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한국과학기술정보연구원-압전 세라믹 액추에이터 (上) 한국과학기술정보연구원-압전 세라믹 액추에이터 (上) 관리자 기자입력 2007-07-30 10:05:23

Ⅰ. 서론

압전 세라믹 액추에이터는 세라믹 소재의 압전 특성을 이용, 전기를 입력에너지로 하여 변위 또는 발생력을 출력하는 전기식 액추에이터이다.
즉, 압전 액추에이터를 구성하는 압전 세라믹스에 전계를 인가하면 늘어나거나 수축하는 성질을 이용하는 것이라고 할 수 있다.
압전 세라믹스는 전자분야의 기초재료로 다양한 연구가 이루어져 왔으며, 그 활용은 레조네이터 등의 통신기기, 초음파 혈류계 등의 의료기기, LCD 백라이트용 트랜스포머, 초정밀 액추에이터, 초음파 모터, 트랜스듀서, 각종 정밀 센서와 측정․계측기기 등으로 가정용에서부터 첨단 기술분야까지 광범위하게 이루어지고 있다.
또한 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술과 함께 마이크로 크기의 액추에이터 및 센서 등의 제작이 가능해지고 있으며, 특히 최근에는 전기/기계 에너지에서 기계/전기 에너지로의 변환을 이용하는 단방향의 압전세라믹스와 함께 두 가지 변환을 동시에 이용해 새로운 기능을 보이는 쌍방향성 제2세대 압전 세라믹스가 개발되어 이에 따른 활용범위도 확대되고 있다.
유전공학을 포함한 의료분야에서는 유전자내의 비정상적인 세포를 제거하고, 건강한 세포를 주입시키는 마이크로 로봇이나 유전자 세포를 핸들링하는 마이크로 도구의 개발이 진행되고 있다. 이러한 마이크로 도구의 경우, 초정밀 이송액추에이터와 위치센서가 가장 핵심적인 요소기술의 확보 없이는 불가능하다.
이와 같은 초소형 수술 및 의료용 진단장치 등으로 활용되고 있다. 그리고 해양자원 활용을 위한 수중 측정장치, 탐색기술에 있어서도 압전 세라믹스의 응용기술이 활용되고 있어, 압전 세라믹스 분야의 광범위한 시장형성이 기대되고 있다.
본 내용에서는 우선 압전 세라믹 재료의 기술적 특성을 살펴보고 이를 바탕으로 압전 세라믹 액추에이터 관련 기술을 분석하였으며, 압전 세라믹재료의 전체적 시장상황을 분석함으로써 압전 세라믹 액추에이터 산업 동향과 시장 동향을 간접적으로 파악하였다.


Ⅱ. 기술동향 및 전망

1. 기술의 개요

가. 압전 세라믹스

1) 압전 세라믹스의 정의 및 이용
압전 세라믹스는 전기적 에너지가 기계적 에너지로 또는 그 반대로 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환 될 수 있는 소재로서, 1970년대를 시작으로 1990년대에 본격적으로 연구개발이 이루어져 왔으며, 전자산업의 중요한 분야로 자리잡게 되었다.
국내에서는 대부분의 압전 세라믹스 원료와 응용부품을 전량수입에 의존하다가 1987년에서야 압전소자 제품을 생산하기 시작했고, 원재료부터 최종제품까지 대부분 국산화 기술에 대한 노하우를 가지고 있는 중소기업들이 다양한 품목을 생산하고 있다.
압전 세라믹스 재료는 Barium Titanate를 시작으로 물리적 성질 등이 우수한 PZT, PCM 등 복합 Perovskite 구조를 가진 세라믹스를 중심으로 개발이 이루어지고 있는데, 최근에는 휘발성 공해물질인 PbO가 함유되지 않으며, 물리적 성질과 기능이 우수한 압전 재료 개발 및 수요가 증대되고 있는 상황이다.
이러한 압전 세라믹스는 일본, 미국, 유럽 등의 국가에서 많은 기술을 보유하고 있으나 1990년에 이르러서는 한국과 중국이 괄목할만한 성장을 보이고 있다.
압전 재료 기술은 여러 산업의 근간이 되는 기술로서, 통신기기 분야, 의료기기 분야, 가정용 전자기기 분야, 정밀계측기기 분야, 군용 분야 등 다양한 산업분야에 연관이 있다.


2) 압전 세라믹스의 기본 이론

가) 세라믹 재료의 결정학적 범위
모든 결정은 그 대칭관계에 의해 32개 결정군(Point Group)으로 분류된다.
그중 대칭 중심을 갖는 12개 그룹은 압전성이 없고, 나머지 20개 그룹중에서 전기적으로 부도체인 결정에서 압전특성이 존재한다.
이중에서 비대칭성이 큰 10개 그룹은 전계(Electric Field)도, 응력도 가해지지 않은 상태 하에서 자발적으로 분극되어 있는데 이를 초전성 결정이라 한다. 이중 전계에 의해 극성의 방향이 바뀌는 것이 강유전성(Ferroelec-tricity)이며, 압전 현상은 강유전성 결정 중에서 존재한다. <그림 1>에 유전, 압전 세라믹스 재료의 결정학적 범위를 도식화하였다.
대표적인 강유전성 재료로서 Perovskite로 대표되는(ABO3 구조) 재료중에 BaTiO3가 있는데, 이는 산소가 육면체의 6면에 위치하고(O 자리), 모서리(A자리)에 Ba 이온이 존재하며 육면체의 중심(B자리)에 Ti 이온이 있는 구조로서 여기서 Ti 이온이 정확히 중심에 위치하지 않고 약간 z방향으로 이동된 형태다. 바로 이것에 의해 dipole이 존재하며 전기장(교류신호)에 따라 Dipole의 신축에 의해 압전 특성이 나타나는 것이다.

나) 직접 압전 및 역 압전 효과
압전 직접효과라고 하는 것은 전압발생 기능으로 압전 소자에 외부 응력, 진동변위 등을 주면 그 출력단에 전기 신호가 발생하는 현상을 말하며, 착화용 압전소자나 각종 센서에 응용된다.
또, 역압전 효과라고 하는 것은 변위발생 기능으로 압전 소자에 외부로부터 전압을 걸어주면 소자가 기계적 변위를 일으키는 현상을 말하며, 액추에이터 등에 적용되는데, 이를 통칭해서 압전 효과(Piezoelectric Effect)라고 부르고 있다.

 

3) 압전 특성에 따른 압전 세라믹의 응용
압전 효과를 에너지 변환 기능에서 보면 <그림2>, <표3>과 같다.

나. 압전 액추에이터

1) 압전 액추에이터 개요 및 분류
세라믹스는 취성 재료이지만, 온도변화에 의해 열팽창을 일으키며, 압력을 가하면 작게 수축한다. 이런 것들이 전계를 인가할 때에도 일어나는 것이다. 세라믹스에는 양이온과 음이온이 탄성적으로 연결되어 결정격자를 형성하고, 전계가 걸리면 양이온은 전계 방향, 음이온은 역방향으로 당겨진다. 이와 같이 응력이 발생하고 결정격자를 변형시킨다.
다시 구체적으로 설명하면, 다결정체인 압전 세라믹스의 처음상태에 있어서 각각의 결정립 내부는 일반적으로 분극방향이 다른 몇 개의 분극으로 나누어져 있다. 이 상태에서 전체로의 분극은 상쇄되어 외부로는 표현되지 않는다.
이 때 압전 세라믹스에 전계를 가하면 결정내부의 분극방향이 전계방향에 따라 분극하고 동시에 결정립의 길이가 전계방향으로 늘어난다. 또 전계를 제거하면 처음상태로 돌아오지 않고 전체가 거의 분극된 상태를 그대로 유지한다. 분극에 따른 변위를 잔류 처짐이라 부르며, 일련의 처리를 앞서 언급한 바와 같이 분극처리라고 한다. 분극 처리 후에는 동일방향의 전계를 가하거나 제거하는 것에 의해 각각의 결정체가 늘어난 상태, 줄어든 상태를 왕복하여 동작하게 되고 압전 세라믹스 전체의 움직임으로 나타난다.
따라서 압전 액추에이터의 특징으로는 ▲미소 변위의 고정밀 제어가 가능하다 ▲발생력이 크다 ▲응답성이 빠르다 ▲에너지 변환 효율이 높다 ▲전자적인 간섭이 없다 ▲형태의 영향이 적다 등이 있다. <그림 3>은 압전 액추에이터의 종류를 표시한 것으로, 압전 세라믹스의 면내 변위를 이용하는 직선 변위형과 면외 변위를 이용하는 굴곡 변위형의 2종류로 분류할 수 있다.
직선 변위형은 단판형과 적층형이, 적층 굴곡 변위형은 monomorph, unimorph, multimorph 등이 있다.
판형은 단순 구조이지만, 발생변위가 극히 작아 그 용도가 한정적인데 비해 적층형은 이것 보다 10배 이상의 변위가 얻어진다. 이 변위량은 각 압전판의 두께를 얇게 함으로써 더 크게 될 수도 있다.
또한 압전 종효과로 구동되기 때문에 에너지 변환효율이 크며, 발생력, 응답성도 우수하다. bimorph형은 변위량이 상당히 큰 반면에 발생력, 응답성, 에너지 변환효율에 문제가 있다.

2) 굴곡 변위형 압전 액추에이터
굴곡 변위형 액추에이터의 구조에는 여러 형태가 있으며, 가장 많이 활용되고 있는 방식은 unimorph와 bimorph형이다.
bimorph형은 저전압에서도 일정 크기 이상의 변위량을 얻을 수 있으나, 변위량에 따른 발생력은 작다.
이에 반해 unimorph형은 고전압을 인가하여도 큰 변위량을 얻을 수 없으며, 변위량에 따른 발생력이 크다. 따라서 발생력이 큰 unimorph형을 사용할 경우에는 bimorph형의 몇 배 이상의 인가전압이 필요하다. 그런데 bimorph형은 저전압에서 비교적 큰 변위를 발생시킬 수 있지만, 구동력이 약해 이것을 개선하여 활용하는 형태가 바로 적층형이다.
bimorph형 액추에이터는 기체, 액체 이송 및 각종 의료 기기, 분석기기 등에 사용되는 압전 다이어프램 펌프에 응용되며, 여러 분야에서 활용되고 있다.

3) 적층형 압전 액추에이터
적층 액추에이터는 일반적으로 발생 변위가 압전판 당 변위량이 적을 경우 적층수를 증가시키면 변위량도 비례하여 증가한다. 적층형의 변위량은 구성압전판의 두께와는 무관하며, 두께를 얇게 하면서 적층 방향의 치수를 일정하게 유지하도록 적층수를 늘리면, 동일한 발생 변위가 일어나도록 구동전압을 저하시킬 수 있다.
또한 발생력의 경우 액추에이터 길이에 반비례하고, 단면적에는 비례한다.
압전판의 제조에는 캐스팅법을 사용하는 경우 두께에 한계가 있기 때문에, 두께의 한계를 극복하기 위해 스크린 프린팅법을 활용하여 후막을 사용하는 것이 일반적이다. 그밖에 전기영동 증착, 가스젯 프린팅, 수열합성법 등의 연구가 진행되고 있다. 또한 최근에는 실리콘기판에 압전 물질을 인쇄하여 마이크로 액추에이터로 사용하고자 하는 POS(Piezo on Silicon) 액추에이터에 대한 연구도 진행되고 있다.
적층형 액추에이터 제작법에는 Cut-bond법, Tape-casting법 등 두 종류가 있으나, 주로 Tape-casting법을 사용한다. 즉, 세라믹스 그린시트에 금속 전극재를 인쇄하여 여러 장을 압착한 후 내부에 전극을 포함시켜 소결?제작하는 방법으로 내부 전극법 또는 그린시트법으로도 표현된다.
신축에 관여되는 균일층은 압전 세라믹스와 합금으로 된 내부전극층이 교대로 적층되어 구성되어 있으며, 불균일층은 보호층과의 사이에 생긴 전단응력을 완화시키는 역할을 하며 압전 세라믹스와 내부 전극으로 이루어져 있다.
적층 액추에이터의 응용에 대해 살펴보면 다음과 같다. 아래는 압전펌프의 펌핑 동작 원리를 보인 것으로 일반 펌프와 동일하게 체크 밸브 및 펌핑 액추에이터로 구성되어 있으나, 엔진 또는 전기 모터 없이, 펌핑 액추에이터가 압전소자로 되어 있는 것이 특징이다. 여기에 사용되는 압전 소자는 그 응용방법에 따라 적층형이나 Bimorph형으로 제작이 가능하지만 펌핑효과를 높이기 위하여 Bimorph형으로 하는 것이 일반적이다.


2. 국내외 기술 개발 동향

국내 압전부품 산업은 미진하여 정확한 통계가 없으며, 대부분 외국에서 수입하여 활용하고 있는 것으로 나타나고 있다.
국외의 사례를 보면 압전 세라믹스 제품은 세계시장에서 60~70%가 일본이 주도하고 있으며, 기술적인 측면에서도 일본이 상당부분 앞서가고 있는 것으로 나타나고 있다.
일본의 범용 압전 세라믹스 제품의 생산 업체중 무라타가 60%, 마쓰시타 10%, TDK 8%, 일본특수도업 4%, 기타 18%(토킨, 교세라, 타이요유전 등) 정도로 점유율이 형성되어 있다.
이 중 무라타는 압전 세라믹 재료에서부터 공정, 제품까지(패키지 포함) 일괄 생산한다. 일부 저가용 압전부품은 자체 생산한 원료를 공급하여 하청생산 하는 경우도 있으나 압전제품의 핵심이 되는 압전 세라믹스는 전부 자체 수요분만 생산하며 외부 판매는 하지 않는다. 이것이 오늘날 무라타가 압전분야의 세계 1위로 자리잡을 수 있었던 요인으로 생각된다.
마쓰시타는 압전제품도 생산하지만 PCM, LTT라는 상표로 압전 세라믹스 원재료 판매도 하고 있다.
PCM은 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3-PbZrO3계 재료로 필터, 초음파, 센서, 광통신 부품 등의 용도에 사용되며, LTT는 티탄산납을 주성분으로 하며 고주파용 진동자와 필터 재료에 사용된다. 일본특수도업은 반도체세라믹스에 이어 압전 세라믹스가 큰 비중을 차지하고 있으며 NTK 상표로 생산․판매하고 있다. 최근 이동 통신기기와 PC 및 그 주변기기가 폭발적으로 확대되고 있고 앞으로도 CATV 네트워크와 무선 통신기기를 비롯한 디지털 통신 분야시장이 주목 받고 있어 압전 세라믹스 재료 시장도 함께 확대되리라 예상된다.
한편 향후 많은 수요가 창출될 압전 액추에이터 분야에서 미국은 군수용, 우주 항공분야의 액추에이터로 AVX, Morgan Matroc 등이, 일본은 범용 전자기기 분야의 액추에이터로 Tokin, NEC 등이, 유럽은 실험설비 및 정밀계측기기 분야의 액추에이터로 Philips, Siemens, Hoechst 등이 중심이 되어 활발히 연구개발을 하고 있다.
응용 기술분야로는 고출력 압전 트랜스포머, 압전 액추에이터, 의료용 3차원 탐촉자, 및 복합재료 등에 개발 초점이 맞추어질 것으로 예상된다.

 


Ⅲ. 시장동향 및 전망

1. 산업 분석

가. 산업 구조
압전 소재산업의 구조는 <그림 4>와 같이 나타낼 수 있다.
Lead frame, Case등의 원료 메이커와 제조관련 설비업체 그리고 수요업체의 3개의 카테고리로 구성되어 있다. 압전 재료의 제조에 있어서 국내의 경우는 Resonator 및 Filter를 에스세라(S-Cera)와 동양산전에서 생산하고 있고, 초음파용은 경원훼라이트(Kyungwon Ferrite)에서 생산하고 있다.
그러나 기술 낙후와 매출에 비하여 초기 투자가 막대하게 요구되는 산업특성상 국내 업체의 규모는 일본 등에 비하여 취약한 상태이다.
주요 생산국인 일본의 경우는 Murata사가 세계 시장의 50% 이상을 차지하고 있고 Kyocera, TDK 등 3개 업체가 합하여 세계 시장의 80%이상을 차지하고 있다.
게다가 중국의 CQ, Jiakang 등이 저급품 분야에서의 시장을 꾸준히 넓혀가고 있는 실정이다.

나. 경제적 분석

압전 소재 및 관련부품 시장은 소량다품종임에도 단일품목으로는 국내시장이 2,700억 원/년, 세계시장이 10,000억/년에 달하는 비교적 큰 규모의 시장을 형성하고 있다. 특히, 압전 세라믹스는 품목의 시장 규모보다는 IT분야에 대한 기술력 및 품질 영향력이 막대한 발진회로제어용 전자 부품이라는 데에 그 중요성이 크다고 할 수 있다.
압전 소재는 국내 산업 중에 세계적으로 경쟁력이 있는 무선통신기기, 노트북, CD-ROM, DVD-ROM 등의 IT분야와 반도체 장비의 핵심부품으로 응용되고 있다.
또한 최근에는 노트북용 트랜스를 압전으로 대체하고 있는 등 압전 소재의 기술력 향상은 해당분야의 기술력과 품질 향상과 직결될 뿐 아니라 이로부터 파생되는 경제적 측면의 영향 역시 매우 크다는 것을 예상 할 수 있다.
압전 소재는 전자제품 분야 뿐 아니라 민생용 제품에서부터 산업용 및 의료용에 이르기까지 모든 산업제품에 사용되고 있으며, 제품의 장기 수명 및 품질 신뢰성에 결정적인 역할을 하고 있는 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 응용되는 소재이다.
일반적으로 압전 소재의 가격 비중은 세트 자체의 가격과 비교하여 볼 때 미비한 수준에 불과하나, 완성품의 가격 비중은 대단히 크고 이 소재의 품질이 세트의 성능을 좌우하여 제품의 신뢰성에 미치는 영향은 결코 무시될 수 없는 핵심 소재라 할 수 있다.
현재 우리나라의 압전 소재 기술 수준은 선진국인 일본에 근접하였으나, 세부적인 품질 부분에 대한 체계적인 시스템이 부족하여 사용자들에게 신뢰를 받지 못하고 있는 실정이다. 따라서 압전 소재에 대한 확보된 기술력을 바탕으로 소재 품질평가에 대한 체계를 정립해 나가는 것이 매우 필요하다고 할 수 있다.

다. 기술적 분석

국내 압전 소재 제품은 크게 저부가가치의 범용 압전 제품과 고부가가치의 압전 분말, 그리고 압전 세라믹스 제품으로 구분되고 있다.
저부가가치 제품은 압전 착화소자, buzzer 등을 들 수 있으며 이들 제품은 선진 업체에서는 대부분 철수하거나 후진국에 기술을 이전한 제품으로 기술적 요인보다는 단가경쟁이 치열한 분야이며, 고부가가치의 압전 소재는 주로 무선통신 분야의 휴대전화와 PDA, 컴퓨터의 각종 저장장치 등에 사용되는 필터류와 각종 광원의 전압인가장치인 압전 트랜스를 들 수 있으며, 이러한 고부가가치 제품은 해외 메이저 회사 제품이 대부분의 시장을 차지하고 있어 국내 개발 및 생산 업체의 시장 진입이 매우 어려운 실정이다.
압전 소재는 대부분의 국내기업이 취하고 있는 규모의 경제에 기초한 산업분야가 아니라 첨단 고유기술에 기초한 기술집약형 산업분야로서 매출에 비하여 선행 기술 및 설비투자가 막대하게 요구되어 기술적 진입장벽이 대단히 높은 산업 품목이라 할 수 있다.
설령 국내기업에 의해 신규 압전 소재 제품이 개발되었다 하더라도 전기전자 부품 및 정보통신 부품이나, 특히 엔지니어링 분야에 사용되기 위해서는 사용업체의 신뢰를 얻기 위한 엔지니어링 입증 자료를 제출하는 것이 필수적이다. 그러나 이를 만족시킬 수 있는 국내 업체는 사실상 전무한 실정이다.
국내 압전 소재 산업의 낙후 요인은 다음과 같은 사항에 기인하는 것으로 분석할 수 있다.

- 압전 소재개발 기술의 낙후와 압전 소재 개발 기업의 영세
- 고신뢰성 보증이 요구되는 압전 소재 분야의 고유한 산업적 특성
- 고품질의 압전 분말 및 제품 제조 기술의 낙후
- 소량 다품종에 기초한 시장 규모의 확보 어려움

요약하여 보면 소규모의 제품 개발 및 특성 구현에는 괄목할만한 성장을 보이나, 이를 상업화하여 산업발전에 기여할 수 있는 토양은 아직 기반을 잡지 못했다고 볼 수 있다.

관리자 기자
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