KR100890006B1 - PZT based piezoelectric thick film containing organic materials and nano pore, and preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Pb(ZrxTi1-x)O3 를 포함하는 유기물을 함유하고, 나노 미세기공을 갖는 PZT계 압전 후막 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 PZT계 압전 후막은 종래의 후막보다 막 증착시간이 짧고, 빠른 열처리 승온 속도 및 냉각 속도로 제조할 수 있으며, 증착 가능한 막의 두께가 두꺼워 뛰어난 전기적 특성과 안정성을 갖고 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 PZT계 압전 후막은 고감도, 고출력, 안정성 및 빠른 응답속도를 지니는 센서 및 액츄에이터에 유용하게 사용할 수 있다.The present invention relates to a PZT-based piezoelectric thick film containing an organic material containing Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 and having nano-pores, and a method for manufacturing the same. The film deposition time is shorter than that of a thick film, and the film can be manufactured at a high heat treatment rate and a cooling rate. The thickness of the film that can be deposited is thick, so that the film has excellent electrical properties and stability. Therefore, the PZT-based piezoelectric thick film according to the present invention can be usefully used for sensors and actuators having high sensitivity, high power, stability and fast response speed.

PZT계 후막, 에어로졸 증착법, 유기물, 열분해, 열처리, 잔류응력, 나노 미세기공PZT thick film, aerosol deposition method, organic material, pyrolysis, heat treatment, residual stress, nano fine pores

Description

유기물 및 나노 미세기공을 함유하는 PZT계 압전 후막 및 이의 제조 방법{PZT based piezoelectric thick film containing organic materials and nano pore, and preparation method thereof}PPT-based piezoelectric thick film containing organic material and nano-pores and method for preparing the same {PZT based piezoelectric thick film containing organic materials and nano pores, and preparation method}

도 1의 (a)는 본 발명에 따른 PZT 분말의 열중량 분석 그래프이고, (b)는 본 발명에 따른 유기물 함량을 나타낸 그래프이고; 1 (a) is a thermogravimetric analysis graph of the PZT powder according to the present invention, (b) is a graph showing the organic content according to the present invention;

도 2의 (a)는 본 발명에 따른 PZT 분말의 입도분석 그래프이고, (b)는 본 발명에 따른 분말의 전자주사현미경 사진이고; Figure 2 (a) is a particle size analysis graph of the PZT powder according to the present invention, (b) is an electron scanning micrograph of the powder according to the present invention;

도 3의 (a)는 비교예 1의 PZT계 후막의 열처리 전후 사진이고, (b)는 본 발명에 따른 열처리 전후 사진이고;Of Figure 3 (a) is a heat treatment before and after picture of the PZT-based thick film of Comparative Example 1, (b) is a heat treatment before and after the picture in accordance with the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 PZT계 후막의 단면 및 표면을 관찰한 전자주사현미경 사진이고; 4 is an electron scanning microscope photograph of the cross section and the surface of the PZT-based thick film according to the present invention;

도 5는 본 발명에 따른 PZT계 후막의 열처리 단계에 따른 미세구조를 관찰한 전자주사현미경사진이고; 5 is an electron scanning microscope photograph of the microstructure of the PZT-based thick film according to the present invention according to the heat treatment step;

도 6은 본 발명에 따른 PZT계 후막의 각 제조공정에 따른 X-선 회절 그래프이고; 6 is an X-ray diffraction graph according to each manufacturing process of the PZT-based thick film according to the present invention;

도 7은 본 발명에 따른 PZT계 후막의 잔류분극, 항전계의 강유전 특성을 나 타낸 그래프이고; 및 7 is a graph showing the residual polarization of the PZT-based thick film according to the present invention, the ferroelectric properties of the constant electric field; And

도 8은 본 발명에 따른 PZT계 후막의 유전 특성을 나타낸 그래프이다. 8 is a graph showing dielectric properties of the PZT thick film according to the present invention.

본 발명은 유기물을 함유하고, 나노 미세기공을 갖는 PZT계 압전 후막 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a PZT-based piezoelectric thick film containing an organic material and having nano-pores, and a method of manufacturing the same.

압전 효과는 압전 직접효과와 압전 역효과로 나눌 수 있으며, 압전 직접효과라고 하는 것은 전압발생 기능으로 압전 소자에 외부응력, 진동 변위 등을 주면 그 출력단에 전기 신호가 발생하는 현상을 말하며 착화용 압전소자나 각종 센서에 응용된다. 또한 압전 역효과란 변위발생 기능으로 압전 소자에 외부로부터 전압을 걸어주어 소자가 기계적 변위를 일으키게 되는 현상을 말하고 주로 액츄에이터 등에 적용된다. 압전 직접효과와 압전 역효과를 통칭해서 압전 효과(piezoelectric effect)라고 하고 이러한 기능을 갖는 세라믹스를 압전 소재라고 한다. Piezoelectric effect can be divided into piezoelectric direct effect and piezoelectric inverse effect. Piezoelectric direct effect is a voltage generating function, and when an external stress or vibration displacement is applied to the piezoelectric element, an electric signal is generated at its output end. It is applied to various sensors. In addition, the piezoelectric adverse effect refers to a phenomenon in which a device causes mechanical displacement by applying a voltage to the piezoelectric element from the outside as a displacement generating function and is mainly applied to an actuator. The piezoelectric direct effect and the piezoelectric adverse effect are collectively called a piezoelectric effect, and ceramics having such a function are called piezoelectric materials.

진동을 전기적인 에너지로 변환할 수 있는 원리를 이용해 가속도 센서 등으로 응용하고, 가청영역의 소리를 전기에너지와 상호 변환할 수 있는 원리를 이용해 레코드 디스크의 픽업, 마이크로 폰, 스피커, 버저 등의 소자로 이용되고 있다. 또한 초음파를 투과하고 받을 수 있어 초음파 센서의 프루브(Probe), 어군탐지기 등으로 사용된다. It can be applied as an acceleration sensor using the principle that can convert vibration into electrical energy, and the device such as pickup of record disk, microphone, speaker, buzzer, etc. It is used. In addition, it can transmit and receive ultrasonic waves, so it is used as a probe (probe), fish detector of the ultrasonic sensor.

외부로부터 힘이나 압력을 받으면 고전압 스파크를 발생시킬 수 있어 가스기기 및 압전 변압기에 응용된다. 기타 응용제품으로는 세라믹 필터, 지연선(delay line), 초음파 세척기, 초음파 가공기, 초음파 용착기, 초음파 가습기 등 여러 방면에서 활용되고 있다. When a force or pressure is applied from the outside, high voltage sparks can be generated, which is applied to gas appliances and piezoelectric transformers. Other applications include ceramic filters, delay lines, ultrasonic cleaners, ultrasonic processors, ultrasonic welders, and ultrasonic humidifiers.

대표적인 압전소재인 PZT계 산화물 세라믹스는 우수한 강유전성, 초전성 및 압전 특성을 가지고 있어 벌크 뿐만 아니라 필름 형태로 다양한 분야에서 많은 응용이 이루어지고 있다. 특히 최근에는 전기-기계 복합 부품의 극소화 및 집적화로의 요구에 부합하는 MEMS 기술을 이용한 센서 및 액츄에이터 제작에 있어 고감도, 고출력, 빠른 응답속도 등의 장점을 가지는 PZT계 박막 및 후막에 대해 많은 관심이 집중되고 있다.PZT-based oxide ceramics, a typical piezoelectric material, have excellent ferroelectricity, pyroelectricity, and piezoelectric properties, so that many applications are made in various fields in the form of a film as well as bulk. Recently, much attention has been paid to PZT-based thin films and thick films, which have advantages such as high sensitivity, high power, and fast response speed in manufacturing sensors and actuators using MEMS technology that meet the requirements of miniaturization and integration of electromechanical composite parts. It is concentrated.

수 마이크론 이하의 두께를 가지는 박막에 비해 수십 마이크론 이상의 두께를 가지는 PZT계 압전 후막은 큰 발생력 뿐만 아니라 우수한 응답성 및 안정적인 전기적 특성을 얻을 수 있고 압전 부품의 경박단소화와 고성능화로의 요구를 잘 충족시켜 주기 때문에 기존에 사용되지 못했던 다양한 분야에 새롭게 응용되어 무한한 가치를 창출할 수 있을 것으로 예상되지만, 기존의 후막 제조법으로는 치밀하면서도 우수한 전기적 특성을 가지는 압전 후막을 제조하기가 어렵다.PZT-based piezoelectric thick films having thicknesses of several tens of microns or more can obtain not only a large generation force but also excellent responsiveness and stable electrical characteristics, and meet the requirements of thin and short and high performance of piezoelectric components. It is expected to create infinite value by newly applying to various fields that have not been used in the past, but it is difficult to manufacture piezoelectric thick films having dense and excellent electrical properties by using conventional thick film manufacturing methods.

종래의 대표적인 PZT계 후막 제조 방법 중 하나인 스크린 프린팅법은 원료분말에 여러 가지 첨가제를 혼합하여 페이스트 상태로 만든 후, 원하는 기판위에 페이스트를 압착시켜 막을 증착하는 방법이다. 그러나, 치밀화를 위해서는 약 900 ℃ 이상 고온에서의 열처리가 필요하며, 실리콘이 기판으로 사용될 경우 고온에서 실리콘 기판과 막 사이의 계면반응을 피할 수 없다. 따라서 치밀화를 위한 후열처리 온도를 낮추기 위해 낮은 용융점을 가지는 물질을 첨가하는 방법을 사용할 수 있으나 비압전물질의 첨가는 막의 특성을 저하시키는 문제점을 가진다.The screen printing method, which is one of the conventional representative PZT-based thick film manufacturing methods, is a method of depositing a film by compressing a paste on a desired substrate by mixing various additives with a raw material powder to form a paste. However, densification requires heat treatment at a high temperature of about 900 ° C. or higher, and when silicon is used as a substrate, an interfacial reaction between the silicon substrate and the film at high temperatures is inevitable. Therefore, a method of adding a material having a low melting point to lower the post-heating temperature for densification may be used, but the addition of a non-piezoelectric material has a problem of degrading the properties of the film.

에어로졸 증착법은 상온에서 마이크론 크기 이하의 초미립자 분말이 분말공급장치와 기판 간의 내부 압력 차이와 반송가스에 의해 초음속의 속도로 기판에 분사됨으로써 기판 표면에 치밀한 코팅층을 형성하는 방법으로서, 분당 수 마이크론 이상의 매우 빠른 증착속도로 치밀한 후막을 제조할 수 있다는 장점을 가진다. 에어로졸 증착법의 정확한 막 형성 메커니즘은 아직 알려진 바 없으나 최종 형성된 코팅층이 수십 나노미터 이하의 극미세 결정립과 비정질로 이루어진 것으로 보아 분말 입자와 기판이 서로 충돌할 때 발생하는 강한 기계적 충격력에 의해 분말 입자가 더 작은 크기로 파쇄되고 이로 인해 생성된 높은 에너지 상태의 새로운 입자 표면을 감소시키기 위해 입자간 강한 결합이 야기되며, 이러한 결합의 진전으로 인해 치밀화가 이루어졌을 것으로 판단된다.The aerosol deposition method is a method of forming a dense coating layer on the surface of the substrate by spraying the ultra-fine particles of micron size or less at room temperature to the substrate at a supersonic speed by the difference in the internal pressure between the powder supply device and the substrate and the carrier gas. It has the advantage that a dense thick film can be manufactured at a high deposition rate. The exact film formation mechanism of the aerosol deposition method is not yet known, but since the final formed coating layer is composed of ultra-fine grains and amorphous particles of several tens of nanometers or less, the powder particles are further affected by the strong mechanical impact force generated when the powder particles and the substrate collide with each other. In order to reduce the small particle size and thereby create a new particle surface of the high energy state generated, strong bonding between particles is caused, and it is believed that densification has been achieved due to the progress of such bonding.

그러나, 에어로졸 증착법에 의해 형성된 코팅층 내부는 강한 기계적 충격력 에 의한 분말 입자의 파쇄로 인해 결함을 다수 포함하고 있어, 특히 PZT계 압전 후막의 경우 물성이 매우 낮은 단점을 가진다. 그리고, 극미세 결정립과 비정질로 구성된 미세구조 또한 막의 전기적 특성에 악영향을 미친다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서 에어로졸 증착법으로 제조된 PZT계 압전 후막은 증착 후 반드시 열처리를 실시해야 한다. 후열처리를 통해 막 내의 결함이 제거되고, 막 결정화 및 입자 성장이 일어남에 따라 압전 후막의 전기적 특성이 향상된다.However, the inside of the coating layer formed by the aerosol deposition method contains a large number of defects due to the fracture of the powder particles by a strong mechanical impact force, especially in the case of PZT-based piezoelectric thick film has a very low physical properties. In addition, the microstructure composed of ultrafine grains and amorphous particles also adversely affect the electrical properties of the film. Therefore, in order to solve this problem, the PZT-based piezoelectric thick film manufactured by the aerosol deposition method must be heat-treated after deposition. The post-heat treatment removes defects in the film, and as the crystallization and grain growth occur, the electrical properties of the piezoelectric thick film are improved.

에어로졸 증착법으로 제조된 압전 후막의 특징 중의 하나는 기판위에 분말 입자들이 충돌함으로써 막이 형성되기 때문에 증착 후 막 내부에 큰 잔류 압축 응력이 걸린다는 것이며, 막 두께가 두꺼워질수록 내부에 축적되는 잔류 압축 응력이 더 커진다. 게다가 막과 기판 사이의 열팽창계수의 차이도 막 내에 잔류 응력을 야기한다. 따라서 비록 에어로졸 증착법에 의해 제조된 후막이 건전하더라도 특성 향상을 위해 이를 후열처리했을 경우, 막 내부에 축적된 잔류 압축 응력과 막, 기판 간의 열팽창계수의 차이로 인해 막과 기판이 서로 분리되어 막이 손상되기 쉽다. 이러한 현상은 막의 두께가 두꺼워질수록 심해지며, 이런 문제를 해결하기 위해 열처리시 승온 및 냉각속도를 매우 느리게 하는 방법(30 ℃/h)이 사용되기도 하지만, 이전의 실험에 따르면 PZT계 압전 후막의 두께가 약 20 ㎛ 이상이 되면, 열처리 공정을 조절하더라도 열처리 후 건전한 압전 막을 얻는 것이 거의 불가능한 문제가 있었다.One of the characteristics of the piezoelectric thick film prepared by the aerosol deposition method is that a large residual compressive stress is applied to the inside of the film after deposition because the film is formed by colliding powder particles on the substrate. Is bigger. In addition, the difference in coefficient of thermal expansion between the film and the substrate also causes residual stress in the film. Therefore, even if the thick film manufactured by the aerosol deposition method is healthy, if the post-heat treatment is performed to improve the characteristics, the film and the substrate are separated from each other due to the difference in the coefficient of thermal expansion accumulated between the film and the substrate, thereby damaging the film. Easy to be This phenomenon becomes worse as the thickness of the film becomes thicker, and in order to solve this problem, a method of increasing the temperature and cooling rate very slowly (30 ° C./h) during heat treatment has been used. When the thickness is about 20 μm or more, there is a problem that it is almost impossible to obtain a healthy piezoelectric film after heat treatment even if the heat treatment process is controlled.

이에 본 발명자들은 유기물이 첨가된 원료분말을 이용하여 에어로졸 증착법을 통해 막을 증착한 후, 핫플레이트 위에서 막을 가열하여 막 내에 존재하는 유기물을 제거하고, 이에 따라 막 내에 나노 미세기공을 형성하였으며, 최종 막을 열처리할 때 막 내에 존재하는 나노 미세기공들이 막 내부에 축적된 잔류 압축 응력을 해소시켜 최종 열처리 후에도 막과 기판 간의 결합력이 높으며 고특성을 가지는 건전한 PZT계 압전 후막을 제조하여 종래기술에 의해 제조된 압전 후막보다 두께가 두꺼우며 우수한 전기적 특성을 갖음을 확인하고 본 발명을 완성하였다. Therefore, the present inventors deposited the film by using aerosol deposition method using the raw material powder to which the organic material was added, and then heated the film on the hot plate to remove the organic matter present in the film, thereby forming nano-pores in the film, and the final film The nano-pores present in the film during the heat treatment solve the residual compressive stress accumulated in the film to produce a healthy PZT-based piezoelectric thick film having high bonding properties and high properties even after the final heat treatment. The present invention was completed by confirming that the piezoelectric thick film is thicker and has excellent electrical properties.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명의 목적은 유기물을 함유하고, 나노 미세기공을 갖는 PZT계 압전 후막을 제공하는 데 있다. The present invention has been devised to solve the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a PZT-based piezoelectric thick film containing an organic material and having nano-pores.

또한 PZT계 분말을 사용하여 에어로졸 증착법을 통해 막을 증착한 후, 유기물 제거 공정을 통해 막 내에 나노 미세기공을 생성시켜 막 내부의 잔류 압축 응력을 완화시킴으로써, 2차 열처리후에도 기판과의 결합력이 우수하고 특성이 우수한 PZT계 압전 후막을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다. In addition, after depositing the film through aerosol deposition method using PZT-based powder, by removing the organic material to create nano-pores in the film to relieve the residual compressive stress inside the film, excellent bonding to the substrate even after the second heat treatment The present invention provides a method for producing a PZT-based piezoelectric thick film having excellent characteristics.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Pb(ZrxTi1-x)O3 를 포함하는 유기물을 함유하고, 나노 미세기공을 갖는 PZT계 압전 후막을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a PZT-based piezoelectric thick film containing an organic material containing Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 , and having nano-pores.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 Pb(ZrxTi1-x)O3 를 포함하는 유기물을 함유하고, 나노 미세기공을 갖는 PZT계 압전 후막을 제공한다.The present invention provides an PZT-based piezoelectric thick film containing an organic material containing Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 and having nano-pores.

본 발명에 따른 PZT계 압전 후막은 아세트산 납(lead acetate [Pb(CH3CO2)23H2O]), 질산 납(lead nitrate [Pb(NO3)2])등의 Pb 함유 유기물 중 1종 이상, 지르코늄 프로폭사이드(zirconium propoxide), 지르코늄 에톡사이드(zirconium ethoxide), 지르코늄 부톡사이드(zirconium butoxide), 지르코늄 클로라이드(zirconium chloride)등의 Zr 함유 유기물 중 1종 이상, 티타늄 프로폭사이드(titanium propoxide), 티타늄 에톡사이드(titanium ethoxide), 티타늄 부톡사이드(titanium butoxide), 티타늄 클로라이드(titanium chloride)등의 Ti 함유 유기물 중 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다. PZT-based piezoelectric thick film according to the present invention is one of Pb-containing organic materials such as lead acetate [Pb (CH 3 CO 2 ) 2 3H 2 O]), lead nitrate (Pb (NO 3 ) 2 ]) At least one of Zr-containing organics such as zirconium propoxide, zirconium ethoxide, zirconium butoxide, zirconium chloride, and titanium propoxide It is preferable to include at least one of Ti-containing organic substances such as propoxide, titanium ethoxide, titanium butoxide and titanium chloride.

본 발명에서, Pb(ZrxTi1-x)O3 를 포함하는 유기물을 함유하고, 나노 미세기공을 갖는 PZT계 압전 후막에 있어서, Pb, Zr 및 Ti 의 조성은 Pb(ZrxTi1-x)O3 이며, 이때 상기 x는 0.4 ~ 0.6인 것이 바람직하다. x가 0.4 미만인 경우와 0.6을 초과하는 경우, 상경계(MPB) 조성을 벗어나서 물성이 저하될 수 있다. In the present invention, in the PZT-based piezoelectric thick film containing an organic material containing Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 and having nano-pores, the composition of Pb, Zr and Ti is Pb (Zr x Ti 1- x) O 3 , wherein x is preferably 0.4 to 0.6. When x is less than 0.4 and exceeds 0.6, physical properties may deteriorate beyond the phase boundary (MPB) composition.

나아가, 상기 기본 조성물에는 추가적으로 강화제(hardener)나 유연제(softener) 역할을 하는 다양한 산화물이 첨가될 수 있으며, PMN(Lead Magnesium Niobate)이나 PZN(Lead Zinc Niobate)과 같은 완화형 강유전체와 PZT 혹은 Pb(PbTiO3)와의 복합 화합물이 첨가될 수 있다. Further, the base composition may additionally include various oxides that act as hardeners or softeners, and a relaxed ferroelectric such as lead magnesium nitrate (PMN) or lead zinc niobate (PZN), and PZT or Pb ( Composite compounds with PbTiO 3 ) may be added.

본 발명에 따른 PZT계 압전 후막에 있어서, 상기 유기물의 함량은 1% ~ 30% 인 것이 바람직하다. 이때, 유기물 함량이 30% 이상이면 최종 형성된 막의 치밀도가 매우 낮게 되는 문제가 있고, 1% 미만이면 생성되는 기공이 적어서 잔류 압축 응력의 완화 효과가 떨어지는 문제가 있다. In the PZT piezoelectric thick film according to the present invention, the content of the organic material is preferably 1% to 30%. At this time, if the organic content is 30% or more, there is a problem in that the final density of the film is very low, and if it is less than 1%, there is a problem that less porosity is generated, thereby reducing the effect of reducing the residual compressive stress.

본 발명에 따른 PZT계 압전 후막은 나노 미세기공을 갖는다. 상기 미세 기공은 열처리에 의해 상술한 유기물이 일부 제거된 자리에 생성되는 것으로서, 그 함량은 유기물의 잔존 함량과 반비례한다. 따라서, 상기 나노 크기 기공의 비율은 30% ~ 1%인 것이 바람직하다. 이러한 나노 미세기공은 후막 내의 잔류 압축응력을 감소시키는 역할을 함으로써 후막 두께가 증가하여도 크랙(crack)이 발생하지 않도록 하는 역할을 한다. 그 결과 종래의 후막의 문제점으로 지적된 후막 두께 제한의 문제를 해결할 수 있다. PZT-based piezoelectric thick film according to the present invention has nano-pores. The fine pores are generated at the sites where the above-mentioned organic matter is partially removed by heat treatment, and the content thereof is inversely proportional to the residual content of the organic matter. Therefore, the ratio of the nano-sized pores is preferably 30% ~ 1%. The nano-pores serve to reduce residual compressive stress in the thick film, thereby preventing cracks from occurring even when the thick film is increased. As a result, the problem of thick film thickness limitation pointed out as a problem of the conventional thick film can be solved.

또한, 본 발명은 유기물을 함유한 PZT계 원료 분말을 합성하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 합성한 분말을 기판 위에 증착하여 후막을 제조하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 제조한 후막에 있는 유기물을 열분해하는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3에서 열분해한 후막을 열처리하는 단계(단계 4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of synthesizing the PZT-based raw material powder containing an organic material (step 1); Preparing a thick film by depositing the powder synthesized in step 1 on a substrate (step 2); Pyrolysing the organic material in the thick film prepared in step 2 (step 3); And heat treating the thick film pyrolyzed in step 3 (step 4).

이하, 상기 제조방법을 단계별로 상세하게 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method will be described in detail step by step.

본 발명에 따른 PZT계 압전 후막의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 Pb(ZrxTi1-x)O3 를 포함하는 유기물을 함유하고, 나노 미세기공을 갖는 PZT계 압전 후막의 원료 분말을 합성하는 단계이다. 상기 단계 1은 다음과 같이 단계 1a 내지 1c 에 의해 수행될 수 있다. In the method for producing a PZT piezoelectric thick film according to the present invention, the step 1 contains an organic material containing Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 , and comprises a raw material powder of a PZT piezoelectric thick film having nano-pores. Synthesis step. Step 1 may be performed by steps 1a to 1c as follows.

졸겔법을 사용하여 PZT계 전구체 용액을 제조하는 단계(단계 1a); 상기 전구체 용액을 분말로 제조하는 단계(단계 1b); 및 상기 건조된 분말을 열처리하여 분말내 유기물 함량을 조절하는 단계(단계 1c)를 포함한다.Preparing a PZT-based precursor solution using a sol-gel method (step 1a); Preparing the precursor solution into a powder (step 1b); And controlling the organic matter content in the powder by heat-treating the dried powder (step 1c).

상기 단계 1a는 세라믹원소를 포함하는 유기물인 세라믹 고분자 전구체(preceramic polymer)를 종래의 졸겔법으로 전구체 용액을 제조하는 단계로, 납(Pb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti)를 포함하는 세라믹 고분자 전구체를 용매에 용해시켜 혼합한 후 수화반응을 시키는 과정이 포함된다. 본 발명에 따른 상기 유기물은 아세트산 납(lead acetate [Pb(CH3CO2)23H2O]), 질산 납(lead nitrate [Pb(NO3)2])등의 Pb 함유 유기물 중 1종 이상, 지르코늄 프로폭사이드(zirconium propoxide), 지르코늄 에톡사이드(zirconium ethoxide), 지르코늄 부톡사이 드(zirconium butoxide), 지르코늄 클로라이드(zirconium chloride)등의 Zr 함유 유기물 중 1종 이상, 티타늄 프로폭사이드(titanium propoxide), 티타늄 에톡사이드(titanium ethoxide), 티타늄 부톡사이드(titanium butoxide), 티타늄 클로라이드(titanium chloride)등의 Ti 함유 유기물 중 1종 이상을 포함하는 Pb, Zr 및 Ti를 포함하는 유기물인 것이 바람직하다. Step 1a is a step of preparing a precursor solution of a ceramic polymer precursor (preceramic polymer) that is an organic material containing a ceramic element by a conventional sol-gel method, a ceramic containing lead (Pb), zirconium (Zr), titanium (Ti) It involves dissolving the polymer precursor in a solvent to mix and then performing a hydration reaction. The organic material according to the present invention is one or more of Pb-containing organic materials such as lead acetate [Pb (CH 3 CO 2 ) 2 3H 2 O]) and lead nitrate [Pb (NO 3 ) 2 ]). At least one of Zr-containing organics such as zirconium propoxide, zirconium ethoxide, zirconium butoxide, zirconium chloride, titanium propoxide ), An organic substance containing Pb, Zr and Ti containing at least one of Ti-containing organic substances such as titanium ethoxide, titanium butoxide, titanium chloride, and the like.

상기 단계 1b는 단계 1a의 전구체 용액을 건조 및 분쇄시키는 단계로, 전구체 용액 내의 휘발성분을 제거하여 분말상태로 만들고, 이 물질을 균일한 크기로 분쇄하여 분말로 밀링 과정이 포함된다. Step 1b is a step of drying and pulverizing the precursor solution of step 1a, removing the volatiles in the precursor solution to a powder state, and pulverizing the material to a uniform size, which includes milling the powder.

상기 단계 1c는 단계 1b의 분말을 열처리하는 단계로 분말 내에 포함되어 있는 유기물을 열분해 시켜, 분말내 유기물 함량을 열처리로 조절하는 단계이다. 상기 열처리는 200 ℃ ~ 600 ℃인 것이 바람직하다. 이때, 열처리 온도가 600 ℃를 초과하면 유기물의 함량이 너무 적어져서, 후막에 나노 미세기공이 생기지 않는 문제가 있고, 200 ℃ 미만이면, 상기 원료 분말내의 유기물의 함량이 너무 많아서 최종 막 내에 기공의 분율이 지나치게 높아지므로 막의 밀도와 전기적 특성이 매우 낮게 되는 문제가 있다. Step 1c is a step of thermally treating the powder of step 1b to thermally decompose the organic material contained in the powder, thereby controlling the organic content in the powder by heat treatment. It is preferable that the said heat processing is 200 degreeC-600 degreeC. At this time, if the heat treatment temperature exceeds 600 ℃, the content of the organic matter is too small, there is a problem that the nano-pores do not occur in the thick film, if less than 200 ℃, the content of the organic material in the raw material powder is too high to the pore in the final film Since the fraction is too high, there is a problem that the density and electrical properties of the film are very low.

상기 단계 1에 의해 합성된 PZT 원료 분말의 입자 크기는 평균 입경 0.3 ㎛ ~ 10 ㎛인 것이 바람직하다. 상기 범위가 약 10 ㎛ 이상의 입자는 막의 표면과 두께의 불균일성을 초래하고 0.3 ㎛ 이하이면 치밀한 막이 형성되지 못하는 문제가 있다. It is preferable that the particle size of the PZT raw material powder synthesized by Step 1 is 0.3 μm to 10 μm in average particle diameter. Particles in the above range of about 10 μm or more cause a nonuniformity of the surface and thickness of the film and there is a problem in that a dense film is not formed when 0.3 μm or less.

상기 단계 1의 Pb, Zr 및 Ti를 포함하는 유기물의 조성은 Pb(ZrxTi1 -x)O3이며, 이때, 상기 x는 0.4 ~ 0.6인 것이 바람직하다. x 가 0.4 미만인 경우와 0.6을 초과하는 경우, 상경계(MPB) 조성을 벗어나서 물성이 저하될 수가 있다. Of step 1 above The composition of the organic material including Pb, Zr and Ti is Pb (Zr x Ti 1 - x) O 3 , wherein x is preferably 0.4 to 0.6. When x is less than 0.4 and exceeds 0.6, physical properties may deteriorate beyond the phase boundary (MPB) composition.

나아가, 상기 단계 1의 유기물은 추가적으로 강화제(hardener)나 유연제(softener) 역할을 하는 다양한 산화물을 포함할 수 있으며, PMN이나 PZN과 같은 완화형 강유전체와 PZT 혹은 Pb(PbTiO3)와의 복합 화합물을 포함할 수 있다.Furthermore, the organic material of step 1 may further include various oxides that act as hardeners or softeners, and may include a complex compound of a relaxed ferroelectric such as PMN or PZN and PZT or Pb (PbTiO 3 ). can do.

본 발명에 따른 상기 단계 2는 단계 1의 원료 분말을 상온에서 기판 위에 증착하는 단계이다. 이때 사용되는 코팅방법으로는 에어로졸 증착법이 바람직하다. 상기 단계 1에서 합성된 유기물 분말을 에어로졸 증착법을 이용하여 가속시켜 증착하는데, 상기 유기물 분말을 전송하기 위해 산소, 질소 및 공기 등을 사용할 수 있으며, 가스 유량은 20 ℓ/min ~ 50 ℓ/min범위가 바람직하다. 이때, 20 ℓ/min 미만의 유량에서는 치밀한 막을 얻기가 어려운 문제가 있으며, 50 ℓ/min을 초과하는 유량에서는 증착된 막의 균일성이 떨어지고, 표면 거칠기가 커지는 문제가 있다. 또한, 상기 기판은 실리콘, 알루미나, 사파이어, 스트론튬 타이타네이트(SrTiO3), 스테인레스 스틸, 타이타늄 및 타이타늄 합금 등을 사용할 수 있다. Step 2 according to the present invention is a step of depositing the raw material powder of step 1 on a substrate at room temperature. At this time, the coating method used is preferably an aerosol deposition method. The organic material powder synthesized in step 1 is accelerated and deposited by using an aerosol deposition method, and oxygen, nitrogen, and air may be used to transfer the organic material powder, and the gas flow rate is in the range of 20 L / min to 50 L / min. Is preferred. At this time, there is a problem that it is difficult to obtain a dense film at a flow rate of less than 20 l / min, and there is a problem that the uniformity of the deposited film is lowered and the surface roughness is increased at a flow rate exceeding 50 l / min. In addition, the substrate may be silicon, alumina, sapphire, strontium titanate (SrTiO 3 ), stainless steel, titanium and titanium alloys.

본 발명에 따른 상기 단계 3은 상기 단계 2에서 증착된 후막을 1차 열처리하여 후막 내 유기물을 제거하는 단계이다. 상기 단계 3의 1차 열처리를 통해 유기물이 열분해되어 제거되고, 제거된 유기물이 차지하고 있던 자리에는 나노미터 크기의 다수의 기공들이 형성된다. Step 3 according to the present invention is a step of removing the organic material in the thick film by first heat-treating the thick film deposited in the step 2. The organic material is thermally decomposed and removed through the first heat treatment of Step 3, and a plurality of nanometer-sized pores are formed in the place occupied by the removed organic material.

상기 1차 열처리 온도는 300 ℃ ~ 500 ℃인 것이 바람직하다. 이러한 열처리에 의해 나노 미세기공들이 형성되고, 그 결과 막 내의 잔류 압축응력이 감소됨으로써 이후 2차 열처리 과정을 거치더라도 기판과 분리되지 않는 건전한 막을 제조할 수 있다. The first heat treatment temperature is preferably 300 ℃ ~ 500 ℃. The nano-pores are formed by the heat treatment, and as a result, the residual compressive stress in the film is reduced, so that a healthy film that is not separated from the substrate may be manufactured even after the second heat treatment.

본 발명에 따른 상기 단계 4는 상기 단계 3에서 1차 열처리한 후막을 2차 열처리하는 단계이다. 상기 단계 4의 열처리에 의해 상기 1차 열처리된 후막의 결정성이 높이고, 전기적 특성을 강화시킬 수 있다. 이러한 열처리 온도는 600 ℃ ~ 900 ℃인 것이 바람직하다. 상기 2차 열처리를 통해 증착 도중 후막 내에 형성된 결함들을 제거하고, 후막의 결정화 및 결정 입자 성장이 이루어짐에 따라 우수한 특성을 지닌 압전 후막이 제조된다. 또한, 형성된 나노 미세기공이 후막의 잔류 응력을 조절함으로써 두껍게 형성된 후막인 경우에도 기판과의 박리가 일어나지 않는 안정한 후막을 얻을 수 있다.Step 4 according to the present invention is a step of secondary heat treatment of the thick film after the first heat treatment in step 3. By the heat treatment of step 4 it is possible to increase the crystallinity of the first heat-treated thick film and to enhance the electrical properties. This heat treatment temperature is preferably 600 ℃ to 900 ℃. Through the secondary heat treatment, defects formed in the thick film during the deposition are removed, and as the crystallization and crystal grain growth of the thick film are made, a piezoelectric thick film having excellent characteristics is manufactured. In addition, even when the formed nanomicropores are thick films formed thickly by controlling the residual stress of the thick films, a stable thick film which does not occur with the substrate can be obtained.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것인 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. However, the following examples are only for exemplifying the present invention, and the contents of the present invention are not limited to the following examples.

<실시예 1> 유기물을 함유하는 분말의 제조 Example 1 Preparation of Powder Containing Organic Matter

졸겔법을 이용한 PZT 전구체 용액을 제조하기 위해,
납 전구체로서 아세트산 납(Pb acetate [Pb(CH3COO)2·3H2O]) 분말 234 g을 용매 2-메톡시에탄올 563 g에 용해시킨 용액을 제조했다. 또, Zr 전구체로서 지르코늄-n-프로폭사이드(Zr-n-propoxide [Zr(OCH2CH2CH3)4]) 150 g, 및 티타늄 전구체로서 티타늄 이소 프로폭사이드(Ti-i-propoxide Ti[OCH(CH3)2]4) 87 g을 용매 프로판올 296 g에 용해시킨 용액을 제조했다. 상기 2 용액의 혼합 용액을 1시간 동안 교반시킨 후, 상기 교반된 용액 44 g을 첨가하여 24시간 동안 수화반응을 진행시켰다. 이때, 전구체 용액내 PZT의 조성은 최고의 전기적 특성을 나타낸다고 알려진 상경계 조성인 Pb(Zr0.52Ti0.48)O3이며, 농도는 0.45 M인 전구체 용액을 제조하였다. 상기 전구체 용액을 건조하여 300 ℃의 온도로 열처리한 분말을 에어로졸 증착에 적합하게 만들기 위해 에탄올을 사용한 습식밀링법으로 분쇄하였다.
In order to prepare a PZT precursor solution using the sol-gel method,
A Pb precursor to prepare a solution obtained by dissolving a lead acetate (Pb acetate [Pb (CH 3 COO) 2 · 3H 2 O]) powder, 234 g of 2-methoxyethanol solvent, 563 g. In addition, 150 g of zirconium-n-propoxide (Zr-n-propoxide [Zr (OCH 2 CH 2 CH 3 ) 4 ]) as a Zr precursor, and titanium isopropoxide (Ti-i-propoxide Ti) as a titanium precursor. A solution in which 87 g of [OCH (CH 3 ) 2 ] 4 ) was dissolved in 296 g of solvent propanol was prepared. The mixed solution of the two solutions was stirred for 1 hour, and then 44 g of the stirred solution was added to proceed with the hydration reaction for 24 hours. At this time, the composition of PZT in the precursor solution is Pb (Zr 0.52 Ti 0.48 ) O 3, which is known to exhibit the best electrical properties, and the precursor solution having a concentration of 0.45 M was prepared. The precursor solution was dried and pulverized by wet milling with ethanol to make the powder heat-treated at a temperature of 300 ° C. for aerosol deposition.

<실시예 2> 유기물을 함유하는 분말의 제조Example 2 Preparation of Powder Containing Organic Matter

상기 열처리를 350 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 제조하였다.Except that the heat treatment was carried out at 350 ℃ was prepared in the same manner as in Example 1.

<실시예 3> 유기물을 함유하는 분말의 제조Example 3 Preparation of Powder Containing Organic Matter

상기 열처리를 450 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 제조하였다.Except that the heat treatment was carried out at 450 ℃ was prepared in the same manner as in Example 1.

도 1 의 (a) 및 표 1은 상기 단계 1b의 건조된 분말을 열중량분석(Thermogravimetric analysis, TA Instruments, USA., SDT2960)한 결과이다.Figure 1 (a) and Table 1 is the result of the thermogravimetric analysis (Thermogravimetric analysis, TA Instruments, USA., SDT2960) of the dried powder of step 1b.

분말의 온도(℃)Temperature of powder (℃) 300300 350350 450450 700700 분말의 무게(%)Weight of powder (%) 81.581.5 78.278.2 75.775.7 71.771.7

도 1의 (a) 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 상기 건조된 분말은 300 ℃에서는 81.5%, 350 ℃에서는 78.2%, 450 ℃에서는 75.7%, 700 ℃에서는 71.7%로 열처리 온도가 높아짐에 따라 분말의 무게손실이 커지는 것을 알 수 있다, 이는 건조된 분말 내에 함유된 유기물이 열에 의해 분해가 일어나, 나아가 온도에 따라 제거되는 유기물의 양이 달라지는 것을 알 수 있다. 따라서 분말 열처리 온도 조절을 통해 분말내의 유기물 함량의 제어가 가능하다는 것을 알 수 있다. 1 (a) and As shown in Table 1, the dried powder is 81.5% at 300 ℃, 78.2% at 350 ℃, 75.7% at 450 ℃, 71.7% at 700 ℃ it is found that the weight loss of the powder increases as the heat treatment temperature increases It can be seen that the organic matter contained in the dried powder is decomposed by heat, and thus the amount of organic matter removed is changed depending on the temperature. Therefore, it can be seen that control of the organic matter content in the powder is possible by controlling the powder heat treatment temperature.

이에, 본 실시예에서는 분말 열처리를 300 ℃(실시예 1), 350 ℃(실시예 2), 450 ℃(실시예 3)의 온도에서 실시한 후, 각 분말의 유기물 함량을 열중량분석을 수행하여 도 1의 (b)에 나타내었다. Thus, in the present embodiment, the powder heat treatment is carried out at a temperature of 300 ℃ (Example 1), 350 ℃ (Example 2), 450 ℃ (Example 3), and then carried out thermogravimetric analysis of the organic content of each powder It is shown in Figure 1 (b).

도 1의 (b)에 나타난 바와 같이, 실시예 1은 12 중량%, 실시예 2는 8 중량%, 실시예 3은 5 중량%의 유기물을 포함하여, 상기 단계 1c의 열처리를 통하여 분말내의 유기물 함량을 조절할 수 있음을 확인하였다.As shown in (b) of FIG. 1, Example 1 includes 12 wt%, Example 2 includes 8 wt%, and Example 3 includes 5 wt% of organic matter, and the organic matter in the powder through the heat treatment of step 1c. It was confirmed that the content can be adjusted.

도 2의 (a)는 실시예 3의 입도 분석기(HELOS/BF, Sympatec GmbH, Germany)를 이용하여 제조된 분말의 크기를 측정한 결과이고, 도 2의 (b)는 주사 전자 현미경을 이용하여 분말의 실제 형태 및 크기를 분석한 결과이다. 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이 실시예 3은 0.3 ㎛ ~ 10 ㎛크기로 넓은 입자 크기 분포를 가짐을 알 수 있다. 또한 도 2의 (b)에 나타난 바와 같이, 분말 입자들이 불규칙한 형상을 가지고 있으며, 이에 입자 크기 분포는 입도 분석 결과와 유사함을 알 수 있다.Figure 2 (a) is the result of measuring the size of the powder prepared using the particle size analyzer (HELOS / BF, Sympatec GmbH, Germany) of Example 3, Figure 2 (b) using a scanning electron microscope This is the result of analyzing the actual form and size of the powder. As shown in (a) of Figure 2 it can be seen that Example 3 has a wide particle size distribution with a size of 0.3 ㎛ ~ 10 ㎛. In addition, as shown in (b) of Figure 2, the powder particles have an irregular shape, it can be seen that the particle size distribution is similar to the particle size analysis results.

<실시예 4> 유기물을 함유하고, 나노 미세기공을 갖는 PZT계 압전 후막의 제조Example 4 Preparation of PZT-Based Piezoelectric Thick Film Containing Organic Matter and Having Nano Micropores

상기 실시예 3의 최종 분말을 사용하여 에어로졸 증착법을 통해 5 mm × 12 mm 면적으로 약 10 ㎛ ~ 100 ㎛ 두께의 막을 제조하였다. 이어서, 상기 증착된 후막을 핫플레이트를 이용, 440 ℃에서 1시간 동안 가열하는 1차 열처리를 통하여 증착된 후막 내의 유기물을 완전히 제거하였으며, 700 ℃에서 1시간 동안 2차 열처리를 실시하여 최종 PZT계 압전 후막을 얻었다.Using the final powder of Example 3, a film having a thickness of about 10 μm to 100 μm was prepared by an aerosol deposition method with a 5 mm × 12 mm area. Subsequently, the organic film in the deposited thick film was completely removed through a first heat treatment in which the deposited thick film was heated at 440 ° C. for 1 hour using a hot plate, and the final PZT system was subjected to a second heat treatment at 700 ° C. for 1 hour. A piezoelectric thick film was obtained.

<비교예 1> 유기물을 함유하지 않는 PZT 후막의 제조Comparative Example 1 Preparation of PZT Thick Film Containing No Organic Matter

유기물을 함유하지 않는 PZT 분말을 제조하기 위해 고상반응법을 사용하였다. PbO(68.5 g), ZrO2(19.7 g), TiO2(11.8 g) 분말을 볼밀을 통해 혼합 및 건조한 후, 850 ℃에서 2시간 동안 하소하여 PZT 분말을 합성하였다. 상기 분말을 다시 볼밀하여 에어로졸 증착법에 적합한 크기로 분쇄하여 최종 PZT 분말을 제조하였다. 상기 분말을 사용하여 에어로졸 증착법을 이용, Pt/Ti/SiO2/Si 기판 위에 5 mm × 12 mm면적으로 10 ㎛ ~ 100 ㎛두께의 PZT 막을 제조하였으며, 상기 막을 전기로를 사용하여 700 ℃에서 1시간 동안 후 2차 열처리하여 최종 PZT 막을 얻었다.Solid phase reaction was used to prepare PZT powder containing no organic matter. PbO (68.5 g), ZrO 2 (19.7 g), TiO 2 (11.8 g) powders were mixed and dried through a ball mill, and then calcined at 850 ° C. for 2 hours to synthesize PZT powders. The powder was again milled to a size suitable for aerosol deposition to produce a final PZT powder. Using the powder, a PZT film having a thickness of 10 μm to 100 μm was formed on a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate on a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate with a thickness of 5 mm × 12 mm, and the film was used at an electric furnace for 1 hour at 700 ° C. After the second heat treatment to obtain a final PZT film.

도 3은 실시예 4를 100 ㎛으로, 비교예 1을 20 ㎛으로 Pt/Ti/SiO2/Si 기판 위에 증착한 사진이다. 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 비교예 1의 형성과정 중, 비교예 1의 분말을 기판 위에 증착한 직후에는 막이 건전하지만, 이를 700 ℃에서 2차 열처리를 수행한 후에는, 후막 두께가 20 ㎛ 이상이면 기판 간의 분리가 일어나면서 막이 손상되는 것을 알 수 있다. 반면, 도 3의 (b)에 나타난 실시예 3을 100 ㎛으로 증착한 후막의 경우, 2차 열처리 후에도 막과 기판 간의 분리나 막 내에 균열이 전혀 관찰되지 않아 PZT계 압전 후막이 건전하게 형성되었음을 확인할 수 있으며, 이러한 결과는 각각 형성된 후막 전체에서 동일한 결과를 보였다. 3 is a photograph of Example 4 at 100 μm and Comparative Example 1 at 20 μm on a Pt / Ti / SiO 2 / Si substrate. As shown in (a) of FIG. 3, the film is sound immediately after the powder of Comparative Example 1 is deposited on the substrate during the formation of Comparative Example 1, but after performing the second heat treatment at 700 ° C., the thick film thickness When the thickness is 20 µm or more, it can be seen that the film is damaged while separation between the substrates occurs. On the other hand, in the thick film of Example 3 shown in (b) of FIG. 3 at 100 μm, no separation between the film and the substrate or cracks were observed in the film even after the second heat treatment, thereby ensuring that the PZT-based piezoelectric thick film was soundly formed. These results showed the same results in the entire thick film formed, respectively.

도 4는 실시예 4 표면의 미세조직을 주사전자현미경으로 분석하여 나타내었다. 각각 (a)는 20 ㎛으로 증착된 후막의 단면사진이고, (b)는 이의 표면사진이다. 또한 (c)는 100 ㎛으로 형성된 후막의 단면사진이고 (d)는 이의 표면사진이다. 도 4의 (a)와(c)에 나타난 바와 같이, 두께가 다른 후막들 모두 균일한 막 두께를 가지고 있으며, 열처리 후에도 막의 균열 또는 분리가 진행되지 않았음을 알 수 있다. 또한 도 4의 (b)와 (d)에 나타난 바와 같이, 막 두께가 100 ㎛으로 두꺼워지더라도 막 내의 입자의 크기 변화는 거의 없으며, 약 100 ㎚ 내외의 균일한 크기의 입자들이 존재함을 확인할 수 있다.Figure 4 shows the microstructure of the surface of Example 4 analyzed by scanning electron microscopy. (A) is a cross-sectional photograph of a thick film deposited at 20 탆, respectively, and (b) is a photograph of its surface. In addition, (c) is a cross-sectional photograph of a thick film formed in 100 ㎛ and (d) is a surface photograph thereof. As shown in (a) and (c) of FIG. 4, all thick films having different thicknesses have a uniform film thickness, and it can be seen that cracking or separation of the film does not proceed even after the heat treatment. In addition, as shown in (b) and (d) of Figure 4, even if the film thickness is thickened to 100 ㎛ almost no change in the size of the particles in the film, it is confirmed that the particles of uniform size around about 100 nm Can be.

도 5는 실시예 4를 20 ㎛으로 증착한 후, 1차 및 2차 열처리 전후의 미세조직을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 후막을 증착한 직후의 후막인 (a)내에는 기공이 거의 없는 치밀한 구조를 나타내는 반면, 상기 증착된 후막을 1차 열처리한 후막인 (b)내의 유기물이 제거됨에 따라 다수의 나노 미세기공들이 생성되었으며, 이 기공들은 2차 열처리한 후막(도 5의 (c))에 그대로 유지되었다. 이에, 상기 (b)에서 관찰된 막 내에 생성된 기공들은 막에 축적된 잔류 압축응력을 해소시키는 역할을 하여 2차 열처리 후에도 막이 건전하게 유지될 수 있다.FIG. 5 is a photograph of Example 4 deposited at 20 μm, followed by scanning electron microscopy of the microstructure before and after the first and second heat treatments. FIG. As shown in FIG. 5, while the thick film immediately after depositing the thick film shows a dense structure with little pores, the organic material in the thick film (b) that is primarily heat treated is removed. As a result, a plurality of nano-pores were generated, and the pores were maintained in the thick film (FIG. 5C) after the second heat treatment. Thus, the pores generated in the film observed in (b) serves to relieve the residual compressive stress accumulated in the film, so that the film remains healthy after the second heat treatment.

도 6은 실시예 3을 사용하여 증착한 막, 1차 및 2차 열처리 후의 막에 대한 X-선 회절 분석결과(D-MAX 2200, Rigaku Co., Japan)이다. 상기 분석은 증착된 막이 1차 및 2차 열처리 단계에서의 상변화에 대한 정보를 제공할 수 있다. 증착막의 경우, 피크의 폭이 넓고, 강도도 낮아서 에어로졸 증착법으로 제조된 막의 전형적인 특징을 나타낸다. 상기 증착막을 1차 열처리를 하면, 31 ℃ 부근의 PZT(110)상을 비롯한 PZT 결정상들의 피크 강도가 높아지고, 피크 폭도 줄어든 것을 확인할 수 있는데, 이는 1차 열처리 공정에서 유기물이 제거됨과 동시에 막의 결정화도 일부 진행되었음을 의미한다. 이를 2차 열처리한 막의 경우, 피크 강도가 더욱 높아지고, 피크 폭도 뚜렷이 감소한 것을 확인할 수 있는데, 이는 1차 열처리 온도보다 더 높은 온도에서 열처리함에 따라 결정화가 더욱 진행됨과 동시에 결정입자들이 성장하였기 때문으로 판단된다. 또한, 2차 열처리한 막 내부에는 일반적으로 PZT 막의 특성을 저하시킨다고 알려진 파이로클로어 상과 같은 제2상이 전혀 관찰되지 않고, 페로브스카이트 구조의 순수한 PZT 결정상으로만 이루어져 있어 PZT 후막이 우수한 전기적 특성을 나타낼 수 있다.FIG. 6 shows X-ray diffraction analysis results (D-MAX 2200, Rigaku Co., Japan) for the films deposited using Example 3 and the films after the first and second heat treatment. The analysis can provide information about the phase change of the deposited film in the first and second heat treatment steps. In the case of the deposited film, the width of the peak is wide and the strength is low, which is typical of the film produced by the aerosol deposition method. When the deposited film is subjected to the first heat treatment, the peak intensity of the PZT crystal phases including the PZT (110) phase around 31 ° C. is increased and the peak width is reduced. It means that it is progressed. In the case of the second heat-treated film, the peak intensity was higher and the peak width was also markedly reduced. This is because the crystallization proceeded more and the crystal grains grew as the heat treatment was performed at a temperature higher than the first heat treatment temperature. do. In addition, a second phase such as a pyrochlore phase, which is generally known to degrade the properties of the PZT film, is not observed at all in the secondary heat-treated film. The PZT thick film is excellent because it is made of pure PZT crystal phase having a perovskite structure. It can exhibit electrical characteristics.

<실험예 1> 유기물을 함유하는 PZT 후막 및 유기물을 함유하지 않는 PZT 후막의 전기적 특성 측정Experimental Example 1 Measurement of Electrical Properties of PZT Thick Films Containing Organics and PZT Thick Films Containing Organics

실시예 1, 실시예 2, 실시예 3을 실시예 4의 방법으로 제조한 20 ㎛두께의 후막과 비교예 1을 10 ㎛두께로 제조한 후막의 강유전특성(Precision LC, Radiant Technologies Inc., U.S.A.)을 측정하여 도 7 및 표 2에 나타내었다. 도 7의 (a)는 상기 실시예들 및 비교예의 분극 대 전기장 세기를 측정하여 나타낸 그래프이고 도 7의 (b)는 상기 실시예들 및 비교예의 잔류 분극 및 항전계 값의 변화를 측정하여 나타낸 그래프이다(항전계 값은 좌측 축의 값을, 잔류 분극은 우측 축의 값을 참조함). 비교예 1을 20 ㎛ 이상의 두께를 가지는 막에서는 열처리 후 막이 손상되어 전기적 특성을 측정할 수 없었기 때문에, 10 ㎛의 두께를 가지는 후막에 대한 특성 값을 나타냈다. Ferroelectric properties of the thick films prepared in Examples 1, 2 and 3 by the method of Example 4 and the thick films prepared in Comparative Example 1 with a 10 μm thickness (Precision LC, Radiant Technologies Inc., USA ) Is shown in Figure 7 and Table 2. Figure 7 (a) is a graph showing the measurement of the polarization vs. the electric field strength of the Examples and Comparative Examples and Figure 7 (b) is a measurement of the change in the residual polarization and constant field values of the Examples and Comparative Examples It is a graph (the field value refers to the value on the left axis and the residual polarization refers to the value on the right axis). In the film having a thickness of 20 µm or more in Comparative Example 1, since the film was damaged after the heat treatment and the electrical properties could not be measured, the characteristic value of the thick film having the thickness of 10 µm was shown.

실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 비교예 1Comparative Example 1 잔류분극(μC/㎠)Residual Polarization (μC / ㎠) 1717 16.516.5 22.322.3 12.812.8 항전계(kV/㎝)Constant field (kV / cm) 6767 53.553.5 48.548.5 3232 비 유전상수Non-dielectric constant 523523 549549 635635 995995 유전손실Dielectric loss 0.0800.080 0.0220.022 0.0200.020 0.0180.018

도 7 및 표 2에 나타난 바와 같이, 모든 막들에서 전형적인 강유전체 특성을 나타내는 이력곡선이 관찰되었다. As shown in FIG. 7 and Table 2, hysteresis curves showing typical ferroelectric properties were observed for all films.

도 7의 (b)로부터, 유기물이 함유된 분말을 사용하여 증착된 막의 경우, 각각의 잔류 분극은 비교예 1 (12.8), 실시예 2 (16.5), 실시예 1(17.0), 실시예 3(22.3)의 순서로 증가하였다. 특히 실시예 3의 잔류 분극값(22.3)은 비교예 1(12.8)에 비해 약 70%증가하여 우수한 강유전 특성을 확인하였다. 또한, 각각의 항전계값은 실시예 1(67.0), 실시예 2(53.5), 실시예 3(48.5)의 순서로 감소하여 유기물 함량에 따른 막 내의 기공률의 변화로 우수한 강유전 특성을 나타내었다.  From (b) of FIG. 7, in the case of a film deposited using a powder containing an organic substance, each residual polarization is shown in Comparative Example 1 (12.8), Example 2 (16.5), Example 1 (17.0), and Example 3 In order of (22.3). In particular, the residual polarization value (22.3) of Example 3 was increased by about 70% compared to Comparative Example 1 (12.8) to confirm the excellent ferroelectric properties. In addition, the respective electric field values decreased in the order of Example 1 (67.0), Example 2 (53.5), and Example 3 (48.5), and showed excellent ferroelectric properties due to the change of porosity in the film according to the organic content.

도 8 및 표 2는 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3 및 비교예 1의 비 유전상수 및 유전 손실을 측정하여 나타내었다. 도 8 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 비유전 상수는 각각 실시예 1(523), 실시예 2(549), 실시예 3(635)으로 증가하고, 유전손실은 실시예 1(0.080), 실시예 2(0.022), 실시예 3(0.020)으로 감소하여 열분해 온도가 높아질수록 비 유전상수가 높아지고, 유전손실이 낮아서 우수한 전기적 특성을 확인하였다.8 and Table 2 show and measure the specific dielectric constant and dielectric loss of Example 1, Example 2, Example 3 and Comparative Example 1. As shown in Fig. 8 and Table 2, the dielectric constant is increased to Example 1 (523), Example 2 (549), and Example 3 (635), respectively, and the dielectric loss is Example 1 (0.080) and practice. Reduced to Example 2 (0.022), Example 3 (0.020), the higher the pyrolysis temperature, the higher the specific dielectric constant, the lower the dielectric loss was confirmed excellent electrical properties.

이상에서 살펴본 바와 같이, 유기물이 함유된 원료분말을 사용하여 에어로졸 증착법으로 후막을 제조하여 1차 열처리 및 2차 열처리를 실시했을 경우, 막 두께가 100 ㎛인 후막도 열처리후 기판과 분리되지 않고 막이 건전하게 유지되었으며, 후막 내에 어떠한 균열도 관찰되지 않았다. 또한 상기 방법으로 제조한 PZT 후막은 우수한 전기적 특성을 지니고 있는 것을 확인하였다.As described above, when the thick film was prepared by the aerosol deposition method using the raw material powder containing the organic material and subjected to the first heat treatment and the second heat treatment, the thick film having a thickness of 100 μm was not separated from the substrate after the heat treatment. It remained healthy and no cracking was observed in the thick film. In addition, the PZT thick film prepared by the above method was confirmed to have excellent electrical properties.

본 발명은 유기물을 함유하고, 나노 미세기공을 갖는 PZT계 압전 후막으로, 유기물을 함유한 PZT 분말을 원료분말로 사용하여 후막을 증착한 후, 1차 열처리를 통해 나노 미세기공을 후막에 형성시키고 전기적 특성 향상을 위해 2차 열처리를 실시함으로써, 상기 후막 두께가 증가하여도 기판과 분리되지 않고 균열이 없는 건전한 PZT계 압전 후막을 제조할 수 있다. 특히 본 발명에 의해 제조된 PZT계 압전 후막은 종래의 후막보다 막 증착시간이 짧고, 빠른 열처리 승온 속도 및 냉각 속도로 제조할 수 있으며, 증착 가능한 막의 두께가 두꺼워 뛰어난 전기적 특성과 안정성을 갖고 있다. 그러므로, 본 발명에 따른 PZT계 압전 후막은 고감도, 고출력, 안정성 및 빠른 응답속도를 지니는 센서 및 액츄에이터에 유용하게 사용할 수 있다.The present invention is a PZT-based piezoelectric thick film containing an organic material and nano-pores, by depositing a thick film using PZT powder containing an organic material as a raw material powder, and then forming a nano-pores in the thick film through the first heat treatment By performing the second heat treatment to improve the electrical characteristics, it is possible to produce a healthy PZT-based piezoelectric thick film that does not separate from the substrate and does not crack even when the thick film thickness is increased. In particular, the PZT-based piezoelectric thick film prepared by the present invention has a shorter film deposition time than a conventional thick film, can be produced at a high heat treatment rate and a cooling rate, and has a superior thickness and the excellent electrical properties and stability. Therefore, the PZT-based piezoelectric thick film according to the present invention can be usefully used for sensors and actuators having high sensitivity, high power, stability and fast response speed.

Claims (23)

Pb(ZrxTi1-x)O3 를 포함하는 유기물을 함유하고, 나노 미세기공을 갖는 PZT계 압전 후막.A PZT-based piezoelectric thick film containing an organic material containing Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 and having nano-pores. 제1항에 있어서, 유기물은 아세트산 납(Pb(CH3CO2)23H2O) 및 질산 납(Pb(NO3)2)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 Pb 함유 유기물; 지르코늄 프로폭사이드, 지르코늄 에톡사이드, 지르코늄 부톡사이드 및 지르코늄 클로라이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 Zr 함유 유기물; 및 티타늄 프로폭사이드, 티타늄 에톡사이드, 티타늄 부톡사이드 및 티타늄 클로라이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 Ti 함유 유기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막.The organic material of claim 1, wherein the organic material comprises at least one Pb-containing organic material selected from the group consisting of lead acetate (Pb (CH 3 CO 2 ) 2 3H 2 O) and lead nitrate (Pb (NO 3 ) 2 ); One or more Zr-containing organics selected from the group consisting of zirconium propoxide, zirconium ethoxide, zirconium butoxide and zirconium chloride; And at least one Ti-containing organic material selected from the group consisting of titanium propoxide, titanium ethoxide, titanium butoxide and titanium chloride. 삭제delete 제1항에 있어서, x는 0.4 ~ 0.6의 범위인 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막.The PZT-based piezoelectric thick film according to claim 1, wherein x is in a range of 0.4 to 0.6. 제1항에 있어서, 상기 유기물은 강화제 또는 유연제 역할을 하는 산화물을 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막.The PZT-based piezoelectric thick film according to claim 1, wherein the organic material further comprises an oxide serving as a reinforcing agent or a softening agent. 제1항에 있어서, 상기 유기물은 PMN 또는 PZN의 완화형 강유전체를 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막.The PZT-based piezoelectric thick film according to claim 1, wherein the organic material further comprises a relaxed ferroelectric of PMN or PZN. 제1항에 있어서, 상기 유기물 함량은 1% ~ 30%인 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막.The PZT-based piezoelectric thick film according to claim 1, wherein the organic content is 1% to 30%. 제1항에 있어서, 상기 나노 크기 기공의 함량은 30% ~ 1%인 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막.The PZT-based piezoelectric thick film of claim 1, wherein a content of the nano-sized pores is 30% to 1%. Pb(ZrxTi1-x)O3 를 포함하는 유기물을 함유하는 PZT계 원료 분말을 합성하는 단계(단계 1); Synthesizing a PZT-based raw material powder containing an organic material containing Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 (step 1); 상기 단계 1에서 합성한 분말을 기판 위에 증착하여 후막을 제조하는 단계(단계 2); Preparing a thick film by depositing the powder synthesized in step 1 on a substrate (step 2); 상기 단계 2에서 제조한 후막을 1차 열처리하는 단계(단계 3); 및 Primary heat treatment of the thick film prepared in step 2 (step 3); And 상기 단계 3에서 열분해한 후막을 2차 열처리하는 단계(단계 4)Secondary heat treatment of the thick film pyrolyzed in step 3 (step 4) 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 청구항 1 에 기재된 PZT계 압전 후막의 제조방법.A method for producing a PZT-based piezoelectric thick film according to claim 1, comprising a. 제9항에 있어서, 상기 단계 1은The method of claim 9, wherein step 1 졸겔법을 사용하여 PZT계 전구체 용액을 제조하는 단계(단계 1a);Preparing a PZT-based precursor solution using a sol-gel method (step 1a); 상기 전구체 용액을 건조하여 분말을 형성하는 단계(단계 1b); 및Drying the precursor solution to form a powder (step 1b); And 상기 건조된 분말을 열처리하여 분말내 유기물의 함량을 조절하는 단계(단계 1c)Heat-treating the dried powder to adjust the content of organic matter in the powder (step 1c) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법.Method for producing a PZT-based piezoelectric thick film comprising a. 제9항 또는 10항에 있어서, 상기 유기물은 아세트산 납(Pb(CH3CO2)23H2O) 및 질산 납(Pb(NO3)2)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 Pb 함유 유기물; 지르코늄 프로폭사이드, 지르코늄 에톡사이드, 지르코늄 부톡사이드 및 지르코늄 클로라이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 Zr 함유 유기물; 및 티타늄 프로폭사이드, 티타늄 에톡사이드, 티타늄 부톡사이드 및 티타늄 클로라이드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 Ti 함유 유기물을 포함하는 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법.The organic material of claim 9 or 10, wherein the organic material is at least one Pb-containing organic material selected from the group consisting of lead acetate (Pb (CH 3 CO 2 ) 2 3H 2 O) and lead nitrate (Pb (NO 3 ) 2 ). ; One or more Zr-containing organics selected from the group consisting of zirconium propoxide, zirconium ethoxide, zirconium butoxide and zirconium chloride; And at least one Ti-containing organic material selected from the group consisting of titanium propoxide, titanium ethoxide, titanium butoxide and titanium chloride. 제10항에 있어서, 상기 단계 1c의 열처리는 200 ℃ ~ 600 ℃인 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법. The method of claim 10, wherein the heat treatment of step 1c is in the range of 200 ° C to 600 ° C. 제9항 또는 10항에 있어서, 합성된 PZT계 원료 분말의 평균 입경은 0.3 ㎛ ~ 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법.The method for producing a PZT-based piezoelectric thick film according to claim 9 or 10, wherein the average particle diameter of the synthesized PZT-based raw material powder is 0.3 µm to 10 µm. 삭제delete 제9항 또는 제10항에 있어서, x는 0.4 ~ 0.6의 범위인 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법.The method for producing a PZT-based piezoelectric thick film according to claim 9 or 10, wherein x is in a range of 0.4 to 0.6. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 유기물은 강화제 또는 유연제 역할을 하는 산화물을 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법.The method of manufacturing a PZT piezoelectric thick film according to claim 9 or 10, wherein the organic material further comprises an oxide serving as a reinforcing agent or a softening agent. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 유기물은 PMN 또는 PZN의 완화형 강유전체와의 복합화합물을 추가로 첨가하는 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법.The method of manufacturing a PZT piezoelectric thick film according to claim 9 or 10, wherein the organic material further comprises a complex compound of PMN or PZN with a relaxed ferroelectric. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 유기물 함량은 1% ~ 30%인 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법.The method of manufacturing a PZT piezoelectric thick film according to claim 9 or 10, wherein the organic content is 1% to 30%. 제9항에 있어서, 상기 단계 2의 증착 방법은 에어로졸 증착법인 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the deposition method of Step 2 is an aerosol deposition method. 제19항에 있어서, 상기 에어로졸 증착법에서 가스 유량이 20 ℓ/min ~ 50 ℓ/min인 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법.20. The method for manufacturing a PZT-based piezoelectric thick film according to claim 19, wherein a gas flow rate in the aerosol deposition method is 20 L / min to 50 L / min. 제9항에 있어서, 상기 단계 2의 기판은 실리콘, 알루미나, 사파이어, 스트론튬 타이타네이트(SrTiO3), 스테인레스 스틸, 티타늄 및 티타늄 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 1종인 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법.10. The PZT piezoelectric body according to claim 9, wherein the substrate of step 2 is any one selected from the group consisting of silicon, alumina, sapphire, strontium titanate (SrTiO 3 ), stainless steel, titanium, and a titanium alloy. Thick film production method. 제9항에 있어서, 상기 단계 3의 1차 열처리 온도는 300 ℃ ~ 500 ℃범위인 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the first heat treatment temperature of step 3 is in the range of 300 ° C to 500 ° C. 제9항에 있어서, 상기 단계 4의 2차 열처리 온도는 600 ℃ ~ 900 ℃ 범위인 것을 특징으로 하는 PZT계 압전 후막의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the secondary heat treatment temperature of step 4 is in the range of 600 ° C to 900 ° C.
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