KR100797214B1

KR100797214B1 - 압전 단결정소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100797214B1
Application number: KR20067022956A
Authority: KR
Inventors: 미츠요시 마츠시타
Original assignee: 제이에프이미네라르 가부시키가이샤
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-10-28
Publication date: 2008-01-23
Also published as: CN1943054A; EP1755177A1; WO2005106986A1; JP4568529B2; EP1755177A4; US7521844B2; KR20070004942A; DE602004028667D1; JP2005317831A; EP1755177B1; CN100578833C; US20070228896A1

Abstract

횡방향의 진동모드의 전기기계결합계수(k₃₁): 60％ 이상을 안정해서 얻을 수 있는 압전 단결정소자와 그 제조방법을 제공한다. 구체적으로는, 분극방향(3)을 의입방정의 [110]축으로 했을 때, 압전소자 단면(10c)의 법선방향(1)이, 분극방향(3)에 거의 직교하는 방향인 [001]축을 포함해서 그 [001]축±35°의 각도범위 내에 있고, 분극방향(3)과 직교하는 방향, 소위 횡방향의 진동모드의 전기기계결합계수(k₃₁)가 60％ 이상이다.

압전, 단결정, 소자, 전기기계결합계수

Description

압전 단결정소자 및 그 제조방법{PIEZOELECTRIC SINGLE CRYSTAL ELEMENT AND PROCESS FOR FABRICATING THE SAME}

본 발명은, 압전 단결정소자(piezoelectric single crystal device) 및 그 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, Pb[(Mg, Nb)_1- _XTi_X]0₃로 나타내는 마그네슘니오브산납 Pb(Mg, Nb)0₃(1ead magneslum niobate)과 티탄산납 PbTiO₃(1ead titanate)로 이루어지는 고용체(solid solution)(PMN-PT 또는 PMNT라 호칭한다.)이고, 의입방정(pseudocubic system)의 복합페로브스카이트구조(complex perovskite structure)를 가지는 압전체 단결정재료로 이루어지고, 분극방향(polarization direction)과 직교하는 방향, 소위 횡방향의 진동모드(1ateral vibration mode)의 전기기계결합계수(electromechanical coupling factor)(k₃₁)가 60％ 이상인 압전 단결정소자, 및 그 압전 단결정소자의 제조방법에 관한 것이다.

횡방향의 진동모드의 전기기계결합계수(k₃₁)는, 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 애스펙트비(aspect ratio): a/b가 2.5 이상의 장방형판(長方形板)(a/b≥2.5, a＞＞L, b＞＞L)에 대해서, 분극방향(3)으로 전압을 걸었을 때의 분극방향(3)에 직교하는 방향(1)의 진동(횡방향진동)의 크기에 관한 전기적 에너지와 기 계적 에너지의 변환 효율의 평방근에 비례하고, 이 수치가 클수록 효율이 좋은 것을 의미한다. 한편, 압전 단결정소자는, 전술의 장방형판 이외에, 방형판(方形板)이나 원판이나 봉상체(棒狀體) 등의 형상이라도 좋고, 각각의 형상에 대해서도 동일하게, 전기기계결합계수(k₃₁)를 구할 수 있다.

상기 압전소자를 구성하는 재료로서, 종래에는, T.Ogawa, M.Matsushita , Y.Tachi and K.Echizenya, "Proogram Summary and Extended Abstracts of the 10^th US-Japan Seminar on Dielectric and Piezoelectric Ceramics" (Sept. 26-29, (2001)pp245-248)에 기재되어 있는 것 같은 지르콘티탄산납(lead zircon titanate, Pb(Zr, Ti)0₃)(PZT)이 널리 쓰이고 있었다. 그렇지만, 상기의 Ogawa 등의 문헌에 기재된 지르콘티탄산납(PZT)에서는, 전기기계결합계수(k₃₁)가, 30％ 정도이다.

상술한 PZT보다 높은 k₃₁을 얻기 위해서, 예를 들면 특개평11-171644호 공보에는, x(Pb₂Me₂0₇)1/2·(1-x)[Pb(Zr₁ _- _yTi_y)0₃]을 주성분으로 하고 부성분으로서 Cr과 Si를 첨가한 압전 자기조성물(piezoelectric porcelain composition)이 개시되어 있다. 그렇지만, 특개평11-171644호 공보에 개시된 압전자기조성물의 전기기계결합계수(k₃₁)는, 40％ 이하이다.

또한, JPn J.Appl.Phys.90(2001)(p.3471-3475)에는, 0.67Pb(Mg₁ _/3, Nb₂ _/3)0₃-0.33PbTiO₃ 단결정의 [001]방향을 분극방향으로 해서 [100]방향 또는, [010]방향으 로의 횡진동모드k₃₁을 측정한 압전특성 등이 개시되어 있지만, 전기기계결합계수(k₃₁)가 59％이다.

본 발명은, 분극방향(3)과 압전소자 단면(T)의 법선방향(1)을 적정하게 제어함으로써, 60％ 이상의 전기기계결합계수(k₃₁)를 안정적으로 얻을 수 있는 압전 단결정소자와 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 요지는 이하와 같다.

(1) 분극방향을 의입방정의 [110]축으로 했을 때, 압전소자 단면(端面)의 법선방향이, 분극방향에 거의 직교하는 방향인 [001]축을 포함해서 그 [001]축±35°의 입체각의 각도범위내에 있고, 분극방향과 직교하는 방향, 소위 횡방향의 진동모드의 전기기계결합계수(k₃₁)가 60％ 이상인 압전 단결정소자.

(2) 상기 (1)에 있어서, 상기 압전 단결정소자가, Pb [(Mg, Nb)_1- _XTi_X]0₃ (단, X는, Mg, Nb 및 Ti의 몰분률의 합계를 1이라고 했을 때의, Ti의 몰분률로 한다.)로 이루어지는 고용체이며, 상기 X가, 0.1＜X＜0.35의 식을 만족하고 , 또한, 복합페로브스카이트구조를 가지는 압전 단결정재료로 이루어지는 압전 단결정소자.

한편, 여기에서 말하는 「의입방정」이라 함은, 입방정(cubic system)과 달리, 결정학적(crystallographically)인 3축이 이루는 각도가 90°± 1° 이내인 능면정(菱面晶), 혹은, 능면정(rhombohedral system)과 정방정(tetragonal system)이 혼합된 결정을 의미한다.

또한, 「페로브스카이트구조」라 함은, 고용체단결정의 단위격자가 도 2에 모식적으로 나타낸 바와 같이, R이온이, 단위격자의 각(角)에 위치하고, 산소이온이, 단위격자의 면심(面心)에 위치하고, M이온이 단위격자의 체심(體心)에 위치하는 것과 같은 구조(RMO₃)를 말한다. 한편, 본 발명이 대상으로 삼고 있는 「복합페로브스카이트구조」라 함은, 도 2의 체심위치에 있는 M이온이, 1 종류의 원소이온이 아니라, 2 종류 이상의 복수의 원소이온으로 이루어지는 것을 말한다. 한편, 본 발명의 [001]축은, 그 페로브스카이트구조의 단위격자의 1 변(邊)의 어느 방향을 취할 수도 있다.

(3) 상기 (2)에 있어서, 압전 단결정소자가, 상기 고용체에 In을 0.05mol％∼30mo1％ 더 함유하는 압전 단결정소자.

(4) 상기 (1)∼(3)의 어느 한 항 기재의 압전 단결정소자를 제조하는 방법으로서, 단결정 잉곳으로부터 소정 형상의 단결정소자재료를 소정방향으로 절단해 내는 처리의 전후에, 단결정의 잉곳 또는, 절단된 단결정 블록 혹은, 절단된 단결정소자의 분극해야 할 방향인 [110]방향으로, 소정의 조건으로 전기장을 인가하여 분극하는 주(主)분극처리를 가지는 압전 단결정소자의 제조방법.

(5) 상기 (4)에 있어서, 상기 단결정 잉곳 또는, 상기 단결정 블록의 [110]방향으로, 소정의 조건으로 전기장을 인가하여 분극하는 주분극처리와, 상기 단결정 잉곳 또는, 상기 단결정 블록으로부터 소정 형상의 단결정소자를 소정방향으로 절단해 내는 처리를 가지는 압전 단결정소자의 제조방법.

(6) 상기 (4) 혹은, (5)에 있어서, 상기 주분극처리는, 상기 단결정 잉곳 또는, 상기 단결정 블록의 [110]방향으로, 20∼200℃의 온도범위에서 350∼1500V/㎜의 직류 전기장을 인가하는 처리, 또는 상기 단결정 잉곳 또는, 상기 단결정 블록의 퀴리온도(Tc)보다 높은 온도로 250∼500V/mm의 직류 전기장을 인가한 채 실온까지 냉각하는 처리인 압전 단결정소자의 제조방법.

(7) 상기 (4)에 있어서, 상기 단결정 잉곳으로부터 소정 형상의 단결정소자를 소정방향으로 절단해 내는 처리와, 상기 단결정소자의 [110]방향으로, 소정의 조건으로 전기장을 인가하여 분극하는 주분극처리를 가지는 압전 단결정소자의 제조방법.

(8) 상기 (4) 혹은 (7)에 있어서, 상기 주분극처리는, 상기 단결정소자의 [110]방향으로, 20∼200℃의 온도범위에서 350∼1500V/mm의 직류 전기장을 인가하는 처리, 또는 상기 단결정소자의 퀴리온도(Tc)보다 높은 온도로 250∼500V/mm의 직류 전기장을 인가한 채 실온까지 냉각하는 처리를 가지는 압전 단결정소자의 제조방법.

(9) 상기 (4)∼(8)에 있어서, 상기 주분극처리의 전 또는 후에, 분극방향과 거의 직교하는 방향으로 전기장을 인가하여 분극하는 보조분극처리를 더 가지는 압전 단결정소자의 제조방법.

분극방향(3)과 직교하는 방향(1)으로 인가하는 전기장의 종류로서는, 직류 전기장, 펄스 전기장, 교류 전기장, 또한 이것들의 정상 전기장 이외, 감쇠 전기장 등이 있고, 전기장의 강도나 인가 시간, 온도 조건 등은, 각각의 압전 단결정소자의 특성 및 분극방향(3)에 직교하는 방향(1)의 전기기계결합계수(k₃₁)의 소망의 값에 따라서 적정조건이 있다. 이것들은, 실험 등에 의해 정할 수 있다. 또한, 상기의 펄스 전기장으로서는, 직각파 이외, 교류 삼각파 등 유니폴라(unipola) 및 바이폴라(bipolar) 펄스를 이용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 분극방향(3)에 직교하는 방향(1)(횡방향진동모드)의 전기기계결합계수(k₃₁)를 적극적으로 이용하는, 예를 들면, 자기 헤드(magnetic head)의 정밀위치결정용 액츄에이터(accurate positioning actuator), 압전자이로 소자(piezoelectric gyro device), 디지탈 카메라(digital still camera)의 손떨림 방지 센서(image stabilizer), 심장 페이스메이커용 센서(cardiac pacemaker sensor) 등의 용도에 사용되는 압전 단결정소자(디바이스)의 제조가 가능하다.

도 1 : 본 발명에 따르는 압전 단결정소자의 방위와 형상을 나타내는 사시도이며, 분극할 때의 상태로 나타낸다.

도 2 : 페로브스카이트 결정구조(RMO₃)의 모식적 사시도이다.

도 3 : 본 발명에 따르는 압전 단결정소자의 횡방향진동모드를 이용하는 단면의 여러 가지인 형상을 나타내는 도이다.

도 4 : PMN-PT(PMNT)의 상도(相圖)이다.

도 5 : 바이폴라 삼각파펄스의 파형도이다.

도 6 : 단결정에 직류 전기장을 인가할 때의 설명도이다.

도 7A : 분극방향(3)의 [110]방향에 거의 직교하는 [001]방향(횡방향진동모드)의 전기기계결합계수(k₃₁)를 이용하는 압전 단결정소자의 바람직한 단면(T)의 법선방향(1)을 나타내는 도이다.

도 7B : 단결정 웨이퍼(wafer)(11)로부터, 압전소자 단면(10c)(또는, T)의 법선방향(1)이 0∼90°의 범위에서 여러 가지 단결정소자를 절단해 내는 방향을 설명하기 위한 도이다.

(부호의 설명)

10 압전 단결정소자

10a 압전 단결정소자의 상면(또는 전극면)

10b 압전 단결정소자의 하면(또는 전극면)

T 또는 10c 압전 단결정소자의 횡방향진동모드를 이용하는 단면

11 단결정 웨이퍼

a 단결정소자의 횡방향(횡진동의 방향1) 치수

b 단결정소자의 단면의 (깊이(방향2)) 치수

b' 단결정소자의 볼록형상(凸狀)의 단면

b' 단결정소자의 오목형상(凹狀)의 단면

L 단결정소자의 종방향(분극방향 3) 치수

V 직류전압
E 전기장

1 소자 단면의 법선방향(횡진동 방향)

3 분극방향(종진동 방향)

이하, 본 발명의 압전 단결정소자의 한정 이유에 대해서 설명한다.

(1) 분극방향(3)과 압전소자 단면 T의 법선방향(1)의 관계:

도 7A에 나타낸 바와 같이, 분극방향(3)을 의입방정의 [110]축으로 했을 때, 압전소자 단면 T의 법선방향(1)이, 분극방향(3)에 거의 직교하는 방향인 [001]축을 포함해서 그 [001]축±35° 이내의 원추상(圓錐狀)의 입체각 내에 있다. 여기서, 이들의 압전 단결정소자의 가장 넓은 면의 법선방향 n은, 도 7A에 나타낸 바와 같이 분극방향의 [110]축을 포함해서 [110]축±35°이내의 원추상의 입체각 내(內)로 된다.

이러한 각도범위로 압전소자의 단면 T의 법선방향(1)을 한정한 이유는, 아래와 같이 생각된다. 압전소자 단면 T의 법선방향(1)이, 분극방향(3)에 거의 직교하는 방향인 [OO1]축을 포함해서 그 [001]축±35°의 각도범위 내에서는, [001]축방향의 횡방향의 진동이 [001]축방향 이외로 분산될 일이 없으므로, 그 [001]방향의 횡진동모드의 에너지가 감소할 일 없게 유지되어, 60％ 이상의 높은 전기기계결합계수(k₃₁)를 얻을 수 있다. 그러나, 압전소자 단면 T의 법선방향(1)이, [001]축±35°의 각도범위 외에서는, (011)면의 법선방향의 [011]축 또는 (101)면의 법선방향의 [101]축이, 그 압전소자의 주면(넓은 면)인 (110)면의 법선방향과 60°의 각도 를 이루어서 존재하고, 그 때문에, [001]축방향의 횡방향의 진동이 [OO1]축방향과 [011]축방향의 2방향, 또는 [001]축방향과 [101]축방향의 2방향으로 분산된다. 이것은, 그 [001]방향의 횡진동모드의 에너지가 감소하는 것을 의미한다. 그 결과, 60％ 이상의 전기기계결합계수(k₃₁)를 얻을 수 없다.

(2)단결정소자의 조성과 구조:

본 발명의 압전 단결정소자는, 예를 들면, Pb[(Mg, Nb)_1- _xTi_x]0₃(다만, x는, Mg, Nb 및 Ti의 몰분률의 합계를 1이라고 했을 때의, Ti의 몰분률이라 한다.)로 이루어지는 고용체이며, 상기 X가, 0.1＜X＜0.35의 식을 만족하고, 또한, 복합페로브스카이트구조이다. 더 바람직하게는, 0.2＜X＜0.33으로 한다. 상기 몰분률 X가 0.1이하에서는, 그 고용체의 구성 성분의 하나인 티탄산납(PT)의 성분비가 지나치게 낮기 때문에, 고용체로서의 압전특성이 열화(劣化)한다. 그 결과, 횡진동모드의 전기기계결합계수(k₃₁) : 60％ 이상을 얻을 수 없게 될 우려가 있고, 상기 몰분률 X가 0.35이상이라고, 결정 구조가 의입방정에서 정방정에게 상전이한다. 그 결과, 결정에 존재하는 자발분극(自發分極)의 방향이 변화되기 때문에, 본 발명의 구성을 얻을 수 없게 되고, 높은 k₃₁을 얻을 수 없다.

한편, 마그네슘니오브산납 Pb(Mg, Nb)0₃중의 Mg과 Nb의 비율 Mg/Nb의 몰비는, 0.45∼0.54의 범위이면, 복합페로브스카이트구조가 유지되므로, 본 발명의 범위이다.

또한, 본 발명의 결정구조는, 도 2의 단위격자에 있어서, Pb이온이, 단위격자의 각(角)에 위치하고, 산소이온이, 단위격자의 면심에 위치하고, Mg, Nb 및 Ti 등의 M이온이 단위격자의 체심에 위치하도록 한 복합페로브스카이트구조(RMO₃)이다.

또한, 본 발명의 다른 압전소자로서, 마그네슘·니오브산납-티탄산납(PMN-PT)에 인듐 In을, 바람직하게는 0.05∼30mo1％ 함유시켰고, 인듐·마그네슘·니오브산납-티탄산납(PIMN-PT)을 쓸 수도 있다. 인듐(ln)의 이온 반경은, 마그네슘(Mg)보다는 크지만 니오브(Nb)보다는 작은 이온 반경을 가지기 때문에, 페로브스카이트구조의 단위격자의 체심위치에 배치되는 니오브(Nb)와 마그네슘(Mg)의 이온 반경의 차이에 기인하는 격자비틀림(歪)이 완화되어, 단결정육성시의 크랙(crack) 발생이나 압전소자가공시의 칩핑(chipping) 발생이 생기기 어렵게 하는 작용을 한다. 이것 때문에 본 발명에서는, 상기 작용을 발휘시키기 위해서, 인듐은 0.05mo1％ 이상첨가하는 것이 필요하지만, 30mo1％를 초과하는 첨가는, 단결정 육성시 원료의 융점이 상승하고, 제조시에 공정관리가 어렵게 되기 때문에 바람직하지 못하다.

또한, 비유전율(比誘電率)ε_r을 크게 할 필요가 있을 경우는, 상기 압전 단결정소자의 조성에, Sb, La, W, Ta 중 하나 또는 복수의 원소를 각각 0.5mol ppm∼5mo1％ 첨가해도 좋다. 또한, 기계적품질계수Qm을 크게 할 필요가 있을 경우에는, 또한, 상기 압전 단결정소자의 조성에, Mn, Cr 중 하나 또는 복수의 원소를 각각 0.5mo1 ppm∼5mo1％ 더 첨가해도 좋다.

또 Al, Li는, 단결정 성장시의 안정화에 기여한다. 그 효과를 얻기 위해서 는, Al, Li의 일종 이상을 합계로 0.05mol％ 이상의 첨가가 바람직하다.

이들 원자(Sb, La, W, Ta, Mn, Cr, A1, Li)는, 단위격자의 체심위치 또는, 격자간위치에 배치된다. 합계로, 5mol％를 초과하는 첨가는, 단결정을 얻는 것이 어렵고, 다결정이 될 우려가 있다.

(3) 결정격자 중의 납의 O.05∼10mo1％가 칼슘과 치환:

원료중에 산화칼슘을 첨가하는 경우는, 단결정을 육성중에, 산화칼슘 중의 칼슘(Ca)은, 납계페로브스카이트구조화합물(마그네슘니오브산납 및 티탄산납, 인듐니오브산납)의 고용체로 이루어지는 결정격자의 납(Pb)사이트(도 2의 R이온)의 일부에 치환형 원자로서 배치되어, 고온에서의 산화납의 증발을 억지하는 작용이 있다. 이 Ca의 작용에 의해, 파이로클로어(pyrochlore)상의 생성을 억제하는 결과, 소망의 복합페로브스카이트상의 단결정의 생성을 쉽게 한다. 본 발명에서는, 상기Ca의 작용을 발휘시키기 위해서, 칼슘은 0.05mo1％ 이상 치환하는 것이 필요하지만, 10mol％를 초과하는 치환은, 단결정의 육성이 곤란하게 된다. 이 때문에, 결정격자 중의 납의 0.05mo1％∼10mo1％가 칼슘과 치환되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 0.05mo1％∼5mol％가 칼슘과 치환되어 있는 것이 바람직하다.

단결정 잉곳의 조성물 중(결정격자 중)의 납의 0.05∼10mol％를 칼슘과 치환시키기 위해서는, 단결정 육성중의 칼슘의 증발량을 고려해서, 칼슘을 첨가할 필요가 있다. 칼슘을 첨가하는 방법은, 특별히 규정되지 않는다. 예를 들면, 칼슘치환 마그네슘니오브산납이나 칼슘치환 아연니오브산납 혹은, 칼슘치환 티탄산납을 사용해도 좋다. 혹은, 산화칼슘이나 탄산칼슘을 원료에 첨가하는 방법이라도 좋다.

(4) 기타 불순물

또한, Fe, Pt, Au, Pd, Rh 등의 불순물은, 압전 단결정의 제조 과정에서, 원료나 도가니 등으로부터 혼입할 가능성이 있지만, 이것들의 불순물은 단결정의 생성을 방해하므로, 합계로 0.5mol％ 이하로 억제해 두는 것이 바람직하다.

(5) 압전 단결정소자의 형상

본 발명이 대상으로 삼는 「압전 단결정소자」의 형상은, 도 1에 나타낸 바와 같은 장방형판이, 분극방향(3)에 거의 직교하는 방향(1)(횡방향진동모드)의 전기기계결합계수(k₃₁)를 효과적으로 크게 하는 점에서 바람직하다. 특히, 바람직한 소자의 형상은, 애스펙트비: a/b가 2.5 이상의 장방형판 (a/b≥2.5, a＞＞L, b＞＞L), 더욱 바람직하게는, 애스펙트비: a/b가 3이상의 장방형판이다. 한편, 본 발명의 장방형판의 양단부(단변 b)의 형상은, 용도에 따라서, 도 3에 나타낸 바와 같이 볼록형상으로 만곡(b')(파선) 혹은, 오목형상으로 만곡(b")(일점쇄선)하고 있어도 좋다. 또한, a=b의 방형판이어도 좋다. 한편, 본 발명에서 말하는 압전소자 단면 T는, 도 3과 같은 평면에서 볼 때, 장변 a에 직각인 단변 b로 나타나 있다. 따라서, 압전소자 단면의 법선방향(1)은, 압전소자의 장변 a에 평행하다.

다음으로, 본 발명의 압전 단결정소자의 바람직한 제조방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 압전 단결정소자의 제조방법은, 상기 단결정 잉곳 또는, 단결정 블록의 [110]방향으로, 소정의 조건으로 전기장을 인가하여 단결정 잉곳을 분극하 는 주분극처리와, 상기 단결정 잉곳으로부터 소정 형상의 단결정소자를 소정방향으로 절단해 내는 처리를 가지는 압전 단결정소자의 제조방법이다.

또한, 본 발명의 압전 단결정소자의 다른 제조방법은, 상기 단결정 잉곳으로부터 소정 형상의 단결정소자를 소정방향으로 절단해 내는 처리와, 상기 단결정소자의 [110]방향으로, 소정의 조건으로 전기장을 인가하여 단결정소자재료를 분극하는 주분극처리를 가지는 압전 단결정소자의 제조방법이다.

한편, 여기에서 단결정 블록은, 단결정 잉곳으로부터 와이어 톱(wire saw) 등으로 블록상으로 절단해 낸 것을 말한다. 단결정 잉곳의 형상으로부터 분극처리가 곤란할 경우에, 분극처리가 용이한 단결정 블록상으로 절단해서 분극처리한다.

이하, 각 공정에 있어서의 본 발명의 제조방법의 한정 이유를 설명한다.

(1) 단결정 잉곳의 제조:

Pb[(Mg, Nb)_1-xTi_x]0₃로 이루어지는 고용체이며, 상기 X가, 0.1＜X＜0.35의 식을 만족하는 단결정, 혹은, 상기 조성에, In을 0.05∼30mol％, Mn, Cr, Sb, W, Al, La, Li, Ta 중 하나 또는 복수의 원소를 0.5mol ppm∼5mol％ 더 첨가한 조성에, 혹은, 상기 조성물 중의 납의 O.05 ∼10mo1％가 칼슘과 더 치환되어 있는 조성으로 한 단결정의 잉곳에는, 상기의 조성으로 조정된 원료를 플럭스(flux) 중에 용해시킨 후, 강온(降溫)시켜서 응고시키는 방법이나, 융점 이상으로 가열해서 융해시킨 후, 일방향으로 응고시키는 것에 의해 단결정을 얻는 방법이 있다. 전자의 방법으로서는, 용액 브리지맨법(Solution Bridgeman method), 또는, TSSG법(Top Seeded solution Growth) 등이 있고, 후자로서는, 융액 브리지맨법(Melt Bridgeman method), CZ법(쵸크랄스키(Czochralski)법) 등이 있지만, 본 발명에서는, 특히 한정하지 않는다.

(2) 단결정 잉곳의 결정학적 방위(方位)의 결정:

단결정 잉곳의 [110]축방위를 라우에(Laue)법에 의해 대강 결정하고, 동시에 [110]축방위와 직교하는 [001]축방위 및 [1-10]축방위를 대강 결정한다. 한편, 본 발명의 [001]축은, 그 페로브스카이트구조의 단위격자의 일변의 어느 방향을 취할 수도 있다.

또한, [110]축, [1-10]축 및 [001]축 등의 어느 하나의 결정축에 직교하는 결정학적면 {110}면이나 {100}면을 연마하고, 엑스선 방위측정기(X-ray direction finder) 등을 이용해서 정확한 방위를 결정하고, 상기 연마면의 어긋남을 수정한다.

(3) 흠절단 (적당한 두께의 웨이퍼나 블록의 제작):

상기의 단결정 잉곳의 연마면 {110}면이나 {100}면에 평행 또는 직교하는 단결정 잉곳을 와이어 톱 또는 내주칼절단기 (inner diamond saw) 등의 절단기를 이용해서 절단하고, 적당한 두께의 판재(웨이퍼(wafer))나 블록을 얻는다. 한편, 절단 후에, 필요에 따라 에칭액을 사용하여 화학 에칭하는 공정을 포함할 수도 있다.

(4)연마(소정두께의 웨이퍼 제작):

상기의 웨이퍼를 래핑기(lapping machine), 폴리싱기(polishing machine) 등의 연삭기 또는 연마기(grinding machine)에 의해 연삭 또는 연마하여, 소정 두께의 웨이퍼를 얻는다. 한편, 연삭, 연마 후에, 필요에 따라서 에칭액을 사용하여 화 학 에칭하는 공정을 포함할 수도 있다.

(5)단결정소자의 제작:

상기의 웨이퍼는, (110)면을 웨이퍼면(가장 넓은 면)으로 가진다. 소자 단면 T의 법선방향(1)이, [001]축을 포함해서 그 [001]축±35°의 입체각의 각도범위 내가 되도록, 이 웨이퍼로부터 소정 형상의 단결정소자를, 다이싱 톱(dicing saw)이나 컷팅 톱(cutting saw) 등의 정밀절단기를 이용해서 절단하여 제작한다. 또한, 상기의 블록을 다이싱 톱이나 컷팅 톱 등의 정밀절단기를 이용해서 직접 소자의 치수로 절단해서 제작하는 경우도 있다.

(6) 전극의 제작:

주분극처리 혹은, 또한, 보조분극처리에서, 인가 전기장을 걸기 위해서 필요한 전극을 사전에 제작할 필요가 있다.

주분극처리 전에, 제작한 단결정 소자의 대향하는 (110)면 및 (-1-10)면인 상하면에, 스퍼터(sputter)법으로 Cr-Au피막(1층째에 Cr층: 두께 약 50nm, 2층째에 Au층: 두께 약 100∼200nm)을 형성하거나, 플라즈마 증착으로, 금피막을 형성하거나, 혹은, 스크린 인쇄로 은피막을 형성한 후, 소성(燒成)해서 전극을 제작한다.

또한, 보조분극처리 전에는, 보조 분극방향에 수직인 대향하는 두번째 면에, 상기와 같은 방법으로 전극을 형성한다.

한편, 보조분극처리 후에 주분극처리하는 경우, 혹은, 주분극처리 후에 보조 극처리할 경우에는, 최초의 분극처리에 사용한 전극이 남아있으면, 후의 분극처리를 불안정하게 하므로, 적당한 화학 에칭액 혹은, 또는 산으로 완전히 전극을 제거 할 필요가 있다.

(7) 주분극처리:

육성후의 단결정 잉곳으로부터 절단된 단결정인 채로는, 분극방향(3) 및 이것과 직교하는 방향에 있어서, 동일방향의 전기쌍극자(electric dipole)의 집합으로 이루어지는 도메인 내의 전기쌍극자의 방향이 도메인마다 여러 가지 방향을 향하고 있기 때문에, 압전성을 나타내지 않고, 미분극의 상태에 있다.

따라서, 분극할 필요가 있지만, 본 발명의 조성의 압전소자에서는, 단결정 잉곳인 채로, 또한, 블록상으로 절단된 단결정, 혹은, 절단한 단결정소자의 분극방향(3)으로, 20∼200℃의 온도범위에서 350∼1500V/mm의 직류 전기장을 인가하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 분극온도가, 20℃미만의 경우나 전기장이, 350V/㎜미만의 경우에는, 분극이 불충분해질 경우가 있고, 또한, 전기장의 온도가, 200℃를 초과할 경우나 전기장이, 1500V/㎜를 넘는 경우에는, 과분극(over-poles)이 일어나고, 압전 단결정소자의 압전특성을 열화시킬 경우가 있다. 또한, 과도한 전기장에 의해, 결정중의 비틀림이 증대하고, 압전 단결정소자에 크랙이 발생할 우려도 있다.

한편, 분극시간은, 상기의 바람직한 범위 내에서 선택된 분극처리 온도와 인가 전기장에 따라서 조정하고, 그 상한을 180분으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 분극방향(3)으로, 그 단결정소자의 퀴리온도(Curie temperature)(Tc) (예를 들면, 도 4의 Tc선)보다 높은 온도, 바람직하게는, 170∼200℃의 온도범위에서 250∼500V/mm의 직류 전기장을 인가한 채 실온까지 냉각(전기장냉각(electric field coo1ing))해도 좋다. 퀴리온도(Tc)보다 높은 온도로 하는 것으로써, 전기쌍극자의 존재를 일단 없애고, 그 후, 전기장의 인가 하에서 퀴리온도 이하로 냉각하는 것으로써, 전기쌍극자의 방향이, 더욱 깨끗하게 정돈되기 때문이다. 퀴리온도 이하의 낮은 온도의 경우에는, 일부에, 전기쌍극자가 남기 때문에, 분극이 불충분해지기 때문이다. 또한, 전기장이, 250V/㎜ 미만의 경우에는, 분극이 불충분하게 된다. 또한, 전기장이, 500V/mm을 넘었을 경우에는, 과분극(오버폴(over pole))을 발생하기 쉬워진다. 한편, 냉각 속도는, 냉각중에 소자에 크랙이 생기지 않는 냉각 속도가 바람직하다.

한편, 퀴리온도(Tc)는, 그 이상의 온도가 되면 전기쌍극자가 각각 무질서한 방향을 향해서 정렬하지 않게 되고, 압전성 또는, 강유전성을 나타내지 않게 되는 전위 온도이다. 이것은, 조성이나 물질의 구조에 의해 결정된다(도 4의 Tc선 참조).

(8) 보조분극처리:

상술한 주분극처리는, 압전 단결정소자의 주된 분극을 행하는 처리이지만, 그 주분극처리의 실시전 혹은 실시후에, 상기의 분극방향(3)과 직교하는 방향, 바람직하게는, 횡진동방향(1)으로 전기장을 인가하고, 상기의 분극방향(3)과 직교하는 방향의 강유전체 도메인(ferroelectric domain)의 정렬 상태를 제어하는 보조분극처리도 유효하다.

상기의 분극방향(3)과 직교하는 방향으로 인가하는 전기장의 종류로서는, 직류 전기장(direct current electric field), 펄스 전기장(pulse electric field), 교류 전기장(alternating current electric field), 또한 이들의 정상 전기장(steady state) 이외, 감쇠 전기장(attenuation electric field) 등이 있어, 전기장의 강도나 인가 시간, 온도조건 등은, 각각의 압전 단결정소자의 특성 및 분극방향(3)에 직교하는 방향의 전기기계결합계수(k₃₁)의 소망의 값에 따라서 적정조건이 있다. 이들은, 실험 등에 의해 정할 수 있다. 보조 분극의 효과를 얻기 위해서는, 보조분극처리 온도는, 25℃∼상전이온도(예를 들면, 도 4에 나타낸 Trt선) 이하, 인가 전기장 범위는, 350∼1500V/mm가 바람직하다. 한편, 분극 시간은, 상기의 바람직한 범위 내에서 선택된 분극처리 온도와 인가 전기장에 따라서, 조정하는 것이 바람직하지만, 특히, 10분∼2시간이 바람직하다.

또한, 상기의 펄스 전기장으로서는, 직각파 이외에, 도 5에 나타낸 바와 같은 교류 삼각파 등 유니폴라 및 바이폴라 펄스를 이용할 수 있다.

실시예1

사용한 마그네슘·니오브산납(PMN) + 티탄산납(PT)(PMN-PT)(조성식:Pb [(Mg, Nb)_1- _xTi_x]0₃(다만, X=0.26))의 압전 단결정재료(10)로 이루어지는 압전 단결정소자(10)(퀴리온도Tc=138℃, 소자형상: 13㎜길이×4mm폭×0.36㎜두께)의 형상 등을 도6에 나타낸다.

이 압전 단결정소자(10)의 제조는, 아래와 같이 행하였다. Pb[(Mg, Nb)_{1 -x}Ti_x]0₃(다만, X=0.26)의 조성이 되도록 조정된 후, 전술의 융액 브리지맨법에 의해, 단결정 잉곳을 얻었다. 다음으로, 이 단결정 잉곳의 정확한 결정학적 방위를 결정하고, 연마해서, 이 연마면인 (110)면에 평행하게 단결정 잉곳을 와이어 톱으로 절단하여, 0.5mm 두께의 판재를 얻었다. 이 판재를 폴리싱기에 의해 연마하여, O.36mm 두께의 웨이퍼를 얻었다. 이 웨이퍼로부터 소자형상: 13㎜길이×4㎜폭×0 .36mm 두께의 형상으로 다이싱 톱을 사용하여 절단해 내어 제작했다.

이 때, 분극방향(3)을 의입방정의 [110]축으로 하고, 압전소자의 단면(10c)(또는 T)의 방위(더욱 엄밀하게는, 단면의 법선방향(1))을 변화시키고, 이 때의 횡방향의 진동모드의 전기기계결합계수(k₃₁)의 크기를 조사하기 위해서, 도 7B에 나타낸 바와 같이, 횡방향모드 이용의 압전소자의 단면의 법선방향(1)이 0°([OO1]방향)부터 매 5°씩 90°([1-10]방향)까지 변화시켜, 다이싱 톱을 써서, 절단해 냈다. 제작한 단결정소자의 대향하는 상하면(10a 및 10b)에, 스퍼터법으로 Cr-Au피막(1층째에 Cr층: 두께 약 50nm, 2층째에 Au층: 두께 약 100∼200nm)을 형성해서 금 전극을 제작하였다. 그 후, 25℃의 대기중에서 700V/㎜의 직류 전기장을 60분간 인가하는 분극법을 써서 도 7B의 지면에 수직한 방향([110]방향)으로 분극하고, 압전 단결정소자로 한 후, 그 횡방향진동모드에 관한 전기기계결합계수(k₃₁)는, 기지(旣知)의 계산식(전자재료공업회 표준규격: EMAS-6008, 6100 참조)에 의해 산출했다. 그 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

여기에서, 분극방향과 직교하는 면 내(도 7B에서는, 지면, 엄밀하게는, 분극방향(3)에 직교하는 [001]축 및 [1-10]축을 포함하는 결정평면 내)의 [001]축방향에 대하여 0°부터 90°의 범위를 선택한 것은, 입방정의 대칭성으로부터, 분극방 향(3)과 직교하는 상기 결정평면 내의 모든 방향에 관한 정보를 얻는 것에 필요충분한 각도범위이기 때문이다. 한편, 참고를 위해, 종래 예인 지르콘산티탄산납 (Pb(Zr, Ti)0₃) 소결체(PZT)로 제작한 압전소자에 있어서의 전기기계결합계수(k₃₁)를 표 1에 병기했다. PZT는 소결체이며, 여기에 나타낸 압전 단결정과 같이 결정방위에 따르는 이방성을 가지지 않으므로, 횡방향진동모드에 관한 전기기계결합계수(k₃₁)는 단면(10c)(또는 T)의 법선방향(1)과는 무관계하고 전 결정방위에 걸쳐 같은 값이다.

표 1에 나타낸 결과대로, 분극방향(3)과 직교하는 면 내의 [001]축(0°)을 포함해서 0∼35°(결정(의입방정)의 대칭성으로부터 -35°∼+35°의 범위와 동등)의 각도범위 내일 경우만, 전기기계결합계수(k₃₁)가 60％ 이상을 나타내고, 횡방향이용의 소자로서 바람직한 것을 알 수 있다.

더욱이, 상기 [001]축(0°)±35°의 각도범위 내에서, 각도를 5° 새김이 아니게 더욱, 그 사이의 각도에 대해서도 k₃₁을 상세히 측정한 결과, 그 범위에 있어서, 전기기계결합계수(k₃₁)는 항상 60％ 이상인 것도 확인했다. 또한, 상기 실시예에서는, 단결정판의 [110]방향을 분극방향(3)으로서, 13mm×4mm×0.36mm의 압전 단결정소자의 최대면적의 면을 [110]방향에 직교하는 (110)면 내에 대하여 바람직한 방위를 확인했지만, 도 7A에 나타낸 단면 T의 법선방향(1)이 [001]축±35°의 입체각의 범위에 있는 (110)면에 직교하는 (1-10)면상의 [001]축+15°의 압전 단결정소 자에 있어서, k31이 65％의 것을 얻을 수 있었다.

또한, 인듐·마그네슘·니오브산납(PIMN)+티탄산납(PT)(PIMN-PT)에 대해서도, 상기와 동일한 제조방법으로 압전 단결정소자를 제작하고, 상기와 동일한 시험 조건으로 전기기계결합계수(k₃₁)를 조사하였는 바, 표 1에 나타낸 바와 같이, 74PMN-26PT와 거의 동일하게 높은 전기기계결합계수(k₃₁)를 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 한편, 인듐 함유량은, 20mol％이었다.

실시예2

다음으로, 압전 단결정재료로서, 표 2에 나타낸 바와 같은 Ti 몰분률이 다른 Pb[(Mg, Nb)_1- _xTi_x]0₃의 각 압전 단결정재료 No.1∼9를, 실시예1과 동일한 방법으로 제작하고, 전기기계결합계수(k₃₁)를 실시예1과 동일한 방법에 의해 산출했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 한편, 표 2에 나타낸 전기기계결합계수(k₃₁)의 수치는, 각 압전 단결정재료에 대하여, 샘플수 n=5일 경우의 평균치이다. 한편, 압전 단결정소자의 방위는, 실시예1과 같이 압전소자 단면 T의 법선방향(1)이, [001]축에 대하여 0°로 되도록, 소자형상: 13mm길이×4mm폭×0.36mm두께의 단결정소자재료를, 다이싱 톱을 써서 절단하여 제작했다.

표 2의 결과로, Ti의 몰분률 X가, 0.1＜X＜0.35의 식을 만족하는 발명예는, 모두 전기기계결합계수(k₃₁)가 63.0∼87.7％와 60％ 이상의 높은 값을 안정적으로 얻을 수 있다.

한편, Ti의 몰분률 X가 0.1 이하인 비교예 No.1은, 전기기계결합계수(k₃₁)가 54.8％이며, 또한, Ti의 몰분률 X가 0.35 이상인 비교예 No.9는, 결정 구조가 의입방정이 아니라 정방정이 되고, k₃₁은, 20％ 미만으로 작아지게 된다.

실시예3

다음으로, 횡방향진동모드 이용에 바람직한 압전 단결정소자를 제조하는 바람직한 분극처리 방법에 대해서 설명한다. 여러 가지 분극처리 조건으로 제조한 압전 단결정소자(10)의 횡방향진동모드의 전기기계결합계수(k₃₁)를 측정한 결과를 표 3에 나타낸다. 한편, 압전 단결정소자의 제조방법이나 소자 치수 및 시험 조건은, 실시예1과 동일하게 행하였다. 또한, 압전 단결정소자의 조성은, 실시예1과 같은 조성의 소자를 사용하였다. 그 측정 결과를 표 3에 나타낸다. 한편, 압전 단결정소자의 방위는, 실시예1과 같이 압전소자 단면 T의 법선방향(1)이, [001]축에 대하여 0°로 되도록, 소자형상:13mm길이×4mm폭×0.36mm두께의 단결정소자재료를, 다이싱 톱을 써서 절단해서 제작했다.

표 3의 (1)∼(7)은, 25∼60℃의 온도범위에서 350∼1500V/㎜의 직류 전기장을 30분에서 180분의 범위에서 인가하는 분극처리 조건으로 압전 단결정소자를 제작한 경우이다. 이 경우에 있어서, 횡방향진동모드 이용에 바람직한 결정의 전기기계결합계수(k₃₁)는, 마그네슘·니오브산납(PMN)-티탄산납(PT)(Ti 몰분률 X:26mol％）에서는, 68.2∼87.7％로서 모두 60％ 이상이었다.

또한, 인듐·마그네슘·니오브산납(PIMN)+티탄산납(PT)(PIMN-PT)에 대해서 도, 마그네슘·니오브산납(PMN)-티탄산납(PT)과 동일한 제조방법으로 압전 단결정소자를 제작하고, 마그네슘·니오브산납(PMN)-티탄산납(PT)과 동일한 시험 조건으로 전기기계결합계수(k₃₁)를 조사하였는 바, 표 3의 (1)∼(7)에 나타낸 바와 같이, 25∼60℃의 온도범위에서 350∼1500V/㎜의 직류 전기장에 있어서, 전기기계결합계수(k₃₁)가 높은 압전 단결정소자를 얻을 수 있었다. 이렇게, 마그네슘·니오브산납(PMN)-티탄산납(PT)(Ti 몰분률 X:28mo1％)에, 적정범위 내에서 In(20mol％)을 함유시킨 조성의 압전 단결정소자에 있어서, 모두 마그네슘·니오브산납(PMN)-티탄산납(PT)(Ti 몰분률 X:26mo1％)으로 동일한 결과를 얻을 수 있었다.

한편, 분극의 온도범위와 전기장범위가, 상기의 바람직한 범위를 벗어났을 경우도 본 발명의 범위이지만, 압전 단결정의 분극처리 온도를 25℃로 하고, 인가 전기장을 본 발명 범위의 바람직한 범위의 하한값을 밑도는 320V/㎜로 한 경우의 k₃₁은, 발명예의 74PMN-26PT 소자와 72PIMN-28PT 소자에 있어서, 60％ 미만이 될 경우가 있었다.

또한, 압전 단결정재료의 온도를 40℃로 하고 인가 전기장을 본 발명 범위의 바람직한 범위의 상한치를 넘는 1700V/mm로 했을 경우의 k₃₁은, 발명예의 74PMN-26PT 소자와 72PIMN-28PT 소자에 있어서, 60％ 미만이 될 경우가 있고, 나아가, 인가 중 또는 인가 종료 직후에 압전 단결정소자 중에 크랙이 발생하는 예도 있었다.

더욱이, 발명예의 74PMN-26PT 소자와 72PIMN-28PT 소자의 횡방향진동모드 이용에 바람직한 결정을, 도 4에 나타낸 퀴리온도Tc 이상의 200℃(본 발명 범위)의 실리콘 오일 중에, 400V/mm의 직류 전기장을 인가하고, 인가 전기장에 따라, 분극 시간을 조정한 결과를 표 3의 No.8에 나타낸다. 발명예의 74PMN-26PT 소자와 72PIMN-28PT 소자도 본 발명의 분극조건의 바람직한 범위에 있어서 높은 k₃₁을 얻을 수 있었다. 이는, 전기장을 인가한 채 냉각하는 방법(전기장냉각)이 유효한 것을 나타내고 있다.

한편, 인가 전기장이 250V/mm 미만에서는, 발명예의 74PMN-26PT 소자와 72PIMN-28PT 소자의 전기기계결합계수(k₃₁)는, 60％ 미만이 되는 경우가 있었다.

한편, 인가 전기장이 500V/mm을 넘으면, 전기기계결합계수(k₃₁)는, 60％ 미만이 되는 경우도 있었다. 게다가, 인가 전기장이 600V/mm에서 인가 중 또는 인가 종료 직후에 압전 단결정소자 중에 크랙이 발생하는 경우도 있었다.

상기한 바와 같이, 발명예의 74PMN-26PT 소자와 72PIMN-28PT 소자 모두에 본 발명의 바람직한 분극조건의 범위에서, 양호한 전기기계결합계수(k₃₁) 값을 안정적으로 얻을 수 있었다.

실시예4

다음으로, 횡방향진동모드 이용에 바람직한 압전 단결정소자를 제조하는 바람직한 보조분극처리 방법에 대해서 설명한다. 여러 가지 보조분극처리 조건으로 제조한 압전 단결정소자의 횡방향진동모드의 전기기계결합계수(k₃₁)를 측정한 결과를 표 4에 나타낸다. 한편, 압전 단결정소자의 제조방법이나 소자치수 및, 시험 조 건은, 실시예1과 동일하게 행하였다. 또한, 압전 단결정소자의 조성은, 실시예1과 같은 조성의 소자를 썼다. 한편, 압전소자 단면(10c)의 법선방향(1)이, [001]축에 대하여 15°로 되도록, 소자형상:13㎜길이×4mm폭×0.36 ㎜두께의 단결정소자재료를, 다이싱 톱을 써서 절단하여 제작했다.

실시예1과 동일한 방법으로 제조된 횡방향모드 이용에 바람직한 결정의 양단면(10c)에, 스퍼터법으로 Cr-Au피막(1층째에 Cr층:두께 약 50nm, 2층째에 Au층:두께 약 100∼200nm)을 형성해서 전극을 제작하고, 보조분극처리 온도를 25∼40℃로 해서 직류의 인가 전기장을 320∼1700V/mm, 인가 시간을 10분∼150분으로 해서 보조분극처리를 행하였다. 그 후, 상기의 전극을 화학 에칭액 혹은,또는 산으로 완전히 녹여서 제거한 후, 단결정소자재료(10)의 대향하는 상하면(10a 및 10b)에, 스퍼터법으로 Cr-Au피막(1층째에 Cr층:두께 약 50nm, 2층째에 Au층:두께 약 100∼200nm)을 형성해서 전극을 제작하고, 주분극처리로, 25℃의 대기중으로 700V/mm의 직류 전기장을 60분간 인가하였다. 전기기계결합계수(k₃₁)를 측정한 결과를 표 4에 나타낸다. 표 4의 (1)∼(5)는, 25∼40℃의 온도범위에서 350∼1500V/mm의 직류 전기장을 10분에서 120분의 범위에서 인가하는 보조분극처리 조건으로 압전 단결정소자를 제작한 경우이다.

이 경우에 있어서, 전기기계결합계수(k₃₁)는, 마그네슘·니오브산납(PMN)-티탄산납(PT)(Ti 몰분률 X:26mol％)에서는, 보조분극처리를 행하지 않는 표 4의 (9)에 나타낸 미처리의 경우에 비교해서, 더욱 높은 전기기계결합계수(k₃₁)를 얻을 수 있었다. 또한, 주분극공정의 뒤에 상기 (2)와 동일한 조건으로 보조분극처리를 행한 (6)의 경우도 87.3％로, 높은 전기기계결합계수(k₃₁)를 얻을 수 있었다.

또한, 도 5에 나타낸 바와 같은 바이폴라 삼각파 펄스 전기장을 주분극공정의 전후에 10분간 인가한 경우도 표 4의 (7) 및 (8)에 나타낸 바와 같이, 높은 전기기계결합계수(k₃₁)를 얻을 수 있었다.

또한, 마그네슘·니오브산납(PMN)-티탄산납(PT)(Ti 몰분률 X:28mol％)에, 적정 범위내에서 In(20mo1％)을 함유시킨 조성의 압전 단결정소자에 대해서도, 마그네슘·니오브산납(PMN)-티탄산납(PT)과 동일한 제조방법으로 압전 단결정소자를 제작하고, 마그네슘·니오브산납(PMN)-티탄산납(PT)과 동일한 시험 조건으로 전기기계결합계수(k₃₁)를 조사하였는 바, 표 4의 (1)∼(8)에 나타낸 바와 같이, 횡방향진동모드 이용에 바람직한 결정에서는, 주분극처리의 전후에서 행하여진 보조분극처리 조건의 25∼40℃의 온도범위에서 350∼1500V/㎜의 직류 전기장의 범위나 바이폴라삼각파 펄스 전기장에 의한 인가 전기장처리에 있어서, 전기기계결합계수(k₃₁)가, 마그네슘·니오브산납(PMN)-티탄산납(PT)과 동일하게 향상하였다.

한편, 압전 단결정재료의 보조분극처리 온도를 25℃로 하고 인가 전기장을 본 발명의 바람직한 범위의 하한값을 밑도는 320V/㎜로 한 경우는, 전기기계결합계수(k₃₁)는, 발명예의 74PMN-26PT 소자와 72PIMN-28PT소자에 있어서, 60％ 미만이 되는 경우가 있었다. 또한, 실시예1과 같은 방법으로 제조된 압전 단결정재료의 온도 를 40℃로 하고 인가 전기장을 본 발명의 바람직한 범위의 상한치를 넘는 1700V/㎜로 한 경우는, 전기기계결합계수(k₃₁)는, 발명예의 74PMN-26PT 소자와 72PIMN-28PT소자에 있어서, 60％ 미만이 되는 경우가 있었다. 또한, 압전 단결정소자 중에 크랙이 발생하는 경우도 있었다.

본 발명에 따르면, 분극방향에 직교하는 방향(횡방향진동모드)의 전기기계결합계수(k₃₁)를 적극적으로 이용하는, 예를 들어 자기 헤드 정밀위치 결정 액츄에이터, 압전자이로 소자, 디지탈 카메라의 손떨림 방지 센서, 심장 페이스메이커용 센서 등의 용도에 사용되는 압전 단결정소자(디바이스)의 제조가 가능하다.

Claims

분극방향을 의입방정의 [110]축으로 했을 때, 압전소자 단면의 법선방향이, 분극방향에 거의 직교하는 방향인 [001]축을 포함하여 그 [001]축±35°의 입체각의 각도범위 내에 있고, 분극방향과 직교하는 방향, 소위 횡방향의 진동모드의 전기기계결합계수(k₃₁)가 60% 이상인 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자.
제1항에 있어서,

상기 압전 단결정소자가, Pb[(Mg, Nb)_1-xTi_x]O₃(다만, X는, Mg, Nb 및 Ti의 몰분률의 합계를 1이라고 했을 때의, Ti의 몰분률로 한다.)로 이루어지는 고용체이며, 상기 X가, 0.1＜X＜0.35의 식을 만족하고, 또한, 복합페로브스카이트구조를 가지는 압전 단결정재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자.
제2항에 있어서,

상기 압전 단결정소자가, 상기 고용체에 In을 0.05mol％∼30mo1％ 더 함유하는 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 압전 단결정소자를 제조하는 방법으로서,

단결정 잉곳으로부터 소정 형상의 단결정소자를 소정 방향으로 절단해 내는 처리의 전후에, 단결정의 잉곳 또는, 절단된 단결정 블록 혹은, 절단된 단결정소자의 분극해야 할 방향인 [110]방향으로, 소정의 조건으로 전기장을 인가하여 분극하는 주분극처리를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자의 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 단결정 잉곳 또는, 상기 단결정 블록의 [110]방향으로, 소정의 조건으로 전기장을 인가하여 분극하는 주분극처리와, 상기 단결정 잉곳 또는, 상기 단결정 블록으로부터 소정 형상의 단결정소자를 소정방향으로 절단해 내는 처리를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자의 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 주분극처리는, 상기 단결정 잉곳 또는, 상기 단결정 블록의 [110]방향으로, 20∼200℃의 온도범위에서 350∼1500V/mm의 직류 전기장을 인가하는 처리, 또는 상기 단결정 잉곳의 퀴리온도(Tc)보다 높은 온도에서 250∼500V/㎜의 직류 전기장을 인가한 채 실온까지 냉각하는 처리인 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자의 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 단결정 잉곳으로부터 소정 형상의 단결정소자를 소정방향으로 절단해 내는 처리와,

상기 단결정소자의 [110]방향으로, 소정의 조건으로 전기장을 인가하여 단결정소자를 분극하는 주분극처리를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자의 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 주분극처리는, 상기 단결정소자의 [110]방향으로, 20∼200℃의 온도범위에서 350∼1500V/mm의 직류 전기장을 인가하는 처리, 또는 상기 단결정소자의 퀴리온도(Tc)보다 높은 온도에서 250∼500V/mm의 직류 전기장을 인가한 채 실온까지 냉각하는 처리를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자의 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 주분극처리의 전 또는 후에, 분극방향과 직교하는 방향으로 전기장을 인가하여 분극하는 보조분극처리를 더 가지는 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 주분극처리는, 상기 단결정 잉곳 또는, 상기 단결정 블록의 [110]방향으로, 20∼200℃의 온도범위에서 350∼1500V/mm의 직류 전기장을 인가하는 처리, 또는 상기 단결정 잉곳의 퀴리온도(Tc)보다 높은 온도에서 250∼500V/㎜의 직류 전기장을 인가한 채 실온까지 냉각하는 처리인 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자의 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 주분극처리는, 상기 단결정소자의 [110]방향으로, 20∼200℃의 온도범위에서 350∼1500V/mm의 직류 전기장을 인가하는 처리, 또는 상기 단결정소자의 퀴리온도(Tc)보다 높은 온도에서 250∼500V/mm의 직류 전기장을 인가한 채 실온까지 냉각하는 처리를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 주분극처리의 전 또는 후에, 분극방향과 직교하는 방향으로 전기장을 인가하여 분극하는 보조분극처리를 더 가지는 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자의 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 주분극처리의 전 또는 후에, 분극방향과 직교하는 방향으로 전기장을 인가하여 분극하는 보조분극처리를 더 가지는 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자의 제조방법.
제7항에 있어서,

상기 주분극처리의 전 또는 후에, 분극방향과 직교하는 방향으로 전기장을 인가하여 분극하는 보조분극처리를 더 가지는 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자의 제조방법.
제8항에 있어서,

상기 주분극처리의 전 또는 후에, 분극방향과 직교하는 방향으로 전기장을 인가하여 분극하는 보조분극처리를 더 가지는 것을 특징으로 하는 압전 단결정소자의 제조방법.