KR100984159B1 - 구상 압전 센서의 제조방법 및 그 제조물 - Google Patents

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Abstract

구상 압전 센서의 제조방법과 그 제조방법으로 제조된 구상 압전 센서를 제공한다. 일 실시예에 따른 구상 압전 센서의 제조방법은 세라믹 분말을 압착하여, 반구형 형상의 일부인 구면부 및 구면부의 단부에 일체로 형성되어 일부가 구면부의 외면의 바깥쪽으로 돌출된 거들(girdle)부로 구성된, 제1 반구형 세라믹 박막으로 성형하는 성형한 다음, 제1 반구형 세라믹 박막을 소결 건조한다. 그리고 소결 건조된 제1 반구형 세라믹 박막의 내면과 외면을 연마하면서 거들부도 연마하여, 전체가 반구형의 형상인 제2 반구형 세라믹 박막으로 성형한 다음, 제2 반구형 세라믹 박막의 내면과 외면에 전극층을 형성한다. 그리고 전극층이 형성된 한 쌍의 제2 반구형 세라믹 박막을 접합하여 구상 압전 센서를 완성한다.

Description

구상 압전 센서의 제조방법 및 그 제조물{Method for manufacturing a ball-shape piezoelectric sensor and its product}
본 발명은 압전 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로 구상(球狀) 압전 센서의 제조방법과 그 제조방법을 이용하여 만들어진 제조물에 관한 것이다.
압전 센서(piezoelectric sensor) 또는 피에조 센서는 금속판 사이에 얇은 압전 소자를 끼워 넣은 센서로서, 소리, 진동, 압력 등을 감지할 수 있는 소자이다. 일반적으로 압전 소자는 압력 등에 의하여 변형이 생기면 전기를 발생시키고 교류 전기를 가하면 진동하는 성질이 있는데, 압전 센서는 압전 소자가 갖는 전자의 성질을 이용하는 것이다. 즉, 압전 센서는 압전 소자로부터 발생되는 전기를 감지함으로써 소리, 진동, 압력 등의 입력 여부를 판단한다. 압전 센서는 필름 형상으로 된 압전 필름 센서(piezoelectric film sensor), 케이블 형상으로 된 압전 케이블 센서(piezoelectric cable sensor) 등이 널리 이용되고 있을 뿐만 아니라, 군사용으로 볼 형상으로 된 구상 압전 센서(ball-shape piezoelectric sensor)가 어뢰 등에 장착되고 있다.
구상 압전 센서는 예를 들어, 전체 구면에 대하여 일정한 두께를 갖는 공 모양의 세라믹 박막의 안쪽 면과 바깥쪽 면에 각각 금속(예컨대, 구리) 전극이 형성된 구조를 갖는다. 이 때, 금속 전극도 세라믹 박막의 표면을 따라서 휘어지는 금속판의 형상을 가질 수 있다. 세라믹 박막은 압전 특성을 나타내는 절연성 세라믹 물질로 형성된다.
이러한 구상 압전 센서를 제조하는데 있어서, 종래에는 습식 제조법으로 세라믹 박막을 성형하였다. 도 1에는 습식 성형에 사용된 틀(frame, 10)의 일례가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 틀(10)은 전체적으로 반구형의 형상을 가지면서 소정의 갭을 가지고 이격되어 있는 내벽(12)과 외벽(14)으로 구성되어 있다. 내벽(12)과 외벽(14)에 의하여 한정되는 갭이 반구형 형상의 홈이 되는데, 습식 제조법에서는 세라믹 파우더와 물을 섞어서 만든 슬러리(slurry)를 이 홈에 주입하고서 건조하여 반구형의 세라믹 박막을 만들었다. 그리고 반구형의 세라믹 박막의 표면에 전극을 형성한 다음, 2개의 반구형 세라믹 박막을 접합하여 구상 압전 센서를 완성하였다.
그런데, 습식 제조법에서는 슬러리를 이용하여 세라믹 박막을 성형한 후에 건조 공정을 수행하였는데, 건조시에 소결 등과 같은 인공 건조가 아닌 자연 건조를 이용한다. 그 이유는 인공으로 급건조를 할 경우에는 박막의 표면 위치에 따라서 불균일한 수분의 증발이 생길 뿐만 아니라, 세라믹의 표피쪽이 내부보다 먼저 건조되어 경화되면서 내부에 있는 수분이 완전히 증발되지 못하는 현상이 발생하기 때문이다. 이러한 불균일한 건조와 내부에 잔류하는 수분은 세라믹 박막에 크랙(crack)이 발생하는 원인이 될 수 있기 때문에, 기존의 습식 제조법으로 성형된 세라믹 박막은 이러한 크랙의 발생을 방지하기 위하여 자연 건조를 이용하였다.
자연 건조를 이용할 경우에, 성형된 세라믹 박막을 완전히 자연 건조시키는 데는 대략 15일 이상이 소요되었다. 그 결과, 기존의 습식 제조법을 이용한 구상 압전 센서의 제조방법은 상당히 장기간(적어도 15일)이 소요되어서, 생산성이 떨어질 수 밖에 없으며 이에 따라서 제조 원가도 상승할 수 밖에 없다.
본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는 생산성을 향상시켜서 제조 원가를 절감할 수 있는 구상 압전 센서의 제조방법과 이 제조방법으로 제조된 제조물을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 하나의 과제는 내구성이 우수한 형태의 금형을 사용하여 성형을 함으로써 제조 원가를 절감할 수 있는 구상 압전 센서의 제조방법과 이 제조방법으로 제조된 제조물을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 구상 압전 센서의 제조방법은 세라믹 분말을 압착하여, 반구형 형상의 일부인 구면부 및 상기 구면부의 단부에 일체로 형성되어 일부가 상기 구면부의 외면의 바깥쪽으로 돌출된 거들(girdle)부로 구성된, 제1 반구형 세라믹 박막으로 성형하는 성형 단계, 상기 제1 반구형 세라믹 박막을 소결 건조하는 건조 단계, 상기 소결 건조된 제1 반구형 세라믹 박막의 내면과 외면을 연마하면서 상기 거들부도 연마하여, 전체가 반구형의 형상인 제2 반구형 세라믹 박막으로 성형하는 연마 단계, 및 상기 제2 반구형 세라믹 박막의 내면과 외면에 전극층을 형성하는 전극 형성 단계를 포함한다.
상기 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제1 반구형 세라믹 박막의 내면과 상기 거들부의 밑면 및 측면을 한정하는 제1 프로파일을 갖는 받침틀 상에 상기 세라믹 분말을 공급하는 단계, 및 상기 구면부의 외면과 상기 거들부의 상면을 한정하는 제2 프로파일을 갖는 압착틀을 이용하여 상기 세라믹 분말을 압착하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 제2 프로파일은 상기 압착틀의 압착 방향에 직교하는 소정 길이의 수평 성분을 포함할 수 있다.
상기 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 소결 건조 단계는 1000~1500℃ 범위의 온도에서 15~25시간 동안 수행할 수 있다. 그리고 상기 전극 형성 단계는 상기 제2 반구형 세라믹 박막의 단부를 가리는 마스크 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 마스크 패턴이 형성된 제2 반구형 세라믹 박막을 도전성 금속 용액에 담그는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 도전성 금속 용액은 은(Ag) 용액이고, 상기 제2 반구형 세라믹 박막이 담긴 은 용액을 550~650℃의 온도로 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 전극 형성 단계 이후에 상기 전극층이 형성된 한 쌍의 제2 반구형 세라믹 박막으로부터 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계, 및 상기 마스크 패턴이 제거된 한 쌍의 제2 반구형 세라믹 박막을 서로 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예는 전술한 제조방법으로 제조된 구상 압전 센서이다.
본 발명의 실시예에서는 습식 성형을 이용하여 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 반구형 세라믹 박막으로 성형하는 기존의 방법과는 달리, 건식 성형을 이용하여 세라믹 파우더(ceramic powder)를 반구형 세라믹 박막으로 성형한다. 따라서 수분을 제거하기 위한 자연 건조 공정이 필요 없으며, 그 결과 제조 공정에 소요되는 시간을 단축하여 생산성을 향상시키고 제조 원가를 낮출 수 있다. 특히, 금형을 이용한 건식 성형 시에, 내구성을 보장할 수 있는 형상의 금형을 이용함으로써, 금형의 파손으로 인하여 제조 공정이 상승하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 기존의 습식 성형에 사용된 틀의 일례를 보여 주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구상 압전 센서의 제조방법을 보여 주는 흐름도이다.
도 3은 도 2의 단계 110의 건식 성형의 결과 만들어지는 제1 반구형 세라믹 박막의 구조를 보여 주는 단면도이다.
도 4는 도 2의 단계 110의 건식 성형 공정에서 사용하는 금형의 구조를 보여 주는 단면도이다.
도 5는 도 4의 금형과 대비되는 금형의 구조를 보여 주는 단면도이다.
도 6은 도 2의 단계 120의 소결 건조 공정에 적용될 수 있는 온도 조건을 예시적으로 보여 주는 그래프이다.
도 7은 도 2의 단계 130의 내경 및 외경 연마 공정을 수행하여 만들어지는 제2 반구형 세라믹 박막의 개략적인 구조를 보여 주는 단면도이다.
도 8a는 제1 반구형 세라믹 박막에 대한 내경 가공 과정을 도식적으로 보여 주는 도면이고, 도 8b는 제1 반구형 세라믹 박막에 대한 외경 가공 공정을 도식적으로 보여 주는 도면이다.
도 9는 도 2의 단계 140의 전극층 형성 공정을 수행하여 만들어지는 제2 반구형 세라믹 박막의 구조의 일례를 보여 주는 단면도이다.
도 10은 도 2의 단계 150의 접합 공정을 수행하여 만들어지는 구상 압전 센서의 구조의 이례를 보여 주는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구상 압전 센서의 제조방법을 보여 주는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 금형을 이용하여 세라믹 분말을 압착하여 제1 반구형 세라믹 박막으로 성형한다(110). 본 실시예에서는 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 이용하는 기존의 습식 성형법과는 달리 세라믹 파우더(ceramic powder)를 이용하는 건식 성형법을 이용한다. 따라서 본 실시예에서는 반구형 세라믹 박막으로 성형을 한 이후에 15일 이상 소요되는 자연 건조 공정을 수행할 필요가 없다. 그 결과, 제조 공정에 소요되는 기간을 단축할 수가 있어서 생산성을 향상시킬 수가 있을 뿐만 아니라 제조 원가를 낮출 수가 있다. 뿐만 아니라, 수분이 함유되지 않은 세라믹 파우더를 이용하기 때문에, 수분의 잔류로 인하여 크랙이 발생하는 것을 원천적으로 방지할 수가 있다.
본 실시예에서는 구상 압전 소자를 제조하는데 이용되는 세라믹의 종류에는 특별한 제한이 없다. 즉, 세라믹 파우더는 기존의 습식 성형법에서 세라믹 슬러리의 제조에 사용되는 것과 동일한 종류의 세라믹이 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 압전 특성을 보이는 어떠한 종류의 세라믹도 본 실시예에 따른 구상 압전 소자를 제조하는데 사용될 수 있다.
도 3은 본 단계(110)의 건식 성형의 결과 만들어지는 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 구조를 보여 주는 단면도이다. 도 3에서 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 두께와 크기 등은 설명의 편의를 위하여 다소 과장되었으며, 용도에 따라서 두께와 크기 등은 다양하게 변경될 수 있다. 도 3을 참조하면, 제1 반구형 세라믹 박막(20)은 구면부(22) 및 거들부(24)로 구성된다.
구면부(22)는 전체적으로 반구형 형상의 프로파일을 가지며, 구면부(22)의 외면(22a)과 내면(22b)은 각각 소정의 두께를 갖는 반구형 형상의 내면과 외면이 된다. 다만, 구면부(22)는 전체적으로 반구형 형상보다는 크기가 작은 반구형 형상의 일부인데, 이것은 후술하는 바와 같이 거들부(24)를 연마함으로써 연마된 거들부와 구면부가 합쳐져서 전체적으로 반구형 형상의 크기와 같아지기 때문이다.
거들부(24)는 구면부(22)의 단부에 구면부(22)와 일체로 형성된다. 거들부(24)의 프로파일은 반구형의 일부가 아니라 반구형 형상에 구면부(22)의 외면(22a)의 바깥쪽으로 돌출된 부분이 부가된 형상을 갖는다. 보다 구체적으로, 거들부(24)는 반구형 형상으로부터 돌출된 상면(24a)과 측면(24c), 및 내면(24b) 및 밑면(24d)으로 한정된 벨트 형상을 갖는다. 상면(24a)의 프로파일은 개략적으로 수평 방향으로 연장된 소정 길이의 선분을 포함한다. 그리고 거들부(24)의 높이에 해당되는 측면(24c)은 소정의 길이를 가지는데, 그 높이는 연마 공정(단계 130 참조)을 거친 후에 구면부(22)와 합쳐졌을 때 전체적으로 반구형 형상의 크기와 같아지는 크기가 된다.
이와 같이, 제1 반구형 세라믹 박막(20)이 전체적으로 반구형 형상이 되지 않고 돌출된 거들부(24)를 갖는 이유는 건식 성형 공정에서 사용하는 금형의 내구성을 보장하기 위해서이다. 이하, 이에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 단계(110)의 건식 성형 공정에서 사용하는 금형의 구조를 보여 주는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 금형(30)은 받침틀(32) 및 압착틀(34)을 포함한다. 받침틀(32)은 중앙 상측 부분이 함몰되어서 성형 공정의 원료인 세라믹 파우더가 공급되어서 놓여지는 하부 금형으로서 기능하는데, 이 함몰 부분(굵은 실선으로 표시한 부분)은 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 내면(20b)과 거들부(24)의 밑면(24d) 및 측면(24c)을 한정하는 프로파일을 갖는다(도 3 참조). 그리고 중앙 하측 부분이 반구형의 형상으로 함몰되어 있는 압착틀(34)은 하부 금형 방향으로 가압되면 세라믹 파우더를 압착하는 상부 금형으로서 기능하는데, 세라믹 파우더를 압착하는 부분(굵은 실선으로 표시한 부분으로서, 압착틀(34)의 하면)은 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 구면부의 외면(22a)과 거들부의 상면(24a)을 한정하는 프로파일을 갖는다(도 3 참조).
이와 같이, 본 발명의 실시예에 이용되는 압착틀(34)은 그 하면의 프로파일이 단순히 반구형의 형상이 아니라 가장자리에 수평 방향의 성분을 갖는다(점선 원으로 표시한 부분으로서 'A'로 표시한 부분). 이러한 압착틀(34)의 가장자리에 있는 수평 방향의 성분(A)에 의하여, 금형(30)을 이용하여 제작된 도 3의 제1 반구형 세라믹 박막(20)은 불가피하게 돌출된 거들부(24)를 갖게 되지만, 이러한 구조적 특징에 의하여 압착틀(34)을 받침틀(32) 방향으로 강하게 압착하더라도 어느 한 곳에 힘이 집중되지 않는다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 압착틀(34)에 가장자리에 손상이 생기는 것을 방지할 수 있으며 그 결과 금형의 내구성을 보장할 수 있다.
본 발명의 실시예와는 달리, 돌출된 거들부가 없는 반구형 세라믹 박막을 건식 성형으로 제조할 경우에는, 상기 수평 방향의 성분이 없는 압착틀을 포함하는 금형을 사용해야 한다. 보다 구체적으로, 도 5에는 돌출된 거들부가 없는 반구형 세라믹 박막을 건식 성형할 때 사용할 수 있는 금형(40)의 구조를 보여 주는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 받침틀(42)의 프로파일은 도 4의 받침틀(32)과 큰 차이가 없지만, 압착틀(44)의 프로파일이 도 4의 압착틀(34)과 차이가 있다. 그 차이는 압착틀(44)의 가장자리(점선 원으로 표시한 B 부분 참조)는 날카롭게 돌출된 칼날과 같은 단부를 구비하는데, 이러한 칼날과 같은 단부(B)를 갖는 금형을 이용할 경우에만 박막을 전체적으로 반구형 형상으로 성형할 수가 있기 때문이다. 하지만, 압착틀(34)의 가장자리 단부(B)가 뾰족하게 돌출되면, 압착 과정에서 압착틀(34)이 받게 되는 힘이 모두 단부에 집중될 수 밖에 없으며 그 결과 뾰족한 금형 부분(B)은 빈번하게 손상될 수밖에 없다(뾰족한 부분(B)은 그 자체로 충격에 약할 수 밖에 없다).
계속해서 도 2 및 도 3을 참조하면, 단계 110의 결과로 만들어진 제1 반구형 세라믹 박막(20)에 대한 소결 건조 공정을 수행한다(120). 본 발명의 실시예에 따라서 제조되는 제1 반구형 세라믹 박막(20)은 습식 성형이 아닌 건식 성형으로 제조되기 때문에, 본 발명의 실시예에 의하면 습식 성형에서와 같은 자연 건조 공정이 필요가 없으며, 바로 소결 건조을 수행할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 의하면, 제조 공정에 소요되는 시간을 단축할 수가 있기 때문에, 생산성을 향상시키고 제조 원가를 낮출 수가 있다.
도 6은 단계 120에서의 소결 건조에 적용될 수 있는 온도 조건을 예시적으로 보여 주는 그래프이다. 도 6에서는 소결 건조 공정을 약 1200℃의 온도에서 20시간 내외 수행하는 것으로 도시되어 있지만, 소결 건조 공정에 소요되는 시간은 세라믹 파우더의 재질이나 또는 소결 온도 등에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, 소결 건조 단계(120)는 약 1000~1500℃ 범위의 온도에서 15~25시간 정도 수행할 수 있다. 이러한 소결 건조 공정은 기존의 습식 성형 다음에 수행되는 자연 건조 공정에 비하여 소요 시간을 획기적으로 단축시킬 수가 있다.
그리고 단계 120에서 소결 건조된 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 내면(20b)과 외면(22a, 24a, 24c)을 연마한다(130). 즉, 내면(20b)에 대한 연마를 수행하여 내경을 만들고, 외면(22a, 24a, 24c)에 대한 연마를 수행하여 외경을 만든다. 이러한 연마 공정에서는 돌출된 거들부(24)에 대한 연마도 함께 수행한다. 그 결과, 전체가 반구형의 형상인 제2 반구형 세라믹 박막이 만들어진다. 도 7은 이와 같이, 내경 및 외경 연마 공정을 수행한 결과 만들어지는 제2 반구형 세라믹 박막(20a)의 개략적인 구조를 보여 주는 단면도이다. 이러한 본 단계(130)의 연마 공정은 압착 성형 및 소결 과정(110, 120)에서 거칠어진 표면을 매끈하게 만들고 돌출된 거들부(24)를 연마하여 전체가 반구형의 형상이 되도록 하기 위한 것이다.
도 8a는 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 내면(20b)을 연마하는 내경 가공 과정을 도식적으로 보여 주는 도면이다. 도 8a를 참조하면, 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 외면(22a, 24a, 24c)과 같은 프로파일의 홈이 형성된 제1 고정 수단(52)을 이용하여 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 내면(20b)이 노출되도록 제1 반구형 세라믹 박막(20)을 고정시킨다. 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 고정을 위하여, 제1 고정 수단(52)에는 진공 흡착을 위한 공기 배출로(52a)가 형성되어 있을 수 있는데, 이것은 단지 예시적인 것이다. 공기 배출로(52a)는 도시된 것과는 달리 여러 개가 형성되어 있을 수 있다. 그리고 단부에 다이아몬드 휠(54a)이 부착되어 있는 다이아몬드 블레이드(54)를 이용하여 내면(20b)을 연마한다. 이 때, 제1 고정 수단(52)은 회전을 하며, 다이아몬드 블레이드(54)도 회전을 하면서 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 내면(20b) 원주를 따라서 움직인다.
도 8b는 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 외면(22a, 24a, 24c)을 연마하는 내경 가공 과정을 도식적으로 보여 주는 도면이다. 도 8b를 참조하면, 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 내면(20b)과 같은 프로파일의 돌출부를 갖는 제2 고정 수단(62)을 이용하여 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 외면(22a, 24a, 24c)이 노출되도록 제1 반구형 세라믹 박막(20)을 고정시킨다. 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 고정을 위하여, 제2 고정 수단(62)에는 진공 흡착을 위한 공기 배출로(62a)가 형성되어 있을 수 있는데, 이것은 단지 예시적인 것이다. 공기 배출로(62a)는 도시된 것과는 달리 여러 개가 형성되어 있을 수 있다. 그리고 단부에 회전날(64a)이 부착되어 있는 회전날 블레이드(64)를 이용하여 외면(22a, 24a, 24c)을 연마한다. 이 때, 제2 고정 수단(62)은 회전을 하며, 회전날 블레이드(64)도 회전을 하면서 제1 반구형 세라믹 박막(20)의 내면(22a, 24a, 24c) 원주를 따라서 움직인다.
계속해서 도 2를 참조하면, 제2 반구형 세라믹 박막(20a)의 내면과 외면에 각각 전극층(26a, 26b)을 형성하는 전극 형성 단계를 수행한다(140). 전극층(26a, 26b)은 도전성 금속 물질로 형성되며, 그 재질이나 형상 방법에 특별한 제한은 없다. 예를 들어, 전극층(26a, 26b)은 은(Ag) 용액을 이용한 디핑(dipping) 공정을 이용하여 형성할 수 있는데, 이것은 단지 예시적인 것이다. 디핑 공정 이외에도 반도체 제조 공정에 이용되는 통상적인 금속막 형성 공정(예컨대, 스퍼터링 공정)이나 도금법 등을 이용하여 전극층(26a, 26b)을 형성할 수 있다.
은 용액을 이용한 디핑 공정에서는 우선, 제2 반구형 세라믹 박막(20a)의 단부를 가리는 마스킹 과정을 수행한다. 마스킹 과정은 제2 반구형 세라믹 박막(20a)의 단부, 즉 밑면과 내면 및 외면의 끝 부분을 테이프 등으로 된 마스크 패턴을 이용하여 가리는 과정으로서, 이 부분에 도전막이 형성되는 것을 방지하기 위해서이다. 이와 같이, 도전막이 형성되지 않은 제2 반구형 세라믹 박막(20a)의 단부는 단계 150에서 한 쌍의 제2 반구형 세라믹 박막(20a)을 접합할 경우에, 구상 압전 센서의 적도 부근에 전극 격리 갭이 생기도록 하여 북반부의 전극층과 남반부의 전극층이 도통되는 것을 방지하는데, 이에 관해서는 후술한다.
그리고 마스킹된 제2 반구형 세라믹 박막(20a)을 은이 용해되어 있는 용액, 즉, 은 용액에 디핑한다. 그리고 이 은 용액을 소정의 온도, 예컨대 550~650℃, 바람직하게는 약 600℃의 온도로 가열한다. 그 결과, 제2 반구형 세라믹 박막(20a)의 표면(마스킹이 되어 있지 않은 제2 반구형 세라믹 박막(20a)의 내면과 외면)에 은이 침투할 뿐만 아니라 표면에 은막이 형성되어 전극층(26a, 26b)이 안정화된다. 그리고 전극층(26a, 26b)의 형성이 완료되면, 제2 반구형 세라믹 박막(20a)의 단부에 부착되어 있는 마스크를 제거한다. 도 9는 이러한 전극층(26a, 26b)이 형성되고 마스크가 제거된 제2 반구형 세라믹 박막(20a)의 구조의 일례를 보여 주는 단면도이다. 도 9에서는 전극층(26a, 26b)이 소정의 두께를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 이것은 단지 설명의 편의를 위한 것이며, 제2 반구형 세라믹 박막(20a)의 표면에 아주 얇은 두께(제2 반구형 세라믹 박막(20a)의 두께에 비하여 거의 무시할 수 있는 얇은 두께)로 형성될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
그리고 단계 140의 결과로 만들어진 결과물, 즉 내면과 외면에 각각 전극층(26a, 26b)이 형성된 한 쌍의 제2 반구형 세라믹 박막(20a)을 접합하여 도 10에 도시되어 있는 것과 같은, 구상 세라믹 박막을 만든다(150). 도 10에서 (a)는 구상 세라믹 박막에 대한 단면도이며, (b)는 구상 세라믹 박막에 대한 사시도이다. 도 10을 참조하면, 구상 세라믹 박막의 내면과 외면에는 각각 전극층이 형성되어 있는데, 구상 세라믹 박막의 적도에 해당되는 위치에는 전극 격리갭(G)이 내면과 외면에 위치하고 있는 것을 알 수 있다. 이러한 전극 격리갭(G)은 구상 세라믹 박막의 상반부에 위치하는 전극층(예컨대, (+) 전극)과 남반부에 위치하는 전극층(예컨대, (-) 전극)이 전기적으로 도통하는 것을 방지하기 위한 것이다.
구상 세라믹 박막으로부터 제조된 구상 압전 센서를 위한 한 쌍의 전극은 전술한 바와 같이, 구상 세라믹 박막의 상반부에 위치하는 전극층(예컨대, (+) 전극)과 남반부에 위치하는 전극층(예컨대, (-) 전극)이 될 수 있다. 또는, 종래와 마찬가지로, 구상 세라믹 박막의 내면에 위치하는 전극층과 외면에 위치하는 전극이 될 수도 있다. 후자의 경우에, 내면에 위치하는 전극층과 연결되는 전선은 구상 세라믹 박막을 관통하며, 이를 위하여 구상 세라믹 박막(150)의 전극 격리갭(G)에는 전선이 관통할 수 있는 홀이 형성되어 있을 수도 있다.
계속해서, 도면에 도시하지는 않았지만, 구상 세라믹 박막의 외면에 보호막을 코팅하여 구상 압전 센서를 완성한다. 보호막은 구상 세라믹 박막을 습기나 이물질 등으로부터 보호하기 위한 것으로서, 에폭시 코팅막 등으로 형성할 수 있다. 에폭시 코팅막은 예컨대, 구상 세라믹 박막을 액상의 에폭시 수지에 디핑하여 형성할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 습식 성형을 이용하여 세라믹 슬러리(ceramic slurry)를 반구형 세라믹 박막으로 성형하는 기존의 방법과는 달리, 건식 성형을 이용하여 세라믹 파우더(ceramic powder)를 반구형 세라믹 박막으로 성형한다. 따라서 수분을 제거하기 위한 자연 건조 공정이 필요 없으며, 그 결과 제조 공정에 소요되는 시간을 단축하여 생산성을 향상시키고 제조 원가를 낮출 수 있다. 특히, 금형을 이용한 건식 성형 시에, 내구성을 보장할 수 있는 형상의 금형을 이용함으로써, 금형의 파손으로 인하여 제조 공정이 상승하는 것을 방지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 실시예에 불과할 뿐, 이 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 기술 사상은 특허청구범위에 기재된 발명에 의해서만 특정되어야 한다. 따라서 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위에서 전술한 실시예는 다양한 형태로 변형되어 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
20 : 제1 반구형 세라믹 박막 20a : 제2 반구형 세라믹 박막
22 : 구면부 24 : 거들부
26a, 26b : 전극층 30, 40 : 금형
32, 42 : 받침틀 34, 44 : 압착틀
52 : 제1 고정 수단 52a : 공기 배출로
54 : 다이아몬드 블레이드 62 : 제2 고정 수단
64 : 회전날 블레이드

Claims (8)

  1. 세라믹 분말을 압착하여, 반구형 형상의 일부인 구면부 및 상기 구면부의 단부에 일체로 형성되어 일부가 상기 구면부의 외면의 바깥쪽으로 돌출된 거들(girdle)부로 구성된, 제1 반구형 세라믹 박막으로 성형하는 성형 단계;
    상기 제1 반구형 세라믹 박막을 소결 건조하는 건조 단계;
    상기 소결 건조된 제1 반구형 세라믹 박막의 내면과 외면을 연마하면서 상기 거들부도 연마하여, 전체가 반구형의 형상인 제2 반구형 세라믹 박막으로 성형하는 연마 단계; 및
    상기 제2 반구형 세라믹 박막의 내면과 외면에 전극층을 형성하는 전극 형성 단계를 포함하는 구상 압전 센서의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 성형 단계는
    상기 제1 반구형 세라믹 박막의 내면과 상기 거들부의 밑면 및 측면을 한정하는 제1 프로파일을 갖는 받침틀 상에 상기 세라믹 분말을 공급하는 단계; 및
    상기 구면부의 외면과 상기 거들부의 상면을 한정하는 제2 프로파일을 갖는 압착틀을 이용하여 상기 세라믹 분말을 압착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구상 압전 센서의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 프로파일은 상기 압착틀의 압착 방향에 직교하는 소정 길이의 수평 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 구상 압전 센서의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소결 건조 단계는 1000~1500℃ 범위의 온도에서 15~25시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 구상 압전 센서의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전극 형성 단계는
    상기 제2 반구형 세라믹 박막의 단부를 가리는 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 마스크 패턴이 형성된 제2 반구형 세라믹 박막을 도전성 금속 용액에 담그는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구상 압전 센서의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 도전성 금속 용액은 은(Ag) 용액이고,
    상기 제2 반구형 세라믹 박막이 담긴 은 용액을 550~650℃의 온도로 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구상 압전 센서의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 전극 형성 단계 이후에
    상기 전극층이 형성된 한 쌍의 제2 반구형 세라믹 박막으로부터 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계; 및
    상기 마스크 패턴이 제거된 한 쌍의 제2 반구형 세라믹 박막을 서로 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구상 압전 센서의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 청구항에 기재된 제조방법으로 제조된 구상 압전 센서.
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