 렌즈 구동 기구 ·················································45

시계침 구동용 초음파 모터 ·····························································45

로봇 관절용 초음파모터 ···································································46

카드 전송 장치로의 응용 ·································································46

연도별 발표현황 ·················································································52

국가별 발표현황(1996∼2002년) ·······················································52

발표국가의 연도별 현황 ···································································53

저자별 발표현황 ·················································································54

소속기관별 발표현황 ·········································································55

기술분야별 발표현황 ·········································································57

기술분야별 현황 ·················································································58

문헌형태별 발표현황 ·········································································59

주요잡지 발표현황 ·············································································59

국가별 특허출원현황 ·········································································61

기술별 특허출원현황 ·······································································63

출원인별 특허출원현황 ·····································································64

연도별 특허출원현황 ·······································································66

기술별 특허출원현황 ·······································································66

연도/기술별 특허출원현황 ·······························································68

출원인별 특허출원현황 ·····································································68

출원인/연도별 특허출원현황 ···························································69

국적별 특허출원현황 ·········································································69

연도별 특허출원동향 ·········································································70

기술별 특허출원동향 ·········································································71

연도/기술별 특허출원현황 ·······························································72

출원인별 특허출원현황 ·····································································72

출원인/연도별 특허출원현황 ···························································72

연도별 특허출원동향 ·········································································74

기술별 특허출원동향 ·········································································74

연도/기술별 특허출원현황 ·······························································75

출원인별 특허출원현황 ·····································································76

출원인/연도별 특허출원현황 ···························································77

연도별 특허출원동향 ·········································································77

기술별 특허출원동향 ·········································································78

연도/기술별 특허출원현황 ·······························································79

출원인별 특허출원현황 ·····································································80

출원인/연도별 특허출원현황 ···························································80

세라믹스 분야에서의 압전 세라믹스 위치 ·····································82

파인 세라믹스의 제조공정과 기술 ···················································83

세계 및 일본의 압전 세라믹스 시장규모 추이 ·····························93

국내 압전 세라믹스 시장규모 추이 ·················································94

일본 압전 트랜스포머 시장규모 추이 ·············································95

일본 압전 액츄에이터 시장규모 추이 ·············································97

일본 초음파모터 시장규모 추이 ·····················································101

세계 및 일본의 압전 세라믹스 시장규모 예측 ···························103

국내 압전 세라믹스 시장규모 예측 ···············································104

- 1 -

제 1 장 서 론

1. 연구의 배경 및 필요성

압전 세라믹스는 전자분야의 기초재료로 다양한 연구가 이루어져 왔으며, 그

활용은 레조네이터 등의 통신기기, 초음파 혈류계 등의 의료기기, LCD 백라이

트용 트랜스포머, 초정밀 액츄에이터, 초음파 모터, 트랜스듀서, 각종 정밀 센서

와 측정․계측기기 등으로 가정용에서부터 첨단 기술분야까지 광범위하게 이루

어지고 있다. 또한 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술과 함께 마이

크로 크기의 액츄에이터 및 센서 등의 제작이 가능해지고 있으며, 특히 최근에

는 전기/기계 에너지에서 기계/전기 에너지로의 변환을 이용하는 단방향의 압

전 세라믹스와 함께 두가지 변환을 동시에 이용해 새로운 기능을 보이는 쌍방

향성 제2세대 압전 세라믹스가 개발되어 이에 따른 활용범위도 확대되고 있다.

유전공학을 포함한 의료분야에서는 유전자내의 비정상적인 세포를 제거하고,

건강한 세포를 주입시키는 마이크로 로봇이나 유전자 세포를 핸들링하는 마이

크로 도구의 개발이 진행되고 있다. 이러한 마이크로 도구의 경우, 초정밀 이송

액츄에이터와 위치센서가 가장 핵심적인 요소기술의 확보 없이는 불가능하다.

이와 같은 초소형 수술 및 의료용 진단장치 등으로 활용되고 있다. 그리고 해

양자원 활용을 위한 수중 측정장치, 탐색기술에 있어서도 압전 세라믹스의 응

용기술이 활용되고 있어, 압전 세라믹스 분야의 광범위한 시장형성이 기대되고

있다.

압전 세라믹스는 1970년대를 시작으로 1990년대에 본격적으로 연구개발이 이

루어져 왔으며, 전자산업의 한 분야로 자리잡게 되었다. 국내에서는 대부분의

압전 세라믹스 원료와 응용부품을 전량수입에 의존하다가 1987년에서야 압전소

자 제품을 생산하기 시작하였다. 원재료부터 최종제품까지 대부분 국산화 기술

에 대한 노하우를 가지고 있는 중소기업들이 다양한 품목을 생산하고 있다.

압전 세라믹스 재료는 Barium Titanate를 시작으로 물리적 성질 등이 우수한

PZT, PCM 등 복합 Perovskite 구조를 가진 세라믹스를 중심으로 개발이 이루

어지고 있으며, 최근에는 휘발성 공해물질인 PbO가 함유되지 않으며, 물리적

성질과 기능이 우수한 압전 재료 개발 및 수요가 증대되고 있는 상황이다.

- 2 -

이러한 압전 세라믹스는 일본, 미국, 유럽 등의 국가에서 많은 기술을 보유하

고 있으나 1990년에 이르러서는 한국과 중국이 괄목할만한 성장을 보이고 있

다. 현재의 국내 연구기술은 선진기술수준에 상당히 접근해 있지만 응용 및 생

산 기술에서는 그 수준이 못 미치고 있는 실정이다. 따라서 국내 부품소재 분

야의 일부이지만 전자 및 관련 소재산업의 발전을 위해 응용분야 및 수요의 급

진전이 예상되는 새로운 압전 세라믹스의 연구개발 및 생산에 주력해야 한다.

2. 연구의 목적

최근 산업계, 학․연구계에서는 핵심주요산업 또는 미래 유망기술에 대한 종

합적이고 전문적인 분석정보의 수요가 증대하고 있으며, 또한 정보통신산업, 생

물산업, 환경․에너지산업, 부품소재산업 등 21C 전략육성산업에 대한 지원이

해마다 증가하고 있다. 이에 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서는 최근의 국가

정책과 정보수요에 맞추어 부품소재분야의 압전 세라믹스 재료를 핵심기술분야

로 선정하여, 기술 및 연구개발 동향분석, 연구문헌 및 특허정보분석, 산업 및

시장분석을 수행하였다. 이러한 분석결과를 통해 특정 과학기술 및 관련 산업

의 이해를 도와 국내 기술분야의 수준 및 동향을 용이하게 파악할 수 있도록

하는데 그 목적이 있으며, 더 나아가 연구 및 기술개발 방향 설정, 관련산업의

현황 파악, 사업계획 및 정책수립 등에 기반이 되는 기초분석자료를 제공하는

데 연구의 목적을 두고 있다.

3. 연구의 방법

본 보고서에서는 압전 세라믹스에 관련된 기술의 기본이론, 활용 및 응용기

술, 관련 제품의 현황 등 국내외 기술수준과 흐름에 대해 분석하였다.

제2장 기술동향분석에서는 한국과학기술정보원(KISTI)이 보유하고 있는 문헌

과 최근 해외발표 저널, 전문가자문 등을 통해 압전 세라믹스의 기술 및 R&D

전반과, 최근 이슈화되고 있는 문제들에 대해 체계적이고 종합적인 정보분석을

수행하였다.

제3장 기술특허정보분석에서는 압전 세라믹스 재료를 중심으로 기술문헌정보

- 3 -

와 특허정보를 분석하여, 20여년간의 기술흐름 추이와 최근동향, 연구기관 및

출원인 분석을 하였다. 이와같이 연구문헌정보와 특허정보를 국가 및 기술분야

별, 연도별, 발표자 및 출원인 등으로 세분화하고 이를 도식화된 그래프를 표현

하여 기술의 우위현황 및 주요 분포도, 최근 기술동향 등을 분석하였다. 정보분

석에는 한국과학기술정보연구원(http://www.kisti.re.kr)에서 제공하는 문헌정보

데이터베이스와 각국의 특허정보 데이터베이스를 활용하였다.

제4장 시장동향 및 전망에서는 압전세라믹스 분야의 산업구조 및 환경을 우

선 분석하고, 국내외 시장동향을 조사․분석하였다. 그리고 국내외 조사전문기

관의 분석보고서 및 발표자료, 업계 및 연구소의 Field Survey를 통해 향후 국

내외 시장을 전망하였다. 마지막으로 구체적인 사업화 성공가능성을 높이기 위

한 전략적 제언을 제시하였다.

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제 2 장 기술동향분석

1. 기술개요

압전(壓電) 세라믹스 소재는 전기적 에너지가 기계적 에너지로, 또는 그 반

대로 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환되는 특성을 갖고있는 재료로서,

이의 응용은 착화소자, 부저, 레조네이터, 초음파진동자, 압전스피커, 적외선

센서 등에서부터 첨단 고부가가치형인 잉크젯 프린터, 압전모터, 압전트랜스

포머, 의료용 초음파기기, 군수용 SONAR, 자이로스코프(수평각도제어기), 광

변위소자 등에 이르기까지 매우 다양하다. 이중 고부가가치형 제품은 대부분

수입하고 있으며, 일부 부저, 착화소자, 초음파 진동자, 레조네이터, 필터 등

을 국내 일부업체에서 생산하고 있으나, 그나마 원소재인 압전 세라믹스 재

료는 수입하고 있는 것이 현실이다. 에 압전 재료의 에너지 변환경

로에 따른 응용분류의 예를 나타내었으며 , 에는 제품 실례

를 보였다.

압전 재료 기술은 여러 산업의 근간이 되는 기술로서, 통신기기 분야에 레

조네이터, 필터, 디스크리미네이터, 압전 스피커, delay line, 압전 트랜스포머,

광가변 필터용 미세변위기 등, 의료기기 분야에 초음파진단용 탐촉자, 초음파

혈류계, 초음파 세척기 등, 센서기기 분야에 가속도센서, 충격센서, 압력센서,

knock 센서, 자동차용 거리 센서 등, 가정용 전자기기 분야에 오디오용 필터,

초음파 가습기, 안정기(ballast), buzzer 등, 정밀계측기기 분야에 압전 마이크

로미터, straingage, positioner 등, 디스플레이 분야에 LCD backlight용 트랜

스포머, 비디오 자동초점용 압전모터, 비디오-카메라용 떨림방지용 actuator

(vibration suppressor) 등, 군용 분야에 military vehicle, space structure, 각

종 actuator 분야에 광간섭 AC dilatometer, 가변형 mirror, 가변 광회절격자,

현미경용 stage, 절삭오차 보정용 device, 유공압제어용 serve valve, VTR

head, printer head, ultrasonic knife, 압전 pump 등 다양한 산업분야에 연관

이 있다.

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압전 세라믹스 재료의 기능 및 응용분야

기능 응용예 형태

고압 발생가스 점화 소자

가스 라이터

원주(圓柱)

환봉(丸逢)

음파,

초음파 수신

수중청음기

마이크로폰

원통 Bimorph

薄板 Bimorph

센서

가속도계, 진동계

유량계

압전 자리로스코프

압력계, AE센서

전기신호 처리

세라믹 필터

SAW 필터, 공진자

세라믹 공진자

메카니칼 필터

두께진동, 에너지 차단

표면 탄성파

두께 진동, 간헐 진동

진동자

거리 측정

어군 탐지 소자

수중 Sonar

Back Sonar

초음파 탐상 Probe

의료용 초음파 진단용 Probe

원반, Ring

Bimorph

원반

구형판, array형

전압 변환 압전 트랜스포머 구형판, 적층

압전 세라믹스 재료의 응용분야 및 응용제품

통신기기레조네이터, 필터, 디스크리미네이터, 압전스피커, delay line, 광가

변필터용 미세변위기 등

의료기기 초음파진단용 탐촉자, 초음파 혈류계, 초음파 세척기 등

센서기기 가속도센서, 충격센서, 압력센서, knock센서, 자동차용 거리센서 등

전자기기 오디오용 필터, 초음파 가습기, 안정기(ballast), buzzer 등

정밀계측기기 압전 마이크로미터, straingage, positioner 등

디스플레이LCD backlight용 트랜스포머, 비디오 자동초점용 압전모터, 비디오

-카메라용 떨림방지용 actuator (vibration suppressor) 등

군수용 military vehicle, space structure 등

actuator

광간섭 AC dilatometer, 가변형 mirror, 가변광회절격자, 현미경용

stage, 절삭오차보정용 device, 유공압제어용 serve valve, VTR

head, printer head, ultrasonic knife, 압전 pump 등

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압전 세라믹스 재료의 응용제품

산업명 제 품 명 실 제 제 품 산업명 제 품 명 실 제 제 품

통신

기기

레조네이터

가전

기기

Ignitor

필터(KHz)Buzzer,

Sounder

필터(MHz)Transformer

(Inverter)

SMD

TYPE 필터

의료

기기

초음파진단

장치용 탐촉자

센서

기기

Ultrasonic

Sensor

Ultrasonic

Probe

Ultrasonic

Position

Sensor

Hydrophone

Shock

Sensor기타

Ultrasonic

Motor

액츄

에이터Actuator Mirror Tilter

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2. 압전 세라믹스 개요

2.1 기본 이론

모든 결정은 그 대칭관계에 의해 32개 결정군(point group)으로 분류된다. 그

중 대칭 중심을 갖는 12개 group은 압전성이 없고, 나머지 20개 group중에서

전기적으로 부도체인 결정에서 압전특성이 존재한다. 이중에서 비대칭성이 큰

10개 group은 전계(electric field)도, 응력도 가해지지 않은 상태하에서 자발적

으로 분극되어 있는데 이를 초전성 결정이라 한다. 이중 전계에 의해 극성의

방향이 바뀌는 것이 강유전성(ferroelectricity)이며 압전 현상은 강유전성 결정

중에서 존재한다. 에 유전, 압전 세라믹스 재료의 결정학적 범위를

도식화하였다.

유전, 압전 세라믹스 재료의 결정학적 범위

Dielectrics

Piezoelectricit

y

Pyroelectricity

Ferroelectricity

Quartz

Piezoceramics

대표적인 강유전성 재료로서 perovskite로 대표되는(ABO3 구조) 재료중에

BaTiO3가 있으며 이의 결정구조를 에 나타내었다. 산소가 육면체의

6면에 위치하고(O 자리), 모서리(A 자리)에 Ba 이온이 존재하며 육면체의 중심

(B 자리)에 Ti 이온이 있는 구조로서 여기서 Ti 이온이 정확히 중심에 위치하

지 않고 약간 z 방향으로 이동된 형태다. 바로 이것에 의해 dipole이 존재하며

전기장(교류신호)에 따라 dipole의 신축에 의해 압전특성이 나타나는 것이다.

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BaTiO3의 결정구조

압전 세라믹스의 1950년대 대표적 재료인 BaTiO3 는 130℃ 이상에서는 3차

원 대칭구조를 갖는 cubic 구조(a=b=c=4.009Å at 130℃)이며, 130℃이하에서

비대칭(c 방향 늘어남) 구조를 갖는 Tetragonal (a=b≠c , a=b=4.003Å, c=4.022

Å at 130℃, tetragonality c/a=1.005), (a=b=3.992Å, c=4.035Å at 0℃,

tetragonality c/a=1.011)로 온도가 내려갈수록 c 방향이 상대적으로 늘어나는

구조이다(상온에서 tetragonality 약 1%). 참고적으로 PbTiO3는 상전이 온도가

490℃이며 결정구조는 BaTiO3와 같이 Pb가 A site, Ti가 B site에 위치하는 구

조이며 Tetragonal (a=b≠c , a=b=3.94Å, c=4.01Å at 490℃ tetragonality,

c/a=1.018), (a=b=3.89Å, c=4.14Å at 25℃, tetragonality c/a=1.06)로 상온에서

tetragonality가 6%로 상당히 크다. 따라서 순수 PbTiO3는 소결후 냉각시 490℃

상전이 온도에서 큰 이방성 때문에 소결된 재료가 분말로 부서지는 현상이 있

다.

BaTiO3는 상전이 온도가 130℃로 낮고 온도에 대한 압전특성이 민감하게 변

하기 때문에 상업적으로 Pb(Zr,Ti)O3 (이하 PZT)라는 재료가 이용된다. PZT는

PbZrO3와 PbTiO3의 완전 고용체(complete solid solution)이고 상전이 온도가

350도 이상이기 때문에 압전 특성의 온도 안정성이 뛰어나 상업적으로 많이 이

용된다. 결정구조는 BaTiO3 와 같이 Pb가 A site, Zr, Ti가 B site에 위치하는

구조이며 Zr과 Ti의 조성비에 따라 B site에 균일하게 분포되어 있다. PZT 세

라믹스는 Zr/Ti비가 약 0.52/0.48인 조성에서 강유전 정방정상(ferroelectric

tetragonal phase)과 강유전 능면체정상(ferroelectric rhombohedral phase)의 경

계(morphotropic phase boundary, 이하 MPB)가 존재하며, 상경계(MPB) 조성

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에서 유전, 압전특성은 최대값을, 탄성계수와 주파수 정수는 최소값을 갖는다.

압전 세라믹스는 다결정체로서 미세구조상 입경(grain) 하나하나에 자발 분극

(dipole)이 존재하나 한 입경내에 여러 분역(domain, dipole 방향이 동일한 영

역)이 존재하며 전체적으로 분극 방향이 무작위(random) 방향으로 분포되어 있

어 압전성이 존재하지 않는다. 그러나 이들 재료에 전계(electric field)를 가하

여 (이를 poling 공정이라 함) 극성의 방향을 전계 방향으로 정렬시킴으로서

압전 현상이 나타나게 된다. Poling 전에는 전체적으로 등방성으로 ∑Ps = 0

(Ps= spontaneous polarization 자발분극)이던 것이 분극(poling)을 통하여 이방

성을 가지게 된다. 분극 처리되면 한 입경안에 여러 분역(domain)이 존재하나

이웃 분역간에 상대적으로 어떤 각도를 갖고 위치하게 된다. 여기서 상대적 각

도는 오직 두 종류의 분역이 있으며 90도 분역과 180도 분역이 존재한다().

압전 세라믹스 재료의 분역(domain) 결정구조 모식도

90°domain

domain

180° domain

d i p o l e

moment

두 종류의 분역만 존재하는 이유는 한 입경은 3차원 적으로 동일한 원자배열

을 갖고 있으므로 다른 분역이라도 원자배열의 연속성은 유지되어야 하므로 단

지 c 방향이 x, y, z 방향의 어느 한 방향을 차지하게 되면 이웃 분역은 c 방향

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이 또 다른 x, y, z 방향의 하나이므로 x, y, z 간의 각도는 90도 아니면 180도

(+, - 방향) 밖에 없기 때문이다.

분극 처리된 압전 세라믹스에 교류 전압을 인가하면 어떤 특정 주파수에서

세라믹의 탄성진동 주파수와 일치하는 공진주파수가 나타나며 세라믹스의 기계

적 공진을 이용할 수 있게 된다.

2.2 세라믹스의 압전성

압전 현상을 정량화하여 나타내는 데는 전기-기계 변환 인자가 존재한다. 이

들 변환 인자를 압전계수라 하며 응력(T: stress), 변형(S: strain), 유기전하량(D:

dielectric displacement), 전계(E: electric field)와의 관계로 표시할 수 있다.

d = (∂S / ∂E )T = (∂D / ∂T )E , g = (∂E / ∂T )D = (∂S / ∂D )T

e = (-∂T / ∂E )S = (∂D / ∂S )E , h = (-∂T / ∂D )S = (-∂E / ∂S )D

d : piezoelectric strain constant g : voltage output coefficient

e : piezoelectric stress constant h : stress output coefficient

여기서 d의 경우를 예로 들면 응력(T)은 x, y, z 방향과 3개의 전단 응력에

의한 6개의 성분을 갖으며 전기적 displacement는 x, y, z의 3성분을 갖기 때문

에 dij는(첨자 i는 전기적 방향(3방향), j는 기계적 방향(6방향) ) 18개의 정수를

가질 수 있고 각 g, e, h에 대해서도 tensor 관계가 있을 수 있다. 압전계수보

다 더 효과적인 성능을 나타내는 것이 전기기계결합계수(electromechanical

coupling factor) K와 전기기계품질계수(electromechanical quality factor) Q 이

다. 전기기계결합계수 (K)는 다음과 같이 정의된다.

K 2 =변환된 기계적 에너지인가된 전기적 에너지 = (electrical energy converted to mechanical energy)( input electrical energy)

한편 품질계수는 전기적 품질계수(Qe)와 기계적 품질계수(Qm)가 있다. Qe는

전기적 손실(tanδ)의 역수를 뜻한다. 반면에 Qm은 진동체의 기계적 진동 흡수

(damping) 때문에 나타난 응력에 대한 변위의 집중도를 나타낸다.

- 11 -

압전체의 형태에 따른 주진동 모드

실제로 측정시 주파수 공진-반공진법에 의하여 측정한다. 이들 평가를 위한

실험은 와 같이 압전체의 진동모드로 구분하여 각각 형태가 다른

샘플을 제작하여 공진-반공진법으로 측정하면 가능하다. 압전 재료의 특성을

평가하기 위한 항목은 무수히 많아 기계적품질계수 Qm, 전기기계결합계수 K,

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압전변형계수 d, 전압출력계수 g, 압전응력계수 e, 전압응력계수 h, 유전율 ε,

유전손실 tanδ, 온도특성, 주파수 정수, 탄성계수, poisson ratio, 밀도 ρ, curie

point(Tc) 등 다양하게 있다. 예를 들면 레조네이터용 압전 재료는 Qm값이

1500 이상인 특성을 요구하는 반면, 필터용은 Qm값이 400∼600 정도인 값을,

압전 스피커는 Qm값이 80 이하인 특성과 고유전율에 재료개발의 초점이 맞추

어져 있다.

한편 응용분야에 따라 전기 → 기계 → 전기 변환 응용에서는 주로 Qm, K,

유전율, 온도 안정성 등에 개발 주안점을 두는 반면에 전기 → 기계변환 응용

에서는 주로 d, 탄성계수, 유전율을, 그리고 기계 → 전기변환 응용에서는 전압

출력계수 g constant 등을, 수중음파에서는 전압응력계수 h constant를 주로 평

가하고 있다. 또한 압전변형계수도 텐서 개념이 있어 구조물에 따라 여러종류

의 계수를 이용하기 때문에 계수의 선택에 따라 특성별 압전 재료의 종류는 보

다 광범위해 진다.

3. 압전 세라믹스 재료

3.1 압전 효과

압전 직접효과라고 하는 것은 전압발생 기능으로 압전 소자에 외부 응력, 진

동 변위 등을 주면 그 출력단에 전기 신호가 발생하는 현상을 말하며 착화용

압전소자나 각종 센서에 응용된다. 또 역압전 효과라고 하는 것은 변위발생 기

능으로 압전 소자에 외부로부터 전압을 걸어주면 소자가 기계적 변위를 일으키

는 현상을 말하며 액츄에이터 등에 적용되며, 통칭해서 압전 효과(piezoelectric

effect)라고 부르고 있다.

은 압전 직접효과의 설명으로 (a)는 압전 소자에 외부 응력이 없

는 상태에서는 출력 전압이 발생하지 않는다. 그러나 (b)와 같이 F의 압축력을

가하면 상하의 전극에 각각 (+), (-)의 전압이 발생하고 소자 두께는 감소되고,

반대로 (c)와 같이 신장력 F를 가하면 상하의 전극에 각각 (-), (+)의 전압이 발

생하며, 이 때 소자의 두께 초기 무응력 상태보다 증가하며 압축력을 가했을

경우와 반대 현상이 발생된다.

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압전 직접효과

역 압전효과

는 역 압전효과에 대한 것으로, 여기서는 직류와 교류전압을 인가

한 경우 기본 작동을 각각 나타내고 있다. (a)는 압전 소자에 외부로부터 구동

전압이 인가되어 있지 않은 상태에서는 전혀 변위를 나타내지 않는다. (b)는 상

부에 전원의 (+)극을 또 하부에 전원의 (-)극을 각각 인가하면, 압전 소자의 내

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부 전하와 인가 전압이 반발을 일으켜 압전소자는 압축된다. 이와 반대로 (c)는

상부에 전원의 (-)극을 또 하부에 전원의 (+)극을 인가하면, 압전 소자의 내부

전하와 인가 전압의 인력으로 인해, (b)와 달리 압전 소자가 늘어나는 현상을

나타낸다. 이러한 효과를 응용하여 교류 전압을 인가하면 그 주파수에 대응한

초음파 에너지가 방사되며(d), 이러한 현상을 활용한 것이 초음파 진동자이다.

3.2 압전 재료의 기초

3.2.1 압전기본식

압전재료의 압전성 표현은 압전 기본식으로 나타낸다. 압전 기본식은 과 같이 d, e, g, h형 기본식 등의 종류가 있지만, 그 내용은 동일하며 용

도에 따라 형식을 달리 표현한 것이다. 예를 들어 d형 기본식을 살펴보면,

S = s ET + dED =dT + ε T E

(2.1)

여기서 S는 단위길이당 신축을 나타내는 strain, s는 영율의 역수인 탄성

compliance, T는 단위면적당 가하는 응력, d는 압전왜곡정수 g, E는 단위길이

당 전압을 나타내는 電界强度, D는 전속밀도, 즉 표면전하밀도이며, ɛ는 유전율

을 나타낸다. 위첨자 E, T는 각각 電界가 일정하거나 zero일때와 응력이 일정

하거나 zero일 때의 값을 의미한다. 위 식에서 T=0, E=0의 경우에는 (2.2)식과

같이 된다.

T = 0 의 경우 : S = dE, D = ɛE

E = 0 의 경우 : S = sT, D = dT (2.2)

즉 전계에 비례한 strain, 응력에 비례한 전계가 얻어지는 식으로 표현된다.

이것은 정적 응력과 정전계(靜電界)를 가한 경우의 표현이다. 그러나 실제로 압

전체의 진동이 있을 때에는 일반적으로 T≠0 혹은 E≠0이기 때문에 (2.1)식의

해석은 달리 표현된다.

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압전 현상의 기본식

변수기계적 변수 S(strain) T(stress)

전기적 변수 D (dielectric displacement) E(field strength)

기본식

d형식S = SE

D = dT = εTE

e형식T = cES eE

D = eS = εsE

g형식S = SDT +gD

E = -gT +βTD

h형식T = cDS - hD

E = -hS +βsD

* g는 전압출력계수인 압전정수이며, β는 역유전율임

3.2.2 전기기계결합계수

전기기계결합계수는 앞서 언급한 바와 같이 전기적/기계적 입력 에너지를

기계/전기 에너지로 변환하는 표준 의미 이외에, 물리적 의미로 K는 K2로 정

의되어 표시된다.

K2 = 기계적으로 축적된 에너지전기적 입력 에너지

K2 = 전기적으로 축적된 에너지기계적 입력 에너지

세라믹스의 압전성을 나타내는 압전 정수는 앞서 언급하였지만, 이 정수값을

직접 측정하기는 어렵다. 일반적으로 측정되는 것은 전기기계결합계수 K이며,

이것은 비교적 간단하게 정밀측정이 가능하며, 또한 크기의 비교가 용이하다.

압전 정수와 전기기계결합계수는 (2.3)식과 같은 상관관계를 가지고 있다. 따라

서 전기기계결합계수를 측정하여 이것으로부터 압전 정수를 계산에 의해 얻는

것이 일반적이다. d 정수의 경우를 살펴보면 다음 식과 같다.

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K=K 31 =d231

ε T33 d 31 = K 31 ε

T33s

T11

K = K 33 =d231

ε T33sE33

d 31 = K 33 εT33s

E33 (2.3)

여기서 K, ɛ, s의 측정치를 통해 d 정수가 계산된다. g 정수도 (2.4)식에 의해 d

정수와 ɛ에서 혹은 K, ɛ, s로부터 얻어진다.

g 31 =d 31

ε T33= K 31

sT11

ε T33g 33=

d 33

ε T33=K 33

sT33

ε T33 (2.4)

이와 같이 전기기계결합계수 K의 측정치를 통해 압전정수가 얻어지게 된다.

실질적으로 압전성이 우수한 세라믹스를 제조하기 위해서는 우선 결합계수 K

는 K33>0.78 , K31>0.45인 특성치를 얻기는 상당히 어렵고, 탄성 compliance s는

조성 의존성이 작기 때문에 유전율 조절에 의해 가능해진다. 다시말해 유전율

을 작게 유도하여 압전정수가 높은 세라믹스를 얻을 수 있다.

압전성의 표준으로 사용되는 K는 진동모드(vibration mode)에 따라 변화되기

때문에 에너지 입출력의 방법이나 진동모드를 지정해야만 측정이 가능하다. 일

반적으로 길이방향 확산 진동에 의한 전기기계결합계수인 Kp가 많이 사용되고

있지만, 두께방향 진동에 대한 전기기계결합계수 Kt와는 진동방향이 다르며, 방

향에 따라 압전정수 d 또는 g에 대응되는 것도 없다.

3.3 압전 세라믹스 재료

압전 세라믹스에는 물리적 성질과 기능에 따라 다양한 종류가 있고, 제품에

따른 특성도 여러 형태이다. 즉 제품에 따라 여러 가지 물리적 상수나 성질이

미치는 영향이 다르게 나타난다. 예를 들면, 전기기계결합계수에만 영향을 받는

압전 부저 소자나, 양호한 음질을 필요로 하는 압전스피커는 높은 유전율과 기

계적 강도도 필요하다. 그리고 초음파 진동자 혹은 압전 변압기 소자 등 발열

현상이 수반되는 고전력 응용 소자는 기계적 품질계수가 높은 재료를 대상으로

하여야 하며, 필터나 레조네이터에서는 공진 주파수의 조절이 필수적이다. 따라

- 17 -

서 용도에 따라 재료의 조성, 압전성 관련 상수를 포함한 전기적 물성 상수 등

이 상호 독립적이거나 의존성이 강하게 작용된다.

3.3.1 압전 세라믹스 개발 현황

프랑스의 Pierre와 Jacques Curie 형제가 전기석(Tourmaline Crystal)에 응력

을 가하였을 때 표면에 전하가 발생하는 것을 발견함으로써 압전재료 역사의

시작이었다. 이러한 압전효과가 발견된 이후, 제1차 세계대전을 전후하여 A.

Langevin은 수정, 로셀염, 전기석 등 천연 결정체를 사용한 잠수함 탐지용 장

치 등이 연구되었으며, 1940년대초 전기-음향 변환기에 적합한 압전 재료의 합

성개발에 집중적인 연구가 진행되어, 인산이수소암모늄(ADP : ammonium

dihydrogen phosphate, NH4H2PO4)과 인산이수소칼륨(KDP : potassium

dihydrogen phosphate, KH2PO4) 등 합성 압전 재료가 출현하게 되었다.

그 후 1947년 미국의 Roberts는 고전압으로 분극 처리된 티탄산바륨(BaTiO3,

Barium titanate) 세라믹스에서 압전효과가 발견되었으며, 이 BaTiO3와 함께 티

탄산바륨의 결정구조인 perovskite 구조의 특성에 착안하여 활발한 연구가 진

행되어 왔다. 그 결과 PbTiO3, PbZrO3, KNbO3, NaNbO3 등 perovskite 구조

화합물이 강유전체 또는 반강유전체인 것이 밝혀지면서, 1954년에 미국의 Jaffe

등에 의해 perovskite 구조의 Pb(Zr,Ti)O3(이하 PZT) 세라믹스가 개발되었다.

PZT는 큐리 온도가 400℃ 정도로 높을 뿐만 아니라 티탄산바륨보다 우수한 압

전 특성을 가지고 있다.

대표적인 복합 perovskite 구조의 제 3성분

Mg1/3․Nb2/3 Co1/3․Nb2/3 Li1/4․Ta3/4 Mn1/2․Nb1/2 Ni1/3․Sb2/3Zn1/3․Nb2/3 Fe1/3․Nb2/3 Cu1/4․Nb3/4 Mn2/3․W1/3 Ni1/3․Bi2/3Mg1/3․Ta2/3 Fe1/3․Sb2/3 Sb1/2․Nb1/2 Mn1/3․W2/3 Ni1/2․W1/2Zn1/3․Ta2/3 Ni1/3․Nb2/3 In1/2․Nb1/2 Mn1/2․W1/2 Fe1/2․Sb1/2Sb1/3․Nb2/3 Sn1/3․Nb2/3 Co1/2․W1/2 Mn1/2․Ta1/2 Sb1/2․Ta1/2Mn1/3․Nb2/3 Li1/4․Sb3/4 Cd1/2․W1/2 Mn1/2․Sb1/2 Te1/2․Ta1/2Mg1/3․Ta2/3 Li1/4․Nb3/4 Co1/3․Ta2/3 Mn1/3․Bi2/3 Al1/3․Te2/3Cd1/3․Nb2/3 Fe1/2․Ta1/2 Mg1/2․W1/2 Mn1/3․Sb2/3 In1/3․Te2/3Y1/2․Nb1/2 Y1/2․Nb1/2 Ni1/5․Fe1/5․Nb3/5

1959년, Smolensky 등에 의해 복합 perovskite 구조가 개발되었으며, 일본

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Matsushita의 Ouchi 등은 PZT의 성능을 능가하는 ABO3 perovskite 구조의 3

성분계 PCM(상품명) 세라믹스을 개발하였다. PCM 세라믹스는 PZT의 일부를

복합 구조의 화합물로 치환한 재료로서 대표적인 것을 에 나타내었다.

3.3.2 PZT 세라믹스와 상경계 조성(MPB)

분극이 어려운 PZT의 전기적인 특성과 소결성 향상을 위해 기지상에 미량의

Nb, Co, Mn 등의 다른 첨가하여 고용(solid solution), 또는 입계 편석

(boundary segregation)시켜 융점을 낮추는 제2상 효과로 특성을 개량시키거나

Nb, Cr, La, Fe 등의 원소를 치환시켜 물리적 성질을 향상시키게 되며, 이와

같은 방법으로 Clevite사의 2성분계 PZT와 함께 PZT-4에서 PZT-8 등의 다양한

특성의 PZT 시리즈를 개발한 실예도 있다.

PZT 세라믹스에서 Zr/Ti의 비율을 변화시키면 과 같이 53/48

~53/47 부근 조성에서 유전 및 압전 특성 피크를 나타내고 있다. 이 조성을 상

경계 조성(MPB: Morphotrophic Phase Boundary)이라 하며, 결정상은

Tetragonal과 Rhombohedral이 공존하고, 압전성이 높고, 품질계수는 낮은 물성

을 나타낸다. 압전 세라믹스에서는 대부분 MPB 영역의 조성이 존재한다.

PZT 세라믹스에서 유전상수 및 커플링 인자의 조성 의존성

- 19 -

또한 PZT-ABO3 형태 3성분계 세라믹스에서는 첨가의 경우보다 고용한계가

넓으며, 특히 ABO3로서 Pb 등을 포함한 복합 perovskite 구조를 사용하면 대

부분은 3성분계 전영역에서 고용이 일어나며, 이와 같은 미세 조성 변화 또는

미량 첨가물에 의해 압전 특성이 크게 향상될 수 있다.

PZT 세라믹스의 치환효과

ClassificationDopant and

ternary systemDopping effect

Characteristics Applications

HardnerFe, Ni, Co, Al,

PSN, PMSAcceptor

Decreased ɛ 'Increased fNIncreased Qm

Large aging effect

Buzzer, Speaker,Probe for medical,Actuator, sensor

Softner

La, Bi,W, Ta,

PMN, PNN, PZN

Donor

Lowerer Tc, Increased ɛIncreased kp,, Deacreased

Qm Small aging effect

High powertransducerTransformer

Stabilizer Cr, UDecreased ɛ, Increased fN

Increased QmSmall temp. coeff.

SONAR

3.3.3 압전 세라믹스의 분극

압전 세라믹스의 분극처리에서 치수 및 domain의 방향 변화를 에

나타내었다.

압전 세라믹스의 분극 처리

(a) 초기상태 (b) 전계 인가 상태 (c) 전계 제거 상태

- 20 -

(a)는 초기 상태로 분극(Ps)이 random한 배열을 하고 있으며, 직류전계 E를

인가한 후 다시 제거하는 것을 분극처리(poling)라고 한다. 분극처리를 하면,

(a)→(b)→(c) 경로로 진행되며, 전계를 제거하여도 최초상태의 (a)에 비하여 분

극 축으로 늘어난 상태(c)로 변화된다. 즉, 분극처리로 인해 (c)와 (a)의 상태적

변화는 잔류변형(remnant strain)이 발생되고, 동시에 Ps도 전계 방향으로 형성

되며, 이를 잔류분극(remnant polarization)이라 한다.

이와 같이 분극처리로 잔류변형과 잔류분극을 가진 세라믹스에 교류전압을

인가하면 전압에 비례하여 변형이 발생되며, 이러한 특성을 압전 진동자에 적

용할 수 있다. 즉 변형 발생시 교류전압의 주파수를 세라믹스가 가진 탄성진동

의 공진 주파수와 일치시키면 세라믹스 자체에 공진이 일어나기 때문이다.

3.3.4 Non-Pb계 압전 세라믹스 재료

최근 환경문제로부터 휘발성 공해물질인 PbO의 대체재료 연구에 초점이 맞

추어지고 있다. 따라서 약 20여년전부터 Non-Pb계 압전 세라믹스 연구가 진행

되어 왔다. 그러나 PZT의 우수한 압전성, 화학적 안정성 등으로 인해 인체 및

환경에 유해성이 없도록 PZT 제조를 위한 세라믹스 공정 개선에 많은 연구가

진행되어 왔다.

Non-Pb 압전 세라믹스로는 BaTiO, Bi 층상 화합물, Tungsten-Bronze 구조

화합물 등이 있지만 PZT계 세라믹스의 압전성에는 미치지 못하고 있는 상태이

다. Bi 층상 구조 화합물은 1949년 Aurivillius에 의해 합성된 후, 수십종의 화

합물군이 개발되었다. 이들 화합물은 대부분 강유전체로 고온 및 고주파용 압

전 세라믹스로 활용이 가능하고, 특히 전기기계결합계수 K의 이방성을 이용한

초음파 진단장치 등의 변환기나 하이드로폰 등으로 이용이 기대되고 있다.

4. 압전 세라믹스 재료의 응용

압전 효과를 에너지 변환 기능에서 보면 과 같이 나타낼 수 있으

며, 대표적인 응용제품을 에 나타내었다.

- 21 -

압전 재료의 기본 기능

기계 ⇒ 전기 전기 ⇒ 기계 전기 ⇒ 기계 ⇒ 전기

는 전기적 입력에 의해 기계적인 진동 혹은 변위를 발생시키는 세

라믹스 대한 응용예이다. 자왜 진동자와 압전 진동자 모두 초음파를 발생시키

며, 코일이 필요한 자왜 진동자와는 달리 압전 진동자는 전압 인가로만 구동이

가능하기 때문에 사용법이 간편하다. 또한 볼트체결 진동자는 강한 진동에 의

한 파괴를 막기 위해 초기부터 압축응력을 bias시킨 것을 사용한다. 압전 부저

역시 압전 세라믹스를 활용한 전자음이다. 이러한 압전 전자음은 각종 전자시

계 등의 알람(alarm)이나 PC의 소리 등에서 들을 수 있으며, 앞서 언급한 것과

같이 유전율이 높은 재료를 사용함으로써 저음영역이 개선되고 전반적인 음질

을 현저히 향상시키고 있다.

액츄에이터는 전자 분야의 범위를 벗어나 의학 및 생명과학, 해양, 환경 분야

에도 활용 가능성 증대되어, 각종 신제품 개발이 기대되고 있으며, 다품종화의

경향으로 갈 것으로 생각되며, 그 수요 또한 급신장할 것으로 예상하고 있다.

는 기계에너지를 전기에너지로 변환시키는 세라믹스 대한 응용예

로 가스 착화기용의 소자가 대표적이다. 하이드로폰의 경우는 압전 부저와는

반대로 감도를 향상시키기 위해 유전율이 낮은 복합체(composite)를 사용함으

로써 성능을 개선시킬 수 있으며, 그밖에 PZT 세라믹스 분말을 고무로 고형시

킨 압전 고무가 일부 실용화되어 있다.

- 22 -

압전 세라믹스의 응용 (전기에너지 ⇒ 기계에너지)

기능 응용예 적용

초음파 발생

초음파 세척기

플라스틱 용접기

초음파 가공기

가습기, 간이형 세척기

side mirror 물방울 제거기

볼트체결 랸쥬반 진동자

단형판상 진동자

볼트체결 랸쥬반 진동자

볼트체결 랸쥬반 진동자

원판 진동자

원판 진동자

음파 발생

buzzer, alarm

speaker

전화기, ringer

unimorph 진동자

unimorph 진동자

unimorph 진동자

액츄에이터

초음파 motor

inkjet printer

parts feeder

압전 fan

압전 pump, valve

AFM cantilevers

VTR head

원판, ring

원통, bimorph

bimorph 진동자

bimorph 진동자

bimorph 변위소자

박막 bimorph 변위소자

bimorph 변위소자

압전 재료의 응용 (기계에너지⇒ 전기에너지)

기능 응용예 적용

전압발생 압전 착화소자 원주

음파, 초음파 수신hydrophone

microphone

원통, bimorph

박판, bimorph

센서

가속도계, 진동계

유량계

압전 자이로스코프

압력계, AE 센서

은 압전 효과와 역압전 효과를 동시에 응용한 것으로 통신용 부품

으로서의 필터나 공진자에서는 세라믹스 자체의 탄성 공진을 활용한 것이며,

어군 탐지기나 sonar 등은 세라믹스가 초음파신호 발생을 이용한 것이다.

이와 같은 탐지기는 신호를 발생시켜 대상 탐지물질에 반사된 신호를 수신하

는 하나의 소자로서 송․수신 역할을 동시 수행하는 가역소자이다. 이와 유사

한 제품이 전화기, 인터폰 등에 활용되는 스피커-마이크로폰이다. 여기에 사용

되는 세라믹스는 압전 정수가 같이 큰 재료이며, 동시에 전기기계결합계수가

큰 재료이기도 하다.

- 23 -

기능 응용예 적용

전기신호처리

ceramic filter

SAW filter, 공진자

ceramic 공진자

mechanical filter

두께 진동, 에너지 trap

표면 탄성파

두께 진동, 윤곽진동

진동자

거리측정

어군탐지소자

수중 sonar

back sonar

초음파 탐상 probe

초음파진단용 탐촉자

원판, ring

원판, ring

unimorph

원판

短形板

전압변환 압전 변압기 短形板, 적층

압전 재료의 응용(전기에너지 ⇒ 기계에너지 ⇒ 전기에너지)

4.1 압전 세라믹스의 초음파 응용

초음파는 그 응용 범위는 상당히 넓어 각종 거리 측정계, SONAR, 진단 장

치, 가공기, 용착기, 세척기 등에 이용되고 있으며, 기타 해충제, 살균, 동물의

포획 등에도 이용되고 있어 향후 발전이 기대되는 기술 분야의 하나이다.

초음파의 발생원으로는 수정 진동자, 고분자 압전막, 자왜(磁歪) 및 압전 진

동자 등 압전 세라믹스를 사용하고 있다. 초음파 활용 초기에는 거리 센서, 어

군 탐지기, SONAR, 측심기(測深器), 현미경 등의 정보적 활용에서 시작되었고,

보다 강력한 초음파 기술의 확립 과정을 통해 마이크로일렉트로닉스와 발전과

함께 그 기술은 비약적으로 향상되었다.

초음파의 활용 전개를 분류하면 에서 알 수 있듯이 첫 번째 초음

파를 정보로서 이용한 것으로 초음파 센서가 있으며, 두 번째는 진동 에너지를

동력적 응용과 열변환으로 이용하는 동력적 응용이다. 세 번째의 기타 응용은

특수한 작용으로 해충의 구제, 각종 치료, 살균, 동물의 포획 등을 들 수 있다.

은 초음파를 응용한 제품과 초음파 성질과 비교하여, 응용 분야별

로 정리하였다. 그리고 초음파를 응용한 센서는 3.2절의 압전 세라믹스 센서에

서 기술하기로 한다.

- 24 -

초음파의 특성과 그 응용 예

초

음

파

분야 초음파의 특성 응용 제품 예

정

보

적

응

용

반사 작용위치 센서(투명체 검출), 거리 센서, 어군 탐지기,

측심기, 각종 방범 장치, 적설량 측정

느린 전파 속도거리측정 장치, 두께측정 장치, 초음파 진단 장치, 지면

회로, 측심기, 초음파 현미경

인간 청음 불가능수중 통신 장치(sonar), 각종 통신 장치, 리모컨 장치(단

용도가 한정되어 있음)

강한 지향성위치 센서, 초지향성 스피커, 방범 장치, 거리측정 장치,

리모컨

수중 감쇠가 적음 수중 통신 장치, 어군 탐지기, 측심기, 세척기, 가공기

진단 작용

태아 진단, 심장 진단, 지방분 진단, 담석 진단, 골절

진단, AE에 의한 재료 진단, 비파괴 검사 장치, 내시경,

각종 탐상기

동

력

적

응

용

발열 작용용접기, 본딩 머신, 건조기, 플라스틱 용착, 이종 금속

용접, 초음파 납땜

세척 작용세척기, 미용기, 세탁기, 칫솔, 자동 손 세척기, 쌀 세척

기

동력 작용(가공 작용)초음파 연마기, 메스, 커터, 보석 가공기, 물품 공급기,

모터, 술 숙성, 초음파 믹서, 각종 액체혼합

기타치료 및 살균 작용

치료기, 살균 장치, 담석 파괴․제거, 뇌혈전 제거,

초음파 메스

구제(해충 격퇴 작용) 쥐, 모기, 바퀴벌레 퇴치 장치, 포획장치

4.1.1 초음파 거리측정계

초음파의 강한 반사성과 전파성의 지연을 효과적으로 응용한 측정기이다. 일

반 통신 매체는 그 전파 속도가 지연되거나 반사파가 강한 것은 양질의 매체라

고는 할 수 없다. 그러나 초음파 거리 측정장치와 같이 초음파의 발사․반사를

송수신한 액티브 방식에서는 피측정 물체에서의 반사파가 대단히 중요하고 또

그 반사파 도달시간을 거리로 환산하는 경우 그 매체에 적당한 지연 시간이 필

요하다. 이와 같은 이유로 초음파는 각종 계측 장치에 폭넓게 이용되며, 이러한

초음파의 발생은 압전 세라믹스를 사용하는 것이 필수적이다.

은 초음파 계측기를 전파 매질에 따라 분류한 것이고 는

초음파 거리 계측 방식에 따른 특징을 정리한 것이다.

- 25 -

초음파 이용 계측기

전파매질 초음파를 응용한 제품

기체 중

(공기 중)

거리 측정계, 액면계, 적설계, 풍속계, 각종 방범 장치, 기압계, 온도계,

습도계, 강우계, 충돌 예방 장치

액체 중 소나(수중 탐사), 어군 탐지기, 유량계, 유속계, 혈류계, 폐수 두께 측정

고체 중 두께 측정계, 탐상기, 금속 강도 측정, 현미경, 지질 탐사기, 콘크리트 강

도 측정

생체 중 의료용 진단 장치, 골절 진단, 안과 진단, 내장 진단

초음파 거리 계측 방식 및 주요특징

계측 방식 특 징

직접파 방식

- 직접 초음파를 수신하므로 신호가 큼

- 송신 타이밍 신호선 필요

- 회로 구성이 간단

- 측정 정밀도가 높음

- 이동물체 감지에 불편

송수신 분리형 반사 방식

- 송수신 센서간의 간섭이 없음

- 측정 오차가 큼

- 송수신 센서 위치 보정이 필요

- 이동물체 검출 가능

- 저주파 초음파용

송수신 겸용 반사 방식

- 회로가 복잡함

- 측정 정밀도가 높음

- 송수신 센서간의 간섭이 큼

- 이동물체 검출 가능

- 26 -

4.2 압전 세라믹스 센서

전자 통신 산업의 발달에 따라 각종 센서의 수요도 획기적으로 증가하고, 압

전 효과를 이용한 센서의 응용분야도 비약적으로 늘고 있다. 센서는 기본적으

로 감도, 안정도, 복귀도, 선택도가 우수하여야 하고, 동시에 기능성, 적용성, 규

격성, 생산성, 보존성, 경제성 등이 좋아야 한다.

용액의 특정 이온이나 기체의 특정 가스를 검출하고자 할 때 공존하는 다른

이온, 가스들의 간섭효과를 배제하고 오직 측정대상의 이온, 가스만을 선택적

감지가 가능해야 한다. 또 센서는 작동후 즉시 원상태로 복귀하여 다음 작동을

수행해야 하는데 일반적으로 원상 회복하는데는 어느 정도의 시간을 소요한다.

이것은 센서의 반응속도와 유관한 이력특성이나 기억특성 때문이다.

4.2.1 초음파 센서

초음파 센서는 비교적 높은 주파수 대역의 음향에너지를 검출하는 센서를 총

칭하며, 주파수 범위가 20㎑∼수백㎒ 이상의 음향에너지를 검출할 수 있는 소

자이다. 초음파 센서는 초음파의 발사와 반사된 초음파 반사파를 검지하는 송

수신이 동시에 이루어지는 액티브(Active) 방식과 주로 수신 전용인 패시브

(Passive) 방식이 있다. 액티브 방식으로는 초음파 레벨계, 두께 측정기, 어군

탐지기, 측심기, 소나, 의료용 진단장치 등에 적용되고, 패시브 방식은 절연 불

량, 가스 누출, 누수 등에 따른 코로나 방전, AE파 검출 등에 사용되고 있다.

FA산업에 적용되는 다양한 센서 중에서 초음파 센서가 가지는 장점으로는 탐

지 대상물의 종류(고체, 액체, 분체), 색, 유전율 등에 따라 측정값의 차이가 발

생하지 않고, 비교적 긴 탐지 범위, 적용 대상에 따른 다양한 제품들이 생산되

므로 각종 공정제어에 폭넓게 사용되고 있다.

(1) 공중 초음파 센서

공중에서 방출되어 있는 초음파 에너지를 검출하는 센서로 이동물체의 감지,

거리 계측, 초음파 리모컨 등에 주로 적용된다. 소형의 초음파 센서로서 일방향

- 27 -

수신(패시브 방식) 전용외에 대부분 액티브 방식이 많이 사용되고 있다. 즉, 스

피커내 초음파 센서에서 초음파를 송신하고 대상 검출 물체의 반사파를 센서로

검지하여 그 시간 차이를 거리로 계산하여 물체 검출, 거리 검출 등을 한다. 이

러한 공중 초음파 센서의 대표적인 것으로는 진동판에서 발생하는 초음파의 발

생효율을 증가시키며, 되돌아오는 초음파를 진동판의 중앙부에 효율 좋게 집속

하기 위하여 bimorph형 압전 세라믹스에 콘형의 공진기를 부착한 콘형 초음파

센서와 금속판과 압전 세라믹스를 접합하여 진동판의 굴곡 진동 모드를 이용한

밀폐형태의 방적형 초음파 센서, 그리고 압전 세라믹스의 앞부분에 음향 임피

던스 매칭용 에폭시 수지를 붙인 고주파형 초음파센서가 있다. 이러한 초음파

센서는 그 제작 형태에 따라 각각의 장단점을 가지고 있으므로, 적용 부분에

따라 적합한 센서를 주의 깊게 선정해야 그 효과를 극대화 할 수 있다.

(2) 콘형 초음파 센서

콘형 초음파 센서는 가격이 저렴하며 높은 송수신 감도를 얻을 수 있으나 센

서의 전면부가 개방되어 있어 습기 및 분진에 노출되면 특성이 급격히 저하되

며 기계적 충격에 약한 단점이 있으며, 방적형 초음파 센서는 밀폐형이므로 구

조 특성상 매우 견고하며, 습기 및 먼지에 대한 내환경성이 뛰어나다.

특히, 금속판의 가공치수 변경만으로 쉽게 필요한 주파수를 갖는 초음파 센

서를 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나 기계적 임피던스가 낮고 고주파 대역

인 80㎑이상에서는 적용이 어려운 단점이 있으나 비교적 낮은 주파수대에서는

우수한 진동계로 작용하여 현재 사용 분야가 날로 확대되고 있으며, 특히 근래

에 이르러 급속히 적용 분야가 확대되고 있다.

(3) 고주파형 초음파 센서

고주파형 초음파 센서는 사용 주파수 대역이 100~400㎑ 부근으로 비교적 높

은 주파수를 적용하므로 공기 중에서 초음파의 감쇄가 심하여 탐지거리가 짧은

단점이 있으나, 방사되는 빔의 각도가 7°로 좁게 방사되므로 탐지가 필요한 곳

에 선택해서 감지 할 수 있는 장점이 있다.

- 28 -

은 초음파 센서의 내부 구조를 나타낸 것으로 콘형 초음파 센서

의 예를 들고 있다. 압전소자는 그 용도, 요구 정밀도, 사용 목적 등에 의해 여

러 종류가 있지만 일반적으로는 각형, 원판형, 원통형 진동자 형태로 사용되고

있다. 또 2장의 압전 세라믹스 진동자를 분극방향이 반대로 되게 붙인 것이 일

반적이다. 그림과 같이 2장의 압전 세라믹스는 베이스의 돌기에 따라 양쪽에서

지지되고 있으며, 출력 리드선으로 진동 전압을 걸어주면 양지점에서 진동을

유발하게 된다. 결국 양지점은 절점으로 작용하고 진동자 중심부와 양끝 부분

은 서로 역위상 관계로 되어 음향 진동이 발생하게 된다.

콘형 초음파 센서의 내부 구조

은 현재 세계적으로 생산 판매되는 초음파 센서의 종류별 특성을

나타낸 것이다.

초음파 센서 종류별 주요 특성

종류주파수

[㎑]

최대 탐지

거리[m]

빔각도[°]

(-6dB)장점 단점

콘형

초음파센서

23

40

4

350~70

- 높은 송수신 감도

- 저렴한 가격

- 적용 환경 제한

- 송수신 분리형

방적형

초음파 센서

25

40

50

3

2

270~100

- 방수, 방진형

- 저렴한 가격

- 송수신 겸용

- 감지 거리 제한

고주파형

초음파센서

70

120

200

400

5

2

1

0.6

7~10

- 좁은 빔 각도

- 높은 분해능

- 송수신 겸용

- 짧은 감지 범위

- 비교적 고가

- 29 -

4.2.2 압력 센서

(1) 가속도 센서

가속도 센서의 종류는 압전 세라믹스에 가해진 힘의 방향에 따라 분극방향과

평행한 종효과형, 전단력을 이용하는 방법, 그리고 가장 일반적이고 압축형이라

고도 하는 직각방향의 횡효과형이 있다. 그 구조와 특징을 에 나타내

었다. 그리고 가속도 센서의 생산은 일본의 무라타, 히타치 등이 대표적인 기업

으로 되어있다.

가속도 센서의 구조와 특징

압축형 전단형 굴곡형

압

전

세

라

믹

스

구

조

케이스