송재성 전기연 박사팀, 정밀 제어용 압전 세라믹 액추에이터 개발
독일 일본 등 기술선점 분야…기술이전 추진 중
한국전기연구원(원장 유태환)은 송재성 전지압전연구센터 박사팀이 적층형 압전 세라믹 액추에이터와 이를 이용한 광학기기용 위치제어 부품 원천기술을 개발했다고 25일 밝혔다. 압전 세라믹 액추에이터는 정밀제어 산업분야에서 널리 활용되고 있는 핵심부품이다.
부가가치가 높고 디지털카메라의 광학줌에서부터 컴퓨터, 가전기기 등에 포함되어 사용되고 있으며, 산업용장비(특히 유량 조절용 밸브)와 자동차의 연료 인젝터, 반도체 검사장비의 스테이지에 이르기까지 응용 분야가 매우 넓다.
특히 구동 액추에이터 중 나노미터급 정밀도를 갖는 유일한 부품으로 일본, 독일 등으로부터 전량 수입에 의존하고 있어 국내 기술개발이 시급한 형편이었다. 송 박사팀은 지난 2007년부터 5년여간의 연구 끝에 낮은 온도에서 쉽게 제조(저온소성)가 가능한 고변위 압전소재, 고성능 적층형 압전 액추에이터와 대변위 압전 액추에이터 공정기술, 압전 액추에이터를 적용한 레이저 스캐너용 위치제어(미러 틸트 마운트) 시스템 등을 개발하는데 성공했다.
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| ▲액추에이터. ⓒ2011 HelloDD.com |
연구팀은 적층형 압전 세라믹 액추에이터 기술 개발에 따른 부품 국산화, 수입 대체 효과, 응용 제품 개발 및 상용화로 연간 500억 원의 경제적 파급효과를 기대하고 있다. 부품소재의 국산화 뿐 아니라 제품 수출 가능성 매우 높아 관련 시장이 성장할 것으로 예상된다.
송 박사는 "관련 기술은 현재 독일 및 일본이 선점하고 있는 분야로 군수용으로도 중요한 부품 기술이어서 해외 기술 도입이 어려운 실정"이라며 "향후 초고속 액추에이터 개발 및 항공용, 방위산업용 압전 액추에이터에도 적용될 것으로 본다"고 말했다.
현재 연구팀은 이 기술과 관련해 5건의 특허를 출원한 상태며, 대상 기업이 정해지는대로 압전 세라믹 액추에이터 및 광학기기 위치제어 시스템에 대해 각각 기술 이전을 통한 상용화를 추진할 계획이다.
| ◆ 용어해설 ▲액추에이터 : 액추에이터(actuator. 작동기, 작동장치)는 어떤 에너지를 기계적인 움직임으로 변환하는 변환기 또는 시스템을 움직이거나 제어하는 데 쓰이는 장치를 말한다. 액추에이터에서 중요한 것은 에너지를 변환하여 기계적인 움직임으로 바꾼다는 것이다. 즉, 전기적 에너지를 기계적인 회전 운동으로 변환하는 모터도 액추에이터의 한 종류라고 볼 수 있다. 액추에이터의 에너지는 전기·전자의 힘이나 열, 생화학 에너지 등 무엇이든 될 수 있지만 대개는 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 경우가 대부분이다. 이 외에 작동유압, 기력압 형태로 된 에너지원을 이용해 어떠한 종류의 움직임으로 변환하는 경우도 포함하며 따라서 전기나 유압, 압축 공기 등을 이용하는 원동 구동장치를 두루 일컫는 용어로도 사용된다. 액추에이터는 다양한 목적 및 구조를 가지고 산업계의 여러 분야에서 사용되고 있으며 특히 부품의 고기능화와 소형화가 주변 산업의 발전과 직결되고 경제적 유발효과가 매우 큰 부품이다. ▲압전 세라믹 엑추에이터(Piezoelectric Ceramic Actuator) : 압전 액추에이터, 세라믹 액추에이터로도 불린다. 최근 디바이스 생산에 있어서 측정 및 가공 장비의 정밀도는 수십 나노미터 수준으로 향상되고 있으며, 나노미터급 정밀도의 이송기구는 전자·이온빔의 응용분야, 자동측정검사시스템, 광학, 반도체, LCD, IT 부품용 측정 및 가공 시스템 등을 위한 핵심 부품으로 이에 대한 연구개발이 시급한 형편이다. KERI가 개발한 압전(壓電)재료를 이용한 세라믹 액추에이터(Piezoelectric Ceramic Actuator)는 전기를 입력에너지로 기계적 변형을 나타내는 압전소재의 에너지 변환 특성(압전효과)를 이용해 별도의 장치없이 구동하는 반영구적인 정밀구동 정밀제어 부품이다. 세라믹 압전체와 내부 전극이 층상, 다층으로 형성된 구조로 이뤄져 전압을 세라믹 압전체에 가하면 기계적 변형을 얻게 되는 원리를 이용한다. 나노미터(nm) 수준의 고정밀 제어가 가능하며, 세라믹 소재의 특성을 이용해 빠른 응답성과 큰 발생력을 가지고 있어 소형경량화가 가능하다. 또한 전자적 간섭이 없고, 소자의 형태에 따른 영향이 적어 다양한 응용이 가능하고, 사용시간에 따른 성능저하가 낮아 수명이 길다. 기계적, 전자기적 소음이나 열 발생 등이 거의 없어 친환경적이다. 향후 레이저 스캐너 분야 및 반도체 프로버 장비 스테이지, 정밀 액추에이터 가 적용된 전자/이온빔의 응용분야, 자동측정검사시스템, 기타 광학기기, 반도체 장비, LCD 및 IT 부품 등 응용분야도 매우 넓다. ▲압전(효과) : 압전효과(piezoelectricity)는 크리스탈이나 세라믹 등 압전체에 압력, 온도, 진동 등 기계적 에너지를 가하면 전기가 생기는 효과를 말한다. 우리 주변에서 볼 수 있는 압전효과의 가장 대표적인 예는 가스레인지의 점화플러그이다. 가스레인지의 손잡이를 비틀어 압력을 가하면 전기가 만들어져 불꽃이 생기고, 불꽃은 밸브에서 나온 가스에 불을 붙인다. 압전효과는 이외에 스피커, 전자저울, 초음파탐지기, 속도계 등을 비롯한 전기 전자제품 등에 이용되며, 최근에는 고급카메라의 줌렌즈에도 응용돼 미세하게 자동초점을 맞추는데도 사용되는 등 초정밀 이송기기 및 광학기기 등에 응용될 수 있다. ▲압전 세라믹 기술(Piezo Ceramic Technology) : 물리적인 압력이 가해지면 전기가 발생하는 모듈을 세라믹 소자로 구성하는 기술. ▲적층형(積層型) : 층층히 쌓아올려 제조하는 방식 |
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