KR101081740B1 - 압전 세라믹 소자를 포함하는 회로 장치 및 상기 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라 압전 세라믹 소자를 포함하는 회로 장치가 제공되는데, 상기 회로 장치는 내부 전극이 인쇄된 복수 개의 층으로 이루어지는 적층형 압전 세라믹 소자로서, 상기 적층형 압전 세라믹 소자의 상단층에는 외부 전극이 형성되고, 하단층의 바닥부에는 고탄성 재질의 금속판이 접합되어 있는 것인 상기 적층형 압전 세라믹 소자를 포함하고, 상기 금속판은 상기 회로 장치의 정류 회로와 연결되어, 가상의 그라운드 역할을 하는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 양면에 전극이 형성된 단판형 압전 세라믹 소자를 더 포함하고, 상기 단판형 압전 세라믹 소자와 상기 적층형 압전 세라믹 소자는 서로 병렬로 연결될 수 있다.

Description

압전 세라믹 소자를 포함하는 회로 장치 및 상기 소자의 제조 방법{CIRCUIT DEVICE COMPRISING PIEZOELECTRIC CERAMIC DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE DEVICE}

본 발명은 압전 세라믹 소자를 포함하는 회로 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전류량 및 전압을 증대시켜 충전 시간을 단축할 수 있는 구조를 갖는 압전 세라믹 소자를 포함하는 회로 장치 및 상기 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

기계적인 힘을 전기적 신호로 또는 전기적 신호를 기계적인 변형으로 변환시키는 성질을 갖는 물질을 압전체라고 하며, 세라믹을 재료로 하는 압전체를 압전세라믹이라 한다.

이러한 압전 세라믹은 그 독특한 성질로 인해 발전기나 액츄에이터 등 여러 장치에 널리 사용되고 있다.

압전 세라믹은 단판형의 형태로 많이 사용된다. 예컨대, 소결 과정을 통해 제조한 경질의 세라믹 기판의 양면에 Ag 페이스트를 열처리하여 전극을 형성한 후 분극을 하여 압전 세라믹을 형성하게 된다. 그러나, 단판형 압전 세라믹은 분극층 이 하나이어서 전류량을 증가시키는 데에는 많은 한계가 있다.

상기 문제를 고려하여, 단판형 압전 세라믹을 쌓아 복수 개의 층으로 형성한 소위 스택(stacking)형 압전 세라믹이 제안되고 있다. 즉 단판형 압전 세라믹을 여러 개 쌓음으로써, 전극 면적을 넓혀 전류량을 증대시키고 있다.

그런데, 이러한 종래의 압전 세라믹은 다음과 같은 문제점이 있다.

우선 압전 세라믹 소자에 사용되는 압전 세라믹 기판은 일반적으로 소결 과정을 통해 제조된다. 이러한 소결 압전 세라믹 기판은 경질일뿐만 아니라 그 표면이 거칠어, 그 표면에 전극을 형성하기에 앞서 반드시 표면을 매끄럽게 연마하는 폴리싱 과정을 거쳐야 한다.

또한, 도전성 에폭시를 이용하여 얇은 금속판을 상기 기판의 표면에 접합한 후 불필요한 부분을 에칭 과정을 통해 제거하는 과정을 거쳐야 한다.

또한, 각각의 단판 압전 세라믹 기판을 에폭시 본드를 이용하여 서로 접착하여야 하는 과정을 거쳐야 하고, 원하는 크기로 잘라내야 하는데 이 과정에서 기판이 기계적으로 손상되는 경우가 많고, 또 대량생산이 불가능하다는 문제점이 있다.

더욱이, 단순히 각각의 단판 압전 세라믹 기판을 서로 접착하여 붙이는 구조로 이루어지기 때문에 그 두께가 두꺼워져 얇은 두께의 압전 세라믹 소자를 제조하는 것이 불가능하다.

또한, 상기 압전 세라믹 소자를 회로 장치에 적용하고자 하는 경우, 전류량 및 전압이 커야 전체적으로 회로의 효율이 증대되지만, 종래 기술은 이러한 수단을 제공하지 못하고 있으며, 특히 충전 회로와 같은 회로 장치에 적용하고자 하는 경우 제한된 커패시턴스로 인해 그 효율 증대에는 많은 한계가 노출되고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 전류량 및 전압을 증대시켜 충전 시간을 단축할 수 있는 구조를 갖는 압전 세라믹 소자를 포함하는 회로 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 회로 장치에 사용되고, 전류 출력량을 증대시킬 수 있는 구조를 갖는 압전 세라믹 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 회로 장치에 사용되는 압전 세라믹 소자를 복잡한 제조 공정을 거치지 않고 대량 생산할 수 있는 압전 세라믹 소자 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 회로 장치에 사용되고, 기존의 단판형 압전 세라믹 소자와 거의 같은 두께를 가지면서도 전류 출력은 크게 증대시킬 수 있는 압전 세라믹 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 커패시턴스 값을 증대시켜 충전기 용례에 적용하는 경우 충전능력을 개선할 수 있는 구조를 갖는 압전 세라믹 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따라 압전 세라믹 소자를 포함하는 회로 장치가 제공되는데, 상기 회로 장치는 내부 전극이 인쇄된 복수 개의 층으로 이루어지는 적층형 압전 세라믹 소자로서, 상기 적층형 압전 세라믹 소자의 상단층 에는 외부 전극이 형성되고, 하단층의 바닥부에는 고탄성 재질의 금속판이 접합되어 있는 것인 상기 적층형 압전 세라믹 소자를 포함하고, 상기 금속판은 상기 회로 장치의 정류 회로와 연결되어, 가상의 그라운드 역할을 하는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 회로 장치는 양면에 전극이 형성된 단판형 압전 세라믹 소자를 더 포함하고, 상기 단판형 압전 세라믹 소자와 상기 적층형 압전 세라믹 소자는 서로 병렬로 연결될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 상기 회로 장치에 사용되는 적층형 압전 세라믹 소자의 제조 방법이 제공되는데, (a) 바인더 및 가소제를 포함하는 유기물과 세라믹 분말의 혼합물을 이용하여, 표면이 매끄러운 형태의 n개의 플렉서블한 그린 시트를 제조하는 단계와; (b) 상기 n개의 그린 시트 중 하나를 제외한 n-1개의 그린 시트의 일면에 내부 전극 패턴을 인쇄하는 단계로서, 상기 내부 전극 패턴은 각 그린 시트의 일단부에까지는 연장되지 않도록 인쇄되는 것인 내부 전극 패턴 인쇄 단계와; (c) 상기 그린 시트의 단부까지 형성된 내부 전극이 하나의 그린 시트를 건너 다음번 그린 시트의 내부 전극 패턴과 동일하게 나타나도록 상기 n-1개의 그린 시트를 배치하고 그 위에 내부 전극 패턴이 형성되지 않은 그린 시트를 배치하여 적층하는 단계와; (d) 상기 적층된 n개의 그린 시트를 압착하는 단계와; (e) 상기 압착된 그린 시트를 소결 처리하여 경질의 압전 세라믹 소자를 제조하는 단계와; (f) 상기 경질의 압전 세라믹 소자 상면 및 양단부에 걸쳐 상기 압전 세라믹 소자 내부의 전극과 연결되도록 외부 전극을 형성하는 단계와; (g) 상기 외부 전극을 통해 전압을 인가하여 상기 내부 전극에 압전성을 부여하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 방법은 (h) 상기 외부 전극이 형성된 상면과 반대쪽의 상기 경질의 압전 세라믹 소자 바닥면에 탄성 재질의 금속판을 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 상기 회로 장치에 사용되는 적층형 압전 세라믹 소자의 제조 방법이 제공되는데, (a) 바인더 및 가소제를 포함하는 유기물과 세라믹 분말의 혼합물을 이용하여, 표면이 매끄러운 형태의 n개의 플렉서블한 그린 시트를 제조하는 단계와; (b) 상기 n개의 그린 시트 중 하나를 제외한 n-1개의 그린 시트의 일면에 내부 전극을 동일 패턴으로 m개 인쇄하고, 상기 내부 전극 패턴이 인쇄되지 않은 그린 시트의 상면에 상기 각각의 패턴 사이를 구분하는 가이드 선을 인쇄하는 단계로서, 상기 각각의 내부 전극 패턴은 각 그린 시트의 일단부에까지는 연장되지 않도록 인쇄되는 것인 내부 전극 패턴 및 가이드 선 인쇄 단계와; (c) 상기 그린 시트의 단부까지 형성된 내부 전극이 하나의 그린 시트를 건너 다음번 그린 시트의 내부 전극 패턴과 동일하게 나타나도록 상기 n-1개의 그린 시트를 배치하고 그 위에 내부 전극 패턴이 형성되지 않은 그린 시트를 배치함과 아울러 상기 가이드 선이 서로 대응되도록 적층하는 단계와; (d) 상기 적층된 n개의 그린 시트를 압착하는 단계와; (e) 상기 가이드 선을 따라 상기 압착된 그린 시트를 절단하여, m개의 압착 그린 시트를 얻는 단계와; (f) 상기 m개의 압착 그린 시트를 소결 처리하여 m개의 경질의 압전 세라믹 소자를 제조하는 단계와; (g) 상기 각각의 경질의 압전 세라믹 소자의 상면 및 양단부에 걸쳐 상기 각각의 압전 세라믹 소자 내부의 전극과 연결되도록 외부 전극을 형성하는 단계와; (h) 상기 외부 전극을 통해 전압을 인가하여 상기 내부 전극에 압전성을 부여하여, m개의 압전 세라믹 소자를 일괄 공정으로 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 방법은 (i) 상기 각각의 압전 세라믹 소자의 상기 외부 전극이 형성된 상면과 반대쪽의 상기 경질의 압전 세라믹 소자 바닥면에 탄성 재질의 금속판을 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따라 제공되는 압전 세라믹 소자는 종래의 기술과 비교하여 전류 출력량을 크게 증대시킬 수 있고, 실시예에 따라서는 효율도 크게 증대시킬 수 있다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 이미 널리 알려진 기술적 구성에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도, 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성 및 효과를 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

1. 압전 세라믹 소자의 제조

(1) 제1 실시예

도 1 내지 도 5에는 본 발명의 제1 실시예에 따라 적층형 구조의 압전 세라믹 소자를 제조하는 과정이 도시되어 있다.

먼저, 도 2를 참조하면, 먼저 복수 개의 그린 시트(10, 20)를 제조한다. 이 그린 시트는 세라믹 분말 및 유기물(예컨대, 바인더, 가소제, 분산제 등)의 혼합물을 이용하여 테이프 캐스팅 방법을 통해 제조하는데, 그 표면이 매우 매끄럽고 두께도 매우 얇다.

종래의 압전 세라믹 소자 제조 방법에 따르면, 압전 세라믹 기판을 소결과정을 통해 제조한 후에, 그 기판 표면에 전극을 형성한다. 그런데, 소결 제조 방법을 이용하여 기판을 제조하게 되면, 두께를 얇게 하는데에는 한계가 있다. 따라서, 종래의 제조 방법에 따라 압전 세라믹 기판을 제조하는 경우, 대략 두께가 200㎛에 이르고, 심지어는 500㎛에 이르는 압전 세라믹 기판을 사용하기도 한다. 이러한 하나의 압전 세라믹 기판의 전류 출력량을 증가시키기 위하여, 단순히 기판 하나하나를 적층해서 복수 층으로 구성하게 되면, 그 두께는 예컨대 200㎛×n(기판의 수)에 이르게 된다. 그러나, 이러한 두께의 압전 세라믹 소자는 실용성이 떨어지게 된다. 더욱이, 소결과정을 통해 제조한 기판에 전극을 형성하려면 그 기판의 표면을 폴리싱하여야 하고 폴리싱 후에 접착제를 이용하여 전극을 표면에 접착하여 야 하는 문제점도 있다.

구체적으로, 세라믹은 입자와 입자가 맞닿은 상태에서 소결이라는 복잡한 메커니즘을 통해서 하나의 덩어리로 재탄생된다. 이때 반응하는 입자의 크기가 작을수록 소결이 더 잘 이루어지게 되는데, 소결 후에는 성형체보다 많은 수축이 일어난다. 수축시 응력이 발생하는데, 이를 완전히 통제하는 것은 불가능하다. 따라서, 겉보기로는 평평해 보이나 막상 폴리싱을 하면 위로 혹은 아래로 휘어지는 휨 현상(cambering or warpage)이 동반된다. 따라서, 만약 연마를 하지 않은 상태에서 전극을 인쇄하게 되면 전극의 두께가 일정하지 않게 될 뿐만 아니라, 부분적으로 인쇄가 되지 않는 곳도 발생하게 된다.

이러한 근본적인 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에 따르면 내부 전극 형성 전의 압전 세라믹 기판을 소결을 통해 제조하는 것이 아니라, 세라믹 분말과 상기 유기물의 혼합물을 이용하여 먼저 평평한 표면의 그린 시트를 제조한다. 이러한 과정에 따르면, 전극 형성 전의 압전 세라믹 기판은 종래와 달리 플렉서블할 뿐만 아니라 그 두께를 현저히 줄일 수 있고, 후술하는 바와 같이, 본 발명에 따른 적층형 구조의 압전 세라믹 두께 전체 두께가 약 200㎛(이는 종래의 단판형 압전 세라믹 기판의 최소 두께)에 불과하면서도 전류 출력량을 크게 증대시킬 수가 있다.

좀 더 구체적으로, 세라믹 원료 분말, 용매 및 분산제의 혼합물에 대해 대략 하루 정도 1차 볼밀링을 수행한다. 이어서 잘 분산된 세라믹 입자들의 표면들이 서로 연결될 수 있도록 바인더를 투입하고, 바인더로 인해 혼합물이 너무 딱딱해질 수 있으므로 가소제를 함께 넣어 유연성이 확보되도록 2차 볼밀링을 수행한다.

상기와 같은 과정을 통해 준비된 슬러리를 도 1에 도시한 것과 같은 테이프 캐스팅 방식으로 캐스팅한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 닥터 블레이드의 높이를 조절하여 최종적으로 형성될 그린 시트의 두께를 조절하는데, 이러한 방법을 통해 대략 5~50㎛ 두께의 그린 시트를 제조할 수 있다.

상기 과정을 통해 제조한 그린 시트를 대략 20㎝×20㎝의 크기로 절단하는데, 그린 시트의 모서리에 얼라이먼트 홀(alignment hole)을 형성하여, 후술하는 과정에 따라 그린 시트를 적층할 때 각 시트를 정렬하는 데 이용한다.

이어서, 도 2에 도시한 바와 같이, 그린 시트의 한 표면에 내부 전극 패턴을 예컨대, 스크린 프린팅 기법을 이용하여 인쇄한다. 이때, 본 발명의 압전 세라믹 소자의 최외곽 표면 중 한 표면을 구성하는 그린 시트(10)에는 내부 전극을 인쇄하지 않는다(공시트(unprinted sheet)). 즉 도 1에 도시한 것과 같이, 5개의 그린 시트를 이용하여 본 발명의 압전 세라믹 소자를 제조하는 경우, 최상단의 그린 시트(10)에는 내부 전극 패턴을 인쇄하지 않고, 나머지 4개의 그린 시트(20)에만 내부 전극 패턴을 형성한다. 그린 시트는 소결 과정을 거치지 않았으므로, 종래와 달리 플렉서블하고 더욱이 내부 전극을 도전성 에폭시를 이용하여 접착시킬 필요도 없이, 단순히 인쇄 공정을 통해 쉽게 내부 전극을 형성할 수 있다.

한편, 4개의 그린 시트(20)에 내부 전극 패턴을 형성함에 있어서, 내부 전극을 그린 시트 표면의 양단에 걸쳐 형성하는 것이 아니라, 일단에는 내부 전극 패턴을 형성하지 않는다. 즉 후술하는 공정을 통해 외부 전극을 형성하여 내부 전극과 연결할 때, 외부 전극과 내부 전극 전체가 연결되면 회로 상으로 무의미, 즉 양극과 음극이 구별되지 않게 되므로, 외부 전극 중 양극과 음극과 연결되는 내부 전극이 교호로 연결되도록 내부 전극 패턴을 그린 시트(20)의 일표면에 형성한다(도 2 내지 도 4 참조).

이어서, 내부 전극 패턴이 인쇄된 그린 시트(20)를 교호로 배치한다. 즉 그린 시트(20)의 단부까지 형성된 내부 전극이 다음 그린 시트(20)의 내부 전극과 동일한 패턴으로 나타나도록 배치하는 것이 아니라, 하나의 그린 시트를 건너 다음 번 그린 시트(20)의 내부 전극 패턴과 동일하게 나타나도록 복수 개의 그린 시트(20)를 배치하여 적층한다. 이와 같이 적층된 그린 시트(10, 20)를 압착하여 그린 시트가 서로 결합되도록 한 후, 소결함으로써 경질의 압전 세라믹(30)을 얻는다. 즉 그린 시트에는 바인더가 있으며, 60~80℃의 열과 적당한 압력(1,000~3,000 psi)을 가하게 되면, 적층된 그린 시트들이 마치 한 덩어리처럼 모두 접합된다. 아울러, 그린 시트 내에 포함된 모든 유기물을 태워 제거하는 탈지 공정을 수행한 후 소결하여, 적층 구조의 압전 세라믹(30)을 얻는다. 이러한 과정을 통해 성형된 성형체의 그 한 가지 양태가 도 4에 도시되어 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 내부 전극 패턴이 하나의 그린 시트를 지나 번갈아가며 동일하게 나타나도록 배치된다. 즉 전극이 형성된 그린 시트는 플렉서블하므로 압착 과정의 응력을 견딜 수 있고, 따라서 접착제를 그린 시트마다 도포하여 서로 접착시키는 복잡한 과정을 수행하지 않고도 한 번에 적층 구조의 압전 세라믹(30)을 얻을 수 있다.

후속하여, 경질의 압전 세라믹(30)의 양단에 외부 전극(40)을 형성한다. 외부 전극은 내부 전극과 마찬가지로 열처리를 통해서 형성한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 외부 전극(40) 각각은 압전 세라믹 내부의 전극과 교호로 연결되어, 양극과 음극 역할을 하는 외부 전극끼리는 서로 연결되지 않게 된다. 이어서, 각각의 외부 전극에 전압을 걸어주게 되면, 압전성이 부여되어, 도 5에 도시한 바와 같이, 내부 전극이 분극되어 서로 마주보는 방향으로 분극이 이루어지게 된다. 이와 같이 마주보는 방향으로 분극이 이루어지게 되면 출력이 증대된다.

본 발명자의 실험에 따르면, 상기와 같은 과정을 통해 제조한 압전 세라믹(30)은 그 두께가 약 200㎛ 정도밖에 되지 않는데, 이는 기존의 단판형 압전 세라믹 소자에서 구현되는 두께에 불과하다. 그럼에도 불구하고, 그 내부에 복수의 내부 분극층이 형성되어, 종래의 단판형 압전 세라믹 소자와 비교하여 훨씬 더 큰 전류 출력을 얻을 수가 있다. 더욱이, 단순히 하나하나의 단판형 압전 세라믹 소 자를 적층하여 구성하는 구성하는 것이 아니기 때문에, 높은 전류 출력을 얻기 위해 두께를 증가시킬 필요도 없어, 고출력 압전 세라믹 소자를 소형으로 구현할 수가 있게 된다.

(2) 제2 실시예

제1 실시예는 하나의 그린 시트 크기가 예컨대, 20cm×20cm 정도이다. 종래의 압전 세라믹 소자는 대략 4 cm×4cm 크기로 되어 있는데, 본 발명은 종래 기술과 달리 상기 과정을 통해 압전 세라믹 소자를 제조하므로, 대량 생산이 가능하다. 즉 종래의 압전 세라믹 제조 방법에 따르면, 압전 세라믹 기판을 소결하여 제조한 후 내부 전극을 형성하기 때문에, 본 발명의 상기와 같은 공정 자체를 채용할 수가 없고 따라서 제조 수율을 본 발명의 실시예와 같이 높일 수 없다.

구체적으로, 예컨대 20cm×20cm 크기의 그린 시트를 상기와 같이 제조한 후, 동일한 내부 전극 패턴을 그린 시트의 한 표면에 형성한다. 이때, 절취할 수 있는 가이드 선도 형성한다. 이어서, 상기와 같은 동일 과정을 거쳐 그린 시트를 겹친 후 압착한다. 이후, 소결 과정을 통해 경질의 압전 세라믹 소자를 형성하기 전에, 가이드 선을 따라 절단을 하고 소결 과정 등을 거치면, 25개의 압전 세라믹 소자를 한 번에 형성할 수 있게 된다. 이처럼, 종래와 달리, 내부 전극 패턴을 형성한 그린 시트는 경질이 아니라 플렉서블하기 때문에, 종래와 비교하여 압전 세라믹 소자의 제조 수율을 극대화할 수가 있다.

2. 회로 장치

(1) 제1 실시예

본 발명에 따른 압전 세라믹 소자는 예컨대, 200㎛에 불과한 정도로 그 두께가 매우 얇다. 따라서, 외부 압력이나 진동에 의해 원래 모양대로 복원되기가 힘들 수 있고 또 깨지기도 쉽다. 본 발명의 바람직한 실시예는 이러한 문제점을 해결하고 있다. 도 6에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 세라믹 소자를 포함하는 회로 장치가 모식적으로 도시되어 있다.

도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 압전 세라믹 소자의 바닥층에는 고탄성 재질의 금속층(50)이 에폭시 본드로 접합되어 있다. 이러한 금속층(50)으로 인해, 진동이 발생하여도 금속층이 고탄성 재질로 이루어져 있어, 압전 세라믹 소자를 원래의 모양대로 복원시킬 수가 있고 또 압전 세라믹 소자가 쉽게 파열되는 현상을 방지할 수가 있다. 더욱이, 압전 세라믹 소자를 도시한 바와 같이 회로와 연결하는 경우, 금속층(50)을 가상의 그라운드로 이용할 수가 있어, 2단자가 아닌 3단자를 구성할 수가 있고 따라서 커패시턴스 값을 증대시킬 수가 있다.

구체적으로, 일반적으로 회로는 흔히 말하는 +에서 -로 전류가 흐르는 것이 아니라, 전위차에 의해서 흐르게 된다. 다시 말해서 그라운드(GND; 회로상 zero)를 향해서 흐르게 되는 것이며, 양의 값이든 음의 값이든 그라운드를 기준으로 해 서 전위차가 발생하면 전류가 흐르게 된다. 직류뿐 아니라 교류의 경우도 마찬가지이다.

한편, 기존의 전기발생장치, 즉 발전기의 경우 +,-가 그라운드를 기준으로 해서 발생하지만, 압전소자의 경우는 특별히 그라운드라는 개념이 없이 동작이 가능한데, 이는 외부 응력에 의해 양단에 전위차가 존재하기 때문이다. 따라서, 압전 소자의 경우 부유 전위(floating potential)라는 개념을 사용하는데, 이는 압전이라는 특수성 때문에 생긴 것으로, 변형이 발생하면 전기를 발생하는데 특별히 어떤 기준에 의해서 발생하는 게 아니기 때문이다. 따라서, 회로 설계시 인위적으로 소자의 전극 한 쪽을 그라운드로 설정한다(일반적인 2단자의 경우). 그라운드가 설정되어야 전압을 측정할 수 있으며, 그라운드로부터 얼만큼의 전압이 존재하는지 알 수 있기 때문이다. 결국 그라운드의 의미는 전위가 zero인 곳이며, 아울러 모든 전압의 기준이 되는 기준점이다. 압전체는 외력에 의해 양단에 무조건 서로 다른 전하가 유도된다. 이때 의미상의 그라운드(일반적으로 회로 내 그라운드, 본 발명의 경우 금속판)와 양단의 전극을 각각 연결하면, 그 그라운드를 기준으로 양단에 전위차가 발생하므로, 그라운드 쪽으로 전류가 흐르게 된다. 본 발명에서 가상의 그라운드란 회로의 한 단자를 의미한다. 압전 소자와 연결되는 정류 회로의 경우 교류 신호를 인가해야 하므로, 두 개의 입력 단자 중 임의의 한 쪽을 그라운드로 설정하면 되고, 따라서 도 6에 도시한 것과 같이 금속판과 설정된 그라운드와 연결하면 된다.

한편, 커패시턴스는 금속과 금속 사이에서 전하가 모이는 정도에 따라서 그 크기를 나타낸다. 금속의 양극 쪽에는 음전하가, 음극 쪽에는 양전하가 모이게 된다. 이때 보다 많은 전하를 유도하기 위해서 유전체를 그 사이에 넣는데, 유전체의 정전 용량이 클수록 더 많은 전하를 유도할 수 있으며, 유전 상수값이 큰 재료일수록 보다 많은 전하를 유도할 수 있다. 압전체는 유전체이다. 유전체의 경우 면적이 넓을수록, 두께가 얇을수록 더 높은 정전 용량값을 가질 수 있다. 도 5를 보면 맨 아래쪽에 dummy 층이 있는데, 본 발명에서와 같이 이 dummy 층 아래에 외부 전극과 연결되지 않는 전극(금속판)을 형성하면, 위 아래로 전극이 형성되어 있으므로 그 dummy 층은 하나의 유전체 층이 된다. 압전체가 유전체의 특성을 지니고 있으므로, 도면에서 3개의 활성화된 층과 1개의 dummy 층을 모두 유전체 층으로 사용할 수 있으므로, 기존 3개의 유전체층이 총 4개의 유전체층으로 증가되어, 결국 더 높은 커패시턴스 값을 얻을 수 있게 된다.

(2) 제2 실시예

동일한 조성의 압전 세라믹 소자에 동일한 압력을 가하게 되면, 전류 출력은 두께에 반비례하고 또 면적에 비례한다. 따라서, 본 발명과 같이 압전 세라믹 소자를 제조하게 되면 더 많은 전류를 확보할 수가 있게 된다.

예컨대, 동일한 면적의 단층형 압전 세라믹 소자(두께 1mm)와 10층 구조의 본 발명의 압전 세라믹 소자(두께 1mm)가 있다고 하자. 단판형의 압전 세라믹 소자의 전류 출력을 1이라고 한다면, 본 발명의 압전 세라믹 소자는 10배 면적이 확보되므로, 전류 효과는 10이 된다. 또한, 두께도 단층형이 1이면, 본 발명의 압전 세라믹 소자는 1/10이 되므로, 전류 효과는 10이 된다. 따라서, 전체적으로 면적효과와 두께 효과를 합하면, 이론상 20배의 전류 효과를 얻을 수가 있다.

그런데, 본 발명의 압전 세라믹 소자는 전류는 높아지나 전압은 떨어지게 된다. 즉 상기와 같은 경우에, 단층형 전압이 10이라고 한다면, 본 발명의 압전 세라믹 소자의 전압 효과는 2~3 정도로 떨어진다. 이와 같이, 본 발명의 압전 세라믹 소자는 전체적으로 출력은 높아지기는 하지만 효과 역시 높아지지는 않는다. 그러나, 회로가 있는 경우에는 전압을 높여줄 수 있으므로 큰 효과를 기대할 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명의 실시예에 따르면 회로 없이 출력을 높일 수 있는 구조의 압전 세라믹 소자가 제공되는데, 그 개략적인 실시예가 도 7에 도시되어 있다.

도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 회로 장치에서는 적층형 압전 세라믹 소자와 단판형 압전 세라믹 소자가 병렬로 연결되어 있다. 이러한 구조에 따르면, 본 발명에 따른 압전 세라믹 소자를 통해서는 높은 전류를 얻을 수 있고 단판형 압전 세라믹 소자를 통해서는 높은 전압을 얻을 수가 있어, 이들 압전 세라믹 소자를 병렬로 연결하면 높은 출력(출력=전압×전류)을 얻을 수가 있게 된다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 즉 후술하는 특허청구범위 내에서 상기 실시예를 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

도 1은 본 발명에 따라 그린 시트를 제조하는 테이프 캐스팅의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주는 모식도이다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 압전 세라믹 소자를 제조하는 과정을 모식적으로 보여주는 도면이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 고탄성 재질의 금속층이 접합된 압전 세라믹 소자를 포함하는 회로 장치의 모식도이다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 서로 상이한 구조의 압전 세라믹 소자가 병렬로 연결되어 있는 회로 장치의 모식도이다.

Claims (6)

1. 압전 세라믹 소자를 포함하는 발전시스템용 회로 장치로서,

   내부 전극이 인쇄된 복수 개의 층으로 이루어지는 적층형 압전 세라믹 소자로서, 상기 적층형 압전 세라믹 소자의 상단층의 일부 및 양단에 외부 전극이 형성되고, 하단층의 바닥부에는 고탄성 재질의 금속판이 접합되어 있는 것인 상기 적층형 압전 세라믹 소자와,

   양면에 전극이 형성된 단판형 압전 세라믹 소자

   를 포함하고,

   상기 적층형 압전 세라믹 소자를 구성하는 각각의 압전 세라믹 층 중 최상단의 압전 세라믹 층을 제외한 각 압전 세라믹 층의 한 표면에는 내부 전극이 형성되며,

   상기 각 압전 세라믹 층의 내부 전극은 그 압전 세라믹 층의 양단 중 일단에는 형성되지 않은 채 타단부까지 형성되고,

   상기 타단부까지 내부 전극이 형성된 각 압전 세라믹 층이 다음의 압전 세라믹 층을 건너 그 다음의 압전 세라믹 층과 동일 패턴으로 배열되어, 상기 내부 전극이 상기 외부 전극과 교호로 연결되어, 양극 및 음극 역할을 하는 외부 전극끼리 서로 연결되지 않도록 구성되며,

   상기 내부 전극은 서로 마주보는 방향으로 분극이 이루어지도록 구성되고,

   상기 적층형 압전 세라믹 소자의 상단층 및 하단층에 더미(dummy) 층이 형성되고, 상기 금속판이 상기 하단층의 더미층의 바닥부에 접합되어 있으며,

   상기 금속판은 상기 회로 장치의 정류 회로와 연결되어, 가상의 그라운드 역할을 하고,

   상기 단판형 압전 세라믹 소자와 상기 적층형 압전 세라믹 소자는 서로 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 소자를 포함하는 발전시스템용 회로 장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 따른 발전시스템용 회로 장치에 사용되는 적층형 압전 세라믹 소자의 제조 방법으로서,

   (a) 바인더 및 가소제를 포함하는 유기물과 세라믹 분말의 혼합물을 이용하여, 표면이 매끄러운 형태의 n개의 플렉서블한 그린 시트를 제조하는 단계와;

   (b) 상기 n개의 그린 시트 중 하나를 제외한 n-1개의 그린 시트의 일면에 내부 전극 패턴을 인쇄하는 단계로서, 상기 내부 전극 패턴은 각 그린 시트의 일단부에까지는 연장되지 않도록 인쇄되는 것인 내부 전극 패턴 인쇄 단계와;

   (c) 상기 그린 시트의 단부까지 형성된 내부 전극이 하나의 그린 시트를 건너 다음번 그린 시트의 내부 전극 패턴과 동일하게 나타나도록 상기 n-1개의 그린 시트를 배치하고 그 위에 내부 전극 패턴이 형성되지 않은 그린 시트를 배치하여 적층하는 단계와;

   (d) 상기 적층된 n개의 그린 시트를 압착하는 단계와;

   (e) 상기 압착된 그린 시트를 소결 처리하여 경질의 압전 세라믹 소자를 제조하는 단계와;

   (f) 상기 경질의 압전 세라믹 소자 상면 및 양단부에 걸쳐 상기 압전 세라믹 소자 내부의 전극과 연결되도록 외부 전극을 형성하는 단계와;

   (g) 상기 외부 전극을 통해 전압을 인가하여, 상기 내부 전극에 압전성을 부여하여, 상기 내부 전극이 서로 마주보는 방향으로 분극되도록 하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 출력량을 증대시킨 압전 세라믹 소자 제조 방법.
4. 청구항 3에 있어서, (h) 상기 외부 전극이 형성된 상면과 반대쪽의 상기 경질의 압전 세라믹 소자 바닥면에 탄성 재질의 금속판을 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 출력량을 증대시킨 압전 세라믹 소자 제조 방법.
5. 청구항 1에 따른 발전시스템용 회로 장치에 사용되는 적층형 압전 세라믹 소자의 제조 방법으로서,

   (a) 바인더 및 가소제를 포함하는 유기물과 세라믹 분말의 혼합물을 이용하여, 표면이 매끄러운 형태의 n개의 플렉서블한 그린 시트를 제조하는 단계와;

   (b) 상기 n개의 그린 시트 중 하나를 제외한 n-1개의 그린 시트의 일면에 내부 전극을 동일 패턴으로 m개 인쇄하고, 상기 내부 전극 패턴이 인쇄되지 않은 그린 시트의 상면에 상기 각각의 패턴 사이를 구분하는 가이드 선을 인쇄하는 단계로서, 상기 각각의 내부 전극 패턴은 각 그린 시트의 일단부에까지는 연장되지 않도록 인쇄되는 것인 내부 전극 패턴 및 가이드 선 인쇄 단계와;

   (c) 상기 그린 시트의 단부까지 형성된 내부 전극이 하나의 그린 시트를 건너 다음번 그린 시트의 내부 전극 패턴과 동일하게 나타나도록 상기 n-1개의 그린 시트를 배치하고 그 위에 내부 전극 패턴이 형성되지 않은 그린 시트를 배치함과 아울러 상기 가이드 선이 서로 대응되도록 적층하는 단계와;

   (d) 상기 적층된 n개의 그린 시트를 압착하는 단계와;

   (e) 상기 가이드 선을 따라 상기 압착된 그린 시트를 절단하여, m개의 압착 그린 시트를 얻는 단계와;

   (f) 상기 m개의 압착 그린 시트를 소결 처리하여 m개의 경질의 압전 세라믹 소자를 제조하는 단계와;

   (g) 상기 각각의 경질의 압전 세라믹 소자의 상면 및 양단부에 걸쳐 상기 각각의 압전 세라믹 소자 내부의 전극과 연결되도록 외부 전극을 형성하는 단계와;

   (h) 상기 외부 전극을 통해 전압을 인가하여 상기 내부 전극에 압전성을 부여하여, 상기 내부 전극이 서로 마주보는 방향으로 분극되도록 함으로써, m개의 압전 세라믹 소자를 일괄 공정으로 얻는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 출력량을 증대시킨 복수 개의 압전 세라믹 소자 제조 방법.
6. 청구항 5에 있어서, (i) 상기 각각의 압전 세라믹 소자의 상기 외부 전극이 형성된 상면과 반대쪽의 상기 경질의 압전 세라믹 소자 바닥면에 탄성 재질의 금속판을 접합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전류 출력량을 증대시킨 복수 개의 압전 세라믹 소자 제조 방법.

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