KR101620296B1 - 적층형 압전 세라믹 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적층형 압전 세라믹 소자에 관한 것으로서, 두 개 이상의 세라믹 그린 시트가 적층되어 제조되는 적층형 압전 세라믹 소자에 있어서, 상기 적층형 압전 세라믹 소자를 구성하는 세라믹의 기공부 또는 결함부에 유기 수지가 함침된 구조를 갖는다.
따라서, 본 발명은, 액츄에이터 세라믹 적층체의 최상부 및 최하부를 커버하며 세라믹 다공체로 형성되는 복수개의 더미 세라믹층을 구비하고 유기절연수지용액으로 함침시켜 고습도 환경에서 절연 저항의 열화를 방지할 수 있는 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자를 제공하는 효과가 있다.

Description

적층형 압전 세라믹 소자 { Stack type piezoelectric ceramic element }
본 발명은 적층형 압전 세라믹 소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 액츄에이터 세라믹 적층체의 최상부 및 최하부를 커버하며 세라믹 다공체로 형성되는 복수개의 더미 세라믹층을 구비하고 유기절연수지용액으로 함침시켜 고습도 환경에서 절연 저항의 열화를 방지할 수 있는 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자에 관한 것이다.
최근 들어, 산업기술이 발달하면서 전도전자가 없어 전기와 열이 잘 통하지 않는 절연성과 강한 결합의 안정성으로 높은 융점과 화학적 안정성을 갖는 세라믹재료가 전자재료로서 다양하게 쓰이고 있다.
특히, 압력을 받으면 전기가 나오거나 전기를 가하면 변형을 일으키는 압전재료의 경우에 세라믹재료가 널리 사용되고 있다.
이러한 압전 세라믹 기술은 물리적인 압력이 가해지면 전기가 발생하는 모듈을 세라믹 소자로서 구성하는 기술을 가리키는 것으로, 압전소자의 경우에 전기적 에너지와 기계적 에너지를 서로 간에 변화시킬 수 있는 특성을 지닌 소자를 가리킨다.
여기서, 압전소자는 압전 세라믹에 가해지는 힘에 의해 전압이 발생하고, 그 힘의 세기에 따라 발생되는 전압의 양이 달라진다.
또한, 이와 같은 압전 세라믹 소자는 응답성이 높은 변위를 정밀하게 제어 할 수 있는 특징이 있으며, 적층형 압전 세라믹 소자의 경우에는 작은 전압으로도 큰 변위를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.
이와 같은 이유로 적층형 압전 세라믹 소자의 경우에 인젝터, 마이크로 펌프, 잉크젯 헤드, 및 스피커에 널리 적용되어 사용되고 있다.
종래기술에 따른 적층형 압전 세라믹 소자는 압전용 액츄에이터 세라믹층과 내부전극이 번갈아 적층된 구조를 갖는 액츄에이터 적층체를 형성하며 외부전극이 적층체의 최상층이나 최하층 또는 측면에 형성되는 구조를 갖는다.
한편, 적층형 압전 세라믹 소자의 경우에 고온 고습환경에서 절연 열화나 절연 파괴를 방지하기 위하여 다양한 기술이 시도되고 있다.
특히, 액츄에이터 적층체를 구성하는 분극용 내부전극에 마이크로 크랙이 발생하면 그 부분에 수분이 침투하여 절연 열화나 절연 파괴가 발생하는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 방습필름을 내부에 형성하거나 분극용 내부전극과 압전 세라믹층을 무기재료로 둘러싸 수분의 침입을 억제하고자 하는 기술이 있었다.
그러나, 적층형 압전 세라믹 소자 내부에 방습필름을 형성하는 종래기술은 분극용 내부전극의 면적이 큰 제품에는 적용이 어려운 문제점이 있으며, 분극용 내부전극과 압전 세라믹층을 무기재료로 보호하여 수분의 침투를 억제하는 기술은 무기재료의 두께를 충분하게 확보해야 하기 때문에 액츄에이터 구동력이 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 고습도 환경에서 절연 저항의 열화를 방지할 수 있으면서 구동력이 저하되는 것을 방지할 수 있는 적층형 압전 세라믹 소자에 관한 현실적이고도 적용이 가능한 기술이 절실히 요구되는 실정이다.
일본공개특허공보 특개 2012-043844호
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은, 액츄에이터 세라믹 적층체의 최상부 및 최하부를 커버하며 세라믹 다공체로 형성되는 복수개의 더미 세라믹층을 구비하고 유기절연수지용액으로 함침시켜 고습도 환경에서 절연 저항의 열화를 방지할 수 있는 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자는, 두 개 이상의 세라믹 그린 시트가 적층되어 제조되는 적층형 압전 세라믹 소자에 있어서, 상기 적층형 압전 세라믹 소자를 구성하는 세라믹의 기공부 또는 결함부에 유기 수지가 함침된 구조를 갖는에 유기절연수지가 함유되고 상기 내부전극 둘레에 방수코팅층이 형성될 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자는, 내부전극 사이 또는 내부전극과 외부전극 사이에 형성되는 다수개의 액츄에이터 세라믹층을 포함하는 액츄에이터 세라믹 적층체; 및 상기 액츄에이터 세라믹 적층체의 상하 양측면중 어느 일면 이상을 커버하는 더미 세라믹층;을 포함하고, 상기 더미 세라믹층의 기공율을 0.5% ~ 5.0%로 할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자는, 적층형 압전 세라믹 소자 표면에 부착된 유기수지를 제거하는 공정을 가질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자는, 금속, 무기, 및 유기 물질 중 하나의 재료로 형성되는 진동판과 접착될 수 있다.
상기 내부전극 및 외부전극은, Ag 또는 Ag/Pd 재질로 형성될 수 있다.
상기 액츄에이터 세라믹층은, PZT계열을 포함하는 압전 세라믹 재료로 형성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자는, 유기수지를 진공 함침 또는 가압 함침 하는 공정을 가질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 적층형 압전 세라믹 소자를 실리콘과 같은 유기절연수지용액으로 함침시켜 더미 세라믹층을 구성하는 기공에 유기절연수지가 함침된 구조를 갖도록 하여 내부전극에 수분이 유입되는 것을 방지할 수 있으며 이로 인해 고습도 환경에서 절연 저항의 열화를 방지할 수 있는 적층형 압전 세라믹 소자를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 액츄에이터 세라믹 그린시트에 비해 소결온도가 높은 세라믹 압전재료를 이용하여 더미 세라믹 그린시트를 형성하는 방법으로 기공율을 제어할 수 있기 때문에 방습 효과가 높은 적층형 압전 세라믹 소자를 용이하게 제작할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 적층형 압전 세라믹 소자의 함침과정에서 표면에 형성되는 유기절연수지 코팅층을 제거하더라도 세라믹층을 구성하는 세라믹 다공체의 기공에 유기절연수지가 함유되어 있어 진동판과 접촉이 용이하면서도 방수성능의 저하를 방지할 수 있는 적층형 압전 세라믹 소자를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자의 평면도 및 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 a-a'의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법을 나타내기 위한 흐름도이다.
도 4는 도 3의 흐름도를 본 발명의 실험예에 적용하기 위하여 더욱 구체적으로 나타낸 공정도면이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따라 도 4에 도시된 함침공정 후 적층형 압전 세라믹 소자의 코팅액을 제거하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자는, 두 개 이상의 세라믹 그린 시트가 적층되어 제조되는 적층형 압전 세라믹 소자에 관한 것으로서, 일면에 적층형 압전 세라믹 소자에서 발생되는 진동을 증폭시키는 진동판을 결합하여 압전 스피커에 적용될 수 있다.
이때, 상기 진동판은 금속재료, 폴리머와 같은 무기재료, 및 펄프등의 유기재료가 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자의 평면도 및 측면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 a-a'의 단면을 나타내는 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자(100)는, 액츄에이터 세라믹 적층체(110), 복수개의 더미 세라믹층(120), 및 복수개의 외부전극(130)을 포함할 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 액츄에이터 세라믹 적층체(110)는, 두 개 이상의 세라믹 그린 시트에 프린팅 되어 각각 형성되는 복수개의 내부전극(111), 및 상기 복수개의 내부전극(111) 사이에 형성되어 상기 복수개의 내부전극 사이를 서로 전기적으로 분리하는 다수개의 액츄에이터 세라믹층(112)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 내부전극(111)은, Ag(Silver) 또는 Ag-Pd(Silver-Palladium)의 전극재료로 형성될 수 있으며, 상기 다수개의 액츄에이터 세라믹층(112)은 PZT-PNN계 압전 세라믹 재료를 이용하여 제작될 수 있다.
또한, 상기 액츄에이터 세라믹층(112)은 도 2의 단면도에 도시된 바와 같이 상기 내부전극(111)이 형성되는 부분과 상기 내부전극(112)이 형성되지 않는 부분으로 이루어질 수 있으며, 중심부와 최상층 및 최하층의 외측으로 배치되는 내부전극의 경우에는 인접하는 액츄에이터 세라믹층의 접촉면에 전체적으로 형성될 수 있다.
상기 복수개의 더미 세라믹층(120)은, 각각의 일면이 공기중에 노출된 채 상기 액츄에이터 세라믹 적층체(110)의 최상부 및 최하부를 각각 커버하는 구조로 배치되어 상기 액츄에이터 세라믹층(112)에 유입되는 수분을 일차적으로 차단하는 역할을 수행할 수 있으며, 상기 액츄에이터 세라믹층(112)에 비해 높은 기공율을 갖는 세라믹 다공체로 형성될 수 있다.
이때, 상기 복수개의 더미 세라믹층을 구성하는 세라믹 다공체의 기공율이 0.5 ~ 5.0% 이내일 수 있으며, 이를 위해 상기 액츄에이터 세라믹 적층체(110)를 구성하는 액츄에이터 세라믹층(112)에 비해 소결온도가 상대적으로 높은 압전 세라믹 재료를 사용하여 기공율을 제어 할 수 있다.
예컨대, 본 발명의 실시예에서는 상기 액츄에이터 세라믹층(112)을 구성하는 세라믹 재료는 소결온도가 1,050℃인 것을 사용할 수 있으며, 상기 더미 세라믹층(111)을 구성하는 세라믹 재료는 소결온도가 1,000℃인 것을 사용하여 다공체로 형성되는 세라믹층의 기공율을 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자는, 액츄에이터 세라믹 적층체의 최상부 및 최하부를 커버하며 세라믹 다공체로 형성되는 복수개의 더미 세라믹층을 구비하여 적층형 압전 세라믹 소자 내부로 수분이 용이하게 침투하는 것을 방지할 수 있다.
상기 외부전극(130)은, 도 2의 단면도에 도시된 바와 같이, 상기 액츄에이터 세라믹 적층체(110)의 상호 대향하는 양측면 끝단 수직방향으로 각각 형성되고, 각각의 양측 끝단은 도 1의 평면도 및 측면도에 도시된 바와 같이 상기 복수개의 더미 세라믹층(120) 외측 가장자리에 각각 배치되는 구조로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 외부전극(130)은 상기 액츄에이터 세라믹 적층체(110)의 외측에 배치되어 외부에서 전원이 인가되는 기능을 수행하기 위한 것으로, Ag(Silver)의 전극재료로 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자는, 후술하는 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 유기절연수지용액으로 함침시켜 다공체로 형성되는 세라믹층의 기공에 유기절연수지가 함침된 구조를 갖도록 하고, 상기 액츄에이터 세라믹 적층체를 구성하는 내부전극 둘레에 방수코팅층을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 유기절연수지용액은 실리콘용액인 것이 바람직하며, 함침과정에서 상기 복수개의 더미 세라믹층(120) 및 상기 외부전극(130) 표면에 유기절연수지용액 코팅층이 생성되면, 후술하는 도 5에 도시된 샌드블러스트 공정을 통하여 코팅층을 제거한 다음, 금속, 무기, 및 유기재료 중 어느 하나의 재료로 형성되는 진동판과 결합하여 예컨대 압전 스피커 장치를 구현할 수 있다.
이때, 소자 표면의 유기절연수지용액 코팅층이 제거라도 다공체로 형성되는 세라믹층의 기공에 유기절연수지가 함유되어 있어 방수성능의 저하를 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 적층형 압전 세라믹 소자는, 실리콘과 같은 유기절연수지용액으로 함침시켜 내부전극에 수분이 유입되는 것을 방지할 수 있으며 이로 인해 고습도 환경에서 절연 저항의 열화를 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법을 나타내기 위한 흐름도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법은, 세라믹 그린시트 준비단계인 제 1 단계(S10), 상기 세라믹 그린시트에 내부전극을 형성하는 제 2 단계(S20), 내부전극이 형성된 액츄에이터 그린시트와 불활성 더미 그린시트를 적층하여 적층형 압전 소자 성형체를 형성하는 제 3 단계(S30); 탈 바인더를 위해 1차 소성하는 제 4 단계(S40), 적층형 압전 소자 성형체를 2차 소성하는 제 5 단계(S50), 적층형 압전 소자 소결체에 외부전극을 형성하는 제 6 단계(S60), 및 적층형 압전 세라믹 소자를 형성하는 제 7 단계(S70)를 포함할 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 단계(S10)는, 소결온도가 서로 다른 두 가지의 압전 세라믹 재료를 이용하여 액츄에이터 세라믹 그린시트와 상기 액츄에이터 세라믹 그린시트에 비해 상대적으로 높은 소결온도를 갖는 더미 세라믹 그린시트를 각각 준비하는 단계로서, 방수성능을 개선하기 위하여 상기 더미 세라믹 그린시트를 구성하는 압전 세라믹 재료의 기공율을 제어하는 단계일 수 있다.
여기서, PZT-PNN계 압전 세라믹 분말, 유기용제, 바인더, 가소제, 및 분산제를 볼밀로 혼합하여 제작된 압전소자용 슬러리를 이용하여 본 발명의 다른 실시예에 사용되는 세라믹 그린시트를 제작할 수 있다.
다음으로, 상기 제 2 단계(S20)는, 상기 액츄에이터 세라믹 그린시트에 내부전극을 형성하는 단계로서, 상술한 압전소자용 슬러리를 이용하여 30μm ~ 100μm 두께를 갖는 세라믹 그린시트가 제작되면 분극용 내부전극을 그린시트에 프린팅 방식으로 형성하는 단계일 수 있다.
다음으로, 상기 제 3 단계(S30)는, 최상층 및 최하층에 각각 상기 더미 세라믹 그린시트를 배치하고 내측으로는 상기 내부전극이 형성된 액츄에이터 세라믹 그린시트를 다수개 배치하는 적층구조로 압착한 다음 일정한 간격으로 절삭하여 적층형 압전 소자 성형체를 형성하는 단계일 수 있다.
다음으로, 상기 제 4 단계(S40)는, 상기 적층형 압전 소자 성형체를 탈 바인더 하기 위하여 상기 액츄에이터 세라믹 그린시트의 소결온도보다 낮은 온도에서 1차 소성하는 단계일 수 있다.
다음으로, 상기 제 5 단계(S50)는, 1차 소성이 완료된 상기 적층형 압전 소자 성형체를 상기 액츄에이터 세라믹 그린시트의 소결온도에서 2차 소성하여, 액츄에이터 세라믹 적층체 및 상기 액츄에이터 세라믹 적층체의 상부 및 하부를 커버하며 세라믹 다공체로 이루어지는 복수개의 더미 세라믹층을 포함하는 적층형 압전 소자 소결체를 형성하는 단계일 수 있다.
이때, 상술한 바와 같이, 상기 더미 세라믹층을 제조하기 위하여 사용되는 압전 세라믹 재료의 소결온도가 액츄에이터 세라믹층의 소결온도에 비해 높기 때문에 상기 더미 세라믹층을 형성하는 세라믹 다공체의 기공율이 상기 액츄에이터 세라믹층을 구성하는 세라믹 다공체의 기공율에 비해 크게 형성되어 후술하는 함침과정에서 유기절연수지용액의 침투율을 향상시킬 수 있다.
사익 제 6 단계(S60)는, 2차 소성이 완료된 상기 적층형 압전 소자 소결체에 외부전극을 형성하고 상기 액츄에이터 세라믹 그린시트의 소결온도보다 낮은 온도에서 3차 소성하는 단계일 수 있다. 이때, 상기 외부전극은 외부에서 전원이 인가되는 기능을 원활하게 수행하기 위하여 배치되는 장치의 구조에 따라 다양한 형상, 예컨데, 본 발명의 실시예에서는 적층형 압전소자의 측면 수직방향으로 형성되어 상측 및 하측으로 양끝단이 위치하였으나 경우에 따라 다양한 패턴으로 프린팅될 수있다.
상기 제 7단계(S70)는, 상기 3차 소성이 완료된 적층형 압전 소자 소결체의 외부전극에 전원을 인가하여 분극이 완료된 적층형 압전 세라믹 소자를 형성하는 단계일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 방수기능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법은, 상기 제 5 단계에서 상기 적층형 압전 소자 소결체의 최상층 및 최하층에 0.5 ~ 5.0% 이내의 기공율을 갖는 더미 세라믹층이 형성되고, 상기 더미 세라믹층 사이에 복수개의 내부전극 및 상기 복수개의 내부전극 사이에 형성된 다수개의 액츄에이터 세라믹층을 포함하는 액츄에이터 세라믹 적층체가 형성되는 단계일 수 있다.
또한, 상기 제 7 단계(S70) 이후에는, 상기 분극이 완료된 적층형 압전 세라믹 소자를 유기절연수지용액에 함침하여 상기 적층형 압전 세라믹 소자를 구성하는 세라믹층의 기공을 메꾸고 상기 액츄에이터 세라믹 적층체의 내부전극 둘레에 방수코팅층을 형성하는 제 8 단계(S80)를 더 포함할 수 있다.
게다가, 상술한 바와 같이, 상기 제 8 단계(S80) 이후에는, 함침과정에서 생성되는 상기 복수개의 더미 세라믹층 및 상기 외부전극 표면의 유기절연수지용액 코팅층을 샌드블래스터 공정을 통하여 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 방수기능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자의 제조방법은, 액츄에이터 세라믹 그린시트에 비해 소결온도가 높은 세라믹 압전재료를 이용하여 더미 세라믹 그린시트를 형성하는 방법으로 기공율을 제어할 수 있기 때문에 방습 효과가 높은 적층형 압전 세라믹 소자를 용이하게 제작할 수 있으며, 적층형 압전 세라믹 소자 전체를 실리콘과 같은 유기절연수지용액으로 함침시켜 방습효과를 높일 수 있다.
이하, 실험예를 들어 본 발명에 따른 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자를 구성하는 더미 세라믹층의 기공율에 따른 효과를 상세히 설명한다.
도 4는 도 3의 흐름도를 본 발명의 실험예에 적용하기 위하여 더욱 구체적으로 나타낸 공정도면이다.
<실험예 1>
- 도 2에 도시된 액츄에이터 세라믹층의 세라믹 재료에 비해 소결온도가 높은 PZT-PNN계 압전 세라믹 분말을 이용하여 하기의 [표 1]과 같이 적층형 압전소자의 소성과정(도 4의 8.forming)에서 더미 세라믹층의 기공율을 0.3%, 0.54%, 1.2%, 4.8%, 9.3%로 조절될 수 있는 적층형 압전 세라믹 소자 성형체를 제조하였다.
- 1. 성형체를 제조하기 위해, 먼저 PZT-PNN계 압전 세라믹 분말, 유기용제, 바인더, 가소제, 및 분산제를 볼밀로 혼합하여 슬러리를 제작한다. (소결온도가 서로 다른 액츄에이터 세라믹용과 더미 세라믹용을 구분하여 제작한다.)
- 2. 다음으로, 슬러리를 이용하여 30μm ~ 100μm 두께를 갖는 액츄에이터용 세라믹 그린시트와 20μm 두께의 더미 세라믹 그린시트를 제작한다.
- 3. 액츄에이터용 세라믹 그린시트에 내부전극을 프린팅한다.
- 4. 다수개의 액츄에이터용 세라믹 그리시트를 내측으로 하고 외측으로 더미 세라믹 그린시트를 배치하여 세라믹 적층구조를 형성한다.
- 5.6. 세라믹 적층구조의 그린시트를 압착하고 절삭하여 세라믹 성형체를 형성한다.
- 7.8. 세라믹 성형체를 500℃에서 탈 바인더 후 밀폐용기에 넣어 1050℃에서 2시간 소성하여 적층형 압전 세라믹 소결체를 얻었다.
- 9.10.11. 소결체에 외부전극으로 Ag를 인쇄한 다음 600℃에서 소성하고, 이후 분극하여 도 1 내지 도 2에 도시된 적층형 압전 세라믹 소자를 얻었다.
- 이때, 적층형 압전 세라믹 소자는, 전극간 거리 0.075mm의 액츄에이터 세라믹층으로 이루어진 액츄에이터 세라믹 적층체와, 수분유입을 방지하는 보호층으로서 더미 세라믹층이 20μm두께로 세라믹 적층체의 상하에 설치되었으며, 외부전극의 Margin은 0.15mm 이다.
Active Layer Dummy Layer Dummy layer
Porosity
Item1 Powder1 Powder1 0.3%
Item2 Powder1 Powder2 0.54%
Item3 Powder1 Powder3 1.2%
Item4 Powder1 Powder4 4.8%
Item5 Powder1 Powder5 9.3%
- 12. 평가대상시료는 외부전극을 소성한 이후의 시료를 실리콘용액에 투입하고 세라믹 다공체의 기공으로 침투가 잘되도록 진공상태에 가까운 감압환경에서 30min 함침하였다.
- 함침 후 실온에서 2시간 건조, 130℃ 의 온도에서 1시간 경화과정을 거쳤다.
- 습기성능을 평가하기 위한 조건으로 온도 85℃, 95％ RH 의 항온 항습 층에 평가대상시료를 투입하고 DC 38V(0.5kV/mm)를 인가하여 절연저항의 변화를 평가하였다.
<실험예1> 의 결과는 하기의 [표 2]와 같다.
ㅔ
 Regin
Impregnation

 Active
Layer
 Dummy
Layer
 Dummy
Layer
Porosity
IR decreased
3Hr 10Hr 24Hr 100Hr
Item1 O Powder1 Powder1 0.3% 0/20 0/20 0/20 2/20
Item2 O Powder1 Powder2 0.54% 0/20 0/20 0/20 0/20
Item3 O Powder1 Powder3 1.2% 0/20 0/20 0/20 0/20
Item4 O Powder1 Powder4 4.8% 0/20 0/20 0/20 0/20
Item5 O Powder1 Powder5 9.3% 1/20 7/20 20/20 -
Item6 X Powder1 Powder1 0.3% 0/20 0/20 0/20 3/20
Item7 X Powder1 Powder2 0.54% 0/20 2/20 6/20 11/20
Item8 X Powder1 Powder3 1.2% 3/20 8/20 15/20 20/20
Item9 X Powder1 Powder4 4.8% 9/20 20/20 - -
Item10 X Powder1 Powder5 9.3% 20/20 - - -
실리콘 수지를 함침하지 않는 시료는 더미 세라믹층의 기공율이 클수록 절연저항(IR)의 열화가 많이 발생하였으나, 실리콘 수지를 함침한 시료는 전체적으로 절연저항 저하의 발생빈도가 감소하였다.
또한, 기공율 0.3%이하일 경우는 수지함침의 유무에 관계없이 100Hr에서 절연 저항의 열화시료가 발생된 것으로 보아 더미 세라믹층의 기공율이 낮을 경우에는 더미 세라믹층이 보호층역할을 수행하는 것을 알 수 있다.
한편, 기공율 9.3%인 경우는 수지함침 효과는 얻을 수 있었으나 충분하지 않은 것을 알 수 있다. 이것은 기공이 대부분 내부 세라믹의 경우 압전 세라믹 소자의 표면에 코팅되는 것이고 내부까지 침투되지 않기 때문일 수 있다. 따라서, 다공성이 높을 경우 수지의 함침이 불충분하게 되어 절연 저항의 열화방지에 충분한 효과를 얻지 못할 수 있다.
따라서, 절연 저항의 열화를 억제하기 위하여 유기절연용액 수지에 함침하는 것 뿐만 아니라 더미 세라믹층의 기공율을 0.5~5.0% 사이에서 제어 해야 한다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따라 도 4에 도시된 함침 후 적층형 압전 세라믹 소자(시료)의 코팅액을 제거하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
<실험예 2>
- 도 5에 도시된 바와 같이, 실험예로서 실리콘 수지를 함침 한 시료의 표면에 샌드블러스트 방식으로 모래 분사를하여 표면을 연마하였다.
- 표면을 연마한 시료를 에폭시 수지를 사용하여 금속진동판 역할을 하는 SUS 플레이트에 부착한 다음 절연 저항 열화 실험에 투입하였다.
하기의 [표 3]은 <실험예 2>에 따른 결과이다.

 Resin
Impregnation
 Resin
Remove
 Active
Layer
 Dummy
Layer
 Dummy
Layer
Porosity
 Adhesion

 IR decreased
3Hr 10Hr 24H4 100Hr
Item1 O X Powder1 Powder1 0.3% NG 0/20 0/20 0/20 2/20
Item11 O O Powder1 Powder1 0.3% OK 0/20 0/20 0/20 3/20
Item12 O O Powder1 Powder3 0.54% OK 0/20 0/20 0/20 0/20
Item13 O O Powder1 Powder4 1.2% OK 0/20 0/20 0/20 0/20
Item14 O O Powder1 Powder5 4.8% OK 0/20 0/20 0/20 0/20
[표 3]에 나타난 결과와 같이, 적층형 압전 세라믹 소자를 함침한 이후에 표면을 연마하지 않은 시료는 SUS 플레이트에 부착하는 것 자체가 불가능하였다.
이것은 수분 침투 억제 효과가 있는 수지의 코팅층에 의해 발수가 일어나 수소 결합에 의한 접착이 곤란하기 때문일 수 있다.
한편, 표면을 연마한 시료는 SUS 플레이트에 접착이 가능한 것을 알 수 있으며, 비교실험에서도 절연 저항의 저하는 관찰되지 않았다.
즉, 함침과정에서 수지가 적층형 압전 세라믹 소자(시료)의 표면 코팅만 하는 것이라 다공체로 형성되는 세라믹층의 기공에 함침됨으로써 수분의 유입을 막기 때문이다.
상기와 같이, 본 발명은, 적층형 압전 세라믹 소자를 실리콘과 같은 유기절연수지용액으로 함침시켜 더미 세라믹층을 구성하는 기공에 유기절연수지가 함침된 구조를 갖도록 하여 내부전극에 수분이 유입되는 것을 방지할 수 있으며 이로 인해 고습도 환경에서 절연 저항의 열화를 방지할 수 있는 적층형 압전 세라믹 소자를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 액츄에이터 세라믹 그린시트에 비해 소결온도가 높은 세라믹 압전재료를 이용하여 더미 세라믹 그린시트를 형성하는 방법으로 기공율을 제어할 수 있기 때문에 방습 효과가 높은 적층형 압전 세라믹 소자를 용이하게 제작할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 적층형 압전 세라믹 소자의 함침과정에서 표면에 형성되는 유기절연수지 코팅층을 제거하더라도 세라믹층을 구성하는 세라믹 다공체의 기공에 유기절연수지가 함유되어 있어 진동판과 접촉이 용이하면서도 방수성능의 저하를 방지할 수 있는 적층형 압전 세라믹 소자를 제공하는 효과가 있다.
지금까지 본 발명에 대해서 상세히 설명하였으나, 그 과정에서 언급한 실시예는 예시적인 것일 뿐이며, 한정적인 것이 아님을 분명히 하고, 본 발명은 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상이나 분야를 벗어나지 않는 범위내에서, 균등하게 대처될 수 있는 정도의 구성요소 변경은 본 발명의 범위에 속한다 할 것이다.
100 : 적층형 압전 세라믹 소자 110 : 액츄에이터 세라믹 적층체
111 : 내부전극 112 : 액츄에이터 세라믹 층
120 : 더미 세라믹층 130 : 외부전극

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 두 개 이상의 세라믹 그린 시트가 적층되어 제조되는 적층형 압전 세라믹 소자에 있어서
    상기 적층형 압전 세라믹 소자를 구성하는 세라믹의 기공부 또는 결함부에 유기 수지가 함침된 구조를 갖고,
    내부전극 사이 또는 내부전극과 외부전극 사이에 형성되는 다수개의 액츄에이터 세라믹층을 포함하는 액츄에이터 세라믹 적층체; 및
    상기 액츄에이터 세라믹 적층체의 상하 양측면중 어느 일면 이상을 커버하는 더미 세라믹층;을 포함하고,
    상기 더미 세라믹층의 기공율을 0.5% ~ 5.0%로 하는 것을 특징으로 하는 방수성능을 개선한 적층형 압전 세라믹 소자
  3. 제 2항에 있어서,
    적층형 압전 세라믹 소자 표면에 부착된 유기수지를 제거하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 세라믹 소자
  4. 제 3항에 있어서,
    금속, 무기, 및 유기 물질 중 하나의 재료로 형성되는 진동판과 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 세라믹 소자
  5. 제 2항에 있어서, 상기 내부전극 및 외부전극은,
    Ag 또는 Ag/Pd 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 세라믹 소자
  6. 제 2항에 있어서, 상기 액츄에이터 세라믹층은,
    PZT계열을 포함하는 압전 세라믹 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 세라믹 소자
  7. 제 2항에 있어서,
    유기수지를 진공 함침 또는 가압 함침 하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 세라믹 소자
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