일반적으로 소나에 사용되는 수신용 센서는 배경소음에 대한 이득 및 지향성 확보를 위해 일정 크기의 음향길이/면적이 필요하며, 이를 위해 단위 음향 센서가 평면 또는 곡면으로 배열된 형태가 주로 사용된다. 배열 센서를 구성하는 단위 음향 센서는 일반적으로 PZT 계열의 압전 세라믹을 하이드로폰 소자로 많이 사용한다. 압전 세라믹은 전기-기계 결합계수가 높아 고효율의 음향 센서를 설계할 수 있지만 음향 임피던스가 높아 정합이 어렵다. 또한 수신용 소자의 주요 특성인 정수압 성능지수(hydrostatic figure of merits, FOM)가 낮은 것이 단점이다. 따라서 압전 세라믹 대비 FOM이 훨씬 높고 유전 손실과 음향 임피던스가 매우 낮은 압전복합체를 하이드로폰 소자로 활용하는 방안이 적합한 대안으로 떠오르고 있다.

복합재료에 대한 연구는 대표적으로 1-3, 2-2형 압전복합체가 있으며, 이 중 1-3형 압전복합체가 특성상 다양한 장점이 있어 많이 활용되고 있다^(1~4). 1-3형 압전복합체의 음향 센서 적용 관련 연구는 다수의 기존 사례들이 있다. Bowen은 압전복합체 판넬 제작 후 트랜스듀서에 적용하여 송수신 특성을 측정하였다⁽⁵⁾. Gibiansky는 음향 특성 최대화를 위한 압전복합체의 구조 최적화에 대한 연구를 수행하였다^(6,7). 그러나 이러한 선행 연구 사례들의 경우 압전복합체 구조에 대한 분석 및 설계에 중점이 맞춰져 있다.

배열 센서를 구성하는 단위 음향 센서는 음향 수신 특성을 향상시키기 위하여 일반적으로 하드 배플이 적용된 판형 구조를 갖는 경우가 일반적이다. 하지만 이러한 판형 구조 수동센서는 배플의 진동 모드로 인한 음향 센서의 수신 특성에 왜곡이 발생한다. 특히 1-3형 압전복합체를 하이드로폰 소자로 사용하는 경우 배플에 밀착되는 구조로 설계하기 때문에 배플의 진동 모드 영향을 크게 받는다. 따라서 1-3형 압전복합체가 적용된 판형 구조 수동센서는 배플의 진동 모드 영향을 최소화 할 수 있는 방안에 대한 연구가 필요하다.

이 연구에서는 수치해석을 이용하여 판형 구조 수동센서의 배플 진동 모드 특성과 수신 전압 감도(receiving voltage response, RVS) 변화를 분석하였다. 최종적으로는 판형 구조 수동센서의 높은 수신이득 효과를 얻을 수 있는 배플 제원과 배플의 진동 모드가 발생한 주파수에서의 RVS 레벨 변화를 최소화할 수 있는 방안을 도출하였다.

1-3형 압전복합체 모델은 선행 연구 사례들을 참고하여 폴리머 모재 종류에 따른 FOM 특성 변화를 분석하고 높은 FOM과 RVS에 적합한 압전 세라믹 부피비와 폴리머 모재를 선택하였다. 압전 세라믹 삽입재로는 PZT-4를 사용하였으며, 해석에 적용한 폴리머 모재의 물성은 Table 1과 같다.

1-3형 압전복합체의 FOM은 다음과 같이 수식 (1) ~ (3)을 이용하여 계산할 수 있다^(8,9). 수식에서 d₃₁, d₃₃, d_h는 압전 변위 상수를, g_h는 정수압 압전 전압 상수를, K는 유전상수, ε₀는 진공의 유전율 값을 나타낸다.

수치해석 및 FOM 계산을 위한 1-3형 압전복합체 모델은 Fig. 1(a)와 같다. GFRP는 정수압에서의 성능을 높이고 도금 처리된 전극을 보호하기 위함이다. RVS는 Fig. 1(b)와 같이 1-3형 압전복합체에 평면파를 입사시킨 다음 압전복합체에 발생 되는 출력 전압을 이용하여 계산하였다. 먼저, 폴리머 모재의 종류와 세라믹의 부피비에 따른 FOM 계산 결과는 Fig. 2와 같다. 해석에 적용한 1-3형 압전복합체는 세라믹의 부피비가 10 %이하인 조건에서 폴리머 모재가 polyurethane B로 구성되었을 때 FOM이 가장 크다. 그러나 세라믹의 부피비가 낮을수록 1-3형 압전복합체의 정전용량이 낮아지기 때문에 수신 회로 입력단의 전기적 잡음 특성에 큰 영향을 미친다. 따라서 전기적 잡음 특성을 고려하여 최소한의 정전용량을 확보할 필요가 있었고, 또한 제작성과 수율을 고려하여 세라믹의 부피비를 30 %로 제한하였다. 이러한 경우 epoxy가 1-3형 압전복합체 해석 모델의 폴리머 모재로 가장 좋은 것을 확인하였다. 다음으로 세라믹의 부피비를 30 %로 고정하고 폴리머 모재 종류에 따른 RVS를 유한요소법을 이용하여 비교한 결과는 Fig. 3과 같다. 앞서 보인 FOM 결과와 마찬가지로 세라믹의 부피비가 30 %인 1-3형 압전복합체 모델의 폴리머 모재를 epoxy로 사용하는 경우 RVS가 가장 높고, 관심 주파수 전 대역에서 평탄한 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 이 논문에서 적용한 1-3형 압전복합체 모델은 폴리머 모재를 epoxy로 사용하여 판형 구조 수동센서 모델에 적용하였다.

Fig. 1 
Simulation model of 1-3 piezoelectric composite

Fig. 2 
FOM curves of volume ratio PZT in 1-3 composites with each polymer materials

Fig. 3 
RVS curves of 1-3 composites with each polymer materials

다음으로 유한요소 해석 결과의 타당성을 검증하기 위해 1-3형 압전복합체 시편을 제작하고, 특성을 측정하였다. 앞서 설계된 1-3형 압전복합체는 사출 금형 방법을 이용하여 제작하였으며, 제작된 1-3형 압전복합체는 Fig. 4와 같다. 1-3형 압전복합체의 공기 중 임피던스를 서로 비교하기 위해 유한요소 해석을 수행하였고, 제작된 1-3형 압전복합체 시편의 전기-기계 임피던스 크기 및 위상은 임피던스 분석기(4294A, agilent) 이용하여 전기-기계 임피던스를 측정하였다. 유한요소법으로 분석된 압전복합체의 임피던스와 제작된 시편으로 측정된 임피던스를 비교하여 그림 5에 나타내었다. Fig. 5(a)는 공기 중 전기-기계 임피던스의 크기, (b)는 공기 중 임피던스의 위상을 비교하여 나타낸 스펙트럼이다. 비교 결과, 전 주파수 영역에서 유한요소 해석 결과와 시편의 측정 결과가 공진주파수 기준 각각 20 417와 20 381이고 오차는 0.17 %로 거의 일치함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 앞서 분석된 유한요소 해석 결과의 타당성을 검증할 수 있었다. 따라서 압전 복합체와 배플로 구성된 판형 수동센서의 RVS 특성도 유한요소법을 이용하여 분석하였다.

Fig. 4 
Manufactured 1-3 piezoelectric composite pannel

Fig. 5 
Measurement and simulation results of 1-3 piezoelectric composite

1-3형 압전복합체가 적용된 판형 구조 수동센서는 배플의 진동 모드로 인해 음향 수신 특성이 왜곡되는 현상을 고려해야 한다. 이 논문에서는 유한요소해석을 통해 배플의 폭, 길이, 두께와 1-3형 압전복합체 간 간격을 변경하여 판형 구조 수동센서의 수신 특성 변화를 분석하였다. 이를 통해 배플의 진동 모드로 인해 발생하는 RVS 레벨 변화를 최소화할 수 있는 방안에 대해 검토하였다. 해석 결과 기존의 판형 구조 수동센서 모델은 배플의 폭과 두께가 충분히 확보되어야 높은 수신이득 효과를 얻을 수 있다. RVS 레벨 변화는 1-3형 압전복합체 간 간격 변경으로 줄일 수 있는 것을 확인하였다. 결론적으로 평균효과를 높일 수 있도록 다수의 1-3형 압전복합체를 배열 구조로 적용하는 방법을 유추하였고 개선된 모델에 적용한 결과 배플의 진동 모드로 인해 발생하는 RVS 레벨 변화를 최소화할 수 있음을 확인하였다.