유체제어용 적층 압전 액츄에이터 및 밸브

편집부
등록 2007-10-05 15:42:49
수정 2008-12-26 15:55:14

세라믹스｜R&D

유체제어용 적층 압전 액츄에이터 및 밸브

최지원 공학박사 한국과학기술연구원
윤석진 공학박사 한국과학기술연구원
윤소남 공학박사 한국기계연구원

1. 서론
현재 압전액츄에이터의 세계 시장규모는 2006년에 약 53억 달러를 형성하고 있으며, 2009년에는 75억 달러, 2011년에는 107억 달러에 이를 것으로 전망되고 있다. 일본의 경우에는 2002년 136억엔에서 2005년 155억엔 정도로 예측하고 있으며 2010년에는 188억엔으로 시장규모가 커질 것으로 예상되고 있다.[1] 향후 압전 액츄에이터가 개발되어 사용될 주요 유공압 기계제품 시장을 보면, 다양한 유압 및 공압 기기와 부품들 중에서 정밀성과 소형성이 요구되는 정밀 제어 밸브(valve), 펌프(pump), 포지셔너(positioner) 부분들이 MLCA로 대체 가능한데, 특히 대용량 on/off 밸브 시장의 경우 대용량 솔레노이드형 on/off 밸브의 시장이 국내 약 100억원(예상 소요량 120만개), 국외 약 670억원(예상 소요량 840만개) 이며 대용량 stack형 압전 on/off 밸브의 경우 국내시장은 약 80억원(예상 소요량 80만개), 국외시장 약 560억원(예상 소요량 560만개)이 될 것으로 예측된다. 또한 유압 시장 7,500억원의 약 23%에 해당하는 1,728억원과 공기압 시장 4,500억원의 33%에 해당하는 1,485억원 정도가 액츄에이터와 트랜스듀서로 대체 가능한 국내시장 규모로 추산된다. 그러나 현재까지는 유압 대체 시장의 75%와 공기압 대체 시장의 80%가 수입에 의존하고 있는 실정이다. 한편 국외의 경우, MLCA의 개발에 의하여 액츄에이터, 트랜스듀서로 대체 가능한 기계류, 전자부품의 세계시장은 약 31조원 정도이며 미국이 25%인 7조 7,550억원으로 시장 규모가 매우 크다. 또한 유럽 24%(독일 제외), 아시아 9%(일본, 한국 제외)로 조사되었다. 특히 유럽 시장에서 독일은 단독 17% 이상을 차지하며, 아시아에서는 일본이 세계시장의 약 20%를 차지하는 6조 2000억원 규모의 큰 시장을 형성하고 있다.
특히 압전 세라믹스 시장에 보다 많은 수요가 창출될 압전 액츄에이터는 첨단 산업에 필수적 분야이다. 군수용, 우주항공용 액츄에이터 개발에는 미국의 AVX, Morgan Matroc 등이, 범용 전자기기 분야의 액츄에이터는 일본의 Tokin, NEC 등이, 실험설비 및 정밀계측기기 분야의 액츄에이터는 유럽의 Philips, Siemens, Hoechst 등이 중심이 되어 활발히 연구 개발을 하고 있다. 이러한 선진 기업들과의 기술개발 경쟁 속에서 특정 기술에 대한 집중적인 연구개발을 통해 세계 시장을 주도할 수 있도록 국내 기업과 정부의 지속적인 투자와 지원이 이루어져야 할 것이다.

2. 압전 액츄에이터
압전 액츄에이터는 전기 신호, 즉 전압의 인가에 따라 기계적인 변위가 발생하는 압전 세라믹스의 특성을 이용한 것으로, 전력 소비가 낮으며, 정밀한 변위 제어가 가능하다. 최근 메카트로닉스와 정보통신의 발전에 따라 정밀 위치 제어의 핵심부품으로 기대되고 있으며, 광학기기, 정밀가공기기, 로봇, 분석기기 등에 응용분야가 확대되고 있다. 소자 형태는 크게 바이몰프 (bimorph) 형태와 적층 형태로 구분되어 생산되고 있으며, 바이몰프형은 대변위 응용에 적합하며, 적층형은 변위는 작지만, 응답속도와 발생 응력이 큰 특징을 가지고 있다. 압전 액츄에이터에는 다른 타입(유압식이나 전기식 등)의 액츄에이터와 비교할 수 없는 우수한 특성을 갖는데, 빠른 응답성, 정밀제어성, 고발생력 등을 들 수 있다. 하지만 압전 액츄에이터는 동작 이동 범위가 작은 단점이 있어, 새로운 기계적 기구 등을 이용하여 이를 개선해 가는 것이 향후의 과제이다.
압전 액츄에이터에 관한 연구는 주로 미국, 일본, 유럽 등의 선진국에서 주도하고 있으며, 그 개발 현황은 표 1과 같다.

3. 벤더형 압전 액츄에이터
수 백 ㎛의 대변위 응용에 적합한 벤더형 압전 액츄에이터에는 유니모프 또는 바이모프형 압전 액츄에이터 등이 속한다.[2] 동작원리는 동일한 두께의 압전 세라믹 2장 이상을 접합하고 한쪽 선단부를 고정시킨 외팔보 형태로 두께방향으로 순방향과 역방향 전압을 인가할 때 길이 방향으로 한쪽은 신장되고 다른 쪽은 수축되어, 전체로서는 두께방향으로 굴곡변위(bending displacement)를 발생시키는 방식이다.[3]
그림 1과 같은 벤더형 압전 액츄에이터를 동작시키기 위해서는 반드시 분극과 반대방향의 전압이 인가되므로 소극 문제가 발생되고 이로 인해 압전세라믹스의 압전특성이 점차 저하되어 발생변위가 작아지게 된다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 연구팀에서는 그림 3과 같이 설계된, 두께가 다른 2개의 복수군 압전 세라믹을 적층하여 이루어지는 압전 액츄에이터와 분극의 방향과 동일한 순방향 DC 직류전원만을 인가하여 각 층의 두께 차이로 인해 굴곡변위를 발생시키므로 소극이 되지 않는 벤더형 적층 액츄에이터를 개발하였다.
적층 액츄에이터의 구조는 서로 다른 두께를 갖는 압전 세라믹스에 그림 2와 같이 전극 패턴을 형성한 후 중심선을 기준으로 상층부와 하층부의 전체두께가 동일하게 적층한다. 이때 적층 액츄에이터의 분극방향은 그림 3에서와 같이 순차적으로 서로 교번되도록 하고 맨 위와 아래 면에는 절연을 목적으로 얇은 세라믹스가 덧붙여졌다. 이와 같은 적층 벤더형 압전 액츄에이터는 압전 세라믹스와 전극의 층으로 이루어지며 분극의 방향과 동일한 순방향 DC 직류전원만을 인가하여 각 층의 두께 차이로 인해 굴곡변위를 발생시키므로 소극이 일어나지 않는다. 벤더형 적층 액츄에이터를 두께방향의 정방향 굴곡변위를 발생시키기 위해서는 상층부에만 분극의 방향과 동일한 순방향 전압을 인가하면 상층부는 길이방향으로 수축하고 하층부는 변형이 이뤄지지 않기 때문에 전체적으로는 두께방향의 정방향 굴곡변위가 발생된다. 또한 벤더형 적층 액츄에이터의 하층부에 적층된 압전 세라믹의 각각의 두께가 상층부의 1/2일 때 동일한 크기의 전압을 인가하면 전계의 크기가 상층부의 2배가 되고, 결론적으로 상층부보다 2배 더 수축하여 정방향 변위와 동일한 크기의 역방향 굴곡변위가 발생하게 된다. 이와 같이 밴더형 적층 액츄에이터는 순방향 DC 직류전압으로 구동되어 기존의 바이모프 액츄에이터가 가지고 있는 소극문제를 해결하고 액츄에이터의 사용 수명을 연장시키는 효과가 있다.

4. 적층형 압전 액츄에이터
적층형 압전 액츄에이터는 일반적으로 발생 변위는 변위 방향의 전체 두께에 비례하며 구성하는 압전판의 각각의 두께와는 무관하다. 따라서 각층의 두께를 얇게 하면서 적층 방향의 두께를 일정하게 유지하도록 적층수를 늘리면, 동일한 발생 변위를 발생시키면서도 구동전압을 낮출 수 있다. 또한 발생력의 경우 액츄에이터 길이에 반비례하고, 단면적에는 비례한다. 압전판의 제조에는 캐스팅법을 사용하는 경우와 최근들어 두께의 한계를 극복하기 위한 스크린 프린팅법을 활용하여 후막을 사용하는 것 등이 일반적이다. 그밖에 전기영동 증착, 가스젯 프린팅, 수열합성법 등의 연구가 진행되고 있다. 또한 최근에는 실리콘 기판에 압전 물질을 인쇄하여 마이크로 액츄에이터로 사용하고자 하는 POS (Piezo on Silicon) 액츄에이터에 대한 연구도 있다. 적층형 액츄에이터 제작법에는 cut-bond법, tape-casting법 두 종류가 있으나, 주로 tape-casting법을 사용한다. 즉, 세라믹스 Green Sheet에 금속 전극재를 인쇄한 후 여러 장을 압착한 후 내부에 전극을 포함시켜 소결, 제작하는 방법으로 내부 전극법 또는 그린쉬트법으로도 표현 된다.
그림 3은 적층 액츄에이터의 기본 구조를 나타낸 것으로 균일층, 불균일층, 보호층의 3층으로 구성되어 있다. 신축에 관여되는 균일층은 압전 세라믹스와 합금으로 된 내부전극층이 교대로 적층되어 구성돼, 불균일층은 보호층과의 사이에 생긴 전단 응력을 완화역할을 한다.
적층형 액츄에이터는 낮은 전압으로 높은 구동력(~200MPa)
을 발생시키고 빠른 응답속도(<0.1㎲), 그리고 재현성이 좋다는 장점을 가지고 있다. 적층형 액츄에이터에서 발생하는 변위의 크기는 다음식과 같이 층수, 인가전압, 그리고 압전상수(d33)에 의해 결정된다.[4] <BR>△L = Lx = L33dE = Ld33[V / (L/n)] = nd33V
여기서 △L은 변위, x는 strain, E는 전계, n은 적층수, 그리고 V는 인가전압이다.
그림 4는 60~140 층수에 따라 적층형 액츄에이터에서 발생하는 변위 특성을 유한 요소 해석에 의해 구한 결과를 나타낸 것이다. 유한요소 해석에 사용된 액츄에이터의 단면은 2×3 mm2이고 각 층의 두께는 100㎛으로 하였고 병렬도 연결된 각층에는 100V 인가하였다. 변위량은 층수에 비례하여 증가하였으며 해석 값은 계산식을 통해 구해진 계산 값과 거의 유사하였다.
그림 5는 적층형 액츄에이터의 변위특성을 인가전압의 크기에 따라 나타낸 것이다. 액츄에이터는 체적은 2×3×10 (100층) mm3이고 인가된 전압의 크기는 60~140V 이다. 변위량을 인가전압의 크기에 비례하였으며 그림 7에서와 같이 설계 값과 계산 값은 거의 일치하였다. 이와 같은 특성은 압전상수(d33)에 따른 변위량의 크기에서도 유사하게 나타났다.
따라서 적층형 액츄에이터의 변위를 증가시키기 위해서는 적층수 또는 인가전압을 증가시키거나 높은 압전상수를 갖는 압전세라믹으로 액츄에이터를 제작해야 된다.
일반적으로 적층형 액츄에이터는 서로 교번된 Inter-digital (ID) 형태의 내부 전극으로 이루어져 있어서 전계를 인가하면 교번된 내부 전극의 끝에 응력이 집중되면서 delamination과 동시에 Y자 형태의 기계적인 crack이 발생한다. 이와 같은 응력은 전계의 분포가 불균일하기 때문에 발생하는 것으로 이를 감소시키기 위해서 전면 전극을 형성하거나 내부에 slit이나 electrode를 넣는 새로운 구조의 적층형 액츄에이터에 대한 연구가 계속 이뤄지고 있다.
그림 6은 적층 액츄에이터의 내부 전극형태를 나타낸 것이다. Inter-digital type(IT)에서는 내부 전극면적이 소자 단면적보다 작아 소자 내부에 압전 변형이 발생되지 않는 불활성 부분이 변형을 억제하고, 응력발생의 원인이 되어 문제가 생긴다. 이러한 문제를 해결하기 위해 내부 전극을 측면까지 설치시키고, 노출된 내부 전극은 절연물질로 보호한 Plate-through type(PT)형태의 액츄에이터가 고안되었고, 또한 Slit-insert type(SI)과 Float-electrode type(FE)도 유기된 응력과 전계 집중현상을 완화시키기 위해 고안된 방법이다.[5, 6, 7]
그림 7은 ID 형태와 적층 액츄에이터의 내부 crack을 방지 하기 위해 삽입된 FE 형태 적층 액츄에이터의 내부 스트레스 분포를 나타낸다. 그림에서와 같이 FE 형태의 적층 액츄에이터의 내부 스트레스가 확연히 적음을 알 수 있다. 그림 8은 삽입된 Float Electrode (FE)의 위치와 길이에 따른 시뮬레이션에 사용된 간단한 구조도이다. 위의 구조로 시뮬레이션 하여 스트레스와 변위량을 비교하였다. 해석에 사용된 전체적인 크기는 가로 4mm 세로 1.09mm로 100 μm의 세라믹 10층과 10μm의 전극층 9개로 구성되어있다. 해석 결과 FE의 중앙과 내부전극의 끝단이 일치하는 경우, 액츄에이터의 내부 스트레스가 적게 나타내었고, 그림 9와 같이 FE의 길이가 0.8mm 일때 스트레스 값이 가장 적게 나타남으로써 FE의 삽입시 가장 적합한 위치와 길이임을 알 수 있었다. 해석 결과 FE의 삽입은 IT형 적층 액츄에이터보다 스트레스를 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있다는 것을 알 수 있었고 또한 FE의 위치나 길이에 따라 많은 차이가 있음을 알 수 있었다.
그림 10은 이상과 같은 연구결과를 통해 본 연구팀에서 제작한 적층 액츄에이터이다.

5. 압전 밸브
본 연구팀에 의해 개발된 압전 밸브는 벤더형 압전 액츄에이터와 구동회로로 구성되는 소용량, 고응답용 밸브(1단부)와 1단 밸브와 1단부와 더불어 레귤레이터, 포펫밸브의 2단부의 조합으로 구성되는 2단 밸브로 각각 설계 되었다. 그림 11은 설계된 압전 밸브의 3D 모델링 도면이다.
그림 12는 개발된 압전 밸브의 동작에 따른 유체의 흐름도를 나타내고 있다. 그림 11과 12에서 1단부(액츄에이터부)는 2단부의 포펫을 On/Off 하기 위한 유체를 공급하는 역할을 하며 2단부는 1단부에서 유체의 On/Off 통해 메인 유로를 On/Off하는 포펫밸브와 1단부에 공급되는 압력을 레귤레이팅하는 레귤레이터부로 구성되어 있다. 제작된 압전 밸브의 조립도 및 제작된 실물 사진은 그림 13과 같다.
압전 밸브에 사용된 벤더형 압전 액츄에이터의 변위 및 발생력을 측정하기 위해 그림 14와 같이 레이져 변위계와 Load cell을 이용하여 측정 시스템을 구축하였다.
개발된 압전 액츄에이터의 변위 및 발생력은 압전 액츄에이터에 DC 40V 인가하였을 경우 변위는 80[㎛], 발생력은 35[gf]로 평가되었으며 특성은 그림 15에 나타내었다. 여기서 DC 40V는 압전 액츄에이터 구동회로의 입력전원이 DC 24V일때 DC 40V로 출력되도록 설계 되었기 때문이다.

가. 1단 밸브의 성능 평가
밸브의 출구를 개방 또는 폐쇄한 상태로 밸브의 사용압력을 가하여 5회 이상 변환 작동하여 이상 유무를 확인하는 시험이다. 시험 결과 입력 전원 DC 24V, 1Hz에서 출구 압력이 0에서 0.3[bar]로 On/Off 주기에 맞추어 변화 하고 있으며 그림 16에 인가전압에 대한 입구압력, 출구압력의 변화를 나타내었다. 응답특성이 늦은 것처럼 보이나 이는 유량이 매우 작아서 유량에 해당하는 압력 상승이 이루어지지 않은 것으로 판단된다.
압력 5[bar]로 충전된 내용적 V의 용기에 밸브를 직결하여 압전 액츄에이터에 정격전압을 시간 t 만큼 가하여 용기 내 압력이 2[bar]가 될 때까지 공기를 대기 중으로 방출한 다음, 용기 내의 잔존 압력을 아래 식에 의해 산출한다.

여기에서, S : 유효단면적[mm2],
V:용기내 용적[ℓ], Po : 용기 초기압력[kgf/cm2]
P:공기 방출 후 충분한 시간이 지난 후의 잔존 압력[kgf/㎠]
t:여자시간[s], T:실온(절대온도)[K]
유효 단면적을 계산한 결과를 표 2에 나타내었고, 이 결과인 유효 단면적을 통해 유량을 다음 식에 의해 계산하면 1단 밸브의 유량은 사용압력 5 [bar]에서 2.7 [lpm] 이다.

여기서 Q는 유량, Ae는 유효단면적, △P는 입구압력과 출구압력 차이를 나타낸다.

나. 2단 밸브의 성능 평가
1단 밸브와 동일한 조건인 1Hz, 5 Bar에서 측정하였으며, 2단 밸브의 동작 시험 결과를 그림 17에 나타내었다. 시험 결과 밸브 입력 전원 DC 24V, 1 Hz에서 출구 압력이 0에서 0.4[bar]로 On/Off 주기에 맞추어 변화 하고 있음을 알수 있다. 1단 밸브와 동일한 방법으로 측정하여 표 3에 결과를 나타내었다.

그림 18은 입구 압력에 따른 유량응답 특성을 보이는 것으로 5 [bar]에서 약 26[lpm], 10[bar]에서는 46[lpm]수준임을 확인하였다.
이때 밸브 입력전원은 DC 24V, 0.5Hz 이다. 그림 18에서의 유량은 밸브 출구쪽을 출구 압력 측정을 위해 완전 개방한 상태가 아닌 상태에서의 측정 결과이며 완전 개방시의 유량은 10 [Bar]에서 약 50 [lpm]수준으로 확인되었다.
다. 유동해석
압전액츄에이터의 특성상 변위를 25㎛이하까지 사용할 수 밖에 없어 유체 유동해석이 필요하였으며, 이 과제에서는 2차원 및 3차원 유동해석을 수행하였다. 그림 19의 a)는 압전밸브 조립상태를 보여주는 것이고, b)는 압전액츄에이터가 10㎛ 및 25㎛ 개방하였을 때에 유체의 흐름을 보여주는 것이다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 노즐 부위에서 압력강하가 발생하는 것을 알 수 있다. 이 해석결과는 밸브 조립시 적용되어 10bar까지 고압용으로 사용할 수 있는 온-오프 밸브가 개발에 적용되었다.
그림 20은 3차원 유동해석 모델 및 해석결과를 보이는 것으로 공기입구부와 출구부의 조립거리를 25㎛로 하여 수행한 결과이다. 해석결과 입구부 노즐 및 출구부 노즐 사이에서 역시 심한 유속변동이 일어나고 있음을 확인 할 수 있었으며, 시행착오법에 의하여 노즐의 형상을 결정하고, 제작하였다.
라. 압전밸브 시작품
본 연구에서는 싱글형 적층 압전밸브, 더블형 적층 압전밸브가 제작되었으며, 그림 21, 그림 22는 제작된 싱글형 적층압전밸브, 더블형 적층압전밸브의 사진이다.

마. 적층형 압전 온-오프밸브 및 가스밸브의 특성평가
그림 23은 적층형 싱글밸브 및 더블밸브에 적용될 압전액츄에이터의 특성을 확인하기 위하여 수정/보완된 실험장치의 사진을 보이는 것이다. 압전액츄에이터는 실험용으로 제작된 지그에 수직으로 설치되어 있고 정면에 레이저변위센서가 위치하고 있다. 압전액츄에이터는 전용 앰프를 이용하여 0~100[V]까지 전압이 가해졌으며, 입력전압형태는 계단파, 정현파 및 삼각파이고, 각각의 응답들이 계측되었다.
그림 24는 그림 23의 실험장치를 이용하여 실험한 결과를 도시한 것이다. 그림 24에서 a)는 NI사 A/D변환기를 통하여 얻은 결과이고, b)는 디지털스코프를 통하여 얻은 결과이다. 실험에 따라서 노이즈가 발생하여 떠는 현상은 있으나, 비교적 비슷한 결과가 얻어졌으며, 실험대상 액츄에이터는 히스테리시스가 17.9~12.1% 범위 내에 있음이 확인되었다. 그림 24의 b)의 결과로부터 또한 노이즈 특성만 제거되면 반복성 또한 매우 좋다는 것을 확인할 수 있다.
그림 25는 더블형 밸브의 응답특성을 0.5Hz에서 정현파 입력으로 실험한 결과이고, 그림 26은 더블형 밸브의 응답특성을 1Hz에서 정현파 입력으로 수행한 결과이다. 초기 조립상태성능이 우수하지 못하여 지연이 많이 일어나고는 있으나 적절한 조립지그 및 계측장비가 갖추어지면 쉽게 고속 온-오프 밸브의 개발가능성을 예측할 수 있다.
그림 27은 밸브 입구측에까지 압력이 전달되는 시간을 보이는 것이고, 그림 28은 입력유량이 입구부와 출구부에 도달하는 시간결과를 보이는 것으로 압력은 1/10000초, 유량은 1/1000초이면 정상치에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 이론적으로는 약 20lpm이 흐르고 있음을 확인할 수 있다.
그림 29, 그림 30, 그림 31은 각각 가스밸브 해석부의 속도특성, 속도벡터, 유선특성을 보이는 것이다. 속도변화는 입구부 온-오프 밸브부, 레귤레이터부, 출구 비례제어부에서 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히 입·출구부에 압전액츄에이터가 장착되어 있는 곳은 매우 심하게 속도변화가 일어나고 있으며, 이 부분에서 커다란 압력강하가 일어나고 있음을 또한 예측할 수 있다. 이 결과는 압전액츄에이터의 변위를 키우지 않으면 가스밸브에서 요구하는 유량을 출력시키지 못할 수도 있는 문제점이 예상되는 곳으로 유량특성이 우수한 구조설계, 압전액츄에이터 변위를 향상시키는 연구가 필요하다.
실험은 하우징1만을 사용하는 경우, 하우징1과 액츄에이터를 이용하는 방법 등 여러 가지를 실험하였다. 이론계산에서 나타난 바와 같이 유동특성에 우수한 구조변경과 동시에 압전액츄에이터 변위 확대방법, 레귤레이터 구조변경 등이 차후 해결해야 할 과제이며, 설계에 앞서 정밀한 유동해석이 2상뿐만 아니라 3상으로도 이루어져야 할 것으로 사료된다.

6. 향후 계획
1, 2단계의 연구 결과 발생된 문제점은 벤더형 액츄에이터를 바이몰프형으로 제작시 soft 재료는 변위량이 크지만 큰 히스테리시스로 인하여 낮은 전압에도 도메인이 스위칭되어 오히려 변위가 감소하고 수명도 적다는 점과 미니스택을 고적층시 최상하부의 계면에서 crack 발생하는 문제, 전극과 세라믹의 수축률 차이에 의한 전극부위의 균열 발생 문제 등으로 3단계에는 이를 해결함과 동시에 Si-based 마이크로펌프의 개발을 통해 연료전지 시스템과 약물전달시스템으로 사업화하는 연구를 수행할 계획이다.

7. 결 론
본고에서는 세계적으로 주목 받고 있으며, 향후 반도체 및 유체 산업 시장에 큰 활로가 예상되는 압전 밸브 기술과 압전 액츄에이터 기술에 대하여 살펴보았다.
압전 액츄에이터는 크게 벤더형과 적층형으로 구분되는데, 벤더형 압전 액츄에이터는 큰 변위를 필요로 하는 응용 분야에 주로 사용되며, 적층형 압전 액츄에이터는 큰 발생력과 정밀 변위 제어성이 요구되는 분야에 주로 사용하기 위해 개발되고 있다. 압전 액츄에이터를 이용한 압전 밸브는 압전 액츄에이터의 정밀 변위 제어성 및 큰 발생력 등의 특징을 이용함으로써, 기존의 밸브로 구현하기 어려운 우수한 특성을 갖는 밸브의 개발이 가능하다. 압전 액츄에이터 및 이를 이용한 압전 밸브 기술은 압전 세라믹스 기술, 압전 액츄에이터 설계 기술, 제작 공정 기술, 구동 및 제어 회로 기술, 그리고 밸브 설계 및 제작 기술 등이 융합된 복합 기술 분야로서, 그 어느 하나도 간과할 수 없는 종합 기술 분야이다. 따라서 압전 밸브 기술의 성공적 개발을 위해서는 소재, 전자, 기계 등 거의 모든 공학의 융합이 잘 이루어져야 하므로, 기술 개발이 결코 쉽지 않은 것이 사실이나, 향후 고도화 되어 가는 산업 발전 방향에 따라, 반드시 필요한 기술로 대두되고 있다. 국내 전자산업계는 반도체, 휴대 단말기 등 특정 분야에서 세계 top 수준의 경쟁력을 가지고 있다. 그러나 원천 기술 및 융합 기술의 확보 미흡으로 압전 세라믹스와 같은 소재 산업 분야와 이를 이용한 압전 액츄에이터, 트랜스듀서, 트랜스 포머와 같은 압전 소자 산업 분야에서 수입 의존도가 상당히 높다. 압전 소재 및 소자 산업은 초소형 초정밀화가 요구 되는 향후 시장 환경을 고려해 볼 때, 그 시장의 확대 가능성이 매우 높으며, 향후 실리콘을 근간으로 한 MEMS 액츄에이터의 기술로 진화해 나갈 것으로 예측된다. 따라서 압전 세라믹스 산업의 중점적인 지원 및 기술 개발 환경 개선, 투자 확대 등이 이루어져야 할 것으로 판단된다.

참고문헌
[1] ‘Piezoelectric Operated Actuators and Motors’-A Global Industry and Market Analysis, 2006
[2] K. Lubitz and H. Hellebrand, ‘Properties of PZT Multilayer Actuators’, IEEE 7th International Symposium on Application of Ferroelectrics, 502-512, 1991
[3] Q. Wang, X. Du, B. Xu, and L. Eric Cross, ‘Electormechanical Coupling and Output Efficiency of Piezoelectric Bending Actuators’, IEEE Trans. Ultrason., Ferrelec., and Freq. Cont., 46 [3] 638-646, 1999
[4] I. H. Im, H. S. Chung, D. S. Paik, C. Y. Park, J. J. Park, and S. G. Bae, ‘Multilayer piezoelectric actuator with AgPd internal electrode’, J. Euro. Ceram. Soc., 20, pp. 1011-1015, 2000.
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[7] A. Furuta, and K. Uchino, ‘Dynamic observation of crack propagation in piezoelectric multilayer actuator’, J. Am. Ceram. Soc., 76, pp. 1615-1617, 1993.

표 1. 선진국 압전 액츄에이터 개발 현황

그림 1. 적층 벤더 압전 액츄에이터
그림 2. 상하부층 두께가 다른 적층 벤더 압전 액츄에이터
그림 3. 적층 액츄에이터의 기본 구조
그림 4. 층수에 따른 적층 액츄에이터의 변위
그림 5. 인가전압에 따른 적층 액츄에이터의 변위
그림 6. 적층 액츄에이터의 내부 전극 형태
                     (a)                                        (b)
그림 7. 내부 전극 구조에 따른 스트레스 분포 (a)IT-type (b)FE-type
그림 8. FE 해석을 위한 적층 액츄에이터 모델
그림 9. FE 길이 변화에 따른 스트레스와 변위 특성
그림 10. KIST에서 제작된 적층액츄에이터
               a)조립도                      b)내부 구조               c)외부구조
그림 11. 개발된 압전 밸브의 3D 모델링 도면
그림 12. 개발된 압전 밸브의 동작 설명
            (a)압전 밸브의 부품               (b)제작된 1단 밸브 (c)제작된 2단밸브
그림 13. 제작된 압전 밸브의 부품 실물 사진
               (a)                                 (b)
그림 14. 변위 측정 시스템(a)과 발생력 측정 시스템(b)
그림 15. 압전 액츄에이터의 변위 및 발생력 특성
그림 16. 1단 밸브 동작 시험