KR100342302B1

KR100342302B1 - Multi-layered actuator and fabricating method therefor

Info

Publication number: KR100342302B1
Application number: KR1020000004516A
Authority: KR
Inventors: 박호근; 엄우식; 송준광
Original assignee: 유니썸테크놀로지 주식회사; 이 해 욱; 주식회사 메타텍
Priority date: 2000-01-29
Filing date: 2000-01-29
Publication date: 2002-07-02
Also published as: KR20000018269A

Abstract

본 발명은 저전압 구동이 가능한 적층형 액추에이터 소자를 제조하는 것에 관한 것으로, 얇은 압전체 층을 여러 장을 적층하고 관통홀을 통해 내부 전극을 연결함으로, 스트레스를 완화시키면서도 저전압 구동이 가능한 경박 단소화된 소형의 액추에이터 소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the manufacture of a laminated actuator device capable of low voltage driving. The present invention relates to stacking a plurality of thin piezoelectric layers and connecting an internal electrode through a through hole, thereby reducing the stress and reducing the voltage of the device. It relates to an actuator element and a method of manufacturing the same.

특히 세라믹 압전체를 얇은 시트로 제조하고 압전체 시트에 관통홀을 형성하고 스크린 프린팅을 하여 내부 전극과 관통홀을 통한 전극 결선을 동시에 제조한 후 이를 적층하고 압전체와 내부 전극을 동시에 소성함으로 제조 공정이 단순화되고 안정된 전기적 특성을 가지는 소형의 액추에이터 소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.In particular, the ceramic piezoelectric body is made of a thin sheet, through-holes are formed in the piezoelectric sheet, and screen printing is performed to simultaneously manufacture the electrode connection through the internal electrode and the through-hole, and then laminate them and sinter the piezoelectric material and the internal electrode at the same time to simplify the manufacturing process. The present invention relates to a small actuator element having stable and stable electrical characteristics and a method of manufacturing the same.

Description

Multi-layered actuator element and its manufacturing method {Multi-layered actuator and fabricating method therefor}

본원 발명은 광학, 천문학 또는 정밀 가공 등의 분야에서 초미세 크기로 광로 길이나 위치를 제어할 수 있는 미세변위소자중 적층형 액추에이터에 관한 것으로 얇은 두께의 시트를 여러 장 적층하여 저전압하에서도 구동이 가능한 적층형 액추에이터 소자의 제조 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 특히 얇은 두께의 시트를 여러 장 적층하고 시트내의 관통홀을 통해 내부 전극을 연결함으로 압전층을 가능한 얇게 제조하여 저전압 구동이 가능하게 함을 그 특징으로 한다.The present invention relates to a laminated actuator of microdisplacement elements that can control the length or position of an optical path in an ultra-fine size in the fields of optics, astronomy, or precision machining, and is capable of driving under low voltage by stacking several sheets of thin thickness. The present invention relates to a multilayer actuator device and a method of manufacturing the same. In particular, by stacking a plurality of sheets of thin thickness and connecting the internal electrode through the through-hole in the sheet is characterized in that the low-voltage driving is possible by making the piezoelectric layer as thin as possible.

일반적으로 압전 액추에이터로는 단판형이 사용되어 왔으며 최근에는 바이몰프형과 적층형 액추에이터가 주로 사용되고 있다. 바이몰프형은 압전 박막 두장을 접촉시키고 전압을 인가하여 발생하는 굴곡 변위를 이용하는 방식으로, 변위의 확대율은 큰 반면 발생력과 응답 주파수가 낮다. 적층형 액추에이터는 압전체를 수층또는 수십층 적층하여 제작되며 바이몰프형에 비해 변위의 크기는 작으나 발생력이 크고 응답 속도가 빠르며 내구성이 우수하다는 장점이 있기 때문에 응용범위가 확대되고 있다.In general, a single plate type has been used as a piezoelectric actuator, and in recent years, bimorph and stacked actuators have been mainly used. The bimorph type uses a bending displacement generated by contacting two piezoelectric thin films and applying a voltage. The bimorph type has a high magnification of displacement but a low generation force and a response frequency. Stacked actuators are manufactured by stacking a plurality of layers or dozens of piezoelectric elements, and have a small displacement, but have a high generation force, a high response speed, and excellent durability, compared to the bimorph type.

이러한 적층형 액추에이터에 사용되는 구조는 부분 전극형과 전면 전극형의 두 가지이다. 이들 구조를 도1에 나타내었다. 도1의 (가), (나)는 스택형(Stack type)의 부분 전극형으로 내부 전극(11)과 외부 전극(12)이 결선되지 않도록 내부 전극을 부분 전극으로 형성시킨다. 따라서 전극이 없는 부분에서는 전압이 인가되어도 변위가 발생하지 않아 스트레스가 발생되는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하고자 제안된 도1(다)의 전면 전극형은 내부 전극(11)을 전체 면에 형성시켜 스트레스 발생을 제거하였으며 내부 전극과 외부 전극(12) 사이에 절연층(14)을 형성시켜 결선을 억제하도록 하였다. 도1(다)의 구조는 외부 절연층(14)의 형성하는 공정이 포함되는 단점이 있으나 절연층간의 거리가 충분할 경우 즉, 압전체(13)의 두께가 두꺼운 경우에는 매우 우수한 구조이다. 그러나 이 구조는 압전체의 두께가 감소하는 경우 절연층의 형성이 어려워져 두께를 감소시키는데 한계가 있는 문제점이 있다.There are two structures used for such a stacked actuator, a partial electrode type and a front electrode type. These structures are shown in FIG. 1A and 1B illustrate a partial electrode type of a stack type, in which the internal electrode is formed as a partial electrode so that the internal electrode 11 and the external electrode 12 are not connected. Therefore, there is a disadvantage in that the stress does not occur in the absence of the electrode does not occur displacement even when voltage is applied. In order to overcome this drawback, the front electrode type of FIG. 1 (C) proposed to remove the stress by forming the inner electrode 11 on the entire surface and to form the insulating layer 14 between the inner electrode and the outer electrode 12. To inhibit the wiring. The structure of FIG. 1 (c) has a disadvantage in that the process of forming the outer insulating layer 14 is included. However, when the distance between the insulating layers is sufficient, that is, when the thickness of the piezoelectric element 13 is thick, the structure is excellent. However, this structure has a problem in that when the thickness of the piezoelectric body is reduced, it is difficult to form the insulating layer, thereby reducing the thickness.

또한 전면 전극형은 스트레스는 완화시키나 외부 절연층을 형성하는 공정이 포함되는 등 그 제조 공정이 복잡해지는 문제점이 있다.In addition, the front electrode type has a problem that the manufacturing process is complicated, such as to reduce the stress but to form an external insulating layer.

상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 얇은 압전체 층을 여러 장을 적층하고 관통홀을 통해 내부 전극을 연결함으로, 스트레스를완화시키면서도 저전압 구동이 가능한 경박 단소화된 소형의 액추에이터 소자를 제조하는 데 있다. 또한 이러한 복합소자를 제조하기 위한 제조 방법을 제공하는 데 본 발명의 목적이 있다.An object of the present invention for solving the conventional problems as described above is by stacking a plurality of thin piezoelectric layer and connecting the internal electrodes through the through-holes, the light and short sized compact actuator capable of low voltage driving while reducing stress In manufacturing the device. It is also an object of the present invention to provide a manufacturing method for manufacturing such a composite device.

즉, 세라믹 압전체를 얇은 시트로 제조하고 압전체 시트에 관통홀을 형성하고 스크린 프린팅을 하여 내부 전극과 복수의 관통홀을 통한 시트 결선을 동시에 제조한 후 이를 적층하고 압전체와 내부 전극을 동시에 소성함으로 제조 공정이 단순화되고 안정된 전기적 특성을 가지는 소형의 액추에이터 소자를 제조하는 데 본 발명의 목적이 있다.That is, the ceramic piezoelectric body is made of a thin sheet, through-holes are formed in the piezoelectric sheet, and screen printing is performed to simultaneously manufacture the sheet connection through the inner electrode and the plurality of through-holes, and then stack them, and then fire the piezoelectric body and the inner electrode at the same time. It is an object of the present invention to fabricate a compact actuator element having a simplified process and stable electrical properties.

도 1 종래의 적층형 액추에이터 구조1 is a conventional stacked actuator structure

도 2 내지 도 6 본 발명에 의한 적층형 액추에이터 제조도2 to 6 the manufacturing method of the stacked actuator according to the present invention

상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 액추에이터 소자는 소자 특성에 맞추어 제조된 일정 조성의 슬러리를 닥터 블레이드법등을 이용하여 얇은 시트(sheet)로 만들고 시트에 결선용 관통홀을 복수개 형성하며, 관통홀이 형성된 시트 위에 각 시트가 관통홀 내의 전극을 통해 교대로 전기적으로 연결되도록 내부 전극과 관통홀내 결선용 전극을 스크린 프린팅법으로 인쇄하며, 내부 전극이 인쇄된 시트를 원하는 층 수로 적층하고 압전체 층을 내부 전극과 동시에 소성하여 단일 소체로 제조한 후, 원하는 형태로 외부 전극을 형성하여 제조한다.Actuator device according to the present invention for solving the object as described above is a slurry made of a certain composition prepared according to the device characteristics by using a doctor blade method, such as a thin sheet (sheet) to form a plurality of through holes for the connection in the sheet On the sheet on which the through-holes are formed, the inner electrodes and the wiring electrodes in the through-holes are printed by screen printing so that each sheet is electrically connected alternately through the electrodes in the through-holes, and the sheets on which the inner electrodes are printed are laminated in the desired number of layers. The piezoelectric layer is fired at the same time as the inner electrode to produce a single body, and then formed by forming the outer electrode in a desired form.

본 발명에 따른 액추에이터 소자의 제조에 관한 실시예를 하기에서 보다 상세하게 살펴본다.An embodiment of manufacturing an actuator device according to the present invention will be described in more detail below.

상기와 같은 액추에이터 소자의 제조과정을 도면을 참조하여 하기에서 보다 상세하게 살펴본다. 도 2는 본 발명에 의한 단위 소자당 4개의 관통홀을 갖는 적층형 액추에이터 소자를 제조하는 과정을 단계별로 나타낸 단면도와 측면도이다.The manufacturing process of the actuator device as described above will be described in more detail below with reference to the drawings. Figure 2 is a cross-sectional view and side view showing a step-by-step process of manufacturing a stacked actuator device having four through holes per unit device according to the present invention.

적층형 액추에이터 분말은 공업용으로 시판하고 있는 PZT 원료 분말을 사용하거나, PbO, ZrO2, TiO2의 원료 분말에 첨가제로 NiO, Nb2O5, CdO, BaCO3, ZnO등을 소량 첨가 한 후, 적정량의 물 또는 알코올을 용매로 약 24시간 밀링(Milling)을 통해 혼합시키고, 이 혼합물을 120℃를 유지하는 건조기에서 완전 건조한 후 약 850℃에서 2시간 정도 하소 과정을 거쳐 합성한 PZT 분말을 사용한다.Multi-layered actuator powder uses PZT raw material commercially available for industrial use or a small amount of NiO, Nb2O5, CdO, BaCO3, ZnO, etc. is added to PbO, ZrO2, TiO2 raw material powder, and then a suitable amount of water or alcohol is used as a solvent. PZT powder was mixed by milling for 24 hours, and the mixture was completely dried in a dryer maintaining 120 ° C. and then calcined at about 850 ° C. for 2 hours.

상기와 같은 분말에 성형을 용이하게 하기 위한 첨가제로 PVB계 바인더(Binder)를 원료 분말 대비 약 8wt% 정도 칙량한 수 톨루엔/알코올(Toluene/alcohol)계 솔벤트(Solvent)에 용해시킨 후 소형 볼 밀(Ball milling)로 약 24시간 동안 밀링(Milling) 및 혼합하여 적층형 액추에이터용 슬러리(Slurry)를 제조하고 이러한 슬러리를 이용하여 닥터 블레이드(Doctor blade)나 테이프 캐스팅(Tape casting)등의 방법으로 두께 약 10∼300 μm 정도의 성형 시트(Green sheet, 21)를 제조한다.Small ball mill after dissolving PVB-based binder in water toluene / alcohol-based solvent, which is about 8wt% of raw material powder, as an additive to facilitate molding to such powder. (Ball milling) milling and mixing for about 24 hours to produce a slurry for the laminated actuator (slurry) and using the slurry, such as doctor blade (Tator blade) or tape casting (Tape casting) A molded sheet (Green sheet, 21) of about 10 to 300 μm is prepared.

상기와 같이 제조된 성형 시트(21)에 한 개의 단위 소자(31)에 4개의 관통홀을 형성하기 위해 홀 펀처(Hole puncher)를 이용하여 도3과 같이 절단선(32)이 형성된 일정 형태의 영역 내에 4개의 관통홀(33)을 형성시키며, 이때 관통홀의 직경은 약 100∼200 μm 정도가 되도록 하며 관통홀의 위치는 성형 시트의 외간에 대칭이 되도록 형성한다.In order to form four through holes in one unit element 31 in the molded sheet 21 manufactured as described above, a cutting line 32 is formed as shown in FIG. 3 using a hole puncher. Four through holes 33 are formed in the area, where the diameter of the through holes is about 100 to 200 μm and the positions of the through holes are formed to be symmetrical between the outer sides of the molded sheet.

상기와 같이 복수의 관통홀이 형성된 시트는 Ag/Pd계 페이스트(Paste)를 스크린 프린팅법으로 도4와 같이 인쇄하여 내부 전극(41)과 관통홀 내부에 결선용 전극(42)을 형성한다. 내부 전극은 각 시트에 형성된 관통홀중 1/2개와는 직접 접촉하며 나머지 1/2의 관통홀과 내부 전극 사이에는 틈을 형성하여 절연(43)시키며, 내부 전극을 프린팅할 때 시트에 형성되어 있는 관통홀 내부로 전극 페이스트가 들어가 관통홀 내부에도 전극이 형성되게 제1 시트(44)를 제조한다. 또한 상기의 형태로 제조된 시트의 내부 전극과 관통홀의 접촉(45)/절연(46)이 대칭되는 형태로 페이스트를 인쇄하여 제2 시트(47)를 제조한다. 즉, 제1 시트는 한 단위 소자에 형성된 관통홀 4개중 대각선으로 대칭이 되는 관통홀과는 직접 접촉(42)하며 나머지 2개의 관통홀과는 관통홀과 내부 전극 사이에 틈을 주어 절연(43)이 되도록 형성하고, 제2시트는 관통홀과 내부 전극의 접촉(45)/절연(46)이 제1시트와 대칭되게 제조하며, 제1,2 시트의 내부 전극 프린팅시에 관통홀 내에도 전극이 형성되도록 스크린 패턴을 설계하여 한 번의 작업에 의하여 내부 전극 형성과 동시에 관통홀 내에 전극이 삽입되도록 한다.As described above, the sheet in which the plurality of through holes is formed is printed by Ag / Pd paste as shown in FIG. 4 to form the internal electrode 41 and the wiring electrode 42 inside the through holes. The inner electrode is in direct contact with one-half of the through-holes formed in each sheet, and forms a gap between the remaining half of the through-hole and the inner electrode and insulates 43, and is formed in the sheet when printing the inner electrode. The first sheet 44 is manufactured such that the electrode paste enters into the through-holes, thereby forming electrodes in the through-holes. In addition, the second sheet 47 is manufactured by printing a paste in such a manner that the contact 45 / insulation 46 of the inner electrode and the through hole of the sheet manufactured as described above are symmetrical. That is, the first sheet is in direct contact with the diagonally symmetric through-holes 42 of the four through-holes formed in one unit element, and the other two through-holes are insulated from each other by giving a gap between the through-holes and the internal electrodes. And the second sheet is manufactured such that the contact 45 / insulation 46 of the through hole and the internal electrode are symmetrical with the first sheet, and also in the through hole at the time of printing the inner electrode of the first and second sheets. The screen pattern is designed to form the electrode so that the electrode is inserted into the through hole at the same time as the internal electrode is formed by one operation.

적층형 액추에이터 구동시 외부로부터의 충격을 보호하기 위한 비활성층(Inactive layer)은 압전체 시트와 동일한 형태의 관통홀이 형성된 시트를 3∼10장 정도 제조하며, 적층시 비활성층의 두께가 450∼2000 μm 가 되게 하여 내부 전극은 인쇄하지 않고 관통홀 내부에만 전극을 삽입시켜 적층시 내부와 외부가 통전 되도록 한다.Inactive layer to protect the impact from the outside when driving the stacked actuator is manufactured from 3 to 10 sheets with through-holes of the same shape as the piezoelectric sheet, and the thickness of the inactive layer is 450-2000 μm when laminated. The internal electrodes are inserted into the through-holes without printing, so that the inner and outer surfaces are energized during lamination.

상기와 같이 제조된 두가지 패턴의 내부 전극이 인쇄된 제1,2시트를 원하는 수만큼 교대로 적층하여 각 시트가 교호로 적층 되었을 때 도 5와 같이 관통홀과 내부 전극(54)이 통전(55)과 절연(56)이 교대로 나타나도록 하며, 최상층과 최하층의 상하부에 적정 수의 비활성층(53)을 형성하고, 적층된 층이 밀착되도록 약간의 열(약 80℃)과 압력을 가하여 압착한 후 절단선(57)에 맞추어 절단하다. 절단시 적층형 액추에이터의 크기와 적층수는 변위량에 따라 용도에 맞게 결정한다.When the first and second sheets printed with the internal patterns of the two patterns manufactured as described above are alternately stacked as desired, and each sheet is alternately stacked, the through-hole and the internal electrode 54 are energized as shown in FIG. 5. ) And insulation 56 alternately appear, forming an appropriate number of inactive layers 53 above and below the top and bottom layers, and compressing by applying a little heat (about 80 ° C.) and pressure so that the stacked layers are in close contact with each other. After that, cutting is performed in accordance with the cutting line 57. When cutting, the size and number of stacked actuators are determined according to the application according to the displacement amount.

상기와 같이 일정 크기로 절단된 적층물 내의 각종 바인더 성분을 모두 제거하기 위하여 베이크 아웃(Bake-out)시킨 후 온도를 상승시켜 적층물을 소성한다. 즉, 약 400℃에서 6시간 정도 가열하여 가연성 물질을 모두 제거한 후 PZT 원료 조성 물질의 소성 온도(1000∼1200℃)에서 1시간에서 4시간 정도 열처리하여 적층된 시트와 내부 전극을 동시에 소성한다.As described above, in order to remove all of the various binder components in the laminate cut to a predetermined size, the laminate is baked by baking after raising the temperature. That is, by heating at about 400 ℃ for about 6 hours to remove all of the combustible material, and then heat treatment for 1 to 4 hours at the firing temperature (1000 ~ 1200 ℃) of the PZT raw material composition material is fired at the same time to the laminated sheet and the internal electrode.

상기와 같이 소성된 적층물의 외부에 적층물의 내부 전극과 연결되는 외부 전극(61)을 형성하고 외부 전극 사이에 약 200∼300 V/mm의 전압을 80 ∼130 ℃에서 10분 이상 가하여 적층형 액추에이터를 폴링(Poling)한다. 폴링된 액추에이터의 측면 둘레를 엑포시 코팅 또는 금속으로 외부 몰딩하여 적층형 액추에이터를 완성한다.Forming an external electrode 61 connected to the internal electrode of the laminate on the outside of the fired laminate as described above and applying a voltage of about 200 to 300 V / mm at 80 to 130 ° C. for 10 minutes or more between the external electrodes to produce a stacked actuator. Poll. Externally molded around the side of the polled actuator with an epoxy coating or metal to complete the stacked actuator.

한편, 상기와 같이 관통홀을 형성하고 스크린 프린팅으로 내부 전극을 형성하는 적층형 액추에이터 소자를 제조하는 기술은 상기의 액추에이터 소자 외에 여러 가지 적층형 소자를 제조하는 기술에 다양하게 응용될 수 있다.On the other hand, as described above, a technique for manufacturing a stacked actuator device for forming a through hole and forming an internal electrode by screen printing may be variously applied to a technique for manufacturing various stacked devices in addition to the actuator device.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 압전체 시트에 관통홀을 형성하고 스크린 프린팅으로 내부 전극을 형성하고 적층하여 제조하는 적층형 액추에이터 소자는 외부에 절연층을 형성할 필요가 없으므로 압전체 시트를 가능한 한 얇게 제조할 수있어 저전압 구동이 가능한 효과가 있고, 또한 얇은 시트의 적층으로 소형 소자로 제조 가능하므로 소형 기기에 활용할 수 있는 효과가 있다.As described above, the laminated actuator device for forming a through-hole in the piezoelectric sheet according to the present invention and forming and stacking internal electrodes by screen printing does not need to form an insulating layer on the outside, so that the piezoelectric sheet can be made as thin as possible. It is possible to drive low voltage, and also can be manufactured in a small device by stacking a thin sheet, so it can be utilized in small devices.

또한 상술한 본 발명은 스크린 프린팅을 이용하여 내부 전극과 시트 상하부 전극의 결선을 동시에 완성하여 액추에이터 소자를 제조함으로 공정 단순화에 의한 공정 단가의 절감과 함께 원하는 전기적 특성을 구현하는 경박 단소화된 소형의 복합소자를 제조할 수 있게 되는 효과가 있다.In addition, the present invention described above, by simultaneously completing the connection of the internal electrode and the upper and lower electrode of the sheet using the screen printing to manufacture the actuator device by reducing the process cost by the process simplification and the small and light and small There is an effect to be able to manufacture a composite device.

Claims

In a stacked actuator device in which a plurality of piezoelectric sheets having piezoelectric properties are laminated at least two layers and a plurality of internal electrodes are formed between the stacked piezoelectric sheets,

The piezoelectric sheet has through-holes formed at the same position in each sheet. In the piezoelectric sheet having the through-holes formed as described above, half of the through-holes formed at diagonal positions are connected to the internal electrodes in the first sheet and the first sheet. The remaining through-holes symmetrically positioned with the through-holes are composed of a second sheet in contact with the internal electrodes, and the first and second sheets are alternately stacked so that the internal electrodes are alternately connected through the through-holes. The electrode and the wiring electrode in the through hole are simultaneously formed by screen printing method.

Inactive layers having a plurality of through holes formed at the same position as the piezoelectric sheet are stacked on the upper and lower layers of the stacked piezoelectric layers.

Stacked actuator device, characterized in that the external electrode connected to the internal electrode is formed at the end of the body in which the piezoelectric sheet, the internal electrode and the inactive layer are laminated.

2. The stacked actuator element according to claim 1, wherein the stacked actuator body is manufactured in the form of a cylinder, a square pillar, or a pentagonal pillar.

In the method of manufacturing a ceramic molded sheet using a slurry and laminating the ceramic molded sheet to produce a laminated ceramic electronic component,

Forming a through hole penetrating the ceramic formed sheet at the same position for each sheet;

Printing an electrode paste such that half of the ceramic sheet through holes in a diagonal direction is in contact with the internal electrodes to form a first sheet having internal electrodes and electrodes in the through holes,

Printing the electrode paste so that the other half of the through-holes symmetrically positioned with the through-holes contacted in the first sheet is in contact with the internal electrodes to form a second sheet having the internal electrodes and the electrodes in the through-holes;

Forming an inactive layer in which a plurality of through holes are formed at the same position as that of the ceramic sheet and in which internal electrodes are not installed;

Laminating at least one ceramic molded sheet printed with electrode paste and laminating an inactive layer on the uppermost layer and the lowermost layer,

Pressing the laminated ceramic sheet;

Calcining the compacted laminate by heat treatment,

And forming an external electrode connected to the internal electrode at an end of the laminate in which the internal electrode is formed.

The method of manufacturing a multilayer ceramic electronic component according to claim 3, wherein the ceramic sheet is manufactured using a piezoelectric sheet.

The method of claim 3, wherein the firing of the laminate is performed by simultaneously firing the laminated ceramic sheet and the internal electrode.

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