KR101368330B1 - Highly dense magnetoelectric nanocomposite thick film and preparation method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고밀도 자기-전기결합 나노복합체 후막 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 기판의 표면 일측에 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스의 혼합 분말로 이루어진 세라믹소재를 상온 진공 분말 분사법(Room Temperature Powder Spray in Vacuum, 또는 AD; Aerosol-deposition)으로 진공 증착하여 압전 세라믹스 매트릭스 내에 자왜 세라믹스 상이 2D 연결성(connectivity)으로 분산되어 있는 3-2 구조의 압전 세라믹스-자왜 세라믹스 자기-전기결합 나노복합체 후막 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 상온 진공 분말 분사법(Room Temperature Powder Spray in Vacuum, 또는 AD; Aerosol-deposition)을 사용하여 강유전성 및 자기특성을 동시에 갖고, 고밀도로 치밀하게 성막되고, 균열 또는 기공형성이 나타나지 않고, 5 ㎛ 이상의 두께로 기판과의 박리 없이 건전하게 기판에 부착되고, 높은 자기-전기결합 계수를 갖는 고밀도의 3-2 나노복합체 후막을 제조할 수 있어, 경박단소화의 추세에 있는 전자제품 내의 박막/후막형 센서, 변환기, 에너지 하베스팅 장치, 전자기파 차폐 코팅 등에 응용될 수 있다.The present invention relates to a high-density self-electrically bonded nanocomposite thick film and a method for manufacturing the same. Specifically, a ceramic material made of a mixed powder of piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics is formed on a surface of a substrate at room temperature. Piezoelectric ceramics-magnetrons ceramic self-electrobonding nanocomposite thick films of 3-2 structure in which magnetostrictive ceramic phases are dispersed in 2D connectivity in a piezoelectric ceramic matrix by vacuum deposition by vacuum or AD; It is about. According to the present invention, using room temperature powder spray in vacuum (AD) or aerosol-deposition (AD), ferroelectricity and magnetic properties at the same time, dense film with high density, without cracking or pore formation In the electronic products, which are adhered to the substrate to a thickness of 5 μm or more without being separated from the substrate, and have a high density 3-2 nanocomposite thick film having a high self-electric coupling coefficient. Applications include thin film / thick film sensors, transducers, energy harvesting devices, electromagnetic shielding coatings, and the like.
자기-전기결합(magnetoelectric) 나노복합체 후막, 압전, 자왜, 상온 진공 분말 분사법, AD Magnetoelectric nanocomposite thick film, piezoelectric, magnetostrictive, room temperature vacuum powder spraying, AD
Description
본 발명은 고밀도 자기-전기결합 나노복합체 후막 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high density self-electrobonding nanocomposite thick film and a method of manufacturing the same.
자기-전기결합 효과(Magnetoelectric effect, ME effect)는 물질의 특성이며, 자왜(magnetotrictive) 및 압전(piezoelectric) 물질로 이루어진 복합체 구조에서 널리 발견되고 있다. 이들 복합체에 있어서, 자기-전기결합 효과의 크기는 압전 및 자왜 재료 상(phase)의 경계에서 일어나는 탄성 커플링에 의존한다.The magnetoelectric effect (ME effect) is a property of the material and is widely found in composite structures made of magnetotrictive and piezoelectric materials. In these composites, the magnitude of the self-electrobonding effect depends on the elastic coupling occurring at the boundaries of the piezoelectric and magnetostrictive material phases.
높은 결합 효과를 갖는 자기-전기결합 물질은 박막/후막형 센서, 변환기, 에너지 하베스팅 장치, 전자기파 차폐 코팅 등에 적용되고 있다.Magnetic-electro-coupled materials with high coupling effects have been applied to thin film / thick film sensors, transducers, energy harvesting devices, electromagnetic shielding coatings, and the like.
최근, 강유전성(ferroelectric) 및 자왜(magnetotrictive) 물질의 전기-자기 나노복합체 박막이 펄스 레이져 증착법(PLD) 및 화학 용액 증착법(CSD)에 의해 제조되었다고 보고되었다. 그러나, 강유전성 매트릭스 내에 강자성(ferrimagnetic) 스피넬 상이 주상의 형태로 삽입된 1-3 수직 헤테로 구조는 경계에서 연속성이 있다 하더라도 자기-전기결합 특성을 결핍시키는 것으로 나타났다.Recently, it has been reported that electro-magnetic nanocomposite thin films of ferroelectric and magnetotrictive materials have been produced by pulsed laser deposition (PLD) and chemical solution deposition (CSD). However, it has been shown that 1-3 vertical heterostructures in which ferrimagnetic spinel phases are inserted in the form of a main phase in a ferroelectric matrix lack self-electric coupling properties even if they are continuous at the boundary.
한편, 3-0 구조 및 2-2 수평 헤테로 구조가 자기-전기결합 특성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 문헌 내에서 보고된 대부분의 자기-전기결합 나노복합체 필름은 각각의 상(phase)들과 기판 사이에 열적 부적당한 결합(mismatch)에 의한 차이로 인해 생성되는 변형(strain)에 의하여 전체 두께가 제한되는 문제가 있었다.On the other hand, 3-0 structures and 2-2 horizontal heterostructures were found to exhibit self-electric coupling properties. However, most of the self-electrobonding nanocomposite films reported in the literature have overall thickness due to strain created due to differences due to thermal inadequate coupling between the respective phases and the substrate. There was a problem that is limited.
이에 본 발명자들은 상기 문제를 해결하기 위하여 연구하던 중, 상온 진공 분말 분사법을 사용하여 강유전성 재료 및 자왜 재료 상을 포함하는 고밀도의 3-2 나노복합체 후막을 제조하고, 본 발명을 완성하였다.In order to solve the above problems, the inventors of the present invention have fabricated a high density 3-2 nanocomposite thick film containing a ferroelectric material and a magnetostrictive material phase using a room temperature vacuum powder spraying method, and completed the present invention.
본 발명의 목적은 고밀도의 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of high-density piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
본 발명의 다른 목적은 상기 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막의 제조방법을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a method for producing a self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 이용한 센서를 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide a sensor using a self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
본 발명의 다른 목적은 상기 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 이용한 변환기를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a transducer using a self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 이용한 에너지 하베스팅 장치를 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide an energy harvesting apparatus using the self-electrically bonded nanocomposite thick film formed of the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
본 발명의 다른 목적은 상기 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 이용한 전자파 차폐 코팅을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide an electromagnetic shielding coating using a self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고밀도의 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of high-density piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
또한, 본 발명은 상온 진공 분말 분사법을 사용한 상기 압전 세라믹스와 자 왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of the piezoelectric ceramics and the magnetostrictive ceramics using a vacuum vacuum powder spraying method.
나아가, 본 발명은 상기 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 이용한 센서를 제공한다.Furthermore, the present invention provides a sensor using a self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
또한, 본 발명은 상기 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 이용한 변환기를 제공한다.In addition, the present invention provides a transducer using a self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
나아가, 본 발명은 상기 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 이용한 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.Furthermore, the present invention provides an energy harvesting apparatus using the self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
또한, 본 발명은 상기 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 이용한 전자파 차폐 코팅을 제공한다.In addition, the present invention provides an electromagnetic wave shielding coating using a self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
본 발명에 의하면, 상온 진공 분말 분사법(Room Temperature Powder Spray in Vacuum, 또는 AD; Aerosol-deposition)을 사용하여 강유전성 및 자기특성을 갖고, 고밀도로 치밀하게 성막되고, 균열 또는 기공형성이 나타나지 않고, 5 ㎛ 이상의 두께로 기판과의 박리 없이 건전하게 기판에 부착되고, 높은 자기-전기결합 계수를 갖는 고밀도의 3-2 나노복합체 후막을 제조할 수 있어, 경박단소화의 추세에 있는 전자제품 내의 박막/후막형 센서, 변환기, 에너지 하베스팅 장치, 전자기파 차폐 코팅 등에 응용될 수 있다.According to the present invention, using a room temperature powder spray in vacuum (AD, aerosol-deposition) has a ferroelectric and magnetic properties, dense film is formed at high density, there is no crack or pore formation, Thin films in electronic products, which are adhered to the substrates with a thickness of 5 μm or more without any separation with the substrates and have a high density of 3-2 nanocomposite thick films having a high self-electric coupling coefficient, which are in the trend of light and thin shortening. Applications include thick-film sensors, transducers, energy harvesting devices and electromagnetic shielding coatings.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 기판의 표면 일측에 세라믹소재를 상온 진공 분말 분사법(Room Temperature Powder Spray in Vacuum, 또는 AD; Aerosol-deposition)으로 진공 성막한 자기-전기결합 나노복합체 후막을 제공한다.The present invention provides a self-electrically bonded nanocomposite thick film in which a ceramic material is vacuum deposited on a surface of a substrate by room temperature powder spray in vacuum (AD) or aerosol-deposition (AD).
상기 자기-전기결합 나노복합체 후막은 기판 외면에 앵커링(anchoring)되어 밀착력을 가지는 것을 특징으로 한다.The self-electrobonding nanocomposite thick film is anchored on the outer surface of the substrate, characterized in that it has an adhesive force.
상기 자기-전기결합 나노복합체 후막은 5 ㎛ 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.The self-electrobonding nanocomposite thick film has a thickness of 5 μm or more.
상기 자기-전기결합 나노복합체 후막의 구조는 압전 세라믹스 매트릭스 내에 자왜 세라믹스 상이 2D 연결성(connectivity)으로 분산되어 있는 3-2 구조의 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 것을 특징으로 한다.The structure of the self-electrically bonded nanocomposite thick film is composed of 3-2 piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics in which the magnetostrictive ceramic phase is dispersed in 2D connectivity in the piezoelectric ceramic matrix.
상기 자기-전기결합 나노복합체 후막은 상기 압전 세라믹스 60~95 중량%, 상기 자왜 세라믹스 5~40 중량%를 함유하는 것을 특징으로 한다.The self-electrobonding nanocomposite thick film may contain 60 to 95 wt% of the piezoelectric ceramics and 5 to 40 wt% of the magnetostrictive ceramics.
상기 자기-전기결합 나노복합체 후막의 유전상수(εr)는 200~250을 갖는 것을 특징으로 한다.The dielectric constant (ε r ) of the self-electrobonding nanocomposite thick film is characterized in that it has a 200 ~ 250.
상기 자기-전기결합 나노복합체 후막의 자기-전기결합 출력 전압 계수는 100 mV/cm.Oe 이상인 것을 특징으로 한다.The self-electric coupling output voltage coefficient of the self-electrobonding nanocomposite thick film is characterized in that more than 100 mV / cm.Oe.
상기 자기-전기결합 나노복합체 후막은 조성을 다양하게 변화시켜 미세한 함 량조절이 가능한 것을 특징으로 한다.The self-electrobonding nanocomposite thick film is characterized in that it is possible to finely control the content by varying the composition.
이하에서는 상기와 같은 자기-전기결합 나노복합체 후막을 제조하기 위한 자기-전기결합 나노복합체 후막 형성장치의 구성을 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.Hereinafter, the structure of the self-electrobonding nanocomposite thick film forming apparatus for manufacturing the self-electrobonding nanocomposite thick film as described above will be described with reference to FIGS . 1 and 2 .
도 1에는 본 발명에 의한 자기-전기결합 나노복합체 후막의 증착 원리를 나타낸 개념도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 의한 자기-전기결합 나노복합체 후막을 제조하기 위한 자기-전기결합 나노복합체 후막 형성장치의 구성을 보인 개략도가 도시되어 있다. 1 is a conceptual diagram showing the deposition principle of a self-electrobonding nanocomposite thick film according to the present invention, Figure 2 is a self-electrobonding nanocomposite thick film for producing a self-electrobonding nanocomposite thick film according to the present invention A schematic diagram showing the configuration of the forming apparatus is shown.
도면과 같이 자기-전기결합 나노복합체 후막 형성장치(100)는 기판(240)에 상온 진공 분말 분사법(Room Temperature Powder Spray in Vacuum)으로 세라믹소재(C)를 분사하여 엥커링함으로써 자기-전기결합 나노복합체 후막(220)을 형성하는 장치이다.As shown in the drawing, the self-electrically bonded nanocomposite thick
구체적으로, 상기 자기-전기결합 나노복합체 후막 형성장치(100)는, 기판(240)을 지지한 상태로 이동하는 스테이지(112)가 구비된 진공챔버(110)와, 상기 진공챔버(110)와 연통 결합되어 진공챔버(110) 내부에 진공을 형성하는 진공펌프(120)와, 세라믹소재(C)가 수용되는 혼합용기(130)와, 캐리어가스가 저장 및 분사되는 가스공급수단(140)과, 상기 가스공급수단(140)과 혼합용기(130) 내부를 연통시켜 상기 캐리어가스가 혼합용기(130) 내부로 유입되도록 안내하는 가스공급관(150)과, 상기 캐리어가스와 혼합된 세라믹소재(C)를 진공챔버(110) 내부로 안내 하는 이송관(160)과, 상기 이송관(160) 일단에 구비되어 이송관(160)을 경유한 세라믹소재(C)가 기판(240)에 분사되도록 하는 노즐(170)을 포함하여 구성된다.Specifically, the self-electrically coupled nanocomposite thick
상기 스테이지(112)는 하면에 기판(240)이 고정되도록 하며, 3축 방향으로 이동 가능하도록 구성되며, 대략 0.1~50 mm/sec의 속도로 이동된다. 따라서, 상기 기판(240) 하측에서 세라믹소재(C)가 분사되면 상기 기판(240)의 하면에는 세라믹소재(C)가 앵커링되어 자기-전기결합 나노복합체 후막(220)이 형성 가능하게 된다. 상기 스테이지(112)의 이송속도는 자기-전기결합 나노복합체 후막의 성막 속도 및 표면 거칠기 조절을 위하여 다양하게 변경 적용이 가능하다.The
상기 진공챔버(110)는 폐공간을 형성하고 상기 진공펌프(120)와 내부가 연통되어 상기 진공펌프(120)가 작동시 진공상태가 되며, 상기 진공챔버(110)의 진공도는 1 torr이하가 되도록 한다.The
상기 스테이지(112)에서 하측으로 이격된 곳에는 노즐(170)이 구비된다. 상기 노즐(170)은 진공챔버(110) 내부에서 일정 위치에 놓은 상태로 고정되어 세라믹소재(C)의 분사 방향을 안내하고 이송가스와 혼합된 분말을 가속시키는 역할을 수행한다The
따라서, 상기 노즐(170)을 통해 세라믹소재(C)가 상방향으로 분사되고 상기 기판(240)이 스테이지(112)의 움직임에 의해 이동하게 되면, 상기 기판(240) 하면에는 스테이지(112)의 움직임 방향에 따라 다양한 형상의 자기-전기결합 나노복합체 후막(220)이 형성 가능하게 된다.Therefore, when the ceramic material C is sprayed upward through the
상기 노즐(170)은 기판(240)으로부터 대략 1~40 ㎜의 거리만큼 이격된 하측 에 상단부가 위치하게 되며, 본 발명의 실시예에서는 대략 5 mm 가량 이격되도록 하였다.The
그리고, 상기 노즐(170)의 폭은 0.1~2.0 mm가 되도록 하고, 상기 노즐(170)의 길이는 5~300 mm가 되도록 한다. 상기 노즐(170)의 단면형상과 폭 및 길이는 세라믹소재(C)의 성분 및 자기-전기결합 나노복합체 후막(220)의 증착 두께에 따라 다양하게 변경 적용이 가능하다.And, the width of the
상기 노즐(170)은 이송관(160)과 연통 결합된다. 상기 이송관(160)은 혼합용기(130) 내부의 세라믹소재(C)가 캐리어가스와 함께 상기 노즐(170)로 안내되도록 하는 것으로, 상기 이송관(160)의 양단부는 상기 혼합용기(130)와 노즐(170)에 각각 연결된다.The
보다 상세하게는 상기 이송관(160)의 우측 상단부는 노즐(170)과 연결되고, 좌측 하단부는 상기 혼합용기(130)의 내부에서 상부에 위치하도록 고정되어 세라믹소재(C)와 접촉하지 않도록 한다.More specifically, the upper right end of the
상기 혼합용기(130)는 가스공급관(150)을 통해 캐리어가스를 공급받아, 내부에 담겨진 세라믹소재(C)를 분산시킴과 동시에 상기 이송관(160)으로 세라믹소재(C) 및 캐리어가스를 안내하는 역할을 수행한다. 상기 혼합용기(130)는 진동 인가에 의해 세라믹소재(C)의 분산을 최대화할 수 있다.The
이를 위해, 상기 혼합용기(130)의 내부 좌측에는 가스공급관(150)이 위치하게 되며, 상기 가스공급관(150)의 끝단부는 혼합용기(130)에 담겨진 세라믹소재(C)와 접촉한 상태로 결합된다. 상기 혼합용기(130)의 형상 및 구조는 장비의 구조에 따라 다양하게 변경 적용이 가능하다. To this end, the
그리고 상기 세라믹소재(C)는 압전 세라믹스과 자왜 세라믹스의 혼합 분말이 적용되며, 이때, 압전 세라믹스과 자왜 세라믹스는 당업계에서 통상적으로 사용되는 세라믹스를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 압전 세라믹스로는 Pb(Zr,Ti)O3, BaTiO3, SrBi4Ti4O12, (K0 .5Na0 .5)NbO3, PZT, PZT-PNN, PZN-PT, PZT-PZN, PZT-PMnN, PZNT 등을 사용할 수 있고, 상기 자왜 세라믹스로는 MnFe2O4, Fe3O4, CoFe2O4, MgFe2O4, Li0 .5Fe2O4, NiFe2O4, CuFe2O4, YFe2O4, SmFe5O12, DyFe5O12, EuFe5O12 등의 스피넬 구조를 가지는 페라이트계 세라믹 또는 이의 변형 조성을 가지는 자성 세라믹스(예: NCZF)를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.In addition, the ceramic material (C) is a mixed powder of piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics is applied, wherein the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics may be used ceramics commonly used in the art. For example, in the piezoelectric ceramic is Pb (Zr, Ti) O 3, BaTiO 3, SrBi 4 Ti 4 O 12, (K 0 .5 0 .5 Na) NbO 3, PZT, PNN-PZT, PZN-PT , PZN-PZT, and the like PZT-PMnN, PZNT, in the magnetostrictive ceramics are MnFe 2 O 4, Fe 3 O 4, CoFe 2 O 4, MgFe 2 O 4,
자기-전기결합 복합체의 우수한 특성을 얻기 위해서는 압전 세라믹스의 특성 중 압전 전압 계수가 우수해야 하며, 자왜 세라믹스의 자왜 특성이 우수해야 한다. 이에, 본 발명에서는 상기 세라믹소재의 일례로서 우수한 압전 전압계수와 에너지 밀도를 가지는 0.8Pb(Zr0 .52Ti0 .48)O3-0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3 [PZNT] 세라믹스와 우수한 자왜 특성을 가지는 (Ni0 .6Cu0 .2Zn0 .2)Fe2O4 [NCZF]의 혼합 분말을 사용하였다.In order to obtain excellent properties of the magnetic-electric coupling composite, the piezoelectric voltage coefficient of the piezoelectric ceramics should be excellent, and the magnetostrictive properties of the magnetostrictive ceramics should be excellent. Thus, 0.8Pb having excellent piezoelectric voltmeter number and energy density in the present invention as one example of the ceramic material (Zr 0 .52 Ti 0 .48) O 3 -0.2Pb (
다음으로, 상기 가스공급수단(140)에서 가스공급관(150)을 통해 혼합용기(130) 내부로 유입된 캐리어가스는 세라믹소재(C)를 분산시키게 되며, 분산된 세라믹소재(C)는 유일한 배출구인 이송관(160)을 통해 노즐(170)로 안내된다.Next, the carrier gas introduced into the mixing
상기 가스공급수단(140) 내부에는 캐리어가스가 공급되어 저장된다. 상기 캐리어가스는 공기, 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar) 등이 사용될 수 있으며, 기판(240)에 자기-전기결합 나노복합체 후막(220)을 형성하는 데 캐리어가스의 종류가 변화함에 따라 미치는 영향은 크지 않으므로, 제조 원가를 고려하여 저가의 가스를 사용함이 바람직하다.The carrier gas is supplied and stored inside the gas supply means 140. The carrier gas may be air, oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), helium (He), argon (Ar), or the like, and forms a self-electrically bonded nanocomposite thick film 220 on the
그리고, 본 발명의 실시예에서 상기 가스공급수단(140)으로부터 혼합용기(130) 내부로 유입 가능한 캐리어가스의 유입유량은 1 L/min 이상의 범위 내에서 조절 가능하나, 유입유량은 노즐(170)의 크기에 따라 변경 가능하다.And, in the embodiment of the present invention, the inflow flow rate of the carrier gas that can be introduced into the mixing
이하에서는 상기와 같이 구성되는 자기-전기결합 나노복합체 후막 형성장치(100)를 이용하여 자기-전기결합 나노복합체 후막(220)을 제조하는 방법을 첨부된 도 3을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing the self-electrobonding nanocomposite thick film 220 using the self-electrobonding nanocomposite thick
도 3에는 본 발명에 의한 자기-전기결합 나노복합체 후막의 제조방법을 나타낸 순서도가 도시되어 있다. 3 is a flow chart showing a method for producing a self-electrically bonded nanocomposite thick film according to the present invention.
도면과 같이, 본 발명에 의한 자기-전기결합 나노복합체 후막(220)은, 세라믹소재(C)를 혼합용기(130)에 장입하고, 기판(240)을 스테이지(112)에 고정하는 재료준비단계(S100)와, 상기 혼합용기(130) 내부에 캐리어가스를 공급하여 세라믹소재(C)와 캐리어가스를 혼합하는 가스공급단계(S200)와, 상기 혼합용기(130) 내부에서 혼합된 캐리어가스 및 세라믹소재(C)를 이송시켜 상기 기판(240)에 분사하는 입자분사단계(S300)와, 상기 스테이지(112)를 이송하여 기판(240)에 자기-전기결합 나노복합체 후막(220)을 형성하는 자기-전기결합 나노복합체 후막 형성단계(S400)와, 상기 형성된 자기-전기결합 나노복합체 후막을 열처리하여 입자크기를 성장시키는 열처리단계(S500)에 의해 제조된다.As shown in the figure, the self-electrobonding nanocomposite thick film 220 according to the present invention, a material preparation step of charging the ceramic material (C) to the mixing
본 발명의 재료준비단계(S100)에서 세라믹소재(C)는 압전 세라믹스과 자왜 세라믹스의 혼합 분말이 적용되며, 이때, 압전 세라믹스과 자왜 세라믹스는 당업계에서 통상적으로 사용되는 세라믹스를 사용할 수 있다. 상기 압전 세라믹스과 자왜 세라믹스는 시판되는 것을 사용하거나, 종래 합성-산화 방법으로 합성함으로써 제조할 수 있다. 또한, 상기 세라믹소재(C)는 조성을 다양하게 변화시켜 미세하게 함량을 조절할 수 있다.In the material preparation step (S100) of the present invention, the ceramic material (C) is applied with a mixed powder of piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics. In this case, the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics may use ceramics commonly used in the art. The piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics can be produced by using commercially available or by synthesizing by a conventional synthesis-oxidation method. In addition, the ceramic material (C) may be finely adjusted by varying the composition.
상기 재료준비단계(S100)가 완료되면 혼합용기(130) 내부에는 세라믹소재(C)가 채워지고 상기 스테이지(112) 하면에는 기판(240)이 고정된다. 이후 가스공급단계(S200)가 실시된다.When the material preparation step S100 is completed, the ceramic material C is filled in the mixing
상기 가스공급단계(S200)는 가스공급수단(140) 내부에 보관된 캐리어가스를 가스공급관(150)을 통해 혼합용기(130) 내부로 공급함으로써 상기 세라믹소재(C)와 이송가스를 혼합하는 과정이다.The gas supply step (S200) is a process of mixing the ceramic material (C) and the transfer gas by supplying the carrier gas stored in the gas supply means 140 into the mixing
즉, 상기 가스공급수단(140)으로부터 혼합용기(130) 내부로 유입되는 캐리어가스의 유량은 1 L/min 이상의 범위 내에서 조절하여 실시되므로, 상기 혼합용기(130) 내부의 세라믹소재(C)는 캐리어가스의 유입에 의해 비산(飛散)된다.That is, since the flow rate of the carrier gas flowing into the mixing
한편, 상기 재료준비단계(S100)와 가스공급단계(S200) 사이에는 진공형성단계(S150)가 실시된다. 상기 진공형성단계(S150)는 진공펌프(120)를 작동시켜 상기 진공챔버(110) 내부를 1 torr 미만의 진공도로 설정하는 과정이다. 따라서, 상기 혼합용기(130)를 경유하면서 세라믹소재(C)와 섞여 진공챔버(110) 내부로 유입된 캐리어가스는 상기 진공펌프(120)로 흡입 가능하게 된다.Meanwhile, a vacuum forming step S150 is performed between the material preparation step S100 and the gas supply step S200. The vacuum forming step (S150) is a process of operating the
상기 가스공급단계(S200) 이후에는 입자분사단계(S300)가 실시된다. 상기 입자분사단계(S300)는 노즐(170)을 통해 세라믹소재(C)가 기판(240) 하면에 분사되도록 하는 과정으로, 상기 혼합용기(130) 내부에서 혼합된 캐리어가스 및 세라믹소재(C)가 이송관(160) 및 노즐(170)을 순차적으로 경유하게 되면서 상기 노즐(170) 상측으로 분사됨으로써 상기 기판(240) 하면에는 세라믹소재(C)가 앵커링되어 진공 증착된다. 상기 입자분사단계(S300)에서도 상기 혼합용기(130)와, 이송관(160) 및 진공챔버(110) 내부의 진공도는 1-10 Torr로 유지되었으며, 상기 캐리어가스의 유량에 따라서 진공도는 달리 적용될 수 있다.After the gas supply step (S200), the particle injection step (S300) is carried out. The particle spraying step (S300) is a process of spraying the ceramic material (C) on the lower surface of the
상기 입자분사단계(S300) 이후에는 상기 기판(240)에 증착되지 않고 진공챔버(110) 내부로 비산된 세라믹소재(C)를 회수하는 입자회수단계(S350)가 실시된다. 상기 입자회수단계(S350)에서 회수된 세라믹소재(C)는 다시 모아져 재활용 가능하게 되며, 도 2에 도시되진 않았지만 상기 진공펌프(120)와 진공챔버(110) 사이에 별도의 필터링수단을 구비하여 상기 세라믹소재(C)만 선택적으로 걸러지도록 구성할 수도 있다.After the particle spraying step (S300), a particle recovery step (S350) for recovering the ceramic material C scattered into the
상기 기판(240) 외면에는 증착된 세라믹소재(C)의 두께가 증가하게 되면서 자기-전기결합 나노복합체 후막(220)을 형성하는 자기-전기결합 나노복합체 후막 형성 단계(S400)가 실시된다. 상기 자기-전기결합 나노복합체 후막 형성 단 계(S400)는 기판(240)의 외면에 5 ㎛ 이상의 두께의 자기-전기결합 나노복합체 후막(220)을 형성하게 되며, 상기 자기-전기결합 나노복합체 후막(220)의 두께는 입자분사단계(S300)의 실시시간에 따라 조절이 가능하다.As the thickness of the deposited ceramic material C increases on the outer surface of the
상기 입자회수단계(S350)는 세라믹소재(C)가 분사되는 동안은 지속적으로 실시됨이 바람직하다.The particle recovery step (S350) is preferably carried out continuously while the ceramic material (C) is injected.
상기 자기-전기결합 나노복합체 후막 형성 단계(S400) 이후에는 상기 형성된 자기-전기결합 나노복합체 후막을 열처리하여 입자크기를 성장시키는 열처리단계(S500)가 실시된다. 일례로 700 ℃의 공기중에서 1시간 정도 후열처리를 함으로써 결정립을 성장시켜 자기-전기결합 특성을 향상시킬 수 있다.After forming the self-electrically bonded nanocomposite thick film (S400), a heat treatment step (S500) is performed to heat-grow the formed self-electrically bonded nanocomposite thick film to grow a particle size. For example, by performing post-heat treatment in air at 700 ° C. for about 1 hour, crystal grains can be grown to improve self-electric coupling characteristics.
나아가, 본 발명은 상기 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 이용한 센서를 제공한다.Furthermore, the present invention provides a sensor using a self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
또한, 본 발명은 상기 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 이용한 변환기를 제공한다.In addition, the present invention provides a transducer using a self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
나아가, 본 발명은 상기 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 이용한 에너지 하베스팅 장치를 제공한다.Furthermore, the present invention provides an energy harvesting apparatus using the self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
또한, 본 발명은 상기 압전 세라믹스와 자왜 세라믹스로 이루어진 자기-전기결합 나노복합체 후막을 이용한 전자파 차폐 코팅을 제공한다.In addition, the present invention provides an electromagnetic wave shielding coating using a self-electrically bonded nanocomposite thick film composed of the piezoelectric ceramics and magnetostrictive ceramics.
제조된 자기-전기결합 나노복합체 후막은 고밀도로 치밀하게 성막되고, 균열 또는 기공형성이 나타나지 않으며, 기판과의 박리 없이 건전하게 기판에 부착된다 (도 6 참조). 또한, 상기 자기-전기결합 나노복합체 후막은 200~250의 고품질의 유전상수(도 10 참조) 및 100 mV/cm.Oe 이상의 자기-전기결합 출력 전압 계수(도 13 참조) 등 종래의 박막 제조공정으로 만들어진 자기-전기결합 복합박막 대비 뛰어난 자기-전기결합 특성을 나타냄으로써 센서, 변환기, 에너지 하베스터 장치, 전자파 차폐 코팅 등에 유용하게 사용될 수 있다.The prepared self-electrobonding nanocomposite thick film is densely deposited at high density, shows no cracks or pore formation, and adheres to the substrate soundly without peeling from the substrate (see FIG. 6 ). In addition, the self-electrobonding nanocomposite thick film is a conventional thin film manufacturing process such as a high-quality dielectric constant of 200 ~ 250 (see Fig. 10 ) and a self-electric coupling output voltage coefficient of 100 mV / cm.Oe or more (see Fig. 13 ) It exhibits excellent magnetic-electric coupling properties compared to the magnetic-electric coupling composite thin film made of the present invention, and can be usefully used for sensors, transducers, energy harvester devices, and electromagnetic shielding coatings.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예에 의해 보다 자세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시되는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. The following examples are only presented to aid the understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.
<< 실시예Example > PZNT-NCZF 자기-전기결합 나노복합체 후막의 제조> Preparation of PZNT-NCZF Self-electrobonding Nanocomposite Thick Films
상기 세라믹소재(C)로서 0.8Pb(Zr0 .52Ti0 .48)O3-0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3 [PZNT] 분말 및 (Ni0 .6Cu0 .2Zn0 .2)Fe2O4 [NCZF] 분말을 제조하기 위하여 시약급의 PbO, ZrO2, TiO2, ZnO, Nb2O5 및 MnCO3(99.9%, Sigma Aldrich Co.)와 NiO, CuO, ZnO, 및 Fe2O3(99.9%, Alfa Aesar)를 사용하였다. 상기 PZNT 분말 및 NCZF 분말은 종래 합성-산화 방법으로 합성함으로써 제조하였다.0.8Pb as the
구체적으로, 상기 PZNT 분말 및 NCZF 분말을 4:1의 중량비로 혼합한 다음, 상기 혼합 분말을 후막 형성장치 내 혼합용기에 장입하고, 캐리어 가스와 함께 구멍이 5 × 0.04 mm2인 직사각형 모양의 노즐을 이용하여 상온 분사 코팅하였다. 백 금 전극이 도포된 실리콘 기판을 상기 노즐로부터 5 mm 떨어진 스테이지에 고정한 다음, 상기 혼합 분말을 상온에서 백금 도금된 실리콘 기판에 진공 분사하여 치밀한 필름을 형성시켰다. 이 과정을 반복하여 10 ㎛ 이상의 두께로 후막을 제조하였으며, 증착된 후막을 공기중 700 ℃에서 1시간 동안 열처리하였다.Specifically, the PZNT powder and the NCZF powder are mixed at a weight ratio of 4: 1, and then the mixed powder is charged into a mixing vessel in a thick film forming apparatus, and a rectangular nozzle having a hole of 5 × 0.04 mm 2 together with a carrier gas. Spray coating at room temperature. A silicon substrate coated with a platinum electrode was fixed to a stage 5 mm away from the nozzle, and then the mixed powder was vacuum sprayed onto a platinum plated silicon substrate at room temperature to form a dense film. This process was repeated to prepare a thick film having a thickness of 10 ㎛ or more, the deposited thick film was heat-treated for 1 hour at 700 ℃ in air.
상기 방법으로 제조된 PZNT-NCZF 자기-전기결합 나노복합체 후막의 구조를 도 4에 개략적으로 나타내었다. The structure of the PZNT-NCZF self-electrobonding nanocomposite thick film prepared by the above method is schematically shown in FIG. 4 .
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 PZNT-NCZF 자기-전기결합 나노복합체 후막은 PZNT 매트릭스 내에 NCZF 상이 2D 연결성(connectivity)으로 분산되어 있는 형태로 이루어져 있으며, 이는 다른 공정으로는 성취하기 어려운 페라이트(ferrite)의 연결성의 복합화를 나타낸다.As shown in FIG . 4 , the PZNT-NCZF self-electrobonding nanocomposite thick film has a form in which NCZF phases are dispersed in 2D connectivity in a PZNT matrix, which is difficult to achieve by other processes. It shows the compounding of connectivity.
<특성 분석><Characteristic Analysis>
(1) X선 (1) X-ray 회절분석Diffraction analysis
상기의 방법으로 제조된 PZNT-NCZF 자기-전기결합 나노복합체 후막의 결정상의 변화를 분석하기 위하여 X선 회절분석기(XRD)(D-MAX 2200, Rigaku Co., Tokyo, Japan)를 이용하여 측정하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.In order to analyze the crystal phase of the PZNT-NCZF self-electrobonding nanocomposite thick film prepared by the above method was measured using an X-ray diffractometer (XRD) (D-MAX 2200, Rigaku Co., Tokyo, Japan) the results are shown in Fig.
도 5에 나타낸 바와 같이, 처음 출발 분말의 XRD 패턴은 페로브스카이트(PZNT) 및 스피넬(NCZF) 상이 선명(sharp)하게 존재하지만, 증착된 후막의 경우에는 이들이 나노결정구조를 생성함으로써 넓은(broad) 피크가 생성됨을 알 수 있 다. 또한, 상기 후막을 700 ℃에서 열처리한 경우, 페로브스카이트 상 및 스피넬 상이 혼합된 다결정 복합체가 생성되어 있으며, 열처리를 통한 결정립성장이 이루어졌음을 확인할 수 있다. As shown in FIG . 5 , the XRD patterns of the first starting powders were sharply present in the perovskite (PZNT) and spinel (NCZF) phases, but in the case of deposited thick films, they were broad ( broad) peak. In addition, when the thick film is heat-treated at 700 ° C, a polycrystalline composite in which a perovskite phase and a spinel phase are mixed is produced, and it can be confirmed that grain growth is achieved by heat treatment.
(2) 주사전자현미경 분석(2) Scanning electron microscope analysis
상기의 방법으로 제조된 PZNT-NCZF 자기-전기결합 나노복합체 후막의 단면을 주사전자현미경(SEM)(JSM-5800, JEOL CO., Tokyo, Japan)로 확인하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.A PZNT-NCZF magnetic prepared by the above method - determine the cross-section of the electrical coupling nanocomposite thick film by a scanning electron microscope (SEM) (. JSM-5800 , JEOL CO, Tokyo, Japan) and the results are shown in Figure 6 .
도 6에 나타낸 바와 같이, 제조된 PZNT-NCZF 후막은 고밀도로 치밀하게 성막되고, 균열 또는 기공형성이 나타나지 않았으며, 10 ㎛ 이상의 두께로 기판과의 박리 없이 건전하게 기판에 부착되어 있음을 알 수 있다.As shown in FIG . 6 , it can be seen that the prepared PZNT-NCZF thick film was densely formed at high density, showed no cracking or pore formation, and was firmly attached to the substrate with a thickness of 10 μm or more without peeling from the substrate. have.
(3) 투과전자현미경 및 (3) transmission electron microscope and 전자회절Electron diffraction 분석 analysis
상기의 방법으로 제조된 PZNT-NCZF 자기-전기결합 나노복합체 후막의 단면을 투과전자현미경(TEM) 및 전자회절(SAED)로 확인하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.The cross section of the PZNT-NCZF self-electrobonding nanocomposite thick film prepared by the above method was confirmed by transmission electron microscope (TEM) and electron diffraction (SAED), and the results are shown in FIG. 7 .
도 7에 나타낸 바와 같이, 제조된 PZNT-NCZF 후막 내에서 PZNT 미립자와 NCZF 미립자는 무정형 상의 흔적 없이 결정화가 잘 이루어짐을 알 수 있다. 또한, 상기 도 7에서 NCZF 결정의 크기는 100 nm의 범위인 것으로 나타났다.As shown in FIG . 7 , it can be seen that PZNT fine particles and NCZF fine particles are well crystallized in the prepared PZNT-NCZF thick film without traces of the amorphous phase. In addition, the size of the NCZF crystal in Figure 7 was found to be in the range of 100 nm.
(4) 주사투과전자현미경 분석(4) Scanning electron microscope analysis
상기의 방법으로 제조된 PZNT-NCZF 자기-전기결합 나노복합체 후막의 단면을 주사투과전자현미경(STEM)로 확인하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.The cross section of the PZNT-NCZF self-electrobonding nanocomposite thick film prepared by the above method was confirmed by scanning electron microscope (STEM), and the results are shown in FIG. 8 .
도 8을 통하여 제조된 PZNT-NCZF 복합체의 연결성을 확인할 수 있다.The connectivity of the prepared PZNT-NCZF complex can be confirmed through FIG. 8 .
(5) (5) EDXEDX 맵핑Mapping 분석 analysis
상기의 방법으로 제조된 PZNT-NCZF 자기-전기결합 나노복합체 후막을 EDX 맵핑 분석하여 그 결과를 도 9에 나타내었다.EDX mapping analysis of the PZNT-NCZF self-electrobonding nanocomposite thick film prepared by the above method is shown in FIG. 9 .
도 9에서, 원소 Pb(a) 및 Fe(b)는 각각 PZNT 및 NCZF 상을 대표한다. 여기서, 상기 도 9의 밝은 영역은 PZNT이고 어두운 부분은 NCZF를 나타낸다. 이러한 결과를 통하여 NCZF 라미네이트가 PZNT 매트릭스 내에 2D 연결성을 가지면서 나노스케일로 분산되어 있음을 알 수 있다. 이때 상기 페라이트 상의 연결성은 상기 매트릭스 전체에서 일정하지 않는다. 아울러 상기 NCZF 페라이트 상과 PZNT 페로브스카이트 상이 상호 반응하여 새로운 상을 형성하지 않았음을 확인할 수 있다. In FIG. 9 , elements Pb (a) and Fe (b) represent PZNT and NCZF phases, respectively. Here, the bright region of FIG. 9 is PZNT and the dark portion represents NCZF. These results indicate that NCZF laminates are dispersed nanoscale with 2D connectivity in the PZNT matrix. The connectivity on the ferrite is not constant throughout the matrix. In addition, it can be seen that the NCZF ferrite phase and the PZNT perovskite phase do not react with each other to form a new phase.
(6) (6) PZNTPZNT -- NCZFNCZF 자기-전기결합 나노복합체 Self-electrobonding Nanocomposites 후막의Thick 특성 측정 Characterization
1) 유전 상수 측정1) dielectric constant measurement
상기 유전 상수(εr)는 하기 수학식 1에 의해 계산된다.The dielectric constant ε r is calculated by
(상기 수학식 1에서, C는 1 kHz에서의 정전용량, A는 전극면의 면적, t는 전극간의 거리, εr는 재료의 유전상수, εo는 진공의 유전율이다.)(
상기의 방법으로 제조된 PZNT-NCZF 자기-전기결합 나노복합체 후막의 유전 상수 및 유전 손실 지수를 측정하여, 그 결과를 도 10에 나타내었다.Dielectric constant and dielectric loss index of the PZNT-NCZF self-electrobonding nanocomposite thick film prepared by the above method were measured, and the results are shown in FIG. 10 .
도 10에 나타낸 바와 같이, 1 kHz에서 유전 상수 및 유전 손실 지수는 각각 237 및 0.053으로 나타났다. 이는 상기 필름이 고품질인 것을 나타낸다. 또한, 주파수가 증가할수록 상기 유전 상수 및 유전 손실 지수는 감소하여 고주파영역에서는 유전 상수 및 유전 손실 지수가 각각 200 및 0.05로 낮아졌다. 상기 유전 특성은 어떠한 결함 없이 매우 안정한 것으로 나타났으며, 이는 센서용으로 적합하게 사용될 수 있다.As shown in FIG . 10 , the dielectric constant and dielectric loss index at 1 kHz were 237 and 0.053, respectively. This indicates that the film is of high quality. In addition, as the frequency was increased, the dielectric constant and dielectric loss index decreased, and the dielectric constant and dielectric loss index were lowered to 200 and 0.05, respectively, in the high frequency region. The dielectric properties have been shown to be very stable without any defects, which can be suitably used for sensors.
2) 2) 강유전Ferroelectric 이력곡선Hysteresis curve 측정 Measure
도 11에 상기 PZNT-NCZF 자기-전기결합 나노복합체 후막의 전기-분극(강유전) 이력곡선을 도시하였다. 도 11에서 나타낸 바와 같이, 제조된 나노복합체 후막은 전기장의 크기변화에 따라 잔류 분극값(Pr)이 증가하며, 대칭적인 모양을 가지는 전형적인 강유전 이력곡선을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 아울러 가해진 전기장의 크기가 400 kV/cm가 되더라도 절연파괴나 누설전류가 발생하지 않고, 강유전 이력특성을 나타내었다. 측정된 잔류 분극값은 9 μC/cm2을 가지며, 항전계(Ec)는 100 kV/cm를 가지는 것으로 측정되었다. 이것은 제조된 나노복합체 후막이 상호 반응 없이 독립된 상을 가지며, 높은 전기적 저항을 가짐으로써 강유전 특성을 가지는 것을 간접적으로 확인시켜 주는 것이다. 11 shows the electro-polarization (ferroelectric) hysteresis curve of the thick film of the PZNT-NCZF self-electrobonding nanocomposite. As shown in FIG . 11 , the prepared nanocomposite thick film increases the residual polarization value (Pr) according to the change in the size of the electric field and shows a typical ferroelectric hysteresis curve having a symmetrical shape. In addition, even if the applied electric field was 400 kV / cm, dielectric breakdown and leakage current did not occur, and the ferroelectric hysteresis characteristics were shown. The measured residual polarization value was 9 μC / cm 2 and the electric field Ec was measured to have 100 kV / cm. This indirectly confirms that the prepared nanocomposite thick films have independent phases without mutual reactions and have ferroelectric properties by having high electrical resistance.
3) 자화 강도(3) magnetization strength ( magentizationmagentization ) 및 자기-전기결합 전압 계수() And self-electric coupling voltage coefficient ( MEME voltagevoltage coefficient) 측정 coefficient measurement
페리자성 특성(ferrimagnetic characteristics)을 가지는 NCZF에 의해 자기-전기결합 나노복합체 후막은 자화강도이력거동을 나타내어야 한다. 이에 PZNT-NCZF 자기-전기결합 나노복합체 후막의 자화 강도를 진동시료형자력계(VSM)를 이용하여 측정하여 도 12에 나타내었다. 또한, 전자석을 이용하여 자기-전기결합 전압 계수를 측정하였다. 구체적으로 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)의 중앙에 상기 3-2 PZNT-NCZF 자기-전기결합 나노복합체 후막을 위치시키고 DC 바이어스를 적용시켰으며, AC 자기장은 Hac=1.0 Oe를 이용하여 측정하였다. 상기 3-2 나노복합체 후막에서 유도된 자기-전기결합 전압은 록인 증폭기(lock-in amplifier)를 이용하여 모니터로 나타났으며, 그 결과를 도 13에 나타내었다.The NCZF with ferrimagnetic characteristics should show the magnetization-strength hysteresis behavior of the self-electrically bonded nanocomposite thick film. The PZNT-NCZF self-shown in Fig. 12, the magnetization intensity of the electric coupling nanocomposite thick film measured using a vibrating sample type magnetometer (VSM). In addition, the magnetic-electric coupling voltage coefficient was measured using an electromagnet. Specifically, the 3-2 PZNT-NCZF self-electrophoretic nanocomposite thick film was placed in the center of the Helmholtz coil and DC bias was applied, and the AC magnetic field was measured using Hac = 1.0 Oe. The self-electric coupling voltage induced in the 3-2 nanocomposite thick film was displayed on a monitor using a lock-in amplifier, and the result is shown in FIG. 13 .
도 12 및 13에 나타낸 바와 같이, 최대 자기-전기결합 출력 전압 계수는 150 mV/cm.Oe으로 나타났다. 이 크기는 종래 문헌(J. G. Wan, et al: Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 122914; H. Ryu, et al: Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 102907; J.-P. Zhou, et al: Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 013111; Y. G. Ma, et al: Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 152911)에서 보고된 나노복합체 필름의 최대 전압 크기(~40 mV/cm.Oe)의 약 3배 이상을 나타내었다. As shown in Figures 12 and 13 , the maximum self-electric coupling output voltage coefficient was found to be 150 mV / cm.Oe. This size is described in JG Wan, et al: Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 122914; H. Ryu, et al: Appl. Phys. Lett. 2006, 89, 102907; J.-P. Zhou, et al: Appl. Phys. Lett. 2006, 88, 013111; YG Ma, et al: Appl. Phys. Lett. 2007, 90, 152911, reported the maximum voltage magnitude (-40 mV / cm. About 3 times or more of Oe).
따라서, 본 발명에 따라 제조된 3-2 자기-전기결합 나노복합체 후막은 종래의 박막 제조공정으로 만들어진 자기-전기결합 복합박막 대비 뛰어난 자기-전기결합 특성을 나타냄으로써 센서, 변환기, 에너지 하베스터 장치, 전자파 차폐 코팅 등에 유용하게 사용될 수 있다.Accordingly, the 3-2 self-electrobonding nanocomposite thick film prepared according to the present invention exhibits excellent self-electric coupling properties compared to the self-electrobonding composite thin film produced by a conventional thin film manufacturing process, thereby providing a sensor, a transducer, an energy harvester device, It can be usefully used for electromagnetic shielding coating and the like.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and many other modifications based on the present invention will be possible to those skilled in the art within the scope of the present invention.
도 1은 본 발명에 의한 자기-전기결합 나노복합체 후막의 증착 원리를 나타낸 개념도이다. 1 is a conceptual diagram showing the deposition principle of the self-electrobonding nanocomposite thick film according to the present invention.
도 2는 본 발명에 의한 자기-전기결합 나노복합체 후막을 제조하기 위한 자기-전기결합 나노복합체 후막 형성장치의 구성을 보인 개략도이다. Figure 2 is a schematic diagram showing the configuration of a self-electrobonding nanocomposite thick film forming apparatus for producing a self-electrobonding nanocomposite thick film according to the present invention.
도 3은 본 발명에 의한 자기-전기결합 나노복합체 후막의 제조방법을 나타낸 순서도이다. Figure 3 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a self-electrophoretic nanocomposite thick film according to the present invention.
도 4는 본 발명의 자기-전기결합 나노복합체 후막의 구조를 나타내는 개략도이다. Figure 4 is a schematic diagram showing the structure of the self-electrobonding nanocomposite thick film of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 자기-전기결합 나노복합체 후막의 XRD 패턴을 나타낸 그래프이다. FIG. 5 is a graph showing an XRD pattern of a thick film of a self-electrobonding nanocomposite prepared by an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 자기-전기결합 나노복합체 후막의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. FIG. 6 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of a thick film of a self-electrobonding nanocomposite prepared by an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 자기-전기결합 나노복합체 후막의 투과전자현미경(TEM) 및 전자회절(SAED) 사진(내삽됨)이다. FIG. 7 is a transmission electron microscope (TEM) and electron diffraction (SAED) photograph (interpolated) of a self-electrically bonded nanocomposite thick film prepared by one embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 자기-전기결합 나노복합체 후막의 주사투과전자현미경(STEM) 사진이다. FIG. 8 is a scanning electron microscope (STEM) photograph of the thick film of the self-electrobonding nanocomposite prepared by an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 자기-전기결합 나노복합체 후막의 EDX 맵핑 분석 사진이다. 9 is a photograph of EDX mapping analysis of the thick film of the self-electrobonding nanocomposite prepared by the embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 자기-전기결합 나노복합체 후막 의 유전 상수 및 유전 손실 지수를 주파수에 따라 도시한 그래프이다. 10 is a graph showing the dielectric constant and the dielectric loss index of the self-electrically bonded nanocomposite thick film prepared by one embodiment of the present invention with frequency.
도 11은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 자기-전기결합 나노복합체 후막의 강유전 이력곡선을 도시한 그래프이다. FIG. 11 is a graph illustrating ferroelectric hysteresis curves of the thick film of the self-electrically bonded nanocomposite prepared by the embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 자기-전기결합 나노복합체 후막의 자화 강도를 도시한 그래프이다. 12 is a graph showing the magnetization strength of the self-electrobonding nanocomposite thick film prepared by one embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 자기-전기결합 나노복합체 후막의 자기-전기결합 출력 전압 계수를 도시한 그래프이다. FIG. 13 is a graph showing the self-electric coupling output voltage coefficients of the self-electrobonding nanocomposite thick film prepared by the embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 나노복합체 후막 형성장치 110 : 진공챔버100: nanocomposite thick film forming apparatus 110: vacuum chamber
112 : 스테이지 120 : 진공펌프112: stage 120: vacuum pump
130 : 혼합용기 140 ; 가스공급수단130:
150 : 가스공급관 160 : 이송관150: gas supply pipe 160: transfer pipe
220 : 나노복합체 후막 240 : 기판220: nanocomposite thick film 240: substrate
C : 세라믹소재C: Ceramic Material
S100 : 재료준비단계 S150 : 진공형성단계S100: material preparation step S150: vacuum forming step
S200 : 가스공급단계 S300 : 입자분사단계S200: gas supply step S300: particle injection step
S350 : 입자회수단계 S350: Particle Recovery Step
S400 : 나노복합체 후막 형성단계S400: nanocomposite thick film forming step
S500 : 열처리단계S500: heat treatment step
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