KR101046829B1 - 압전소자 및 그 제조방법, 그리고 그 압전소자를 구비한잉크젯헤드, 잉크젯식 기록장치 및 각속도 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 커다란 액추에이터 변위를 얻기 위해 고전압으로 구동시켜도 높은 내구성을 나타내는, 신뢰성 높은 압전소자를 제공하기 위한 것이다.
압전소자(20)는, 제 1 전극막(2)과, 제 1 전극막(2) 상에 형성된 제 1 압전체막(3)과, 이 제 1 압전체막(3) 상에 형성되며 또 제 1 압전체막(3)에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막(4)으로 구성되는 압전체 적층막(10)과, 제 2 압전체막(4) 상에 형성된 제 2 전극막(5)을 구비한다. 제 1 및 제 2 압전체막(3, 4)은, 결정성장 방향이 압전체 적층막(10)의 두께방향 한쪽에서 다른 쪽을 향하는 주상(柱狀)입자의 집합체이다. 제 2 압전체막(4)의 주상입자 단면 지름은 제 1 압전체막(3) 주상입자의 단면 지름보다 크다. 제 2 압전체막(4)의 단면 지름(d)에 대한 압전체 적층막(10)의 두께(l)의 비(l/d)는 20 이상 60 이하이다.
압전소자, 제 1 전극막, 제 1 압전체막, 압전체 적층막
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 관한 압전소자의 사시도.
도 2는 압전소자의 제조공정을 나타내는 도.
도 3은 압전소자의 막 구조를 나타내는 모식도.
도 4는 압전체 적층막의 파단면을 확대시켜 나타내는 전자현미경 사진.
도 5는 주파수 2kHz의 전압을 인가했을 경우, 압전소자 선단 Z축 방향의 상하운동 변위량을 나타내는 도.
도 6은 압전소자의 사시도.
도 7은 압전소자의 제조공정을 나타내는 도.
도 8은 잉크젯헤드의 개략구성도.
도 9는 잉크토출소자의 일부를 파단시킨 분해사시도.
도 10은 도 9의 X-X선 단면도.
도 11은 액추에이터부의 제조공정 일부를 나타내는 도.
도 12는 액추에이터부의 제조공정 일부를 나타내는 도.
도 13은 시리얼방식 잉크젯식 기록장치의 개략사시도.
도 14는 라인방식 잉크젯식 기록장치의 개략사시도.
도 15는 각속도센서의 개략사시도.
도 16은 도 15의 XVI-XVI선 단면도.
도 17은 각속도센서의 제조공정도.
도 18은 각속도센서의 제조방법에 있어서, 제 2 전극막을 패터닝한 상태를 나타내는 평면도.
도 19는 수정을 이용한 종래의 각속도센서 개략사시도.
도 20은 도 19의 XX-XX선 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1, 51, 101, 500 : 기판 2, 52, 102, 503 : 제 1 전극막
3, 41, 53, 103, 504 : 제 1 압전체막
4, 42, 54, 104, 505 : 제 2 압전체막
5, 43, 105, 508 : 제 2 전극막 20, 21 : 압전소자
13, 113 : 버퍼층막 44 : 진동판막
81, 91 : 잉크젯식 기록장치 83 : 캐리지축(이동수단)
82 : 캐리지(이동수단) 83 : 롤러(이동수단)
201 : 잉크젯헤드
본 발명은, 압전소자 및 그 제조방법, 그리고 그 압전소자를 구비한 잉크젯헤드, 잉크젯식 기록장치 및 각속도 센서에 관한 것이다.
압전재료는, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키거나, 또는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 재료이다. 압전재료의 대표적인 것으로, 페로브스카이트형 결정구조의 산화물인 티탄산 지르콘산 납(Pb(Zr, Ti)O3)(이하 "PZT"라 함)이 있다. 특히 페로브스카이트형의 정방정계 결정구조 PZT에서는 <001>축 방향(c축 방향)으로 가장 큰 압전변위를 얻을 수 있다. 그러나 대다수의 압전재료는 결정입자의 집합체로 된 다결정체이며, 각 결정입자의 결정축은 여러 가지 방향을 향한다. 따라서 자발분극(Ps)도 여러 방향으로 배열된다.
그런데, 최근 전자기기의 소형화에 따라, 압전소자에 대해서도 소형화가 강하게 요구되게 됐다. 그리고 이 요구를 만족시키기 위해 압전소자는, 종래 많이 쓰였던 소결체에 비해 현저하게 체적이 작은 박막 형태로 사용되고 있다. 때문에 압전소자의 박막화 연구개발이 활발해졌다.
예를 들어 PZT에서는 자발분극(Ps)이 <001>축 방향을 향하므로, 박막화시켜도 높은 압전특성(압전변위 특성)을 실현하기 위해서는, PZT박막을 구성하는 결정의 <001>축을 기판 두께방향 한쪽 면에 대해 수직방향으로 할 필요가 있다. 그리고 종래는 이를 실현하기 위해, 표면에 결정방위(100)면을 보이는, 돌소금형 결정구조의 산화마그네슘(MgO)으로 이루어지는 단결정 기판 상에, 그 기판의 두께방향 한쪽 면에 대해 수직방향으로 <001>축이 배향된, 결정성 양호한 PZT박막을, 600∼700℃의 온도이며 PZT를 타겟으로 이용한 스퍼터링법으로 직접 형성했다(예를 들어, Journal of Applied Physics, 미국, 아메리카 물리학회, 1989년 2월 15일, 제 65권, 제 4호, p.1666-1670 참조). 이 방법의 특징은 MgO단결정 기판을 이용하는 것이며, 이를 시작으로 높은 압전특성을 갖는, 결정방향으로 우선 배향된 압전체 박막이 실현된다.
그러나, 이 MgO단결정은 매우 고가의 재료이므로, 이 방법은 압전체 박막을 이용한 압전소자 등의 공업제품을 대량 생산할 경우에, 원가 관점에서 바람직하지 못하다.
그래서 저가의 기판 상에 압전재료로 된 결정배향막을 만드는 방법으로서, 예를 들어 포스트어닐링 방식의 대표적 예인 졸겔 법이 있다. 이하 기판으로서, 예를 들어 SrTiO3기판을 이용할 경우의, 졸겔법에 의한 결정배향막 형성공정에 대해 설명한다. 우선, 기판 상에 스퍼터링법으로 형성된 RuO2 하부전극 상에, Zr 및 Ti의 농도비가 Zr/Ti=75/25인 졸액을 스핀코팅으로 도포하고 가열 건조시켜 전구체막을 형성한다. 다음에 이 전구체막 상에, Zr 및 Ti의 농도비가 Zr/Ti=52/48인 졸액을 이용하여 몇 층의 전구체막을 형성한 후, 900℃로 고온 소성시킨다. 이로써 균열을 발생시키는 일없이, (001)결정배향의 PZT계 압전체 산화물박막이 합성된다(예를 들어 일특개 2000-208828호 공보(제 3-4 쪽) 참조).
이상과 같이 하여 압전상수가 큰 결정방위인 (001)면에 결정배향된 PZT박막 을 형성함으로써, 높은 압전특성을 갖는 압전체박막을 제작할 수 있다.
여기서 본 발명자들은, 저가의 기판 상에 결정배향막을 제작하는 방법으로서, 포스트어닐링을 필요로 하지 않는 방식, 예를 들어 스퍼터링법으로 합성하는 방법을 개발했다. 이하 이 방법에 의한 결정배향막 형성공정에 대해 설명한다. 우선, 기판 상에, 티탄(Ti)을 함유하는 백금(Pt)이나 이리듐(Ir) 등의 귀금속 합금으로 된, 바탕전극으로서의 전극박막을 스퍼터링법으로 형성한다. 다음으로 그 전극박막 상에 페로브스카이트형 결정구조의 산화물인 티탄산란탄납(PLT) 등의, 지르코늄(Zr)을 함유하지 않는 산화물로 이루어지며 또 (001)면에 결정배향된, 초기층으로서의 박막을 스퍼터링으로 형성한다. 그 후 이 초기층 상에, 이 초기층을 바탕으로, 스퍼터링법으로 PZT를 형성함으로써, (001)면에 결정배향된 PZT박막이 얻어진다.
또한 본 발명자들은, 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu)를 함유하는 귀금속 합금으로 이루어지는 전극박막을 바탕전극으로 이용했을 때는, 그 전극박막 상에 직접 PZT를 형성함으로써, (001)결정배향된 PZT박막이 얻어짐을 발견했다.
이상과 같이 해도, 압전상수가 큰 결정방위인 (001)면에 결정배향된 PZT박막을 형성함으로써, 높은 압전특성을 갖는 압전체박막을 제작할 수 있다.
이상과 같이 하여 얻어지는 압전체박막은 높은 압전상수를 나타내므로, 인가전압이 낮아도 커다란 압전변위를 발생시키기 때문에, 다양한 분야의 액추에이터로서의 이용이 기대된다. 또 상기 압전체박막에 커다란 전압을 인가함으로써, 보다 큰 압전변위구동을 실행할 수도 있다.
그러나, 상술한 포스트어닐링을 필요로 하지 않는 스퍼터링법으로 PZT막이 형성된 액추에이터에 커다란 전압을 인가하면, 바탕전극으로서의 막과 페로브스카이트형 산화막 사이에서 막 박리가 발생해버린다는 문제가 있어, 고변위 압전 액추에이터로서의 내구성이 낮다는 결점이 있다.
본 발명은, 이러한 점에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 커다란 액추에이터 변위를 얻기 위해 고전압으로 구동시켜도 높은 내구성을 나타내는, 신뢰성 높은 압전소자를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 압전소자는, 제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되며 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하는 압전소자이며, 상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고, 상기 제 1 및 제 2 압전체막의 주상입자는 서로 연속적으로 이어지며, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
여기서 본 발명의 압전소자는, 상기 제 1 및 제 2 압전체막은 적어도 Pb, Zr 및 Ti를 함유하며, 그 화학조성비가 Pb:Zr:Ti=(1+a):b:(1-b)로 나타나고, 상기 제 1 및 제 2 압전체막의 상기 b의 값이 0.50 이상 0.60 이하의 동일 값이며, 상기 제 1 압전체막의 Pb함유량이 상기 제 2 압전체막보다 많고, 상기 제 1 압전체막의 상기 a의 값이 0.05 이상 0.15 이하이며, 상기 제 2 압전체막의 상기 a의 값이 0 이상 0.10 이하인 것이 바람직하다.
이로써 제 1 전극막과 제 1 압전체막의 밀착성이 높아진다. 따라서 커다란 전압을 인가해도 제 1 전극막과 제 1 압전체막 사이에 막 박리가 발생하지 않는다. 때문에 높은 압전성을 가짐과 동시에, 열화가 일어나지 않는 압전소자를 실현할 수 있다.
또 본 발명의 압전소자는, 제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 버퍼층막과, 이 버퍼층막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되며 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하는 압전소자이며, 상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고, 상기 제 1 및 제 2 압전체막의 주상입자는 서로 연속적으로 이어지며, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
여기서 본 발명의 압전소자는, 상기 제 1 및 제 2 압전체막은 적어도 Pb, Zr 및 Ti를 함유하며, 그 화학조성비가 Pb:Zr:Ti=(1+a):b:(1-b)로 나타나고, 상기 제 1 및 제 2 압전체막의 상기 b의 값이 0.50 이상 0.60 이하의 동일 값인 것이 바람직하다.
이로써 제 1 전극막과 제 1 압전체막의 밀착성이 높아진다. 따라서 커다란 전압을 인가해도 제 1 전극막과 제 1 압전체막 사이에 막 박리가 발생하지 않는다. 때문에 높은 압전성을 가짐과 동시에, 열화가 일어나지 않는 압전소자를 실현할 수 있다. 또 이와 같이 버퍼층막을 도입함으로써, 이 버퍼층막 상에 형성되는, 제 1 전극막과의 밀착성이 높은 제 1 압전체막 제작이 용이해진다.
여기서 본 발명의 압전소자는 버퍼층막이, 티탄산란탄납 또는 티탄산란탄납에 마그네슘(Mg) 및 망간(Mn) 중 적어도 한쪽을 첨가한 것으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또 본 발명의 압전소자는 버퍼층막이, 스트론튬(Sr)을 함유하는 페로브스카이트형 결정구조의 산화물인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 압전소자는 버퍼층막이, 티탄산스트론튬을 함유하는 것이 바람직하다.
또 본 발명의 압전소자는, 상기 제 1 전극막의 상기 제 1 압전체막과는 반대쪽 면의 위 또는 상기 제 2 전극막의 상기 제 2 압전체막과는 반대쪽 면의 위에 형성된 진동판막을 구비하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 진동판막은, 실리콘, 유리, 세라믹재료 및 금속재료 중 어느 한 가지로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 압전소자는 상기 제 1 압전체막의 주상입자가, 그 단면지름이 40nm 이상 70nm 이하이며 또 그 길이가 5nm 이상 100nm 이하인 것이 바람직하 다.
또 본 발명의 압전소자는 상기 제 2 압전체막의 주상입자가, 그 단면지름이 60nm 이상 200nm 이하이며 또 그 길이가 2500nm 이상 5000nm 이하인 것이 바람직하다.
또 본 발명의 압전소자는 상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 적어도 Pb, Zr 및 Ti를 함유하는 페로브스카이트형 결정구조의 산화물로 이루어지며, X선 회절법에 의한 회절패턴의 각 결정면 반사강도로 구한 압전체막의 (001) 결정배향률을, 격자간 거리 4.2Å에서 1.5Å의 X선회절 범위에서 압전체막으로 귀속되는 전체 피크강도의 합계에 대한 (001)피크강도와 (002)피크강도 합의 백분율로 정의했을 때, 상기 제 1 압전체막의 (001) 결정배향률이 50% 이상 80% 이하인 한편, 상기 제 2 압전체막의 (001) 결정배향률이 95% 이상 100% 이하인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 압전소자는, 상기 제 1 전극막이 Pt 혹은 Ir으로 된 귀금속, 또는 이 귀금속에 Ti, Co 및 Ni 중 어느 한 가지를 첨가한 합금으로 구성되며, 단면지름이 20nm 이상 30nm 이하인 주상입자의 집합체인 것이 바람직하다.
이로써 제 1 전극막은 제 1 압전체막의 결정배향 제어막으로서의 기능을 활성화시킬 수 있다. 때문에 제 1 압전체막은 제 2 압전체막의 결정배향성을 확실하게 제어할 수 있다.
또 본 발명의 압전소자 제조방법은, 상기 압전소자의 제조방법으로, 기판상에 제 1 전극막을 스퍼터링법으로 형성하는 공정과, 소정재료를 타겟으로 이용하면서 소정의 성막조건하에서의 스퍼터링법으로 상기 제 1 전극막 상에 제 1 압전체막을 형성하는 공정과, 상기 소정재료를 타겟으로 이용하면서 상기 소정의 성막조건과 다른 성막조건하에서의 스퍼터링법으로 상기 제 1 압전체막 상에 이 제 1 압전체막으로 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막을 형성함으로써 압전체 적층막을 형성하는 공정과, 상기 제 2 압전체막 상에 제 2 전극막을 스퍼터링법으로 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한 본 발명의 압전소자 제조방법은, 상기 압전소자의 제조방법으로, 기판상에 제 1 전극막을 스퍼터링법으로 형성하는 공정과, 소정의 제 1 재료를 타겟으로 이용하면서 소정의 제 1 성막조건하에서의 스퍼터링법으로 상기 제 1 전극막 상에 버퍼층막을 형성하는 공정과, 소정의 제 2 재료를 타겟으로 이용하면서 소정의 제 2 성막조건하에서 스퍼터링법으로 상기 버퍼층막 상에 제 1 압전체막을 형성하는 공정과, 상기 소정의 제 2 재료를 타겟으로 이용하면서 소정의 제 2 성막조건과 다른 성막조건하에서의 스퍼터링법으로 상기 제 1 압전체막상에 이 제 1 압전체막으로 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막을 형성함으로써 압전체 적층막을 형성하는 공정과, 상기 제 2 압전체막 상에 제 2 전극막을 스퍼터링법으로 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.
여기서 본 발명의 압전소자 제조방법은, 상기 제 2 전극막 상에 진동판막을 스퍼터링법으로 형성하는 공정과, 상기 기판을 제거하는 공정을 추가로 구비하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명의 잉크젯헤드는, 노즐과 이 노즐에 연통되면서 잉크를 수용하는 압력실이 형성된 헤드본체부와, 두께방향 한쪽 면의 일부가 상기 압력실을 향 하도록 설계되며 또 상기 압력실 내의 잉크에 압력을 부여하여 상기 노즐로부터 잉크를 토출시키는 압전소자를 구비하는 것이며, 상기 압전소자는, 제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되며 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하며, 상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
또한 본 발명의 잉크젯헤드는, 노즐과 이 노즐에 연통되면서 잉크를 수용하는 압력실이 형성된 헤드본체부와, 두께방향 한쪽 면의 일부가 상기 압력실을 향하도록 설계되며 또 상기 압력실 내의 잉크에 압력을 부여하여 상기 노즐로부터 잉크를 토출시키는 압전소자를 구비하는 것이며, 상기 압전소자는, 제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 버퍼층막과, 이 버퍼층막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되고 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하며, 상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단 면지름보다 크며, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
또 본 발명의 잉크젯식 기록장치는, 노즐과 이 노즐에 연통되면서 잉크를 수용하는 압력실이 형성된 헤드본체부와, 두께방향 한쪽 면의 일부가 상기 압력실을 향하도록 설계되며 또 상기 압력실 내의 잉크에 압력을 부여하여 상기 노즐로부터 잉크를 토출시키는 압전소자를 구비하는 잉크젯헤드와, 상기 잉크젯헤드와 기록매체를 상대이동시키는 이동수단을 구비하는 것이며, 상기 압전소자는, 제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되고 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하며, 상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 잉크젯식 기록장치는, 노즐과 이 노즐에 연통되면서 잉크를 수용하는 압력실이 형성된 헤드본체부와, 두께방향 한쪽 면의 일부가 상기 압력실을 향하도록 설계되며 또 상기 압력실 내의 잉크에 압력을 부여하여 상기 노즐로부터 잉크를 토출시키는 압전소자를 구비하는 잉크젯헤드와, 상기 잉크젯헤드와 기록매체를 상대이동시키는 이동수단을 구비하는 잉크젯식 기록장치이며, 상기 압전소 자는, 제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 버퍼층막과, 이 버퍼층막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되고 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하며, 상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하인 것을 특징으로 하는 것이다.
또 본 발명의 각속도센서는, 고정부와 이 고정부로부터 소정의 방향으로 이어지는 적어도 한 쌍의 진동부를 갖는 기판을 구비하고, 이 기판의 적어도 각 진동부 상에 압전소자가 구성되는 것이며, 상기 압전소자는, 제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되고 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하며, 상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하이며, 상기 제 2 전극막이, 상기 진동부를 그 폭 방향으로 진동시키기 위한 적 어도 1 개의 구동전극과 상기 진동부의 두께방향 변형을 검출하기 위한 적어도 1 개의 검출전극으로 패턴화되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한 본 발명의 각속도센서는, 고정부와 이 고정부로부터 소정의 방향으로 이어지는 적어도 한 쌍의 진동부를 갖는 기판을 구비하고, 이 기판의 적어도 각 진동부 상에 압전소자가 구성되는 것이며, 상기 압전소자는, 제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 버퍼층막과, 이 버퍼층막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되고 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하며, 상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며, 상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하이며, 상기 제 2 전극막이, 상기 진동부를 그 폭 방향으로 진동시키기 위한 적어도 1 개의 구동전극과 상기 진동부의 두께방향 변형을 검출하기 위한 적어도 1 개의 검출전극으로 패턴화되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
그리고 상기 기판은, 에칭가공 가능한 실리콘 또는 유리로 된 것이 바람직하다.
여기서 본 발명의 압전소자는 잉크젯헤드나 잉크젯식 기록장치 또는 각속도센서 이외에도, 자이로 진동센서 등의 전자부품에도 적용할 수 있다.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해 질 것이다.
(실시예)
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
(제 1 실시예)
도 1에 나타내는 바와 같이 본 발명의 제 1 실시예에 관한 압전소자(20)는, 장방평판 형상의 기판(1)(두께 0.30mm, 폭 3.0mm, 길이 15.0mm)과, 이 기판(1) 상에 형성된 적층체(11)를 구비한다. 압전소자(20)의 폭은 3.0mm이다. 압전소자(20)의 긴 쪽 방향 일단부(도 1에서는 좌단부)는, 에폭시계 접착제(7)를 개재하고 스테인리스 지지기판(6)(두께 1.0mm, 폭 3.0mm, 길이 10.0mm) 상에 고정된다. 이 일단부란, 압전소자(20)의 한끝(도 1에서는 좌단)으로부터 길이 3.0mm까지의 부분을 말한다. 압전소자(20)의 긴 쪽 방향과 스테인리스 지지기판(6)의 긴 쪽 방향은 거의 직교된다. 이상의 구성으로 압전소자(20)는 외팔보(cantilever)를 구성한다.
기판(1)은, 압전효과에 의한 적층체(11)의 신축을 저해하는 진동판막의 역할도 수행한다. 적층체(11)는, 기판(1) 상에 형성된 제 1 전극막(2)과, 이 제 1 전극막(2) 상에 형성된 압전체 적층막(10)과, 이 압전체 적층막(10) 상에 형성된 제 2 전극막(5)을 구비한다.
제 1 전극막(2)은 기판(1)의 한쪽 전면 위에 형성된다. 압전체 적층막(10)은 제 1 전극막(2)의 상기 일단부 이외의 부분 위에 형성된다. 즉 압전체 적층막(10)은 폭 3.0mm, 길이 12.0mm이다. 압전체 적층막(10)은 (001) 우선배향의 페로브스카 이트형 결정구조인 티탄산지르콘산납계 산화물(이하, PZT계 산화물이라 칭함)로 이루어진다. PZT계 산화물이란, 적어도 Pb, Zr 및 Ti을 함유하는 산화물이다. 압전체 적층막(10)은 구체적으로, 제 1 전극막(2) 상에 형성된 제 1 압전체막(3)과, 이 제 1 압전체막(3) 상에 형성된 제 2 압전체막(4)으로 구성된다. 이 제 1 압전체막(3)은, 제 2 압전체막(4)의 결정배향성을 제어하는 결정배향 제어막으로서의 기능을 갖는다. 제 2 전극막(5)은 막 두께 250nm의 백금(Pt)으로 이루어진다. 제 1 및 제 2 전극막(2, 5)에는 각각 리드선(8, 9)이 접속된다.
여기서 본 발명의 특징으로서, 제 1 및 제 2 압전체막(3, 4)은, 결정성장 방향이 압전체 적층막(제 1 및 제 2 압전체막(3, 4))의 두께방향 한쪽에서 다른 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이다(도 3 참조). 바꾸어 말하면, 제 1 및 제 2 압전체막(3, 4)은, 기판(1)(제 1 전극막(2))의 두께방향 한쪽 면에 대해 수직 방향으로 성장된 주상입자의 집합체이다. 제 1 및 제 2 압전체막(3, 4)의 주상입자는 서로 연속적으로 이어진다.
또 제 2 압전체막(4)의 주상입자 단면지름은 제 1 압전체막(3)의 주상입자 단면지름보다 크다. 제 2 압전체막(4)의 주상입자 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(10)의 두께(압전체 적층막(10)의 주상입자 길이)(l)의 비(l/d)는 20 이상 60 이하이다. 여기서 비(l/d)가 20 미만에서는, 성막 시 발생하는 응력에 의해 압전체 적층막(10)에 균열이 발생하며, 비(l/d)가 60을 초과하면 구동 시의 소비전력이 커져 응답성이 저하되므로, 모두 바람직하지 못하다.
또한 제 1 압전체막(3)의 주상입자는, 그 단면지름이 40nm 이상 70nm 이하이 며 그 길이가 5nm 이상 100nm 이하이다. 제 2 압전체막(4)의 주상입자는, 그 단면지름이 60nm 이상 200nm 이하이며 그 길이가 2500nm 이상 5000nm 이하이다.
또 제 1 압전체막(3)의 (001) 결정배향률은 50% 이상 80% 이하이다((001) 결정배향률의 상세에 대해서는 후술함). 제 2 압전체막(4)의 (001) 결정배향률은 95% 이상 100%이하이다.
또한 제 1 및 제 2 압전체막(3, 4)은, 그 화학조성비가 Pb:Zr:Ti=(1+a):b:(1-b)로 표시된다. 제 1 및 제 2 압전체막(3, 4)의 b값은 0.50 이상 0.60 이하의 동일 값이다. 제 1 압전체막(3)의 Pb함유량은 제 2 압전체막(4)보다 많다. 제 1 압전체막(3)의 a값은 0.05 이상 0.15 이하이다. 제 2 압전체막(4)의 a값은 0 이상 0.10 이하이다.
또 제 1 전극막(2)은 Pt 혹은 Ir으로 된 귀금속, 또는 이 귀금속에 Ti, Co 및 Ni 중 어느 한 가지를 첨가한 합금으로 구성되며, 결정성장 방향이 제 1 전극막(2)의 두께방향 한쪽에서 다른 쪽을 향하고 또 단면지름이 20nm 이상 30nm 이하의 주상입자 집합체이다.
여기서 압전소자(20)의 제 1 및 제 2 전극막(2, 5)에 리드선(8, 9)을 통해 전압을 인가하면, 압전체 적층막(10)은 X축 방향으로 늘어난다. 압전체 적층막(10)의 X축 방향 신장변화량(ΔL(m))은, 인가전압을 E(V), 압전체 적층막(10)의 두께를 t(m), 길이를 L(m), 압전체 적층막(10)의 압전상수를 d31(피코m/V)로 하면, 이하의 식(1)에 의해 구해진다.
ΔL=d31×L×E/t ...............(1)
또 제 2 전극막(5)에 접합된 압전체 적층막(10)의 위쪽부분은, X축 방향으로 신장되는 한편, 제 1 전극막(2)에 접합된 압전체 적층막(10)의 아래쪽 부분은, 두께가 큰 기판(1)에 의해 그 신장이 억제된다. 그 결과, 압전소자(20)에서의 상기 일단부와 반대쪽의 타단(도 1에서는 우단. 이하 선단이라 칭함)은, Z축의 -Z방향(도 1에서는 아래쪽)으로 변위된다. 따라서 전압의 인가를 일정 주기로 반복하면, 압전소자(20)의 선단은 소정 변위폭으로 Z축 방향으로 변위된다. 그리고 인가전압과 압전소자(20)의 선단 변위폭 크기의 관계를 조사함으로써, 압전소자(20)의 변위특성을 평가할 수 있다.
-압전소자의 제조방법-
이하에 도 2를 참조하면서 압전소자(20)의 제조방법에 대해 설명한다. 우선 도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, (001)면이 연마된, 세로 20mm, 가로 20mm, 두께 0.30mm의 실리콘기판(101) 표면상에, 폭 5.0mm, 길이 18.0mm의 장방형 개구부가 형성된 스테인리스제 마스크(두께 0.2mm)를 이용하여, 후술하는 RF마그네트론 스퍼터링법으로 제 1 전극막(102)을 형성한다.
다음으로, 제 1 전극막(102)의 표면상에, 폭 5.0mm, 길이 12.0mm의 장방형 개구부가 형성된 스테인리스제 마스크(두께 0.2mm)를 이용하여, RF마그네트론 스퍼터링법으로 압전체 적층막(110)을 정확하게 형성한다. 압전체 적층막(110)은 구체적으로, 우선 제 1 전극막(102) 상에, PZT계 산화물의 소결체로 된 타겟을 이용하 고 또 소정의 성막조건하에서의 RF마그네트론 스퍼터링법으로 제 1 압전체막(103)을 형성한 후, 제 1 압전체막(103) 형성 시와 동일 타겟을 이용하고 또 제 1 압전체막(103) 형성 시의 소정 성막조건과 다른 성막조건하에서의 RF마그네트론 스퍼터링법으로 제 1 압전체막(103) 상에 제 2 압전체막(104)을 연속하여 형성함으로써 제작된다.
다음에, 압전체 적층막(110) 표면에, 상기 마스크와 동일 형상의 스테인리스제 마스크를 이용하여, RF마그네트론 스퍼터링법으로 제 2 전극막(105)을 정확하게 형성한다. 이상으로써, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, 기판(101)과 그 기판(101) 상에 형성된, 압전체 적층막(110)을 포함하는 적층체(111)로 이루어지는 구조체(121)가 얻어진다.
다음, 도 2의 (c)에 나타내는 바와 같이, 전체가 폭 3.0mm, 길이 15.0mm의 장방형상으로 되도록 또 제 1 전극막(2)의 일단(도 2의 (c)에서는 좌단)으로부터 길이가 3.0mm까지의 부분이 노출되도록, 구조체(121)를 다이싱 소로 정확하게 절단한다. 그 결과 기판(1)과 제 1 전극막(2)과 제 1 압전체막(3)과 제 2 압전체막(4)과 제 2 전극막(5)이 그 순서대로 적층되어 이루어지는 압전소자 구조체 부품(22)이 얻어진다.
다음으로, 도 2의 (d)에 나타내는 바와 같이, 기판(1)의 제 1 전극막(2) 노출부(도 2의 (d)에서 좌단부) 쪽 부분을, 에폭시계 접착제(7)를 이용하여 스테인리스 지지기판(6)에 접합시킨다.
다음에, 도 2의 (e)에 나타내는 바와 같이, 제 1 전극막(2)의 노출부에, 도 전성 접착제(은 페이스트)를 이용하여 0.1mm의 금제 리드선(8)을 접속함과 동시에, 제 2 전극막(5)에서 제 1 전극막(2) 노출부 쪽 부분에 와이어본딩으로 리드선(9)을 접속함으로써, 도 1에 나타내는 바와 같은 압전소자(20)가 얻어진다. 도 3은 이 압전소자(20)의 막 구조를 나타낸 모식도이다.
이하, 구체적으로 실시한 구체예에 대해 설명한다.
(구체예 1)
본 구체예에서는, 기판(101)으로서 실리콘기판을 이용하며, 제 1 전극막(102)으로서 두께 100nm의 이리듐(Ir)박막을 이용한다. 이 이리듐박막은, 3원 RF마그네트론 스퍼터링장치로 막 형성한다. 구체적으로는, 실리콘기판(101)을 400℃까지 미리 가열시키고 이 온도로 유지시킨다. 아르곤과 산소의 혼합가스(가스체적비 Ar:O2=15:1)를 스퍼터링가스로 이용하고, 합계 가스압력을 0.25Pa로 유지한다. 3원 RF마그네트론 스퍼터링장치의 제 1 타겟으로서 이리듐을 이용한다. 200W의 고주파전력을 인가하여 960초간 스퍼터링함으로써, 이리듐 박막을 성막시킨다(제 2 및 제 3 타겟은 사용하지 않음).
압전체 적층막(110)은 막 두께를 3550nm로 한다. 압전체 적층막(110)은, (001) 우선배향의 티탄산지르콘산납(이하, PZT로 칭함)으로 된 두께 50nm의 제 1 압전체막(103)과, (001) 우선배향의 PZT로 된 두께 3500nm의 제 2 압전체막(104)으로 구성한다.
제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은, RF마그네트론 스퍼터링장치를 이용하여 제작한다(도 2의 (b) 참조). 이때, 약 20mol% PbO를 과잉 첨가시켜 조제한, 화학양론조성 PZT의 6인치 지름의 소결체(조성몰비 Pb:Zr:Ti=1.20:0.53:0.47)를 타겟으로 이용한다. 또 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 성막조건은 이하에 나타내는 바와 같다. 즉 상기 타겟을 설치한 성막실 중에서, 한쪽 면에 제 1 전극막(102)이 형성된 실리콘기판(101)을, 580℃까지 미리 가열시키고 그 기판온도로 유지시킨다. 아르곤과 산소의 혼합가스(가스체적비 Ar:O2=38:2)를 스퍼터링가스로 이용하고, 그 가스압력을 0.2Pa로 함과 동시에, 그 유량을 매분 40ml로 한다. 그리고 플라즈마 발생전력을 3kW로 하여, 제 1 압전체막(103)을 50초간 성막한다. 그 후 성막을 일단 정지시켜, 상기 성막조건 중 스퍼터링가스의 혼합비(가스체적비)만을 Ar:O2=79:1로 즉시 바꾸고, 그 밖의 성막조건은 변함 없이 제 2 압전체막(104)을 2900초간 성막한다.
여기서 도 2의 (b)에 나타내는 제 1 압전체막(103)의 막 두께, (001)배향성, 조성, 막 두께 및 단면구조를 정확하게 구하기 위해, 제 1 압전체막(103)의 형성 후, 성막을 중지한 적층막도 제작한다. 이 시료에 대해 그 표면을 주사형 전자현미경 관찰로 관찰하며 또 X선회절 및 X선 마이크로분석기에 의한 조성분석을 실시한다. 그 후 이 시료를 파괴시켜 그 파단면을 주사형 전자현미경으로 관찰한다.
또한 도 2의 (b)에 나타내는 제 2 압전체막(104)의 막 두께, (001)배향성, 조성, 막 두께 및 단면구조를 정확하게 구하기 위해, 제 2 압전체막(104)을 형성한 후, 성막을 중지한 적층막도 제작한다. 이 시료에 대해서도 상기와 마찬가지로, 그 표면을 주사형 전자현미경으로 관찰하고, X선회절 및 X선 마이크로분석기에 의한 조성분석을 실시한 후, 시료를 파괴시켜 파단면을 주사형 전자현미경으로 관찰한다.
또 도 2의 (b)에 나타내는 구조체(121)를 시료로 사용하여, 오제(auger)분석으로 압전체 적층막(110) 깊이방향(막 두께 방향)의 조성분석을 실시한다. 또한 압전체 적층막(110)의 파단면을 주사형 전자현미경으로 관찰한다. 도 4의 (a)는 이 압전체 적층막(110)의 파단면을 확대시켜 나타내는 주사형 전자현미경 사진이며, 도 4의 (b)는 도 4 (a)의 부분 확대도이다.
이상과 같은 각 분석 및 관찰 결과, 제 1 전극막으로서의 이리듐전극은, 단면지름이 20nm인 주상입자의 집합체임을 알았다. 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 서로 연속적으로 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막(103)은 막 두께가 50nm이며 주상입자의 단면지름이 40nm이다. 제 2 압전체막(104)은 막 두께가 3500nm이고 주상입자의 단면지름이 160nm이다. 제 2 압전체막(104) 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(110)의 두께(l)의 비(l/d)는 22.2이다.
또 X선 회절법으로 해석한 결과, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 페로브스카이트형 결정구조임을 알았다. 제 1 압전체막(103) 형성면의 (001)결정배향률은 70%인 반면, 제 2 압전체막(104) 형성면의 (001)결정배향률은 98%이다. 여기서 X선 회절법에 의한 회절패턴의 각 결정면 반사강도로 구한, PZT계 압전체막의 (001)결정배향률을, 격자간 거리 4.2Å(옹스트롬)에서 1.5Å의 X선 회절범위에서의 PZT계 압전체막으로 귀속되는 전체 피크강도의 합계에 대한 (001)피크강도와 (002)피크강 도 합의 백분율로 정의한다. 즉 결정배향률은, PZT계 압전체막의 X선 회절패턴의 (001), (100), (010), (110), (011), (101), (111) 등 각 결정면 피크강도의 합계에 대한 (001)에 속하는 피크강도 비율의 백분율이다.
또 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막(103)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.15:0.53:0.47인 한편, 제 2 압전체막(104)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47임을 알았다. 즉, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 <001>축이 기판(101) 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에서 동일한 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막(103) 쪽이 제 2 압전체막(104)보다 많다.
또한 제 1 및 제 2 전극막(2, 5) 사이에 리드선(8, 9)을 통해 0V에서 -80V까지의 삼각파 전압을 인가시키고, 레이저 도플러 진동변위 측정장치(laser doppler vibrometer)를 이용하여, 압전소자(20) 선단 Z축 방향의 상하운동 변위량을 측정한다. 도 5는, 주파수 2kHz의 전압을 인가한 경우의 압전소자(20) 선단 Z축 방향의 상하운동 변위량을 나타낸다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 상기 삼각파 전압을 인가했을 경우에, 압전소자(20)의 선단은 최대 38.0㎛만큼 변위된다. 이 삼각파 전압에 의해 1억 회(구동시간 13.9 시간) 왕복 구동시킨 후 및 10억 회(구동시간 138.9 시간) 왕복 구동시킨 후에, 전압소자(20)의 구동상황을 조사함과 동시에 광학현미경으로 압전소자(20)의 외관을 조사했다. 그 결과, 이 압전소자(20)는, 10억 회 구동시킨 후에도 변위량은 38.0㎛로, 막 박리나 균열 발생은 보이지 않았다.
(구체예 2)
본 구체예에서는 기판(101)에 내고온 파이렉스 유리기판을 이용하고, 제 1 전극막(102)으로 두께 150nm의 백금(Pt)박막을 이용한다. 이 백금박막은, 3원 RF마그네트론 스퍼터링장치로 막 형성한다. 구체적으로는, 내고온 파이렉스 유리기판(101)을 400℃까지 미리 가열시키고 그 온도로 유지한다. 아르곤과 산소의 혼합가스(가스체적비 Ar:O2=15:1)를 스퍼터링가스로 이용하며, 합계 가스압을 0.25Pa로 유지한다. 3원 RF마그네트론 스퍼터링장치의 제 1 타겟으로서 백금을 이용한다. 200W의 고주파전력을 인가시켜 1080초간 스퍼터링 함으로써, 백금박막을 형성한다(제 2 및 제 3 타겟은 사용하지 않음).
또 압전체 적층막(110)은 막 두께를 5100nm로 한다. 압전체 적층막(110)은, (001) 우선 배향의 PZT로 이루어지는 막 두께 100nm의 제 1 압전체막(103)과, 이 제 1 압전체막(103) 상에 형성되며 또 (001)배향 PZT로 이루어지는 두께 5000nm의 제 2 압전체막(104)으로 구성된다.
본 구체예에서는, 상기 구체예 1과 마찬가지로, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 RF마그네트론 스퍼터링장치를 이용하여 제작한다(도 2의 (b) 참조). 이 때 약 10mol%의 PbO를 과잉 첨가시켜 조제한, 화학양론조성 PZT의 6 인치 지름의 소결체(조성 몰비 Pb:Zr:Ti=1.10:0.50:0.50)를 타겟으로 이용한다. 또 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 성막조건은 이하에 나타내는 바이다. 즉 상기 타겟을 설치한 성막실 중에, 한쪽 면에 제 1 전극막(102)이 형성된 기판(101)을 550℃까지 예열시키고 그 기판온도로 유지한다. 아르곤과 산소의 혼합가스(가스체적비 Ar:O2=79:1)를 스퍼터링가스로 이용하며, 그 가스압력을 0.25Pa로 함과 동시에 그 가스유량을 매분 40ml로 한다. 그리고 플라즈마 발생전력을 2kW로 하여 60 초간 성막시킴으로써, 제 1 압전체막(103)을 제작한다. 그 후 성막을 정지한 후, 기판(101) 온도를 590℃로 하며 또 플라즈마 발생전력은 3kW로 하고, 그 밖의 성막조건은 변함 없이, 3800 초간 성막시킴으로써 제 2 압전체막(104)을 제작한다.
상기 구체예 1과 동일한 분석 및 관찰 결과, 제 1 전극막(102)으로서의 백금전극은, 단면지름이 30nm의 주상입자 집합체임을 알았다. 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 서로 연속적으로 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막(103)은, 막 두께가 100nm이며 주상입자의 단면지름이 40nm이다. 제 2 압전체막(104)은 막 두께가 5000nm이고 주상입자의 단면지름이 85nm이다. 제 2 압전체막(4) 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(10)의 두께(l)의 비(l/d)는 60.0이다.
또 X선 회절법으로 해석한 결과, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 페로브스카이트형 결정구조임을 알았다. 제 1 압전체막(103) 형성면의 (001)결정배향률은 50%인 반면, 제 2 압전체막(104) 형성면의 (001)결정배향률은 95%이다.
또 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막(103)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.15:0.51:0.49인 한편, 제 2 압전체막(104)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.10:0.51:0.49임을 알았다. 즉, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 <001>축이 기판(1) 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에서 동일한 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막(103) 쪽이 제 2 압전체막(104)보다 많다.
또 상기 구체예 1과 마찬가지로, 압전소자(20)에 0V에서 -80V까지의 삼각파 전압(주파수 2kHz)을 인가시켜, 압전소자(20) 선단의 Z축 방향 상하운동 변위량을 측정한다. 그 결과 압전소자(20)의 선단은 최대 35.2㎛만큼 변위된다. 이 압전소자(20)는, 10억 회 구동시킨 후에도 변위량은 변함 없이 막 박리나 균열 발생은 보이지 않았다.
(구체예 3)
본 구체예에서는 기판(101)으로, 경면 가공된 내열성 스테인리스기판을 이용하며, 제 1 전극막(102)으로 티탄을 함유하는 이리듐으로 된 두께 110nm의 합금박막을 이용한다. 이 합금박막은 3원 RF마그네트론 스퍼터링장치로 막 형성한다. 구체적으로는, 내열성 스테인리스기판(101)을 400℃까지 예열시키고 그 온도로 유지한다. 아르곤과 산소의 혼합가스(가스체적비 Ar:O2=16:1)를 스퍼터링가스로 이용하며, 합계 가스압력을 0.25Pa로 유지한다. 3원 RF마그네트론 스퍼터링장치의 제 1 타겟으로 이리듐을 이용하고, 제 2 타겟으로 티탄을 이용한다. 제 1 및 제 2 타겟에 각각 200W 및 60W의 고주파전력을 인가시키고 960 초간 스퍼터링함으로써 합금 박막을 성막한다(제 3 타겟은 사용하지 않음).
또 압전체 적층막(110)은 막 두께를 4000nm로 한다. 압전체 적층막(110)은, (001) 우선 배향 PZT로 이루어지는 두께 100nm의 제 1 압전체막(103)과, 이 제 1 압전체막(103) 상에 형성되며 (001) 배향 PZT로 이루어지는 두께 3900nm의 제 2 압전체막(104)으로 구성된다.
본 구체예에서는 상기 구체예 1과 마찬가지로, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 RF마그네트론 스퍼터링장치를 이용하여 제작한다(도 2의 (b) 참조). 이 때 약 10mol%의 PbO를 과잉 첨가하여 조제한, 화학양론조성 PZT의 6 인치 지름의 소결체(조성 몰비 Pb:Zr:Ti=1.10:0.60:0.40)를 타겟으로 이용한다. 또 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 성막조건은 이하에 나타내는 바이다. 즉 상기 타겟을 설치한 성막실 중에, 한쪽 면에 제 1 전극막(102)이 형성된 기판(101)을 570℃까지 예열시키고 그 기판온도로 유지한다. 아르곤과 산소의 혼합가스(가스체적비 Ar:O2=38:2)를 스퍼터링가스로 이용하며, 그 가스압력을 0.25Pa로 함과 동시에 그 가스유량을 매분 40ml로 한다. 그리고 플라즈마 발생전력을 3kW로 하여, 제 1 압전체막(103)을 100 초간 성막시킨다. 그 후 성막을 정지한 후, 상기 성막조건 중 스퍼터링가스의 혼합비(가스체적비)만을 Ar:O2=79:1로 바꾸고, 그 밖의 성막조건은 변함 없이 제 2 압전체막(104)을 2500 초간 성막시킨다.
상기 구체예 1과 동일한 분석 및 관찰 결과, 제 1 전극막(102)은, 조성이 1mol%인 티탄을 함유하는 이리듐박막으로서, 단면지름이 20nm의 주상입자 집합체임 을 알았다. 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 서로 연속적으로 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막(103)은, 막 두께가 100nm이며 주상입자의 단면지름이 70nm이다. 제 2 압전체막(104)은 막 두께가 3900nm이고 주상입자의 단면지름이 200nm이다. 제 2 압전체막(104) 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(110)의 두께(l)의 비(l/d)는 20.0이다.
또 X선 회절법으로 해석한 결과, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 페로브스카이트형 결정구조임을 알았다. 제 1 압전체막(103) 형성면의 (001) 결정배향률은 80%인 반면, 제 2 압전체막(104) 형성면의 (001)결정배향률은 100%이다.
또한 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막(103)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.05:0.60:0.40인 한편, 제 2 압전체막(104)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.00:0.60:0.40임을 알았다. 즉, 상기 구체예 1과 마찬가지로, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 <001>축이 기판(1) 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에서 동일한 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막(103) 쪽이 제 2 압전체막(104)보다 많다.
또 상기 구체예 1과 마찬가지로, 압전소자(20)에 0V에서 -80V까지의 삼각파 전압(주파수 2kHz)을 인가시켜, 압전소자(20) 선단의 Z축 방향 상하운동 변위량을 측정한다. 그 결과 압전소자(20)의 선단은 최대 38.3㎛만큼 변위된다. 이 압전소자(20)는, 10억 회 구동시킨 후에도 변위량은 변함 없이 막 박리나 균열 발생은 보이지 않았다.
(구체예 4)
본 구체예에서는 기판(101)으로, 경면 연마된 세라믹(알루미나)을 이용하며, 제 1 전극막(102)으로, 니켈을 함유하는 백금(Pt)으로 된 두께 120nm의 합금박막을 이용한다. 이 합금박막은 3원 RF마그네트론 스퍼터링장치로 막 형성한다. 구체적으로는, 기판(101)을 400℃까지 예열시키고 그 온도로 유지한다. 아르곤과 산소의 혼합가스(가스체적비 Ar:O2=16:1)를 스퍼터링가스로 이용하며, 합계 가스압력을 0.25Pa로 유지한다. 3원 RF마그네트론 스퍼터링장치의 제 1 타겟으로 백금을 이용하고, 제 2 타겟으로 니켈을 이용한다. 제 1 및 제 2 타겟에 각각 200W 및 60W의 고주파전력을 인가시키고 960 초간 스퍼터링함으로써 합금박막을 성막한다(제 3 타겟은 사용하지 않음).
또 압전체 적층막(110)은 막 두께를 2505nm로 한다. 압전체 적층막(110)은, (001) 우선 배향 PZT로 이루어지는 두께 5nm의 제 1 압전체막(103)과, 이 제 1 압전체막(103) 상에 형성되며 (001) 배향 PZT로 이루어지는 두께 2500nm의 제 2 압전체막(104)으로 구성된다.
본 구체예에서는 상기 구체예 1과 마찬가지로, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 RF마그네트론 스퍼터링장치를 이용하여 제작한다(도 2의 (b) 참조). 이 때 약 20mol%의 PbO를 과잉 첨가하여 조제한, 화학양론조성 PZT의 6 인치 지름의 소결체(조성 몰비 Pb:Zr:Ti=1.20:0.54:0.46)를 타겟으로 이용한다. 또 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 성막조건은 이하에 나타내는 바이다. 즉 상기 타겟을 설치한 성막실 중에, 한쪽 면에 제 1 전극막(102)이 형성된 기판(101)을 550℃까지 예열시키고 그 기판온도로 유지한다. 아르곤과 산소의 혼합가스(가스체적비 Ar:O2=79:1)를 스퍼터링가스로 이용하며, 그 가스압력을 0.2Pa로 함과 동시에 그 가스유량을 매분 40ml로 한다. 그리고 플라즈마 발생전력을 2kW로 하여, 5 초간 성막시킴으로써 제 1 압전체막(103)을 제작한다. 그 후 성막을 정지한 후, 기판(101) 온도를 580℃로 하고 플라즈마 발생전력을 3kW로 하며 그 밖의 성막조건은 변함 없이, 2000 초간 성막시킴으로써 제 2 압전체막(104)을 제작한다.
상기 구체예 1과 동일한 분석 및 관찰 결과, 제 1 전극막(102)은, 4mol%의 니켈을 함유하는 백금으로 이루어지며, 그 단면지름이 25nm의 주상입자 집합체임을 알았다. 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 서로 연속적으로 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막(103)은, 막 두께가 5nm이며 주상입자의 단면지름이 40nm이다. 제 2 압전체막(104)은 막 두께가 2500nm이고 주상입자의 단면지름이 60nm이다. 제 2 압전체막(104) 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(110)의 두께(l)의 비(l/d)는 41.7이다.
또 X선 회절법으로 해석한 결과, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 페로브스카이트형 결정구조임을 알았다. 제 1 압전체막(103) 형성면의 (001) 결정배향률은 80%인 반면, 제 2 압전체막(104) 형성면의 (001)결정배향률은 99.0%이다.
또한 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막(103)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.10:0.54:0.46인 한편, 제 2 압전체막(104)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.05:0.54:0.46임을 알았다. 즉, 상기 구체예 1과 마찬가지로, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 <001>축이 기판(1) 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에서 동일 값인 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막(103) 쪽이 제 2 압전체막(104)보다 많다.
또 상기 구체예 1과 마찬가지로, 압전소자(20)에 0V에서 -80V까지의 삼각파 전압(주파수 2kHz)을 인가시켜, 압전소자(20) 선단의 Z축 방향 상하운동 변위량을 측정한다. 그 결과 압전소자(20)의 선단은 최대 32.7㎛만큼 변위된다. 이 압전소자(20)는, 10억 회 구동시킨 후에도 변위량은 변함 없이 막 박리나 균열 발생은 보이지 않았다.
(구체예 5)
본 구체예에서는 기판(101)으로, 실리콘기판을 이용하며, 제 1 전극막(102)으로 코발트(Co)를 함유하는 이리듐으로 된 두께 120nm의 합금박막을 이용한다. 이 합금박막은 3원 RF마그네트론 스퍼터링장치로 막 형성한다. 구체적으로는, 실리콘기판(101)을 400℃까지 예열시키고 그 온도로 유지한다. 아르곤과 산소의 혼합가스(가스체적비 Ar:O2=16:1)를 스퍼터링가스로 이용하며, 합계 가스압력을 0.25Pa로 유지한다. 3원 RF마그네트론 스퍼터링장치의 제 1 타겟으로 이리듐을 이용하고, 제 2 타겟으로 코발트를 이용한다. 제 1 및 제 2 타겟에 각각 200W 및 60W의 고주파전력을 인가시키고 960 초간 스퍼터링함으로써 합금박막을 성막한다(제 3 타겟은 사용하지 않음).
또 압전체 적층막(110)은 막 두께를 4580nm로 한다. 압전체 적층막(110)은, (001) 우선 배향 PZT로 이루어지는 두께 80nm의 제 1 압전체막(103)과, 이 제 1 압전체막(103) 상에 형성되며 (001) 배향 PZT로 이루어지는 두께 4500nm의 제 2 압전체막(104)으로 구성된다.
본 구체예에서는 상기 구체예 1과 마찬가지로, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 3원 RF마그네트론 스퍼터링장치를 이용하여 제작한다(도 2의 (b) 참조). 이 때 약 20mol%의 PbO를 과잉 첨가하여 조제한, 화학양론조성 PZT의 6 인치 지름의 소결체(조성 몰비 Pb:Zr:Ti=1.20:0.53:0.47)를 타겟으로 이용한다. 또 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 성막조건은 이하에 나타내는 바이다. 즉 상기 타겟을 설치한 성막실 중에, 한쪽 면에 제 1 전극막(102)이 형성된 기판(101)을 580℃까지 가열시키고 그 기판온도로 유지한다. 아르곤과 산소의 혼합가스(가스체적비 Ar:O2=38:2)를 스퍼터링가스로 이용하며, 그 가스압력을 0.2Pa로 함과 동시에 그 가스유량을 매분 40ml로 한다. 그리고 플라즈마 발생전력을 3kW로 하여, 제 1 압전체막(103)을 75 초간 성막시킨다. 그 후 성막을 정지한 후, 상기 성막조건 중 스퍼터링가스의 혼합비만을 Ar:O2=79:1로 즉시 바꾸고, 그 밖의 성막조건은 변함 없이 제 2 압전체막(104)을 3700 초간 성막시킨다.
상기 구체예 1과 동일한 분석 및 관찰 결과, 제 1 전극막(102)은, 조성이 4mol%인 코발트를 함유하는 이리듐박막으로서, 단면지름이 20nm의 주상입자 집합체 임을 알았다. 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 서로 연속적으로 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막(103)은, 막 두께가 80nm이며 주상입자의 단면지름이 50nm이다. 제 2 압전체막(104)은 막 두께가 4500nm이고 주상입자의 단면지름이 150nm이다. 제 2 압전체막(104) 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(10)의 두께(l)의 비(l/d)는 30.5이다.
또 X선 회절법으로 해석한 결과, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 페로브스카이트형 결정구조임을 알았다. 제 1 압전체막(103) 형성면의 (001) 결정배향률은 70%인 반면, 제 2 압전체막(104) 형성면의 (001)결정배향률은 99%이다.
또한 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막(103)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47인 한편, 제 2 압전체막(104)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.05:0.53:0.47임을 알았다. 즉, 상기 구체예 1과 마찬가지로, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 <001>축이 기판(1) 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에서 동일한 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막(103) 쪽이 제 2 압전체막(104)보다 많다.
또 상기 구체예 1과 마찬가지로, 압전소자(20)에 0V에서 -80V까지의 삼각파 전압(주파수 2kHz)을 인가시켜, 압전소자(20) 선단의 Z축 방향 상하운동 변위량을 측정한다. 그 결과 압전소자(20)의 선단은 최대 41.5㎛만큼 변위된다. 이 압전소자(20)는, 10억 회 구동시킨 후에도 변위량은 변함 없이 막 박리나 균열 발생은 보이지 않았다.
여기서 상기 각 구체예에서는, 압전체 적층막(10)으로서, Pb과 Zr과 Ti의 3원산화물인 PZT막을 이용하지만, La을 함유하는 PZT막(즉 PLZT막)이나, Nb나 Mg 등의 이온을 함유하는 PZT막 등, 적어도 Pb, Zr 및 Ti을 함유하는, 페로브스카이트형 결정구조의 산화물 박막이라면 어떤 것을 사용해도 된다. 이와 같이, 압전체 적층막이 페로브스카이트형 결정구조의 산화물 박막일 경우에는, 상기 각 구체예와 마찬가지 작용, 효과를 발휘하는 압전체 적층막을 얻을 수 있다.
(비교예 1)
상기 구체예와 비교하기 위해, 다음과 같은 비교예 1의 압전소자를 제작한다. 본 비교예에서는 압전체 적층막 대신, 1 층의 압전체막만을 형성한다. 그리고 이 압전체막의 성막방법은, 상기 구체예 1의 제 2 압전체막(104) 성막방법과 마찬가지이다. 그 밖의 점에 관해서는 구체예 1과 동일하다.
그리고 상기 구체예 1과 마찬가지로, 시료의 표면을 주사형 전자현미경으로 관찰하고, X선 회절 및 X선 마이크로분석기에 의한 조성분석을 실시한 후, 시료를 파괴시켜 파단면을 주사형 전자현미경으로 관찰한다.
상기 구체예 1과 동일한 분석 및 관찰 결과, 본 비교예의 압전체막은 주상입자 집합체임을 알았다. 압전체막은, 막 두께가 3500nm이며 주상입자의 단면지름이 230nm이다. 압전체막의, 주상입자 단면지름(d)에 대한 압전체막 두께(l)의 비(l/d)는 15.2이다.
또 X선 회절법으로 해석한 결과, 압전체막은 페로브스카이트형 결정구조이며, 그 (001) 결정배향률은 45%임을 알았다.
또한 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 압전체막의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.05:0.53:0.47이다.
또 오제 분광분석에 의한 압전체막 깊이 방향의 Zr 및 Ti의 조성분포는, 제 2 전극막 계면에서 제 1 전극막 계면까지 일정하며, Pb조성은 제 1 전극막과의 계면으로부터 약 10nm까지의 부분(압전체막 전체의 15분의 1 정도의 부분)이 다른 부분보다 적어졌음을 알았다. 이 현상은, Pb이 약간 제 1 전극막으로 확산됐기 때문에 일어난 것으로 생각된다. 즉 압전체막은, 상기 구체예 1과 마찬가지로, 기판 상면에 대해 수직방향으로 성장된 주상입자의 집합체로 이루어지는, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막이지만, 그 주상입자의 단면지름이 상기 구체예 1보다 큰 점, (001) 결정배향률이 구체예 1보다 작은 점 및 제 1 전극막과의 계면 부근의 Pb조성이 압전체막 전체와 동일하지만 제 1 전극막과의 계면에서 Pb조성이 다른 부분보다 약간 적어진 점이 구체예 1과 다르다.
또한 상기 구체예 1과 마찬가지로, 압전소자에 0V에서 -80V까지의 삼각파 전압(주파수 2kHz)을 인가시켜, 압전소자 선단의 Z축 방향 상하운동 변위량을 측정한다. 그 결과 압전소자의 선단은 최대 20.0㎛만큼 변위된다. 이 삼각파전압으로 1억 회만 구동시킨 후, 압전소자의 구동상황을 조사함과 동시에 광학현미경으로 압전소자의 외관을 조사한 결과, 압전소자의 구동이 정지됐으며, 제 1 전극막과의 사이에서 막 박리가 발생했음을 알았다.
(비교예 2)
상기 각 구체예와 비교하기 위해 다음과 같은 비교예 2의 압전소자를 제작한 다. 본 비교예에서는 압전체 적층막 대신, 1 층의 압전체막만을 형성한다. 그리고 이 압전체막의 성막방법은, 상기 구체예 5의 제 2 압전체막(104) 성막방법과 마찬가지이다. 그 밖의 점에 관해서는 구체예 5와 동일하다.
상기 구체예 5와 마찬가지로, 시료의 표면을 주사형 전자현미경으로 관찰하고, X선 회절 및 X선 마이크로분석기에 의한 조성분석을 실시한 후, 시료를 파괴시켜 파단면을 주사형 전자현미경으로 관찰한다.
상기 구체예 5와 동일한 분석 및 관찰 결과, 압전체막은 주상입자 집합체임을 알았다. 압전체막은, 막 두께가 4500nm이며 주상입자의 단면지름이 230nm이다. 압전체막의, 주상입자 단면지름(d)에 대한 압전체막 두께(l)의 비(l/d)는 19.6이다.
또 X선 회절법으로 해석한 결과, 압전체막은 페로브스카이트형 결정구조이며, 그 (001) 결정배향률은 96%임을 알았다.
또한 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 압전체막의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.05:0.53:0.47임을 알았다.
또 오제 분광분석에 의한 압전체막 깊이 방향의 Zr 및 Ti의 조성분포는, 제 2 전극막과의 계면에서 제 1 전극막 계면까지 일정하며, Pb조성은 제 1 전극막과의 계면으로부터 약 10nm까지의 부분(압전체막 전체의 20분의 1 정도의 부분)이 다른 부분보다 적어졌음을 알았다. 이 현상은, 오제 분광분석의 정밀도로는 관찰할 수 없지만, Pb이 약간 제 1 전극막으로 확산됐기 때문에 일어난 것으로 생각된다. 즉 압전체막은, 상기 구체예 5와 마찬가지로, 기판 상면에 대해 수직방향으로 성장된 주상입자의 집합체로 이루어지는, (001) 배향 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막이지만, 그 주상입자의 단면지름이 상기 구체예 5보다 큰 점 및 제 1 전극막과의 계면 부근의 Pb조성이 압전체막 전체와 동일하지만 제 1 전극막과의 계면에서 Pb조성이 다른 부분보다 약간 적어진 점이 구체예 5와 다르다.
또한 상기 구체예 5와 마찬가지로, 압전소자에 0V에서 -80V까지의 삼각파 전압(주파수 2kHz)을 인가시켜, 압전소자 선단의 Z축 방향 상하운동 변위량을 측정한다. 그 결과 압전소자의 선단은 최대 38.0㎛만큼 변위된다. 이 삼각파전압으로 10억 회 구동시킨 후, 압전소자의 구동상황을 조사함과 동시에 광학현미경으로 압전소자의 외관을 조사한 결과, 압전소자의 구동이 정지됐으며, 제 1 전극막과의 사이에서 막 박리가 발생했음을 알았다.
-효과-
이상으로써, 본 실시예에 의하면, 제 1 전극막(2)과 제 1 압전체막(3)의 밀착성이 높아진다. 따라서 커다란 전압을 인가해도 제 1 전극막(2)과 제 1 압전체막(3) 사이에 막 박리가 발생하지 않는다. 이로써 높은 압전특성을 가짐과 동시에 열화가 일어나지 않는 압전소자(20)를 실현할 수 있다.
또 제 1 전극막(2)은 제 1 압전체막(3)의 결정배향 제어막으로서의 기능을 활성화시킨다. 이로써 제 1 압전체막(3)은 제 2 압전체막(4)의 결정배향성을 확실하게 제어할 수 있다.
(제 2 실시예)
도 6에 나타내는 바와 같이 본 발명의 제 2 실시예에 관한 압전소자(21)는, 제 1 실시예에 관한 압전소자(20)와 유사한 형상으로서, 장방평판 형상의 기판(1)(두께 0.30mm, 폭 3.0mm, 길이 15.0mm)과, 이 기판(1) 상에 형성된 적층체(12)를 구비한다. 압전소자(21)의 폭은 3.0mm이다. 압전소자(21)의 긴 쪽 방향 일단부(도 6에서 좌단부)는, 에폭시계 접착제(7)를 개재하고 스테인리스 지지기판(6)(두께 1.0mm, 폭 3.0mm, 길이 10.0mm) 상에 고정된다. 이 일단부란, 압전소자(21)의 한끝(도 6에서는 좌단)으로부터 길이 3.0mm까지의 부분을 말한다. 압전소자(21)의 긴 쪽 방향과 스테인리스 지지기판(6)의 긴 쪽 방향은 거의 직교된다. 이상의 구성으로 압전소자(20)는 외팔보를 구성한다.
여기서, 본 실시예에 관한 압전소자(21)는, 압전소자(21)의 적층체(12)에 버퍼층막(13)이 존재하며, 이 버퍼층막(13)이 제 1 전극막(2)과 압전체 적층막(10) 사이에 배치된 구성으로, 그 이외는 제 1 실시예의 압전소자(20)와 마찬가지 구성이다.
적층체(12)는, 기판(1) 상에 형성된 제 1 전극막(2)과, 이 제 1 전극막(2) 상에 형성된 버퍼층막(13)과, 이 버퍼층막(13) 상에 형성된 압전체 적층막(10)과, 이 압전체 적층막(10) 상에 형성된 제 2 전극막(5)을 구비한다.
제 1 전극막(2)은 기판(1) 한쪽 전면 상에 형성된다. 버퍼층막(13)은 제 1 전극막(2)의 상기 일단부 이외의 부분 상에 형성되며, 압전체 적층막(10)은 버퍼층막(13) 상에 형성된다. 즉 버퍼층막(13) 및 압전체 적층막(10)은, 폭이 3.0mm이며 길이가 12.0mm이다. 버퍼층막(13)은, 후술하는 제 1 압전체막(3)의 결정배향성을 제어하는 결정배향 제어막으로서의 기능과, 제 1 압전체막(3)을 보다 저온에서 형 성하는 것을 가능하게 하는 바탕 기능을 갖는다. 압전체 적층막(10)은, 버퍼층막(13) 상에 형성된 제 1 압전체막(3)과, 이 제 1 압전체막(3) 상에 형성된 제 2 압전체막(4)으로 구성된다. 이 제 1 압전체막(3)은 상기 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 압전체막(4)의 결정배향성을 제어하는 결정배향 제어막으로서의 기능을 갖는다.
여기서 본 발명의 특징으로서, 제 1 및 제 2 압전체막(3, 4)은 제 1 실시예에 관한 압전체 적층막(10)과 유사한 구조의, 결정성장 방향이 압전체 적층막(10)(제 1 및 제 2 압전체막(3, 4))의 두께 방향 한쪽에서 다른 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이다. 또 상기 제 1 실시예와 마찬가지로, 제 2 압전체막(4)의 주상입자 단면지름은 제 1 압전체막(3)의 주상입자 단면지름보다 크다. 제 2 압전체막(4)의 주상입자 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(10) 두께(압전체 적층막(10) 주상입자의 길이)(l)의 비(l/d)는 20 이상 60 이하이다. 여기서 상기 제 1 실시예와 마찬가지로, 비(l/d)가 20 미만에서는, 성막 시 발생하는 응력에 의해 압전체 적층막(10)에 균열이 발생하며, 비(l/d)가 60을 초과하면 구동 시의 소비전력이 커져 응답성이 저하되므로, 모두 바람직하지 못하다.
그리고 버퍼층막(13)도 주상입자의 집합체이다. 제 1 압전체막(3)과 버퍼층막(13)은, 주상입자의 집합체로서 이어진다.
또 버퍼층막(13)의 주상입자와 제 1 압전체막(3)의 주상입자는 모두, 그 단면지름이 40nm 이상 70nm 이하이며, 그 길이가 5nm 이상 100nm 이하이다. 제 2 압전체막(4)의 주상입자는, 그 단면지름이 60nm 이상 200nm 이하이며, 그 길이가 2500nm 이상 5000nm 이하이다.
또한 버퍼층막(13)은 페로브스카이트형 결정구조의 산화물 박막이며, 그 (001) 결정배향률이 50% 이상 80% 이하이다.
또 제 1 압전체막(3)의 (001) 결정배향률도 50% 이상 80%이다. 제 2 압전체막(4)의 (001) 결정배향률은 95% 이상 100%이다.
또한 제 1 및 제 2 압전체막(3, 4)은, 그 화학조성비가 Pb:Zr:Ti=(1+a):b:(1-b)로 표시된다. 제 1 및 제 2 압전체막(3, 4)의 b값은 0.50 이상 0.60 이하의 동일 값이다. 또 제 1 및 제 2 압전체막(3, 4)의 a값은 0이상 0.15 이하의 값이다. 본 실시예에 관한 압전체 적층막(10)은 제 1 실시예에 관한 압전체 적층막(10)과 같이, 제 1 압전체막(3)의 Pb함유량이 제 2 압전체막(4)보다 많아야 할 필요는 없다.
또 제 1 전극막(2)은 상기 제 1 실시예와 마찬가지로, Pt 혹은 Ir으로 된 귀금속, 또는 이 귀금속에 Ti, Co 및 Ni 중 어느 한 가지를 첨가한 합금으로 구성되며, 결정성장 방향이 제 1 전극막(2)의 두께방향 한쪽에서 다른 쪽을 향하고 또 단면지름이 20nm 이상 30nm 이하의 주상입자 집합체이다.
그리고 상기 제 1 실시예와 마찬가지로, 압전소자(21)의 리드선(8, 9)에 전압을 인가하면, 압전소자(21)의 선단은 Z축의 -Z방향으로 변위된다. 따라서 전압인가를 일정주기로 반복하면, 압전소자(21)의 선단은 소정의 변위 폭으로 Z축 방향으로 변위되어, 압전소자(21)의 변위특성을 평가할 수 있다.
-압전소자의 제조방법-
이하에 도 7을 참조하면서 압전소자(20)의 제조방법에 대해 설명한다. 먼저 도 7의 (a)에 나타내는 바와 같이, 제 1 실시예의 도 2 (a)에 나타낸 것과 같은, 한쪽 면에 제 1 전극막(102)이 형성된 실리콘기판(101)을 제작한다. 구체적으로, (001)면이 연마된, 실리콘기판(101)(세로 20mm, 가로 20mm, 두께 0.30mm) 표면상에, 폭 5.0mm, 길이 18.0mm의 장방형 개구부가 형성된 스테인리스제 마스크(두께 0.2mm)를 이용하여, RF마그네트론 스퍼터링법으로 제 1 전극막(102)을 형성한다.
다음으로, 제 1 전극막(102)의 표면상에, 폭 5.0mm, 길이 12.0mm의 장방형 개구부가 형성된 스테인리스제 마스크(두께 0.2mm)를 사용하여, 티탄산란탄납의 소결체로 이루어지는 타겟을 이용한 RF마그네트론 스퍼터링법으로 버퍼층막(113)을 형성한다. 그리고 이 버퍼층막(113) 상에 압전체 적층막(110)을 정확하게 형성한다. 압전체 적층막(110)은 구체적으로, 우선 버퍼층막(113) 상에, PZT계 산화물의 소결체로 된 타겟을 이용하고 또 소정의 성막조건하에서의 RF마그네트론 스퍼터링법으로 제 1 압전체막(103)을 형성한 후, 제 1 압전체막(103) 형성 시와 동일 타겟을 이용하고 또 제 1 압전체막(103) 형성 시의 성막조건과 다른 성막조건하에서의 RF마그네트론 스퍼터링법으로 제 1 압전체막(103) 상에 제 2 압전체막(104)을 연속하여 형성함으로써 제작된다.
다음에, 압전체 적층막(110) 표면상에, 상기 마스크와 동일 형상의 스테인리스제 마스크를 이용하여, RF마그네트론 스퍼터링법으로 제 2 전극막(105)을 정확하게 형성한다. 이상으로써, 도 7의 (b)에 나타내는 바와 같이, 기판(101)과 그 기판(101) 상에 형성되며 버퍼층막(113) 및 압전체 적층막(110)을 포함하는 적층체(112)로 이루어지는 구조체(122)가 얻어진다.
다음, 도 7의 (c)에 나타내는 바와 같이, 전체가 폭 3.0mm, 길이 15.0mm의 장방형상으로 되도록 또 제 1 전극막(2)의 일단(도 7의 (c)에서는 좌단)으로부터 길이가 3.0mm까지의 부분이 노출되도록, 구조체(122)를 다이싱 소로 정확하게 절단한다. 그 결과 기판(1)과 제 1 전극막(2)과 버퍼층막(13)과 제 1 및 제 2 압전체막(3, 4)과 제 2 전극막(5)이 그 순서대로 적층되어 이루어지는 압전체 소자구조체 부품(23)이 얻어진다.
다음으로, 도 7의 (d)에 나타내는 바와 같이, 기판(1)의 제 1 전극막(2) 노출부(도 7의 (d)에서 좌단부) 쪽 부분을, 에폭시계 접착제(7)를 이용하여 스테인리스 지지기판(6)에 접합시킨다.
다음에, 도 7의 (e)에 나타내는 바와 같이, 제 1 전극막(2)의 노출부에, 도전성 접착제(은 페이스트)를 이용하여 0.1mm의 금제 리드선(8)을 접속함과 동시에, 제 2 전극막(5)에서 제 1 전극막(2) 노출부 쪽 부분에 와이어본딩으로 리드선(9)을 접속함으로써, 도 6에 나타내는 바와 같은 압전소자(21)가 얻어진다.
그리고 상기에서는, 기판으로서 실리콘기판을 이용한 경우를 서술했지만, 500℃ 이상의 가열로 변형되지 않는 한, 실리콘 이외의 재료를 사용해도 된다.
이하, 본 발명의 보다 구체적인 실시형태인 구체예에 대해 설명한다.
(구체예 6)
본 구체예에서는 상기 구체예 1과 동일하게 제작한, 기판(101) 및 제 1 전극막(102)을 이용한다. 즉, 기판(101)으로서 실리콘기판을 이용하며, 제 1 전극막(102)으로서 두께 100nm의 이리듐(Ir)박막을 이용한다.
이 제 1 전극막(102) 상에 버퍼층막(113)을 형성한다. 버퍼층막(113)은, 타겟으로서 14mol%의 란탄(La)을 함유하는 티탄산란탄납(화학조성: (Pb0.86La0.14)TiO
3)에 산화납(PbO)을 10mol% 과잉 첨가시켜 조제한 소결체(4 인치 직경)를 이용하여 제작한다. 버퍼층막(113)은, 기판온도 500℃, 아르곤과 산소의 혼합가스 분위기 중(가스체적비 Ar:O2=19:1), 진공도 0.8Pa, 고주파전력 300W의 조건으로 300 초간 성막시킴으로써 제작한다.
또 압전체 적층막(110)은 상기 구체예 1에서 이용한 RF마그네트론 스퍼터링장치를 이용하여 제작한다. 압전체 적층막(110)은, 타겟으로서 약 20mol%PbO를 과잉 첨가시켜 조제한, 화학양론조성의 티탄산지르콘산납(PZT)의 6 인치 직경 소결체(조성몰비 Pb:Zr:Ti=1.20:0.53:0.47)를 이용하여 제작한다. 압전체 적층막(110)의 성막조건은 이하에 나타내는 바와 같다. 즉 상기 타겟을 설치한 성막실 중에서, 한쪽 면에 제 1 전극막(102)이 형성된 실리콘기판(101)을, 540℃까지 미리 가열시키고 그 기판온도로 유지시킨다. 제 1 압전체막(103)에 관한 아르곤-산소 가스의 체적비를 Ar:O2=38:2로 하고, 제 2 압전체막(104)에 관한 아르곤-산소 가스의 체적비를 Ar:O2=79:1로 한다. 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에 관한 아르곤-산소 가스의 가스유량을 매분 40ml, 진공도를 0.2Pa, 고주파전력을 3kW로 한다. 그리고 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 성막시간을 각각 50초 및 3190초간으로 한다.
제 1 전극막(102), 버퍼층막(113), 및 압전체 적층막(110)의, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에 대한 막 두께, 화학조성, 막 구조, 결정구조 및 결정배향성을, 상기 구체예 1과 마찬가지 방법으로 조사한다.
제 1 전극막(102)으로서의 이리듐전극은, 단면지름이 20nm인 주상입자의 집합체임을 알았다.
버퍼층막(113)은, 막두께가 100nm임과 동시에 화학조성비가 Pb:La:Ti=0.90:0.14:1.00이고, (001)결정배향률이 70%인 페로브스카이트형 결정구조의 주상구조막이다. 버퍼층막(113)은 그 주상입자의 평균직경이 40nm이다.
압전체 적층막(110)은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 2 개 주상구조막이 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막(103)은 막 두께가 50nm이며 주상입자의 단면지름이 40nm이다. 또 제 1 압전체막(103)은 페로브스카이트형 결정구조이며 그 형성면의 (001)결정배향률은 75%임을 알았다. 한편 제 2 압전체막(104)은 막 두께가 3850nm이고 주상입자의 단면지름이 160nm이다. 또 제 2 압전체막(104)도 페로브스카이트형 결정구조이며, 그 형성면의 (001)결정배향률은 99%임을 알았다. 제 2 압전체막(104) 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(110)의 두께(l)의 비(l/d)는 24.4이다.
또 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막(103)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.15:0.53:0.47인 한편, 제 2 압전체막(104)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47임을 알았다. 즉, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 <001>축이 기판(101) 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카 이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에서 동일한 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막(103) 쪽이 제 2 압전체막(104)보다 많다.
액추에이터의 압전변위 구동내구시험은, 상기 구체예 1과 마찬가지 평가장치를 이용하여 실시한다. 즉 제 1 및 제 2 전극막(2, 5) 사이에 리드선(8, 9)을 통해 0V에서 -80V까지의 삼각파 전압(주파수 2kHz)을 인가시키고, 레이저 도플러 진동변위 측정장치를 이용하여, 압전소자(21) 선단 Z축 방향의 상하운동 변위량을 측정한다.
상기 삼각파 전압을 인가했을 경우에, 압전소자(21)의 선단은 최대 42.0㎛만큼 변위된다. 이 삼각파 전압에 의해 1억 회(구동시간 13.9 시간) 왕복 구동시킨 후 및 10억 회(구동시간 138.9 시간) 왕복 구동시킨 후에, 압전소자(21)의 구동상황을 조사함과 동시에 광학현미경으로 압전소자(21)의 외관을 조사했다. 그 결과, 이 압전소자(21)는, 10억 회 구동시킨 후에도 변위량은 42.0㎛로 변함이 없으며, 막 박리나 균열 발생은 보이지 않았다.
(구체예 7)
본 구체예에서는, 상기 구체예 6과 마찬가지로 제작한 기판(101), 제 1 전극막(102) 및 버퍼층막(113)을 이용한다.
또, 압전체 적층막(110)은, 상기 구체예 6에서 이용한 RF마그네트론 스퍼터링장치를 이용하여 상기 구체예 6에서 사용한 것과 동일한 타겟을 이용하여 제작한다. 압전체 적층막(110)의 성막조건은 이하에 나타내는 바와 같다. 즉, 상기 타겟 을 설치한 성막실 중에서, 한쪽 면에 제 1 전극막(102)이 형성된 실리콘기판(101)을, 550℃까지 미리 가열시키고 그 기판온도로 유지시킨다. 제 1 압전체막(103)에 관한 아르곤-산소 가스의 체적비를 Ar:O2=95:1로 하고, 제 2 압전체막(104)에 관한 아르곤-산소 가스의 체적비를 Ar:O2=79:1로 한다. 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에 관한 아르곤-산소 혼합가스의 가스유량을 매분 40ml, 진공도를 0.2Pa, 고주파전력을 3kW로 한다. 그리고 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 성막시간을 각각 60초 및 3190초간으로 한다.
압전체 적층막(110)의, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에 대한 막 두께, 화학조성, 막 구조, 결정구조 및 결정배향성을, 상기 구체예 6과 마찬가지 방법으로 조사한다.
압전체 적층막(110)은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 2 개 주상구조막이 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막(103)은 막 두께가 60nm이며 주상입자의 단면지름이 40nm이다. 또 제 1 압전체막(103)은 페로브스카이트형 결정구조이며 그 형성면의 (001)결정배향률은 72%임을 알았다. 한편 제 2 압전체막(104)은 막 두께가 3850nm이고 주상입자의 단면지름이 160nm이다. 또 제 2 압전체막(104)도 페로브스카이트형 결정구조이며, 그 형성면의 (001)결정배향률은 99%임을 알았다. 제 2 압전체막(104) 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(110)의 두께(l)의 비(l/d)는 24.4이다.
또 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막(103) 의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.05:0.53:0.47인 한편, 제 2 압전체막(104)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47임을 알았다. 즉, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 <001>축이 기판(101) 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에서 동일한 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막(103) 쪽이 제 2 압전체막(104)보다 적다.
액추에이터의 전압변위 구동내구시험은, 상기 구체예 6과 마찬가지 평가장치를 이용하여 실시한다. 상기 삼각파 전압을 인가했을 경우에, 압전소자(21)의 선단은 최대 40.0㎛만큼 변위된다. 이 삼각파 전압에 의해 1억 회(구동시간 13.9 시간) 왕복 구동시킨 후, 및 10억 회(구동시간 138.9 시간) 왕복 구동시킨 후에, 압전소자(21)의 구동상황을 조사함과 동시에 광학현미경으로 압전소자(21)의 외관을 조사했다. 그 결과, 이 압전소자(21)는, 10억 회 구동시킨 후에도 변위량은 40.0㎛로 변함이 없으며, 막 박리나 균열 발생은 보이지 않았다.
(구체예 8)
본 구체예에서는, 버퍼층막(113)의 제작시간을 600초간으로 변경한 점 이외는, 구체예 6과 동일하게 압전소자(21)를 제작한다.
버퍼층막(113)은, 막두께가 200nm임과 동시에 화학조성비가 Pb:La:Ti=0.90:0.14:1.00이고, (001)결정배향률이 75%인 페로브스카이트형 결정구조의 주상구조막이며, 그 주상입자의 평균직경이 50nm이다.
압전체 적층막(110)은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 2 개 주상구조 막이 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막(103)은 막 두께가 50nm이며 주상입자의 단면지름이 50nm이다. 또 제 1 압전체막(103)은 페로브스카이트형 결정구조이며 그 형성면의 (001)결정배향률은 80%임을 알았다. 한편 제 2 압전체막(104)은, 막 두께가 3850nm이며, 주상입자의 단면지름이 180nm이다. 또 제 2 압전체막(104)도 페로브스카이트형 결정구조이며, 그 형성면의 (001)결정배향률은 100%임을 알았다. 제 2 압전체막(104) 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(110)의 두께(l)의 비(l/d)는 21.7이다.
또 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막(103)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.15:0.53:0.47인 한편, 제 2 압전체막(104)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47임을 알았다. 즉, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 <001>축이 기판(1) 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에서 동일한 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막(103) 쪽이 제 2 압전체막(104)보다 많다.
액추에이터의 압전변위 구동내구시험은, 상기 구체예 6과 마찬가지 평가장치를 이용하여 실시한다. 상기 삼각파 전압을 인가했을 경우에, 압전소자(21)의 선단은 최대 42.0㎛만큼 변위된다. 이 삼각파 전압에 의해 1억 회(구동시간 13.9 시간) 왕복 구동시킨 후 및 10억 회(구동시간 138.9 시간) 왕복 구동시킨 후에, 압전소자(21)의 구동상황을 조사함과 동시에 광학현미경으로 압전소자(21)의 외관을 조사했다. 그 결과, 이 압전소자(21)는, 10억 회 구동시킨 후에도 변위량은 42.0㎛로 변함이 없으며, 막 박리나 균열 발생은 보이지 않았다.
(구체예 9)
본 구체예에서는, 버퍼층막(113)의 제작시간을 150초간으로 변경한 점 이외는, 구체예 6과 동일하게 압전소자(21)를 제작한다.
버퍼층막(113)은, 막두께가 45nm임과 동시에 화학조성비가 Pb:La:Ti=0.90:0.14:1.00이고, (001)결정배향률이 55%인 페로브스카이트형 결정구조의 주상구조막이며, 그 주상입자의 평균직경이 40nm이다.
압전체 적층막(110)은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 2 개 주상구조막이 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막(103)은 막 두께가 50nm이며 주상입자의 단면지름이 40nm이다. 또 제 1 압전체막(103)은 페로브스카이트형 결정구조이며 그 형성면의 (001)결정배향률은 70%임을 알았다. 한편 제 2 압전체막(104)은 막 두께가 3850nm이며, 주상입자의 단면지름이 160nm이다. 또한 제 2 압전체막(104)도 페로브스카이트형 결정구조이며, 그 형성면의 (001)결정배향률은 99%임을 알았다. 제 2 압전체막(104) 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(110)의 두께(l)의 비(l/d)는 24.4이다.
또 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막(103)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.15:0.53:0.47인 한편, 제 2 압전체막(104)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47임을 알았다. 즉, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 <001>축이 기판(1) 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에서 동일한 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막(103) 쪽이 제 2 압전체막(104)보다 많다.
액추에이터의 압전변위 구동내구시험은, 상기 구체예 6과 마찬가지 평가장치를 이용하여 실시한다. 상기 삼각파 전압을 인가했을 경우에, 압전소자(21)의 선단은 최대 42.0㎛만큼 변위된다. 이 삼각파 전압에 의해 1억 회(구동시간 13.9 시간) 왕복 구동시킨 후 및 10억 회(구동시간 138.9 시간) 왕복 구동시킨 후에, 압전소자(21)의 구동상황을 조사함과 동시에 광학현미경으로 압전소자(21)의 외관을 조사했다. 그 결과, 이 압전소자(21)는, 10억 회 구동시킨 후에도 변위량은 42.0㎛로 변함이 없으며, 막 박리나 균열 발생은 보이지 않았다.
(구체예 10)
본 구체예에서는, 기판(101)으로 내고온 파이렉스 유리기판을 이용하여(상기 구체예 2에 이용한 것과 형상이나 조성이 동일한 것), 상기 구체예 4와 동일하게 제작한 제 1 전극막(102)을 이용한다. 즉 제 1 전극막(102)으로서, 4mol%의 니켈(Ni)을 함유하는 두께 120nm의 백금(Pt)박막을 이용한다.
이 제 1 전극막(102) 상에 버퍼층막(113)을 형성한다. 버퍼층막(113)은 타겟으로서, 12mol%의 란탄(La) 및 6mol%의 마그네슘(Mg)을 함유하는 티탄산란탄마그네슘납(화학조성: (Pb0.82Mg0.06La0.12)TiO3)에 산화납(PbO)을 10mol% 과잉 첨가시켜 조제한 소결체(4 인치 직경)를 이용하여 제작한다. 버퍼층막(113)은, 기판온도 500℃, 아르곤과 산소의 혼합분위기 중(가스체적비 Ar:O2=19:1), 진공도 0.8Pa, 고주파전력 300W의 조건에서 300 초간 성막함으로써 제작한다.
또 압전체 적층막(110)은, 상기 구체예 2와 마찬가지로, RF마그네트론 스퍼터링장치를 이용하여 제작한다. 압전체 적층막(110)은, 타겟으로서 약 10mol%의 PbO를 과잉 첨가시켜 조제한, 화학양론조성 PZT의 6 인치 지름의 소결체(조성 몰비 Pb:Zr:Ti=1.10:0.50:0.50)를 이용하여 제작한다. 압전체 적층막(113)의 성막조건은 이하에 나타내는 바이다. 즉 상기 타겟을 설치한 성막실 중에, 한쪽 면에 제 1 전극막(102)이 형성된 실리콘기판(101)을 530℃까지 예열시키고 그 기판온도로 유지한다. 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에 관해, 아르곤과 산소의 혼합가스(가스체적비 Ar:O2=79:1)를 스퍼터링가스로 이용하며, 그 가스압력을 0.25Pa로 함과 동시에 아르곤-산소가스의 혼합가스 유량을 매분 40ml로 한다. 그리고 제 1 압전체막(103)은, 플라즈마 발생전력을 2kW로 하여 60 초간 성막시킴으로써 제작한다. 한편 제 2 압전체막(104)은 플라즈마 발생전력은 3kW로 하여 3800 초간 성막시킴으로써 제작한다.
제 1 전극막(102), 버퍼층막(113), 및 압전체 적층막(110)의 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에 대한 막 두께, 화학조성, 막 구조, 결정구조 및 결정배향성을, 상기 구체예 6과 마찬가지 방법으로 조사한다.
제 1 전극막(102)은, 4mol%의 니켈을 함유하는 백금으로 이루어지며, 그 단면지름이 25nm인 주상입자의 집합체임을 알았다.
버퍼층막(113)은, 막두께가 100nm임과 동시에 화학조성비가 Pb:La:Mg:Ti=0.86:0.12:0.08:1.00이고, (001)결정배향률이 65%인 페로브스카이트형 결정구조의 주상구조막이며, 그 주상입자의 평균직경이 30nm이다.
압전체 적층막(110)은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 2 개 주상구조막이 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막(103)은 막 두께가 100nm이며 주상입자의 단면지름이 30nm이다. 또 제 1 압전체막(103)은 페로브스카이트형 결정구조이며 그 형성면의 (001)결정배향률은 80%임을 알았다. 한편 제 2 압전체막(104)은 막 두께가 5000nm이며, 주상입자의 단면지름이 85nm이다. 또한 제 2 압전체막(104)도 페로브스카이트형 결정구조이며, 그 형성면의 (001)결정배향률은 99.5%임을 알았다. 제 2 압전체막(104) 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(110)의 두께(l)의 비(l/d)는 60.0이다.
또 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막(103)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.15:0.51:0.49인 한편, 제 2 압전체막(104)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.00:0.51:0.49임을 알았다. 즉, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 <001>축이 기판(101) 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에서 동일한 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막(103) 쪽이 제 2 압전체막(104)보다 많다.
액추에이터의 압전변위 구동내구시험은, 상기 구체예 6과 마찬가지 평가방법으로 실시한다. 상기 삼각파 전압을 인가했을 경우에, 압전소자(21)의 선단은 최대 43.1㎛만큼 변위된다. 이 삼각파 전압에 의해 1억 회(구동시간 13.9 시간) 왕복 구 동시킨 후 및 10억 회(구동시간 138.9 시간) 왕복 구동시킨 후에, 압전소자(21)의 구동상황을 조사함과 동시에 광학현미경으로 압전소자(21)의 외관을 조사했다. 그 결과, 이 압전소자(21)는, 10억 회 구동시킨 후에도 변위량은 43.1㎛로 변함이 없으며, 막 박리나 균열 발생은 보이지 않았다.
(구체예 11)
본 구체예에서는, 기판(101)에 경면가공한 알루미나기판을 이용하여(상기 구체예 4에 이용한 것과 형상이나 조성이 동일한 것), 상기 구체예 3과 동일하게 제작한 제 1 전극막(102)을 이용한다. 즉 제 1 전극막(102)으로서, 1mol%의 티탄(Ti)을 함유하는 두께 110nm의 이리듐(Ir)박막을 이용한다.
이 제 1 전극막(102) 상에 버퍼층막(113)을 형성한다. 버퍼층막(113)은 타겟으로서, 란탄(La)을 10mol%, 망간(Mn)을 3mol% 함유하는 티탄산망간란탄납(화학조성: (Pb0.87Mn0.03La0.10)TiO3)에 산화납(PbO)을 10mol% 과잉 첨가시켜 조제한 소결체(4 인치 직경)를 이용하여 제작한다. 버퍼층막(113)은, 기판온도 540℃, 아르곤과 산소의 혼합분위기 중(가스체적비 Ar:O2=19:1), 진공도 0.8Pa, 고주파전력 300W의 조건에서 300 초간 성막함으로써 제작한다.
또 압전체 적층막(110)은, 상기 구체예 3과 마찬가지로, RF마그네트론 스퍼터링장치를 이용하여 제작한다. 즉, 압전체 적층막(110)은, 타겟으로서 PbO를 10mol% 과잉 첨가시켜 조제한 PZT의 6 인치 지름 소결체(조성 몰비 Pb:Zr:Ti=1.10:0.60:0.40)를 이용하여 제작한다. 압전체 적층막(113)의 성막조건은 이하에 나타내는 바이다. 즉 상기 타겟을 설치한 성막실 중에, 한쪽 면에 제 1 전극막(102)이 형성된 실리콘기판(101)을 550℃까지 예열시키고 그 기판온도로 유지한다. 아르곤과 산소의 혼합가스(가스체적비 Ar:O2=38:2)를 스퍼터링가스로 이용하며, 그 가스압력을 0.25Pa로 함과 동시에 아르곤-산소가스의 혼합가스 유량을 매분 40ml로 한다. 그리고 플라즈마 발생전력을 3kW로 하여 제 1 압전체막(103)을 100 초간 성막시킨다. 그 후, 성막을 일단 중지하고 상기 성막조건 중 스퍼터링가스의 혼합비를 Ar:O2=79:1로 바꾸고, 그밖에는 동일조건으로 제 2 압전체막(104)을 2500 초간 성막시킨다.
제 1 전극막(102), 버퍼층막(113), 및 압전체 적층막(110)의 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에 대한 막 두께, 화학조성, 막 구조, 결정구조 및 결정배향성을, 상기 구체예 1과 마찬가지 방법으로 조사한다.
제 1 전극막(102)은, Ti을 1mol% 함유하는 이리듐(Ir)박막이며, 단면지름이 20nm인 주상입자의 집합체임을 알았다.
버퍼층막(113)은, 막두께가 100nm임과 동시에 화학조성비가 Pb:Mn:La:Ti=0.90:0.03:0.10:1.00이고, (001)결정배향률이 60%인 페로브스카이트형 결정구조의 주상구조막이며, 그 주상입자의 평균직경이 70nm이다.
압전체 적층막(110)은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 2 개 주상구조막이 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막(103)은 막 두께가 100nm이며 주상입자의 단면지름이 70nm이다. 또 제 1 압전체막(103)은 페로브스카 이트형 결정구조이며 그 형성면의 (001)결정배향률은 80%임을 알았다. 한편 제 2 압전체막(104)은 막 두께가 3900nm이며, 주상입자의 단면지름이 200nm이다. 또한 제 2 압전체막(104)도 페로브스카이트형 결정구조이며, 그 형성면의 (001)결정배향률은 99.5%임을 알았다. 제 2 압전체막(104) 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(110)의 두께(l)의 비(l/d)는 20.0이다.
또 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막(103)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.05:0.60:0.40인 한편, 제 2 압전체막(104)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.00:0.60:0.40임을 알았다. 즉, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 <001>축이 기판(101) 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에서 동일한 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막(103) 쪽이 제 2 압전체막(104)보다 많다.
액추에이터의 압전변위 구동내구시험은, 상기 구체예 6과 마찬가지 평가장치를 이용하여 실시한다. 상기 삼각파 전압을 인가했을 경우에, 압전소자(21)의 선단은 최대 46.5㎛만큼 변위된다. 이 삼각파 전압에 의해 1억 회(구동시간 13.9 시간) 왕복 구동시킨 후 및 10억 회(구동시간 138.9 시간) 왕복 구동시킨 후에, 압전소자(21)의 구동상황을 조사함과 동시에 광학현미경으로 압전소자(21)의 외관을 조사했다. 그 결과, 이 압전소자(21)는, 10억 회 구동시킨 후에도 변위량은 46.5㎛로 변함이 없으며, 막 박리나 균열 발생은 보이지 않았다.
(구체예 12)
본 구체예에서는, 상기 구체예 6과 동일하게 제작한 기판(101) 및 제 1 전극막(102)을 이용한다. 즉 기판(101)으로서 실리콘기판을 사용하고, 제 1 전극막(102)으로서 두께 100nm의 이리듐(Ir)박막을 사용한다.
이 제 1 전극막(102) 상에 버퍼층막(113)형성한다. 버퍼층막(113)은, 타겟으로서 12mol%의 란탄(La) 및 3mol%의 스트론튬(Sr)을 함유하는 티탄산란탄스트론튬납(화학조성: (Pb0.85Sr0.03La0.12)TiO3)에 산화납(PbO)을 10mol% 과잉 첨가시켜 조제한 소결체(4 인치 직경)를 이용하여 제작한다. 버퍼층막(113)은, 기판온도 520℃, 아르곤과 산소의 혼합가스 분위기 중(가스체적비 Ar:O2=19:1), 진공도 0.8Pa, 고주파전력 300W의 조건으로 300 초간 성막시킴으로써 제작한다.
또 압전체 적층막(110)은, 상기 구체예 6과 동일하게 제작한다.
제 1 전극막(102), 버퍼층막(113), 및 압전체 적층막(110)의 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에 대한 막 두께, 화학조성, 막 구조, 결정구조 및 결정배향성을, 상기 구체예 6과 마찬가지 방법으로 조사한다.
제 1 전극막(102)으로서의 이리듐전극은, 단면지름이 20nm인 주상입자의 집합체(막 두께 100nm)임을 알았다.
버퍼층막(113)은, 막 두께가 100nm임과 동시에 화학조성비가 Pb:La:Sr:Ti=0.88:0.12:0.03:1.00이고, (001)결정배향률이 65%인 페로브스카이트형 결정구조의 주상구조막이며, 그 주상입자의 평균직경이 30nm이다.
압전체 적층막(110)은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 2 개 주상구조 막이 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막(103)은 막 두께가 50nm이며 주상입자의 단면지름이 30nm이다. 또 제 1 압전체막(103)은 페로브스카이트형 결정구조이며 그 형성면의 (001)결정배향률은 75%임을 알았다. 한편 제 2 압전체막(104)은 막 두께가 3850nm이며, 주상입자의 단면지름이 160nm이다. 또한 제 2 압전체막(104)도 페로브스카이트형 결정구조이며, 그 형성면의 (001)결정배향률은 99%임을 알았다. 제 2 압전체막(104) 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(110)의 두께(l)의 비(l/d)는 24.4이다.
또 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막(103)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.15:0.53:0.47인 한편, 제 2 압전체막(104)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47임을 알았다. 즉, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 <001>축이 기판(101) 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에서 동일한 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막(103) 쪽이 제 2 압전체막(104)보다 많다.
액추에이터의 압전변위 구동내구시험은, 상기 구체예 6과 마찬가지 평가장치를 이용하여 실시한다. 상기 삼각파 전압을 인가했을 경우에, 압전소자(21)의 선단은 최대 41.2㎛만큼 변위된다. 이 삼각파 전압에 의해 1억 회(구동시간 13.9 시간) 왕복 구동시킨 후 및 10억 회(구동시간 138.9 시간) 왕복 구동시킨 후에, 압전소자(21)의 구동상황을 조사함과 동시에 광학현미경으로 압전소자(21)의 외관을 조사했다. 그 결과, 이 압전소자(21)는, 10억 회 구동시킨 후에도 변위량은 41.2㎛로 변함이 없으며, 막 박리나 균열 발생은 보이지 않았다.
(구체예 13)
본 구체예에서는, 상기 구체예 6과 동일하게 제작한 기판(101) 및 제 1 전극막(102)을 이용한다. 즉 기판(101)으로서 실리콘기판을 사용하고, 제 1 전극막(102)으로서 두께 100nm의 이리듐(Ir)박막을 사용한다.
이 제 1 전극막(102) 상에 버퍼층막(113)을 형성한다. 버퍼층막(113)은, 타겟으로서, 티탄산스트론튬(화학조성:SrTiO3) 소결체(4 인치 직경)를 이용하여 제작한다. 버퍼층막(113)은, 기판온도 540℃, 아르곤과 산소의 혼합가스 분위기 중(가스체적비 Ar:O2=19:1), 진공도 0.8Pa, 고주파전력 300W의 조건으로 550 초간 성막시킴으로써 제작한다.
또 압전체 적층막(110)은, 상기 구체예 6과 동일하게 제작한다.
제 1 전극막(102), 버퍼층막(113), 및 압전체 적층막(110)의 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에 대한 막 두께, 화학조성, 막 구조, 결정구조 및 결정배향성을, 상기 구체예 6과 마찬가지 방법으로 조사한다.
제 1 전극막(102)으로서의 이리듐전극은, 단면지름이 20nm인 주상입자의 집합체(막 두께 100nm)임을 알았다.
버퍼층막(113)은, 막두께가 85nm임과 동시에 화학조성비가 Sr:Ti=1:1이고, (001)결정배향률이 60%인 페로브스카이트형 결정구조의 주상구조막이며, 그 주상입자의 평균직경이 30nm이다.
압전체 적층막(110)은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)의 2 개 주상구조막이 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막(103)은 막 두께가 50nm이며 주상입자의 단면지름이 30nm이다. 또 제 1 압전체막(103)은 페로브스카이트형 결정구조이며 그 형성면의 (001)결정배향률은 70%임을 알았다. 한편 제 2 압전체막(104)은 막 두께가 3850nm이며, 주상입자의 단면지름이 160nm이다. 또한 제 2 압전체막(104)도 페로브스카이트형 결정구조이며, 그 형성면의 (001)결정배향률은 98%임을 알았다. 제 2 압전체막(104) 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막(110)의 두께(l)의 비(l/d)는 24.4이다.
또 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막(103)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.15:0.53:0.47인 한편, 제 2 압전체막(104)의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47임을 알았다. 즉, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)은 <001>축이 기판(101) 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막(103, 104)에서 동일한 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막(103) 쪽이 제 2 압전체막(104)보다 많다.
액추에이터의 압전변위 구동내구시험은, 상기 구체예 6과 마찬가지 평가장치를 이용하여 실시한다. 상기 삼각파 전압을 인가했을 경우에, 압전소자(21)의 선단은 최대 41.6㎛만큼 변위된다. 이 삼각파 전압에 의해 1억 회(구동시간 13.9 시간) 왕복 구동시킨 후 및 10억 회(구동시간 138.9 시간) 왕복 구동시킨 후에, 압전소자(21)의 구동상황을 조사함과 동시에 광학현미경으로 압전소자(21)의 외관 을 조사했다. 그 결과, 이 압전소자(21)는, 10억 회 구동시킨 후에도 변위량은 41.6㎛로 변함이 없으며, 막 박리나 균열 발생은 보이지 않았다.
(비교예 3)
본 비교예에서는, 버퍼층막의 제작시간을 900 초간으로 변경한 것 이외에는, 상기 구체예 6과 동일하게 압전소자를 제작한다.
버퍼층막은, 막두께가 300nm임과 동시에 화학조성비가 Pb:LaTi=0.90:0.14:1.00이고, (001)결정배향률이 80%인 페로브스카이트형 결정구조의 주상구조막이며, 그 주상입자의 평균직경이 50nm이다.
압전체 적층막은, 제 1 및 제 2 압전체막의 2 개 주상구조막이 이어진, 주상입자의 집합체로서 존재한다. 제 1 압전체막은 막 두께가 50nm이며 주상입자의 단면지름이 50nm이다. 또 제 1 압전체막은 페로브스카이트형 결정구조이며 그 형성면의 (001)결정배향률은 80%임을 알았다. 한편 제 2 압전체막은 막 두께가 3850nm이며, 주상입자의 단면지름이 180nm이다. 또한 제 2 압전체막도 페로브스카이트형 결정구조이며, 그 형성면의 (001)결정배향률은 100%임을 알았다. 제 2 압전체막 주상입자의 단면지름(d)에 대한 압전체 적층막의 두께(l)의 비(l/d)는 21.7이다.
또 X선 마이크로분석기에 의한 양이온의 조성분석 결과, 제 1 압전체막의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.15:0.53:0.47인 한편, 제 2 압전체막의 조성은 Pb:Zr:Ti=1.10:0.53:0.47임을 알았다. 즉, 제 1 및 제 2 압전체막은 <001>축이 기판 상면에 대해 수직방향으로 우선 배향되어 성장한, 페로브스카이트형 결정구조의 PZT막임을 알았다. Zr 및 Ti 조성은, 제 1 및 제 2 압전체막에서 동일한 반면, Pb 조성은 제 1 압전체막 쪽이 제 2 압전체막보다 많다.
액추에이터의 압전변위 구동내구시험은, 상기 구체예 6과 마찬가지 평가방법으로 실시한다. 상기 삼각파 전압을 인가했을 경우에, 압전소자의 선단은 최대 40.5㎛만큼 변위된다. 이 삼각파 전압에 의해 1억 회(구동시간 13.9 시간) 왕복 구동시킨 후 및 10억 회(구동시간 138.9 시간) 왕복 구동시킨 후에, 압전소자의 구동상황을 조사함과 동시에 광학현미경으로 압전소자의 외관을 조사했다. 그 결과, 이 압전소자는, 1억 회 구동시킨 후, 변위량이 34.0㎛로 저하되어, 주변부분에 약간의 막 박리가 일어났다. 10억 회 구동시킨 후에는 압전소자의 변위가 없었으며 많은 막 박리나 균열이 발생했다.
-효과-
이상으로써, 본 실시예에 의하면 제 1 전극막(2)과 제 1 압전체막(3) 사이에 버퍼층막(13)을 배치함으로써, 제 1 전극막(2)과 제 1 압전체막(3)의 밀착성이 높아진다. 따라서 커다란 전압을 인가해도 제 1 전극막(2)과 제 1 압전체막(3) 사이에 막 박리가 발생하지 않는다. 때문에 높은 압전특성을 가짐과 동시에, 열화가 일어나지 않는 압전소자(21)를 실현할 수 있다.
또 제 1 전극막(2)은, 버퍼층막(13)의 결정배향 제어막으로서의 기능을 활성화시킨다. 또한 버퍼층막(13)은 제 1 압전체막(3)의 결정배향 제어막으로서의 기능을 활성화시킨다. 이로써 제 1 압전체막(3)은 제 2 압전체막(4)의 결정배향성을 확실하게 제어할 수 있다.
(제 3 실시예)
본 실시예는, 본 발명에 관한 압전소자를 잉크젯헤드에 적용시킨 것이다.
도 8에 나타내는 바와 같이 본 실시예에 관한 잉크젯헤드(201)는, 각각이 열 형태로 나열되며 또 서로 동일형상인 10 개의 잉크토출소자(202, ...)와, 각 잉크토출소자(202)의 개별전극(33)(도 9 참조)에 접속되며 또 잉크토출소자(202)를 구동시키기 위한 구동전원소자(203)로 구성된다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 잉크토출소자(202)는, 노즐판(D)과 잉크액 유로부품(C)과 압력실 부품(A)이 차례로 적층되어 이루어진다. 이들 A∼D는 서로 접착제로 접착고정된다. 압력실 부품(A)에는 압력실용 개구부(31)가 형성된다. 액추에이터부(B)는 압력실용 개구부(31)의 상단 개구면을 덮도록 배치된다. 즉 액추에이터부(B)는 두께방향 한쪽의 일부가 압력실용 개구부(31)에 면하도록 구성된다. 상기 상단 개구면은, 짧은축이 200㎛, 긴축이 400㎛의 타원형상이다. 액추에이터부(B)는 압력실(32) 위쪽에 위치한다. 잉크액 유로부품(C)은 압력실용 개구부(31)의 하단 개구면을 덮도록 배치된다. 즉 압력실부품(A)의 압력실용 개구부(31)는, 그 상하에 각각 배치된 액추에이터부(B) 및 잉크액 유로부품(C)으로 구획되며, 이 구획된 공간이 잉크액을 수용하는 압력실(32)(두께 0.2mm)을 구성한다. 잉크액 유로부품(C)에는, 소정방향(예를 들어 잉크공급방향)으로 열 형태로 나열되는 복수의 압력실(32, ...)에서 공용되는 공통액실(35)과, 이 공통액실(35)과 압력실(32)을 연통시키는 공급구(36)와, 압력실(32)과 후술하는 노즐공(38)을 연통시키는 잉크유로(37)가 형성된다. 노즐판(D)에는 직경 30㎛의 노즐공(38)이 천공 구성된다. 상기 구동전원소자(203)는, 본딩와이어를 통해 복수 잉크토출소자(202, ...) 의 개별전극(33)에 각각 전압을 공급한다. 여기서 본 발명의 헤드본체부는 노즐판(D), 잉크액 유로부품(C) 및 압력실부품(A)에 대응하며, 압전소자는 액추에이터부(B)에 대응한다. 이하 액추에이터부(B)의 구성에 대해 상세히 설명하기로 한다.
(구체예 14)
도 10은, 본 구체예에 관한 액추에이터부(B)의 단면도를 나타낸다. 액추에이터부(B)는, 4mol%의 코발트(Co)를 함유하는 이리듐(Ir)막으로 된 두께 240nm의 개별전극(33)과, 이 개별전극(33) 바로 아래에 위치하며 또 Pb1.15Zr0.53Ti0.47
O3으로 표기되는 PZT로 구성된 두께 80nm의 제 1 압전체막(41)과, 이 제 1 압전체막(41) 바로 아래에 위치하며 Pb1.05Zr0.53Ti0.47O3으로 표기되는 PZT로 구성된 두께 4500nm의 제 2 압전체막(42)과, 이 제 2 압전체막(42) 바로 아래에 위치하며 백금으로 이루어지는 두께 100nm의 제 2 전극막(공통전극)(43)과, 이 제 2 전극막(43) 바로 아래에 위치하며 크롬으로 이루어지는 두께 3500nm의 진동판막(44)을 구비한다. 개별전극(33)은 압력실(32)에 대응하는 위치에 형성되며 개별화된다. 진동판막(44)은, 압전체막(41, 42)의 압전효과에 의해 변위되어 진동한다. 제 2 전극막(43) 및 진동판막(44)은 각 잉크토출소자(202) 사이에서 공용된다. 제 2 전극막(43) 상의 개별전극(33), 제 1 압전체막(41) 및 제 2 압전체막(42)이 적층되어 이루어지는 적층막 이외의 부분에는, 폴리이미드수지로 된 전기절연 유기막(45)이 개별전극(33) 상면과 동일한 높이로형성된다. 이 전기절연 유기막(45) 상면에는, 개별전극(33)에 접속되며 금으로 된 리드선 형상의 막 두께 100nm의 인출전극막(46)이 형성된다.
(액추에이터부의 제조방법)
이하 도 11 및 도 12를 참조하면서, 액추에이터부(B)의 제조방법에 대해 설명하기로 한다. 우선 상기 구체예 5와 마찬가지로, 가로 20mm, 세로 20mm, 두께 0.3mm의 실리콘기판(50) 상에 제 1 전극막(52)과 제 1 압전체막(53)과 제 2 압전체막(54)과 제 2 전극막(43)을 순차 적층시켜, 도 11의 (a)에 나타내는 구조체(55)를 얻는다. 다음으로, 이 구조체(55)의 제 2 전극막(43) 상에, RF마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 실온하에서 진동판막(44)을 형성한다(도 11의 (b) 참조). 다음에 도 11의 (c)에 나타내는 바와 같이, 한쪽 면에 진동판막(44)이 형성된 구조체(55)를, 진동판막(44) 및 접착제(아크릴수지)(56)를 개재시켜 유리제 압력실부품(57)에 붙인다.
다음으로 플라즈마 반응 에칭장치를 사용하여, 실리콘기판(51)을 SF6가스를 이용한 드라이에칭으로 제거한다(도 11의 (d) 참조). 그 후 도 11의 (e)에 나타내는 바와 같이, 제 1 전극막(52), 제 1 압전체막(53) 및 제 2 압전체막(54)으로 구성되는 적층막의 비 에칭부분을, 포토레지스트 수지막(58)을 이용하여 타원형 패턴(구체적으로는, 단축 180㎛, 장축 380㎛의 타원형 패턴)으로 정확하게 패터닝한다. 다음에 아르곤가스를 이용한 드라이에칭과 약불산의 습식에칭을 실시함으로써, 제 1 전극막(52), 제 1 압전체막(53) 및 제 2 압전체막(54)으로 구성되는 적층막을 포토레지스트 패턴으로 가공하여 개별화한다. 이로써 개별전극(33), 제 1 압 전체막(41) 및 제 2 압전체막(42)으로 구성되는 적층막을 구비하는 액추에이터 구조체를 얻는다(도 12의 (a) 참조). 그 후 포토레지스트 수지막(58)을 레지스트 박리액으로 처리 제거한다(도 12의 (b) 참조). 다음으로 도 12의 (c)에 나타내는 바와 같이, 제 2 전극막(43) 상의 상기 적층막 이외의 부분에, 전기절연 유기막(45)을 인쇄법으로 형성한다. 그 후 전기절연 유기막(45)의 상면에 인출전극막(46)을 DC스퍼터링법으로 형성한다(도 12의 (d) 참조). 이와 같이 하여 도 10에 나타내는 액추에이터부(B)를 얻는다.
이상의 제조법으로 제작된 잉크토출소자(202)를 10 개 이용하여, 도 8에 나타내는 잉크젯헤드(201)를 제작한다.
(잉크젯헤드의 동작)
이하 잉크젯헤드(201)의 동작에 대해 설명한다.
우선 구동전원소자(203)로부터 본딩와이어를 통해 10 개의 잉크토출소자(202, ...)의 개별전극(33)에 각각 전압을 공급한다. 그리고 압전체막(41, 42)의 압전효과에 의해 진동판막(44)이 변위되어 진동한다. 이로써 공통액실(35) 내의 잉크액이 공급구(36), 압력실(32) 및 잉크유로(37)를 경유하여 노즐공(38)으로부터 토출된다.
이 때 잉크젯헤드(201)에서는, 액추에이터부(B)를 구성하는 압전체막(41, 42)이 막 면의 결정배향성이 (001) 면과 일치된다. 또 압전체막(41, 42)의 압전변위 특성도 큰 값으로 일치된다. 이로써 잉크젯헤드(201)에서는 커다란 압전변위(변위량)를 얻을 수 있다.
또 제 1 전극막(52)과 제 1 압전체막(53)의 밀착성이 높으므로, 높은 전압을 인가하여 커다란 변위로 구동시켜도 막 박리를 원인으로 하는 고장이 일어나기 어려우며, 그 결과 신뢰성 높고 안정된 구동이 가능해진다.
또 잉크토출소자(202)의 압전변위가 큰, 즉 잉크토출소자(202)의 잉크액 토출능력이 높으므로, 전원전압의 조정 폭에 마진을 취할 수 있다. 이로써 복수 개 잉크토출소자(202, ...) 개개의 잉크액 토출차이가 작아지도록 용이하게 제어할 수 있다.
(구체예 15)
본 구체예에 관한 잉크젯헤드는, 액추에이터부(B)에서 개별전극(33)과 제 1 압전체막(41) 사이에 버퍼층막이 배치되는 점이 구체예 14와 다르며, 그 밖의 구성은 구체예 14와 동일하다. 여기서 버퍼층막은, 상기 구체예 6과 마찬가지로, 막 두께가 100nm임과 동시에 화학조성비가 Pb:La:Ti=0.90:0.14:1.00이며 또 (001) 결정배향률이 50%인 페로브스카이트형 결정구조의 티탄산란탄납으로 이루어지는 박막이다.
액추에이터부(B)의 제조방법은, 제 1 전극막(52)과 제 1 압전체막(53) 사이에 버퍼층막을 형성하는 점이 구체예 14와 다르다. 이 버퍼층막은, 상기 구체예 6과 마찬가지 방법으로 제작된다. 이상과 같이 하여 제작된 액추에이터부(B)를 이용하여, 상기 구체예 14와 마찬가지 공정으로 잉크젯헤드(201)를 제작한다.
이 때 이 잉크젯헤드(201)에서는, 액추에이터부(B)를 구성하는 압전체막(41, 42)의 막 면 결정배향성이 (001)면과 일치한다. 또 압전체막(41, 42)의 압전변위 특성도 큰 값으로 일치된다. 이로써 잉크젯헤드(201)에서는 커다란 압전변위(변위량)를 얻을 수 있다.
또 제 1 전극막(52)과 제 1 압전체막(53) 사이에 버퍼층막을 개재시키기 때문에 제 1 전극막(52)과 제 1 압전체막(53)의 밀착성이 높아지므로, 높은 전압을 인가하여 커다란 변위로 구동시켜도 막 박리를 원인으로 하는 고장이 일어나기 어려우며, 그 결과 신뢰성 높고 안정된 구동이 가능해진다.
또 잉크토출소자(202)의 압전변위가 큰, 즉 잉크토출소자(202)의 잉크액 토출능력이 높으므로, 전원전압의 조정 폭에 마진을 취할 수 있다. 이로써 복수 개 잉크토출소자(202, ...) 개개의 잉크액 토출차이가 작아지도록 용이하게 제어할 수 있다.
-효과-
이상과 같이 본 실시예에 의하면, 잉크토출소자(202)를 복수 개 나열시켜 구성하는 잉크젯헤드(201)에 있어서, 잉크토출소자(202, ...)간의 잉크액 토출차이를 작게 할 수 있다. 이로써 높은 특성의 잉크젯헤드(201)를 제공할 수 있다. 그리고 액추에이터부(B)를 구성하는 제 1 전극막(52), 제 1 압전체막(53), 제 2 압전체막(54) 및 제 2 전극막(43)은, 상기 제 1 실시예의 압전소자에 이용 가능한 재료라면, 어떤 재료를 이용해도 높은 특성의 액추에이터부(B)를 제작할 수 있다.
또 본 실시예에서 진동판막(44)은 크롬으로 이루어지지만, 이에 한정됨 없이, 실리콘, 유리, 세라믹재료, 크롬 이외의 금속재료 중 어느 1 가지로 구성돼도 된다.
또한 본 실시예에서는, 제 2 전극막(43)의 제 2 압전체막(42)과 반대쪽 면 위에 진동판막(44)이 형성되지만, 개별전극(33)의 제 1 압전체막(41)과 반대쪽 면 위에 진동판막(44)을 형성해도 된다.
(제 4 실시예)
본 실시예는, 본 발명에 관한 압전소자를 잉크젯식 기록장치에 적용한 것이다. 이하 구체적으로 실시한 구체예에 대해 설명한다.
(구체예 16)
도 13에 나타내는 바와 같이, 본 구체예에 관한 시리얼방식의 잉크젯식 기록장치(81)는, 압전체막(41, 42)의 압전효과를 이용하여 기록을 행하는 잉크젯헤드(201)(제 3 실시예 참조)를 구비하며, 잉크젯헤드(201)로부터 토출된 잉크방울을 종이 등의 기록매체(82)에 착탄시킴으로써 기록매체(82)에 기록을 행할 수 있다. 잉크젯헤드(201)는 주 주사방향(도 13에서는 X방향)을 따라 배치된 캐리지축(83)에 슬라이딩 접촉 가능하게 설치된 캐리지(84)에 탑재된다. 그리고 캐리지(84)가 캐리지축(83)을 따라 왕복운동 함으로써, 잉크젯헤드(201)는 주 주사방향(X)으로 왕복운동 한다. 잉크젯식 기록장치(81)는, 기록매체(82)를 잉크젯헤드(201)의 폭 방향(즉 주 주사방향(X))과 거의 수직인 부 주사방향(Y)으로 이동시키는 복수 개의 롤러(85, ...)를 추가로 구비한다. 그리고 본 발명에 관한 이동수단은 캐리지축(83), 캐리지(84) 및 롤러(85)에 대응한다.
-효과-
이상과 같이 본 구체예에 의하면, 복수 개 잉크토출소자(202, ...)간의 잉크 액 토출 차이를 용이하게 제어할 수 있는 잉크젯헤드(201)(제 3 실시예 참조)를 이용하여 시리얼방식의 잉크젯식 기록장치(81)를 구성하므로, 인쇄 시에 인자 왜곡을 적게 할 수 있다. 이로써 신뢰성 높은 시리얼방식의 잉크젯식 기록장치(81)를 실현할 수 있다.
(구체예 17)
도 14에 나타내는 바와 같이, 본 구체예에 관한 라인방식의 잉크젯식 기록장치(91)는, 압전체막(41, 42)의 압전효과를 이용하여 기록을 행하는 잉크젯헤드(201)(제 3 실시예 참조)가 13 개 있는 라인형 블록(86)을 구비하며, 잉크젯헤드(201)로부터 토출된 잉크방울을 종이 등의 기록매체(82)에 착탄시킴으로써 기록매체(82)에 기록을 행할 수 있다. 잉크젯식 기록장치(91)는, 기록매체(82)를 부 주사방향(Y)으로 이동시키는 복수 개의 롤러(85, ...)를 추가로 구비한다. 본 발명에 관한 이동수단은 롤러(85)에 대응한다.
-효과-
이상과 같이 본 구체예에 의하면, 복수 개 잉크토출소자(202, ...)간의 잉크액 토출 차이를 용이하게 제어할 수 있는 잉크젯헤드(201)(제 3 실시예 참조)를 이용하여 라인방식의 잉크젯식 기록장치(91)를 구성하므로, 폭이 큰 기록매체(82)에 고속 인쇄가 가능함과 동시에, 인쇄 시에 인자 왜곡을 적게 할 수 있다. 이로써 신뢰성 높은 라인방식의 잉크젯식 기록장치(91)를 실현할 수 있다.
(제 5 실시예)
도 15 및 도 16은 본 발명의 제 5 실시예에 관한 각속도센서를 나타내며, 이 각속도센서는, 음차형으로서 차량에 탑재되는 내비게이션장치 등에 적합하게 이용되는 것이다.
각속도센서는, 두께 0.3mm의 실리콘웨이퍼로 된 기판(500)을 구비한다. 이 기판(500)은 고정부(500a)와, 이 고정부(500a)로부터 소정의 방향(검출할 각속도의 회전중심축이 이어지는 방향: 본 실시예에서는 도 15에 나타내는 Y방향)으로 이어지는 한 쌍의 진동부(500b, 500b)를 구비한다. 이들 고정부(500a) 및 한 쌍의 진동부(500b, 500b)는, 기판(500) 두께방향(도 15에 나타내는 Z방향)에서 보아 음차형상을 이루며, 한 쌍의 진동부(500b, 500b)는 음차의 암(arm) 부에 상당하고, 진동부(500b)의 폭 방향으로 나열된 상태로 서로 평행하게 이어진다. 기판(500)은 유리기판이라도 된다.
기판(500)의 각 진동부(500b) 및 고정부(500a)의 진동부(500b) 쪽 부분 위에는, 제 1 전극막(503), 제 1 압전체막(504)과 제 2 압전체막(505)으로 구성되는 압전체 적층막(510) 및 제 2 전극막(506)이 순차 적층된다. 제 1 전극막(503), 제 1 압전체막(504), 제 2 압전체막(505) 및 제 2 전극막(506)의 각 구성재료 및 두께는, 상기 제 1 실시예에서 설명한 제 1 전극막(2), 제 1 압전체막(3), 제 2 압전체막(4) 및 제 2 전극막(5)과 각각 동일하다.
제 2 전극막(506)은, 각 진동부(500b) 상에서, 진동부(500b)를 그 폭 방향(도 15에 나타내는 X방향)으로 진동시키기 위한 2 개의 구동전극(507, 507)과 진동부(500b)의 두께 방향(Z방향)의 변형(휨)을 검출하기 위한 1 개의 검출전극(508)으로 패턴화되어 이루어진다.
2 개의 구동전극(507, 507)은 각각, 진동부(500b)의 폭 방향(X방향) 양 단부에서 진동부(500b)의 길이방향(Y방향) 전체에 걸쳐 형성되며, 각 구동전극(507)의 고정부(500a) 쪽 단부가 고정부(500a) 상에 위치하여 접속단자(507a)를 구성한다. 또 각 진동부(500b)의 폭 방향 한 단부상에 1 개의 구동전극(507)을 형성하는 것만으로도 상관없다.
한편, 검출전극(508)은 진동부(500b) 폭 방향 중앙부상에서 진동부(500b)의 길이방향 전체에 걸쳐 형성되며, 구동전극(507)과 마찬가지로, 검출전극(508)의 고정부(500a) 쪽 단부가 고정부(500a) 상에 위치하여 접속단자(508a)를 구성한다. 또 각 진동부(500b) 상에서 복수의 검출전극(508)을 형성해도 된다.
제 1 전극막(503)은, 고정부(500a) 상의 한 쌍의 진동부(500b, 500b)간의 중앙위치에서 진동부(500b)와는 반대쪽으로 돌출되는 접속단자(503a)를 갖는다.
각 진동부(500b) 상의 제 1 전극막(503)과 2 개의 구동전극(507, 507) 사이에는, 진동부(500b)가 그 폭 방향으로 진동하도록, 진동부(500b)의 고유진동과 공진하는 주파수 전압이 인가되도록 구성된다. 즉 제 1 전극막(503)에는, 접지전압이 인가되는 한편, 2 개의 구동전극(507, 507)에는 음양이 서로 반대인 전압이 인가됨으로써, 각 진동부(500b)의 폭 방향 한 단부 쪽이 신장될 때는 다른 단부 쪽이 수축되어, 진동부(500b)가 그 다른 단부 쪽으로 변형된다. 한편 각 진동부(500b)의 폭 방향 한 단부 쪽이 수축될 때는 다른 단부 쪽이 신장되어, 진동부(500b)가 그 한 단부 쪽으로 변형된다. 이 동작을 교대로 반복함으로써 진동부(500b)가 그 폭 방향으로 진동한다. 여기서 각 진동부(500b) 상의 2 개의 구동전극(507, 507) 중 어느 한 쪽에 전압을 인가하는 것만으로도, 진동부(500b)를 그 폭 방향으로 진동시키는 것은 가능하다. 그리고 한 쌍의 진동부(500b, 500b)는, 각 진동부(500b)의 폭 방향에서 서로 반대방향으로 변형되어, 한 쌍의 진동부(500b, 500b) 사이의 중앙이며 이 진동부(500b)의 길이방향으로 이어지는 중앙선(L)에 대해 대칭으로 진동하도록 구성된다.
상기 구성의 각속도센서에 있어서, 한 쌍의 진동부(500b, 500b)를 그 폭 방향(X방향)으로 중앙선(L)에 대해 대칭으로 진동시킬 때, 그 중앙선(L) 주변에 각속도(ω)가 인가되면, 2 개의 진동부(500b, 500b)는 코리올리 힘에 의해 두께방향(Z방향)으로 휘어져 변형되며(한 쌍의 진동부(500b, 500b)는 서로 반대방향으로 같은 양으로 휘어짐), 이로써 압전체 적층막(510)에도 휨이 발생하여, 제 1 전극막(503)과 검출전극(508) 사이에는, 코리올리 힘의 크기에 대응한 전압이 발생한다. 이 전압의 크기(코리올리 힘)로 각속도(ω)를 검출할 수 있다. 즉 코리올리 힘(Fc)은 각 진동부(500b)의 폭 방향 속도를 v, 각 진동부(500b)의 질량을 m이라 하면,
Fc=2mvω
이므로, 코리올리 힘(Fc)으로부터 각속도(ω)의 값을 알 수 있게 된다.
다음으로, 상기 각속도센서의 제조방법에 대해 도 17 및 도 18에 기초하여 설명한다. 즉 도 17의 (a)에 나타내는 바와 같이, (001)면이 연마된 두께 0.3mm, 직경 4 인치의 실리콘웨이퍼(평면도는 도 18 참조)로 된 기판(500)을 준비하고, 도 17의 (b)∼(e)에 나타내는 바와 같이 이 기판(500) 상에, 제 1 전극막(503), 제 1 압전체막(504), 제 2 압전체막(505) 및 제 2 전극막(506)을 3원 RF마그네트론 스퍼 터링장치로 막 형성한다. 구체적인 성막조건은, 상기 구체예 1과 동일하다. 그리고 성막된 각 압전체막(504, 505)의 결정구조, 결정배향성 및 조성도 상기 구체예 1과 동일하다.
이어서, 도 17의 (f)에 나타내는 바와 같이, 제 2 전극막(506)을 패터닝하여 구동전극(507) 및 검출전극(508)을 형성한다. 즉 제 2 전극막(506) 상에 감광수지를 도포하고, 이 감광수지에 구동전극(507) 및 검출전극(508)의 패턴을 노광시킨 후, 노광되지 않은 부분의 감광수지를 제거하며, 이 감광수지를 제거한 부분의 제 2 전극막(506)을 에칭으로 제거하고, 이어서 구동전극(507) 및 검출전극(508) 상의 감광수지를 제거한다.
제 2 전극막(506)의 패터닝 후, 다시 감광수지의 도포, 노광을 반복하여, 압전체 적층막(510), 제 1 전극막(503) 및 실리콘기판(500)을 패터닝하여 고정부(500a) 및 진동부(500b)를 형성한다. 이로써 상기의 각속도센서가 완성된다. 또 상기 기판(500)으로 실리콘 대신 유리를 사용해도 된다.
여기서 도 19 및 도 20을 참조하면서 종래의 각속도센서에 대해 설명한다.
이 종래의 각속도센서는, 두께 0.3mm의 수정으로 된 압전체(600)를 구비하며, 이 압전체(600)가 본 실시예에 관한 각속도센서의 기판(500)과 마찬가지로, 고정부(600a)와 이 고정부(600a)로부터 그 한쪽(도 19에 나타내는 Y방향)으로 서로 평행하게 이어지는 한 쌍의 진동부(600b, 600b)를 갖는다. 그리고 각 진동부(600b)의 두께방향(도 19에 나타내는 Z방향)에 대향하는 양면에는, 진동부(600b)를 그 폭 방향(도 19에 나타내는 X방향)으로 진동시키기 위한 구동전극(603)이 각각 1 개씩 형성되며, 각 진동부(600b)의 양 측면에는 진동부(600b)의 두께방향 변형을 검출하기 위한 검출전극(607)이 각각 1 개씩 형성된다.
그리고 종래의 각속도센서에 있어서, 각 진동부(600b)의 2 개 구동전극(603, 603) 사이에, 진동부(600b)의 고유진동과 공진하는 주파수의 전압을 인가시켜, 본 실시예에 관한 각속도센서와 마찬가지로, 한 쌍의 진동부(600b, 600b)를 그 폭 방향(도 19에 나타내는 X방향)으로 이 한 쌍의 진동부(600b, 600b) 사이의 중앙에 있는 중앙선(L)에 대해 대칭으로 진동시킨다. 이 때 그 중앙선(L) 주변에 각속도(ω)가 인가되면, 한 쌍의 진동부(600b, 600b)는 코리올리 힘에 의해 두께방향(도 19에 나타내는 Z방향)으로 휘어져 변형되고, 각 진동부(600b)에서의 2 개 검출전극(607, 607) 사이에 코리올리 힘의 크기에 대응한 전압이 발생하여, 이 전압의 크기(코리올리 힘)로 각속도(ω)를 검출할 수 있다.
상기 종래의 각속도센서에서는, 수정으로 된 압전체(600)를 이용하므로, 그 압전상수는 -3피코m/V로 매우 낮으며, 더욱이 고정부(600a) 및 진동부(600b)는 기계가공으로 형성하므로 소형화가 어려워, 치수정밀도가 낮다는 문제가 있다.
이에 반해 본 실시예에 관한 각속도센서에서는, 각속도를 검출하는 부분(진동부(500b))이, 상기 제 1 실시예와 마찬가지 구성의 압전소자로 구성되므로, 상기 종래의 각속도센서에 대해 압전상수를 40 배 정도로 할 수 있어, 상당한 소형화를 도모할 수 있다. 박막형성기술을 이용하여 미세가공을 실행할 수 있어, 치수정밀도를 현격히 향상시킬 수 있다.
여기서 본 실시예의 각속도센서에서는, 기판(500)에 한 쌍의 진동부(500b, 500b)를 1 조밖에 구성하지 않았지만, 복수 조 구성시켜 여러 방향으로 이어지는 복수 축 주변 각각의 각속도를 검출하도록 해도 된다.
또 본 실시예의 각속도센서에서는, 제 2 실시예에 나타내는 압전소자의 막 구성과 같이, 제 1 전극막(503)과 제 1 압전체막(504) 사이에 제 2 실시예의 구체예에서 이용한 버퍼층막을 배치해도 된다. 이 경우도, 상기와 마찬가지로 공업적으로 양산해도 특성의 재현성이 양호하고, 편차가 적으며, 또 내전압 및 신뢰성이 우수한 각속도센서를 제공할 수 있음을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 제 1 전극막과 제 1 압전체막의 밀착성이 높으므로, 커다란 압전특성과 높은 내구성을 갖는 압전소자를 실현할 수 있다. 또 본 발명에 관한 압전소자의 제조방법에 의하면, 커다란 압전특성과 높은 내구성을 갖는 압전소자를 용이하게 대량 생산할 수 있다. 또한 본 발명에 의하면, 토출능력의 차이가 적으며 또 높은 신뢰성을 갖는 잉크젯헤드 및 이를 구비한 잉크젯식 기록장치를 제공할 수 있다.
그리고 본 발명에 의하면, 높은 신뢰성을 가지면서 용이하게 양산 가능한 박형의 각속도센서를 제공할 수 있다.
또 본 발명은 잉크젯헤드, 각속도센서만이 아닌, 자이로소자, 진동센서 등에 대해서도 유용하다. 그리고 본 발명은 마이크로 머신디바이스 등에 대해서도 적용 가능하다.
Claims (31)
- 제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되며 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하는 압전소자이며,상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고,상기 제 1 및 제 2 압전체막의 주상입자는 서로 연속적으로 이어지며,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하인 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 버퍼층막과, 이 버퍼층막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되며 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하는 압전소자이며,상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고,상기 제 1 및 제 2 압전체막의 주상입자는 서로 연속적으로 이어지며,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하인 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 전극막의 상기 제 1 압전체막과는 반대쪽 면의 위 또는 상기 제 2 전극막의 상기 제 2 압전체막과는 반대쪽 면의 위에 형성된 진동판막을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 전극막의 상기 제 1 압전체막과는 반대쪽 면의 위 또는 상기 제 2 전극막의 상기 제 2 압전체막과는 반대쪽 면의 위에 형성된 진동판막을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 3 항에 있어서,상기 진동판막은, 실리콘, 유리, 세라믹재료 및 금속재료 중 어느 한 가지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 4 항에 있어서,상기 진동판막은, 실리콘, 유리, 세라믹재료 및 금속재료 중 어느 한 가지로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 압전체막의 주상입자는, 그 단면지름이 40nm 이상 70nm 이하이며 또 그 길이가 5nm 이상 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 압전체막의 주상입자는, 그 단면지름이 40nm 이상 70nm 이하이며 또 그 길이가 5nm 이상 100nm 이하인 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 2 압전체막의 주상입자는, 그 단면지름이 60nm 이상 200nm 이하이며 또 그 길이가 2500nm 이상 5000nm 이하인 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 2 압전체막의 주상입자는, 그 단면지름이 60nm 이상 200nm 이하이며 또 그 길이가 2500nm 이상 5000nm 이하인 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 적어도 Pb, Zr 및 Ti를 함유하는 페로브스카 이트형 결정구조의 산화물로 이루어지며,X선 회절법에 의한 회절패턴의 각 결정면 반사강도로 구한 압전체막의 (001) 결정배향률을, 격자간 거리 4.2Å에서 1.5Å의 X선회절 범위에서 압전체막으로 귀속되는 전체 피크강도의 합계에 대한 (001)피크강도와 (002)피크강도 합의 백분율로 정의했을 때, 상기 제 1 압전체막의 (001) 결정배향률이 50% 이상 80% 이하인 한편, 상기 제 2 압전체막의 (001) 결정배향률이 95% 이상 100% 이하인 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 적어도 Pb, Zr 및 Ti를 함유하는 페로브스카이트형 결정구조의 산화물로 이루어지며,X선 회절법에 의한 회절패턴의 각 결정면 반사강도로 구한 압전체막의 (001) 결정배향률을, 격자간 거리 4.2Å에서 1.5Å의 X선회절 범위에서 압전체막으로 귀속되는 전체 피크강도의 합계에 대한 (001)피크강도와 (002)피크강도 합의 백분율로 정의했을 때, 상기 제 1 압전체막의 (001) 결정배향률이 50% 이상 80% 이하인 한편, 상기 제 2 압전체막의 (001) 결정배향률이 95% 이상 100% 이하인 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 압전체막은 적어도 Pb, Zr 및 Ti를 함유하며, 그 화학조 성비가 Pb:Zr:Ti=(1+a):b:(1-b)로 나타나고,상기 제 1 및 제 2 압전체막의 상기 b의 값이 0.50 이상 0.60 이하의 동일 값이며,상기 제 1 압전체막의 Pb함유량이 상기 제 2 압전체막보다 많고,상기 제 1 압전체막의 상기 a값이 0.05 이상 0.15 이하이며,상기 제 2 압전체막의 상기 a값이 0 이상 0.10 이하인 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 압전체막은 적어도 Pb, Zr 및 Ti를 함유하며, 그 화학조성비가 Pb:Zr:Ti=(1+a):b:(1-b)로 나타나고,상기 제 1 및 제 2 압전체막의 상기 b의 값이 0.50 이상 0.60 이하의 동일 값인 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 전극막은 Pt 혹은 Ir으로 된 귀금속, 또는 이 귀금속에 Ti, Co 및 Ni 중 어느 한 가지를 첨가한 합금으로 구성되며, 단면지름이 20nm 이상 30nm 이하인 주상입자의 집합체인 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 1 전극막은 Pt 혹은 Ir으로 된 귀금속, 또는 이 귀금속에 Ti, Co 및 Ni 중 어느 한 가지를 첨가한 합금으로 구성되며, 단면지름이 20nm 이상 30nm 이하인 주상입자의 집합체인 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 버퍼층막은, 티탄산란탄납 또는 티탄산란탄납에 마그네슘 및 망간 중 적어도 한쪽을 첨가한 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 버퍼층막은, 스트론튬(Sr)을 함유하는 페로브스카이트형 결정구조의 산화물인 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 버퍼층막이, 티탄산스트론튬을 함유하는 것을 특징으로 하는 압전소자.
- 청구항 1에 기재된 압전소자의 제조방법으로,기판상에 제 1 전극막을 스퍼터링법으로 형성하는 공정과,소정재료를 타겟으로 이용하면서 소정의 성막조건하에서의 스퍼터링법으로 상기 제 1 전극막 상에 제 1 압전체막을 형성하는 공정과,상기 소정재료를 타겟으로 이용하면서 상기 소정의 성막조건과 다른 성막조건하에서의 스퍼터링법으로 상기 제 1 압전체막 상에 제 2 압전체막을 형성함으로써 압전체 적층막을 형성하는 공정과,상기 제 2 압전체막 상에 제 2 전극막을 스퍼터링법으로 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전소자 제조방법.
- 청구항 2에 기재된 압전소자의 제조방법으로,기판상에 제 1 전극막을 스퍼터링법으로 형성하는 공정과,소정의 제 1 재료를 타겟으로 이용하면서 소정의 제 1 성막조건하에서의 스퍼터링법으로 상기 제 1 전극막 상에 버퍼층막을 형성하는 공정과,소정의 제 2 재료를 타겟으로 이용하면서 소정의 제 2 성막조건하에서 스퍼터링법으로 상기 버퍼층막 상에 제 1 압전체막을 형성하는 공정과,상기 소정의 제 2 재료를 타겟으로 이용하면서 소정의 제 2 성막조건과 다른 성막조건하에서의 스퍼터링법으로 상기 제 1 압전체막상에 제 2 압전체막을 형성함으로써 압전체 적층막을 형성하는 공정과,상기 제 2 압전체막 상에 제 2 전극막을 스퍼터링법으로 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전소자 제조방법.
- 제 20 항에 있어서,상기 제 2 전극막 상에 진동판막을 스퍼터링법으로 형성하는 공정과,상기 기판을 제거하는 공정을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 압전소자 제조방법.
- 제 21 항에 있어서,상기 제 2 전극막 상에 진동판막을 스퍼터링법으로 형성하는 공정과,상기 기판을 제거하는 공정을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 압전소자 제조방법.
- 노즐과 이 노즐에 연통되면서 잉크를 수용하는 압력실이 형성된 헤드본체부와,두께방향 한쪽 면의 일부가 상기 압력실을 향하도록 설계되며 또 상기 압력실 내의 잉크에 압력을 부여하여 상기 노즐로부터 잉크를 토출시키는 압전소자를 구비하는 잉크젯헤드이며,상기 압전소자는,제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되고 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하며,상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두 께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하인 것을 특징으로 하는 잉크젯헤드.
- 노즐과 이 노즐에 연통되면서 잉크를 수용하는 압력실이 형성된 헤드본체부와,두께방향 한쪽 면의 일부가 상기 압력실을 향하도록 설계되며 또 상기 압력실 내의 잉크에 압력을 부여하여 상기 노즐로부터 잉크를 토출시키는 압전소자를 구비하는 잉크젯헤드이며,상기 압전소자는,제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 버퍼층막과, 이 버퍼층막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되고 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하며,상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하인 것을 특징으로 하는 잉크젯헤드.
- 노즐과 이 노즐에 연통되면서 잉크를 수용하는 압력실이 형성된 헤드본체부 와, 두께방향 한쪽 면의 일부가 상기 압력실을 향하도록 설계되며 또 상기 압력실 내의 잉크에 압력을 부여하여 상기 노즐로부터 잉크를 토출시키는 압전소자를 구비하는 잉크젯헤드와,상기 잉크젯헤드와 기록매체를 상대이동시키는 이동수단을 구비하는 잉크젯식 기록장치이며,상기 압전소자는,제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되고 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하며,상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하인 것을 특징으로 하는 잉크젯식 기록장치.
- 노즐과 이 노즐에 연통되면서 잉크를 수용하는 압력실이 형성된 헤드본체부와, 두께방향 한쪽 면의 일부가 상기 압력실을 향하도록 설계되며 또 상기 압력실 내의 잉크에 압력을 부여하여 상기 노즐로부터 잉크를 토출시키는 압전소자를 구비 하는 잉크젯헤드와,상기 잉크젯헤드와 기록매체를 상대이동시키는 이동수단을 구비하는 잉크젯식 기록장치이며,상기 압전소자는,제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 버퍼층막과, 이 버퍼층막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되고 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하며,상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하인 것을 특징으로 하는 잉크젯식 기록장치.
- 고정부와 이 고정부로부터 소정의 방향으로 이어지는 적어도 한 쌍의 진동부를 갖는 기판을 구비하고, 이 기판의 적어도 각 진동부 상에 압전소자가 구성되는 각속도센서이며,상기 압전소자는,제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전 체막 상에 형성되고 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하며,상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하이고,상기 제 2 전극막이, 상기 진동부를 그 폭 방향으로 진동시키기 위한 적어도 1 개의 구동전극과 상기 진동부의 두께방향 변형을 검출하기 위한 적어도 1 개의 검출전극으로 패턴화되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 각속도센서.
- 고정부와 이 고정부로부터 소정의 방향으로 이어지는 적어도 한 쌍의 진동부를 갖는 기판을 구비하고, 이 기판의 적어도 각 진동부 상에 압전소자가 구성되는 각속도센서이며,상기 압전소자는,제 1 전극막과, 이 제 1 전극막 상에 형성된 버퍼층막과, 이 버퍼층막 상에 형성된 제 1 압전체막과 이 제 1 압전체막 상에 형성되고 또 상기 제 1 압전체막에 의해 결정배향성이 제어되는 제 2 압전체막으로 이루어지는 압전체 적층막과, 이 제 2 압전체막 상에 형성된 제 2 전극막을 구비하며,상기 제 1 및 제 2 압전체막이, 결정성장 방향이 상기 압전체 적층막의 두께방향 한쪽에서 다른 방향 쪽을 향하는 주상입자의 집합체이고,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름이 상기 제 1 압전체막의 주상입자 단면지름보다 크며,상기 제 2 압전체막의 주상입자 단면지름(d)에 대한 상기 압전체 적층막 두께(l)의 비(l/d)가 20 이상 60 이하이고,상기 제 2 전극막이, 상기 진동부를 그 폭 방향으로 진동시키기 위한 적어도 1 개의 구동전극과 상기 진동부의 두께방향 변형을 검출하기 위한 적어도 1 개의 검출전극으로 패턴화되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 각속도센서.
- 제 28 항에 있어서,상기 기판은, 에칭가공 가능한 실리콘 또는 유리로 된 것을 특징으로 하는 각속도센서.
- 제 29 항에 있어서,상기 기판은, 에칭가공 가능한 실리콘 또는 유리로 된 것을 특징으로 하는 각속도센서.
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