본격적으로 탐방 및 인터뷰 준비에 나섰다. 오늘은 Chicago에서 방문하게 될 HC Materials에 대해 알아보았다.
1. HC Materials은?
HC Materials은 고성능 압전소자 단결정 크리스탈을 제작하고 개발하는 회사로 미국에서 가장 큰 PMN-PT 압전 소자 제작사이다.
회사에서 만든 압전 소자는 actuator, sensor, ultrasound imaging, active vibration control, bulk acoustic wave devices for telecommnunications, acoustic transduces and projector에 널리 응용되고 있다.
기업내 훌륭한 과학자와 기술자는 crystal growth, characterization, application에 대해 30년 이상 연구하고 실험해오고 있다.
이들이 주력하는 압전 물질로 PMN-PT가 있다. 다양한 PMN-PT 단결정 제품의 형태가 있는데 가령 Plates(판), Wedges(쐐기), Discs(원반), Cylinders(원통), Rings(고리), Tubes(튜브) and Cubes(큐브)가 있다.
현재 회사에서는 <001>seeded large-sized PMN-PT가 변형된 Bridgman technique를 통해 제조되고 있다. melt growth technique 덕분에 PMN-PT 단결정의 상업적 적용이 한결 쉬워졌다.(질문; 어떤 측면에서 상용화에 응용성이 높아진 것인가요?)
PMN-PT와 MPB의 혼합은 이례적으로 높은 유전체적 특성과 압전체 특성을 나타낸다. 이들은 많은 응용가능성을 지닌다.
현재 세 진동 모드의 PMN-PT crystal이 상품으로 상용화되고 있다. 1.Re-pole able High longitudinal share d36 mode 2. Super-High Transverse Shear d15 mode 3. High Transverse extension d31 mode
이외에 큰 사이즈의 PIN-PMN-PT crystal도 또한 사용가능하다. 세 겹의 PIN-PMN-PT crystal 지름 3인치, 길이 7인치로 상업적으로 유용한 사이즈이다. 그리고 이들이 만드는 coercive field는 PMN-PT보다 2배 이상이다. 또한 depoling temperature가 130도까지 올라간다. 음향 발신기 등에 쓰인다.
2. PMN-PT란?
납, 마그네슘, 니오브산염과 납 티탄산 염으로 구성된 단결정 크리스탈 PMN-PT는 대표적인 고성능 압전물질 중 하나이다. (1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3]의 화학식을 가지며 eletricmechanical coupling coefficnts가 매우 높고, piezoeletric coefficents도 매우 높고 dieletric constants가 높은 반면 dieletric loss는 낮아 결과적으로 bandwidth가 넓어지고 민감도가 높아지며 적용가능한 범위가 넓다.
HC Material은 고성능의 PMN-PT 단결정을 만들어 넓은 범위에 이용되게끔 하고 있다. Piezocrystal products가 다양한 형태로 존재하는데, 판, 쐐기, 실린더, 디스크, 고리, 튜브, 그리고 네 가지의 서로 다른 domain 배치를 갖는 큐브 형태가 있다.
이들은 PT 성분의 함량에 따라 크게 두종류로 나뉜다. 첫째, PMN-27~30%PT는 큰 신호(large signal)에 적합하고, PMN-30~33%PT는 작은 신호(small signal)에 적합하다.
작동방식은 크게 네가지로 나뉜다. Longitudinal Extension mode, Transvers Extension mode, Longitudinal Shear, Transverse Shear이다. 이들은 압전 특성의 크기에서 차이를 보인다. 최적의 압전 특성을 보이는 poling 방식도 다른데 각각의 최적 값을 나타내면 LE mode는 <001>poling에서 d 33이 2000~3000pC/N, TE mode는 <011>poling에서 d31이 1200~-1800 pC/N, LS mode는 <011>poling에서 d36이 2500 pC/N, TS mode는 <111>poling에서 d15가 4000~6000 pC/N이다.
cf. d33, d31, d36, d15 ; piezoeletric constant 로서 piezoeletric materials의 서로 다른 종류인 ceramics, crystals, polymer 마다 차이가 난다. 이것을 재는 기계가 ZJ-3B/4B Model이다. 측정값의 단위는 pC/N이고 범위는 1에서 4000까지 있다. 아래 첨자는 작동방식에 따라 다르게 표기한다.
질문거리
1. PMN-PT와 MBP를 혼합하면 압전특성이 구체적으로 얼마나 향상되며 이로인해 늘어나는 적용가능성은 무엇을 의미하나? ex. 더 작은 신호를 민감하게 감지하는 센서
2. 작동방식에 따른 네 가지 분류로 인해 압전 특성이 바뀌는데 구체적으로 각각의 작동방식이 어떤 응용방식에 맞는가?
3. PMN-PT의 납은 산호와 결합되어 산화형태인데 그렇다면 인체내에 적용할 때 위해요소로 작용할 수 있는가?
4. PMN-PT를 이용한 에너지 하베스팅연구는 어떤 것을 하고 있으며 현재까지 결과는 어떠한지?
이외에도 PMN-PT에서 PT 함량에 따라 구분하는 것은 왜 그렇고 이들이 어떤 역할을 하는지도 묻고 싶고, piezoeletric constant의 구체적인 측정법이나 depoling temperature와 관련해서도 물어보고 싶은 게 많은데... 미리 알 수 있는 것은 공부를 통해 알아가야겠다 :)
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