KR100824745B1 - Composite piezoelectric material using piezoelectric single crystal and piezoelectric polymer and method for manufacturing the same - Google Patents

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KR100824745B1 KR1020060136307A KR20060136307A KR100824745B1 KR 100824745 B1 KR100824745 B1 KR 100824745B1 KR 1020060136307 A KR1020060136307 A KR 1020060136307A KR 20060136307 A KR20060136307 A KR 20060136307A KR 100824745 B1 KR100824745 B1 KR 100824745B1
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single crystal
piezoelectric single
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polymer layer
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균 최
김병익
전명표
조정호
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Abstract

A composite piezoelectric material using a piezoelectric single crystal and a piezoelectric polymer and a method for manufacturing the same are provided to improve input/output efficiency of signals by forming a piezoelectric polymer on an upper part of a piezoelectric single crystal. A base substrate(110) has a tubular structure and electrical conductivity. A plurality of piezoelectric single crystals(120) have shapes of columns and are arranged in the same interval on an upper surface of the base substrate. A reinforcing filler(130) is formed between the piezoelectric single crystals on the upper surface of the base substrate. The reinforcing filler has the height corresponding to the height of the piezoelectric single crystals. A piezoelectric polymer layer(140) is formed on the upper surface of the piezoelectric single crystals and the upper surface of the reinforcing filler. An electrode layer is formed on an upper surface of the piezoelectric polymer layer. The piezoelectric single crystals are arranged in a checkered pattern. A ratio of a piezoelectric single crystal interval to a piezoelectric single crystal width is 0.4 to 1. The thickness of the piezoelectric polymer layer is 10 to 50 mum.

Description

압전단결정과 압전폴리머를 이용한 복합 압전체 및 이의 제조방법{Composite Piezoelectric Material Using Piezoelectric Single Crystal and Piezoelectric Polymer and Method for Manufacturing the Same}Composite Piezoelectric Material Using Piezoelectric Single Crystal and Piezoelectric Polymer and Method for Manufacturing the Same}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 압전체의 수직 단면도를 나타낸다.1 is a vertical cross-sectional view of a composite piezoelectric body according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 A-A 단면도를 나타낸다.2 is a sectional view taken along the line A-A of FIG.

도 3은 도 1에 대응되는 실제 복합 압전체의 사진을 나타낸다. 3 is a photograph of an actual composite piezoelectric body corresponding to FIG. 1.

도 4는 도 1에 따른 복합 압전체의 제조방법에 대한 공정도를 나타낸다.4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the composite piezoelectric body according to FIG. 1.

도 5는 도 4의 공정도에서 압전단결정판이 베이스기판에 본딩된 상태에 대한 사시도를 나타낸다.5 is a perspective view illustrating a state in which a piezoelectric single crystal plate is bonded to a base substrate in the process diagram of FIG. 4.

도 6은 도 4의 공정도에서 압전단결정판의 일방향 다이싱 및 보강충진재의 충진이 완료된 단계에 대한 사시도를 나타낸다.FIG. 6 is a perspective view illustrating one-step dicing of the piezoelectric single crystal plate and filling of the reinforcing filler in the process diagram of FIG. 4.

도 7은 도 4의 공정도에서 압전단결정판의 타방향 다이싱 및 보강충진재의 충진이 완료된 단계에 대한 사시도를 나타낸다.FIG. 7 is a perspective view illustrating a step in which dicing of the piezoelectric single crystal plate in the other direction and filling of the reinforcing filler are completed in the process diagram of FIG. 4.

도 8은 도 4의 공정도에서 압전단결정과 보강충진재의 상면에 압전폴리머층이 도포된 상태에 대한 사시도를 나타낸다.8 is a perspective view illustrating a state in which a piezoelectric polymer layer is applied to an upper surface of the piezoelectric single crystal and the reinforcing filler in the process diagram of FIG. 4.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

100 - 복합 압전체100-composite piezoelectric

110 - 베이스기판 120 - 압전단결정110-Base Board 120-Piezoelectric Single Crystal

130 - 보강충진재 140 - 압전폴리머층130-Reinforcing Filler 140-Piezoelectric Polymer Layer

본 발명은 압전단결정과 압전폴리머를 이용한 복합 압전체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일반 세라믹 압전체에 비해 낮은 분극전압에서도 분극이 가능하며 압전상수가 높은 단결정 압전세라믹으로 형성되는 압전단결정과 압전폴리머층을 구비하여 압전단결정과 압전폴리머의 동시 분극이 가능하며, 압전특성이 우수한 복합 압전체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composite piezoelectric material using a piezoelectric single crystal and a piezoelectric polymer, and a method for manufacturing the same. More specifically, the piezoelectric single crystal is formed of a single crystal piezoceramic having a high piezoelectric constant and polarization at a lower polarization voltage than a general ceramic piezoelectric material. The present invention relates to a composite piezoelectric material having a piezoelectric polymer layer and capable of simultaneously polarizing a piezoelectric single crystal and a piezoelectric polymer, and having excellent piezoelectric properties, and a method of manufacturing the same.

일반적으로 인체나 물체의 내부구조를 비파괴적으로 관찰하는 방법으로는 X-ray를 이용한 방법, 자기공명을 이용한 방법, 광학을 이용한 방법, 초음파를 이용한 방법 등이 있다. X-ray 또는 자기공명을 이용한 방법은 인체에 손상을 입히지 않고 조사할 수 있는 장점은 있으나, 조사 대상이 X-선 또는 전자파를 장기간 노출시키면 안 되는 임산부나 환자인 경우에 사용하기 어렵게 되며, X-ray를 이용한 방법은 실시간(in-situ)으로 측정이 불가능하게 된다. 또한, 광학을 이용한 방법은 인체 외부에 약간의 손상을 입히면서 혈관 내를 실시간 관찰할 수 있는 장점은 있으나, 장시간 혈관 내에 광을 조사시키면서 관찰을 요하는 작업에서는 사용하기 어렵게 된다. 그러나, 초음파를 이용한 방법은 상기의 다른 방법의 단점을 극복할 수 있는 방법으로 의학분야나 다른 산업분야에서 널리 사용되고 있다.Generally, non-destructive observation of the internal structure of a human body or an object includes an X-ray method, a magnetic resonance method, an optical method, and an ultrasonic method. X-ray or magnetic resonance method has the advantage that can be irradiated without damaging the human body, but it is difficult to use when the subject is pregnant or patients who should not be exposed to X-rays or electromagnetic waves for a long time, X The method using the -ray becomes impossible to measure in-situ. In addition, the optical method has the advantage of observing the blood vessels in real time while causing some damage to the outside of the human body, but it is difficult to use in a task requiring observation while irradiating light into the blood vessels for a long time. However, the method using ultrasonic waves is widely used in the medical field or other industrial fields as a method to overcome the disadvantages of the other methods described above.

일반적으로 산업용 또는 의료용으로 사용되고 있는 초음파 탐침자는 탐침소자의 크기에 구애를 받지 않기 때문에 진동자로 큰 압전체 재료를 사용하는 것이 가능하였으며, 원하는 선명한 신호를 얻을 수 있었다. 그러나, 최근에 초음파 탐침자는 적용분야의 확대에 따라 소형화 및 신호의 선명성이 요구되고 있으며, 초음파 탐침자에 사용되는 압전체는 소형이면서 보다 정확한 신호의 송수신을 위하여 고성능화가 요구되고 있다. 따라서, 기존의 초음파 탐침자와 같이 세라믹 압전체 단독 또는 세라믹 압전체와 단순 폴리머의 복합체를 진동자로 사용하는 방법으로는 초음파 탐침자의 성능 향상이 한계에 다다르고 있다. 특히, 의료분야에서 미세한 혈관 내부의 관찰 또는 산업체에서 복잡하고 가는 배관 내부의 관찰을 위한 초음파 탐침자는 소형이면서 우수한 성능이 요구되고 있으나, 기존의 방식으로는 선명한 신호를 얻을 수 없을 뿐더러 소형으로 제작하는데 많은 문제가 존재하게 된다. 왜냐하면, 종래의 방식에 따라 탐침자를 작게 만들면, 초음파 탐침자의 진동자인 압전체의 크기가 작아짐에 따라 발신 신호가 미약하게 되고 이에 따라 반사되어 들어오는 수신 신호도 미약하게 되며, 수신 신호가 변환된 전기적 신호도 약하게 되어 결국 선명한 영상을 얻는 것이 어렵게 되는 문제가 있다.Ultrasonic probes, which are generally used for industrial or medical purposes, do not depend on the size of the probe element, so it is possible to use a large piezoelectric material as a vibrator and obtain a desired clear signal. However, in recent years, ultrasonic probes are required to be miniaturized and signal clarity in accordance with the expansion of the application field, and piezoelectrics used in ultrasonic probes are required to have high performance in order to transmit and receive signals more compactly and more accurately. Therefore, the improvement of the performance of the ultrasonic probe is approaching the limit by using a ceramic piezoelectric body alone or a composite of a ceramic piezoelectric body and a simple polymer as a vibrator like a conventional ultrasonic probe. In particular, the ultrasonic probe for the observation of the inside of small blood vessels in the medical field or the complex and thin inside of the pipe industry is required to have a small size and excellent performance, but it is not possible to obtain a clear signal in a conventional manner and to make it small. There are many problems. Because, when the probe is made small according to the conventional method, as the size of the piezoelectric body, which is the vibrator of the ultrasonic probe, becomes smaller, the transmission signal becomes weak and thus the incoming signal reflected by the probe becomes weak. There is a problem that it becomes weak and eventually becomes difficult to obtain a clear image.

따라서, 최근에는 세라믹-폴리머 복합체를 이용하여 소형의 초음파 탐침자용 압전체를 만드는 방법이 개발되고 있다 이러한 세라믹-폴리머 복합체로는 소정 온도에서 소결되어 형성되는 압전세라믹인 PZT와 일반 폴리머 대신에 압전폴리머인 폴리비닐리덴 플루오라이드 계열을 사용하여 형성하는 방법이 검토되고 있다. 그러나, 압전폴리머인 폴리비닐리덴 플루오라이드 계열 폴리머와 압전세라믹은 압전 특 성을 나타내는 상의 형성 온도가 최소한 800℃이상 차이나며, 분극화를 위한 인가전압도 상당한 차이가 나기 때문에, 이들을 하나의 복합체로 하여 압전체를 형성하는데 어려움이 있다. 예를 들면, 압전폴리머인 폴리비닐리덴 플루오라이드의 분극화를 위한 인가전압은 100kV/cm이상이며, 소결 압전세라믹은 25kV/cm 정도이므로, 이들을 하나의 복합체로 하여 압전체를 형성한 경우에 동시에 분극할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 소결 압전세라믹은 일반적으로 압전체의 분극시 분극에 필요한 적정 전압보다 3배 이상의 전압을 가하게 되면 압전상의 파괴가 일어나 압전소자로 사용할 수 없게 된다. 따라서, 이러한 경우에는 압전세라믹과 압전폴리머에 각각 전극을 형성한 후에 별도로 분극을 시켜 하나의 압전체로 형성해야 하는 번거로움이 있게 된다.Therefore, recently, a method of making a compact ultrasonic probe piezoelectric material using a ceramic-polymer composite has been developed. The ceramic-polymer composite is a piezoelectric polymer instead of PZT, which is formed by sintering at a predetermined temperature, and a general polymer. The formation using the polyvinylidene fluoride series is examined. However, polyvinylidene fluoride-based polymers and piezoceramic polymers, which are piezoelectric polymers, differ in the formation temperature of the phases exhibiting piezoelectric properties by at least 800 ° C, and the applied voltages for polarization are also significantly different. There is a difficulty in forming the piezoelectric body. For example, the applied voltage for polarization of the polyvinylidene fluoride, which is a piezoelectric polymer, is 100 kV / cm or more, and the sintered piezoceramic is about 25 kV / cm. Therefore, when the piezoelectric body is formed from these as a composite, they can be simultaneously polarized. There is no problem. In addition, when sintered piezoceramic is generally applied with a voltage three times or more than a proper voltage required for polarization during piezoelectric polarization, the piezoelectric phase is broken and cannot be used as a piezoelectric element. Therefore, in this case, the electrodes are formed on the piezoelectric ceramic and the piezoelectric polymer, respectively, and then polarized separately to form one piezoelectric body.

종래에 이러한 소결 압전세라믹과 압전폴리머를 이용한 압전체의 제조공정은 다음과 같다. 먼저 상기에서 설명한 바와 같이 압전세라믹과 압전폴리머는 소정 형상으로 형성된 각각 분극과정을 통하여 분극된다. 압전폴리머는 판상으로 형성되며 상기 압전세라믹이 삽입되는 삽입홀이 수직방향으로 관통되어 형성된다. 분극된 소결 압전세라믹은 원통기둥형상으로 가공되어 상기 삽입홀에 삽입되며 이때, 압전세라믹은 외면에 도전성 폴리머 접착제가 도포되며, 접착제에 의하여 삽입홀에 고정된다. 상기 압전세라믹과 압전폴리머의 상면과 하면은 동일 평면을 이루도록 형성되며, 상면과 하면에는 압전세라믹과 압전폴리머와 전기적으로 연결되는 전극과 전도성기판이 결합된다. 이러한 종래의 압전체 제조방법은 압전세라믹과 압전폴리머의 분극과정을 별도로 실시해야하는 번거로움이 있으며, 압전세라믹과 압전폴리머 사이에 폴리머 접착제가 사용되므로 압전체의 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있다. 특히, 초음파 탐침자가 소형으로 될수록, 압전체 내에서 상기 폴리머 접착제가 차지하는 비율이 증가되므로 효율의 감소 폭이 더욱 크게 되며, 선명한 신호를 얻는 것이 어렵게 되는 문제점이 있다.Conventionally, the manufacturing process of the piezoelectric body using the sintered piezoceramic and piezoelectric polymer is as follows. First, as described above, the piezoelectric ceramic and the piezoelectric polymer are polarized through a polarization process formed in a predetermined shape. The piezoelectric polymer is formed in a plate shape and the insertion hole into which the piezoelectric ceramic is inserted penetrates in the vertical direction. The polarized sintered piezoceramic is processed into a cylindrical column shape and inserted into the insertion hole. At this time, the piezoelectric ceramic is coated with a conductive polymer adhesive on an outer surface thereof and fixed to the insertion hole by the adhesive. The upper and lower surfaces of the piezoelectric ceramic and the piezoelectric polymer are formed to have the same plane, and the upper and lower surfaces of the piezoelectric ceramic and the piezoelectric polymer are electrically coupled with an electrode and a conductive substrate. Such a conventional piezoelectric manufacturing method has a problem in that the polarization process of the piezoceramic and the piezoelectric polymer is performed separately, and a polymer adhesive is used between the piezoceramic and the piezoelectric polymer, thereby reducing the efficiency of the piezoelectric body. In particular, as the size of the ultrasonic probe becomes smaller, the proportion of the polymer adhesive in the piezoelectric body increases, so that the range of decrease in efficiency becomes larger, and it is difficult to obtain a clear signal.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 본 발명은 압전단결정과 압전폴리머를 이용한 복합 압전체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일반 세라믹 압전체에 비해 훨씬 낮은 분극전압에서도 분극이 가능하며 압전상수가 높은 단결정 압전세라믹으로 형성되는 압전단결정과 압전폴리머를 구비하여 압전단결정과 압전폴리머의 동시 분극이 가능하며, 압전특성이 우수한 복합 압전체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention for solving the above problems relates to a composite piezoelectric material using a piezoelectric single crystal and a piezoelectric polymer and a method for manufacturing the same. More specifically, it is possible to polarize even at a much lower polarization voltage than a conventional ceramic piezoelectric material The present invention relates to a composite piezoelectric material having a piezoelectric single crystal and a piezoelectric polymer formed of a single crystal piezoelectric ceramic having a high constant, capable of simultaneously polarizing the piezoelectric single crystal and the piezoelectric polymer, and having excellent piezoelectric properties, and a method of manufacturing the same.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 복합 압전체는 판상으로 형성되며 전기전도성을 갖는 베이스기판과, 기둥형상으로 형성되며, 상기 베이스기판의 상면에 동일한 간격으로 이격되어 배치되는 다수의 압전단결정과, 상기 전도성기판의 상면에서 상기 압전단결정 사이에 상기 압전단결정의 높이에 상응하는 높이로 충진 되는 보강충진재 및 상기 압전단결정과 보강충진재의 상면에 전체적으로 도포되는 압전폴리머층을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 베이스기판은 알루미늄, 금, 은, 구리를 포함하는 금속 중에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 압전단결정은 바둑판 형상으로 배치되며, 상기 압전단결정의 배치간격은 압전단결정 폭의 0.4 내지 1의 폭으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 보강충진재는 에폭시계 수지 또는 폴리에스테르계 수지로 형성될 수 있다. 또한, 상기 압전폴리머층은 폴리비닐리덴 플루오라이드 트리플프오로에틸렌 (PVDF-TrFE)으로 형성될 수 있다. In order to solve the above problems, the composite piezoelectric body of the present invention is formed in a plate shape, has a base substrate having electrical conductivity, and is formed in a columnar shape, and a plurality of piezoelectric elements spaced apart at equal intervals on the upper surface of the base substrate. It characterized in that it comprises a single crystal, the reinforcing filler is filled between the piezoelectric single crystal on the upper surface of the conductive substrate to a height corresponding to the height of the piezoelectric single crystal and the piezoelectric polymer layer is applied to the entire surface of the piezoelectric single crystal and the reinforcing filler. do. In this case, the base substrate may be formed of any one metal selected from metals including aluminum, gold, silver, and copper. In addition, the piezoelectric single crystal may be arranged in a checkerboard shape, and an interval between the piezoelectric single crystals may be formed in a width of 0.4 to 1 of the width of the piezoelectric single crystal. In addition, the reinforcing filler may be formed of an epoxy resin or a polyester resin. In addition, the piezoelectric polymer layer may be formed of polyvinylidene fluoride triple fluoroethylene (PVDF-TrFE).

또한, 본 발명에 따른 복합 압전체 제조방법은 판상으로 형성되는 압전단결정판을 베이스기판에 접착하는 압전단결정판 본딩단계와, 상기 압전단결정판을 일방향을 따라 평행하게 다이싱 간격과 다이싱 폭으로 다이싱하고, 다이싱되어 형성된 압전단결정블럭 사이의 다이싱 공간에 보강충진재를 충진하는 압전단결정판의 다이싱 및 보강충진재 충진단계와, 일방향으로 다이싱된 압전단결정블록을 상기 일방향과 직각방향인 타방향으로 다이싱하고, 다이싱되어 형성된 압전단결정 사이의 다이싱 공간에 보강충진재를 충진하는 압전단결정블록의 다이싱 및 보강충진재 충진단계와, 상기 압전단결정과 상기 보강충진재 상면에 압전폴리머층을 형성하여 결정화하는 압전폴리머층 형성단계 및 상기 압전단결정과 압전폴리머층을 분극처리하는 분극처리단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 압전단결정의 다이싱 폭은 압전단결정 폭의 0.4 내지 1의 폭으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 압전폴리머층은 폴리비닐리덴 플루오라이드 트리플프오로에틸렌(PVDF-TrFE)으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 압전폴리머층 형성단계는 압전폴리머층의 경화 과정과 결정화 과정을 포함하여 이루어질 수 있다.In addition, the method of manufacturing a composite piezoelectric body according to the present invention includes a piezoelectric single crystal plate bonding step of bonding a piezoelectric single crystal plate formed in a plate shape to a base substrate, and dicing the piezoelectric single crystal plate in dicing intervals and dicing widths in parallel in one direction. Dicing and filling the reinforcing filler in the piezoelectric single crystal plate to fill the dicing space between the piezoelectric single crystal blocks formed by dicing and dicing; and dicing the piezoelectric single crystal block diced in one direction perpendicular to the one direction. Dicing and filling the reinforcing filler in the piezoelectric single crystal block for dicing in the direction and filling the dicing space between the piezoelectric single crystals formed by dicing, and forming a piezoelectric polymer layer on the piezoelectric single crystal and the upper surface of the reinforcing filler. Forming a piezoelectric polymer layer to crystallize and polarizing the piezoelectric single crystal and the piezoelectric polymer layer Characterized in that it comprises the steps: At this time, the dicing width of the piezoelectric single crystal may be formed to a width of 0.4 to 1 of the piezoelectric single crystal width. In addition, the piezoelectric polymer layer may be formed of polyvinylidene fluoride triple fluoroethylene (PVDF-TrFE). In addition, the piezoelectric polymer layer forming step may include a hardening process and a crystallization process of the piezoelectric polymer layer.

이하, 본 발명의 복합 압전체 및 이의 제조방법에 대하여 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the composite piezoelectric body of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in more detail with reference to Examples.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 압전체의 수직 단면도를 나타낸다. 도 2는 도 1의 A-A 단면도를 나타낸다. 도 3은 도 1에 대응되는 실제 복합 압전체의 사진을 나타낸다.1 is a vertical cross-sectional view of a composite piezoelectric body according to an exemplary embodiment of the present invention. 2 is a sectional view taken along the line A-A of FIG. 3 is a photograph of an actual composite piezoelectric body corresponding to FIG. 1.

본 발명의 실시예에 따른 복합 압전체(100)는, 도 1과 도 2를 참조하면, 베이스기판(110)과 압전단결정(120)과 보강충진재(130) 및 압전폴리머층(140)을 포함하여 형성된다. 상기 복합 압전체(100)는 하부에 위치하는 베이스기판(110)의 상면에 다수의 압전단결정(120)이 소정 간격으로 배치되며, 보강충진재(130)가 베이스기판(110)의 상면에서 압전단결정(120)의 사이에 충진되고 압전단결정(120)과 보강충진재(130) 상면에 압전폴리머층(140)이 도포되어 형성된다.1 and 2, the composite piezoelectric body 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a base substrate 110, a piezoelectric single crystal 120, a reinforcing filler 130, and a piezoelectric polymer layer 140. Is formed. In the composite piezoelectric member 100, a plurality of piezoelectric single crystals 120 are disposed at predetermined intervals on an upper surface of the base substrate 110 disposed below, and a reinforcing filler 130 is formed on the upper surface of the base substrate 110. Filled between the 120 and the piezoelectric polymer layer 140 is formed on the upper surface of the piezoelectric single crystal 120 and the reinforcing filler 130.

상기 복합 압전체(100)는 압전폴리머층(140)이 압전단결정(120)의 상부에 전체적으로 형성되므로, 물 또는 체액과 같이 초음파가 전달되는 매질과의 음향임피던스를 줄일 수 있으므로 신호의 입출력 효율이 향상된다. Since the piezoelectric polymer layer 140 is formed entirely on the piezoelectric single crystal 120, the composite piezoelectric material 100 may reduce acoustic impedance with a medium through which ultrasonic waves are transmitted, such as water or body fluid, thereby improving signal input / output efficiency. do.

또한, 상기 복합 압전체(100)는 압전단결정(120)이 기둥형상으로 형성되고 그 사이에 보강충진재(130)가 충진되어 형성되므로 발진시 발진모드를 d33 모드로 형성할 수 있어 발신 신호를 증가시킬 수 있게 된다. In addition, since the piezoelectric single crystal 120 is formed in a columnar shape and the reinforcing filler 130 is filled therebetween, the composite piezoelectric material 100 may form an oscillation mode in d33 mode during oscillation, thereby increasing an outgoing signal. It becomes possible.

또한, 상기 복합 압전체(100)는 압전단결정(120)판이 베이스기판(110)에 접착된 상태에서 일방향으로 다이싱을 하고 보강충진채를 충진한 상태에서 타방향으로 다시 다이싱을 하게 되므로 압전단결정(120) 세라믹의 단점인 취성을 보완하여 다이싱이 용이하게 되도록 하며, 다이싱 과정 중에 압전단결정(120)이 손상되는 것을 방지하게 된다. In addition, the piezoelectric single crystal 100 is a piezoelectric single crystal because the piezoelectric single crystal 120 is diced in one direction while the plate is bonded to the base substrate 110 and dicing in the other direction while the reinforcing filler is filled. (120) Complementary brittleness, which is a disadvantage of ceramics, facilitates dicing, and prevents the piezoelectric single crystal 120 from being damaged during the dicing process.

상기 베이스기판(110)은 전기전도성 재질로 형성되며, 바람직하게는 영률(Young's Module)이 큰 금속으로 형성된다. 또한 상기 베이스기판(110)은 알루미늄, 금, 은 구리와 같은 도전성 금속 또는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride), 폴리파라페닐렌(polyparaphenylene), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리아세틸렌(polyacetylene)과 같은 전도성 폴리머로 형성될 수 있다. 상기 베이스기판(110)은 상면에 압전단결정(120)이 배치되며 보강충진재(130)가 압전단결정(120) 사이에서 베이스기판(110)의 상부에 충진된다. 이때, 상기 베이스기판(110)은 도전체의 역할뿐 아니라 되돌아오는 신호를 감쇄시켜 신호의 잡음을 없애는 백킹레이어(backing layer)의 역할도 담당하게 된다. 상기 베이스기판(110)은 압전단결정(120)과 전기적 신호를 송수신하게 된다. The base substrate 110 is formed of an electrically conductive material, and preferably formed of a metal having a large Young's Module. In addition, the base substrate 110 is a conductive metal such as aluminum, gold, silver copper or polyaniline, polythiophene, poly sulfur nitride, polyparaphenylene, polypyrrole It may be formed of a conductive polymer such as (polypyrrole), polyacetylene (polyacetylene). The base substrate 110 is a piezoelectric single crystal 120 is disposed on the upper surface and the reinforcing filler 130 is filled in the upper portion of the base substrate 110 between the piezoelectric single crystal (120). In this case, the base substrate 110 serves not only as a conductor but also as a backing layer that attenuates the return signal to eliminate noise of the signal. The base substrate 110 transmits and receives an electrical signal with the piezoelectric single crystal 120.

상기 압전단결정(120)은 소정 높이의 원기둥 또는 사각기둥, 삼각기둥과 같은 각기둥 형상으로 형성되며, 바람직하게는 사각기둥 형상으로 형성된다. 상기 압전단결정(120)은 그 높이가 폭 또는 지름보다 크게 형성되며, 바람직하게는 폭에 대한 높이의 비가 2보다 크게 되도록 형성된다. 상기 압전단결정(120)의 폭에 대한 높이의 비가 2보다 크게 되면, 압전단결정(120)의 발진할 때의 모드를 d33 모드로 만들어 줌으로써 발진신호를 증가시킬 수 있게 된다. The piezoelectric single crystal 120 is formed in a columnar shape, such as a cylinder or a square column, a triangular column of a predetermined height, preferably formed in a square column shape. The piezoelectric single crystal 120 is formed so that its height is larger than the width or diameter, and preferably the ratio of the height to the width is greater than two. When the ratio of the height to the width of the piezoelectric single crystal 120 is greater than 2, the oscillation signal can be increased by making the mode when the piezoelectric single crystal 120 oscillates into d33 mode.

상기 압전단결정(120)은 바람직하게는 아연티탄산바륨(Ba(Zr,Ti)O3) 단결정으로 형성된다. 다만, 상기 압전단결정(120)은 압전 특성을 갖는 다양한 단결정 구조의 압전세라믹으로 형성될 수 있으며, 아연티탄산납(Pb(Zr,Ti)O3, PZT) 또는 아연니오브산납(Pb(Zn,Nb)O3, Lead Zinc Niobate)과 티탄산납(PbTiO3, Lead Titanate)의 고용체(이하 "PZN-PT"라 한다) 또는 마그네슘 니오브산납(Pb(Mg,Nb)O3, Lead Magnesium Niobate)과 티탄산납(PbTiO3, Lead Titanate)의 고용체(이하 "PMN-PT"라 한다)로도 형성될 수 있다. 상기 압전단결정(120)은 100℃ 내지 200℃의 온도에서 5kV/mm 이하의 전압으로 분극이 이루어지게 된다. 하지만 상기 압전단결정(120)은 10kV/mm이상의 전압에서도 일반 소결압전세라믹과 다르게 절연파괴가 일어나지 않으며 압전특성을 유지할 수 있게 된다.The piezoelectric single crystal 120 is preferably formed of a barium zinc titanate (Ba (Zr, Ti) O 3 ) single crystal. However, the piezoelectric single crystal 120 may be formed of a piezoelectric ceramic having a variety of single crystal structures having piezoelectric properties, and lead zinc titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 , PZT) or lead zinc niobate (Pb (Zn, Nb). ) O 3 , Lead Zinc Niobate) and lead titanate (PbTiO 3 , Lead Titanate) (hereinafter referred to as "PZN-PT") or lead magnesium niobate (Pb (Mg, Nb) O 3 , Lead Magnesium Niobate) and titanic acid It may also be formed of a solid solution of lead (PbTiO 3 , Lead Titanate) (hereinafter referred to as "PMN-PT"). The piezoelectric single crystal 120 is polarized to a voltage of 5 kV / mm or less at a temperature of 100 ℃ to 200 ℃. However, the piezoelectric single crystal 120 is able to maintain piezoelectric characteristics without causing dielectric breakdown unlike general sintered piezoelectric ceramics even at a voltage of 10 kV / mm or more.

상기 압전단결정(120)은 베이스기판(110)에 접착되는 하면에 금도금층(도면에 도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 상기 금도금층은 압전단결정과 베이스기판의 전기적 결합을 향상시켜 전기적 신호의 송수신을 향상시키게 된다. 또한, 상기 압전단결정(120)과 금도금층 사이에는 크롬도금층(도면에 도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 상기 크롬도금층은 압전단결정과 금도금층의 접착력을 향상시키게 된다. The piezoelectric single crystal 120 may have a gold plated layer (not shown) formed on a bottom surface of the piezoelectric single crystal 120 bonded to the base substrate 110. The gold plated layer improves electrical coupling between the piezoelectric single crystal and the base substrate, thereby improving transmission and reception of electrical signals. In addition, a chromium plating layer (not shown) may be formed between the piezoelectric single crystal 120 and the gold plating layer. The chromium plated layer improves the adhesion between the piezoelectric single crystal and the gold plated layer.

상기 압전단결정(120)은, 도 1에서 보는 바와 같이, 바둑판 형상으로 배치되며, 압전단결정(120)의 폭(도 6의 'a' 참조)은 압전단결정(120) 사이의 거리(도 6의 'b' 참조)즉, 압전단결정(120)의 배치간격과 동일하거나 크게 되도록 형성된다. 상기 압전단결정(120)의 배치간격은 압전단결정 폭의 0.4 내지 1이 되도록 형성된다. 상기 압전단결정(120)의 배치간격이 너무 크게 되면 복합 압전체(100)의 압전성능이 떨어지며, 압전체의 초음파 발신강도와 수신강도가 작게 되는 문제가 있다. 또한, 상기 압전단결정의 배치간격이 너무 작게 되면 다이싱이 어렵게 되어 다이싱과정에서 압전단결정이 손상되는 문제가 있다. As shown in FIG. 1, the piezoelectric single crystal 120 is arranged in a checkerboard shape, and the width of the piezoelectric single crystal 120 (see 'a' in FIG. 6) is the distance between the piezoelectric single crystals 120 (see FIG. 6). That is, it is formed to be equal to or larger than the spacing of the piezoelectric single crystal 120. The spacing of the piezoelectric single crystals 120 is formed to be 0.4 to 1 of the width of the piezoelectric single crystal. If the placement interval of the piezoelectric single crystal 120 is too large, the piezoelectric performance of the composite piezoelectric member 100 may be reduced, and the ultrasonic transmission intensity and the reception intensity of the piezoelectric body may be reduced. In addition, when the spacing of the piezoelectric single crystals is too small, dicing becomes difficult, and thus the piezoelectric single crystals are damaged during the dicing process.

상기 보강충진재(130)는 에폭시계 수지 또는 폴리에스테르계 수지로 형성된다. 상기 보강충진재(130)는 베이스기판(110)의 상면에서 압전단결정(120) 사이에 충진되며, 바람직하게는 압전단결정(120)의 높이에 상응하는 높이로 충진되어 압전단결정(120)의 상면과 동일한 평면을 이루도록 충진된다. 상기 보강충진재(130)는 베이스기판(110)의 상면에 배치되는 압전단결정(120)을 지지하게 된다. The reinforcing filler 130 is formed of an epoxy resin or a polyester resin. The reinforcing filler 130 is filled between the piezoelectric single crystal 120 on the upper surface of the base substrate 110, preferably filled with a height corresponding to the height of the piezoelectric single crystal 120 and the upper surface of the piezoelectric single crystal 120 and Filled to achieve the same plane. The reinforcing filler 130 supports the piezoelectric single crystal 120 disposed on the upper surface of the base substrate 110.

상기 압전폴리머층(140)은 압전 특성이 우수한 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene Fluoride) 계열의 폴리머(예를 들면, vinylidenefluoride - trifluoroethylene, PVDF-TrFE)로 형성된다. 상기 압전폴리머층(140)은 압전단결정(120)과 보강충진재(130)의 상면에 전체적으로 도포되도록 형성된다. 상기 압전폴리머층(140)은 10 ∼ 50㎛의 두께로 도포되며 상면에 금도금층이 형성되어 전극으로 사용될 수 있다. 또한, 상기 압전폴리머층(140)은 두께가 너무 두꺼우면 상대적으로 복합 압전체(100)의 초음파 발신 강도와 반사되는 초음파 신호의 수신 강도가 작게 되면서 선명한 영상을 얻을 수 없게 된다. 또한, 상기 압전폴리머층(140) 의 두께가 너무 두껍게 되면 분극전압이 증가되는 문제가 있다. 한편, 상기 압전폴리머층(140)은 바람직하게는 사용하는 초음파 파장의 1/4 정도의 두께를 갖도록 형성된다. The piezoelectric polymer layer 140 is formed of a polyvinylidene fluoride (Polyvinylidene Fluoride) -based polymer (eg, vinylidenefluoride-trifluoroethylene, PVDF-TrFE) having excellent piezoelectric properties. The piezoelectric polymer layer 140 is formed to be applied to the entire surface of the piezoelectric single crystal 120 and the reinforcing filler 130. The piezoelectric polymer layer 140 is applied to a thickness of 10 ~ 50㎛ and a gold plated layer is formed on the upper surface can be used as an electrode. In addition, if the thickness of the piezoelectric polymer layer 140 is too thick, the ultrasonic transmission intensity of the composite piezoelectric material 100 and the reception intensity of the reflected ultrasonic signal may become relatively low, and thus a clear image may not be obtained. In addition, if the thickness of the piezoelectric polymer layer 140 is too thick, there is a problem that the polarization voltage is increased. On the other hand, the piezoelectric polymer layer 140 is preferably formed to have a thickness of about 1/4 of the ultrasonic wavelength to be used.

또한, 상기 압전폴리머층(140)은 자체의 접착력에 의하여 경화되면서 압전단결정(120)과 접착되어 이들을 고정하게 된다. 상기 복합 압전체(100)는 압전단결정(120)의 상면에 압전폴리머층(140)이 도포되므로, 압전폴리머층(140)은 압전단결정(120)의 상면에 접촉된 상태에서 경화가 진행되어 접착제 역할을 동시에 하게 된다.In addition, the piezoelectric polymer layer 140 is bonded by the piezoelectric single crystal 120 while being fixed by its adhesive force, thereby fixing them. Since the piezoelectric polymer layer 140 is coated on the upper surface of the piezoelectric single crystal 120, the composite piezoelectric material 100 is hardened in contact with the upper surface of the piezoelectric single crystal 120 to serve as an adhesive. At the same time.

다음은 본 발명의 실시예에 따른 복합 압전체의 제조방법에 대하여 설명한다.Next, a method of manufacturing a composite piezoelectric body according to an exemplary embodiment of the present invention will be described.

도 4는 도 1에 따른 복합 압전체의 제조방법에 대한 공정도를 나타낸다. 도 5는 도 4의 공정도에서 압전단결정판이 베이스기판에 본딩된 상태에 대한 사시도를 나타낸다. 도 6은 도 4의 공정도에서 압전단결정판의 일방향 다이싱 및 보강충진재의 충진이 완료된 단계에 대한 사시도를 나타낸다. 도 7은 도 4의 공정도에서 압전단결정판의 타방향 다이싱 및 보강충진재의 충진이 완료된 단계에 대한 사시도를 나타낸다. 도 8은 도 4의 공정도에서 압전단결정과 보강충진재의 상면에 압전폴리머층이 도포된 상태에 대한 사시도를 나타낸다. 4 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the composite piezoelectric body according to FIG. 1. 5 is a perspective view illustrating a state in which a piezoelectric single crystal plate is bonded to a base substrate in the process diagram of FIG. 4. FIG. 6 is a perspective view illustrating one-step dicing of the piezoelectric single crystal plate and filling of the reinforcing filler in the process diagram of FIG. 4. FIG. 7 is a perspective view illustrating a step in which dicing of the piezoelectric single crystal plate in the other direction and filling of the reinforcing filler are completed in the process diagram of FIG. 4. 8 is a perspective view illustrating a state in which a piezoelectric polymer layer is applied to an upper surface of the piezoelectric single crystal and the reinforcing filler in the process diagram of FIG. 4.

본 발명의 실시예에 따른 복합 압전체의 제조방법은, 도 4 내지 도 8을 참조하면, 압전단결정 본딩단계(S100)와, 압전단결정판의 다이싱 및 보강충진재 충진단 계(S200)와, 압전단결정블록의 다이싱 및 보강충진재 충진단계(S300)와, 압전폴리머층 형성단계(S400) 및 분극처리단계(S500)를 포함하여 이루어진다.4 to 8, the piezoelectric single crystal bonding step (S100), the dicing and reinforcing filler filling step (S200) of the piezoelectric single crystal plate, and the piezoelectric body according to an embodiment of the present invention, Dicing and reinforcing filler filling step (S300) of the single crystal block, piezoelectric polymer layer forming step (S400) and polarization treatment step (S500) is made.

상기 압전단결정 본딩단계(S100)는 판상으로 형성되는 압전단결정판을 베이스기판(110)에 접착하는 단계이다. 상기 압전단결정판(120a)은 베이스기판(110)의 면적에 상응하는 면적을 갖는 판상이며, 복합 압전체(100)를 형성하는 압전단결정(120)을 이루게 된다. 상기 베이스기판(110)은 도전성이 있는 금속판으로 이루어지며 상부에 접착되는 압전단결정판(120a)을 지지하는 역할과 함께 전극판으로서의 역할을 하게 된다. 상기 베이스기판(110)은 표면을 폴리싱하여 에칭한 후에 실버페이스트(silver paste)를 도포하게 된다. 상기 베이스기판(110)의 표면에 0.3mm 두께의 압전단결정판(120a)을 부착한 후에 실버페이스트를 경화하여 압전단결정판을 베이스기판(110)에 접착시키게 된다. 이때 상기 베이스기판(110)과 압전단결정판(120a)의 면적은 제조하고자하는 복합 압전체(100)의 면적에 따라 결정된다. The piezoelectric single crystal bonding step (S100) is a step of bonding a piezoelectric single crystal plate formed in a plate shape to the base substrate 110. The piezoelectric single crystal plate 120a has a plate shape having an area corresponding to that of the base substrate 110, and forms a piezoelectric single crystal 120 forming the composite piezoelectric material 100. The base substrate 110 is made of a conductive metal plate and serves as an electrode plate together with supporting the piezoelectric single crystal plate 120a adhered to the top. The base substrate 110 is coated with silver paste after polishing and etching the surface. After attaching the piezoelectric single crystal plate 120a having a thickness of 0.3 mm to the surface of the base substrate 110, the silver paste is hardened to bond the piezoelectric single crystal plate to the base substrate 110. At this time, the area of the base substrate 110 and the piezoelectric single crystal plate 120a is determined according to the area of the composite piezoelectric material 100 to be manufactured.

상기 압전단결정(120)은 베이스기판(110)에 접착되는 하면에 금도금층(도면에 도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 압전단결정(120)과 금도금층 사이에는 크롬도금층(도면에 도시하지 않음)이 형성될 수 있다.The piezoelectric single crystal 120 may have a gold plated layer (not shown) formed on a bottom surface of the piezoelectric single crystal 120 bonded to the base substrate 110. In addition, a chromium plating layer (not shown) may be formed between the piezoelectric single crystal 120 and the gold plating layer.

상기 압전단결정판의 다이싱 및 보강충진재 충진단계(S200)는 베이스기판(110)에 접착된 압전단결정판(120a)을 일방향을 따라 평행하게 일정한 다이싱 간격과 다이싱 폭으로 다이싱하고, 다이싱되어 형성된 압전단결정블럭(120b) 사이의 다이싱 공간에 보강충진재(130)를 충진하는 단계이다. 이때, 상기 베이스기판(110) 은 다이싱되지 않으며 상면에 접착된 압전단결정판(120a)만 다이싱된다. 여기서, 다이싱은 소정 두께의 압전단결정판(120a)을 상면에서 하면까지 일정한 폭으로 제거하여 트렌치(trench)를 형성하는 방법을 의미한다. 또한, 상기 다이싱 간격은 압전단결정판(120a)이 다이싱되는 간격을 의미하며, 다이싱간격이 작으면 다이싱된 압전단결정블록(120b)의 수가 증가하게 된다. 상기 다이싱 폭은 다이싱된 압전단결정블록(120b) 사이의 거리를 의미하며, 다이싱 폭이 크면 다이싱된 압전단결정블록(120b) 사이의 거리가 크게되어 압전단결정블록(120b)의 수가 감소하게 된다. 따라서, 상기 압전단결정판(120a)은 일정한 폭 즉, 다이싱 간격과 다이싱 폭에 의하여 결정되는 폭을 갖는 블록형상으로 된다. 상기 압전단결정판(120a)의 다이싱 간격과 다이싱 폭은 제조하고자 하는 복합 압전체(100)의 압전 성능 등을 고려하여 결정하게 된다. 상기 압전단결정(120)의 다이싱 폭은 압전단결정(120) 폭의 0.4 내지 1의 폭으로 설정되는 것이 바람직하다. In the dicing of the piezoelectric single crystal plate and the filling of the reinforcing filler (S200), the piezoelectric single crystal plate 120a bonded to the base substrate 110 is diced in a constant dicing interval and dicing width in parallel in one direction. In this step, the reinforcing filler 130 is filled in the dicing space between the piezoelectric single crystal blocks 120b. At this time, the base substrate 110 is not diced, only the piezoelectric single crystal plate 120a adhered to the upper surface is diced. Here, dicing refers to a method of forming a trench by removing the piezoelectric single crystal plate 120a having a predetermined thickness from a top surface to a bottom surface with a predetermined width. In addition, the dicing interval refers to the interval at which the piezoelectric single crystal plate 120a is diced. When the dicing interval is small, the number of diced piezoelectric single crystal blocks 120b is increased. The dicing width refers to the distance between the diced piezoelectric single crystal blocks 120b. When the dicing width is large, the distance between the diced piezoelectric single crystal blocks 120b is increased to reduce the number of piezoelectric single crystal blocks 120b. Done. Therefore, the piezoelectric single crystal plate 120a has a block shape having a predetermined width, that is, a width determined by a dicing interval and a dicing width. The dicing interval and the dicing width of the piezoelectric single crystal plate 120a are determined in consideration of the piezoelectric performance of the composite piezoelectric material 100 to be manufactured. Dicing width of the piezoelectric single crystal 120 is preferably set to a width of 0.4 to 1 of the piezoelectric single crystal 120 width.

상기 압전단결정판(120a)이 다이싱되어 베이스기판(110)의 상면에 압전단결정블록(120b)으로 형성되면, 베이스기판(110)의 상면과 압전단결정블록 (120b)사이의 공간에 보강충진재(130)가 충진된다. 상기 보강충진재(130)는 에폭시계 수지 또는 폴리에스테르계 수지가 사용된다. When the piezoelectric single crystal plate 120a is diced and formed as a piezoelectric single crystal block 120b on the top surface of the base substrate 110, a reinforcing filler (B) is formed in the space between the top surface of the base substrate 110 and the piezoelectric single crystal block 120b. 130) is filled. The reinforcing filler 130 is epoxy resin or polyester resin is used.

상기 압전단결정블록의 다이싱 및 보강충진재 충진단계(S300)는 일방향으로 다이싱된 압전단결정블록(120b)을 상기 일방향과 직각방향인 타방향으로 다이싱하고, 다이싱되어 형성된 압전단결정(120) 사이의 다이싱 공간에 보강충진재(130)를 충진하는 단계이다. 즉, 상기 압전단결정블록(120b)은 일방향과 직각인 타방향으로 다이싱되어 기둥 형상으로 형성되는 압전단결정(120)으로 된다. 이때 상기 압전단결정블록(120b)은 바람직하게는 일방향으로 다이싱되는 다이싱 간격과 다이싱 폭과 동일한 다이싱 간격과 폭으로 다이싱된다. 하지만, 상기 압전단결정블록(120b)은 일방향으로 다이싱된 간격과 다이싱 폭과 다른 다이싱 간격과 다이싱 폭으로 다이싱될 수 있다. 또한, 상기 압전단결정블록(120b)이 다이싱되는 타방향은 상기 일방향과 직각을 이루게 되지만 직각이 아닌 다른 각도로도 다이싱될 수 있다. Dicing and filling the reinforcing filler of the piezoelectric single crystal block (S300) is a piezoelectric single crystal 120 formed by dicing the piezoelectric single crystal block 120b diced in one direction in the other direction perpendicular to the one direction, dicing. Filling the reinforcing filler 130 in the dicing space between. That is, the piezoelectric single crystal block 120b is a piezoelectric single crystal 120 formed in a columnar shape by dicing in the other direction perpendicular to one direction. In this case, the piezoelectric single crystal block 120b is preferably diced at the same dicing interval and width as the dicing interval and dicing width dicing in one direction. However, the piezoelectric single crystal block 120b may be diced at a dicing interval and a dicing width different from a dicing interval and a dicing width in one direction. In addition, the other direction in which the piezoelectric single crystal block 120b is diced may be perpendicular to the one direction, but may be diced at an angle other than the right angle.

상기 압전단결정블록(120b)이 다이싱되어 베이스기판(110)의 상면에 압전단결정(120)이 기둥 형상으로 형성되면, 베이스기판(110)의 상면과 압전단결정(120) 사이의 공간에 일방향 다이싱 과정에서 사용된 보강충진재(130)가 충진된다. 상기 압전단결정(120)은 보강충진재(130)가 충진된 상태에서 폴리싱된다. 상기 보강충진재(130)가 충진되는 과정에서 압전단결정(120)의 상면에 일부 보강충진재(130)가 도포될 수 있으며 이러한 경우에 압전단결정(120)과 압전폴리머층(140) 사이의 전류 흐름에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 상기 압전단결정(120)의 표면은 폴리싱되어 상면에 존재하는 보강충진재(130)가 제거된다. When the piezoelectric single crystal block 120b is diced and the piezoelectric single crystal 120 is formed in a columnar shape on the top surface of the base substrate 110, a one-way die is formed in the space between the top surface of the base substrate 110 and the piezoelectric single crystal 120. The reinforcing filler 130 used during the filling process is filled. The piezoelectric single crystal 120 is polished while the reinforcing filler 130 is filled. In the process of filling the reinforcing filler 130, some of the reinforcing filler 130 may be applied to the top surface of the piezoelectric single crystal 120. In this case, the current flow between the piezoelectric single crystal 120 and the piezoelectric polymer layer 140 May affect Therefore, the surface of the piezoelectric single crystal 120 is polished to remove the reinforcing filler 130 existing on the upper surface.

상기 압전폴리머층 형성단계(S400)는 압전단결정(120)과 보강충진재(130) 상면에 압전폴리머층(140)을 형성하여 결정화하는 단계이다. 상기 압전폴리머는 상기에서 설명한 바와 같이 압전 특성이 우수한 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene Fluoride) 계열의 폴리머(PVDF-TrFE)가 사용된다. 상기 압전폴리머층(140)은 압전단결정(120)과 보강충진재(130)의 상면에 전체적으로 도포되며 10 ∼ 50㎛의 두께로 형성된다. 상기 압전폴리머층(140)은 PVDF-TrFE 분말을 디메 틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide)에 용해되어 도포된다.The piezoelectric polymer layer forming step (S400) is a step of forming and crystallizing the piezoelectric polymer layer 140 on the piezoelectric single crystal 120 and the reinforcing filler 130. As described above, the piezoelectric polymer is a polyvinylidene fluoride-based polymer (PVDF-TrFE) having excellent piezoelectric properties. The piezoelectric polymer layer 140 is generally applied to the upper surfaces of the piezoelectric single crystal 120 and the reinforcing filler 130 and is formed to have a thickness of 10 to 50 μm. The piezoelectric polymer layer 140 is applied by dissolving PVDF-TrFE powder in dimethyl sulfoxide.

상기 압전폴리머층 형성단계는 60 내지 90 ℃에서 2시간 정도 경화처리하는 과정과 140 내지 170℃에서 3시간 정도 결정화 처리하는 결정화처리과정을 포함하여 형성된다.The piezoelectric polymer layer forming step is formed including a curing process for 2 hours at 60 to 90 ℃ and a crystallization process for 3 hours at 140 to 170 ℃ crystallization.

한편, 상기 압전폴리머층(140)의 상면에는 전극층이 형성되며, 금(Au) 또는 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu)와 같은 전기전도성 금속 또는 전도성 폴리머로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 전기전도성이 우수한 금 또는 은과 같은 전기전도성 금속으로 형성된다. 다만 여기서 상기 전극의 재질을 한정하는 것은 아니며, 전기전도성을 갖는 다양한 재질이 사용될 수 있음은 물론이다. 상기 전극층은 스퍼터링, 플라즈마 증착, 스크린 인쇄 및 소성과 같은 방법에 의하여 박막으로 형성하게 되며, 수백 옹스트롱(Angstrom, Å)에서 수십 마이크론(micron, ㎛)의 두께로 형성된다.On the other hand, an electrode layer is formed on the upper surface of the piezoelectric polymer layer 140, it may be formed of an electrically conductive metal or conductive polymer such as gold (Au) or silver (Ag), aluminum (Al), copper (Cu), It is preferably formed of an electrically conductive metal such as gold or silver having excellent electrical conductivity. However, the material of the electrode is not limited thereto, and various materials having electrical conductivity may be used. The electrode layer is formed into a thin film by a method such as sputtering, plasma deposition, screen printing, and firing, and is formed to a thickness of several tens of microns (angstroms) at several hundred angstroms.

상기 분극처리단계(S500)는 압전단결정(120)과 압전폴리머층(140)으로 형성되는 복합 압전체(100)를 분극처리하는 단계이다. 상기 복합 압전체(100)는 분극전압이 상대적으로 높은 압전단결정 세라믹과 압전폴리머가 동시에 분극처리되므로 보다 신속하게 분극처리를 할 수 있게 된다. 상기 복합 압전체(100)는 120℃의 실리콘 오일에서 5 내지 10kV의 전계를 가한 상태에서 온도를 상온으로 낮추면서 수시간 동안 분극처리된다. 상기 압전단결정(120)은 일반적으로 분극처리 전압이 10kV/mm이고 압전폴리머는 70kV/mm이므로, 복합 압전체(100)의 분극전압은 압전단 결정(120)의 높이와 압전폴리머층(140)의 두께를 고려하여 결정되며 바람직하게는 압전폴리머의 분극전압을 기준으로 분극전압을 결정하게 된다. The polarization treatment step (S500) is a polarization treatment of the composite piezoelectric material 100 formed of the piezoelectric single crystal 120 and the piezoelectric polymer layer 140. In the composite piezoelectric material 100, the piezoelectric single crystal ceramic and the piezoelectric polymer having a relatively high polarization voltage are polarized at the same time, so that the polarization treatment can be performed more quickly. The composite piezoelectric material 100 is polarized for several hours while lowering the temperature to room temperature while applying an electric field of 5 to 10 kV in a silicon oil at 120 ° C. Since the piezoelectric single crystal 120 generally has a polarization voltage of 10 kV / mm and a piezoelectric polymer of 70 kV / mm, the polarization voltage of the composite piezoelectric material 100 is the height of the piezoelectric single crystal 120 and the piezoelectric polymer layer 140. It is determined in consideration of the thickness and preferably determines the polarization voltage based on the polarization voltage of the piezoelectric polymer.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.As described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and any person having ordinary skill in the art to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Various modifications are possible, of course, and such changes are within the scope of the claims.

본 발명에 따른 복합 압전체 및 이의 제조방법에 의하면 복합 압전체를 구성하는 압전단결정과 압전폴리머층을 동시에 분극시키는 것이 가능하여 제조공정을 단순화시킬 수 있는 효과가 있다.According to the composite piezoelectric body and the manufacturing method thereof according to the present invention, it is possible to simultaneously polarize the piezoelectric single crystal and the piezoelectric polymer layer constituting the composite piezoelectric body, thereby simplifying the manufacturing process.

또한, 상기 복합 압전체는 압전폴리머층이 압전단결정의 상부에 전체적으로 형성되므로, 물 또는 체액과 같이 초음파가 전달되는 매질과의 음향임피던스를 줄일 수 있으므로 신호의 입출력 효율이 향상되는 효과가 있다.In addition, since the piezoelectric polymer layer is formed entirely on the piezoelectric single crystal, the composite piezoelectric body may reduce the acoustic impedance with a medium to which ultrasonic waves are transmitted, such as water or body fluid, thereby improving signal input and output efficiency.

또한, 상기 복합 압전체는 압전단결정이 기둥형상으로 형성되고 그 사이에 보강충진재가 충진되어 형성되므로 발진시 발진모드를 d33 모드로 형성할 수 있어 발신 신호를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.In addition, since the piezoelectric single crystal is formed in a columnar shape and a reinforcing filler is filled therebetween, the composite piezoelectric body can form an oscillation mode in d33 mode during oscillation, thereby increasing an outgoing signal.

또한, 상기 복합 압전체는 압전단결정판이 베이스기판에 접착된 상태에서 일방향으로 다이싱을 하고 보강충진재를 충진한 상태에서 타방향으로 다시 다이싱을 하게 되므로 압전단결정 세라믹의 단점인 취성을 보완하여 다이싱이 용이하게 되며, 다이싱 과정에서 압전단결정이 손상되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.In addition, since the piezoelectric single crystal plate is diced in one direction while the piezoelectric single crystal plate is adhered to the base substrate, and dicing in the other direction while the reinforcing filler is filled, the composite piezoelectric body compensates for the brittleness of the piezoelectric single crystal ceramic. Since it is easy to sink, the piezoelectric single crystal is prevented from being damaged during the dicing process.

또한, 상기 복합 압전체는 압전단결정 세라믹과 압전폴리머층이 압전폴리머에 의하여 자체로 접착되므로 별도의 폴리머 접착제가 사용될 필요가 없으며, 압전단결정과 압전폴리머층 사이에 폴리머 접착제층이 없어 복합 압전체의 압전성능이 향상되는 효과가 있다.In addition, since the piezoelectric single crystal ceramic and the piezoelectric polymer layer are adhered to each other by the piezoelectric polymer, the composite piezoelectric body does not need to use a separate polymer adhesive, and there is no polymer adhesive layer between the piezoelectric single crystal and the piezoelectric polymer layer. This has the effect of being improved.

Claims (9)

판상으로 형성되며 전기전도성을 갖는 베이스기판과,A base substrate formed in a plate shape and having electrical conductivity, 기둥형상으로 형성되며, 상기 베이스기판의 상면에 동일한 간격으로 이격되어 배치되는 다수의 압전단결정과,A plurality of piezoelectric single crystals formed in a columnar shape and spaced apart at equal intervals on an upper surface of the base substrate; 상기 전도성기판의 상면에서 상기 압전단결정 사이에 상기 압전단결정의 높이에 상응하는 높이로 충진 되는 보강충진재와A reinforcing filler filling the height corresponding to the height of the piezoelectric single crystal between the piezoelectric single crystal on the upper surface of the conductive substrate; 상기 압전단결정과 보강충진재의 상면에 전체적으로 도포되는 압전폴리머층 및 A piezoelectric polymer layer coated on the upper surface of the piezoelectric single crystal and the reinforcing filler; 상기 압전폴리머층의 상면에 형성되는 전극층을 포함하며,An electrode layer formed on an upper surface of the piezoelectric polymer layer, 상기 압전단결정은 바둑판 형상으로 배치되고, 상기 압전단결정의 배치간격은 압전단결정 폭과의 비가 0.4 내지 1이 되도록 형성되며,The piezoelectric single crystals are arranged in a checkerboard shape, and the intervals between the piezoelectric single crystals are formed so that a ratio with the width of the piezoelectric single crystal is 0.4 to 1, 상기 압전폴리머층은 10 ∼ 50㎛의 두께로 도포되어 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 압전체.The piezoelectric polymer layer is a composite piezoelectric material, characterized in that formed by applying a thickness of 10 to 50㎛. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 베이스기판은 알루미늄, 금, 은, 구리를 포함하는 금속 중에서 선택되는 어느 하나의 금속으로 선택되는 것을 특징으로 하는 복합 압전체.The base substrate is a composite piezoelectric body, characterized in that selected from any one metal selected from metals including aluminum, gold, silver, copper. 삭제delete 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 보강충진재는 에폭시계 수지 또는 폴리에스테르계 수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 압전체.The reinforcing filler is a composite piezoelectric body, characterized in that formed of epoxy resin or polyester resin. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 압전폴리머층은 폴리비닐리덴 플루오라이드 트리플프오로에틸렌 (PVDF-TrFE)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 압전체.The piezoelectric polymer layer is a composite piezoelectric body, characterized in that formed of polyvinylidene fluoride triple fluoroethylene (PVDF-TrFE). 판상으로 형성되는 압전단결정판을 베이스기판에 접착하는 압전단결정판 본딩단계;Bonding a piezoelectric single crystal plate formed in a plate shape to a base substrate; 상기 압전단결정판을 일방향을 따라 평행하게 다이싱 간격과 다이싱 폭으로 다이싱하고, 다이싱되어 형성된 압전단결정블럭 사이의 다이싱 공간에 보강충진재를 충진하는 압전단결정판의 다이싱 및 보강충진재 충진단계와,Dicing and reinforcing filler of the piezoelectric single crystal plate for dicing the piezoelectric single crystal plate in a dicing interval and dicing width in parallel in one direction, and filling the dicing space between the piezoelectric single crystal blocks formed by dicing. Steps, 일방향으로 다이싱된 압전단결정블록을 상기 일방향과 직각방향인 타방향으로 다이싱하고, 다이싱되어 형성된 압전단결정 사이의 다이싱 공간에 보강충진재를 충진하는 압전단결정블록의 다이싱 및 보강충진재 충진단계와,Dicing the piezoelectric single crystal block dicing in one direction and filling the reinforcing filler in the dicing space between the piezoelectric single crystal formed by dicing the piezoelectric single crystal block in the other direction perpendicular to the one direction, the dicing and reinforcing filler filling step Wow, 상기 압전단결정과 상기 보강충진재 상면에 압전폴리머층을 형성하여 결정화하는 압전폴리머층 형성단계와A piezoelectric polymer layer forming step of forming and crystallizing a piezoelectric polymer layer on the piezoelectric single crystal and the upper surface of the reinforcing filler; 상기 압전 폴리머층 상면에 전극층을 형성하는 전극층 형성단계 및 An electrode layer forming step of forming an electrode layer on the piezoelectric polymer layer; 상기 압전단결정과 압전폴리머층을 분극처리하는 분극처리단계를 포함하며,It includes a polarization treatment step of polarizing the piezoelectric single crystal and the piezoelectric polymer layer, 상기 압전단결정의 다이싱 폭은 압전단결정 폭과의 비가 0.4 내지 1이 되도록 형성되고,The dicing width of the piezoelectric single crystal is formed so that the ratio with the piezoelectric single crystal width is 0.4 to 1, 상기 압전폴리머층은 10 ∼ 50㎛의 두께로 도포되어 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 압전체의 제조방법.The piezoelectric polymer layer is a method of manufacturing a composite piezoelectric material, characterized in that formed by applying a thickness of 10 to 50㎛. 삭제delete 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 압전폴리머층은 폴리비닐리덴 플루오라이드 트리플프오로에틸렌 (PVDF-TrFE)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 압전체의 제조방법.Wherein the piezoelectric polymer layer is formed of polyvinylidene fluoride triple fluoroethylene (PVDF-TrFE). 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 압전폴리머층 형성단계는 압전폴리머층의 경화 과정과 결정화 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 압전체의 제조방법.The piezoelectric polymer layer forming step includes a hardening process and a crystallization process of the piezoelectric polymer layer.
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