Photostrictive Actuator

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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.