자동차용 초음파센서에 관한 신뢰성 향상자동차용 초음파센서에 관한 신뢰성 향상자동차용 초음파센서에 관한 신뢰성 향상자동차용 초음파센서에 관한 신뢰성 향상

지원지원지원지원

최종보고서최종보고서최종보고서최종보고서( )( )( )( )

년 월 일년 월 일년 월 일년 월 일2005 6 302005 6 302005 6 302005 6 30

주관기관 센서텍 주주관기관 센서텍 주주관기관 센서텍 주주관기관 센서텍 주: ( ): ( ): ( ): ( )

위탁기관 요업 세라믹 기술원위탁기관 요업 세라믹 기술원위탁기관 요업 세라믹 기술원위탁기관 요업 세라믹 기술원: ( ): ( ): ( ): ( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하ㆍㆍㆍㆍ

본 보고서를 자동차용 초음파 센서의 신뢰성 향상 지원 개발기간“ ”( :2004. 06.

과제의 최종보고서로 제출합니다1~2005. 05. 30) .

2005. 6. 30.2005. 6. 30.2005. 6. 30.2005. 6. 30.

주관기관명주관기관명주관기관명주관기관명 센서텍 주센서텍 주센서텍 주센서텍 주: ( ): ( ): ( ): ( )

주관책임자주관책임자주관책임자주관책임자 엄종학엄종학엄종학엄종학::::

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 이규성이규성이규성이규성::::

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 최선민최선민최선민최선민::::

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 서백석서백석서백석서백석::::

위탁기관명위탁기관명위탁기관명위탁기관명 요업 세라믹 기술원요업 세라믹 기술원요업 세라믹 기술원요업 세라믹 기술원: ( ): ( ): ( ): ( )

위탁책임자위탁책임자위탁책임자위탁책임자 임종인임종인임종인임종인::::

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 왕 종 희왕 종 희왕 종 희왕 종 희::::

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 조 성 률조 성 률조 성 률조 성 률::::

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 박 경 미박 경 미박 경 미박 경 미::::

연 구 원연 구 원연 구 원연 구 원 육 영 진육 영 진육 영 진육 영 진::::

- 3 -

중소기업 신뢰성 향상 지원 사업 보고서 초록중소기업 신뢰성 향상 지원 사업 보고서 초록중소기업 신뢰성 향상 지원 사업 보고서 초록중소기업 신뢰성 향상 지원 사업 보고서 초록

관리번호

사 업 명 자동차용 초음파 센서의 신뢰성 향상

키 워 드 초음파 센서 자동차 음향센서, , ,

사업목표 및 내용

최종 목표최종 목표최종 목표최종 목표1.1.1.1.

자동차용 초음파센서에 대한 자동차 수요가 업체 및 외국 센서생산 전문업체제

시의 신뢰성 평가기준 만족

신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용신뢰성 저해요인 정밀진단 내용2.2.2.2.

센서의 동작 온도 범위에 대한 신뢰성 평가-

온도 보상용 케페시터 개발 및 제작-

고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과고장원인분석 및 대처결과3.3.3.3.

고장 워닌 분석1)

센서 무동작- :

원인 내부 전선의 불량: soldering

분석방법 임피던스 또는 분석기 비파괴검사: LCR ,

음향감도 저하-

원인 고온 저온에서 구성부품 특성 및 접착층 열화 외부 도막층의 박리 등: / ,

분석방법 초음파 송수신특성 평가:

사용온도 변화에 따른 특성열화-

원인 온도에 따른 임피던스 변화 구성부품의 변형:

분석방법 온도 변화에 른 센서특성 평가:

센서 도막의 탈색 또는 박리-

원인 표면 전처리 및 도포조건 불량:

분석방법 연수 분무 테스트 후 시험: cross cut

대처 결과2)

초음파 센서의 공정 불량률 감소-

초음파 센서의 고객 반품률 저하-

자동차 시험기준 적용한 신뢰성 시험 통과 후 승인 획득-

- 4 -

신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교신뢰성 적용결과 사업전 후 정량적 비교4. ( )4. ( )4. ( )4. ( )ㆍㆍㆍㆍ

사업 전 사업 후1) ->

초음파 송수신 특성 송신 수신- : 100dB, -90dB ->

작동 주파수- : 40khz ± 5%

정전용량 온도특성- : 4200±20% 4200±15%→

온도 내구성 시험 전후 감도- ( ) : 5dB 3dB→

온도 사이클 안정성 시험 전후 감도- ( ) : 4dB 3dB→

내습성 시험 전후 감도- ( ) : 3dB 3dB→

내진동성 시험 전후 감도- ( ) : 3dB 3dB→

내충격성 시험 전후 감도- ( ) : 3dB 3dB→

승능에이징 시험전후감도- ( ) : 4dB 3dB→

기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과기대효과 기술적 및 경제적 효과3. ( )3. ( )3. ( )3. ( )

기술적 파급 효과-

자동차용 초음파센서의 온도 신뢰성 향상으로 자동차 안전장치의 고장 율개1)

선 효과

금속 주조품의 정밀 형상 제어 기술 향상으로 소형화 및 치수정밀도가 높아2)

지므로 불량 감소 및 부품의 신뢰성 향상

친환경적 금속 표면 처리 기법의 개발 및 도막기술의 신뢰성 향상으로 초음3)

파 센서 부품의 외형적 내구성 향상으로 센서 수명 증대

센서의 접착 및 조립기술의 재현성 증대를 통하여 부품의 고장 율 감소 및4)

신뢰성 향상

경제적 파급효과-

현재 자동차에 적용되는 안전 주해 센성의 종류중 가장 많이 사용되는 센서1)

가 초음파센서이며 그 수요는 앞으로 더욱 증가 되리라 예상

현재 국내 자동차 제작사가 적용하는 센서는 모두 수입품임 따라서 초음파2)

센서의 신뢰성 향상을 통하여 수입 대체가 가능하고 나아가 수출도 가능,

인근 중국은 근래에 들어와 자동차 생산량 측면에서나 자동차 산업 생산 증3)

가율 부분에서 다른 국각에 비해 월등히 높은 국가임 따라서 풍부한 시장 수요.

를 가지고 있고 인접국이므로 수출 증대 가능성이 매우 많음.

개발된 신뢰성 확보 기술이나 평가기술은 다른 종류의 부품에도 적용 가능하4)

므로 산업 경쟁력 증대에 이비지 함

- 5 -

적용분야적용분야적용분야적용분야4.4.4.4.

본 과제를 통하여 개발된 신뢰성 향상 및 평가 기술은

자동차용 전후방 경보기용 센서1)

로봇용 센서2)

자동차 도난 경보기용 센서3)

자동차용 시트 포지션너용 센서4)

등 비접촉식으로 물체를 감지하는 많은 응용 부분에 적용할 수 있다.

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목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 장 이론적 배경제 장 이론적 배경제 장 이론적 배경제 장 이론적 배경2222

제 절 압전세라믹스의 기본 이론제 절 압전세라믹스의 기본 이론제 절 압전세라믹스의 기본 이론제 절 압전세라믹스의 기본 이론1111

제 절 음파의 기본 이론제 절 음파의 기본 이론제 절 음파의 기본 이론제 절 음파의 기본 이론2222

제 절 초음파 센서의 구성제 절 초음파 센서의 구성제 절 초음파 센서의 구성제 절 초음파 센서의 구성3333

제 절 초음파 센서의 제작제 절 초음파 센서의 제작제 절 초음파 센서의 제작제 절 초음파 센서의 제작4444

제 장 초음파 센서의 특성 및 평가제 장 초음파 센서의 특성 및 평가제 장 초음파 센서의 특성 및 평가제 장 초음파 센서의 특성 및 평가3333

제 절 초음파 센서의 특성제 절 초음파 센서의 특성제 절 초음파 센서의 특성제 절 초음파 센서의 특성1111

제 절 초음파 센서의 특성 평가 방법제 절 초음파 센서의 특성 평가 방법제 절 초음파 센서의 특성 평가 방법제 절 초음파 센서의 특성 평가 방법2222

제 장 초음파 센서의 신뢰성 분석 및 향상 방안제 장 초음파 센서의 신뢰성 분석 및 향상 방안제 장 초음파 센서의 신뢰성 분석 및 향상 방안제 장 초음파 센서의 신뢰성 분석 및 향상 방안4444

제 절 초음파 센서의 고장 유형 분석제 절 초음파 센서의 고장 유형 분석제 절 초음파 센서의 고장 유형 분석제 절 초음파 센서의 고장 유형 분석1111

제 절 초음파 센서의 신뢰성 저하원인 해결 방안제 절 초음파 센서의 신뢰성 저하원인 해결 방안제 절 초음파 센서의 신뢰성 저하원인 해결 방안제 절 초음파 센서의 신뢰성 저하원인 해결 방안2222

제 절 초음파 센서의 신뢰성 향상을 위한 실험제 절 초음파 센서의 신뢰성 향상을 위한 실험제 절 초음파 센서의 신뢰성 향상을 위한 실험제 절 초음파 센서의 신뢰성 향상을 위한 실험3333

제 장 결과 및 고찰제 장 결과 및 고찰제 장 결과 및 고찰제 장 결과 및 고찰5555

제 절 초음파 센서의 온도 특성 향상제 절 초음파 센서의 온도 특성 향상제 절 초음파 센서의 온도 특성 향상제 절 초음파 센서의 온도 특성 향상1111

제 절 개선된 센서의 종합적 특성 평가제 절 개선된 센서의 종합적 특성 평가제 절 개선된 센서의 종합적 특성 평가제 절 개선된 센서의 종합적 특성 평가2222

제 절 결과 고찰제 절 결과 고찰제 절 결과 고찰제 절 결과 고찰3333

제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론6666

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제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

인간 사회의 비약적인 발전과 더불어 집중적으로 지목받고 있는 여덟 산업분야중ㅎ

의 하나인 자동차 산업은 짧은 역사에 비하여 급격한 성장을 이루며 가장 경쟁이

치열한 산업으로 대두되고 있다 따라서 세계 선진 자동차 생산국을 포함한 대부분.

의 자동차 생산국들은 자국의 경쟁력 확보를 위한 국가적 역량의 집중과 함께 많은

자본을 투입하여 신기술 개발에 노력하고 있다.

한편 한국도 년 이후 세계시장의 변화에 적극적으로 대처하여 보다 고급의 차1985

종을 개발하기 위한 많은 전기 전자장치의 국산화 개발에 힘쓰고 있으나 아직도,

핵심 전기전자장치의 대부분은 국외로부터 수입에 의존하고 있는 실정이다 따라서.

년도에 약 만대를 생산한 세계 위의 자동차 생산대국으로서 세기에는2004 400 5 21

주요 선진 자동차 생산국으로서의 위치를 공고히 하고 세기에 한국이 선진 산업, 21

국으로 도약하기 위해서는 경쟁력 있는 자동차 산업의 육성이 필수적이며 특히 선,

진국의 자동차에 대한 기술개발 방향이 고기능 고성능화에 맞추어져 있는 것을 볼,

때 한국도 고성능의 전장장치와 더불어 고기능성 각종 센서의 국산화 개발 노력에

힘써야 할 때이며 나아가 현재 생산되고 있는 초음파 센서의 신뢰성을 보다 공고,

히 함으로써 수요자로부터 신뢰를 얻고 초음파 주행 안전장치가 장착된 차량을 선

호하고 있는 자동차 수요 고객들의 요구에 맞추어 선진국들은 각종의 센서장치를

부착하여 자동차 운행에 대한 안정성과 안락감을 증대시키기 위하여 노력하고 있으

며 이 기술 분야를 첨단 기술로 분류하여 기술이전을 회피하고 있음을 볼 때 한국,

에서도 이러한 고기능성 센서의 개발에 노력하여 고객의 요구조건에 맞는 센서가

부착된 차량을 개발하여 자동차 산업에 대한 경쟁력을 확보하는 것이 시급하게 되

었다 고기능성 센서 제조기술은 이와 같은 사회적 요구에 부응하여 자동차를 포함.

한 산업전반에 대한 자동화 고성능화를 실현케 하는 기술의 핵심이라 할 수 있으,

나 국내의 센서 소자 기술은 아직도 대부분 시작단계에 머물로 있으며 이국에서의

기술도입도 어려워 그 결과 선진국과의 기술의 격차 또한 날로 더해 가고 있는 실

정이다 특히 근래에 이르러 초음파식 센서는 현재 사용 되고 잇는 여러 가지의 센.

서 중에서 자동차에 가장 많이 채용되고 있는 센서로서 앞으로도 그 수요는 폭발적

으로 증가될것으로 예상되므로 가장 주목받고 있으나 그 대부분이 소수의 선진국에

서 높은 가격으로 독점 공급하고 있어 이의 개발이 필수적인 과제로 부각되고 있

다.

- 8 -

따라서 본 연구 과제를 수행함으로써 현재 생산되고 있는 초음파 센서의 신뢰성을

향상 하면 전량 수입되고 있는 센서의 국산화 대체를 이룩하고 나아가 중국등 외국

으로 수출도 가능하게 되어 매출의 극대화를 이룰수 있을 것으로 생각되며 또한,

다양한 용도의 초음파식 센서를 개발할 수 있는 기본 기술을 배양함과 아울러 본

과제 수행에 따라 얻어지는 부품의 신뢰성 평가 및 분석기술을 십분 활용하면 타

산업으로의 기술 전파도 가능하게 되므로 국내의 자동차 산업의 국제 경쟁력을 높

이는데 기여하고자 한다.

- 9 -

제 장 이론적 배경제 장 이론적 배경제 장 이론적 배경제 장 이론적 배경2222

제 절 압전 세라믹스 기본이론제 절 압전 세라믹스 기본이론제 절 압전 세라믹스 기본이론제 절 압전 세라믹스 기본이론1111

압전 물질이란 그에 가해지는 기계적 에너지와 전기적 에너지를 서로간에 변화시,

킬 수 있는 특성을 가진 재료를 말하며 압전 효과는 재료에 가해지는 응력 전, (T),

계 변형 그리고 전기적 변위 로 표현된다 이 때 이들 변수의 관계에(E), (S), (D) . ,

압전계수가 따르게 되며 이들의 정의는 아래와 같고

이들 압전계수들을 이용해 압전 방정식을 나타내면 다음과 같다.

- 10 -

여기서 는 는 은 유전율 는 역유전율s elastic compliance, c elastic stiffness, ,ε β

이다(impermeability) .

재료의 압전효과는 전기 기계 결합계수 를 상요하여 나타내는데 는 재료에 가(K) , K

해준 전기적 에너지에 대한 기계적 에너지로 변환된 에너지양의 분율 또는 그 역으

로 정의된다 즉. ,

=

electrical energy converted to mechanical energy

input electrical energy

또는

이다 따라서 우수한 전기기계 결합계수를 가진 압전 소자에 전기적인 에너지를 가.

하면 압전 방정식에 나타난 바와 같이 초음파신호를 발진시킬 수 있고 역으로 외,

부로부터의 초음파 신호는 압전 소자에 의해 전기적 신호로 변환이 된다 이러한.

압전 재료들의 장점을 들어보면 우선 전기 기계 에너지간의 선형적 변환이 가능하, ,

므로 나타나는 기계적 변환량 예를 들어서 진동 경우 그 진폭을 가해주는 전압의

크기를 조절함으로서 정확히 제어가 가능하고 역으로 외부의 진동신호를 정확히,

선형적인 전기신호로 받을 수 있다는 점이다.

- 11 -

나아가 이러한 변환이 아무런 외부적 기구의 도움 없이 전적으로 재료 자체의 특성

으로 인해 나타난다는 점이다 즉 종래의 복잡한 모터나 터빈이 하던 일들을 압전. ,

재료 시편으로 대치함으로써 간단히 이루어낼 수 있는 것이다.

이러한 특성을 가지는 압전재료에는 여러 가지 종류가 있는 데 크게 나누어 압전

세라믹과 압전 폴리머를 들 수 있다 압전 폴리머는 를 대표로 하는 고분자재. PVDF

료로서 세라믹과는 달리 낮은 음향 임피던스와 높은 압전 전압상수를 특징으로 하

나 압전 변위상수가 세라믹에 비해 상당히 작다는 단점을 이루어지지 않았고 그,

으용 사례 또한 고주파 초음파소자 등 몇몇 사례에 국한되고 있다 그러나 그 유연.

성 센서로서의 높은 감도 형상변화의 용이성 등 많은 장점들로 인해 응용 분야가, ,

증가할 걸로 기대되는 재료이다 압전 세라믹은 다시 압전 단 결정과 압전 다결정.

으로 나뉘어 지는데 압전 단결정은 높은 순도 재료특성의 균일성 낮은 온도계수, , ,

높은 주파수 특성 등의 장점들을 가지고 있으나 낮은 압전 효율성 높은 가격 등의,

한계로 인해 비교적 소형 정말 수동소자나 센서 등의 응용에 한정되고 있는 편이

다 반면에 압전 다결정은 순도나 온도 안정성 특성의 균일성 등은 상대적으로 떨. ,

어지나 높은 압전 특성 가격의 저렴성 그리고 무엇 보다도 필요에 따라 그 특성을, ,

어느 정도까지는 임의로 변화시킬 수 잇다는 장점으로 인해 광범위하게 응용이 되

고 있다 대표적인 압전 다결정 재료들로는. PZT, PbTiO3, BaTiO3 등을 들 수 있는

데 최근의 고출력용 압전 재료로는 가 거의 대부분을 차지하고 있다고 해도 과PZT

언이 아니다.

압전 재료의 사용 시 주의할 점으로는 첫째 취성이 강하여 쉽게 부서진다는 점을,

우선 들 수 있다 따라서 취급 시 주의가 요구된다 다음으로는 여느 재료들과 같. . ,

이 압전 재료도 제작 후 시간이 경과함에 따라 그 특성의 저하가 나타나는데

특히 제작 후 처음 일주일간에 걸쳐 급격한 특성저하가 관찰된다(agingeffect), .

따라서 실 제품하나 소자 의 개발 시에는 일정 시간이 지난 후의 특성을(device)

기준으로 하여야 할 것이다.

- 12 -

일주일 이후에도 어느 정도의 특성저하는 계속 관찰이 되나 그 정도는 미미한 편이

어서 용도에 맞는 재료를 선택했다면 크게 문제가 되지는 않는다.

- 13 -

제 절 음파의 기본이론제 절 음파의 기본이론제 절 음파의 기본이론제 절 음파의 기본이론2222

음파음파음파음파1.1.1.1.

음이란 탄성력을 가진 물체내의 주기적인 압력의 변화 입자의 변위 또는 입자의,

속도를 뜻한다.

음원의 전달되는 모양은 밀도가 소하거나 밀한 형태의 주기성을 보이는 소밀파 이

고 주기성을 가지므로 주파수 파장 주기 진폭 전달속도 등으로 표시 하게 된다, , , , .

파장 밀한 부분과 다음의 밀한 부분과의 거리:

진폭 진동하는 압력의 크기:

전달속도 주파수 파장: ×

음의 강도음의 강도음의 강도음의 강도2.2.2.2.

음의 강도는 음이 전파 방향에 수직한 평면의 단위면적을 통과하는 힘의 크기로 정

의되며 다음의 수식으로 나타낸다.

음의 강도를 표현함에 있어서 절대적인 값으로 하는 것보다 어떤 기준강도에 대한

상대적인 크기를 강도준위로 표시하는 것이 실제 음의 강도를 취급하기가 용이해

진다 식 는 이것을 타나낸다. (2-5) .

인간이 음의 강도를 느끼는 것이 선형적이 아니고 대수적이므로 실제 음의 강도를

선형적으로 표현하는 것보다 윗식과 같이 를 취하는 것이 실제 음의 강도를 표log

현하기가 쉽게 된다.

- 14 -

실제로 음의 강도를 표현함에 있어서는 기준 압력에 대한 상대압력으로 표현하게

되는데 이것을 수식으로 표현하면 식 이 되는데 이것은 식 에 식 를(2-6) (2-5) (2-4)

대입하여 전개하면 된다.

여기에서 은 음원준위 로서 음원으로부터 떨어진 지SPL (Sound Presure Level) 1m

점에서의 기준 음압에 대하여 음파의 강도를 로 환산하여 나타낸다dB .

공기중에서 음파의 전송손실공기중에서 음파의 전송손실공기중에서 음파의 전송손실공기중에서 음파의 전송손실3.3.3.3.

음파가 공기중으로 방사 될 때 음원으로부터 차원적으롤 방사된다고 가정하면 음3

압의 감쇠는 거리에 따라 지수함수적으로 이루어지며 이것은 식 로 표현된다(2-7) .

여기에서 은 거리 이고 는 흡수손실을 나타내는 것으로서 주파수의 제곱에 비r (m) a

례하는 특성을 갖고 있으며 매질에 따라 다른 값을 보인다.

식 는 흡수손실 를 나타낸다(2-8) a .

- 15 -

이것은 공기중에서 매우 적은 값을 가지므로 근거리 측정과 같이 거리가 짧고 주파

수가 낮은 경우에는 에 의한 손실 방사손실 에 비하여 무시될 수 있다20log r ( ) .

- 16 -

제 절 초음파 센서의 구성제 절 초음파 센서의 구성제 절 초음파 센서의 구성제 절 초음파 센서의 구성3333

본 연구에서 개발 목표로 하는 초음파 센서는 물체의 탐지 및 거리를 측정할 수 있

는 센서로서 통칭 공중 초음파 센서라 한다 이러한 공중 초음파 센서의 대표적인.

것으로서는 진동판에서 발생하는 초음파의 발생효율을 증가시키며 되돌아오는 초음

파를 진동판의 중앙부에 효율 좋게 집속하기위하여 바이몰프형 압전 세라믹에 콘형

의 공진기를 부착한 형상의 것이 있으나 습기 및 분진 등에 노출되면 트성이 급격

히 저하되는 단점이 있어 적합하지 못하므로 본 연구에서는 내환경성이 강한 밀폐

형 구조를 갖는 초음파 센서의 개발를 개발하는데 목표를 두었다.

밀폐형 초음파 센서의 구조는 금속판과 압전세라믹스를 접합한 바이몰프형구조로

서 이는 압전세라믹스와 금속판을 각각 장씩 접합하여 진동판의 굴곡진동의 원리, 1

를 이용하고 있다.

이러한 밀폐형 구조를 갖는 초음파 센서는 그 구조 특성상 매우 견(Edge-Support)

고하며 습기 및 먼지에 대한 내환경 특성이 뛰어나고 특히 금속판의 가공치수의,

변경만으로도 쉽게 필요한 주파수를 갖는 초음파 센서를 얻을 수 있는 장점이 있

다 한편 기계적 임피던스가 낮으며 고주파 대역인 이상에서는 적용이 어려. 80KHz

운 단점이 있으나 비교적 낮은 주파수대에서는 우수한 진동계로 작용하여 현재 사

용 분야가 날로 확대되고 있다 그림 에 본 연구에서 개발한 제 차 공진형 초음. 4-1. 3

파센서 구조도를 나타내었다.

초음파 센서의 구조도초음파 센서의 구조도초음파 센서의 구조도초음파 센서의 구조도2-1.2-1.2-1.2-1.

- 17 -

한편 초음파의 감쇄율은 사용 주파수 습도 온도 대기의 오염물질 등에 의하여 변, , ,

화되며 특히 주파수가 증가함에 따라 급격히 증가하는 특성이 있고 감지 가능한,

물체의 크기도 초음파의 파장의 크기에 따라 결정되므로 거리감지용으로 적용할 경

우에는 사용 주파수를 유의하여 선정하여야 한다 표 는 초음파 센서에서 방사. 4-1.

되는 음압이 진행거리에 따라 감쇄되어 그 값이 초기 방사시의 음압에 비하여 50%

만큼 감소 될 때까지의 거리를 사용 주파수와 비교하여 나타내었다.

표 음압이 초기값의 로 감소되는 거리표 음압이 초기값의 로 감소되는 거리표 음압이 초기값의 로 감소되는 거리표 음압이 초기값의 로 감소되는 거리2-1. 50%2-1. 50%2-1. 50%2-1. 50%

따라서 본 연구에서는 거리 측정 시스템의 탐지목표 범위 및 분해능을 고려하여 초

음파 센서의 주파수를 로 선정하였다40KHz .

또한 초음파 센서의 설계 시 중요한 요소중의 하나로서 초음파의 원거리 음장

내에서의 지향특성이 있다 이는 초음파 음압의 크기와 함께 초음파 센(Far-Field) .

서로서 물체를 탐지할 수 있는 범위의 한계를 결정짓는 요소로서 초음파 센서의 음

파방사 단면적 와 방사면의 굴곡진동 변위 분포 공기 중에서의 초음파의 파장D , λ

에 의하여 결정되며 식 로 표시된다(4-1) .

여기서 는 공기중의 음속이며 는 초음파 센서의 동작주파수이다v f .

본 연구에서는 거리감지용 센서의 지향각으로 중심축에 비하여 음압이 가 되는50%

각도 를 로 선정하였다(-dB degree) 25° .

- 18 -

제 절 초음파 센서 제작제 절 초음파 센서 제작제 절 초음파 센서 제작제 절 초음파 센서 제작4444

본 절에서는 앞 절에서 언급된 초음파 센서의 제작 방법에 대하여 설명한다 본 과.

제에서 주된 관심이 되는 초음파 센서의 종류는 밀폐형 구조로서 자동차용 안전장

치에 적용되는 센서이며 그 센서의 대표적인 구조는 차 공진형 과 차 공진형으로1 3

나뉜다.

센서 케이스 제작센서 케이스 제작센서 케이스 제작센서 케이스 제작1.1.1.1.

본 과제에서 주로 언급되는 초음파 센서는 내 환경 특성이 뛰어난 밀폐형 구조로서

특히 센서 케이스의 밑면은 압전소자와 붙어 굴곡 진동을 하는 가장 주용한 부분으

로 식 과 같이 케이스의 사용 재질 및 밑면판의 단면적 크기 및 두께에 따라(2-10)

센서의 주파수가 결정되는 특징이 있다 즉 기계적 공진 주파수 은. fsn

이다 여기서 는 케이스 밑면의 두께 는 단면적이며 는 케이스 재료의 영율. h , D Y ,

는 밀도, 는 포아손비이며 는 벳셀함수이다.

따라서 케이스이 밑면부위는 센서이 정전용량 허용입력전압 절연내력 등이 고려되, ,

어 제작된 압전소자의 단면적 보다는 넓어야하며 센서의 지향특성 또한 케이스 밑,

면의 단면적의 크기에 따라 결정되므로 치수의 결정에는 제약이 많다 그러므로 센.

서의 공진주파수 조정은 케이스 밑면의 두께를 조정함으로써 쉽게 맞출 수 있다.

본 연구에서는 알루미늄 을 사용하여 케이스를 설계 제작하였다 그림 은2011 . 2-3

거리센서로 설계된 케이스의 설계도이다.

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그림 초음파센서의 케이스그림 초음파센서의 케이스그림 초음파센서의 케이스그림 초음파센서의 케이스2-2.2-2.2-2.2-2.

압전소자 납땜압전소자 납땜압전소자 납땜압전소자 납땜2.2.2.2.

압전소자의 방향에는 리드선을 납땜하여 센서의 출력단자와 연결하였다 이때(+) .

납땜 시에는 인두의 온도에 따라서 압전소자의 특성에 열화될 우려가 있으므로 온

도조절이 가능한 인두를 사용하는 것이 바람직하며 납땜의 크기는 최소한으로 하도

록 노력하여야하나 납땜시의 압전소자의 은전극의 비산이 발생하지 않아야하고 납

땜 후에는 접착강도가 좋아야한다 본 연구에서는 인두의 온도를 이하로 하. 320℃

였으며 사용한 납의 종류는 일본의 사이의 를 사SENJU METAL E-110 0.5[mm]φ

용하였다.

압전소자 접착압전소자 접착압전소자 접착압전소자 접착3.3.3.3.

케이스에 압전소자를 접착하는 접착공정도 센서의 특성을 결정하는 매우 중요한 요

소이다 이는 접착상태에 따라 센서의 임피던스 특성이 변화하며 특히 초음파 센서.

의 송신음압 및 수신감도 신뢰성 등에 많은 영향을 주므로 주의하여야 할 필요가,

있다 따라서 본 연구에서는 일정한 접착 면을 얻기 위하여 케이스 밑면을 당이아.

몬드공구를 사용하여 가공하였으며 접착 시 압전소자의 전체 면에 일정한 압력을,

주어 접착 층이 얇고 일정한 두께를 갖도록 하였다 압전소자의 부착방향은 케이스.

를 로 하여 접착 층을 통하여 접촉 되도록 하였다 또한 접착재의 선정에 따라(-) .

접착 층의 두께 및 음향특성 신뢰성 등에 많은 영향을 주므로 접착제 선정 시에는,

접착재의 점도 경화시간 내 온도특성 경화 후 경도 접착강도 등을 고려하여야, , , ,

한다.

- 20 -

출력 단자선 연결출력 단자선 연결출력 단자선 연결출력 단자선 연결4.4.4.4.

초음파 센서의 사용 주파수는 이므로 출력단자로 사용할 선의 종류는 외40 [KHz]

부의 노이즈의 영향을 적게 받기위하여 을 사용하여야 하며 압전소자Shield-Cable

의 단자와 의 내부 코아와 연결하고 의 실드선과(+) Shield - Cable Shield-Cable

센서 케이스를 연결한다 이때 센서 케이스의 재료가 알루미늄으로 되어 있어 직접.

납땜하기에 어려움이 있으므로 본 연구에서는 도전성 접착제를 사용하였다C-929 .

흡음재 삽입흡음재 삽입흡음재 삽입흡음재 삽입5.5.5.5.

본 과제에서 개발하는 초음파 센서는 송수신 겸용형이므로 초음파 송신시 압전소자

의 뒷면으로 발생하는 잔향진동을 억제하여 초음파 센서의 근접거리에 있는 물체의

감지가 용이하도록 하여야한다 이를 위한 방법으로 보통 기공이 많고 경도가 낮은.

수지를 압전세라믹 소자의 뒷면에 부착하여 압전세라믹 뒷면에 발생된 초음파를 빨

리 감쇄시키는 방법을 사용하고 있다 이러한 방법은 센서의 종류 및 감지범위에.

따라 그에 적합한 재료를 선정하고 그에 맞는 센서의 제작 방법이 고려되어야하는

매우 중요한 부분이다 본 연구에서는 면섬유를 두께 로 제작. 2[mm], 10.0[mm]φ

하여 압전소자의 뒷면에 차 흡음재로 넣고 그 뒤에 콜크라바를 차 흡음재로 넣었1 2

다.

실리콘 몰딩실리콘 몰딩실리콘 몰딩실리콘 몰딩6.6.6.6.

초음파 센서의 내환경 특성을 위해서 센서의 뒷부분은 습기 및 먼지 등의 침투를

방지하기 위하여 수지 등의 재료로서 기밀 하는 것이 필요하다 이때 수지가 지녀.

야 되는 특성으로는 압전소자의 진동방해를 일으키지 않아야하며 접착성이 뛰어나,

충분한 기밀을 유지할 수 있어야하며 온도특성 등 내환경성에 대한 신뢰성이 높은,

재료를 선정하여야한다.

- 21 -

본 연구에서는 실리콘 수지를 사용하여 디스펜서로 몰딩 하였다 그림 은 본 연. 2-3

구과제 수행 시 제작한 초음파센서의 내부 구조도이다.

그림 초음파센서의 내부 구조도그림 초음파센서의 내부 구조도그림 초음파센서의 내부 구조도그림 초음파센서의 내부 구조도2-3.2-3.2-3.2-3.

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제 장 초음파센서의 특성 및 평가제 장 초음파센서의 특성 및 평가제 장 초음파센서의 특성 및 평가제 장 초음파센서의 특성 및 평가3333

제 절 초음파센서의 특성제 절 초음파센서의 특성제 절 초음파센서의 특성제 절 초음파센서의 특성1111

전술한 바와 같이 초음파센서의 종류는 그 용도에 따라서 무수히 많이 있지만 본

과제에서는 밀폐형 구조를 갖는 초음파센서 즉 방수형이며 송수신 겸용형이고 특, ,

히 자동차용으로 가장 많이 사용되는 센서를 중심으로 소개한다 이러한 센서는 주.

로 독일 및 일본 미국 등 선진국에서 주로 생산 및 시장점유를 해오고 있는 중이,

나 현재는 본 과제를 수행하는 센서텍 주 를 대표기업으로 하엽 몇몇의 기업에서, ( )

국산화 개발을 하려고 노력중이다 따라서 본 과제의 특성상 현재자사에서 제작중.

인 초음파 센서 의 특성을 소개하고자 한다(ST-207W-T2) .

우선 초음파센서의 음향적 특성을 살펴 보면 이다 이 특성은 전술한 일본 등 선진.

국에서 제작사용하고 있는 가장 대표적인 초음파 센서의 특서오가 동등한 사양이

다.

표 초음파센서 의 음향적 특성표 초음파센서 의 음향적 특성표 초음파센서 의 음향적 특성표 초음파센서 의 음향적 특성3-1. (ST-207W-T2)3-1. (ST-207W-T2)3-1. (ST-207W-T2)3-1. (ST-207W-T2)

- 23 -

또한 초음파센서의 특성을 관리해야하는 항목 중에는 음향적 특성뿐만 아니라 전기

적 특성의 관리도 중요하며 특히 최종 사용자 입장에서는 음향학적인 특성은 실제

적으로 피부로 느끼는 감은 많이 떨어지는 추상적인 데이터에 불과한 측면이 많으

므로 오히려 전지적인 특성의 관리가 더 중요할 때가 많이 있다 아래에는 동일한.

센서를 전기적 특성 관리 측면에서 다루고 있는 항목을 중심으로 나타내었다.

표 초음파센서 의 전기적 특성표 초음파센서 의 전기적 특성표 초음파센서 의 전기적 특성표 초음파센서 의 전기적 특성3-2. (ST-207W-T2)3-2. (ST-207W-T2)3-2. (ST-207W-T2)3-2. (ST-207W-T2)

여기서는 실제 초음파센서를 동작시키면서 발생되는 각종의 재반 특성을 정형화하

여 표로 나타낸 것 이므로 센서의 특성 측정 방법의 정확한 제시가 필요하다 즉. ,

초음파센서를 직접 구동하기 위해 그림 과 같은 초음파센서의 동작특성을 측정3-1

할 수 있는 장치를 구성하였다.

- 24 -

그림 초음파 센서의 측정 장치그림 초음파 센서의 측정 장치그림 초음파 센서의 측정 장치그림 초음파 센서의 측정 장치3-1.3-1.3-1.3-1.

또한 실제적인 측정을 위하고 측정의 객관성의 향상을 위하여 측정 키트를 제작하

여야 하며 그 회로와 센서의 구동 방법은 그림 와 표 에 나타내었다3-2 3-2 .

그림 초음파 센서이 측정용 표준 회로그림 초음파 센서이 측정용 표준 회로그림 초음파 센서이 측정용 표준 회로그림 초음파 센서이 측정용 표준 회로3-2. (ST-Q-05)3-2. (ST-Q-05)3-2. (ST-Q-05)3-2. (ST-Q-05)

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표 측정 될 초음파센서의 신호 입력 기준표 측정 될 초음파센서의 신호 입력 기준표 측정 될 초음파센서의 신호 입력 기준표 측정 될 초음파센서의 신호 입력 기준3-3.3-3.3-3.3-3.

따라서 본 구성에 의해 센서를 구동 시켰을 때 실제로 동작되는 거동을 살펴보면서

최종 제품으로 본 센서를 사용했을 때 센서의 탐지 능력 및 동작의 신뢰성을 확보

할 수 있게 된다 그러므로 본 실험을 통해 센서의 동특성을 검토하는 것이 매우.

중요한 것이다.

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제 절 초음파 센서의 특성 평가 방법제 절 초음파 센서의 특성 평가 방법제 절 초음파 센서의 특성 평가 방법제 절 초음파 센서의 특성 평가 방법2222

초음파 센서는 그 전달매질의 종류에 따라서 공중용 액체용 고체용으로 그구조에, , ,

따라서는 개방형 밀폐형 정합기 부착형 등으로 분류할 수 있으며 사용 주파수 대, ,

역에 따라 저주파용 고주파용 초고주파용등으로 분류 되는 등 요구정도 및 사용목, ,

적에 따라 매우 다양한 종류가 있으나 이러한 센서의 특성을 평가하는 대표적인 항

목으로서 음압특성 감도특성 지향성 등이 있다 본 절에서는 초음파 센서의 특성, , .

평가 항목의 종류와 그에 대한 기본 이론에 대하여 설명하였다.

음압특성음압특성음압특성음압특성1.1.1.1.

음압특성은 일반적으로 음압데시벨로 정량화 되어있으며 이것은 임의의 점에서 측,

정된 음압과 기준음압과의 비를 상용대수로 취하고 이 값을 배 한 값으로 나타낸20

다 여기서 기준음압 은 공기중의 음일 경우 실효. (0dB) 0.0002 bar (0.00002 Pa) [μ

치 이다 또한 이 값은 평면진행파 은원으로부터 수파장 이상 떨어진 거리에서는] .

10-10[W/cm

2에 거의 대응한다 음압레벨 은 음의] . S.P.L. (Sound Pressure Level)

크기를 표시하는 단위이며 아래와 같은 식으로 표시된다.

여기서 실효음압Psms [ bar], Pμ ref는 기준음압 [2×10-4

를 나타내며 음압이bar]μ

압력의 물리량이므로 압력단위로 표시하면

1 dyne/cm2=1 barμ

이며

기압1 = 1Kg/cm2=1.013bar = 1.013×10

6dyne/com

2

이다 또한.

1 N/m2=10

5dyne/10

4cm

2= 10 barμ

1 Pa[N/m2]=10

-5bar

1000 mbar = 1000 hPa

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의 관계가 있다.

한편 음의 강도레벨은

로 나타낼 수 있으며 이 경우 는Iref 10-16[W/cm2 이 사용된다] .

감도특성감도특성감도특성감도특성2.2.2.2.

감도특성 은 출력량에 대한 입력량의 비로서 나타내며 음의 수신 레벨을(Sensitivity)

표시하는 단위로 사용된다.

여기서 는 초음파 수신센서의 출력단에서 발생하는 전압을 는 수신센서에 입력E , P

되는 음압의 크기를 의미한다.

지향성지향성지향성지향성3.3.3.3.

초음파 센서의 지향특성 측정법은 회전이 가능한 턴테이블위에 피 측정 세서를 올

려놓고 초음파 센서의 각도를 변화시키면서 음압 및 감도를 측정하여 이를 각도가

일 때의 값을 기준으로 각도에 따라 상대 값을 도시하는 방법으로 측정하며 이0°

는 초음파 센서의 빔 지향성의 예리한 정도를 간단히 표현할 수 있는 방법이다 또.

한 일반적으로 지향각 크기의 기준은 음압 감도 레벨이 각도가 일때에 비하여0°

약 감쇄할 때의 각도를 일컬으며 이를 반 감각 이라고도 부르며-6dB( 50%) Θ1/2로

표시한다.

본 연구에서는 초음파 센서의 제작에 앞서 초음파센서의 제반특성 송신음압 수신( ,

감도 지향성 을 측정할 수 있는 시스템을 구성하였다, ) .

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무향 쳄버무향 쳄버무향 쳄버무향 쳄버4.4.4.4.

초음파센서의 음향특성을 측정하기 위해서는 기본적으로 초음파센서를 주변소음으

로부터 차단시키는 것이 필요하다 따라서 우선 시스템 구성에는 무향쳄버가 필요.

하며 쳄버의 벽면은 합판 두께 으로 제작되어 초음파 송수신시 반사파의 흡( 18mm) ,

수와 외부소음 차단을 목적으로 쳄버 내부 벽면에는 요철 모양을 한 스폰지 음향

흡음재를 붙이고 센서의 측저어 거리 기준이 인 것을 고려하여 내부의 공간, 30cm

은 초음파 송신 및 수신기의 위치가 내주 스폰지 벽면에서 최소 이 상이 되30cm

도록 한다 초음파 수신시 비교측정에 필요한 콘덴서마이크로폰을 피 측정 센서의.

바로위에 고정 시킬 수 있도록 하여 측정감도의 오차를 줄일 수 있도록 하였으며,

초음파 송신센서는 지향성 측정도 병행할 수 있도록 하기위하여 센서를 설치할 수

있는 가공물을 만들어 스테핑 모터의 축에 고정하여 회전이 가능하도록 하였다 또.

한 스테핑모터의 컨트롤방법은 컴퓨터로서 제어할 수 있도록 설계하여 지향각 측정

시 정확한 각동 데이터를 얻을 수 있도록 하엿다 각도 분해능 다음 그림은. ( : 0.9°)

이러한 조건을 만족하는 무향 쳄버의 구성이다.

그림 무향쳄버의 구성그림 무향쳄버의 구성그림 무향쳄버의 구성그림 무향쳄버의 구성3-3.3-3.3-3.3-3.

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초음파 송신감도 측정초음파 송신감도 측정초음파 송신감도 측정초음파 송신감도 측정5.5.5.5.

초음파 센서의 송신감도를 측정하기위하여 필요한 장비로는

주파수 카운터(Frequency Counter)①

정밀 볼트메터(Volt Meter)②

신호발생기(Function Generator)③

전력 증폭기(Power Amplifire)④

표준 콘덴서 마이크로폰(Standard Condenser Microphone)⑤

전치 증폭기(Measuring Amplifire)⑥

가 있으며 측정방법은 다음과 같다.

우선 측정할 초음파 센서를 무향쳄버내의 송신센서용 지그에 고정시키고 센서의 케

이블을 끌어 전력증폭기의 출력단에 연결하고 신호발생기의 출력, (sine wave)④ ③

은 측정주파수에 맞추어 전력증폭기의 입력단에 연결한후 전력증폭기의 을gain④

조정하면서 전력증폭기의 출력전압을 정밀 불트메터로 측정하여 필요전압으로 맞춘

다 또한 콘덴서마이크로폰의 출력단은 전치증폭기의 입력단에 연결한다. .⑤ ⑥

이와 같이 장치를 구성한 후 피측정 센서에 전력증폭기의 조정된 전압을 공급하고,

이때 마이크로폰으로 수신된 신호를 전치 증폭기로 측정하여 송신감도를 구한다.

표 에 본 연구에서 사용되고 있는 음향특성장비의 리스트를 나타내었고 그림3-1. ,

는 초음파센서의 송신음압 및 수신감도를 측정하기위한 구성도이다3-2. .

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표 초음파 센서의 음향 특성 측정 장비표 초음파 센서의 음향 특성 측정 장비표 초음파 센서의 음향 특성 측정 장비표 초음파 센서의 음향 특성 측정 장비3-4.3-4.3-4.3-4.

그림 초음파 센서의 음향 측정시스템의 블록도그림 초음파 센서의 음향 측정시스템의 블록도그림 초음파 센서의 음향 측정시스템의 블록도그림 초음파 센서의 음향 측정시스템의 블록도3-4.3-4.3-4.3-4.

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제 장 초음파 센서의 신뢰성 분석 및 향상 방안제 장 초음파 센서의 신뢰성 분석 및 향상 방안제 장 초음파 센서의 신뢰성 분석 및 향상 방안제 장 초음파 센서의 신뢰성 분석 및 향상 방안4444

제 절 초음파 센서의 고장 유형 분석제 절 초음파 센서의 고장 유형 분석제 절 초음파 센서의 고장 유형 분석제 절 초음파 센서의 고장 유형 분석1111

초음파 센서 특히 본 과제에서 중점 대상이 되는 자동차용 초음파 센서는 다종의

부품들이 접착 납땜 몰딩 등의 여러 단계를 거쳐야 완성이 되며 그 부품의 종류, , ,

가 보통 종으로 이루어져 있으며 각 개별 단위 부품들의 신뢰성이 중요한 것은13 ,

무론이고 그 부품들의 종합으로 이루어져 있는 초음파 센서의 신뢰성은 각 부품들,

의 결합 즉 조립 방법의 적합성 적용한 재료들의 적정성 사용 온도 범위 내에서의, ,

온도 안정성 등이 확보 되고 나아가 조립하는 사람이나 장비의 작업 방법 일솜씨, ,

등에 따라 그 신뢰성의 높고 낮음이 결정되낟 이를 아래의 도표로 나타내어 보면.

우선 초음파 센서의 고장이 발생되는 주요 원인을 공정 별로 분석하여 보면

표 초음파 센서의 주요 고장원인별 발생 빈도표 초음파 센서의 주요 고장원인별 발생 빈도표 초음파 센서의 주요 고장원인별 발생 빈도표 초음파 센서의 주요 고장원인별 발생 빈도4-1.4-1.4-1.4-1.

- 32 -

표 과 같이 원인별 고장 유형이 분포 된다고 볼 수 있다4-1 .

또한 초음파 센서의 고장 원인을 제조공정 변수뿐만 아니라 시용 환경에 따른 고장

의 유발 사용 시간에 따른 고장의 유발이 발생된다 따라서 초음파 센서의 신뢰성, .

저하 요인을 아래 표로 다시 나타내어 보면 표 와 같다4-2. .

표 초음파 센서의 신뢰성 저하 요인표 초음파 센서의 신뢰성 저하 요인표 초음파 센서의 신뢰성 저하 요인표 초음파 센서의 신뢰성 저하 요인4-2.4-2.4-2.4-2.

따라서 본 과제에서는 초음파 센서의 신뢰성을 향상시키기 위하여 제조 공정에 의

한 변수를 분석하여 공정상에서 센서의 고장 발생 요인을 제거하며 나아가 사용,

환경적 변수가 적용되는 부품의 사용 온도 내 진동 내 습도 내 부식 등의 시험이, , ,

필요 할 것으로 예측할 수 있으며 사용 시간 변수로서 센서의 동특성 시험 경기, ,

변화 시험 수명 시험 등의 실험도 병행해야 함을 알 수 있다 따라서 각 변수 들을, .

고려하여 초음파 센서가 가져야 되는 신뢰성 시험 항목 및 신뢰성 조건을 선진 초

음파 업체가 제시하는 기준과 사용 환경 특히 자동차 환경 을 고려하여 다음과 같( )

이 설정하였다.

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표 신뢰성 시험 항목 및 기준표 신뢰성 시험 항목 및 기준표 신뢰성 시험 항목 및 기준표 신뢰성 시험 항목 및 기준4-3.4-3.4-3.4-3.

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제 절 초음파센서의 신뢰성 저하 원인 해결 방안제 절 초음파센서의 신뢰성 저하 원인 해결 방안제 절 초음파센서의 신뢰성 저하 원인 해결 방안제 절 초음파센서의 신뢰성 저하 원인 해결 방안2222

제 절에서 논한 바와 같이 음파 센서의 신뢰성 저하 원인은 매우 다양하게 발생1

되고 있다 물론 가장 중요한 것은 사용 목적 용도 환경 시간에 맞는 정확한 소. , , ,

재 및 부품을 사용하였는가가 가장 큰 관건이긴 하지만 본 과제에서는 즉용 소재

및 부품이 정확히 적용 되고 있다고 가정하고 정확한 부품 및 소재를 사용하였을

때 신뢰성을 더욱 극대화하기 위해서는 무엇이 필요한가에 대하여 더욱 집중하여

분석하였다 따라서 본 과제에서는 신뢰성 저하 요인의 해결을 위한 방안으로 다음.

의 사항에 대하여 압축하고 분석하기로 하였다 즉자동차용 초음파 센서의 고장 유, .

형 및 분석 방법으로서 고장유형을 나누고 이에 따른 원인을 추정하였으며 고장원

인의 분석 방법을 표 와 같이 설정하였다4-4. .

표 초음파 센서의 고장 유형에 따른 원인 및 분석 방법표 초음파 센서의 고장 유형에 따른 원인 및 분석 방법표 초음파 센서의 고장 유형에 따른 원인 및 분석 방법표 초음파 센서의 고장 유형에 따른 원인 및 분석 방법4-4.4-4.4-4.4-4.

이러한 방법을 사용하여

구성부품의 재질 및 현 제조공정의 문제점 발견하며1.

재질 및 제조공정 설정 선정된 공정변수가 신뢰성에 미치는 영향 분석 하였으2. ,

며

생산형장에서 저비용으로 속하게 검증할 수 있는 가속 신뢰성시험 방법 개발하3.

는데 역점을 두었다.

- 35 -

또한 이러한 고장의 원인 해결 방안으로

구성부품의 온도특성 측정 및 최적 재질 선정-

온도에 따른 출력임피던스 안정화 방안 도출로 센서의 감도 및 온도안정성 향상-

센서 특성 및 신뢰성에 영향을 주는 공정변수 분석 및 선정-

공정변수별 수준의 센서를 제작하여 품지르이 산포 및 개선시험 수행- 2~3

재질 및 제조공정 설정 선정된 공정변수가 신뢰성에 미치는 영향 분석- ,

주요 제조공정의 규격화를 통하여 품질개선 및 신뢰성 향상 도모-

품질안정화를 위한 각종 금형 및 치구 개선-

생산현장에서 저비용으로 신속하게 검증할 수 있는 가속 신뢰성시험 방법 개발-

품질 개선을 위한 관리기법의 정착-

등에 대하여 검토하여야 할 것으로 판단된다.

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제 절 신뢰성 향상을 위한 실험제 절 신뢰성 향상을 위한 실험제 절 신뢰성 향상을 위한 실험제 절 신뢰성 향상을 위한 실험3333

온도 보상용 케페시터의 개발 배경온도 보상용 케페시터의 개발 배경온도 보상용 케페시터의 개발 배경온도 보상용 케페시터의 개발 배경1.1.1.1.

상기 전술한 여러 가지의 신뢰성 조건 중에서 가장 중요한 것으로 판단되는 항목이

초음파 센서의 온도 신뢰성 항목이다 특히 자동차용 센서는 그 사용 환경 조건이.

실외이며 현재 글로벌화 되어있는 시장 환경 상 그 사용 지역이 매우 다양하고 따,

라서 적응해야하는 온도 범위의 조건도 일반 산업용 제품에 비하여 매우 넓다 또.

한 자동차용 초음파센서는 자동차 운행 중 안전장치에 해당되는 부품이기 때문에

고도의 신뢰서을 요구하는 부품이므로 센서의 온도특성은 특히 중점을 두고 개선을

해야 할 사항이다.

그림 은 현재 생산되고 있는 초음파 센서의 온도에 따른 케페시턴스의 변화 특4-1

성을 온도 도부터 도까지의 범위에서 측정하여 그 결과를 아래에 나타내었-40 80

다.

그림 압전 세라믹의 온도에 따른 케페시턴스 변화 특성그림 압전 세라믹의 온도에 따른 케페시턴스 변화 특성그림 압전 세라믹의 온도에 따른 케페시턴스 변화 특성그림 압전 세라믹의 온도에 따른 케페시턴스 변화 특성4-1.4-1.4-1.4-1.

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그림 과제 수행 전 초음파 센서의 온도에 따른 케페시턴스 변화 특성그림 과제 수행 전 초음파 센서의 온도에 따른 케페시턴스 변화 특성그림 과제 수행 전 초음파 센서의 온도에 따른 케페시턴스 변화 특성그림 과제 수행 전 초음파 센서의 온도에 따른 케페시턴스 변화 특성4-2.4-2.4-2.4-2.

그림에서 알 수 있듯이 압전소자의 정전용량은 약 에서 까지 변화함, -30% +40%

을 알 수 있었다 또한 주위 사용온도가 증가함에 따라 센서의 정전용량도 압전소.

자와 동일하게 변화하고 센서의 주파수는 에서 정도까지 변화함을 확인, +4% -3%

하였다 여기에서 알 수 있듯이 온도가 증가함에 따라 센서의 특성이 변화되는 주. ,

원인은 핵심소자인 압전소자의 온도에 따른 특성 변화임을 확인할 수 있고 압전소,

자의 온도 안정성을 증가시킬 경우 센서의 온도안정성도 향상시킬 수 있을 것으로,

판단되며 이는 초음파 센서가 회로와 연결되어 사용될 경우 초음파 센서가 대부분,

케페시터 성분으로 구성되어있는 점을 감안하여 회로 쪽에서 리엑턴스 성분인 코일

로 인피던스 메칭을 해 주어야 최고의 효율을 가지는 초음파 감지 시스템을 구성할

수 있으나 상기의 결과와 같이 온도 변화에 따라 압전 세라믹의 케페시터 성분이,

변화 특성에 따라 센서의 케페시터 값이 변화하고 결국 회로와 메칭되어 있는 임피

던스 값이 틀어지게 되어 센서 시스템의 오동작을 유발하는 결정적인 원인으로 작

용하는 경우가 매우 빈번하다 따라서 본 신뢰성 향상을 위해 개선해야 하는 첫 번.

째 조건은 압전 세라믹의 온도 변화 특성에 반대되는 특성을 지니는 케페시털 이하(

보상용 케페시터 라 함 의 개발이 무엇보다 절실한 실정이다) .

- 38 -

따라서 본 케페시터의 개발을 위하여 위탁기관인 요업기술원과 협력하여 보상용 케

페시터의 조성 개발과 그린시트 및 케페시터의 개발 생산에 역점을 두었다 표, .

는 본 과제를 수행하기위한 절차도이다4-5 .

표 과제 수행 절차도표 과제 수행 절차도표 과제 수행 절차도표 과제 수행 절차도4-5.4-5.4-5.4-5.

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온도 보상용 케페시터의 개발온도 보상용 케페시터의 개발온도 보상용 케페시터의 개발온도 보상용 케페시터의 개발2.2.2.2.

가 슬러리제조 조건 확립가 슬러리제조 조건 확립가 슬러리제조 조건 확립가 슬러리제조 조건 확립....

시트성형을 하기에 적정한 슬러리의 점도는 그린 시트의 두께를 얼마로 하느냐에

따라 다르지만 보통 범위내에서 결정된다 이보다 점도1,000mPas ~ 3,000mPas .

가 낮으면 슬러리 땜 사이로 슬러리가 스며 나오고 이송필름에서도 제대로 시트형

태를 유지하지 못하고 이보다 점도가 높으면 그린시트의 표면이 제대로 이, leveling

되지 않아서 그린시트의 좌우 두께편차가 심하게 발생한다 본 연구에서는 의. 50㎛

두께로 그린시트를 제조하려고 하므로 슬러리의 점도를 1,500mPas ~ 2,000mPas

가 되도록 첨가제의 농도를 조절하였다.

사용되는 용매의 비는 톨루엔 에탄올 부탄올 비를 의 비율로 하: : 7:2:1, 6:2:2, 5:3:2

여싿 이 중에서 용매의 비가 의 경우가 시트 성형할 때 건조시에 발생하는. 6:2:2

크랙 핀홀이 없었으며 그린시트의 내부와 표면이 고루 잘 건조되었다, .

분산제의 경우 첨가량이 에서 분산성이 가장 좋았으며 그보다 분산제의 첨가0.3%

가 많아져도 더 이상의 분산성 향상은 그대할 수 없었다.

이러한 용매와 분산제의 첨가가 차 혼합 시에 첨가되는데 첨가방법은 우선 톨루1

엔 에탄올과 부탄올을 의 비로 정도 혼합하고 여기에 분산제를, 6:2:2 45%, 55%

첨가하낟 이렇게 만들어진 용매 을 에 넣고 여기에0.3% . solution 2000cc tefron jar

본 연구조성의 세라믹분말을 첨가하여 교반기에서 분간 교반한다 그 후 지름이10 .

인 지르코니아 볼을 첨가한 후 볼밀기에서 시간 차 볼밀링을 한3mm 1000cc 24 1

다.

차 혼합에 첨가되는 결합제와 가소제도 용매와 같이 일정비율로 섞여야한다 그림2 .

는 가소제의 함량에 따른 그린시트 내부의 세라믹분말 응집형태를 나타내고 있다4 .

가소제의 양은 결합제의 양에 약 가 가장 적절한 것으로 보인다150% .

결합제의 함량은 정도가 가장 적절했으며 그보다 결합제의 함량이 높으면 성형7%

시트가 고무처럼 늘어지고 절단 시 사용되는 접착 테이프 에( Cold off type tape)

달라부터 작업성을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 절단 바의 표면에 손상을 일으키낟 그리.

고 탈지공정 을 본 연구에 적용된 스케쥴보다 더 오랫동안 진행해(Binder burn-out)

야 한다 결합제와 가소제의 양이 이하가 되면 그린시트의 유연성이 부족하여. 7%

쉽게 부스러지고 찢어지는 현상이 발생하며 절단 시에 칩핑 현상이 발생(Chipping)

되고 압착 시 압착이 잘되지 않아 시트 간 분리가 일어나며 소결 후에도 분리현상

이 발생한다(De-Lamination, Delam) .

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나 시트 성형 조건 확립나 시트 성형 조건 확립나 시트 성형 조건 확립나 시트 성형 조건 확립....

시트 성형 시 성형온도는 에서 의 범위에서 진행되는데 일정한 온도 프30 80℃ ℃

로파일을 가지고 건조구역 을 운영하여야 한다 그림 는 시트성형기 의 건조(Zone) . 5

온도 프로파일이다 각각의 건조 구역을 열풍 건조와 열선 건조를 동시에 진행하여.

건조하였다 성형 시 성형 닥터 블레이드의 높이는 사이에서 시행하. 200 -400㎛ ㎛

였다 닥터 블레이드 높이가 이상일 경우는 시트의 건조가 확실히 일어나지. 300㎛

않아 작업상에 문제점으로 야기되었고 닥터 블레이드의 높이가 이하일 경우, 200㎛

에는 원하는 그린시트의 두께인 를 만족시키지 않았으며 그린시트의 좌우 두께50㎛

편차가 이상 벗어났다 그래서 블레이드의 높이를 로 정하였다 그리고±5 . 250 .㎛ ㎛

이송 속도는 성형기의 다이얼을 으로 하고 이때 성형되는 그린 시트의 두께가450

로 균일하였다50 .㎛

그림 의 결합제와 다른 결합재 농도에 의한 그린시트의 파단면그림 의 결합제와 다른 결합재 농도에 의한 그린시트의 파단면그림 의 결합제와 다른 결합재 농도에 의한 그린시트의 파단면그림 의 결합제와 다른 결합재 농도에 의한 그린시트의 파단면4-3. 7%4-3. 7%4-3. 7%4-3. 7%

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그림 그린 시트의 성형그림 그린 시트의 성형그림 그린 시트의 성형그림 그린 시트의 성형4-4.4-4.4-4.4-4.

그림 시트성형시 건조 프로파일그림 시트성형시 건조 프로파일그림 시트성형시 건조 프로파일그림 시트성형시 건조 프로파일4-5.4-5.4-5.4-5.

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다 조건 확립다 조건 확립다 조건 확립다 조건 확립. Lapping. Lapping. Lapping. Lapping

래핑 연마 슬러리는 물 에 연마제 방청유 를 래핑기 슬러리 탱크에 첨15L 3KG 1L

가하여 시간 교반 혼합한다 정반의 평탄화를 위하여 래핑 전에 드래싱 케리어를1 .

가지고 분간 드레싱을 하여 정반을 평탄하게 하고 연마제가 원활하게 공급되도록30

한다.

정반내에 웨이퍼를 고정시키는 캐리어는 개가 드어가고 각 케리어에는 웨이퍼가5 5

개 삽입되어 회 래핑시 개의 웨이퍼가 래핑된다 래핑 시 정반의 호전 속도는1 25 .

에서 까지 변환이 가능하지만 이하에서는 균일하지 않은 속도를0rpm 20rpm , 3rpm

나타내기 때문에 캐리어 내에 삽입된 웨이퍼가 케리어 밖으로 토출되어 깨지는 현

상이 자주 발생하였다 회전 속도가 이상일 경우는 된 웨어파간의 두. 15rpm fovld

께 편차가 이상 생겨 칩을 만들엇을 때 저항 산포르 크게 하는 경과를 보였±5㎛

다 그래서 래핑속도는 웨이퍼의 휨 정도를 고려하여 에서 사이에서 진. 5rpm 10rpm

행하였다 그리고 연마 속도를 이상으로 연마를 했을 경우 웨이퍼 크랙율이. 5rpm

정도가 발생했으며 웨이퍼 두께편차가 정도 나타났다 연마 속도를10% ±5 . 5rpm㎛

으로 했을 경우는 웨이퍼 크랙율이 이내로 감소하였으며 두께편차는 정도3% ±2㎛

를 보여싿 래핑 두께는 을 기준으로 하였을 경우 회 회전시 약. 10rpm 100 0.05mm

만큼 연마되었고 제품 개발을 만족하기 위해서는 약 회 번위에서 래, 0.2mm 1400

핑을 진행하여싿.

라 전극 조건 확립라 전극 조건 확립라 전극 조건 확립라 전극 조건 확립....

세라믹소체를 제조하기 위해서 사용된 전극은 사 전극을 사용하여싿 래핑한Ag I .

웨이퍼는 초음파 세척 건조 후에 스크린 프린터위에서 전극인쇄를 하였다 인쇄시, .

사용된 스크린은 를 사용하였다 인쇄 후 건조는 에서 분#200 sus mesh . 150 10℃

간 행하였으며 양 표면을 완전히 건조시킨 후 세터에 전극이 인쇄된 웨이퍼V- Ag

를 올려 놓고 로에서 소부하였다 전극의 소부온도를 하였고 소부Box . Ag 850 fh℃

시간을 으로 한 후 자연 냉각하였다30min .

마 유전체 세라믹의 특성평가마 유전체 세라믹의 특성평가마 유전체 세라믹의 특성평가마 유전체 세라믹의 특성평가....

본 과제에서 개발한 유전체 세라믹의 형상 및 그 특성을 각각 그림 과 그림4-6.

에 나타내었다 그림 는 성형체의 사진이고 는 소결체 는4-7. . 4-6(a) , 4-6(b) , 4-6(c)

전극을 부착한 소결체의 사진을 나타낸 것이다 그리고 이렇게 제조한 유전체의 온.

도에 따른 정전용량의 변화를 그림 에 나타내었다4-7. .

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그림 에서 알 수 있듯이 본 연구에서 개발한 유전체 세라믹은 도부터4-7. , -40 80

도까지 온도가 증가함에 따라 유전체 세라믹의 정전용량이 부터 까지+20% -20%

변화하는 부 온도계수 특성을 갖는다는 것을 확인하였다.

그림 제조한 유전체세라믹 형상그림 제조한 유전체세라믹 형상그림 제조한 유전체세라믹 형상그림 제조한 유전체세라믹 형상4-6.4-6.4-6.4-6.

그림 유전체 세라믹의 온도특성그림 유전체 세라믹의 온도특성그림 유전체 세라믹의 온도특성그림 유전체 세라믹의 온도특성4-7.4-7.4-7.4-7.

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센서의 시제품 제작센서의 시제품 제작센서의 시제품 제작센서의 시제품 제작3.3.3.3.

또한 온도 보상용 케페시터의 개발뿐만 아니라 초음파 센서의 신뢰성을 선진국의

제품 수준으로 끌어올리기 위해 선진국의 제품 사양 및 신뢰성 시험 기준으로 자사

의 제품을 측정 신뢰성이 부족한 부분의 향상을 위해 공정의 개선 재료의 변경 등,

의 실험을 실시하였다 아래의 그림은 본 연구를 통하여 자사에서 제작되는 센서의.

신뢰성을 향상시키기 위해 제작한 센서의 도면을 그림 에 나타내었다 그리고4-8. .

이 센서의 시제품을 만들기 위하여 제작한 구성부품의 사진을 그림 에 나타내4-9.

었다 여기에서 알 수 있듯이 센서의 주 구성부품은 압전소자 유전체 세라믹 케. , , ,

이스 내부전선 등 다양한 부품으로 구성된다 이와 같은 다양한 구성부품을 이용하, .

여 완성한 센서 시제품 사진을 그림 에 나타내었다4-10. .

그림 제작된 초음파 센서의 외형도면그림 제작된 초음파 센서의 외형도면그림 제작된 초음파 센서의 외형도면그림 제작된 초음파 센서의 외형도면4-8.4-8.4-8.4-8.

전슬한 바와 같이 초음파센서를 구성하는데 필요한 구성 부품의 종류는 매우 많으

며 모든 구성 부품을 선정하는 기준은 성능의 발휘 및 발휘된 성능을 사용 환경,

하에서 계속 유지 할수 있는 신뢰성을 확보하는 것에 바탕을 두어야 함은 물론이

다 그러나 센서의 설계 과정에서 이론적인 특성을 만족하는 구성 품을 찾기 어렵.

고 나아가 혹시 그런 부품이 있다고 하더라도 그 가격이 센서에 적용할 수 있는 합

리적인 가력이라야 채용이 가능하다 그러므로 설계된 센서를 설계 상양대로 제작.

또는 생산하기에는 많은 노력과 시간을 들여야만 신뢰성이 높은 제품을 탄생시킬

수 있다 따라서 본 신뢰성 향상 과제를 통하여 자사는 현재 사용되는 모든 구성.

부품의 제반 특성을 다시 한 번 확인하여 현재의 상태보다 신뢰성을 향상 시키고

나아가 선진 제품과 동등이상의 신뢰성을 확보 할 수 있도록 다양한 실험을 통하여

구성 부품의 확인 또는 재선정하는 작업을 하였다 그 내용 중 주요한 것을 간추려.

보면

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가 압전 세라믹가 압전 세라믹가 압전 세라믹가 압전 세라믹....

압전 세라믹은 초음파 센서의 성능을 좌우하는 필수 요소로서 센서의 특성을 발휘

할 수 있는 소프트 타입의 물성을 가지고 있어야 하며 온도 변화에 따른 물성 변,

화 특히 케페시턴스의 변화가 적은 제품을 사용하는 것이 바람직하다 본과제에서.

는 현재 사용 가능한 압전 세라믹을 선전하고 그의 온도 특성을 비교 분석한 후 자

사의 특성에 맞는 세라믹을 결정할 수 있었다.

나 알루미늄 하우징나 알루미늄 하우징나 알루미늄 하우징나 알루미늄 하우징....

초음파 센서의 케이스는 대체로 알루미늄 금속을 사용하는 것이 일반적이며 그 형,

상의 복잡성에 따라 기계가공 한 제품으로 제작 하는 방법과 정밀 주조로 제작하고

있으며 기계적 치수가 제작하는 센서의 특성의 신뢰성을 결정하는 요소가 되므로,

보다 정확한 치수 제어가 중요하다고 할 수 있다.

다 내부 와이어다 내부 와이어다 내부 와이어다 내부 와이어....

압전 세라믹의 와 금속하우징의 에 연결되는 금속선으로서 압전 세라믹에 납(+) (-)

땜 시 최소한의 열만으로도 잘 고착 될 수 있어야 하며 또한 세라믹의 특성에 지,

장을 주지 않도록 최대로 얇고 연선인 와이어를 사용하여야 한다, .

라 흡음재라 흡음재라 흡음재라 흡음재....

초음파 센서는 세라믹의 진동에 의하여 금속 멤브레인의 진동을 발생시켜 센서의

전면과 후면으로 초음파를 방사하게 되는데 초음파 센서는 전면으로 방사된 초음,

파만 사용하고 후면으로 방사되는 초음파는 최대한 흡수를 하여야 하는데 이때 사

용하는 것이 흡음재 이며 이 부품은 초음파 센서의 잔향진동의 크기 를 결정하는

주요 요소가 되며 그 놓인 위치 및 진동시의 흔들림에 따라 특성 변화를 야기 시키

는 등 신뢰성 저하의 요인이 될 수 있다 따라서 금속 하우징의 내부 구조와 잘 맞.

는 치수 제어와 세라믹에 압력을 가하지 않으면서 음을 잘 흡수 할 수 있는 재질을

사용하는 것이 중요하다.

마 온도 보상 케페시터마 온도 보상 케페시터마 온도 보상 케페시터마 온도 보상 케페시터....

온도 보상 케페시터는 초음파 센서의 넓은 범위에서 온도 안정성을 유지 하기 위해

서는 없어서는 안 될 매우 중요한 구성 부품으로 본 신뢰성 향상 과제에서 재일 역

점을 둔 부품이며 그 개발 과정과 결과는 전술한 바와 같다.

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바 외부 전선바 외부 전선바 외부 전선바 외부 전선....

초음파 센서의 구성 부품 중에서 또 하나 빼 놓을 수 없는 제품이 외부 전선이다.

아무리 잘 만든 센서라도 외부 전선의 이상 유무에 따라 제품의 동작 여부가 결정

되어 버리기 때문에 비교적 기술적으로는 단순하지만 제품의 신뢰성 확보 측면에서

는 매우 중요하다 특히 외부 전선은 케이블의 탈피 내부 도체의 압착 그때의 극. , ,

성 하우징의 조립 등의 공정에 의해 제작되며 그 어떤 공정이라도 기준에 어긋나,

면 제품의 신뢰성에 막대한 지장을 주는 제품이다 따라서 모든 전 과정의 자동화.

또는 철저한 교육에 입각한 세심한 작업만이 신뢰성 저하를 방지 할 수 있는 길이

다.

아래에 각 구성 부품의 사진을 나타내었다.

그림 압전 세라믹그림 압전 세라믹그림 압전 세라믹그림 압전 세라믹4-9(a)4-9(a)4-9(a)4-9(a)

그림 센서 하우징그림 센서 하우징그림 센서 하우징그림 센서 하우징4-9(b)4-9(b)4-9(b)4-9(b)

그림 온도 보상용 케페시터그림 온도 보상용 케페시터그림 온도 보상용 케페시터그림 온도 보상용 케페시터4-9(c)4-9(c)4-9(c)4-9(c)

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그림 내부 와이어그림 내부 와이어그림 내부 와이어그림 내부 와이어4-9(d)4-9(d)4-9(d)4-9(d)

그림 흡음제그림 흡음제그림 흡음제그림 흡음제4-9(e)4-9(e)4-9(e)4-9(e)

그림 외부 전선그림 외부 전선그림 외부 전선그림 외부 전선4-9(f)4-9(f)4-9(f)4-9(f)

또한 본 초음파 센서를 제작하기 위해서 사용하는 접착제 충진제 등의 수지 종류,

도 사용 온도 범위 및 보관 온도 번위에서 재반 특성을 유지 할 수 있는 제품 중에

서 각종의 신뢰성 시험을 통하여 그 결과를 보고 결정하여야 할 것이다.

그림 제작된 초음파 센서그림 제작된 초음파 센서그림 제작된 초음파 센서그림 제작된 초음파 센서4-104-104-104-10

- 48 -

제 장 결과 및 고찰제 장 결과 및 고찰제 장 결과 및 고찰제 장 결과 및 고찰5555

제 절 초음파 센서의 온도특성 향상제 절 초음파 센서의 온도특성 향상제 절 초음파 센서의 온도특성 향상제 절 초음파 센서의 온도특성 향상1 .1 .1 .1 .

본 연구에서 개발한 부 온도특성을 보유한 유전체를 적용한 센서의 온도특성을 측

정하고 그 결과를 그림 에 나타내었다 여기에서 알 수 있듯이 주위 온도가, 5-1. . ,

증가함에 따라 센서의 정전용량 및 주파수가 각각 이내 이내에서 변화±20% ±2%

함을 알 수 있다.

이 결과는 기존센서의 정전용량 및 주파수특성 변화가 각각 대략 및, ±40% ±4%

정도이었던 것과 비교하여 볼 때 대폭적으로 향상된 결과임을 알 수 있다 이와 같, .

이 센서의 온도특성이 많이 향상된 요인은 개발한 부 온도계수를 갖는 유전체 세라

믹을 적용한 결과이다.

그림 온도변화에 따른 유전체 세라믹을 적용한 센서의 특성변화그림 온도변화에 따른 유전체 세라믹을 적용한 센서의 특성변화그림 온도변화에 따른 유전체 세라믹을 적용한 센서의 특성변화그림 온도변화에 따른 유전체 세라믹을 적용한 센서의 특성변화5-1.5-1.5-1.5-1.

따라서 본 온도 보상 케페시터를 사용한 초음파 센서는 보다 널은 작동 온도 범위

를 가질 수 있었으며 따라서 센서의 온도 및 사용 환경의 신뢰성을 한층 높일 수

있게 되었다.

다음은 온도 보상 케페시터를 내장한 초음파 센서의 온도 신뢰성이 개선된 내용에

대한 실험 및 그 결과 이다.

- 49 -

정전용량온도특성정전용량온도특성정전용량온도특성정전용량온도특성1.1.1.1.

가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준....

나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과. (1). (1). (1). (1)

다 시험 결과다 시험 결과다 시험 결과다 시험 결과. (2). (2). (2). (2)

- 50 -

고온및 저온내구성시험고온및 저온내구성시험고온및 저온내구성시험고온및 저온내구성시험2.2.2.2.

가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준....

나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과. (1). (1). (1). (1)

다 고온 시험 결과다 고온 시험 결과다 고온 시험 결과다 고온 시험 결과. (2). (2). (2). (2)

- 51 -

라 저온시험 결과라 저온시험 결과라 저온시험 결과라 저온시험 결과. (2). (2). (2). (2)

그림 고온 저온 테스트 챔버 요업기술원그림 고온 저온 테스트 챔버 요업기술원그림 고온 저온 테스트 챔버 요업기술원그림 고온 저온 테스트 챔버 요업기술원5-3. / ( )5-3. / ( )5-3. / ( )5-3. / ( )

- 52 -

온도사이클안정성시험온도사이클안정성시험온도사이클안정성시험온도사이클안정성시험3.3.3.3.

가 시험조건 및 기준가 시험조건 및 기준가 시험조건 및 기준가 시험조건 및 기준....

나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과. (1). (1). (1). (1)

다 시험 결과다 시험 결과다 시험 결과다 시험 결과. (2). (2). (2). (2)

- 53 -

내습성시험내습성시험내습성시험내습성시험4.4.4.4.

가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준....

나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과. (1). (1). (1). (1)

다 시험 결과다 시험 결과다 시험 결과다 시험 결과. (2). (2). (2). (2)

그림 내습 시험기 요업기술원그림 내습 시험기 요업기술원그림 내습 시험기 요업기술원그림 내습 시험기 요업기술원5-3. ( )5-3. ( )5-3. ( )5-3. ( )

- 54 -

내진동성시험내진동성시험내진동성시험내진동성시험5.5.5.5.

가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준....

나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과. (1). (1). (1). (1)

다 시험 결과다 시험 결과다 시험 결과다 시험 결과. (2). (2). (2). (2)

그림 진동 시험용 지그 및 시편그림 진동 시험용 지그 및 시편그림 진동 시험용 지그 및 시편그림 진동 시험용 지그 및 시편5-4.5-4.5-4.5-4.

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내충격성시험내충격성시험내충격성시험내충격성시험6.6.6.6.

가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준....

나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과. (1). (1). (1). (1)

다 시험 결과다 시험 결과다 시험 결과다 시험 결과. (2). (2). (2). (2)

그림 내 충격 시험그림 내 충격 시험그림 내 충격 시험그림 내 충격 시험5-5.5-5.5-5.5-5.

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염수분무시험후피막접착강도시험염수분무시험후피막접착강도시험염수분무시험후피막접착강도시험염수분무시험후피막접착강도시험7.7.7.7.

가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준....

나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과. (1). (1). (1). (1)

다 시험 결과다 시험 결과다 시험 결과다 시험 결과. (2). (2). (2). (2)

그림 염수 분무 시험 요업기술원그림 염수 분무 시험 요업기술원그림 염수 분무 시험 요업기술원그림 염수 분무 시험 요업기술원5-6. ( )5-6. ( )5-6. ( )5-6. ( )

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성능 시험성능 시험성능 시험성능 시험8. Aging8. Aging8. Aging8. Aging

가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준가 시험 조건 및 기준....

나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과나 시험 결과. (1). (1). (1). (1)

다 시험 결과 내충격 시험 샘플 과 동일 샘플다 시험 결과 내충격 시험 샘플 과 동일 샘플다 시험 결과 내충격 시험 샘플 과 동일 샘플다 시험 결과 내충격 시험 샘플 과 동일 샘플. (2). (2). (2). (2)

그림 성능 시험그림 성능 시험그림 성능 시험그림 성능 시험5-7. aging5-7. aging5-7. aging5-7. aging

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제 절 개선된 센서의 종합적 특성평가제 절 개선된 센서의 종합적 특성평가제 절 개선된 센서의 종합적 특성평가제 절 개선된 센서의 종합적 특성평가2222

본 연구에서 제작한 센서 시제품에 대한 특성평가를 하고 그 결과를 그림 부터, 12

그림 까지 나타내었다 그림 는 센서의 온도특성을 나타낸 결과이고 센서의16 . 12 ,

임피던스 특성은 그림 에 나타내었다 그리고 센서의 감도특성 및 시간 축에서13 .

초음파 신호를 각각 그림 및 그림 에 나타내었다 또한 제작한 시제품의 감도14 15 .

에 대한 지향성을 측정하고 그 결과를 그림 에 나타내었다, 16 .

그리고 센서 시제품의 감도특성에 대한 지향성을 측정한 결과 수직 방향 및 수평,

방향에 대한 센서의 지향특성은 각각 약 도 및 도 정도의 지향특성을 보유하50 110

고 있는 것을 확인할 수 있었다.

본 연구에서 개발한 센서의 시제품에 대한 특성을 표 에 요약하여 나타내었다1 .

그림 온도변화에 따른 센서 시제품의 특성그림 온도변화에 따른 센서 시제품의 특성그림 온도변화에 따른 센서 시제품의 특성그림 온도변화에 따른 센서 시제품의 특성5-8.5-8.5-8.5-8.

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그림 센서 시제품의 임피던스특성그림 센서 시제품의 임피던스특성그림 센서 시제품의 임피던스특성그림 센서 시제품의 임피던스특성5-9.5-9.5-9.5-9.

그림 센서 시제품의 주파수에 따른 감도특성그림 센서 시제품의 주파수에 따른 감도특성그림 센서 시제품의 주파수에 따른 감도특성그림 센서 시제품의 주파수에 따른 감도특성5-10.5-10.5-10.5-10.

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그림 온도에 따른 센서 시제품의 잔향 진동 특성그림 온도에 따른 센서 시제품의 잔향 진동 특성그림 온도에 따른 센서 시제품의 잔향 진동 특성그림 온도에 따른 센서 시제품의 잔향 진동 특성5-11.5-11.5-11.5-11.

그림 센서 시제품의 감도에 대한 지향특성그림 센서 시제품의 감도에 대한 지향특성그림 센서 시제품의 감도에 대한 지향특성그림 센서 시제품의 감도에 대한 지향특성5-12.5-12.5-12.5-12.

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론6666

본 연구에서는 차량용 초음파센서의 신뢰성 향상을 위하여 첫째로 센서의 온도 안

정성을 위하여 온도변화에 따른 기존 센서 및 핵심소자의 특성변화를 측정하고 이,

를 보상할 수 있는 부 온도계수의 유전체 세라믹 재료를 개발하였다 또한 이를 이.

용하여 온도변화에 따른 센서의 특성 안정화 기술을 개발하고 센서 시제품에 대한,

온도특성을 측정하여 그 안정성을 검증하였다 한편 초음파 센서를 구성하는 모든.

구성 부품들의 신뢰성의 재검증을 통하여 선진국의 제품과 비교하여 동등 이상의

신뢰성을 확보 하게 되어싿.

본 연구결과를 요약하여 정리하면 아래와 같다.

기존 센서 및 핵심소자인 압전소자의 온도의존성1)

압전소자의 정전용량 변화 약 도 도 범위- : -30% ~ +40% (-40 ~ +80 )

기존센서의 정전용량 변화 약 도 도 범위- : =30% ~ +40% (-40 ~ +80 )

기존센서의 주파수특성 변화 약 도 도 범위- : +4% ~ -3% (-40 ~ +80 )

개발한 부 온도계수의 유전체 세라믹의 온도의존성2)

유전체 세라믹의 정전용량 특성 약 도 범위- : +15% ~ -13% (-40 ~ +80 )

유전체 세라믹 시트 제조를 위한 슬러리 제조 성형조건 건조 및 소결조건3) , ,

등 양산화와 관련된 제조조건을 확립하였다.

개발한 유전체 세라믹을 적용한 센서 시제품의 특성4)

정전용량의 온도특성 약 이내 도 도 범위- : =18% ~ +20% (-40 ~ +80 )

주파수 온도특성 약 이내 도 도 범위- : +2% ~ -2% (-40 ~ +80 )

작동 주파수- : 40 kHz

시간 축 신호의 안도안정성 우수- :

감도 지향성 도 수직방향 도 수직방향- : 50 ( ), 110 ( )

센서의 구성 부품의 신뢰성 검증을 통하여 센서의 사용 변수 별 사용 환경별5) ,

안정성을 크게 향상 시킬 수 있게 되었으며 나아가 제조 공정사의 수율도 향상 시,

킬 수 있었다.

본 연구를 통해 개발한 기술은 위탁기관인 요업 세라믹 기술원을 통해 온도 보상( )

케페시턴스의 조성 개발과 시제품 생산이 이루어 질수 있었으며 현재 센서텍 주 는( )

신뢰성이 향상된 자동차용 초음파 센서를 제품화 하여 현장 테스트를 학고 국내,

일반 소비자 및 자동차 산업체 등 국내외 시장에 공급하고 있는 중이다.

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빠른 시간 내에 현재 사용되는 일본산 제품의 국산화 대치가 가능할 것으로 판단되

며 향후 산업용 관련 초음파센서 및 응용부품에 대한 개발을 추진하고 관련 산업, ,

에 파급시킬 예정이다 또한 본 신뢰성 향상 과제를 통하여 고가의 센서에 대한 수.

입대체 효과 및 국외 수출로 신시장의 창출 유사한 산업용 고부가 가치의 초음파,

센서의 개발이 가능하게 되어 관련 국내 센서산업의 발전에 기여할 수 있을 것으로

기대된다.

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