KR101328345B1 - 압전체 조성물, 압전 소자, 잉크젯 프린트 헤드 및 압전 소자와 잉크젯 프린터 헤드의 제조방법 - Google Patents
압전체 조성물, 압전 소자, 잉크젯 프린트 헤드 및 압전 소자와 잉크젯 프린터 헤드의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 압전소자, 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자는 압전 소자용 압전체 조성물 100 중량부에 대하여, 90 중량부 이상 100 중량부 미만의, Pb(Zr, Ti)O3를 포함하는 압전 세라믹 파우더; 및 0 중량부 초과 10 중량부 이하의 글라스 프릿;을 포함하고, 글라스 프릿 100 중량부에 10 내지 20 중량부의 ZnO를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 압전 소자, 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 환경에 무해하면서도 압전 특성이 향상된 압전 소자, 잉크젯 프린트 헤드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 잉크젯 프린트 헤드는, 인쇄용 잉크의 미소한 액적(droplet)을 기록 용지상의 원하는 위치에 토출시켜서 소정 색상의 화상으로 인쇄하는 장치이다. 이러한 잉크젯 프린터의 잉크 토출 방식으로는 열원을 이용하여 잉크에 버블(bubble)을 발생시켜 이 힘으로 잉크를 토출시키는 전기-열 변환 방식(electro-thermal transducer, 버블젯 방식)과 압전체를 이용하여 압전체의 변형으로 인해 생기는 잉크의 체적 변화에 의해 잉크를 토출시키는 전기-기계 변환 방식(electro-mechanical transducer, 압전 방식)이 있다.
상기 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드는 주로 세라믹 재료, 금속 재료 또는 합성 수지 재료 등으로 구성된 다수의 박판을 절삭 가공하여 잉크 유로를 형성하고, 다수의 박판을 적층하여 제조된다. 상기 잉크 유로에 압력을 가하도록 잉크젯 프린트 헤드에 압전 소자가 탑재된다. 상기 압전 소자에 전압을 인가하여 잉크 유로에 압력을 가하여 잉크를 토출시킬 수 있다.
상기 압전 소자는 서로 다른 극으로 대전되는 두 전극 사이에 압전체가 배치된 구조를 가지며, 상기 압전체는 압전체 조성물을 포함하는 압전체 페이스트가 인쇄되어 형성될 수 있다. 그리고, 압전체 페이스트를 소결하여 압전 소자를 제조할 수 있다.
일반적인 압전체 조성물의 경우 1000℃ 이상의 소성 온도가 요구된다. 소성 온도가 높은 경우 전극을 형성하는 물질이 휘발 되거나, 기판을 형성하는 물질이 변성되어 물성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 소성 온도를 낮추기 위하여 일반적으로 Cd이 사용되는데 Cd을 사용하는 경우 환경 규제 대상이 된다. 따라서 Cd을 대체할 수 있으면서도 우수한 압전 특성을 구현할 수 있는 다양한 물질들에 대한 연구가 진행되고 있다.
본 발명의 일 실시 양태는 Cd를 사용하지 않고도 저온 소결이 가능한 압전체를 제공하는 것이다. 그에 따라 고온 소결을 통하여 발생하는 많은 문제점을 해결하는 것이다.
본 발명의 다른 실시 양태는 우수한 압전 특성을 갖는 압전 소자를 제공하는 것이다. 인가되는 전압에 따라 반복성이 보장되고, 미세 변위의 움직임을 용이하게 구현할 수 있는 압전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자는 압전 소자용 압전체 조성물 100 중량부에 대하여, 90 중량부 이상 100 중량부 미만의, Pb(Zr, Ti)O3를 포함하는 압전 세라믹 파우더; 및 0 중량부 초과 10 중량부 이하의 글라스 프릿;을 포함하고, 글라스 프릿 100 중량부에 10 내지 20 중량부의 ZnO를 포함할 수 있다.
상기 압전 세라믹 파우더는 xPb(Mg1 /3Nb2 /3)-y(Ni1 /3Nb2 /3)-zZr-wTi-O3의 조성을 갖고, x, y, z및 w는 mol% 이고, 0.15 ≤ x ≤ 0.40, 0.05 ≤ y ≤ 0.20, 0.20 ≤ z ≤ 0.35 및 0.30 ≤ w ≤ 0.45를 만족할 수 있다.
상기 글라스 프릿 100 중량부에 대하여 65 내지 85 중량부의 Bi2O3와 5 내지 15 중량부의 B2O3를 포함할 수 있다.
상기 압전체 페이스트 100 중량부에 대하여, 80 내지 85 중량부의 압전체 조성물; 10 내지 14 중량부의 용제; 및 1 내지 10 중량부의 첨가제;를 포함할 수 있다.
상기 압전체 페이스트의 소결 온도는 900 내지 1000℃일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드는 내부에 압력 챔버를 포함하는 기판, 상기 기판의 상기 압력 챔버 위에 형성된 제1 전극; 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자용 압전체 조성물을 포함하는 압전체; 및 상기 압전체에 형성되는 제2 전극;을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 소자 제조 방법은 제1 전극을 형성하는 단계; 제1 전극에, 압전체 조성물 100 중량부에 대하여 90 중량부 이상 100 중량부 미만의, Pb(Zr, Ti)O3를 포함하는 압전 세라믹 파우더, 및 0 중량부 초과 10 중량부 이하의 글라스 프릿을 포함하고, 상기 글라스 프릿 100 중량부에 10 내지 20 중량부(wt%)의 ZnO를 포함하는 압전체 조성물을 포함하는 압전체 페이스트를 인쇄하여 압전체를 형성하는 단계; 압전체 위에 제2 전극을 형성하는 단계; 및 기판, 상기 제1 전극, 상기 압전체 및 상기 제2 전극을 소결하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 압전체 페이스트 100 중량부에 대하여, 80 내지 85 중량부의 압전체 조성물; 10 내지 14 중량부의 용제; 및 1 내지 10 중량부의 첨가제;를 포함할 수 있다.
상기 압전체 페이스트의 소결 온도는 900 내지 1000℃일 수 있다.
상기 압전 세라믹 파우더는 xPb(Mg1 /3Nb2 /3)-y(Ni1 /3Nb2 /3)-zZr-wTi-O3의 조성을 갖고, 상기 x, y, z및 w는 mol% 이고, 0.15 ≤ x ≤ 0.40, 0.05 ≤ y ≤ 0.20, 0.20 ≤ z ≤ 0.35 및 0.30 ≤ w ≤ 0.45를 만족할 수 있다.
상기 글라스 프릿 100 중량부에 대하여, 65 내지 85 중량부의 Bi2O3와 5 내지 15 중량부의 B2O3를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드 제조 방법은 단결정 실리콘으로 이루어지고, 내부에 잉크 유로가 형성된 기판을 마련하는 단계; 및 상기 기판에 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 Cd를 사용하지 않고도 저온 소결이 가능한 압전체를 제공할 수 있다. 그에 따라, 환경 규제 대상이 되는 Cd를 사용하지 않고도 고온 소결을 통하여 발생하는 많은 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 환경에 유해한 물질을 사용하지 않고, 환경에 유해한 물질을 발생시키지 않아 안정성이 보장되는 압전 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 우수한 압전 특성을 갖는 압전 소자를 제공하는 것이다. 우수한 유전율을 갖는 압전 소자를 제조할 수 있어 인가되는 전압에 따라 미세 변위 운동의 반복성이 보장될 수 있다. 그에 따라, 미세 변위 운동을 구현하기 위한 다양한 전자 부품에 적용될 수 있는 압전 소자를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 개략 단면도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조하는 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 소성 공정에서의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 압전 소자의 단면을 나타내는 전자 주사 현미경 사진(SEM)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 위치에 따른 평균 변위를 나타내는 그래프이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 제조하는 공정 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 소성 공정에서의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예와 비교예에 따른 압전 소자의 단면을 나타내는 전자 주사 현미경 사진(SEM)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드의 위치에 따른 평균 변위를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드(1)의 개략 단면도이다.
이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드(1)는 잉크 유로가 형성된 상부 기판(100), 중간 기판(200) 및 하부 기판(300)을 포함하고, 상기 상부 기판(100)에 형성된 제1 전극(120), 압전체(130) 및 제2 전극(140)을 포함한다. 그리고 상기 제2 전극(140)에 인쇄 회로 기판(150)을 연결하여 압전체(130)에 인가되는 전압을 조절하여 미소 액적(droplet)을 구현할 수 있는 잉크젯 프린트 헤드(1)를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드(1)는 다수의 얇은 플레이트가 적층 접합되어 형성될 수 있다.
상기 잉크젯 프린트 헤드(1)는 순서대로 상부 기판(100), 중간 기판(200) 및 하부 기판(300)이 적층 및 접합되어 형성될 수 있다.
상기 상부 기판(100)에는 압전 소자의 변화에 잉크 유로에 압력을 가할 수 있는 압력 챔버(111)를 포함하며 상부 기판(100)의 얇은 부분은 진동부(103)로서 압전 소자의 변화를 압력 챔버(111)에 전달하는 역할을 한다.
상기 중간 기판(200)은 상기 압력 챔버(111)에 연결되는 리저버(201)를 포함할 수 있다. 상기 리저버(201)는 잉크 컨테이너(미도시)로부터 유입된 잉크를 저장하고, 토출될 잉크가 채워지는 곳이다.
상기 하부 기판(300)은 잉크 유도부(303) 및 잉크 토출부(301)로 이루어진 노즐부가 형성된다. 상기 잉크 유도부(303)는 상기 리저버(201)에 연결되어 압력 챔버에 압력이 가해지면 토출될 잉크를 노즐부로 유도하는 역할을 한다. 그리고, 상기 잉크 토출부(301)는 외부로 잉크를 토출시키는 역할을 한다.
상기 상부 기판(100), 상기 중간 기판(200) 및 상기 하부 기판(300)은 적층되어 잉크를 토출시키기 위한 잉크 유로를 형성할 수 있다. 상기 상부 기판(100)에 압전 소자가 탑재될 수 있으며, 압전 소자는 인가된 전압에 따라 그 형상이 변형되어 잉크 유로에 압력을 가해 잉크를 토출시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자는 제1 전극(120), 압전체(130) 및 제2 전극(140)으로 이루어질 수 있다.
압전 소자는 인가된 전압에 따라 압전 물질의 수축 및 팽창을 구현할 수 있는 소자이다. 압전 소자는 인가된 전압의 크기를 조절하여 미세한 크기의 움직임을 반복적으로 구현해낼 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 압전 소자가 잉크젯 프린트 헤드(1)에 장착되어 잉크 유로의 압력을 가하는 데에 사용되는 것을 개시하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 반복적인 미세 운동을 구현하기 위한 다양한 제품에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 압전 소자의 압전체로 지르콘 티탄산 납 자기(PZT; lead Zirconium Titanite Ceramics)를 사용할 수 있다. PZT는 Pb(Zr, Ti)O3의 조성을 갖고 복합 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 물질로서, 강유전체 또는 반강 유전체 특성을 갖는 물질이다. PZT는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 전환하는 효율이 우수한 재료로서 반복적인 미세 운동을 구현하는 데에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 압전 소자는 압전체 조성물 100 중량부에 대하여, 90 중량부 이상 100 중량부 미만의, Pb(Zr, Ti)O3를 포함하는 압전 세라믹 파우더 및 0 중량부 초과 10 중량부 이하의 글라스 프릿을 포함할 수 있다. 글라스 프릿의 함량이 10 중량부를 초과하는 경우 압전체 고유의 압전 특성이 저하될 수 있다. 그리고, 상기 글라스 프릿은 글라스 프릿 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부(wt%)의 ZnO를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전체를 형성하는 압전체 조성물은 Pb(Zr, Ti)O3를 포함하는 압전 세라믹 파우더, 즉 지르콘 티탄산 납 자기(PZT; lead Zirconium Titanite Ceramics)를 포함할 수 있다. PZT 파우더의 경우 우수한 압전 특성을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 압전 세라믹 파우더는 xPb(Mg1 /3Nb2 /3)-y(Ni1/3Nb2/3)-zZr-wTi-O3의 조성을 갖고, 상기 x, y, z 및 w는 mol%로서 0.15 ≤ x ≤ 0.40, 0.05 ≤ y ≤ 0.20, 0.20 ≤ z ≤ 0.35 및 0.30 ≤ w ≤ 0.45를 만족할 수 있다.
상기와 같은 조성을 갖는 압전 세라믹 파우더를 사용하는 경우 우수한 압전 특성을 갖는 압전 소자를 구현할 수 있으며, 반복적인 미세 운동을 용이하게 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 글라스는 글라스 프릿(glass frit) 상태로 제공되어 압전 세라믹 파우더 간의 결합을 보조하도록 프릿(frit) 상태로 제공되며 압전 세라믹 파우더의 소결 온도를 낮출 수 있으며 우수한 치밀성을 갖는 압전체를 제공할 수 있다.
글라스 프릿은 각각의 조성대로 원재료를 칭량한 후 증류수와 지르코니아 볼을 넣고 12시간 균일하게 혼합한다. 혼합한 슬러리는 건조한 후에 건조된 분말로 알루미늄 도가니에 넣고 1000℃ 이상의 고온에서 용융한 다음 증류수를 부어 급랭시켜 유리상을 만들어 분해하여 글라스 프릿 상태의 분말을 제공할 수 있다. 본 발명의 압전체 조성물은 상기와 같은 압전 세라믹 파우더와 글라스 프릿을 혼합하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 글라스 프릿은 글라스 프릿 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부의 ZnO를 포함할 수 있다.
상기 ZnO는 압전 세라믹 파우더의 우수한 압전 특성을 구현하면서 압전 세라믹 파우더의 소결 온도를 낮추는 역할을 한다.
글라스 프릿 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부의 ZnO를 포함하게 되는데, 10 중량부 미만인 경우 소결 온도를 900℃ 이하로 낮출 수 없고, 20 중량부 초과인 경우 압전 특성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 900 내지 1000℃의 소결 온도를 유지하고, 우수한 압전 특성을 구현하기 위하여 글라스 프릿 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부의 ZnO를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 Bi2O3-B2O3-ZnO계열의 글라스 프릿을 사용할 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니나 본 발명의 압전체 조성물의 소결 온도 범위를 만족하게 하기 위하여 글라스 프릿 100 중량부에 대하여 65 내지 85 중량부의 Bi2O3와 5 내지 15 중량부의 B2O3를 포함할 수 있다. Bi2O3의 경우 B2O3, ZnO보다 용융 온도가 낮아 글라스 프릿에 포함되는 비율이 높아지게 된다. 하지만 Bi2O3가 지나치게 많아지는 경우 글라스 프릿의 성질을 잃기 때문에 상기와 65 내지 85 중량부의 Bi2O3와 5 내지 15 중량부의 B2O3를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전체 조성물은 900 내지 100℃의 소결 온도를 갖도록 형성되어, 압전체를 사이에 두고 제1 전극 및 제2 전극을 형성하여 함께 소결하더라도 제1 및 제2 전극을 구성하는 물질이 휘발 되는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 전극을 구성하는 물질이 실리콘 기판과 같은 인접한 물질과 반응하는 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 상기 압전체 조성물은 Cd을 포함하지 않고도 우수한 압전 특성을 유지하면서 저온 소결할 수 있는 압전체를 제조할 수 있다. 그에 따라 환경에 유해한 Cd을 방출하지 않으면서도 우수한 압전 특성을 구현할 수 있는 압전 소자를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 압전체를 제조하기 위하여 상기 압전체 조성물, 용제 및 첨가제를 포함하는 압전체 페이스트가 사용된다.
압전체 조성물은 상기 언급한 바와 같이 압전 세라믹 파우더와 글라스 프릿으로 구성된 조성물이고, 용제는 상기 압전 세라믹 파우더와 글라스 프릿을 페이스트 상태로 분산시키기 위해 사용될 수 있다. 첨가제는 바인더 또는 분산제와 같이 압전체 페이스트의 점성 및 분산성을 보조하는 역할을 하는 다양한 첨가제가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용제로 테르피네올(terpineol) 또는 부틸 카르비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate)가 사용될 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니며 다양한 용제가 사용될 수 있다.
첨가제로서 분산제, 에틸셀룰로오스(ethylcellulose)와 같은 바인더가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 다양한 분산제와 바인더가 적용될 수 있다.
상기 압전체 페이스트는 압전체 페이스트 100 중량부에 대하여, 80 내지 85 중량부의 압전체 조성물, 10 내지 14 중량부의 용제, 및 1 내지 10 중량부의 첨가제를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 압전 세라믹 파우더와 글라스 프릿이 혼합된 압전체 조성물은 압전 소자의 압전 특성을 구현할 수 있다. 상기 압전체 조성물로 상기 언급한 PZT 파우더와 Zn을 포함하는 글라스 프릿을 사용할 수 있다.
압전체 페이스트 100 중량부에 대하여, 80 내지 85 중량부의 압전체 조성물을 포함할 수 있다. 80 중량부 미만인 경우 압전체 페이스트의 점도가 떨어져 스크린 프린팅 등의 인쇄 공정시 어느 정도 두께를 확보하기가 어려워진다. 즉, 인쇄 공정시 두께가 얇아지게 되어 압전체에 전압을 인가하면 압전체가 파괴(breakdown)되어 안정적으로 구동할 수 없게 된다. 85 중량부 초과인 경우 압전체 페이스트의 점성이 증가하여 스크린 프린팅 등의 인쇄 공정에 적용하기 어려워질 수 있다.
압전체 페이스트 100 중량부에 대하여 10 내지 14 중량부의 용제를 포함할 수 있다. 용제가 10 중량부 미만인 경우 압전체 조성물의 분산성이 떨어지게 되고, 14 중량부를 초과하는 경우 소결체에서 불순물이 포함되거나, 압전체 조성물의 밀도가 떨어져 압전 특성이 떨어질 수 있다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉크젯 프린트 헤드용 압전 소자 제조 방법을 나타내는 공정 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2d는 잉크젯 프린트 헤드용 압전 소자 제조 방법을 일 실시예로 설명하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 다양한 압전 소자 제조 방법에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자 제조 방법은 제1 전극을 형성하는 단계(도 2b); 상기 제1 전극에 총 중량에 대하여 90 중량부 이상 100 중량부 미만의, Pb(Zr, Ti)O3를 포함하는 압전 세라믹 파우더, 및 0 중량부 초과 10 중량부 이하의 글라스 프릿을 포함하고, 상기 글라스 프릿 100 중량부에 10 내지 20 중량부의 ZnO를 포함하는 압전체 조성물을 포함하는 압전체 페이스트를 인쇄하여 압전체를 형성하는 단계(도 2c); 상기 압전체 위에 제2 전극을 형성하는 단계(도 2d); 및 상기 기판, 상기 제1 전극, 상기 압전체 및 상기 제2 전극을 소결하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자 제조 방법은 특히 잉크젯 프린트 헤드를 제조하는 데에 사용될 수 있다. 이 경우, 단결정 실리콘으로 이루어지고, 내부에 잉크 유로가 형성된 기판을 마련하는 단계(도 2a)를 더 포함할 수 있다.
도 2a를 참조하면, 잉크젯 프린트 헤드용 상부 기판(110)을 마련할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 잉크젯 프린트 헤드의 압력 챔버 위에 압전 소자를 형성할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 미소 변위의 운동을 구현하기 위한 다양한 제품에 적용될 수 있다.
상기 잉크젯 프린트 헤드용 기판이 마련될 수 있으며, 보다 구체적으로 내부에 압력 챔버가 형성되어 압전 소자와 결합하여 진동판으로 작용할 수 있는 상부 기판(110)이 마련될 수 있다. 상기 기판으로 이에 제한되는 것은 아니나 단결정 실리콘으로 이루어진 기판이 사용될 수 있다.
도 2b를 참조하면, 상기 상부 기판(110)에 제1 전극(120)을 형성할 수 있다. 상기 제1 전극(120)은 기판(110)에 Ti/Pt를 스퍼터(sputtering) 방식으로 증착하여 형성될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
보다 구체적으로 Ti 스퍼터 층 위에 Pt 스퍼터 층을 형성하여 제1 전극을 제조할 수 있다.
도 2c를 참조하면, 상기 제1 전극(120)에 압전체 페이스트(131)를 스크린 프린팅(screen printing) 방식으로 인쇄하여 압전체(130)를 형성할 수 있다. 상기 제1 전극(120)을 마스크(400)로 덮고 스퀴져(410)를 사용하여 압전체 페이스트(131)를 누르는 방식으로 압전체(130)를 형성할 수 있으며, 이 경우 마스크(400)에 형성된 개구부(O)의 형상에 따라 압전체(130)가 형성될 수 있다.
상기 압전체 페이스트(131)는 압전체 페이스트 100 중량부에 대하여 90 중량부 이상 100 중량부 미만의, Pb(Zr, Ti)O3를 포함하는 압전 세라믹 파우더, 및 0 중량부 초과 10 중량부 이하의 글라스 프릿을 포함하고, 상기 글라스 프릿 100 중량부에 10 내지 20 중량부의 ZnO를 포함하는 압전체 조성물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 Pb(Zr, Ti)O3를 포함하는 압전 세라믹 파우더를 포함하기 때문에 우수한 압전 특성을 갖는 압전 소자를 구현할 수 있고, 압전체 페이스트 100 중량부에 대하여 0 중량부 초과 10 중량부 이하의 글라스 프릿을 포함하기 때문에 저온 소결이 가능한 압전체 페이스트를 제공할 수 있다.
또한, 글라스 프릿은 ZnO를 포함하기 때문에 환경에 유해한 Cd와 같은 물질을 사용하지 않고도 유수한 유전 특성 및 압전 특성을 구현하면서도 저온 소결이 가능한 압전체 페이스트를 제공할 수 있다.
그리고 글라스 프릿 100 중량부에 대하여 10 내지 20 중량부의 ZnO를 포함할 수 있다. 10 중량부 미만인 경우 소결온도가 900℃를 넘을 수 있고, 20 중량부 초과인 경우 압전 소자의 유전 특성 및 압전 특성을 나쁘게 하는 원인이 될 수 있기 때문에 10 내지 20 중량부의 ZnO를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 압전 세라믹 파우더는 xPb(Mg1 /3Nb2 /3)-y(Ni1/3Nb2/3)-zZr-wTi-O3의 조성을 갖고, 상기 x, y, z 및 w는 mol%로 0.15 ≤ x ≤ 0.40, 0.05 ≤ y ≤ 0.20, 0.20 ≤ z ≤ 0.35 및 0.30 ≤ w ≤ 0.45를 만족할 수 있다.
상기와 같은 조성을 갖는 압전 세라믹 파우더를 사용하기 때문에 우수한 압전 특성을 갖는 압전 소자를 제공할 수 있으며, 반복성을 갖는 미소 변위의 운동을 용이하게 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 Bi2O3-B2O3-ZnO계열의 글라스 프릿을 사용할 수 있고, 이에 제한되는 것은 아니나 본 발명의 압전체 조성물의 소결 온도 범위를 만족하게 하기 위하여 글라스 프릿 100 중량부에 대하여 65 내지 85 중량부의 Bi2O3와 5 내지 15 중량부의 B2O3 및 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 ZnO가 Bi2O3 및 B2O3와 함께 혼합되어 글라스 프릿(glass frit) 상태로 제공되기 때문에, 압전 소자의 압전체의 소결 온도를 용이하게 낮출 수 있고 결정성이 우수한 압전체를 제조할 수 있다.
도 2d를 참조하면, 상기 압전체(130) 위에 제2 전극(140)을 인쇄할 수 있다. 상기 제2 전극(140)은 이에 제한되는 것은 아니나 스크린 프린팅(screen printing) 방식으로 형성될 수 있다. 스크린 프린팅에 있어서 Ag-Pd 계열의 전극 페이스트가 사용될 수 있고, 압전체와 동시 소결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 잉크젯 프린트 헤드에 형성된 압전 소자의 경우 길이(L)는 5000㎛ 폭(W)은 350㎛의 크기를 갖도록 인쇄될 수 있다.
상기 제1 전극(120)과 제2 전극(140)에 전기가 인가되면, 그 사이에 배치된 압전체(130)는 그 크기와 형상이 변형될 수 있다. 그에 따라, 진동판(103)에 해당하는 부분에 압력을 가하여 잉크가 토출되게 할 수 있다. 인가되는 전압의 크기 및 종류를 조절하여 압력의 크기를 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전체의 시간에 따른 가공 온도를 나타내는 그래프이다.
제1 전극(120), 압전체(130) 및 제2 전극(140)을 포함하는 압전 소자가 형성된 후에, 압전 소자는 소결 공정에 도입하기 위하여 점차 온도를 높일 수 있다(구간 a).
상기 압전 소자는 120℃ 부근에서 소프트 베이킹(soft baking)을 할 수 있는데, 소프트 베이킹을 통하여 압전 소자를 미리 가경화시켜 가공을 보다 용이하게 할 수 있다.
압전 소자는 400 내지 450℃ 부근에서 1차 소결이 이루어질 수 있다(구간 b). 1차 소결 과정 동안 압전 소자에 포함된 바인더와 첨가제와 같은 물질이 제거될 수 있다. 페이스트 상태로 압전체가 제조되기 때문에 1차 소결이 이루어지지 않는 경우 압전체 내부에 불순물이 형성될 수 있다. 그러나 1차 소결을 통하여 불순물이 포함되지 않은 압전 소자를 제조할 수 있다.
압전 소자는 점차 온도를 높여 2차 소결 공정에 도입될 수 있다(구간 c). 그리고 900 내지 1000℃에서 2차 소결이 이루어질 수 있다(구간 d). 2차 소결 공정에서 압전체는 결정화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 소정의 조성을 갖는 압전체 세라믹 파우더를 사용하고, ZnO를 포함하는 글라스 프릿을 사용하기 때문에 900 내지 1000℃의 저온에서 2차 소결이 이루어질 수 있다.
저온에서 2차 소결이 이루어지기 때문에 제1 전극(120)이 다 결정 실리콘으로 형성된 상부 기판(110)과 반응하는 현상을 방지할 수 있고, 제2 전극(140)이 휘발 되는 현상을 방지할 수 있다. 그리고 2차 소결 후 압전 소자는 냉각될 수 있다(구간 e).
본 발명의 일 실시예에 따르면, Cd를 사용하지 않고도 ZnO를 글라스 프릿 상태로 압전체 세라믹과 혼합하기 때문에 900 내지 1000℃의 저온에서 소결이 이루어질 수 있다.
압전체의 압전 특성은 압전체의 유전율을 통하여 확인해볼 수 있다. 제1 전극과 제2 전극을 사이에 압전체가 형성되어, 캐패시턴스를 형성하기 때문에 압전체의 유전율은 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.
C는 압전 소자의 캐패시턴스이고, ε은 압전체의 유전율을 나타내는 유전 상수이고, A는 전극의 대향 면적을 나타내며, t는 압전체의 두께를 나타낸다.
압전 소자의 전기적 특성 및 소결성을 확인하기 위해서는 압전 소자의 캐패시턴스 값을 이용할 수 있고, 다음과 같은 식을 통하여 확인할 수 있다.
전극의 대향 면적 A이 동일한 값을 갖는 경우, 유전 상수 ε는 캐패시턴스 C 와 압전체의 두께 t의 곱에 비례함을 알 수 있다. 즉, 캐패시턴스 C 와 압전체의 두께 t의 곱의 크기가 커질수록 유전 상수 ε이 큰 압전체를 구현할 수 있다. 즉, 우수한 유전율을 갖고 소결성이 우수한 압전체를 제조할 수 있음을 의미한다.
[실시예 1]
동일한 압전 세라믹 글라스 파우더에 본 발명의 일 실시예에 따른 글라스 프릿과, 인용발명의 일 실시예에 따른 글라스 프릿을 혼합하여 압전체 조성물을 제조하였다.
압전 세라믹 글라스 파우더로 페브로스카이트(perovskite) 구조를 갖고, Pb(Zr, Ti)O3의 조성을 갖는 PZT 파우더와 글라스 프릿을 1:99wt%로 혼합하여 압전체 조성물을 제조하였다.
본 발명의 일 실시예인 실시예 1에 따른 글라스 프릿은 Bi2O3 75wt%, B2O3 10wt% 및 ZnO 15wt%의 조성을 갖는 글라스 프릿을 사용하였고, 비교예 1의 글라스 프릿은 Bi2O3 60wt%, B2O3 10wt% 및 CdO 30wt%의 조성을 갖는 글라스 프릿을 사용하였다. 또한, 비교예 2의 글라스 프릿으로 Bi2O3 65wt%, B2O3 10wt%, SiO2 12.5 wt% 및 Al2O3 12.5wt%의 조성을 갖는 글라스 프릿을 사용하였다.
| t(㎛) | C(pF) | t×C | |
| 실시예 1 | 23.7 | 860 | 20382 |
| 비교예 1 | 24.5 | 750 | 18375 |
| 비교예 2 | 25.2 | 590 | 14868 |
앞서 설명한 바와 같이 압전 소자의 소결성이 우수하고 우수한 압전 특성을 가질수록 캐패시턴스와 압전체 두께의 곱에 해당하는 값이 커지게 된다. 상기 표 1은 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 압전체 두께 t, 캐패시턴스 C, 및 t×C 값을 나타낸 표이다.
실시예 1의 경우 t×C 값이 가장 큰 것을 확인할 수 있고, 비교예 1의 경우 실시예 1보다 10% 작은 값을 가지며, 비교예 2의 경우 실시예 1보다 27% 작은 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
즉 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO를 포함하는 글라스 프릿을 사용하는 경우, Cd(비교예 1) 또는 Si 및 Al(비교예 2)를 포함하는 글라스 프릿보다 우수한 유전 특성 및 소결성을 갖는 압전체를 제조할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
도 4a는 본 발명의 실시예 1에 따른 압전체의 단면을 나타내는 주사 전자 현미경 사진(SEM)이다. 그리고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 비교예 1, 2에 따른 압전체의 단면을 나타내는 주사 전자 현미경 사진(SEM)이다.
도 4b(비교예 1) 및 도 4c(비교예 2)의 경우 입자 간의 공극이 커지고, 소결성이 도 4a(실시예 1)의 경우보다 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, Cd를 포함하지 않고도, ZnO를 포함하는 글라스 프릿을 사용하여 소결 온도를 낮출 수 있으며 더 나아가 소결성이 우수하며 압전 특성이 우수한 압전체를 제조할 수 있다.
[실시예 2]
본 발명의 실시예 2로 압전 세라믹 글라스 파우더로 페브로스카이트(perovskite) 구조를 갖고, Pb(Zr, Ti)O3의 조성을 갖는 PZT 파우더와 글라스 프릿을 1:99wt%로 혼합하여 압전체 조성물을 제조하였다. 그리고 Bi2O3 75wt%, B2O3 10wt% 및 ZnO 15wt%의 조성을 갖는 글라스 프릿을 사용하였다.
그리고 압전체 조성물 82wt%, 그리고 용제로 테르피네올(terpineol) 5wt%과 부틸 카르비톨 아세테이트(butyl carbitol acetate) 7wt%를 사용하였고, 분산제로 BYK사의 분산제인 BYK-111 1wt%, 바인더로 에틸셀룰로오스(ethylcellulose) 5wt%를 사용하여 압전체 페이스트를 제조하였다.
상기 압전체 페이스트는 25만cps를 갖도록 밀링(milling) 공정을 거쳐 소정의 점성을 갖도록 제조되었으며, 스크린 프린팅 방식으로 도포되었다.
잉크젯 프린트 헤드에 압전 소자가 적용된 상태로, 잉크가 없는 상태에서 진동판 위에서 압전 소자에 전압을 인가하여 레이저 도플러 속도계(laser doppler velocity meter; LDV)를 사용하여 압전 소자에 전압을 인가하여 변형량을 스캔하면서 측정하였다. 2kHz의 70V의 전압을 인가하여 평균 변위를 측정하였다.
스캔한 데이터에서 압전 소자의 변형량을 평균하면 해당 지점에서 압전 소자의 평균 변위가 계산되었다. 그리고, 압전 소자의 위치에 따라 한 지점씩 평균 변위를 측정하였다. 이러한 압전 소자의 위치에 따른 평균 변위는 도 5와 같이 그래프로 표현하여 보았다.
도 5를 참조하면, 압전 소자의 위치에 따른 평균 변위는 거의 모든 영역에서 일정한 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면 압전 소자에 의해 구현되는 미세 운동은 균일하고, 반복성이 있는 신뢰성 높은 운동을 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.
그리고, 동일한 압전 페이스트의 조성에서 글라스 프릿만을 바꾸어 비교예 3 및 비교예 4를 제조하였다. 비교예 3의 글라스 프릿은 Bi2O3 60wt%, B2O3 10wt% 및 CdO 30wt%의 조성을 갖는 글라스 프릿을 사용하였다. 그리고 비교예 4의 글라스 프릿으로 Bi2O3 65wt%, B2O3 10wt%, SiO2 12.5 wt% 및 Al2O3 12.5wt%의 조성을 갖는 글라스 프릿을 사용하였다.
실시예 2, 비교예 3, 비교예 4의 압전체 두께 t, 평균 변위 및 t×평균 변위 값은 다음 표 2와 같이 나타난다.
| t(㎛) | 평균 변위(nm) | t×평균 변위 | |
| 실시예 2 | 23.7 | 179 | 4242.3 |
| 비교예 3 | 24.5 | 165 | 4042.5 |
| 비교예 4 | 25.2 | 88 | 2217.6 |
본 발명의 실시예 2의 경우 평균 변위의 크기가 179nm로 가장 큰 것을 확인할 수 있었다. 그리고 비교예 3은 본 발명의 실시예 2보다 4% 작은 값을 갖고, 비교예 4는 본 발명의 실시예 2보다 48% 이상 큰 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 본 발명의 경우 미세 운동의 크기 역시 다른 비교예들에 비하여 크게 구현할 수 있었다. 즉, 더 정교한 범위의 미세 운동의 조절이 가능해짐을 확인할 수 있었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자가 잉크젯 프린트 헤드에 구현하는 경우, 토출되는 잉크의 양을 더욱 정교하게 조절할 수 있게 된다.
1: 잉크젯 프린트 헤드
100: 상부 기판
103: 진동부
111: 압력 챔버
120: 제1 전극
130: 압전체
140: 제2 전극
150: 인쇄회로기판
200: 중간 기판
201: 리저버
300: 하부 기판
301: 잉크 토출부
303: 잉크 유도부
100: 상부 기판
103: 진동부
111: 압력 챔버
120: 제1 전극
130: 압전체
140: 제2 전극
150: 인쇄회로기판
200: 중간 기판
201: 리저버
300: 하부 기판
301: 잉크 토출부
303: 잉크 유도부
Claims (12)
- 압전체 조성물 100 중량부에 대하여,
90 중량부 이상 100 중량부 미만의, Pb(Zr, Ti)O3를 포함하는 압전 세라믹 파우더; 및
0 중량부 초과 10 중량부 이하의 글라스 프릿;을 포함하고,
상기 글라스 프릿 100 중량부에 10 내지 20 중량부의 ZnO를 포함하며,
상기 압전 세라믹 파우더는 xPb(Mg1/3Nb2/3)-y(Ni1/3Nb2/3)-zZr-wTi-O3의 조성을 갖고, 상기 x, y, z및 w는 mol% 이고, 0.15 ≤ x ≤ 0.40, 0.05 ≤ y ≤ 0.20, 0.20 ≤ z ≤ 0.35 및 0.30 ≤ w ≤ 0.45를 만족하는 압전체 조성물.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 글라스 프릿 100 중량부에 대하여,
65 내지 85 중량부의 Bi2O3와
5 내지 15 중량부의 B2O3를 포함하는 압전체 조성물.
- 압전체 페이스트 100 중량부에 대하여,
80 내지 85 중량부의 제1항 및 제3항 중 어느 한 항에 따른 압전체 조성물;
10 내지 14 중량부의 용제; 및
1 내지 10 중량부의 첨가제;를 포함하는 압전체 제조용 압전체 페이스트가 인쇄되어 형성된 압전 소자.
- 제4항에 있어서,
상기 압전체 페이스트의 소결 온도는 900 내지 1000℃인 압전 소자.
- 내부에 압력 챔버를 포함하는 기판;
상기 기판의 상기 압력 챔버 위에 형성된 제1 전극;
제1항 및 제3항 중 어느 한 항에 따른 압전체 조성물을 포함하는 압전체; 및
상기 압전체에 형성되는 제2 전극;
을 포함하는 압전 방식의 잉크젯 프린트 헤드.
- 제1 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 전극에, 압전체 조성물 100중량부에 대하여 90 중량부 이상 100 중량부 미만의, Pb(Zr, Ti)O3를 포함하는 압전 세라믹 파우더, 및 0 중량부 초과 10 중량부 이하의 글라스 프릿을 포함하고, 상기 글라스 프릿 100 중량부에 10 내지 20 중량부의 ZnO를 포함하는 압전체 조성물을 포함하는 압전체 페이스트를 인쇄하여 압전체을 형성하는 단계;
상기 압전체 위에 제2 전극을 형성하는 단계; 및
상기 기판, 상기 제1 전극, 상기 압전체 및 상기 제2 전극을 소결하는 단계; 를 포함하며,
상기 압전 세라믹 파우더는 xPb(Mg1/3Nb2/3)-y(Ni1/3Nb2/3)-zZr-wTi-O3의 조성을 갖고, 상기 x, y, z및 w는 mol% 이고, 0.15 ≤ x ≤ 0.40, 0.05 ≤ y ≤ 0.20, 0.20 ≤ z ≤ 0.35 및 0.30 ≤ w ≤ 0.45를 만족하는 압전 소자 제조방법.
- 제7항에 있어서,
압전체 페이스트 100 중량부에 대하여,
80 내지 85 중량부의 압전체 조성물;
10 내지 14 중량부의 용제; 및
1 내지 10 중량부의 첨가제;를 포함하는 압전 소자 제조방법.
- 제7항에 있어서,
상기 압전체 페이스트의 소결 온도는 900 내지 1000℃인 압전 소자 제조방법.
- 삭제
- 제7항에 있어서,
상기 글라스 프릿 100 중량부에 대하여,
65 내지 85 중량부의 Bi2O3와
5 내지 15 중량부의 B2O3를 포함하는 압전 소자 제조방법.
- 단결정 실리콘으로 이루어지고, 내부에 잉크 유로가 형성된 기판을 마련하는 단계; 및
상기 기판에 제7항 내지 제9항 및 제11항 중 어느 하나에 따른 압전 소자를 형성하는 단계;를 포함하는 잉크젯 프린트 헤드 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020110086522A KR101328345B1 (ko) | 2011-08-29 | 2011-08-29 | 압전체 조성물, 압전 소자, 잉크젯 프린트 헤드 및 압전 소자와 잉크젯 프린터 헤드의 제조방법 |
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