세라믹스 산업에의 컴퓨터 시뮬레이션 응용 시뮬레이션 기법을 활용한 세라믹스 응용부품 디자인 任鍾仁 공학박사 / 요업(세라믹)기술원 세라믹신뢰성센터 선임연구원 1. 서론 세라믹스 재료는 다양한 전자기적 부품 및 기계적 부품으로 응용되고 있고, 부품은 더욱 초소형화, 초정밀화, 고품질 복합기능화가 요구되고 있어 설계에서 개발 및 제조, 출시까지의 기간이 갈수록 단축되고 있다. 전자기 세라믹스 부품을 개발하기 위해서는 부품의 전자기적 특성을 분석하여 세라믹스의 재료를 선정하고, 그 최적 형상이 설계되어야 한다. 또한 고온에서 이용되는 세라믹스의 경우, 고온에서의 열적 변형 및 응력 상태, 주위 금속 등 다른 구조물과의 상관관계 등을 고려하여 세라믹스의 응용부품이 설계되고 개발되어야 한다. 그러나 이러한 세라믹스의 전자기적 거동 및 고온에서 상태를 실험적으로 측정하기는 매우 어렵고, 일부분 측정이 가능하다고 할지라도 이는 매우 한정적인 영역이다. 따라서 우수한 특성 및 대외 경쟁력이 있는 세라믹스 응용부품을 개발하기 위해서는 세라믹스 재료기술과 기계공학, 전자공학, 고주파공학 등 관련 응용기술을 상호 접목하여 활용하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 세라믹스 응용부품에 따라 분석하여야 할 필수 기술 및 시뮬레이션 기법, 응용사례에 대하여 알아보고자 한다. 2. 세라믹스 응용부품 세라믹스 재료는 크게 구조세라믹스 및 전자세라믹스로 구분되고, 전자세라믹스는 재료의 특성에 따라 유전성 및 반도성, 압전성, 자성세라믹스 등으로 구분된다. 구조용 세라믹스 재료는 상대적으로 우수한 기계적 특성 및 열적 안정성을 보유하고 있어 각종 기계 및 내열 부품으로 응용되고 있다. 또한 다양한 전자기적 물성을 보유하고 있는 전자세라믹스의 경우, 콘덴서 및 저항 등 RLC의 수동부품으로부터 필터 및 안테나 등 고주파 이동통신 부품, 모터, 초음파 진동자, 센서용 소자 등 다양한 전자부품으로 응용되고 있다. 전자세라믹스의 대표적인 경우로 압전재료의 응용 부품을 에너지의 변환형태에 따라 분류하면 표 1과 같이 나타낼 수 있다. 이와 같이 다양한 세라믹스 부품들을 개발하기 위해서 필수적으로 분석하여야 할 재료의 물성 및 부품의 특성을 응용분야에 따라 간단하게 정리하면 표 2와 같다. 세라믹스 응용부품은 재료의 물리적 성질을 기초로 사용 환경 및 부품의 특성을 분석하여 세라믹스 재료 및 형상을 최적화 하는 것이 효율적인 개발 방법이라고 볼 수 있다. 이를 위해서 기계공학 및 전자기공학에서 일반적으로 사용하는 부품 설계 및 평가기술을 세라믹스 부품에 도입하여야 된다. 3. 세라믹스 응용부품의 시뮬레이션 방법 세라믹스 응용부품 개발에 이용할 수 있는 설계기술로는 전자공학 및 기계공학에서 널리 쓰이고 있는 ‘등가회로법’ 및 ‘유한요소법’이 있다. 등가회로법은 표 3에 나타낸 것같이 RLC 전기소자와 기계/음향 부품의 특성의 유사성을 이용하여 기계 및 음향부품을 전기회로로 묘사하고, 수식적으로 잘 정리된 전자공학의 회로망 분석법을 이용하여 분석하는 방법이다. 이 방법을 이용하기 위해서는 분석하고자 하는 세라믹스 부품의 등가회로를 작성하고, 부품의 특성을 묘사하는 수식을 유도하여 Mathmatica 등을 이용하여 분석하는 방법과 Pspice 등 회로분석용 프로그램을 이용하는 분석이 가능하다. 등가회로법은 압전소자의 다양한 응용부품 설계 및 유전체를 이용한 고주파 부품 설계, 자성체 응용부품 설계 등에 이용할 수 있다. 이 방법은 세라믹스 응용부품의 특성 및 경향성을 일차원적으로 단시간 분석할 수 있는 장점이 있지만 다소 분석 정밀도가 떨어지는 단점이 있다. ‘유한요소법’은 어떤 계의 실제 현상을 이상화(idealization)함으로써 역학적 또는 물리적 모델을 구성하고, 이에 수학적 물리적 개념을 바탕으로 미분 방정식을 유도하여 그 계의 여러 성질을 수치적으로 푸는 근사해법이다. 이 방법은 응용부품의 형상을 3차원으로 모델링하고, 실제 사용조건 및 주위 환경을 고려하여 정밀하게 특성의 분석 및 부품을 설계하는 방법으로 경우에 따라서는 아주 많은 분석시간을 필요로 한다. 유한요소법은 그 동안 주로 토목공학 및 기계공학 분야에서 이용되어 왔으나, 최근 보다 정밀한 전자 및 고주파 부품이 요구됨에 따라 전자기 특성분석 및 고주파 특성분석용 프로그램들이 급속하게 개발되고 있다. 상용화된 유한요소 프로그램으로는 분석분야에 따라 ANSYS, NASTRAN, ABAQUS, Maxwell, Flux, HFSS, Sysnoise 등 다양한 제품이 있다. 4. 세라믹스 응용부품의 시뮬레이션 사례 컴퓨터 시뮬레이션 기법으로 세라믹스 응용부품을 설계한 사례를 그림 1과 그림 2에 나타내었다. 그림 1은 등가회로법을 이용하여 자성체 음향부품의 음향 출력특성을 분석한 것이고, 그림 2는 유한요소법을 이용하여 압전 SONAR의 유한요소모델 및 출력특성을 분석한 것을 나타낸 것이다. 이동통신 및 센서용 부품, Actuator, MEMS 등에 이용되는 압전성 세라믹스의 경우, 세라믹/폴리머 복합체의 형상설계, 압전특성과 응용 부품 특성 사이의 상관성 분석을 통한 최적 압전체 선정 및 형상 설계 등에 다양하게 이용하여 왔다. 또한 안테나 및 필터, 수정진동자 등 이동통신용 고주파 세라믹스 부품의 경우, 소형경량화 및 복합화 등의 추세에 따라 보다 정밀하게 설계하고, 제조공정을 제어하기 위하여 세라믹스의 형상 및 전극의 패턴 설계 등에 응용되고 있다. 그리고 다양한 자성체의 응용부품의 경우 역시 자성체 재질 및 형상, 설치 위치, 인가전원, 주파수 등에 대한 다양한 분석을 수행하여 부품을 설계하는데 시뮬레이션 기법을 이용하고 있다. 5. 요약 지금까지 간략하게 세라믹스 재료의 응용부품 개발에 필수적인 분석사항 및 부품설계에 활용할 수 있는 시뮬레이션 기법에 대하여 소개하고, 응용 사례에 대하여 소개하였다. 여기서 언급한 바와 같이, 다양하게 응용되고 있는 세라믹스 부품 개발에 활용할 수 있는 전자공학 및 기계공학의 시뮬레이션 기법으로는 ‘등가회로법’ 및 ‘유한요소법’등이다. 이들 시뮬레이션 기법을 활용할 경우, 보다 우수한 특성을 갖는 응용부품의 개발이 가능하고, 개발기간도 단축할 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 세라믹스 응용부품 개발에 활용하는 방법으로는 재료 전공자가 시뮬레이션 기법을 직접 배워서 하는 방법과 관련분야의 전문가의 협조를 받아 활용하는 방법이 있다. 어느 방법이든 관련된 전공에 대한 의사소통 및 상호이해가 선행된 상태에서 세라믹스 재료기술과 기계공학, 전자공학, 고주파공학 등 관련 응용기술이 결합하게 되면, 우수한 특성을 갖는 세라믹스 응용부품 및 신제품 개발이 가능하게 되어 세라믹스 재료산업과 관련 부품산업이 상호 시너지 효과를 발휘하여 성장하고, 대외 경쟁력도 함께 향상될 것으로 판단된다. 표 1. 압전세라믹스의 응용부품 응 용 분 야 응용부품, 기기 전기E-->기계E-->전기E Resonator, Filter, Discriminator Delay Line,Piezoelectric Transformer Transducer 전기E --> 기계E 기계E --> 전기E 음파 음향 초음파 수중초음파 고체초음파 강력초음파 의료용초음파 Actuator 센서 고전압발생기 Buzzer, Speaker, Receiver 액면계, 교통량계, 도난방지기 SONAR, 어군탐지기, 유량 및 유속계 Hydrophone 초음파 두께측정기 세척기, 가습기, 가공기 초음파 진단장치, 초음파 혈류계 압전모터, Ink Jet Printer, 미세변위제어기 가속도센서, 충격센서, 압력센서, Knock 센서, 혈압계 pick up Ignitor 표 2. 세라믹스 응용부품 개발에 필요한 기본 분석기술 응용 부품 기본적인 분석사항 고온 기계적 응용부품 재료의 기계 및 열적 물성 기계적 변형 및 응력 분포 열전도 특성 및 온도분포 충격 및 가열/냉각 등 사용환경 특성 전자기 응용부품 재료의 전자기적 물성 전기장 및 자기장 분포 부품의 전자기적 출력특성 전자장에 의한 응력 및 온도특성 고주파 응용부품 재료의 고주파 물성 부품의 고주파 응답 및 출력특성 음향적 응용부품 재료의 음향학적 물성 음향부품의 및 음향전달 특성 사용환경에 대한 영향 표 3. 전기계 및 기계/음향계의 유사성 그림 1. 자성체 음향부품의 (a)등가회로 및 (b)음향 출력특성 (ref. 4) (a)등가회로 (b) 음향 출력특성 그림 2. 압전 SONAR의 (a) 유한요소모델 및 (b) 시간에 따른 출력특성 (ref.5) (a) (b)