KR101303924B1 - High-density piezoelectric thick film having alumina buffer layer and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고밀도의 압전 후막 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 실리콘 기판; 상기 실리콘 기판 상에 형성된 알루미나 완충층; 및 상기 알루미나 완충층 상에 형성된 압전 후막층을 포함하는 압전 후막을 제공한다. 또한, 본 발명은 실리콘 기판 상에 알루미나 완충층을 형성하는 제1단계; 및 상기 알루미나 완충층 상에 압전 페이스트를 스크린 프린팅한 후, 소결하여 압전 후막층을 형성하는 제2단계를 포함하는 압전 후막의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 실리콘 기판과 압전 후막층의 사이에 형성된 알루미나 완충층에 의해, 실리콘 기판의 Si가 압전 후막층으로 확산되는 것이 차단된다. 또한, 상기 완충층은 압전 후막층과 비슷한 열팽창계수를 가지는 알루미나로 형성되어, 소결 시 결정성 저하가 방지되면서 기계적 특성 및 전기적 특성이 개선된다. 이에 따라, 고밀도의 치밀한 미세 구조로 인하여 우수한 압전 특성을 갖는다. The present invention relates to a high-density piezoelectric thick film and a method of manufacturing the same. The present invention is a silicon substrate; An alumina buffer layer formed on the silicon substrate; And a piezoelectric thick film layer formed on the alumina buffer layer. In addition, the present invention comprises a first step of forming an alumina buffer layer on a silicon substrate; And a second step of screen printing a piezoelectric paste on the alumina buffer layer and then sintering to form a piezoelectric thick film layer. According to the present invention, diffusion of Si of the silicon substrate into the piezoelectric thick film layer is blocked by the alumina buffer layer formed between the silicon substrate and the piezoelectric thick film layer. In addition, the buffer layer is formed of alumina having a coefficient of thermal expansion similar to that of the piezoelectric thick film layer, thereby improving mechanical and electrical properties while preventing crystalline sintering during sintering. Accordingly, it has excellent piezoelectric properties due to the dense and fine microstructure.
Description
본 발명은 고밀도의 압전 후막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 기판과 압전 후막층의 사이에 형성된 알루미나 완충층을 포함하여, 치밀한 미세 구조의 고밀도를 가짐으로 인하여 압전 특성이 우수한 고밀도의 압전 후막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a high-density piezoelectric thick film and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an alumina buffer layer formed between a silicon substrate and a piezoelectric thick film layer, and having a high density of dense microstructure, It relates to a piezoelectric thick film and a method of manufacturing the same.
압전 막, 예컨대 PZT[Pb(Zr,Ti)O3] 등의 압전 세라믹을 이용한 압전 막은 높은 에너지 밀도, 빠른 응답 속도를 가질 뿐만 아니라, 작은 변위에도 높은 감도를 가지는 장점이 있다. 이에 따라, 압전 막은 액츄에이터나 센서 등에 많이 사용되고 있다. Piezoelectric films, such as piezoelectric films using piezoelectric ceramics such as PZT [Pb (Zr, Ti) O 3 ], have not only high energy density and fast response speed but also high sensitivity to small displacements. Accordingly, piezoelectric films are frequently used in actuators, sensors, and the like.
압전 막은 약 1㎛의 두께를 기준으로 박막과 후막으로 분류된다. 최근에는, 보다 큰 변위와 구동력이 요구되는 압전 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 액츄에이터나, 높은 전기에너지 발생이 필요한 압전 MEMS 에너지 하베스터 등을 위한 후막에 대한 요구가 증가하는 추세이다. 그러나 3 ~ 100 ㎛ 두께의 압전 후막의 경우 벌크 세라믹으로부터 가공하거나, 증착 공정을 통해 제작하기에는 많은 어려움이 있다. Piezoelectric films are classified into thin films and thick films based on a thickness of about 1 μm. Recently, there is a growing demand for thick films for piezoelectric microelectromechanical system (MEMS) actuators requiring greater displacement and driving force, piezoelectric MEMS energy harvesters requiring high electrical energy generation, and the like. However, piezoelectric thick films having a thickness of 3 to 100 μm are difficult to be processed from bulk ceramics or manufactured through a deposition process.
일반적으로, 압전 후막은 기판과, 상기 기판 상에 형성된 압전 후막층을 포함한다. 이때, 상기 압전 후막층은 통상적으로 압전 세라믹, 바인더(binder) 및 용제를 혼합한 압전 페이스트(paste)를 기판 상에 스크린 프린팅하여 형성하고 있다. 스크린 프린팅은 공정이 단순하고, 비용이 저렴하며, 높은 생산성 등의 장점을 갖는다. 이와 함께 스크린 프린팅은 패터닝(patterning) 공정이 별도로 필요하지 않고, 원하는 패턴 크기(폭과 두께)의 후막을 직접 형성할 수 있다는 장점을 갖는다. 그러나 스크린 프린팅에 의해 형성된 압전 후막층은, 그 미세 구조가 치밀하지 못하다는 커다란 단점이 있다. 이에 따라, 일반적으로 치밀한 미세 구조를 위해, 스크린 프린팅한 후 1000℃ 이상의 높은 온도, 대략 1200℃ ~ 1250℃ 정도의 고온에서 소결하고 있다. In general, a piezoelectric thick film includes a substrate and a piezoelectric thick film layer formed on the substrate. In this case, the piezoelectric thick film layer is generally formed by screen printing a piezoelectric paste mixed with a piezoelectric ceramic, a binder, and a solvent on a substrate. Screen printing has the advantages of simple process, low cost and high productivity. In addition, screen printing has the advantage that a patterning process is not required separately, and a thick film having a desired pattern size (width and thickness) can be directly formed. However, the piezoelectric thick film layer formed by screen printing has a big disadvantage that its microstructure is not dense. Accordingly, for the purpose of compact microstructure, after screen printing, the substrate is sintered at a high temperature of 1000 ° C or higher and a high temperature of approximately 1200 ° C to 1250 ° C.
그러나 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 소자 등으로 적용되는 압전 후막은 기판으로서 실리콘 기판이 사용되는데, 이때 실리콘 기판 상에 스크린 프린팅한 후 고온 소결하는 경우, Si가 압전 후막층으로 확산하여 2차상이 생성되고, 바인더가 탈지 되면서 밀도가 저하된다. 구체적으로, 실리콘 기판의 Si가 압전 후막층으로 침투 반응하여 2차상이 생성되고, 압전 후막층의 결정성이 떨어져 압전 특성이 떨어지며, 바인더가 탈지되면서 기공이 생성되어 이로 인해 치밀한 미세 구조를 갖기 힘들며, 밀도가 저하된다. 이러한 2차상의 생성 및 밀도 저하 등은 압전 특성에 악영향을 끼친다. However, a piezoelectric thick film applied as a MEMS (Micro Electro Mechanical System) device is used as a substrate, and a silicon substrate is used as the substrate. In this case, when the screen is printed on the silicon substrate and sintered at high temperature, Si diffuses into the piezoelectric thick film layer to generate a secondary phase. As the binder is degreased, the density decreases. Specifically, Si of the silicon substrate penetrates and reacts with the piezoelectric thick film layer to generate a secondary phase, and the piezoelectric property is deteriorated due to poor crystallinity of the piezoelectric thick film layer. , Density decreases. Such secondary phase formation and density reduction adversely affect piezoelectric properties.
최근, 이를 해결하기 위하여 압전 후막층의 조성 성분이나 공정 조건을 변경하는 기술이 시도되고 있다. 예를 들어, 대한민국 공개특허 제10-2002-0090275호[특허문헌 1]에는 압전 후막층을 Pb(Zr,Ti)O3 + xPb(Cd,W)O3(x는 0.01 내지 0.20)의 조성으로 구성한 기술이 제시되어 있으며, 대한민국 공개특허 제10-2011-0017592호[특허문헌 2]에는 압전 후막층을 Pb(Zr,Ti)O3와 Pb(Mn,Nb)O3의 고용체로 하되, 이를 상온 진공 분말 분사법으로 형성하는 기술이 제시되어 있다. 또한, 대한민국 공개특허 제10-2008-0048760호[특허문헌 3]에는 기판과 압전 후막층의 사이에 시딩층을 형성하고, 상기 시딩층을 압전 후막층과 동일 또는 유사한 압전 재료로 구성한 기술이 제시되어 있다. In recent years, in order to solve this problem, the technique of changing the composition component and process conditions of a piezoelectric thick film layer is tried. For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2002-0090275 [Patent Document 1] describes a piezoelectric thick film layer having a composition of Pb (Zr, Ti) O 3 + xPb (Cd, W) O 3 (x is 0.01 to 0.20). A technology composed of the present invention is proposed, and in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0017592 [Patent Document 2], the piezoelectric thick film layer is made of a solid solution of Pb (Zr, Ti) O 3 and Pb (Mn, Nb) O 3 , The technique of forming this by the room temperature vacuum powder injection method is proposed. In addition, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2008-0048760 [Patent Document 3] discloses a technology in which a seeding layer is formed between a substrate and a piezoelectric thick film layer, and the seeding layer is made of the same or similar piezoelectric material as the piezoelectric thick film layer. It is.
그러나 상기 선행 특허문헌들을 포함한 종래 기술에 따른 압전 후막은 상기한 바와 같이 압전 후막층의 조성이나 공정 조건 등의 개선을 통해 고밀도를 도모하고 있으나, 여전히 실리콘 기판의 Si가 압전 후막층으로 확산하는 현상을 방지하지 못하고 있다. However, the piezoelectric thick film according to the prior art, including the prior patent documents, has a high density through the improvement of the composition or the process conditions of the piezoelectric thick film layer as described above, but the phenomenon that Si of the silicon substrate diffuses into the piezoelectric thick film layer. It does not prevent.
이에, 본 발명은 실리콘 기판의 Si가 압전 후막층으로 확산하는 것을 차단하기 위해, 실리콘 기판과 압전 후막층의 사이에 완충층(buffer layer)을 형성하되, 상기 완충층을 압전 후막층과 비슷한 열팽창계수를 가지는 알루미나(Al2O3)로 구성함으로써, Si의 확산을 차단함을 물론, 비슷한 열팽창계수에 의해 소결 시 바인더 탈지로 인해 생성된 기공을 줄임으로써, 고밀도의 치밀한 미세 구조를 가짐으로 인하여 압전 특성이 우수한 고밀도의 압전 후막 및 그 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
Accordingly, the present invention forms a buffer layer between the silicon substrate and the piezoelectric thick film layer in order to prevent the Si of the silicon substrate from diffusing into the piezoelectric thick film layer, wherein the buffer layer has a thermal expansion coefficient similar to that of the piezoelectric thick film layer. Branches are composed of alumina (Al 2 O 3 ) to block the diffusion of Si, as well as to reduce the pores generated due to binder degreasing during sintering by a similar coefficient of thermal expansion, piezoelectric properties due to having a dense and fine microstructure Its purpose is to provide this excellent high-density piezoelectric thick film and its manufacturing method.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, The present invention to achieve the above object,
실리콘 기판; A silicon substrate;
상기 실리콘 기판 상에 형성된 알루미나 완충층; 및An alumina buffer layer formed on the silicon substrate; And
상기 알루미나 완충층 상에 형성된 압전 후막층을 포함하는 압전 후막을 제공한다. It provides a piezoelectric thick film comprising a piezoelectric thick film layer formed on the alumina buffer layer.
이때, 상기 알루미나 완충층은 실리콘 기판 상에 증착된 후, 열처리된 것이 바람직하다.
In this case, the alumina buffer layer is preferably deposited on a silicon substrate, and then heat treated.
또한, 본 발명은, Further, according to the present invention,
실리콘 기판 상에 알루미나 완충층을 형성하는 제1단계; 및Forming a alumina buffer layer on the silicon substrate; And
상기 알루미나 완충층 상에 압전 페이스트를 스크린 프린팅한 후, 소결하여 압전 후막층을 형성하는 제2단계를 포함하는 압전 후막의 제조방법을 제공한다. And a second step of screen printing a piezoelectric paste on the alumina buffer layer and sintering to form a piezoelectric thick film layer.
이때, 상기 제1단계는, 실리콘 기판 상에 알루미나 완충층을 증착하는 증착 공정; 및 상기 증착된 알루미나 완충층을 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
In this case, the first step may include a deposition process of depositing an alumina buffer layer on a silicon substrate; And a heat treatment step of heat treating the deposited alumina buffer layer.
본 발명에 따르면, 실리콘 기판과 압전 후막층의 사이에 형성된 알루미나 완충층에 의해, 실리콘 기판의 Si가 압전 후막층으로 확산되는 것이 차단된다. 또한, 상기 완충층은 압전 후막층과 비슷한 열팽창계수를 가지는 알루미나(Al2O3)로 형성되어, 소결 시 바인더 탈지 때문에 생성된 기공이 줄어든다. 이에 따라, 고밀도의 치밀한 미세구조를 가지면서 기계적 특성 및 전기적 특성이 개선되어 우수한 압전 특성을 갖는다.
According to the present invention, diffusion of Si of the silicon substrate into the piezoelectric thick film layer is blocked by the alumina buffer layer formed between the silicon substrate and the piezoelectric thick film layer. In addition, the buffer layer is formed of alumina (Al 2 O 3 ) having a coefficient of thermal expansion similar to that of the piezoelectric thick film layer, thereby reducing the pores generated due to binder degreasing during sintering. Accordingly, the mechanical and electrical properties are improved while having a high density and dense microstructure, and thus have excellent piezoelectric properties.
도 1은 본 발명에 따른 압전 후막의 단면 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 후막의 P-E 곡선이다. 1 is a cross-sectional configuration diagram of a piezoelectric thick film according to the present invention.
2 is a PE curve of the piezoelectric thick film according to the embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 압전 후막의 단면 구성도를 보인 것이다. Figure 1 shows a cross-sectional configuration of the piezoelectric thick film according to the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 압전 후막은 실리콘 기판(10), 상기 실리콘 기판 상에 형성된 알루미나 완충층(20), 및 상기 알루미나 완충층(20) 상에 형성된 압전 후막층(30)을 포함한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 압전 후막은 실리콘 기판(10)과 압전 후막층(30)의 사이에 알루미나 완충층(20)이 형성된 구조를 갖는다. Referring to FIG. 1, the piezoelectric thick film according to the present invention includes a
또한, 본 발명에 따른 압전 후막의 제조방법은, 실리콘 기판(10) 상에 알루미나 완충층(20)을 형성하는 제1단계, 및 상기 알루미나 완충층(20) 상에 압전 후막층(30)을 형성하는 제2단계를 포함한다. 이하, 제조방법을 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.In addition, in the method of manufacturing a piezoelectric thick film according to the present invention, the first step of forming the
먼저, 실리콘 기판(10)을 준비한다. 실리콘 기판(10)은 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다. 다음으로, 준비된 실리콘 기판(10) 상에 완충층(20, buffer layer)을 형성한다. 본 발명에 따라서, 완충층(20)은 알루미나(Al2O3)로 구성한다. 이때, 압전 후막의 용도 및 사용 목적에 따라, 완충층(20)을 형성한 후 알루미나 완충층(20)의 일면에 하부 전극을 선택적으로 형성할 수 있다. 이와 같이, 하부 전극을 형성하는 경우, 하부 전극은 완충층(20)의 상부에 형성될 수 있다. First, the
본 발명에 따르면, 상기 완충층(20)에 의해 실리콘 기판(10)의 Si가 압전 후막층(30)으로 확산되는 것이 차단된다. 또한, 완충층(20)은 본 발명에 따라서 알루미나로 구성되는데, 알루미나는 다른 산화물(예를 들어, SiO2 등)에 비해 Si의 차단성이 높으며, 특히 압전 후막층(30)과 열팽창계수가 비슷하여 고밀도를 갖게 한다. According to the present invention, the diffusion of Si in the
구체적으로, 알루미나는 당 분야에서 압전 후막층(30)으로 많이 사용되고 있는 PZT계 등의 압전 세라믹과 열팽창계수가 비슷하여 소결 후 치밀한 미세 구조를 형성한다. 보다 구체적으로, 아래에서 설명하는 바와 같이, 상기 압전 후막층(30)은 압전 세라믹(PZT계 등)을 포함하는 압전 페이스트를 완충층(20) 상에 스크린 프린팅한 후, 소결하여 형성하는데, 이때 알루미나는 압전 세라믹(PZT계 등)과 열팽창계수가 비슷하여 소결 후 바인더 탈지 때문에 생성된 기공을 수축시켜 압전 세라믹(PZT계)이 치밀한 미세구조를 가지게 한다. 뿐 만 아니라, Si의 확산이 차단되면서 완충층(20)과 압전 후막층(30)의 층간 결정성이 향상되어 고밀도의 압전 후막이 제조된다. 또한, 알루미나는 압전 후막의 기계적 특성(인장 강도, 휨 강도 등) 및 전기적 특성(전기전도도 등)을 개선한다. Specifically, the alumina has a similar thermal expansion coefficient to piezoelectric ceramics such as PZT system, which are widely used as the piezoelectric
상기 완충층(20)은 알루미나로 구성된 것이면 본 발명에 포함하며, 특별히 한정하는 것은 아니지만 0.01㎛ ~ 20㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 이때, 완충층(20)의 두께가 0.01㎛ 미만이면 Si 차단성과 기공 수축효과 등이 미미하여 우수한 압전 특성을 보이기 어려울 수 수 있으며, 20㎛를 초과하면 압전 후막의 전체 두께가 너무 두꺼워져 MEMS 공정에 부적합할 수 있다. 이러한 점을 고려하여 완충층(20)은 0.3㎛ ~ 10㎛의 두께를 가지는 것이 보다 바람직하다. The
또한, 상기 완충층(20)은, 바람직하게는 증착을 통해 형성될 수 있다. 증착 방법은 제한되지 않는다. 증착은 알루미나를 타겟(target)으로 사용하여, 예를 들어 스퍼터링(sputtering), 물리 기상 증착(physical vapor deposition; PVD), 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition; PLD), 전자빔 증발(electron beam evaporation), 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 및 분자선 에피택시 증착(molecular beam epitaxy; MBE) 등으로부터 선택된 하나 이상의 방법을 사용할 수 있다. 바람직하게는 스퍼터링(sputtering), 구체적으로는 RF 스퍼터링 방법을 유용하게 사용할 수 있다. In addition, the
또한, 본 발명의 바람직한 구현예에 따라서, 완충층(20)을 위와 같이 증착을 통해 형성시킨 후, 증착된 완충층(20)을 열처리하는 것이 좋다. 이와 같이 열처리된 경우, 알루미나의 결정성이 향상되어 열처리 전보다 Si 차단성, 기계적 특성이 더욱 향상된다. 이때, 열처리 공정은 800℃ 이상의 온도에서 실시하는 것이 좋다. 열처리는 보다 구체적으로 800℃ ~ 1000℃의 온도에서 실시하는 것이 좋다. 열처리 온도가 800℃ 미만인 경우, 열처리에 따른 효과, 즉 알루미나의 결정성 향상에 따른 Si 차단성 및 압전후막의 밀도 개선효과가 미미할 수 있다. 그리고 열처리 온도가 1000℃를 초과하는 경우, 과잉 온도에 따른 상승효과가 그다지 크지 않고 과소결로 인한 알루미나의 결정성이 떨어질 수 있다. 아울러, 열처리는 상기 범위의 온도에서 3분 이상, 구체적으로는 3분 내지 1시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 이때, 열처리 시간이 3분 미만이면 열처리에 따른 효과가 미미할 수 있고, 1시간을 초과하는 경우 열처리 시간에 따른 상승효과가 그다지 크지 않고, 에너지 손실 면에서 바람직하지 않고 오히려 과소결로 인한 결정성이 떨어질 수 있다. 이러한 이유로, 800℃ ~ 1000℃의 온도에서 3분 내지 1시간 동안 열처리하는 것이 좋다. In addition, according to a preferred embodiment of the present invention, after forming the
위와 같이 알루미나 완충층(20)을 형성한 다음, 상기 알루미나 완충층(20) 상에 압전 후막층(30)을 형성한다. 압전 후막층(30)은 통상과 같은 방법으로 형성한다. 압전 후막층(30)은 구체적으로 압전 페이스트를 알루미나 완충층(20) 상에 스크린 프린팅한 후, 소결하여 형성한다. After the
본 발명에서 압전 후막층(30)을 구성하는 압전 재료, 즉 상기 압전 페이스트를 구성하는 압전 세라믹은 압전 특성을 가지는 것이면 제한되지 않으며, 이는 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다. 압전 세라믹은, 바람직하게는 Pb, Zr 및 Ti를 기본 원소로 포함하는 PZT계 등으로부터 선택될 수 있다. In the present invention, the piezoelectric material constituting the piezoelectric
상기 압전 세라믹은 구체적으로 PZT[Pb(Zr,Ti)O3]를 사용하거나, 상기 PZT를 기본으로 하되, 상기 PZT에 Zn, Mg, Ni, Nb, Y, W, Mn 및 Cr 등으로부터 선택된 하나 이상의 원소 화합물이 복합된 PZT-복합체로부터 선택될 수 있다. 그리고 상기 PZT-복합체는 구체적인 예를 들어 PZT-PMN[Pb(Zr,Ti)O3-Pb(Mn,Nb)O3], PZT-PCW[Pb(Zr,Ti)O3-Pb(Cd,W)O3], 및 PZT-PMN-PNN[Pb(Zr,Ti)O3-Pb(Mg,Nb)O3-Pb(Ni,Nb)O3] 등을 들 수 있다. The piezoelectric ceramic is specifically one using PZT [Pb (Zr, Ti) O 3 ] or based on the PZT, but selected from Zn, Mg, Ni, Nb, Y, W, Mn, Cr, etc. in the PZT. The above elemental compound may be selected from the complexed PZT-complex. The PZT-composite may be, for example, PZT-PMN [Pb (Zr, Ti) O 3 -Pb (Mn, Nb) O 3 ], PZT-PCW [Pb (Zr, Ti) O 3 -Pb (Cd, W) O 3 ], and PZT-PMN-PNN [Pb (Zr, Ti) O 3 -Pb (Mg, Nb) O 3 -Pb (Ni, Nb) O 3 ] and the like.
상기 압전 페이스트는 압전 세라믹을 포함하되, 스크린 프린팅이 가능할 정도이면 좋다. 압전 페이스트는 구체적으로 압전 세라믹, 바인더 및 용제를 포함할 수 있으며, 상기 바인더와 용제는 통상적으로 사용되는 것을 사용할 수 있다. 또한, 압전 페이스트는 분산제 등의 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다. 압전 페이스트는, 보다 구체적으로 먼저 바인더, 용제 및 분산제 등을 혼합한 비이클(vehicle)을 얻은 다음, 여기에 압전 세라믹을 첨가하여 혼합한 후, 롤 밀링(roll milling)을 수행하여 제조할 수 있다. The piezoelectric paste includes a piezoelectric ceramic, but may be enough to screen printing. The piezoelectric paste may specifically include a piezoelectric ceramic, a binder, and a solvent, and the binder and the solvent may be ones commonly used. In addition, the piezoelectric paste may further include other additives such as a dispersant. More specifically, the piezoelectric paste may be prepared by first obtaining a vehicle in which a binder, a solvent, a dispersant, and the like are mixed, and then adding and mixing the piezoelectric ceramics, followed by roll milling.
위와 같은 압전 페이스트를 알루미나 완충층(20) 상에 스크린 프린팅한 후에는 소결이 진행되는데, 소결은 700℃ 이상의 온도에서 진행될 수 있다. 이때, 본 발명에서 소결 온도는 제한되지 않으며, 고온 소결이 가능하다. 즉, 본 발명에 따르면 알루미나 완충층(20)에 의해 실리콘 기판(10)의 Si가 압전 후막층(30)으로 확산되는 것이 차단되므로 1000℃ 이상의 고온 소결이 가능하다. 압전 후막층(30)의 소결은 구체적으로 700℃ ~ 1300℃의 온도에서 실시될 수 있다. 이때, 소결 온도가 700℃ 미만이면 압전 후막층(30)의 소결(결정화)이 어려우며, 1300℃를 초과하면 과열로 인하여 압전 후막이 휘어지거나 깨질 수 있다. 바람직하게는, 압전 후막층(30)이 치밀한 미세 구조의 고밀도를 갖도록, 저온보다는 800℃ ~ 1200℃의 고온에서 소결하는 것이 좋다. 그리고 이러한 온도에서 수초 이상, 특별히 한정하는 것은 아니지만 30초 내지 30분 동안 급속 소결하는 것이 좋다. After screen printing the piezoelectric paste as described above on the
또한, 상기 압전 후막층(30)은 1㎛ 이상의 두께이면 좋다. 압전 후막층(30)은 구체적으로 1㎛ ~ 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 바람직하게는 20㎛ ~ 100㎛의 두께를 가질 수 있다. 아울러, 본 발명에 따른 압전 후막은, 통상과 같이 하부 전극과 상부 전극을 포함할 수 있다. 이때, 상기 하부 전극은 알루미나 완충층(20)과 압전 후막층(30)의 사이에 형성될 수 있으며, 상기 상부 전극은 압전 후막층(30)의 상부에 형성될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 압전 후막의 제조방법은 상기 알루미나 완충층(20)과 압전 후막층(30)의 사이에 하부 전극을 형성하는 단계, 및 상기 압전 후막층(30)의 상부에 상부 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. The piezoelectric
이때, 상기 하부 전극 및 상부 전극은 전도성을 가지는 것이면 특별히 제한되지 않으면, 이는 예를 들어 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 산화 루테늄(RuO) 등으로부터 선택된 하나 이상의 전도성 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 하부 전극 및 상부 전극은 증착을 통해 형성하거나, 상기 전도성 물질을 포함하는 전극 페이스트를 스크린 프린팅한 후, 열처리하는 방법으로 형성할 수 있다. At this time, the lower electrode and the upper electrode is not particularly limited as long as it has conductivity, which is, for example, silver (Ag), platinum (Pt), gold (Au), aluminum (Al), copper (Cu) and ruthenium oxide ( RuO) and the like may include one or more conductive materials. In addition, the lower electrode and the upper electrode may be formed by vapor deposition, or by screen printing an electrode paste including the conductive material, followed by heat treatment.
이상에서 설명한 본 발명에 따르면, 전술한 바와 같이 실리콘 기판(10)과 압전 후막층(30)의 사이에 완충층(20)이 형성되어, 압전 후막층(30)의 소결 시 실리콘 기판(10)의 Si가 압전 후막층(30)으로 확산되는 것이 차단된다. 또한, 상기 완충층(20)은 Si 차단성이 높으면서, 특히 압전 후막층(30)과 열팽창계수가 유사한 알루미나로 구성되어, 소결 시 압전 후막층(30)의 소결성 및 결정성이 향상된다. 이에 따라, Si의 확산과 열팽창계수 차이에 의한 2차상의 생성과 기공 생성에 따른 밀도 저하가 방지되어, 고밀도의 치밀한 미세 구조를 가지며 우수한 압전 특성을 갖는다. 아울러, 알루미나는 압전 후막의 기계적 특성 및 전기적 특성을 크게 향상시킨다. According to the present invention described above, as described above, the
본 발명에 따른 압전 후막은 다양한 제품의 압전 소자에 적용될 수 있으며, 예를 들어 고밀도로서 높은 압전 특성이 요구되는 압전 MEMS, 압전 액츄에이터, 압전 센서 및 압전 에너지 하베스터 등의 여러 가지 압전 소자에 응용할 수 있다.The piezoelectric thick film according to the present invention can be applied to piezoelectric elements of various products, and can be applied to various piezoelectric elements such as piezoelectric MEMS, piezoelectric actuators, piezoelectric sensors, and piezoelectric energy harvesters that require high piezoelectric properties as a high density. .
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 예시적인 것으로서, 이는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be exemplified. The following examples are provided for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the technical scope of the present invention.
[실시예 1] Example 1
먼저, 용제로서 α-테르피네올(α-terpineol)에 바인더로서 부톡시에톡시에틸아세테이트(butoxy ethoxy ethyl acetate)와 폴리비닐부티랄(polyvinyl butyral)을 첨가하여 완전히 용해시킨 비이클을 얻었다. 그리고 비이클에 통상적으로 사용되는 PZT 분말을 롤 밀링(roll milling)하여 혼합, 분산시킨 압전 페이스트를 제조하였다. First, a solvent was prepared by completely adding butoxy ethoxy ethyl acetate and polyvinyl butyral as a binder to α-terpineol as a solvent. In addition, PZT powders commonly used in vehicles were roll milled to prepare piezoelectric pastes mixed and dispersed.
또한, RF 스퍼터에 알루미나(Al2O3) 타켓을 장착한 다음, 증착 진공도 2.0 x 10-6에서 아르곤 가스(Ar gas)를 30 sccm로 주입하여, 0.02 torr의 압력에서 RF 파워 300W의 증착 조건으로 스퍼터링하여 실리콘 기판 위에 알루미나(Al2O3)를 1100nm의 두께로 증착하였다. 이후, 증착된 시편(Al2O3/Si)을 전기로에 넣고 900℃의 온도에서 5분간 동안 열처리하였다. In addition, an alumina (Al 2 O 3 ) target was mounted on the RF sputter, and argon gas (Ar gas) was injected at 30 sccm at a deposition vacuum of 2.0 x 10 -6 , and the deposition conditions of the RF power 300W at a pressure of 0.02 torr were obtained. By sputtering with alumina (Al 2 O 3 ) was deposited on the silicon substrate to a thickness of 1100nm. Then, the deposited specimen (Al 2 O 3 / Si) was put in an electric furnace and heat-treated for 5 minutes at a temperature of 900 ℃.
다음으로, 상기 열처리된 시편(Al2O3/Si)의 알루미나(Al2O3)층 상에 은(Ag) 하부 전극을 스크린 프린팅 한 후 전기로에 넣고 600℃의 온도에서 10분간 열처리하였다. 상기 열처리된 시편(Ag/Al2O3/Si)의 상부에 상기 제조된 압전 페이스트를 통상과 같은 방법으로 스크린 프린팅하였다. 그리고 스크린 프린팅된 시편(PZT/Ag/Al2O3/Si)을 전기로에 투입하여 860℃의 온도에서 300초 동안 소결하였다.Next, after screen printing a silver (Ag) lower electrode on the alumina (Al 2 O 3 ) layer of the heat-treated specimen (Al 2 O 3 / Si) into the electric furnace and heat-treated at 600 ℃ temperature for 10 minutes. The prepared piezoelectric paste was screen printed on the heat treated specimen (Ag / Al 2 O 3 / Si) in the same manner as usual. The screen printed specimen (PZT / Ag / Al 2 O 3 / Si) was put into an electric furnace and sintered at a temperature of 860 ° C. for 300 seconds.
이후, 상기 소결된 시편(PZT/Ag/Al2O3/Si)의 PZT층 상에 백금(Pt) 상부 전극을 증착(DC 스퍼터링)하여 Pt/PZT/Ag/Al2O3/Si의 구조를 가지는 압전 후막을 제조하였다.
Thereafter, a platinum (Pt) upper electrode is deposited (DC sputtering) on the PZT layer of the sintered specimen (PZT / Ag / Al 2 O 3 / Si) to form a structure of Pt / PZT / Ag / Al 2 O 3 / Si. A piezoelectric thick film having was prepared.
[실시예 2 내지 5] [Examples 2 to 5]
상기 실시예 1과 비교하여, 알루미나(Al2O3)층의 형성 시 알루미나(Al2O3)층 두께를 달리한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 각 실시예에 따른 알루미나(Al2O3)층의 증착 두께는 하기 [표 1]과 같다.
Compared with Example 1, it was prepared by performing the same, except that a different layer thickness of the alumina (Al 2 O 3) in the formation of the layer of alumina (Al 2 O 3). Deposition thickness of the alumina (Al 2 O 3 ) layer according to each embodiment is shown in Table 1 below.
[비교예 1] Comparative Example 1
상기 실시예 1과 비교하여, 알루미나(Al2O3)층을 형성시키지 않는 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 구체적으로, 본 비교예 1에 따른 압전 후막은 통상과 같이 Pt/PZT/Ag/Si의 구조를 갖도록 하였다.
Compared with Example 1, except that the alumina (Al 2 O 3 ) layer is not formed, it was carried out in the same manner. Specifically, the piezoelectric thick film according to Comparative Example 1 had a structure of Pt / PZT / Ag / Si as usual.
[비교예 2] Comparative Example 2
상기 실시예 1과 비교하여, 알루미나(Al2O3) 대신에 실리카(SiO2)를 사용한 것을 제외하고는 동일하게 실시하였다. 구체적으로, 본 비교예 2에 따른 압전 후막은 Pt/PZT/SiO2/Ag/Si의 구조를 갖게 하였다.
Compared to Example 1, it was carried out in the same manner except that silica (SiO 2 ) was used instead of alumina (Al 2 O 3 ). Specifically, the piezoelectric thick film according to Comparative Example 2 had a structure of Pt / PZT / SiO 2 / Ag / Si.
위와 같이 제조된 각 실시예 및 비교예에 따른 압전 후막 시편에 대하여, 최대 Pr 값(remanent polarization, 잔류 분극 값)을 측정하고, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. 또한, 첨부된 도 2는 상기 실시예 1에 따른 압전 후막 시편의 P-E 곡선을 나타낸 것이다.
For the piezoelectric thick film specimens according to the examples and the comparative examples prepared as described above, the maximum P r value (remanent polarization, residual polarization value) was measured, and the results are shown in the following [Table 1]. In addition, Figure 2 attached shows a PE curve of the piezoelectric thick film specimen according to Example 1.
상기 [표 1]에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예(1 ~ 5)의 경우, 고밀도를 가짐으로 인하여 압전 특성을 나타내는 Pr 값이 종래의 비교예 1보다 월등히 높음을 알 수 있었다. 또한, 알루미나(Al2O3) 대신에 완충층으로서 실리카(SiO2)를 사용한 비교예 2의 경우, 비교예 1보다는 개선되었으나, 이는 압전 세라믹(PZT)과의 열팽창계수 차이로 인해 본 발명의 실시예(1 ~ 5)보다는 현저히 낮게 평가됨을 알 수 있었다. As shown in Table 1, in Examples (1 to 5) according to the present invention, it can be seen that the P r value representing the piezoelectric properties is significantly higher than that of the conventional Comparative Example 1 due to the high density. In addition, in the case of Comparative Example 2 using silica (SiO 2 ) as a buffer layer instead of alumina (Al 2 O 3 ), it is improved than Comparative Example 1, but this is due to the difference in thermal expansion coefficient with the piezoelectric ceramic (PZT) It was found to be significantly lower than the examples (1 to 5).
아울러, 상기 [표 1]에 나타난 바와 같이, 알루미나(Al2O3)층의 두께에 따라 압전 특성이 달라짐을 알 수 있었으며, 특히 실시예 1과 실시예 5에서 대비되는 바와 같이, 알루미나(Al2O3)층의 두께가 두꺼울수록 압전 특성이 더욱 증가함을 알 수 있었다. 그리고 실시예 1과 같이 알루미나(Al2O3)층의 두께가 1100nm인 경우 약 42 μC/㎠의 우수한 압전 특성을 가짐을 알 수 있었다. 또한, 알루미나(Al2O3)층의 두께가 1100nm 이상의 경우는 1100nm 두께와 비슷한 특성 값을 나타내었다.
In addition, as shown in [Table 1], it was found that the piezoelectric properties were varied depending on the thickness of the alumina (Al 2 O 3 ) layer, and in particular, as compared with Examples 1 and 5, alumina (Al As the thickness of the 2 O 3 ) layer was increased, the piezoelectric properties were further increased. In addition, when the thickness of the alumina (Al 2 O 3 ) layer was 1100 nm as in Example 1, it was found to have excellent piezoelectric properties of about 42 μC / cm 2. In addition, when the thickness of the alumina (Al 2 O 3 ) layer is 1100nm or more showed a characteristic value similar to 1100nm thickness.
10 : 실리콘 기판 20 : 완충층
30 : 압전 후막층 10
30: piezoelectric thick film layer
Claims (9)
상기 실리콘 기판 상에 형성된 알루미나 완충층; 및
상기 알루미나 완충층 상에 형성된 압전 후막층을 포함하되,
상기 알루미나 완충층은 상기 실리콘 기판 상에 증착된 후, 열처리된 것을 특징으로 하는 압전 후막.
A silicon substrate;
An alumina buffer layer formed on the silicon substrate; And
It includes a piezoelectric thick film layer formed on the alumina buffer layer,
And the alumina buffer layer is deposited on the silicon substrate and then heat treated.
상기 열처리는 800℃ ~ 1000℃의 온도에서 3분 내지 1시간 동안 수행되는 것을특징으로 하는 압전 후막.
The method of claim 1,
The piezoelectric thick film, characterized in that the heat treatment is performed for 3 minutes to 1 hour at a temperature of 800 ℃ ~ 1000 ℃.
상기 알루미나 완충층은 0.01㎛ ~ 20㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 후막.
3. The method according to claim 1 or 2,
The alumina buffer layer is a piezoelectric thick film, characterized in that having a thickness of 0.01㎛ ~ 20㎛.
상기 알루미나 완충층 상에 압전 페이스트를 스크린 프린팅한 후, 소결하여 압전 후막층을 형성하는 제2단계를 포함하되,
상기 제1단계는, 상기 실리콘 기판 상에 알루미나 완충층을 증착하는 증착 공정; 및
상기 증착된 알루미나 완충층을 열처리하는 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 후막의 제조방법.
Forming a alumina buffer layer on the silicon substrate; And
And a second step of screen printing a piezoelectric paste on the alumina buffer layer and then sintering to form a piezoelectric thick film layer.
The first step may include a deposition process of depositing an alumina buffer layer on the silicon substrate; And
And a heat treatment step of heat treating the deposited alumina buffer layer.
상기 알루미나 완충층과 압전 후막층의 사이에 Ag, Pt, Au, Al, Cu 및 RuO으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 하부 전극을 형성하는 단계; 및
상기 압전 후막층의 상부에 Ag, Pt, Au, Al, Cu, 및 RuO으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 상부 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 후막의 제조 방법.
5. The method of claim 4,
Forming a lower electrode comprising at least one selected from Ag, Pt, Au, Al, Cu, and RuO between the alumina buffer layer and the piezoelectric thick film layer; And
And forming an upper electrode including one or more selected from Ag, Pt, Au, Al, Cu, and RuO on top of the piezoelectric thick film layer.
상기 열처리 공정은 800℃ ~ 1000℃의 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 압전 후막의 제조방법.
5. The method of claim 4,
The heat treatment process is a piezoelectric thick film manufacturing method characterized in that the heat treatment at a temperature of 800 ℃ ~ 1000 ℃.
상기 소결은 800℃ ~ 1200℃의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하는 압전 후막의 제조방법. 5. The method of claim 4,
The sintering is a method for producing a piezoelectric thick film, characterized in that carried out at a temperature of 800 ℃ ~ 1200 ℃.
상기 열처리 공정은 800℃ ~ 1000℃의 온도에서 3분 내지 1시간 동안 열처리하는 것을 특징으로 하는 압전 후막의 제조방법.The method of claim 7, wherein
The heat treatment process is a piezoelectric thick film manufacturing method characterized in that the heat treatment for 3 minutes to 1 hour at a temperature of 800 ℃ ~ 1000 ℃.
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