Photostrictive Actuator

Kenji Uchino

Actuator

Actuator 는 우리가 흔히 접하는 압전재료로 구성되었다 .

압전현상이란 압전재료에 힘을 가해 재료를 변형시키면 전하가 유기되는 현상

라이터 , 가스레인지의 점화장치

반대로 이재료에 전기를 가하면 재료의 변형이 일어나는 것을 역압전현상이라 한다 .

대표적 응용품 가습기

이런 역압전 현상을 이용한 대표적인 응용품이 Actuator 이다 . 압전 / 전왜 Actuator 는 압전 재료라는 특수재료의 특성 ( 역압전

효과 ) 을 이용한 Actuator 이다 .

우치노 교수 / Photostrictive 효과

우치노 교수는 무선의 리모트 컨트롤 세라믹 Actuator 를 개발하기 위해서 Photostriction 에 관심을 가지고 어떤 강유전체에 세라믹이 빛에 노출되었을 때 일정한 기전력이 발생되는 현상을 발견했다 .

Photostrictive 효과는 Photovoltaic 과 역압전 효과로 설명된다 .

Photostrictive Actuator 어떠한 전기의 흐름이 없이 빛에 의해 리모트 컨트롤로 활동하는

초소형 로봇을 제조할수 있다 . 이런 광왜 Actuator 의 특성으로 응용이 기대되는 것이 Photostrictive Actuator 이다 .

우치노 교수의 압전 / 전왜 Actuator 에 관한 연구는 정밀 절단 공구 , 유압 서보 밸브 , 가변형 거울과 같은 장치의 제조를 가능하게 했고 , 초음파 선형모터와 금속진동판은 프린터 등에 응용된다 .

Abstract

Photostrictive effect = photovoltaic & piezoelectric effect

PLZT ceramics 은 빛이 투사되면 큰 photostriction 특성을 보인다 . -> Photostrictive actuator 에 적용 가능하다 .

Photostrictive actuator 을 적용한 사례 - Photo-driven relays - Micro walking machines -> electric lead wires 또는 electric circuit 이 없어도 빛의 투사만 있으면 움직이기 시작한다 .

Introduction

Photostrictive actuator 는 빛의 투사하에서 동작을 시작한다 . -> photo-driven micromechanics 에 사용한다 .

Photostrictive effect = Photovoltaic effect + Piezoelectric effect

Photovoltaic( 광전지 ) effect : 빛의 투사를 통해 강유전체에서 전압이 발생한다 . -> 빛에 의해 excited 된 전자들이 자발분극에 의한 강유전체의 일정한 방향으로 움직인다 .

Piezoelectric effect : 인가된 전압에 의해 물질이 확장 또는 수축한다 .

Photostrictive Materials PLZT(x/y/z) 의 구성공식 :

Photostrictive figure 는 photovoltaic voltage 와 piezoelectric coefficient 를 product 곱 함으로써 계산되어진다 .

-> 가장 좋은 특성을 가진 PLZT(3/52/48) 를 선택함 .

Impurity doping on PLZT 은 역시 photovoltaic response 에 영향을 준다 . Figure 1 에 366nm 에서 의 조명강도하에서 1 atm% 의 같은 농축으로 다양한 dopants 에서의 광전지 응답을 나타내었다 .

Photostriction effect 에 대하여 광전지 전압이 증가하면 광전지 전류와 함께 strain 값이 증가하고 전체적인 응답이 증가하는것으로 알려져 있다 .

• B-site 에 donor 도핑을 함으로써 광전지 응답은 강화된다 .• A-site 에서의 불순물 도핑과 B-site 에서의 acceptor 도핑은

응답에 아무런 영향을 주지 않는다 .

• 구성이 고정되더라도 photostriction 은 소결상태나 grain 크기에 의존적이다 .

• Figure 2 는 grain 크기에 대한 photostrictive 의존성을 보여준다 . -> 놓은 밀도에서 소결되었다면 보다 작은 grain 의 샘플이 더 좋다 .

Photostrictive Actuators

Photo-driven relay

Micro walking device

Photo-driven Relay

두개의 세라믹 판으로 구성된bimorph(driving part) 와 bimorph 에서 발생된 광전지힘을 상쇄시키기 위한 dummy 로 이루어진다 .

Dual beam method 를 이용하여 교대로 bimorph 와 dummy 에 빛을 투사함으로써 스위칭된다 .

Bimorph 에서의 시간지연은 보통 off process 에서 일어난다 .

Photo-driven Relay

Figure 4 에 의 조명강도에서 도핑된 PLZT 로 만들어진 photostrictive bimorph의 응답을 나타내었다 .

Bimorph 의 끝에서 관측된 변위의 양은 이다 .

Photo-driven Relay

Snap 동작 스위치는 relay를 위해 사용된다 .

이 device 에서는 수십 마이크론의 변위에 의해 스위칭되는 것이 가능하다 .

Photo-dirven relay 의 on/off 응답을 Figure 5 에 나타내었다 .

전형적인 지연 시간은 1또는 2 초이다 .

Micro Walking Device

플라스틱 판에 단지 두개의 세라믹 다리를 고정시킨 구조이다 .

다리에 번갈아서 빛을 투사하면 기계는 자벌레처럼 움직인다 .

Micro Walking Device

다리와 바닥과의 접촉면 사이에 slip 이 일어나므로 분당 수십 정도의 walking 속도가 감소된다 .

Walking 속도는 장치를 이용하여 1mm/min정도 증가시킬 수 있다 .

다리의 step 에 알맞은 가는 홈을 가진 발판 같은 장치를 예로 들 수 있다 .

Conclusion

Photostrictive actuator 는 빛의 투사만으로 구동 될 수 있어서 lead wires 가 연결되기 어렵고 높은 진공상태에서 사용이 적합하다 .

이런 형태의 새로운 actuator 는 micromechatronics에 상당한 효과를 가질 것이다 .