This study proposes a novel pre-stressed piezoelectric unimorph called PUMPS (Piezoelectric Unimorph with Mechanically Pre-stressed Substrate) and evaluates its actuation performance considering piezoelectric nonlinear characteristics.
Firstly, a new fabrication method of the novel pre-stressed piezoelectric unimorph was introduced. Conventional pre-stressed curved shape unimorphs are generally made using high-temperature adhesion processes and the thermal expansion coefficient mismatch of their adjacent layers. In the conventional methods, therefore, it is necessary to use materials with different thermal expansion coefficients, high-temperature ovens or autoclaves and special adhesives. In addition, the conventional methods generally require the re-poling of the piezoceramic actuator layer due to high-temperature adhesion near or above the Curie temperature of the piezoceramic. The present fabrication method uses mechanically pre-stressed substrates and a room temperature adhesion process instead of relying on the thermal coefficient mismatch. First, a substrate material is strained in the longitudinal direction, and then a piezoelectric material is attached to the substrate. A difference of mechanical stress between the substrate and the piezoelectric layer causes the final manufactured actuator to curve. In this way, a new type of curved shape pre-stressed piezoelectric unimorph, PUMPS, can be easily fabricated at room temperature. A series of performance tests of the proposed PUMPS actuators were accomplished and the test results show that the actuation capability of PUMPS is comparable to that of conventional curved shape actuators in spite of the much simpler manufacturing process.
Secondly, behaviors of PUMPS were analyzed to predict its performance. In this study, nonlinear characteristics of piezoelectric strain coefficient, d31 and elastic modulus of piezoelectric layer were considered which were assumed to change according to the applied electric field and internal stress. Especially, the pre-stress effects were investigated to estimate the actuation performance of PUMPS because a key feature of the pre-stress actuators is the internal stress of piezoelectric layer. Nonlinear behaviors of PZT5A which is used for PUMPS, due to pre-stress, were evaluated from tension and compression tests. Piezoelectric layer in the unimorph is typically very thin so that it’s very difficult to compress the piezoelectric material although it is relatively easy to expand the layer. Therefore, a new experimental method of compression test was proposed, which uses two guide plates to induce compressive pre-stress inside PZT5A. By applying various compression and tension to PZT5A specimens, the d31 ratio of PZT5A under stress to PZT5A at free stress condition was calculated. Using the d31 ratio along the thickness of PZT5A layer in PUMPS with d31 and elastic modulus variation due to the electric field, actuation displacement and force of PUMPS were predicted. Finally, the predicted performance was validated by the experimental evaluation at different loading conditions.
PUMPS can be used as a sensor, an actuator, and an energy-harvesting element, etc. In this study, an active vibration isolation system using 3 PUMPS elements was constructed and vibration suppression of base excitation was demonstrated.
본 연구에서는 새로운 형태의 pre-stressed 압전 유니모프 작동기인 PUMPS를 개발하였으며, 압전 재료의 비선형성을 고려하여 PUMPS의 작동기 성능 평가를 수행하였다.
먼저, 새로 개발한 pre-stressed 압전 작동기의 제작 방법을 소개하였다. 기존의 pre-stressed 압전 유니모프 작동기의 경우 일반적으로 고온 경화 과정이 포함되며, 기저층과 압전층의 열팽창계수 차이를 이용하여 곡면을 가지는 작동기를 제작하였다. 따라서, 기존의 방법은 열팽창계수가 다른 두 층을 사용하여야 하며, 고온 오븐 및 오토클레이브, 고온 경화용 특수 접착제 등이 필요하였다. 게다가, 기존 제작 방법으로 제작된 작동기의 경우 큐리 온도 근처의 고온 제작 때문에 재분극을 수행해야 작동기로 사용할 수 있어 시간 소요가 많은 단점이 있었다. 본 연구에서는 고온 제작 기법이 아닌 상온에서 제작 가능한 초기 응력을 가진 기저물을 이용한 제작 기법을 제안하였다. 먼저 기저층을 기계적인 힘으로 길이방향 인장시킨 상태에서 압전 재료를 부착하여 경화시킨 후 초기 인장력을 제거하여 최종적으로 곡면을 가지는 pre-stressed 압전 유니모프를 제작하였다. 이렇게 제작된 PUMPS는 기존 pre-stressed 압전 유니모프 작동기와 성능 비교를 수행하였으며, 실험 결과 기존 작동기와 유사하거나 더 높은 성능을 나타냄을 확인하였다.
다음으로, PUMPS의 작동 성능을 예측하기 위하여 해석 기법에 관하여 연구를 수행하였다. 일반적으로 압전재료는 재료 비선형성이 크기 때문에 이런 비선형성을 고려하기 위하여 본 연구에서는 압전재료의 압전 변형률 계수와 탄성계수가 인가 전압과 내부 응력에 따라 변화하는 것으로 가정하였다. 인가 전압에 따른 영향 평가를 위하여 압전 재료에 다양한 전압을 가하면서 압전 변형률 계수 d31의 변화와 탄성계수 변화를 측정하였고, 응력에 대한 영향을 평가하기 위하여 압축된 압전재료와 인장된 압전재료 시편을 제작하여 전압 인가에 따라 물성이 얼마나 변하는지 측정하였다. 위와 같은 방법으로 실험적으로 구해진 압전 변형률 계수와 탄성계수를 고려하여 PUMPS 내부 응력 분포와 인가 전압에 따른 작동 성능 평가를 수행하여 실험결과와 비교 분석하였다.
본 연구에서 제작된 PUMPS는 작동기 뿐 아니라, 센서, 에너지 수집 장치 등 여러 방면에서 사용할 수 있으며, 본 연구에서는 하나의 적용 예로 능동 진동 절연기로 PUMPS를 적용해 보았다. 능동 진동 절연 시스템은 힘 증폭 메커니즘을 활용하여 PUMPS 3층으로 구성되었으며, 기저 가진시 진동 절연 특성을 데모하였다.
