KR100963215B1 - 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자 및 그 제조방법 - Google Patents

기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100963215B1
KR100963215B1 KR1020070080735A KR20070080735A KR100963215B1 KR 100963215 B1 KR100963215 B1 KR 100963215B1 KR 1020070080735 A KR1020070080735 A KR 1020070080735A KR 20070080735 A KR20070080735 A KR 20070080735A KR 100963215 B1 KR100963215 B1 KR 100963215B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
piezoelectric
film
substrate
manufacturing
piezoelectric element
Prior art date
Application number
KR1020070080735A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20090016240A (ko
Inventor
김현이
이경우
이재웅
박치성
Original Assignee
재단법인서울대학교산학협력재단
경원훼라이트공업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인서울대학교산학협력재단, 경원훼라이트공업 주식회사 filed Critical 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority to KR1020070080735A priority Critical patent/KR100963215B1/ko
Publication of KR20090016240A publication Critical patent/KR20090016240A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100963215B1 publication Critical patent/KR100963215B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2047—Membrane type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/08—Shaping or machining of piezoelectric or electrostrictive bodies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

본 발명은 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자 및 그 제조방법을 개시한다.
본 발명에 따르는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자 및 그 제조방법은 압전소자의 제조방법에 있어서, 평평한 기판의 상부에 분리층을 형성하는 단계와, 상기 분리층의 상부에 전극층을 형성하는 단계와, 상기 분리층을 산화시켜 분리시키기 위한 열처리단계 및 상기 전극층으로부터 형성된 전계에 의하여 압전특성을 나타내는 압전막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는데, 이에 의할 때 간단한 공정에 의하여 기판이 없으나 치밀하고 균열이 없는 압전막을 형성할 수 있고, 우수한 압전특성을 나타낼 수 있다.

Description

기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자 및 그 제조방법{Free-standing piezoelectric device with excellent properties and method of manufacturing the same}
도 1은 종래의 제조방법에 의하여 제작된 압전소자의 확대일부단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 4에 의하여 제조된 압전막의 표면에 대한 주사전자현미경사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 4에 의하여 제조된 압전막의 수직단면에 대한 주사전자현미경사진이다.
도 4는 본 발명에 따르는 실시예 4에 의해 제조된 압전막의 X선회절분석그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 8에 의해 제조된 압전막의 강유전 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 5 내지 8에 따르는 캔틸레버에 대하여 그 잔류분극 및 항전계 특성 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 5 내지 8에 따르는 캔틸레버의 분극방향 압전특성 변화를 보여주는 그래프이다.
도 8은 실시예 8에 의하여 제조된 캔틸레버를 각각 1, 1.2, 1.5 및 2.0㎜ 길 이로 제작하여 1V/㎛ 의 전계를 인가하여 공명주파수를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 8에 의하여 제조된 캔틸레버를 길이 1.5㎜로 제작하여 변위에 따른 공명주파수를 측정한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따르는 실시예 8에 의하여 제조된 캔틸레버를 각각 1, 1.2, 1.5 및 2.0㎜ 길이로 제작하여 전계에 따른 변위를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 간단한 공정에 의하여 기판이 없으나 치밀하고 균열이 없는 압전막을 형성하는 막특성이 우수한 압전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
압전 성질을 가지는 압전막을 사용한 압전소자가 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 에너지 변환 소자로서 센서와 작동기에 널리 사용되고 있다.
현재 MEMS(Micro Electromechanical System) 소자로의 압전막(piezoelectrical film)이 넓게 이용되기 위해서 높게 발생되는 힘과 큰 변위가 나타 날 수 있도록 충분한 두께의 압전막의 제조가 필수적이다. 또한 다양한 소자에 적용되기 위해 다양한 두께의 압전막의 제조가 필요하다.
예를 들어 캔틸레버나 광학거울로 사용되기 위해서는 0.5에서 10 마이크론의 두께를 가진 압전막이 필요하다.
또한, 압전 펌프나 마이크로 액추에이터로 사용되기 위해서는 10 마이크론 이상의 두께의 압전막이 필요하다. 따라서 앞서 예시한 소자들에 적용하기 위해서는 치밀하고 균열(crack)이 없이 원하는 두께를 가진 압전막을 제조할 수 있어야 한다.
종래 두꺼운 압전막을 제조하려는 연구가 있었는데, 세라믹 분말 프로세스를 기반으로 한 테이프 캐스팅법과 스크린 프린팅 법이 있었으며 치밀한 압전막의 제조 방법인 솔 젤 방법 그리고 스퍼터링 방법 등이 있었다.
그러나, 테이프 캐스팅과 스크린 프린팅 방법은 분말을 소결하기 위해 당연하게 고온 공정이 필요하여 제조원가가 높은 단점이 있었으며, 또한 만들어진 압전막에 남아있는 기공들 때문에 낮은 압전특성, 유전 및 강유전 특성을 가질 수밖에 없는 문제가 있었다.
도 1은 종래의 제조방법에 의하여 제작된 압전소자의 확대일부단면도이다. 도 1을 참조하면, 압전 특성이 더욱 좋아진 압전막의 개발이 요구되는데, 우수한 압전 상수를 얻기 위해서는, 통상 압전막은 500℃ 이상의 온도에서 열처리되어야 한다. 그러나, 종래의 압전소자는 기판으로서 실리콘 기판(101), 실리콘 서멀 산화막(102), 하부 전극(103), 압전막(104)및 상부 전극(105)을 적층하여 제조된다. 따라서, 이들이 그 열팽창 계수의 차이로 인해 상기와 같은 열처리 과정에서 다르게 열팽창하기 때문에 응력이 발생되고 압전막의 압전 성질은 저하되고 균열 등이 발 생된다. 기판이 압전막과 같은 열팽창 계수를 가지는 재료로 이루어지면 압전막에 가해지는 응력은 감소될 수 있다. 그러나, 기판에 사용될 수 있는 재료와 제조방법이 크게 제한되는 문제가 있다. 더욱이, 응력은 압전막의 두께와 거의 동일하거나 그보다 적은 기판의 두께를 제조하여 감소될 수도 있다. 그러나, 압전막이 두꺼워질수록 막에 존재하는 잔류응력이 커지고 그에 따라 균열이 진행되기 때문에 종래에는 균열없이 수 마이크론(㎛)의 두께를 가진 압전막 조차 제조하기 어려운 문제가 있다.
또한 기판과 기판 상부에 적층된 압전막의 비율은 100배 내지 1000배 정도이다. 따라서, 위 비율이 존재하는 한, 전계(electric field)를 압전막 양단에 가하는 경우에 압전막이 가질 수 있는 변위는 기판에 의해 제한되고 붙잡히게 되어 고유한 압전 특성을 가질 수 없는 문제가 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫번째 기술적 과제는 간단한 공정에 의하여 기판이 없으나 치밀하고 균열이 없는 압전막을 형성하는 막특성이 우수한 압전소자를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 두번째 기술적 과제는 간단한 공정에 의하여 기판이 없으나 치밀하고 균열이 없는 압전막을 형성하는 막특성이 우수한 압전소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 압전소자의 제조방법에 있 어서, 평평한 기판의 상부에 분리층을 형성하는 단계와, 상기 분리층의 상부에 전극층을 형성하는 단계와, 상기 분리층을 산화시켜 분리시키기 위한 열처리단계 및 상기 전극층으로부터 형성된 전계에 의하여 압전특성을 나타내는 압전막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법을 제공한다.
상기 평평한 기판은 실리콘기판과 그 상부에 백금이 적층되어 있는 것일 수 있다.
상기 열처리단계에서는 분리층이 산화되어 평평한 기판과 상기 전극층과의 분리가 가능한 산화층일 수 있다.
상기 분리층을 탄소를 포함하는 것일 수 있다.
상기 열처리단계는 그 온도가 400 내지 1400 ℃일 수 있다.
상기 압전막은 그 두께가 3 내지 20 ㎛일 수 있다.
상기 전극층은 그 두께가 500㎚ 내지 1000㎚일 수 있다.
상기 압전막을 형성하는 단계에는 타전극층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법으로 제조된 막 특성이 우수한 압전소자를 제공한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 따르는 상기 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자 및 그 제조방법은 간단한 공정에 의하여 기판이 없으나 치밀하고 균열이 없는 압전막을 형 성하여 막특성이 우수한 특징이 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 통하여 설명하게 되나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다.
본 발명에 따르는 막특성이 우수한 압전소자의 제조방법은 압전소자의 제조방법에 있어서, 평평한 기판의 상부에 분리층을 형성하는 단계(S1단계)와 상기 분리층의 상부에 전극층을 형성하는 단계(S2단계)와 상기 분리층을 산화시켜 분리시키기 위한 열처리단계(S3단계) 및 상기 전극층으로부터 형성된 전계에 의하여 압전특성을 나타내는 압전막을 형성하는 단계(S4단계)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
먼저 상기 S1단계는 평평한 기판의 상부에 분리층을 형성하는 단계인데, 분리층은 후공정에서 산화되어 평평한 기판과 전극층과의 분리를 가능하게 한다.
또한, 분리층은 후공정에서 평평한 기판과 전극층과의 분리가 가능한 물질인 한, 특별하게 한정할 필요가 없다. 예컨대, 탄소일 수 있다.
상기 분리층을 적층하는 방법은 화학기상증착법 또는 물리기상증착법에서 선택할 수 있다.
아울러, 상기 분리층의 두께는 수 내지 수백 미크론 미터(㎛)일 수 있으며, 분리가 가능한 범위에서 선택적으로 조절할 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 평평한 기판은 분리층이 균일한 두께를 가지도록 적층될 수 있고, 상기 평평한 기판이나 분리층을 구성하는 물질이 상호 침투확산되지 않는 구조 라면 특별하게 한정할 것은 아니나, 바람직하게는 실리콘기판층과 그 상부 백금층이 적층된 기판을 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 S2단계를 보면, 상기 분리층의 상부에 전극층을 형성하는 단계이다. 전극층은 후공정에서 적층되는 타 전극층과 함께 전계(electric field)를 인가할 수 있으며, 그 사이에 압전막(piezoelectric film)을 개재하여 압전효과를 발휘할 수 있게 한다.
상기 압전효과에는 정압전효과와 역압전효과가 있는데, 정압전효과는 압전소자 양단에 전계를 가하면 압전소자의 모양이 변하는 현상를 말하고, 역압전효과는 위와는 반대의 경우로서 압전소자에 외력을 가하는 경우 압전소자에 전계가 형성되는 현상을 말한다. 특히 캔틸레버에서는 d31이라는 압전상수를 사용하게 되는데 이는 3의 방향으로 전계를 가해 1의 방향으로의 변위를 유도하는 효과에 관한 것이다.
또한, 상기 전극층은 그 두께는 필요에 따라 조절할 수 있으나, 캔틸레버(cantilever), 각종 센서 등에 이용하는 경우에는 500 내지 1000㎚ 일 수 있다. 만일, 상기 전극층의 두께가 1000㎚를 초과한다면, 압전특성인 변위 범위를 확보하기 어려우며, 500㎚ 미만이면, 전극으로 형성하기 어려워 전기적 특성을 발휘할 수 없다.
한편, 상기 전극층을 형성하는 방법은 화학기상증착법 또는 물리기상증착법에서 선택할 수 있으며, 바람직하기로는 스퍼터법(sputtering method)을 사용할 수 있다.
다음으로, 상기 S3단계를 보면, 상기 분리층을 산화시켜 분리시키기 위한 열처리단계이다. 상기 분리층은 평평한 기판과 상기 전극층를 분리시키는 기능을 수행한다. 즉, 상기 전극층의 형성을 위하여 그 기초가 되기 위해 적층되지만 현공정에서는 전극층이 분리될 수 있도록 상기 분리층은 산화되어 결합력이 매우 약해지게 된다.
또한, 상기 분리층의 산화를 위하여 400 내지 1400℃ 의 온도로 열처리한다. 만일, 400℃ 미만이면, 분리층의 산화가 일어나기 어려워 분리층의 역할을 수행할 수 없으며, 1400℃를 초과하면 기판이나 전극층이 화학적으로 물성의 변화가 오거나 녹는 현상이 발생될 우려가 있다.
상기 열처리 온도는 형성된 분리층과 기판의 관계에 따른 것인데, 탄소의 경우 산소와 결합하여 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2)로 산화되어 대기중으로 증발하는 온도는 약 1400℃이다. 하지만 분리층으로서 탄소가 사용되는 경우에는 1400℃ 보다 낮은 온도에서도 산화가 될 수 있음을 확인할 수 있는데, 그 하한이 약 400℃이다. 한편, 온도가 1400℃를 초과하는 경우에는 전극층과 압전막의 특성을 저하시키는 악영향이 있기 때문에 1400℃ 이하 온도의 열처리를 통해 압전막 특성을 얻을 수 있다.
열처리 시간은 앞서 언급한 열처리 온도에 따라서 조절할 수 있음은 당연하다. 즉, 온도가 낮으면 상대적으로 긴 시간을, 온도가 높으면 상대적으로 짧은 시 간을 선택적으로 적용할 수 있다. 또한, 열처리 시간은 분리층의 두께와도 관련되어서, 두꺼우면 긴 시간을 얇으면 짧은 시간을 열처리할 수 있음은 물론이다.
마지막으로, S4단계를 보면, 상기 전극층으로부터 형성된 전계에 의하여 압전특성을 나타내는 압전막을 형성하는 단계인데, 상기 S3단계에서 분리층을 산화시켜 분리하기 위한 열처리에 이어, 상기 전극층으로부터 평평한 기판을 제거할 수 있다. 여기서, S3단계에서 분리층으로부터 상기 전극층을 제거하는 경우에는 전극층이 그 두께가 매우 얇아서 압전막을 적층할 때 중력에 의한 휨이 발생하여 상기 압전막이 상기 전극층의 중앙부분과 주변부분에서 불균일하게 적층될 우려를 피하기 위하여 별도의 부재에 상기 적극층을 고정하여 균일한 두께의 압전막을 적층할 수 있게 되는데, 예를 들어 유리(glass) 기판의 상부에 은(silver paste)을 이용하여 고정한 후 압전막을 적층할 수 있다. 반대로, 분리층을 상기 압전막 적층한 후에 제거할 수 있음은 물론이다.
한편, 상기 전극층에는 압전막을 형성시키게 되는데, 그 방법으로는 화학기상증착법 또는 물리기상증착법에서 선택할 수 있으며, 바람직하기로는 스퍼터법(sputtering method)을 사용할 수 있다.
아울러, 상기 압전막은 그 두께가 3 내지 20 ㎛일 수 있다. 여기서 본 발명에 따르는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법에 의하여 제조되는 압전막에는 종래의 문제점인 기판효과를 제거한 특징이 있으므로, 상기 압전막의 두께가 두꺼워져서 수백 ㎛정도가 된다 하더라도 균열이 생기거나 전기적인 특성이 열화되지 않는다. 따라서, 이후에 기술되는 실시예에서는 3 내지 20 ㎛ 두께 를 제시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 전극층에 적층된 압전막은 열전특성을 위해 결정화하게 된다. 여기서 결정화는 소위 소결공정을 거쳐 이루어질 수 있는데, 본 발명에 따르는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법으로 제조되는 압전소자의 압전특성을 나타내는 소결공정인 한 통상 소결공정을 이용할 수 있다.
또한, 상기 결정화된 압전막의 상부에는 타전극층을 더 형성할 수 있다. 상기 타전극층은 상기 전극층과 한 쌍(pair)으로 전극(electrode)으로 이용되며, 예를 들어 캔틸레버나 열전센서 등으로 응용된다. 여기서, 타전극층을 형성하는 방법으로는 상술한 바와 같이, 상기 전극층을 형성하는 방법을 이용할 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 타전극층은 백금(Pt)일 수 있다. 상기 백금은 상술한 바와 같이, 고온의 공정을 거치는 경우에도 산화되지 않는 특성 뿐만아니라 여타의 물질과도 반응을 하지않는 장점이 있다.
실시예 1
백금(Pt)이 코팅된 실리콘웨이퍼( 적층구조 : 순서대로 Pt/Ti/SiO2/Si (실리콘 웨이퍼(p-type), SiO2-300nm, Ti-100nm, Pt-150nm, 제조사 이노스텍(Inostek))를 평평한 기판으로 준비하여, 분리층으로서 탄소(carbon)를 적층하기 위하여 진공카본 증착기를 이용하여, 쐬기형 카본막대(carbon rod)에 전류를 인가하여 쐬기형 카본막대의 표면에서 탄소입자(particles)가 승화하며(이때, 주변 환경은 10-6 torr), 백금 표면에 증착되며 분리층을 형성하였는데, 그 두께는 1.5㎛이었다. 다음으로, 상기 분리층의 상부로 전극층을 적층하기 위하여 백금(Pt)의 소스로서 다결정 백금디스크(polycrystalline Pt metal disc, 75㎜ 직경, 3㎜ 두께)를 타겟으로 배치하고 챔버 내부의 기본 진공은 10-6 torr 이었으며, 스퍼터링 시 진공은 10 mtorr 그리고 스퍼터링 파워는 70 W, 증착속도는 80㎚/분이었으며 스퍼터링 시간은 30분이었고, 증착된 백금은 1㎛의 두께를 가졌다. 다음으로, 분리층을 산화시키기 위하여 650℃, 1분간 열처리를 행하였다. 다음으로, 평평한 기판에서 증착된 백금을 분리하고, 유리기판의 상부에 은 페이스트(Ag paste)로 고정하여 압전막으로서 납-지르코늄-티타늄산화물인 PZT를 적층하기 위하여 다결정 납지르코늄타이타네이트(Pb(Zr0 .52Ti0 .48)O3) 세라믹디스크(75㎜ 직경, 3㎜ 두께)를 타겟으로 배치하고, 이때, 챔버 내부의 기본 진공은 10-6 torr이었으며 스퍼터링 시 진공은 30 mtorr 그리고 스퍼터링 파워는 100 W, 증착속도는 1㎛/시간이었고, 스퍼터링 시간은 3시간이며, 증착된 PZT두께는 3㎛이었다. 마지막으로, 적층된 PZT를 결정화하기 위하여 650℃ 온도, 15분간 열처리하여 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자를 제조하였다.
실시예 2
압전막 적층을 위하여 스퍼터링 시간을 5시간으로 하여 증착된 PZT두께를 5㎛로 한 것이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자를 제조하였다.
실시예 3
압전막 적층을 위하여 스퍼터링 시간을 10시간으로 하여 증착된 PZT두께를 10㎛로 한 것이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자를 제조하였다.
실시예 4
압전막 적층을 위하여 스퍼터링 시간을 20시간으로 하여 증착된 PZT두께를 20㎛로 한 것이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자를 제조하였다.
실시예 5
실시예 1에 의하여 제조된 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 압전막에 타전극층을 적층하기 위하여 다결정 백금디스크(polycrystalline Pt metal disc, 75㎜ 직경, 3㎜ 두께)를 타겟으로 배치하고 챔버 내부의 기본 진공은 10-6 torr 이었으며, 스퍼터링 시 진공은 10 mtorr 그리고 스퍼터링 파워는 70 W, 증착속도는 80㎚/분이었으며 스퍼터링 시간은 3분이었고, 상기 타전극층으로서 증착된 백금은 두께가 240㎚인 캔틸레버를 제조하였다.
실시예 6
실시예 2에 의하여 제조된 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 압전막에 타전극층을 형성한 점을 제외하고는 실시예 5와 동일하게 수행하여 캔틸레버를 제조하였다.
실시예 7
실시예 3에 의하여 제조된 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 압전막에 타전극층을 형성한 점을 제외하고는 실시예 5와 동일하게 수행하여 캔틸레버를 제조하였다.
실시예 8
실시예 4에 의하여 제조된 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 압전막에 타전극층을 형성한 점을 제외하고는 실시예 5와 동일하게 수행하여 캔틸레버를 제조하였다.
실험예 1
압전소자의 미세구조와 두께는 전계방출주사전자현미경(FE-SEM, JSM 6330f, Tokyo, Japan)으로 관찰하였다. 또한 압전소자의 결정 배향성은 X-레이 회절분석(XRD)을 통하여 분석하였으며, 압전특성의 조사를 위하여는 상기 실시예 5 내지 8에 의하여 제조된 캔틸레버를 이용하였으며, 100㎐ 주파수에서 10V 전압 인가시, 광학진동계(VDD 5fv-552, Polytec, Waldbronn, Germany)로 변위를 측정하였다. 한편, 강유전성 측정을 위해서는 표준화된 강유전성 측정장치(TF-2000, AixACCT Technologies, Aachen, Germany)를 사용하였다.
균열없는 압전막의 확인
도 2는 본 발명의 실시예 4에 의하여 제조된 압전막의 표면에 대한 주사전자현미경사진이고, 도 3은 본 발명의 실시예 4에 의하여 제조된 압전막의 수직단면에 대한 주사전자현미경사진이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따르는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법에 의해 제조된 압전막은 백금층과 PZT층은 우수한 결합력을 가짐을 알 수 있고, 압전막의 표면에 균열(crack)이 없음을 볼 수 있다.
XRD (X 선회절분석 ) 결과
도 4는 본 발명에 따르는 실시예 4에 의해 제조된 압전소자의 X선회절분석그래프이다. 도 4를 참조하면, 압전소자는 벌크(bulk) PZT의 특성을 가지고, 따라서 배향성이 없음을 알 수 있다. 종래 Si 기판을 채용한 경우에는 압전소자는 백금의 배향성에 의해 결정이 배향되는 것과 매우 대조이다.
강유전 특성 측정 결과
도 5는 본 발명의 실시예 8에 의해 제조된 기판이 없는 압전막의 강유전 특성을 나타내는 그래프이다. 도 5를 참조하면, 입자간 경계(grain boundary)가 치밀하고 균열이 없기 때문에 두껍지만 우수한 강유전 특성을 보여주고 있다. 또한, 잔류 분극도(Remnant polarization)는 30 mC/cm2정도를 가짐을 알 수 있다.이는 기판 효과를 제거할 수 있기 때문에 입자내의 분극 도메인(domain)의 움직임을 용이하게 해주어 나타나는 현상으로 이해된다.
압전소자의 두께 변화에 따른 잔류분극 및 항전계 특성 확인
도 6은 본 발명의 실시예 5 내지 8에 따르는 캔틸레버에 대하여 그 잔류분극 및 항전계 특성 변화를 보여주는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시예 5 내지 8에 따르는 캔틸레버의 분극방향 압전특성 변화를 보여주는 그래프이다. 도 6 및 도 7 을 참조하면, 실시예 1 내지 4에 따라 압전막의 두께가 증가하고 있음에도 불구하고, 그 잔류분극의 변화가 30 mC/cm2정도로 거의 변화가 없음을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따르는 압전소자는 기판이 없기 때문에 벌크 압전소자와 마찬가지로 기판효과가 없어서 두께 변화에 따른 강유전특성에 변화가 없다. 또한, 압전 특성인 d33 는 대부분의 경우 모두 300 pm/V를 나타내고 있는데, 3, 5, 10 과 20마이크론의 여러 두께를 가지는 압전막은 크랙이 없고 치밀한 구조를 가지고 있어서, 압전 특성으로 역시 두께에 따른 변화가 거의 없음을 볼 수 있다. 이를 통해 기판효과가 제거되어서 동일한 조성의 벌크 압전소자 보다 우수한 압전특성을 가지고 있음을 알 수 있다.
캔틸레버 공명주파수 측정 결과
도 8은 실시예 8에 의하여 제조된 캔틸레버를 각각 1, 1.2, 1.5 및 2.0㎜ 길이로 제작하여 1V/㎛ 의 전계를 인가하여 공명주파수를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 공명주파수는 캔틸레버의 길이가 증가함에 따라 감소함을 알 수 있다.
한편, 도 9는 실시예 8에 의하여 제조된 캔틸레버를 길이 1.5㎜로 제작하여 변위에 따른 공명주파수를 측정한 그래프이다. 도 9를 참조하면, 1.5㎜ 길이의 캔틸레버의 변위가 주파수의 함수로서 10V 교류를 인가하는 경우의 변위를 보여주는데, 1.9㎑의 공명주파수임을 알 수 있다.
캔틸레버의 압전특성 측정 결과
도 10은 본 발명에 따르는 실시예 8에 의하여 제조된 캔틸레버를 각각 1, 1.2, 1.5 및 2.0㎜ 길이로 제작하여 전계에 따른 변위를 나타내는 그래프이다. 도 10을 참조하면, 100㎐에서 1V/㎛ 전계 인가시 캔틸레버의 변위를 보여주고 있는데, 길이가 증가할수록 캔틸레버의 변위도 증가함을 알 수 있다. 공명주파수와 변위와의 관계를 이해하기 위해 아래 <수학식 1>을 참조할 수 있다.
Figure 112007058209746-pat00001
(여기서, fr은 기초 휨 공명주파수(fundamental bending resonant frequency), δ는 변위(displacement at the tip), Ym 및 Yp는 각각 영률(Young's modulus), tm 및 tp는 두께, ρm 및 ρp는 각각 금속전극과 압전층의 밀도, 그리고 L은 캔틸레버의 길이, V는 인가된 전압을 의미한다.)
위 <수학식 1>을 참조하면, 본 발명에 따르는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법은 간단한 공정에 의하여 기판이 없으나 치밀하고 균열이 없는 압전막을 형성하는 막 특성이 우수한 압전소자의 제조방법에 의하여 캔틸레버의 길이가 증가할수록 공명주파수는 감소하고, 변위는 증가함을 알 수 있다.
본 발명에 따르는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자는 간단한 공정에 의하여 기판이 없으나 치밀하고 균열이 없는 압전막을 형성하는 막특성이 우수한 효과가 있다.
본 발명에 따르는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법은 간단한 공정에 의하여 기판이 없으나 치밀하고 균열이 없는 압전막을 형성하는 막특성이 우수한 압전소자를 제조할 수 있다.
본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 압전소자의 제조방법에 있어서,
    실리콘기판과 그 상부에 백금이 적층되는 평평한 기판의 상부에 분리층을 형성하는 단계;
    상기 분리층의 상부에 전극층을 형성하는 단계;
    상기 분리층을 산화시켜 분리시키기 위한 열처리단계; 및
    상기 전극층으로부터 형성된 전계에 의하여 압전특성을 나타내는 압전막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리단계에서는 분리층이 산화되어 평평한 기판과 상기 전극층과의 분리가 가능한 산화층인 것을 특징으로 하는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리층은 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리단계는 그 온도가 400 내지 1400 ℃인 것을 특징으로 하는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전막은 그 두께가 3 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극층은 그 두께가 500㎚ 내지 1000㎚인 것을 특징으로 하는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전막을 형성하는 단계에는 타전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법.
  9. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자의 제조방법으로 제조된 막특성이 우수한 압전소자.
KR1020070080735A 2007-08-10 2007-08-10 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자 및 그 제조방법 KR100963215B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070080735A KR100963215B1 (ko) 2007-08-10 2007-08-10 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070080735A KR100963215B1 (ko) 2007-08-10 2007-08-10 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090016240A KR20090016240A (ko) 2009-02-13
KR100963215B1 true KR100963215B1 (ko) 2010-06-10

Family

ID=40685496

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070080735A KR100963215B1 (ko) 2007-08-10 2007-08-10 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100963215B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002076291A (ja) 2000-08-23 2002-03-15 Seiko Epson Corp 圧電・強誘電体薄膜デバイスの製造方法
JP2006175599A (ja) 2004-12-20 2006-07-06 Fuji Photo Film Co Ltd 液体吐出ヘッド及びその製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002076291A (ja) 2000-08-23 2002-03-15 Seiko Epson Corp 圧電・強誘電体薄膜デバイスの製造方法
JP2006175599A (ja) 2004-12-20 2006-07-06 Fuji Photo Film Co Ltd 液体吐出ヘッド及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090016240A (ko) 2009-02-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5621922B2 (ja) 圧電素子およびその製造方法
JP6004640B2 (ja) 圧電素子、液体吐出ヘッド、超音波モータ、塵埃除去装置、およびデバイス
JP5024858B2 (ja) 圧電アクチュエータ
JP2007123683A (ja) 強誘電体薄膜の製造方法、強誘電体薄膜
Shilpa et al. PZT thin film deposition techniques, properties and its application in ultrasonic MEMS sensors: A review
US20230354710A1 (en) Piezoelectric Assembly And Process Of Forming A Piezoelectric Assembly
JPWO2015194452A1 (ja) 多層膜及びその製造方法
JP4122430B2 (ja) 強誘電体膜
JP2016092089A (ja) 圧電素子の製造方法、圧電素子
US11865580B2 (en) Method of manufacturing an integrated capacitor structure using a donor substrate for transferring layers to a receiver substrate
JP3891190B2 (ja) 圧電素子、圧電装置および角速度センサ
KR100963215B1 (ko) 기판이 없는 막의 특성이 우수한 압전소자 및 그 제조방법
JP4795633B2 (ja) 基材上に圧電性厚膜を製造する方法
JP6426061B2 (ja) 積層薄膜構造体の製造方法、積層薄膜構造体及びそれを備えた圧電素子
Kathiresan et al. Optimization of piezoelectric MEMS process on Sr and La co-doped PZT thin films
JPH0992897A (ja) 圧電体薄膜素子及びその製造方法、及び圧電体薄膜素子を用いたインクジェット記録ヘッド
Chen et al. E-beam evaporated polysilicon for lead zirconate titanate-based micro-actuators
Kanda et al. Fabrication and characterization of double-layer Pb (Zr, Ti) O3 thin films for micro-electromechanical systems
Fuentes-Fernandez et al. Fabrication of relaxer-based piezoelectric energy harvesters using a sacrificial poly-Si seeding layer
Sette et al. Transparent piezoelectric transducers for large area ultrasonic actuators
JP4528950B2 (ja) 強誘電体膜構造体の製造方法
US20030134156A1 (en) High density piezoelectric thick film and manufacturing method thereof
WO2018042946A1 (ja) 圧電体膜及びそれを備えた圧電素子
Zhu et al. Membrane microcantilever arrays fabrication with PZT thin films for nanorange movement
JP6782453B2 (ja) ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛膜積層体、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛膜積層体を用いた素子及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130529

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140605

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee