정밀 가공장비에 필요한 빠른 응답성과 작은 분해능을 갖춘 피에조 액추에이터

피에조 방식의 원리

피에조 세라믹과 같은 압전체에 압력을 가하게 되면, 전기가 생성되는 압전효과가 발생하는데, 이 압전효과를 역으로 이용해 전기장을 인가할 시 전체 변위량을 제어하는 기술이 피에조 방식 정밀 이송기술의 기본 원리가 된다.

한편, 피에조 세라믹은 PZT라고 불리는 티탄산지르콘산납을 주 원료로 삼고 있는데, 이는 피에조 액추에이터와 스테이지 등과 같은 정밀 이송기기의 핵심 부품이다.

피에조 적층형 액추에이터

피에조 적층형 액추에이터란 피에조 세라믹을 ㎛ 수준으로 얇게 수백 겹 적층한 후, 그 사이에 전극을 심어 단방향의 변위량 효율을 극대화시키는 액추에이터다.

이러한 피에조 적층형 액추에이터는 피에조 방식 정밀 이송 기술의 핵심 부품이며, 다양한 정밀 산업 분야에서 활용되고 있다.

피에조 액추에이터의 주요 활용 사례

급속 이송 공구대 FTS(Fast Tool Servo)

최대 수십 kN의 힘을 발생시키고, 수십 kHz의 공진 주파수를 갖고 있는 피에조 적측형 액추에이터는 강한 힘과 빠른 속도가 요구되는 정밀 가공장비에 사용되기도 한다.

이에 대한 사례로 광학 필름이나 금속 표면에 아주 작은 패턴을 내는 작업인 마이크로 패터닝 및 나노 패터닝에 사용되는 급속 이송 공구대 FTS에 피에조 적층형 액추에이터가 보다 작고 정밀한 패턴을 형성하기 위해 적용되는 것을 들 수 있다.

FTS 가공부에 있는 다이아몬드 팁은 액추에이터 끝단에 연결되어 액추에이터가 고속 구동과 제품 표면 가공을 수행하도록 지원한다.

기존의 보이스 코일 액추에이터가 초고속 속도를 구현하지 못해 피에조 액추에이터가 적용되었는데, 이로 인해 총 행정거리 수 ㎛ 영역에서 수 kHz까지의 빠른 다이나믹 구동이 가능해졌다.

한편, 이와 같은 피에조 액추에이터 적용은 사용자가 더욱 미세한 패턴을 제품 표면에 새겨 양질의 결과물을 창출할 수 있도록 도울 뿐만 아니라 빠른 구동 속도를 통한 생산 시간 절약과 효율적 공정 실현 또한 지원한다.

방전가공 EDM(Electric Discharge Machine)

제품 개발 소형화 경향에 맞춰 ㎛ 단위로 가공되는 정밀 부품 생산이 화두로 떠오르고 있다.

이 같은 이슈 속에서 전기 절연성 액체 내에 있는 피가공재와 전극 간에 펄스상 방전 전압을 적용해 생성되는 불꽃 방전을 반복한 후, 피가공재를 전극에 맞게 제거해 형상을 만드는 가공 방법인 방전가공 EDM은 피에조 액추에이터를 진동 스핀들에 적용해 기존의 EDM이 하지 못했던 초정밀 가공과 빠른 가공 속도 구현에 성공했다.

이러한 EDM을 이용한 정밀 가공 기술의 대표적 사례로 독일에 있는 연구소인 ICT-IMM(Institute for Microtechnology in Mainz)이 Die-Sinking EDM에 진동 드릴링 스핀들을 적용한 것을 들 수 있다.

ICT-IMM의 예를 보게 되면, 위에 있는 사진이 나타내는 것처럼 피에조 액추에이터가 진동 스핀들에 삽입된 후, 진동을 통해 초정밀 드릴링을 구현했음을 알 수 있다.

피에조 액추에이터는 전압이 인가되었을 때 진동을 시작하는 동시에 스핀들에 진동을 전달하는데, 피에조 세라믹이 가지고 있는 특성을 통해 수백, 수 킬로 Hz에 이르는 초고속 진동을 발생시킬 수 있어 정밀 가공에 적합하다.

한편, 단순히 전압만을 받아 움직이는 피에조 액추에이터의 경우, 별도의 기계적 부속 부품 없이도 구동을 수행할 수 있는데다가 영구에 가까운 수명과 작은 부피를 가지고 있어 가공 장비 소형화에 적합하다.

게다가 이러한 피에조 액추에이터는 강한 힘을 낼 수 있어 스핀들의 무게에 의한 제약을 받지 않은 채 구동을 수행할 수 있다는 장점 또한 갖추고 있다.

최근 제품 소형화와 더불어 이에 맞는 가공장비에 대한 요구가 증가함에 따라 여러 방식의 정밀 가공장비에 대한 수요가 증가하고 있는데, 이로 인해 sub-nm의 분해능과 sub-ms의 반응 속도를 갖춘 피에조 액추에이터가 초정밀 가공 분야에 다양한 방식으로 적용될 것으로 전망된다.

이와 같은 추세 속에서 오랜 기간 피에조 액추에이터를 생산해 온 PI는 수 십 년 동안 쌓아 온 자사의 노하우를 기반으로 해 고객에게 필요한 피에조 액추에이팅 시스템과 정밀 이송 기술을 제공하고 있다.

자료제공 | PI Korea(www.pikorea.co.kr)