Piezoelectric property optimization for piezoelectric materials using parametric estimation method = 매개변수 추정법을 이용한 압전소재 물성 최적화 연구
저자
발행사항
아산: 선문대학교 일반대학원, 2023
학위논문사항
학위논문(박사)-- 선문대학교 일반대학원: 신소재공학과 2023. 8
발행연도
2023
작성언어
한국어
주제어
KDC
530.9 판사항(6)
발행국(도시)
충청남도
기타서명
매개변수 추정법을 이용한 압전소재 물성 최적화 연구
형태사항
153p.: 삽화, 챠트; 26cm.
일반주기명
선문대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
지도교수: 이호용
참고문헌: p.134-153
UCI식별코드
I804:44008-200000684800
소장기관
압전 소재를 이용한 장치는 의료용, 산업용, 군사용, 에너지하베스팅 등의 다양한 트랜스듀서나 센서 등으로 사용되어 왔으며, 최근 수요가 급격하게 증가하고 있으며, 소형화, 경량화, 고성능화 등으로 적용 범위가 확대되고 있다. 그로 인하여 형상은 복잡해저서 대부분 M&S 기술을 이용한 컴터 시뮬레이션으로 압전 응용 부품의 구조를 설계한다.
시뮬레이션을 이용한 압전응용부품 설계의 경우 압전소재 물성이 해석 결과의 가장 큰 영향을 미치며, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 압전 응용의 특성을 정확하게 예측하여 신뢰도를 높이기 위해서는 압전소재의 정확한 물성평가가 필요하다.
압전 시뮬레이션에 탄성계수, 압전상수, 유전특성 등의 다양한 종류의 전체 압전 소재 물성이 반영되어야 하며, 대부분 공진법으로 다양한 시편을 제작하고 물성을 평가한다. 측정에 사용되는 시편을 여러 종류의 다수의 시편이 필요하여 제작에 시간과 비용이 많이 소모되고, 시편 제작 공정상으로 인한 시편 성능의 불균일성으로 편차가 발생하여 부정확한 물성값으로 측정되기 쉽다. 이같은 문제점을 해결하기 위해 최근 연구자들은 새로운 측정법의 개발, 컴퓨터 시뮬레이션이나 인공지능을 이용한 평가 방법 등 다양한 압전 특성 평가 및 측정 방법을 제시하고 있다.
본 연구에서는 시뮬레이션을 이용하여 매개변수 즉 압전물성을 최적화 할수 있는 기술을 개발하고자 연구를 수행하였다. 압전세라믹(PZT)와 압전단결정에 적용가능하도록 연구하였으며, 그리고 각 시편에서 전체 주파수의 임피던스 특성과 d33 측정기로 측정 가능한 물성만으로 전체 물성평가가 가능한 물성 최적화 기술을 개발하고자 하였다. TS모드에서 분석되는 , , 는 독립된 물성으로 시편을 제작하여 물성을 평가하였다.
압전세라믹의 경우 디스크 형상의 시편에서 측정이 가능한 경진동 모드의 공진-반공진 주파수를 분석하고, 두께모드에서 측정 가능한 압전 계수들을 사용하여 관계식들을 만들고, 매개변수의 범위를 최소화하여 해석시간을 단축 할 수 있도록 전체물성의 초기값을 계산하여 제시하였다.
그리고 매개변수 추정법을 효율적으로 수행하기 위하여 매개변수와 임피던스 스펙트럼간의 연관 관계를 알기 위하여 시뮬레이션을 수행하고 민감도를 분석하였다. 매개변수추정법은 매개변수의 변화에 따른 공진주파수와 반공진 주파수를 측정 데이터와 비교를 통하여 일치하도록 하는 방법으로 수행하였고, 민감도 분석을 통하여 매개변수의 비교 주파수, 해석 순서 등을 결정할 수 있었다. 개발한 매개변수 추정법을 이용하여 압전세라믹의 압전물성을 최적화하였으며, 공진법으로 측정한 결과와 비교하여 개발 기법의 신뢰성을 확인 할 수 있었다.
압전단결정의 경우 높은 성능, 민감도, 제작 비용 등으로 압전 소재 중에서도 정확한 압전물성 측정이 난해한 소재로 알려져 있다. 개발한 매개변수 측정법을 이용하여 압전단결정에도 적용하였으며, 제작이 용이한 사각평편형태(TE 모드)로 제작하여 연구에 적용하였다. 평면확장모드의 진동모드와 두께모드를 이용하였으며, 압전세라믹과 동일하게 초기값 설정, 민감도 분석을 실시하였으며, 그 결과 제작 시편의 형상과 압전단결정의 물성 특성을 반영한 매개변수 추정법을 개발할 수 있었다.
또한 도출된 압전세라믹의 물성을 적용한 바이몰프(Bimorph)를 설계하여 압전 특성을 시뮬레이션하고 샘플을 제작하여 임피던스 스펙트럼을 비교하여 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 본 검증 결과를 통하여 개발한 매개변수 추정법으로 최적화한 압전물성을 응용부품 설계에 적용이 적합함을 확인하였다.
본 연구를 통하여 개발한 매개변수 추정법을 이용할 경우 복잡한 응용부품설계, 신조성 개발 등의 압전 분야에 신뢰성 높은 물성을 신속하게 최적화할 수 있을 것으로 기대된다.
In recent years, the use of devices made from piezoelectric materials has increased rapidly. These devices have been utilized in various applications such as medical, industrial, military, and energy-harvesting as transducers and sensors. They are becoming more popular due to their small size, lightweight, and excellent performance. Due to the complexity of the geometry, the structure of piezoelectric applications is often designed by computer simulation using M&S technology.
In the case of designing piezoelectric applications through simulation, the properties of the piezoelectric material have the most significant influence on the analysis results. Therefore, an accurate evaluation of piezoelectric materials is necessary to predict the characteristics of piezoelectric applications accurately and improve their reliability.
Piezoelectric device simulation requires various types of overall piezoelectric material properties such as elastic modulus, piezoelectric constant, dielectric properties, etc. to be applied, and various specimens are usually fabricated and evaluated by resonance method. The specimens used for measurement require a large number of specimens of various types, which is time-consuming and cost-intensive to produce, and the non-uniformity of the specimen performance due to the specimen fabrication process leads to deviations and inaccurate property values. To solve these problems, researchers have recently proposed various methods for evaluating and measuring piezoelectric properties, including the development of new measurement methods and evaluation methods using computer simulation or artificial intelligence.
In this study, we aimed to develop a technique to optimize piezoelectric properties using simulation. This property optimization technique is applicable to both piezoelectric ceramics (PZT) and single crystals. In TE mode, only the impedance characteristics of the specimen at all frequencies and the properties that can be measured with the d33 piezometer were used to evaluate the overall piezoelectric properties. The s_44^E, d31, and ε11T analyzed in TS mode are independent properties, and separate specimens were made to evaluate the properties.
In the case of piezoelectric ceramics, the resonance-anti-resonance frequency of the plane vibration mode measurable in a disk-shaped specimen is analyzed. Relational expressions are created using the piezoelectric coefficients that can be measured in the thickness mode, and the range of parameters is minimized to reduce the analysis time. To shorten the simulation time, the initial values of the overall material properties are calculated and presented.
To perform the parameter estimation method efficiently, a sensitivity analysis was conducted to analyze the correlation between the parameters and the impedance spectrum through simulation. The parameter estimation method involved matching the resonant frequency and anti-resonance frequency with the measured data by changing the parameters. The frequency of comparison for the parameters and the order of analysis were determined through sensitivity analysis. The piezoelectric properties of piezoelectric ceramics were optimized using the developed parameter estimation method, and the reliability of the developed technique was confirmed by comparing the results measured by the resonance method.
Piezoelectric single crystals are known to be difficult to measure accurately due to their high performance, sensitivity, and manufacturing cost. To address this issue, the developed parameter measurement method was applied to piezoelectric single crystals, which were produced in a square flat shape (TE mode) that is easy to manufacture and apply in research. The thickness mode and the plane expansion mode was used as the vibration mode, and initial values were set in the same way as for piezoelectric ceramics. Sensitivity analysis was then performed.
In addition, a bimorph was designed using the material properties derived from piezoelectric ceramics. Piezoelectric properties were simulated, samples were fabricated, and impedance spectra were compared to obtain matching results. The verification confirmed that the piezoelectric properties optimized by the developed parameter estimation method were suitable for application in the design of applied parts.
By utilizing the parameter estimation method developed in this study, it is anticipated that the optimization of material properties in the field of piezoelectricity, including complex design of application parts and development of new compositions, can be achieved rapidly and with high reliability.
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