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기술번호
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KST2014066885
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자료제공기관
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미래기술마당
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기술공급기관
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고려대학교
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기술명
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무연 압전 세라믹스를 이용한 자동차용 친환경 노킹 센서 제조 기술
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기술개요
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본 발명의 적층 액츄에이터용 압전체 및 이의 제조방법에 관한 것으로 (1-x)Pb(Zr0.47Ti0.53)O3-xPb((Ni1-yZny)1/3Nb2/3)O3(상기 x는 0.1003c#x003c#0.5이며, y는 0.1003c#y≤0.9인 정수임)로 표시되는 혼합물에 산화구리(CuO)가 0.1 내지 10 몰%로 첨가됨으로써, 1000 ℃이하의 저온에서 소결이 가능하며 높은 압전 변형 상수 및 낮은 유전율을 갖는다.
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개발상태
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기능 및 개념 검증
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기술의 우수성
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1) 무연 압전 세라믹스는 크게 (Na,K)NbO3(NKN)계열 세라믹스와 Bi-perovskite 계열을 들 수 있다. Bi-perovskite 계열의 압전 세라믹의 경우 Tc가 약 200도 정도로 매우 낮아서 고온이 발생하는 엔진 부에 장착하기 힘들다.
2) 따라서 NKN 계열의 세라믹스가 knock 센서용 PZT 세라믹스를 대체하기에 적합하다. 특히 NKN 세라믹스는 높은 g33와 Qm을 가지고 있고, PZT 세라믹스에 비하여 월등히 높은 Tc(400oC)를 가지고 있어서, 이를 이용해 기존의 PZT knock 센서에 비해 우수한 특성을 가지는 knock 센서를 개발 할 수 있다.
3) 따라서 본 과제에서는 NNK 계열의 무연 압전 세라믹스를 이용하여 프로토 타입의 knock 센서를 제작하여 상용화 가능 여부를 판단 하고자 한다.
4) Knock 센서의 성능을 나타내는 주요 지표로는 (1) Sensitivity, (2) Tolerance 및 (3) aging 효과 등 3가지가 있으며, 이들 3 인자들과 압전 특성의 상관관계는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
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응용분야
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1) 자동차용 압전 knocking 센서는 압전 세라믹에 기계적 진동이 가해지면 이를 전기적 신호로 변화하여 측정하는 진동 센서의 일종이다. 특히 압전체를 이용하여 진동 센서를 제작할 경우, 저주파 대역의 일반 진동부터 고주파 대역의 초음파 까지 모두 측정이 가능하여 초음파 센서 에도 사용이 가능하다. 이러한 압전 진동 및 초음파 센서는 사용 추파수에 따라 건물 및 배관의 결함이나 누수 감지에 사용되거나, 유량 및 초음파 센서 로 사용이 가능하다. 뿐만 아니라, 압전 진동 센서 제품은 자동차 분야에도 사용될 수 있으며, 자동차 내에는 knocking 센서 이외에 다양한 압전 센서가 사용된다.
- 그 예로, 타이어 공기압 센서, 엔진 유량 센서, 가속도 센서 및 자동차 후방 감지 센서 등이 있다.
2) 따라서 무연 압전 knocking 센서의 개발을 통해, 관련 기술을 압전 초음파 센서 제품을 비롯한 압전 진동 센서 제품에 광범위 하게 적용하는 것이 가능하며, 각종 자동차용 센서 분야 에서도 활용이 가능하다.
3) 이러한 압전 세라믹은 반대로 전기적 신호를 기계적 신호로 변환 할 수 있다. 이러한 기계적 진동의 주파수를 조절하면 초음파를 발생할 수 있는데 이를 이용하여 의료 분야에도 적용이 가능하다. 실제로 초음파 세척기 및 치과용 초음파 스케일링 장비 등에 압전 세라믹이 사용되고 있다.
4) 최근에는 의료 기기라는 본연의 목적에 부합하기 위하여 사용 되는 압전 세라믹을 무연 압전 세라믹으로 대체하기 위한 연구가 관심을 받고 있다.
5) 결론적으로 본 과제를 통해 자동차용 knocking 센서 및 그를 위한 무연 압전 세라믹이 개발되면, 다양한 분야의 압전 진동 및 초음파 센서와 각종 의료 기기에 바로 적용이 가능하다. 즉, 압전 센서 기술, 자동차 기술, 의료기기 기술에 확장이 가능하며 이를 통합한 매우 큰 시장을 형성할 수 있을 것으로 판단된다.
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시장규모 및 동향
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1) 2017년 기준으로 센서 시장은 약 1200억 달러에 이르는 거대 시장으로 성장할 것으로 판단되며, 국내 규모도 2020년 까지 99억 달러에 이르는 시장을 형성할 것으로 생각된다. 물론 자동차용 knocking 센서 시장은 이 중의 일부 이지만 knocking 센서 기술을 통해 파생되는 다른 센서 기술이 무궁무진 하므로 신제 시장 규모 보다 더 큰 시장을 형성할 수 있다.
2) 다만, 국가별 센서 기술 수준을 나타내는 표에서 보듯이 한국은 전반적인 기술 수준, 특히, 소재 기술 수준이 매우 열악한 것을 알 수 있다.
3) 따라서 소재 기술에 관한 투자가 절실한 실정이다. 뿐만 아니라 knocking 센서를 비롯한 각종 센서 기술은 기술 집약적 분야로써 높은 기술 진입장벽을 가져 신규 시장 진입이 어렵다. 따라서 무연 압전 세라믹 기술의 확보로 무연 knocking 센서 기술을 상용화함으로써 신규 시장을 선점할 수 있고 선점자가 진입 장벽을 쌓을 수 있다는 장점이 있다.
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희망거래유형
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사업화적용실적
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도입시고려사항
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