李在ㅣ공학박사 / 울산대학교 첨단소재공학부 교수 1. 서론 압전재료에 전압을 가하면 변형이 발생되는 현상을 이용한 소자가 압전 액츄에이터이다. 압전재료의 변형율은 전계에 비례하므로 전압을 높이거나 재료의 두께를 줄여 전계를 증가시키면 변형율을 높일 수 있다. 동작전압을 낮추기 위해서는 압전체의 두께를 100μm 이하로 줄이고 대신에 변형량을 증가시키기 위해서 압전체 후막을 수십에서 수백층 적층하여 제조한 소자를 적층형 압전세라믹 액츄에이터(MCA:Multilayer ceramic actuators)라고 하며, 그림 1과 같은 모양을 가진다. 표 1에 여러 가지 액츄에이터의 특성을 비교하였다. MCA는 다른 종류의 액츄에이터에 비교하여 변위량이 작은 단점이 있지만 정밀도와 응답속도가 매우 우수한 장점을 가지고 있어서 최근 카메라, 자동차, 바이오 산업, 건축, 반도체 공정장비 등의 정밀기기를 중심으로 응용이 확대되고 있다. 일본, 미국, 독일 등의 선진국에서는 이미 30여 년 전에 MCA가 개발되어 현재는 표 2와 같이 다양한 분야에서 응용되고 있다. 국내의 경우 10여년 전부터 대학을 중심으로 MCA에 대한 기초연구가 진행되어 왔지만, 본격적인 개발연구는 과학기술부 산하의 차세대소재성형사업단의 지원을 받아 2001년부터 KERI, KIST, 울산대를 중심으로 시작되었으며, 산업 분야에서는 스마트전자, 경원훼라이트공업, 래트론 등의 기업이 최근 사업을 전개하고 있다. 본 기사에서는 이미 잘 알려진 정밀기기 분야를 제외하고 최근 새로이 부각되고 있는 MCA 응용분야를 몇가지 소개하고자 한다. 2. 반도체 산업 분야 반도체 분야에서는 식각, 박막 증착, 열처리 등의 공정장비는 다양한 화학 기체를 이용하며 반응로에 유입되는 기체의 유량을 정밀하게 제어할 필요가 있다. 이러한 정밀유량제어기(MFC:mass flowcon troller)에는 전기신호로 유량을 조절하는 밸브가 있으며, 전자석을 이용한 솔레노이드 밸브보다 정밀도와 응답성이 우수한 압전밸브가 이용되고 있다. 또한 반도체 기판에 정밀한 고집적회로 패턴을 형성하기 위해서는 초정밀 노광장치가 필요하다. 노광장치의 경우 건물이나 지반으로부터의 진동을 차단할 필요가 있으며 이를 위하여 압전 액츄에이터를 이용한 능동진동제어 기구가 적용된다. 또한 노광장치의 경우 기판을 이송하고 정렬하는 웨이퍼 스테이지는 nm급의 위치제어 정밀도가 요구된다. MCA를 이용하면 nm 이하의 위치제어가 가능하여 그림 3과 같은 반도체 웨이퍼 스테이지가 현재 상용 노광장치에 이용되고 있다. 3. 자동차 산업 분야 자동차 분야에서는 오래전부터 다양한 압전소자들이 이용되어 왔다. 예를 들면 엔진의 노킹센서, 초음파 진동을 이용한 측면경 빗물제거기, 압전진동자를 이용한 가속도 센서, 초음파 발생 및 수신장치를 이용한 후방충돌 경보기, 초음파 모터를 이용한 운전석용 시트 위치제어기 및 목 받침대 높이 조절장치 등이 있다. 최근 주목할 만한 분야로는 디젤엔진의 연료를 미세한 분무형태로 연소실에 직접 분사해주는 그림 4와 같은 인젝터(diesel fuel injector)를 들 수 있다. 유럽의 경우, 환경보존 측면에서 가솔린 엔진보다 디젤엔진을 선호하는 추세이다. 왜냐하면 디젤연료의 경우 미세먼지나 질소산화물의 배출량은 높지만 가솔린보다 효율이 높고, 이산화탄소 배출 총량이 작기 때문에 거시적인 측면에서 대기 환경오염을 적게 시킨다고 결론을 내렸기 때문이다. 최근 우리나라의 경우 CRDI (commom rail diesel injection) 방식의 엔진을 장착한 RV 승용차에 대한 인기가 높지만, 아직 전자석을 이용한 솔레노이드 방식의 인젝터가 대부분인 실정이다. 그러나 독일과 일본에서는 매연을 줄이고 연비 면에서 한 단계 더 진전된 압전 인젝터 방식의 CRDI 엔진을 탑재한 자동차의 보급이 급증하고 있다. 한편, 미래에는 환경보호 측면에서 전기자동차의 보급이 확대될 것은 확실시 된다. 이 경우 배터리 충전 시간의 단축이 큰 문제로 남아 있으며, 이를 개선시키기 위한 방안으로 주행 중이나 공회전 중에도 자동차 엔진의 진동을 이용한 압전 발전기에 대한 연구가 미국의 대학들을 중심으로 활발하게 진행되고 있다. 최근 펜실베니아 주립대 연구팀이 개발한 압전발전기의 회로도를 그림 5에 나타내었다. 이 신기술은 자동차 엔진의 진동에너지를 압전체를 이용하여 전기에너지로 변환하여 배터리에 충전하는 원리로 일본의 도요타사의 하이브리드 자동차에 장착될 예정이라고 한다. 자동차 기술에서 중요한 분야가 NVH(소음 및 진동) 제어기술이다. 자동차 엔진의 경우 엔진마운트라는 진동감쇄기가 장착되어 있다. 국산 자동차의 경우 고무를 이용하여 진동을 흡수하는 수동형 엔진마운트가 이용되고 있으나, 최근 독일이나 일본의 고급차에는 전자식 액츄에이터를 이용한 능동형 엔진마운트가 탑재되고 있어서 공회전이나 주행 중의 엔진진동 및 소음을 종래 방식보다 현저히 저감시킬 수 있다고 한다. 앞으로 남은 가장 중요한 문제인 저가격화가 진전됨에 따라 압전 액츄에이터를 이용한 엔진마운트의 보급이 신장될 것으로 전망된다. 4. 광통신 분야 정보화 사회로의 진전에 따라 정보신호 전송용량 및 속도면에서 유리한 파장분할변조방식(WDM)의 광통신 기술의 중요성이 커지고 있다. 이 방식에서는 한 개의 광섬유에 여러가지 파장의 신호를 동시에 송신하는 방식으로 합파와 분파에 그림 6과 같은 튜너블 필터가 이용되고 있다. 미세한 거울의 위치를 고속으로 제어하는데 압전 액츄에이터가 이용되고 있으며, 광대역 통신망의 보급이 확대됨에 따라 수요가 증가하고 있다. 이외에도 광통신 분야에서는 광섬유의 접속에 필요한 초정밀 정렬기, 광섬유 접속시 정렬각도를 조절하여 빛이 통과하는 강도를 변조하는 광감쇄기 등에 압전 액츄에이터가 이용되고 있다. 5. 바이오 산업 분야 바이오 산업의 발전과 더불어 미세한 세포 및 유전자 조작, 생체용 내시경, 수술집게, 가위, 칼 등의 기구조작에 보다 높은 정밀도가 요구되고 있다. 마이크론 크기의 미소대상물을 지지, 회전, 이동, 해방시키기 위한 미세조작기의 경우 위치제어 정밀도가 우수한 압전 액츄에이터를 채용한 신제품이 속속 출시되고 있다. 그림 7은 동경대 연구진에서 개발한 세포조작기로 인공수정을 하는 장면을 나타내고 있다. 이 연구진은 IDM (impact drive mode)라는 압전 액츄에이터 동작방식을 개발하여 세포벽의 변형이 거의 없이 주사기를 주입할 수 있는 기술 혁신을 이루었다. 이 외에도 수술용 집게, 내시경에 부착된 정밀 수술칼 등의 분야에서 MCA를 이용한 제품개발이 활발하게 진행되고 있다. 6. 건축 분야 10여년 전부터 항공기, 우주구조물, 군사용 기기 등의 분야에서 진동제어, 형상제어, 구조물의 안전성 감시장치 등에 ‘스마트구조물’이라는 기술이 각광을 받고 있다. 원리적으로는 구조물의 변형이나 진동을 감지하는 센서와 변형을 복원하는 액츄에이터를 동시에 부착하여 외부 충격에 대응하는 복구능력을 갖도록 한 지능형 구조물이다. 이와 같은 스마트구조물 기술을 최근 아파트와 같은 다가구 주택의 층간 소음차단이나 지진에 의한 충격을 차단하는 구조물에 응용하려는 연구가 일본의 몇몇 대학에서 진행되고 있다. 일례로서 동경대 생산기술연구소의 Fujita 교수는 크기가 10×10×17cm이고 최대 발생력이 270kN/3kV인 초대형 MCA를 제작하여 높이가 30m이고 총중량이 273톤인 고층건물(그림 8)에 설치하여 건축물 진동제어에 성공하였다. 7. 맺음말 짧은 지면 관계로 최근 새로이 부각되고 있는 MCA 응용분야 몇 가지만 대표적으로 소개하였다. 본 기사에 소개된 내용 외에도 다양한 응용제품이 있지만 본 기사에 소개된 제품기술과 원리적으로는 대부분 유사하다. 정밀기기, 정보통신, 바이오산업, 수송기기 산업 등 모든 산업분야에서 지능화에 요구가 점증하고 있는 추세에 따라 지능형 소자인 MCA를 활용한 신기술은 계속 출현될 것이며, 시장수요도 확대될 것은 확실하다. 국내의 경우 선진국에 비교하여 MCA 응용기술 분야에서 낙후되어 있는 상황이다. 기본적으로는 MCA에 대한 국내기술 자립이 늦었기 때문으로 판단되나, 이제 MCA 부품기술은 자립단계에 도달하였으므로, MCA를 이용한 지능형 제품 기술 개발에 대한 비중을 높일 때라고 생각한다. 이를 위해서는 MCA 부품 전문가를 중심으로 전기, 전자, 기계, 자동차, 생명공학, 건축 등 다양한 분야의 전문가들이 공동으로 상호 융합된 신기술개발에 더 노력을 기울여야 한다. 표 1. 여러 가지 액츄에이터의 특성 비교 분 류 변위(mm) 정밀도(μm) 발생력 응답속도(sec) 공기압식 공기압모터 회전 - 5kgm 10sec 공기압실린더 100 100 100kg/mm2 10sec 유압식 유압모터 회전 - 10kgm 1sec 유압실린더 1000 10 10kg/mm 1sec 전기식 AC 서보모터 회전 - 3kgm 100msec DC 서보모터 회전 - 20kgm 10msec 스테핑모터 1000 10 30kg 100msec 보이스코일 1 0.1 20kg 1msec 압전액츄에이터 0.05 0.01 3kg/mm2 0.01msec