KR100559767B1 - 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법은, 다수의 박막 세라믹 테이프를 적층 성형하여 단위 세라믹 성형체를 제작하는 단계; 단위 세라믹 성형체를 소정 형상의 지그 속에 상호 소정 간격으로다수개 배열 설치하는 단계; 배열 설치된 다수의 단위 세라믹 성형체들 사이에 세라믹 슬러리 접착체를 주입하여 접착 및 건조시키는 단계; 세라믹 슬러리 접착제에 의해 접착된 세라믹 적층 구조체를 가열 및 압착하는 단계; 및 가열 및 압착 과정을 거친 세라믹 적층 구조체를 소정 시간 동안 건조시킨 후, 동시 소성 공정을 수행하여 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조를 완료하는 단계를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 다수의 단위 세라믹 성형체들을 그 조성이 동일한 세라믹 슬러리를 사용하여 접합시켜 일체화하므로, 내부 전극의 뒤틀림이 없고, 각 층간의 두께 편차가 거의 없는 수백층의 적층 구조를 갖는 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조가 가능하며, 내부 적층수를 수백층으로 증가시킴으로써 큰 변위를 발생시킬 수 있는 세라믹 액츄에이터의 제작이 가능하고, 그에 따라 그 응용성을 확대시킬 수 있으며, 간단한 지그를 이용하여 제조하므로 적층 공정의 난이도를 낮추고, 작업시간을 단축시킬 수 있다.

Description

적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법{Method for manufacturing multilayered ceramic actuator}

도 1은 종래 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조공정 중 적층 공정을 보여주는 도면.

도 2는 도 1의 적층공정을 거쳐 제조 완성된 적층형 세라믹 액츄에이터의 구조를 보여주는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법에 따른 제작 공정 순서도.

도 4는 본 발명에 따른 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법에 따라 지그 내에 다수의 단위 세라믹 성형체와 세라믹 슬러리 접착제를 배열 설치한 상태를 보여주는 도면.

도 5는 도 4의 다수의 단위 세라믹 성형체와 세라믹 슬러리 접착제를 가열 및 압착하는 공정을 보여주는 도면.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법에 있어서, 순차적 접합방식에 의해 단위 세라믹 성형체와 세라믹 슬러리 접착제를 접 합하는 과정을 보여주는 도면.

도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법에 있어서, 일괄 접합방식에 의해 단위 세라믹 성형체와 세라믹 슬러리 접착제를 접합하는 과정을 보여주는 도면.

도 8은 본 발명에 따른 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법에 따라 제조완성된 적층형 세라믹 액츄에이터의 구조를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

401...지그 500,700...가열선

402,602a∼602c,702a∼702c, 802...단위 세라믹 성형체

403,603,603',703,703', 803...세라믹 슬러리 접착제

710...고정죔쇠 720...진공 펌프

본 발명은 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조공정에 있어서의 적층 공정을 변형하여 여러 개의 단위 세라믹 액츄에이터 적층체를 일체화시킴으로써 내부 전극의 뒤틀림이 없고, 각 층간의 두께 편차가 거의 없는 수백층의 적층 구조를 갖는 액츄에이터의 제조를 가능하게 하는 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 세라믹 액츄에이터는 빠른 응답성, 정밀성, 높은 발생력을 가지며, 소형경량화가 가능하여 미소변위 제어장치, 밸브, 펌프 등에 그 응용이 확대되고 있는 추세이다. 그러나, 이와 같은 세라믹 액츄에이터는 전기식 액츄에이터보다 변위가 작아 한계성을 보이고 있는데, 이를 극복하기 위해 내부 전극을 포함한 얇은 세라믹 테이프를 여러 층 중첩하여 제조하는 적층형 세라믹 액츄에이터가 개발되고 있다. 또한, 이러한 적층 공정을 이용하면 얇은 세라믹 테이프 제작이 가능하여 소자의 구동전압도 낮출 수 있는 장점이 있다.

도 1 및 도 2는 종래 적층형 세라믹 액츄에이터를 나타낸 것으로서, 도 1은 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조공정 중 적층 공정을 보여주는 도면이고, 도 2는 제조 완성된 적층형 세라믹 액츄에이터의 구조를 보여주는 도면이다,

도 1을 참조하면, 종래 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조공정에 있어서 적층 공정에 의하면, 내부 전극을 포함하고 있는 얇은 세라믹 테이프(120)를 두 평행판 (110a)(110b) 사이에 나란히 배열 설치한 상태에서, 평행판(110a)(110b)을 수십℃로 가열하고, 평행판(110a)(110b) 상,하부에 수십kgf의 압력을 가하게 된다.

이러한 공정을 통해 일정 두께를 가지는 세라믹 테이프(120)를 수백층 적층할 경우, 도 2에 도시된 바와 같은 세라믹 적층체(210)의 상층부(210u)와 하층부 (210d)에 포함되어 있는 내부 전극은 뒤틀림 현상이 나타나고, 세라믹 테이프(120)의 늘어짐 현상이 나타나 세라믹 테이프(120)의 두께차가 발생하게 된다. 그리고, 그와 같은 현상들로 인해 세라믹 액츄에이터를 구동시킬 때 변위가 감소되는 한편 심할 경우 소자가 파괴되는 문제가 있다.

본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조공정에 있어서의 적층 공정을 변형하여 여러 개의 단위 세라믹 액츄에이터 적층체를 일체화시킴으로써 내부 전극의 뒤틀림이 없고, 각 층간의 두께 편차가 거의 없는 수백층의 적층 구조를 갖는 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 적층형 세라믹 액츄에이터의 내부 적층수를 증가시켜 큰 변위를 발생시킬 수 있는 세라믹 액츄에이터의 제작을 가능하게 하여 그 응용성을 확대시키고, 적층 공정의 난이도를 낮추며, 작업시간을 단축시킬 수 있는 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법은,

(a) 다수의 박막 세라믹 테이프를 적층 성형하여 단위 세라믹 성형체를 제작하는 단계;

(b) 상기 단위 세라믹 성형체를 소정 형상의 지그 속에 상호 소정 간격으로다수개 배열 설치하는 단계;

(c) 상기 배열 설치된 다수의 단위 세라믹 성형체들 사이에 세라믹 슬러리 접착체를 주입하여 접착 및 건조시키는 단계;

(d) 상기 세라믹 슬러리 접착제에 의해 접착된 세라믹 적층 구조체를 가열 및 압착하는 단계; 및

(e) 상기 가열 및 압착 과정을 거친 세라믹 적층 구조체를 소정 시간 동안 건조시킨 후, 동시 소성 공정을 수행하여 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조를 완료하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법에 따른 제작 공정 순서도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법에 따라 먼저 다수의 박막 세라믹 테이프를 적층 성형하여 단위 세라믹 성형체를 제작하게 된다(S301). 여기서, 이와 같은 단위 세라믹 성형체의 제작은 상기 도 1과 관련하여 전술된 바 있으며, 따라서 본 실시예에서는 이에 대하여 다시 설명하지 않기로 한다.

단위 세라믹 성형체의 제작이 완료되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 단위 세라믹 성형체(402)를 소정 형상의 지그(401) 속에 상호 소정 간격으로 다수개 배열 설치하고(S302), 그 배열 설치된 다수의 단위 세라믹 성형체들 사이에 세라믹 슬러리 접착제(403)를 주입하여 접착 및 건조시킨다(S303,S304). 여기서, 상기 세라믹 슬러리 접착제(403)는 그 주요 구성물질이 상기 단위 세라믹 성형체(402)의 조성과 동일한 조성을 가지는 물질로 구성되며, 여기에 용매, 결합제를 적절히 혼합하여 제조된다.

이렇게 하여 접착 및 건조 과정까지 완료되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 그 세라믹 슬러리 접착제에 의해 접착된 세라믹 적층 구조체를 가열 및 압착한다 (S305). 즉, 지그(401) 내부에 교대로 배열되어 있는 단위 세라믹 성형체(402)와 세라믹 슬러리 접착제(403)를 가열선(500)을 이용하여 소정의 온도로 유지하고, 외부의 압력을 가하여 단위 세라믹 성형체(402)와 세라믹 슬러리 접착제(403)를 고착시키는 것이다.

여기서, 이상과 같은 단위 세라믹 성형체(402)와 세라믹 슬러리 접착제(403)의 접합 공정에 있어서의 접합방식으로서 순차적 접합방식과 일괄 접합방식이 사용될 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 순차적 접합방식을 보인 것으로서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 먼저 두 개의 단위 세라믹 성형체(602a)(602b)를 지그(601) 안에 위치시킨다. 그런 후, 세라믹 슬러리 접착제(603)를 양측 단위 세라믹 성형체(602a)(602b)의 서로 대면하는 면에 도포하고(이때, 약 0.1∼0.5mm의 두께로 도포한다), 상온∼100℃의 온도에서 낮은 압력(예컨대, 0.01MPa∼0.1MPa)으로 지그(601)의 양측면(601s)(601t)에 작은 압력 증가 속도(0.01mm/min)로 서서히 가압하여 약 1∼10분간 압착한다.

이렇게 하여 1단계의 접합공정이 완료되면, 약 5분여에 걸쳐 충분히 냉각 및 건조시킨 후, 지그의 압착강도를 거의 0(zero)에 가깝도록 충분히 낮춘 상태에서 도 6b에서와 같이, 기접합된 성형체에 제3의 다른 단위 세라믹 성형체(602c)를 나란히 위치시킨다. 그런 후, 기접합 성형체와 제3의 단위 세라믹 성형체(602c)의 서로 대면하는 양측 표면에 세라믹 슬러리 접착제(603')를 도포하고, 위에서와 같은 방식으로 낮은 압력을 지그(601)의 양측면(601s)(601t) 가하여 압착한다. 이와 같은 방식으로 단위 세라믹 성형체들을 원하는 수효 만큼 반복적으로 계속 적층 성형하여 하나의 몸체로 일체화된 적층형 세라믹 성형체를 제작하게 된다. 그리고, 이상과 같은 접합 공정이 끝나게 되면, 10∼30분간 건조시킨 후 소성 공정에 돌입하게 된다.

도 7a 내지 도 7c는 일괄 접합방식을 보인 것으로서, 도 7a에 도시된 바와 같이, 먼저 2개 이상의 단위 세라믹 성형체(702a∼702c)를 압착 지그(701) 내에 나란히 위치시킨다. 그런 후, 그 성형체들(702a∼702c) 간의 서로 대면하는 각각의 면에 세라믹 슬러리 접착제(703)(703')를 도포한 후 낮은 압력(예컨대, 1∼10kgf 의 압력)으로 지그(701)의 양측면을 가압한다. 이렇게 하여 성형체들(702a∼702c) 과 세라믹 슬러리 접착제(703)(703')의 접착과정이 완료되면, 고정죔쇠(710)(710')를 이용하여 지그(701)의 양측면의 위치를 고정시킨 후, 외부의 압력을 제거한다.

그런 다음, 접합된 부위가 충분한 강도를 가지도록 하기 위해 약 10∼30분의 건조 과정을 거친다. 이때, 세라믹 슬러리 접착제(703)(703') 속의 성분중 용매(예를 들면, 알코올이나 이의 합성물, 수용액 등과 같이 상온에서 증발하여 접착제에서 사라지는 성분)는 증발하여 사라지게 되며, 이에 의해 접착제(703)(703')는 어느 정도의 강도를 가지는 얇은 필름 형상으로 이웃하고 있는 단위 성형체들을 접합하게 된다. 이러한 과정 이후에, 필름 형태의 접착제(703)(703')와 단위 세라믹 성 형체들(702a∼702c) 간의 강한 결합 및 강도를 위하여 도 7b에 도시된 바와 같이, 가열선(700)을 이용하여 지그(701)와 내부의 접합된 세라믹 성형체들(702a∼702c)을 가열한다. 이때, 온도는 50∼100℃의 범위로 유지시켜 준다.

이렇게 하여 가열 공정까지 완료되면, 필름 형태의 접착제(703)(703')와 단위 세라믹 성형체들(702a∼702c)의 계면에서의 기포를 제거하기 위하여, 도 7c에 도시된 바와 같이, 진공 펌프(720)를 이용하여 지그(701) 내부를 진공분위기로 만들어서 필름 형태의 접착제(703)(703')와 단위 세라믹 성형체들(702a∼702c)의 계면에서의 기포를 제거한다. 그런 후, 높은 압력으로 지그(701)를 누르면서 압착 공정을 수행한다. 그리고, 이상과 같은 접합 공정이 끝나게 되면, 10∼30분간 건조시킨 후 소성 공정에 돌입하게 된다.

한편, 이상에 의해 상기 가열/압착 및 건조 과정을 거친 세라믹 적층 구조체에 동시 소성 공정을 수행하여 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조를 완료한다 (S306,S307). 이때, 상기 세라믹 슬러리 접착제(403)(603,603')(703,703')의 조성이 단위 세라믹 성형체(402)(602a,602b)(702a∼702c)의 조성과 동일하여 소결 중에 어떠한 변형도 발생함 없이 하나의 구조체로 일체화된다.

도 8은 이상과 같은 공정에 의해 제작 완성된 적층형 세라믹 액츄에이터를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이, 내부 전극의 변형이 없는 수십층의 단위 세라믹 성형체(802)들 사이에 세라믹 슬러리 접착제(803)가 주입되어 고착되고, 소결을 통해 수십층의 적층구조체들은 어떤 구조적인 변형없이 일체화된다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법은 다수의 단위 세라믹 성형체들을 그 조성이 동일한 세라믹 슬러리를 사용하여 접합시켜 일체화하므로, 내부 전극의 뒤틀림이 없고, 각 층간의 두께 편차가 거의 없는 수백층의 적층 구조를 갖는 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조가 가능하다.

또한, 적층형 세라믹 액츄에이터의 내부 적층수를 수백층으로 증가시킴으로써 큰 변위를 발생시킬 수 있는 세라믹 액츄에이터의 제작이 가능하고, 그에 따라 그 응용성을 확대시킬 수 있으며, 간단한 지그를 이용하여 제조하므로 적층 공정의 난이도를 낮추고, 작업시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (12)

1. (a) 다수의 박막 세라믹 테이프를 적층 성형하여 단위 세라믹 성형체를 제작하는 단계;

   (b) 상기 단위 세라믹 성형체를 소정 형상의 지그 속에 상호 소정 간격으로다수개 배열 설치하는 단계;

   (c) 상기 배열 설치된 다수의 단위 세라믹 성형체들 사이에 세라믹 슬러리 접착체를 주입하여 접착 및 건조시키는 단계;

   (d) 상기 세라믹 슬러리 접착제에 의해 접착된 세라믹 적층 구조체를 가열 및 압착하는 단계; 및

   (e) 상기 가열 및 압착 과정을 거친 세라믹 적층 구조체를 소정 시간 동안 건조시킨 후, 동시 소성 공정을 수행하여 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조를 완료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (c)에서의 세라믹 슬러리 접착제는 그 주요 구성물질이 상기 단위 세라믹 성형체의 조성과 동일한 조성을 가지는 물질로 구성되며, 여기에 용매, 결합제를 적절히 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (c)에서의 단위 세라믹 성형체와 세라믹 슬러리 접착제의 접합은 순차적 접합방식에 의해 접합하되, 그 순차적 접합방식은

   (a) 두 개의 단위 세라믹 성형체를 지그 안에 위치시키는 단계;

   (b) 세라믹 슬러리 접착제를 상기 양측 단위 세라믹 성형체의 서로 대면하는 면에 소정 두께로 도포하는 단계;

   (c) 소정의 온도에서 소정 압력으로 지그의 양측면에 소정의 압력 증가 속도로 서서히 가압하여 소정 시간 동안 압착하는 단계;

   (d) 상기 1단계의 접합공정이 완료되면, 상기 접합 성형체를 냉각 및 건조시킨 후, 지그의 압착강도를 거의 0(zero)에 가깝도록 충분히 낮춘 상태에서 기접합된 성형체에 제3의 다른 단위 세라믹 성형체를 나란히 위치시키는 단계; 및

   (e) 상기 기접합 성형체와 제3의 단위 세라믹 성형체의 서로 대면하는 양측 표면에 세라믹 슬러리 접착제를 도포하고, 상기 단계(c)에서와 같은 방식으로 지그의 양측면에 압력을 가하여 압착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (c)에서의 단위 세라믹 성형체와 세라믹 슬러리 접착제의 접합은 일괄 접합방식에 의해 접합하되, 그 일괄 접합방식은

   (a) 2개 이상의 단위 세라믹 성형체를 압착 지그 내에 나란히 위치시키는 단계;

   (b) 상기 성형체들 간의 서로 대면하는 각각의 면에 세라믹 슬러리 접착제를 도포하는 단계;

   (c) 소정의 압력으로 상기 지그의 양측면을 가압하는 단계; 및

   (d) 상기 단계(c)의 가압에 의해 성형체들과 세라믹 슬러리 접착제의 접착과정이 완료되면, 고정죔쇠를 이용하여 지그의 양측면의 위치를 고정시킨 후, 외부의 압력을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층형 세라믹 액츄에이터의 제조방법.
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