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Photostrictive Actuator

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 .

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Photostrictive Actuator

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Presentation Transcript

  1. Photostrictive Actuator Kenji Uchino

  2. Actuator • Actuator는 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 Actuator이다. 압전/전왜 Actuator는 압전 재료라는 특수재료의 특성(역압전 효과) 을 이용한 Actuator이다.

  3. 우치노 교수 / Photostrictive 효과 • 우치노 교수는 무선의 리모트 컨트롤 세라믹 Actuator를 개발하기 위해서 Photostriction에 관심을 가지고 어떤 강유전체에 세라믹이 빛에 노출되었을 때 일정한 기전력이 발생되는 현상을 발견했다. • Photostrictive효과는 Photovoltaic과 역압전 효과로 설명된다. • Photostrictive Actuator  어떠한 전기의 흐름이 없이 빛에 의해 리모트 컨트롤로 활동하는 초소형 로봇을 제조할수 있다. 이런 광왜 Actuator의 특성으로 응용이 기대되는 것이 Photostrictive Actuator이다. • 우치노 교수의 압전/전왜 Actuator에 관한 연구는 정밀 절단 공구, 유압 서보 밸브, 가변형 거울과 같은 장치의 제조를 가능하게 했고, 초음파 선형모터와 금속진동판은 프린터 등에 응용된다.

  4. Abstract • Photostrictive effect = photovoltaic & piezoelectric effect • PLZT ceramics은 빛이 투사되면 큰 photostriction 특성을 보인다. -> Photostrictive actuator에 적용 가능하다. • Photostrictive actuator을 적용한 사례 - Photo-driven relays - Micro walking machines -> electric lead wires 또는 electric circuit이 없어도 빛의 투사만 있으면 움직이기 시작한다.

  5. Introduction • Photostrictive actuator는 빛의 투사하에서 동작을 시작한다. -> photo-driven micromechanics에 사용한다. • Photostrictive effect = Photovoltaic effect + Piezoelectric effect • Photovoltaic(광전지) effect : 빛의 투사를 통해 강유전체에서 전압이 발생한다. -> 빛에 의해 excited된 전자들이 자발분극에 의한 강유전체의 일정한 방향으로 움직인다. • Piezoelectric effect : 인가된 전압에 의해 물질이 확장 또는 수축한다.

  6. Photostrictive Materials • PLZT(x/y/z)의 구성공식 : • Photostrictive figure는 photovoltaic voltage와 piezoelectric coefficient를 product곱 함으로써 계산되어진다. -> 가장 좋은 특성을 가진 PLZT(3/52/48)를 선택함. • Impurity doping on PLZT은 역시 photovoltaic response에 영향을 준다. Figure 1에 366nm에서 의 조명강도하에서 1 atm%의 같은 농축으로 다양한 dopants 에서의 광전지 응답을 나타내었다. • Photostriction effect에 대하여 광전지 전압이 증가하면 광전지 전류와 함께 strain값이 증가하고 전체적인 응답이 증가하는것으로 알려져 있다.

  7. B-site에 donor 도핑을 함으로써 광전지 응답은 강화된다. • A-site에서의 불순물 도핑과 B-site에서의 acceptor 도핑은 응답에 아무런 영향을 주지 않는다.

  8. 구성이 고정되더라도 photostriction은 소결상태나 grain 크기에 의존적이다. • Figure 2는 grain 크기에 대한 photostrictive 의존성을 보여준다. • -> 놓은 밀도에서 소결되었다면 보다 작은 grain의 샘플이 더 좋다.

  9. Photostrictive Actuators • Photo-driven relay • Micro walking device

  10. Photo-driven Relay • 두개의 세라믹 판으로 구성된bimorph(driving part)와 bimorph에서 발생된 광전지힘을 상쇄시키기 위한 dummy로 이루어진다. • Dual beam method를 이용하여 교대로 bimorph와 dummy에 빛을 투사함으로써 스위칭된다. • Bimorph에서의 시간지연은 보통 off process에서 일어난다.

  11. Photo-driven Relay • Figure 4에 의 조명강도에서 도핑된 PLZT로 만들어진 photostrictive bimorph의 응답을 나타내었다. • Bimorph의 끝에서 관측된 변위의 양은 이다.

  12. Photo-driven Relay • Snap 동작 스위치는 relay를 위해 사용된다. • 이 device에서는 수십 마이크론의 변위에 의해 스위칭되는 것이 가능하다. • Photo-dirven relay의 on/off 응답을 Figure 5에 나타내었다. • 전형적인 지연 시간은 1또는 2초이다.

  13. Micro Walking Device • 플라스틱 판에 단지 두개의 세라믹 다리를 고정시킨 구조이다. • 다리에 번갈아서 빛을 투사하면 기계는 자벌레처럼 움직인다.

  14. Micro Walking Device • 다리와 바닥과의 접촉면 사이에 slip이 일어나므로 분당 수십 정도의 walking 속도가 감소된다. • Walking 속도는 장치를 이용하여 1mm/min정도 증가시킬 수 있다. • 다리의 step에 알맞은 가는 홈을 가진 발판 같은 장치를 예로 들 수 있다.

  15. Conclusion • Photostrictive actuator는 빛의 투사만으로 구동 될 수 있어서 lead wires가 연결되기 어렵고 높은 진공상태에서 사용이 적합하다. • 이런 형태의 새로운 actuator는 micromechatronics에 상당한 효과를 가질 것이다.

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