압전소자 구동기의 이력과 크립 현상의 분석 및 응용에 관한 연구

Abstract

빠른 응답 특성, 높은 분해능을 갖는 압전소자(PZT : Piezo electric Transducer) 구동기는 초정밀 구동기의 핵심 요소로 많은 연구자들에 의해 연구되어 왔다. 그러나, 현재 압전소자 구동기는 압전소자 자체가 가지고 있는 비선형성, 특히 히스테리시스(hysteresis : 입력과 출력 변위 사이의 비선형성을 갖는 현상))와 크립(Creep : 일정 입력에 대해 시간에 따라 변위가 변하는 현상)현상에 의해 고가의 초정밀 위치센서를 이용한 피드백 제어 없이는 그 응용에 한계를 갖는 단점을 갖는다. 압전소자의 응용 범위가 늘어감에 따라 압전소자 자체의 비선형성을 분석하여 고가의 초정밀 위치 센서 없이 구동할 수 있는 많은 연구가 이루어지고 있다. 그러나 대부분의 연구는 비선형성 중 히스테리시스 특성만을 고려하고 크립 특성을 고려하지 않음으로 해서 실제적인 사용에는 큰 도움을 주지 못하고 있다. 실제로 일정 시간동안 정확한 위치로 측정물을 고정시켜주는 작업은 많은 초정밀 구동 시스템에서 반드시 필요한 부분임에도 불구하고 이에 대한 연구는 거의 없는 상황이다. 이에 본 연구에서는 압전소자의 히스테리시스와 크립에 대한 실험적인 접근을 통해 그 패턴을 분석하고 이를 바탕으로 센서의 도움없이 압전소자의 입력 전압만을 제어함으로써 압전소자의 비선형성을 없애고 선형적으로 구동하는 것을 목적으로 한다. 본 연구에서는 압전소자 구동기의 루프 실험을 통해 압전소자 구동기의 변위 뿐만 아니라 크립도 히스테리시스 특성을 갖음을 증명하고 프라이자 모델을 이용하여 임의의 입력에 대해서도 압전소자 구동기의 변위와 시간에 따른 추이를 추정하였다. 또, 이를 응용하여 압전소자의 변위가 일정할 때 입력전압이 변위의 크립과 유사한 패턴을 갖으며 드리프트를 하는 현상을 발견하고 이 현상의 히스테리시스를 규명하여 이를 개루프 압전소자 구동에 이용하였다. 이렇게 입력전압이 흐르는 현상을 "Voltage creep"이라 명명하고 이 현상도 히스테리시스 특성을 갖음을 증명하여 프라이자 모델을 이용하여 임의의 목적 변위에 대해서 입력 전압을 추정하고 이를 압전소자 구동기에 가함으로써 압전소자 구동기를 이력과 크립 없이 구동하는 실험에 성공하였다. 이를 초정밀 표면 측정 장치의 스캐너에 가장 많이 쓰이지만 그 변위 측정이 용이하지 않은 튜브형 압전소자에 이를 이용하여 구동하고 마지막으로 앞서 구한 이력곡선을 이용하여 AFM의 이미지 왜곡 현상을 보정하였다.