KR101682912B1 - 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

하부 전극 상에 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크를 이용한 잉크젯 프린팅법으로 세라믹-고분자 막을 형성한 후, 상부 전극과 하부 전극에 높은 전압을 인가하여 페로브스카이트 결정구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬함으로써, 우수한 압전성 및 출력 특성을 확보할 수 있는 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법은 (a) 지지 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계; (b) 상기 하부 전극 상에 잉크젯 프린팅법으로 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 분말 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크를 도포 및 건조하여 세라믹 막을 형성하는 단계; (c) 상기 세라믹 막에 고분자 수지를 포함하는 고분자 잉크를 도포 및 경화하여 세라믹 막 사이를 고분자 수지로 충진시켜 세라믹-고분자 막을 형성하는 단계; (d) 상기 세라믹-고분자 막 상에 상부 전극을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 상부 전극과 하부 전극에 전압을 인가하여, 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF FLEXIBLE PIEZOELECTRIC DEVICE USING INK-JET PRINTING}
본 발명은 플렉서블 압전 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하부 전극 상에 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크를 이용한 잉크젯 프린팅법으로 세라믹-고분자 막을 형성한 후, 상부 전극과 하부 전극에 높은 전압을 인가하여 페로브스카이트 결정구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬함으로써, 우수한 압전성 및 출력 특성을 확보할 수 있는 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
플렉서블 압전 소자는 하부 전극과 상부 전극으로 이루어지는 2개의 금속(Metal)과, 하부 전극 및 상부 전극 사이에 개재되는 압전체인 세라믹-고분자 막을 포함한다.
이러한 플렉서블 압전 소자는 외부로부터 기계적 변형을 가하면 전기 분극이 나타나는 현상을 이용하는 것으로서, 하부 전극과 상부 전극 사이에 개재되는 압전체인 세라믹-고분자 막을 매개체로 하여 외부의 기계적 에너지를 압전 재료의 변형에 의하여 전기 에너지로 변환시켜주는 소자를 말한다.
종래의 압전 소자는 세라믹 소결(sintering) 공정으로 제조된다. 그러나, 세라믹 소결 공정의 경우, 기본적으로 고가의 비용과 더불어, 부피 수축의 문제점 및 세라믹 고유의 취성 문제를 야기한다.
이러한 문제점을 해결하고자 세라믹-고분자 복합 압전 소자가 제안되었다. 그러나, 세라믹-고분자 복합 압전 소자는 주로 고분자 기반으로서, 세라믹 함량이 상대적으로 적은 관계로 출력 특성이 좋지 못하다는 단점이 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0086355호 (2006.07.31 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 압전 소자와 그 제조 방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 하부 전극 상에 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크를 이용한 잉크젯 프린팅법으로 세라믹-고분자 막을 형성한 후, 상부 전극과 하부 전극에 높은 전압을 인가하여 페로브스카이트 결정구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬함으로써, 우수한 압전성 및 출력 특성을 확보할 수 있는 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자 제조 방법은 (a) 지지 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계; (b) 상기 하부 전극 상에 잉크젯 프린팅법으로 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 분말 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크를 도포 및 건조하여 세라믹 막을 형성하는 단계; (c) 상기 세라믹 막에 고분자 수지를 포함하는 고분자 잉크를 도포 및 경화하여 세라믹 막 사이를 고분자 수지로 충진시켜 세라믹-고분자 막을 형성하는 단계; (d) 상기 세라믹-고분자 막 상에 상부 전극을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 상부 전극과 하부 전극에 전압을 인가하여, 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자 제조 방법은 (a) 지지 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계; (b) 상기 하부 전극 상에 잉크젯 프린팅법으로 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 분말, 고분자 수지 및 용매를 포함하는 세라믹-고분자 잉크를 도포 및 경화하여 세라믹-고분자 막을 형성하는 단계; (c) 상기 세라믹-고분자 막 상에 상부 전극을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 상부 전극과 하부 전극에 전압을 인가하여, 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자 제조 방법은 (a) 지지 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계; (b) 하부 전극 상에 잉크젯 프린팅법으로 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 분말 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크를 도포 및 건조하여 세라믹 막을 형성하는 단계; (c) 상기 세라믹 막에 고분자 수지를 포함하는 고분자 잉크를 도포 및 경화하여 세라믹 막 사이를 고분자 수지로 충진시켜 세라믹-고분자 막을 형성하는 단계; (d) 상기 세라믹-고분자 막 상에 내부 전극을 형성하는 단계; (e) 상기 (b) 단계 및 (c) 단계를 반복하여 상기 내부 전극 상에 세라믹-고분자 막을 추가 형성한 후, 상부 전극을 형성하는 단계; 및 (f) 상기 상부 전극과 하부 전극에 전압을 인가하여, 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 및 그 제조 방법은 하부 전극 상에 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크를 이용한 잉크젯 프린팅법으로 세라믹-고분자 막을 형성한 후, 상부 전극과 하부 전극에 높은 전압을 인가하여 페로브스카이트 결정구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬함으로써, 우수한 압전성 및 출력 특성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 4 내지 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자를 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예의 변형예에 따른 플렉서블 압전 소자를 나타낸 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자 제조 방법은 하부 전극 형성 단계(S110), 세라믹 막 형성 단계(S120), 세라믹-고분자 막 형성 단계(S130), 상부 전극 형성 단계(S140)와 상부 및 하부 전극에 전압 인가 단계(S150)를 포함한다.
하부 전극 형성 단계(S110)에서는 지지 기판 상에 하부 전극을 형성한다. 이때, 지지 기판은 폴리이미드 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지 등과 같이 플렉서블한 절연특성을 갖는 다양한 고분자 필름이 이용될 수 있다. 이러한 지지 기판은 플렉서블한 특성을 부여함과 더불어, 하부 전극이 노출되는 것을 방지하는 역할을 한다.
하부 전극은 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 타이타늄 나이트라이드(TiN) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
세라믹 막 형성 단계(S120)에서는 하부 전극 상에 잉크젯 프린팅법으로 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 분말 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크를 도포 및 건조하여 세라믹 막을 형성한다.
세라믹 잉크의 세라믹 분말로는 PZT{Lead zirconium titanate: Pb(ZrxTi1 -x)O3, 0<x<1}, PLZT{lanthanum-doped lead zirconate titanate: PbyLa1-y(ZrxTi1 -x)O3, 0<x<1, 0<y<0.5}, SBT(Strontium bismuth tantalite: SrBi2Ta2O9), SBTN(Strontium barium tantalate noibate), BT(BaTiO3), BIT(bismuth titanate Bi4Ti3O12), BLT(bismuth lanthanum titanate: Bi4 - xLaxTi3O12, 0<x<0.5) 등을 포함하는 페로브스카이트 결정구조를 갖는 물질 중에서 선택될 수 있으며, 여기에 ZnO 및 MgO 중 선택된 1종 이상의 혼합체가 더 첨가될 수 있다. 이러한 세라믹 분말은 10nm ~ 10㎛의 평균 직경을 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 세라믹 분말의 평균 직경이 10nm 미만일 경우에는 분산 안정성이 저하될 수 있고, 10㎛를 초과할 경우에는 잉크젯 공정시 노즐 막힘 등의 문제점이 발생할 수 있다.
그리고, 용매는 물, 에탄올, 아세톤, 포름아미드 등 세라믹 분말을 분산시킬 수 있는 것이라면 제한 없이 이용될 수 있다.
또한, 세라믹 잉크는 분산제를 더 포함할 수 있다. 세라믹 잉크에 포함되는 분산제는 표면장력 제어와 분산성 향상 등을 위해 첨가된다. 이러한 분산제는 비이온 계면활성제, 양이온 계면활성제, 음이온 계면활성제, 옥틸알콜 및 아크릴계 고분자 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다. 다만, 분산제가 과다하게 첨가될 경우 용액 안정성 및 압전 특성을 저해할 수 있으므로, 분산제는 세라믹 잉크 100 중량부에 대하여, 5 중량부 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다.
세라믹-고분자 막 형성 단계(S130)에서는 세라믹 막에 고분자 수지를 포함하는 고분자 잉크를 도포 및 경화하여 세라믹 막 사이를 고분자 수지로 충진시켜 세라믹-고분자 막을 형성한다.
이러한 고분자 수지는 폴리아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 페놀계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리이미드계 수지, 불포화 폴리에스테르계 수지, 폴리우레탄계 수지 등 다양한 수지가 될 수 있으며, 이 외에도 열경화형 수지 혹은 광경화형 수지가 제한 없이 이용될 수 있다.
이러한 세라믹-고분자 막은 세라믹 분말 50 ~ 97vol% 및 고분자 수지 3 ~ 50vol%로 조성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 세라믹 분말 60 ~ 85vol% 및 고분자 수지 15 ~ 40vol%를 제시할 수 있다. 본 발명에 적용되는 세라믹-고분자 막의 경우, 세라믹 분말이 주된 소재가 되어 세라믹 매트릭스를 형성하고, 세라믹 분말들 사이의 공극을 고분자 수지가 채우는 형태를 갖게 된다.
또한, 본 단계에서, 세라믹 막에 고분자 수지를 포함하는 고분자 잉크를 도포 및 경화하여 세라믹 막 사이를 고분자 수지로 충진시키는 방식으로 세라믹-고분자 막을 형성하기 때문에, 세라믹-고분자 막 형성에서 소결 공정을 생략함으로써 생산 단가를 낮출 수 있음과 더불어 소결 공정에 수반되는 수축 문제 해결, 소자의 신뢰성 개선이 가능하다.
상부 전극 형성 단계(S140)에서는 세라믹-고분자 막 상에 상부 전극을 형성한다. 이때, 상부 전극은, 하부 전극과 마찬가지로, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 타이타늄 나이트라이드(TiN) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
상부 및 하부 전극에 전압 인가 단계(S150)에서는 상부 전극과 하부 전극에 높은 전압을 인가하여 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬한다.
이와 같이, 상부 및 하부 전극에 높은 전압을 인가하게 되면, 상부 전극 및 하부 전극 사이에 배치되는 세라믹-고분자 막에서 페로브스카이트 결정구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬시키는 것이 가능해질 수 있기 때문에 압전 효과를 극대화시킬 수 있게 된다. 이때, 압전 효과란 물체에 힘을 가하여 신축시킨 순간에 전압을 일으키고, 역으로 물체에 높은 전압을 가했을 때 신축하는 성질을 나타내는 것을 말한다.
따라서, 본 발명에서와 같이, 하부 전극 상에 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크를 이용한 잉크젯 프린팅법으로 세라믹-고분자 막을 형성한 후, 상부 전극과 하부 전극에 높은 전압을 인가하여 페로브스카이트 결정구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬시킬 경우, 우수한 압전성 및 출력 특성을 확보할 수 있게 된다.
상기의 과정(S110 ~ S150)으로 제조되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법은 하부 전극 상에 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크를 이용한 잉크젯 프린팅법으로 세라믹-고분자 막을 형성한 후, 상부 전극과 하부 전극에 높은 전압을 인가하여 페로브스카이트 결정구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬시킴으로써, 우수한 압전성 및 출력 특성을 확보할 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법은 하부 전극 형성 단계(S210), 세라믹-고분자 막 형성 단계(S220), 상부 전극 형성 단계(S230)와 상부 및 하부 전극에 전압 인가 단계(S240)를 포함한다. 이때, 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법의 경우, 세라믹-고분자 막 형성 단계(S220)를 제외하고는 제1 실시예에 따른 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법과 실질적으로 동일한바, 중복 설명은 생략하고 차이점에 대해서만 간략히 설명하도록 한다.
세라믹-고분자 막 형성 단계(S220)에서는 하부 전극 상에 잉크젯 프린팅법으로 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 분말 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크에 고분자 수지를 포함하는 고분자 잉크가 혼합된 세라믹-고분자 잉크를 도포 및 경화하여 세라믹-고분자 막을 형성한다.
즉, 본 발명의 제2 실시예의 경우, 세라믹 잉크에 고분자 잉크가 혼합된 세라믹-고분자 잉크를 잉크젯 프린팅법으로 하부 전극 상에 직접 도포한 후, 경화하여 세라믹-고분자 막을 형성한다. 이와 같이, 하부 전극 상에 세라믹 잉크에 고분자 잉크를 혼합한 세라믹-고분자 잉크를 잉크젯 프린팅법으로 직접 인쇄할 경우, 제1 실시예에 비하여, 공정이 간소화되어 생산 수율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 4 내지 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시에에 따른 플렉서블 압전 소자 제조 방법은 하부 전극 형성 단계(S310), 세라믹 막 형성 단계(S320), 세라믹-고분자 막 형성 단계(S330), 내부 전극 형성 단계(S340), 세라믹-고분자 막 형성 단계(S350), 상부 전극 형성 단계(S360)와 상부 및 하부 전극에 전압 인가 단계(S370)를 포함한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 하부 전극 형성 단계(S310)에서는 지지 기판(301) 상에 하부 전극(310)을 형성한다. 이때, 지지 기판(301)은 폴리이미드 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지 등과 같이 플렉서블한 절연특성을 갖는 다양한 고분자 필름이 이용될 수 있다. 이러한 지지 기판은 플렉서블한 특성을 부여함과 더불어, 하부 전극이 노출되는 것을 방지하는 역할을 한다.
이때, 하부 전극(310)으로는 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 타이타늄 나이트라이드(TiN) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 세라믹 막 형성 단계(S320)에서는 하부 전극(310) 상에 잉크젯 프린팅법으로 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 분말 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크(322)를 도포 및 건조하여 세라믹 막을 형성한다.
세라믹 잉크(322)의 세라믹 분말로는 PZT{Lead zirconium titanate: Pb(ZrxTi1 -x)O3, 0<x<1}, PLZT{lanthanum-doped lead zirconate titanate: PbyLa1-y(ZrxTi1 -x)O3, 0<x<1, 0<y<0.5}, SBT(Strontium bismuth tantalite: SrBi2Ta2O9), SBTN(Strontium barium tantalate noibate), BT(BaTiO3), BIT(bismuth titanate Bi4Ti3O12), BLT(bismuth lanthanum titanate: Bi4 - xLaxTi3O12, 0<x<0.5) 등을 포함하는 페로브스카이트 결정구조를 갖는 물질 중에서 선택될 수 있으며, 여기에 ZnO 및 MgO 중 선택된 1종 이상의 혼합체가 더 첨가될 수 있다. 이러한 세라믹 분말은 10nm ~ 10㎛의 평균 직경을 갖는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 세라믹 분말의 평균 직경이 10nm 미만일 경우에는 분산 안정성이 저하될 수 있고, 10㎛를 초과할 경우에는 잉크젯 공정시 노즐 막힘 등의 문제점이 발생할 수 있다.
그리고, 용매는 물, 에탄올, 아세톤, 포름아미드 등 세라믹 분말을 분산시킬 수 있는 것이라면 제한 없이 이용될 수 있다.
또한, 세라믹 잉크(322)는 분산제를 더 포함할 수 있다. 세라믹 잉크(322)에 포함되는 분산제는 표면장력 제어와 분산성 향상 등을 위해 첨가된다. 이러한 분산제는 비이온 계면활성제, 양이온 계면활성제, 음이온 계면활성제, 옥틸알콜 및 아크릴계 고분자 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다. 다만, 분산제가 과다하게 첨가될 경우 용액 안정성 및 압전 특성을 저해할 수 있으므로, 분산제는 세라믹 잉크 100 중량부에 대하여, 5 중량부 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다.
다음으로, 세라믹-고분자 막 형성 단계(S330)에서는 세라믹 막에 고분자 수지를 포함하는 고분자 잉크(324)를 도포 및 경화하여 세라믹 막 사이를 고분자 수지로 충진시켜 세라믹-고분자 막(320)을 형성한다.
이때, 세라믹-고분자 막(320)은 하부 전극(310)의 상면을 덮되, 외부 통전을 위해 하부 전극(310)의 상부 일부분이 외부로 노출되도록 적층 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 고분자 수지는 페브로스카이트 결정 구조의 세라믹 분말을 갖는 세라믹 막 사이 공간에 함침됨으로써, 세라믹 분말의 응력을 감소시켜 세라믹 고유의 취성을 감소시킨다. 이러한 고분자 수지는 폴리아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 페놀계 수지, 폴리아미드계 수지, 폴리이미드계 수지, 불포화 폴리에스테르계 수지, 폴리우레탄계 수지 등 다양한 수지가 될 수 있으며, 이 외에도 열경화형 수지 혹은 광경화형 수지가 제한 없이 이용될 수 있다.
이러한 세라믹-고분자 막(320)은 세라믹 분말 50 ~ 97vol% 및 고분자 수지 3 ~ 50vol%로 조성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 세라믹 분말 60 ~ 85vol% 및 고분자 수지 15 ~ 40vol%를 제시할 수 있다.
도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 내부 전극 형성 단계(S340)에서는 세라믹-고분자 막(320) 상에 내부 전극(330)을 형성한다.
이때, 내부 전극(330)은 증착, 인쇄, 도금 등에서 선택된 어느 하나의 방식으로 형성될 수 있다. 이러한 내부 전극(330)은 백금(Pt), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 파라듐(Pd), 구리(Cu), ITO (indium tin oxide), IZO (indium zinc oxide), ZnO, AlN 등에서 선택된 1종 이상의 재질로 형성될 수 있다.
도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이, 세라믹-고분자 막 단계(S350)에서는 내부 전극(330) 상에 세라믹-고분자 막(320)을 형성한다. 이때, 내부 전극(330) 상에 형성된 세라믹-고분자 막(320)은 하부 전극(310) 상에 형성된 세라믹-고분자 막(320)과 실질적으로 동일한 것이 이용될 수 있다. 이에 따라, 내부 전극(330)은 세라믹-고분자 막(320)들 사이에 배치된다.
도 3 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상부 전극 형성 단계(S360)에서는 세라믹 고분자 막(320) 상에 상부 전극(340)을 형성한다. 이때, 상부 전극(340)은 세라믹 고분자 막(320)들 중 최상부의 세라믹 고분자 막(320) 상에 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 상부 전극(340)은, 하부 전극(310)과 마찬가지로, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 타이타늄 나이트라이드(TiN) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
도 3 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 전극에 전압 인가 단계(S360)에서는 상부 전극(340)과 하부 전극(310)에 높은 전압을 인가하여, 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬한다.
이때, 상부 전극(340) 및 하부 전극(310)에 높은 전압을 인가하게 되면, 상부 전극(340) 및 하부 전극(310) 사이에 배치되는 세라믹-고분자 막(320)에서 페로브스카이트 결정구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬시키는 것이 가능해질 수 있을 뿐만 아니라, 세라믹-고분자 막(320)들 사이에 배치되는 내부 전극(330)에 의해 압전 소자의 출력시 전류가 커지게 되어 출력 특성을 향상시킬 수 있는 구조적인 이점이 있다. 이때, 압전 효과란 물체에 힘을 가하여 신축시킨 순간에 전압을 일으키고, 역으로 물체에 높은 전압을 가했을 때 신축하는 성질을 나타내는 것을 말한다.
따라서, 상부 전극(340) 및 하부 전극(310) 사이에 배치되는 세라믹-고분자 막(320)에서 페로브스카이트 결정구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬시키는 것이 가능해질 수 있을 뿐만 아니라, 세라믹-고분자 막(320)들 사이에 배치되는 내부 전극(330)에 의해 압전 소자의 출력시 전류가 커지게 되어 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
상기의 과정(S310 ~ S370)으로 제조되는 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법은 수직적으로 적층되는 세라믹-고분자 막들 사이에 내부 전극을 더 삽입함으로써, 상부 전극 및 하부 전극 사이에 배치되는 세라믹-고분자 막에서 페로브스카이트 결정구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬시키는 것이 가능해질 수 있을 뿐만 아니라, 세라믹-고분자 막들 사이에 배치되는 내부 전극에 의해 압전 소자의 출력시 전류가 커지게 되어 출력 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자를 나타낸 단면도이고, 도 11은 본 발명의 제3 실시예의 변형예에 따른 플렉서블 압전 소자를 나타낸 단면도이다.
먼저, 도 10을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 플렉서블 압전 소자(300)는 지지 기판(301), 하부 전극(310), 세라믹-고분자 막(320), 내부 전극(330) 및 상부 전극(340)을 포함한다.
지지 기판(301)은 폴리이미드 수지, 에폭시 수지, 우레탄 수지 등과 같이 플렉서블한 절연특성을 갖는 다양한 고분자 필름이 이용될 수 있다. 이러한 지지 기판(301)은 플렉서블한 특성을 부여함과 더불어, 하부 전극(310)이 노출되는 것을 방지하는 역할을 한다.
하부 전극(310)은 판상 구조를 가지며, 압전 소자(300)의 제1 전극 역할을 수행한다. 이러한 하부 전극(310)으로는 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 타이타늄 나이트라이드(TiN) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
세라믹-고분자 막(320)은 하부 전극(310) 상에 수직적으로 적층 형성된다. 이때, 세라믹-고분자 막(320)은 하부 전극(310)의 상면을 덮되, 외부 통전을 위해 하부 전극(310)의 상부 일부분이 외부로 노출되도록 적층 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 세라믹-고분자 막(320)은 잉크젯 프린팅법으로 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 분말 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크를 도포 및 건조하여 세라믹 막을 형성한 후, 고분자 수지를 포함하는 고분자 잉크를 세라믹 막에 함침시키는 것에 의해 형성될 수 있다.
이와 달리, 세라믹-고분자 막(320)은 하부 전극(310) 상에 잉크젯 프린팅법으로 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 분말 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크에 고분자 수지를 포함하는 고분자 잉크가 혼합된 세라믹-고분자 잉크를 도포 및 경화하는 것에 의해 형성될 수 있다.
세라믹-고분자 막(320)은 10 ~ 1000㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 세라믹-고분자 막(320)의 두께가 10㎛ 미만일 경우에는 압전 효율이 저하되는 문제가 있다. 반대로, 세라믹-고분자 막(320)의 두께가 1000㎛를 초과할 경우에는 두께 증가로 인하여 변형이 어려워져 플렉서블한 특성을 발휘하기 어려우며, 출력 특성이 저하될 우려가 크다.
내부 전극(330)은 복수의 세라믹-고분자 막(320)들 사이에 형성된다. 이러한 내부 전극(330)은 일체형의 판상 구조를 갖는다. 이때, 내부 전극(330)은 증착, 인쇄, 도금 등에서 선택된 어느 하나의 방식으로 형성될 수 있다. 이러한 내부 전극(330)은 백금(Pt), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag), 파라듐(Pd), 구리(Cu), ITO (indium tin oxide), IZO (indium zinc oxide), ZnO, AlN 등에서 선택된 1종 이상의 재질로 형성될 수 있다. 도면으로 상세히 나타내지는 않았지만, 내부 전극(330)은 하부 전극(310) 및 상부 전극(340) 중 어느 하나에 전기적으로 접지될 수 있다.
이때, 상부 전극(340) 및 하부 전극(310)에 높은 전압을 인가하게 되면, 상부 전극(340) 및 하부 전극(310) 사이에 배치되는 세라믹-고분자 막(320)에서 페로브스카이트 결정구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬시키는 것이 가능해질 수 있을 뿐만 아니라, 세라믹-고분자 막(320)들 사이에 배치되는 내부 전극(330)에 의해 압전 소자의 출력시 전류가 커지게 되어 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다. 이때, 압전 효과란 물체에 힘을 가하여 신축시킨 순간에 전압을 일으키고, 역으로 물체에 높은 전압을 가했을 때 신축하는 성질을 나타내는 것을 말한다.
따라서, 상부 전극(340) 및 하부 전극(310) 사이에 배치되는 세라믹-고분자 막(320)에서 페로브스카이트 결정구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬시키는 것이 가능해질 수 있을 뿐만 아니라, 세라믹-고분자 막(320)들 사이에 배치되는 내부 전극(330)에 의해 압전 소자의 출력시 전류가 커지게 되어 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
이와 달리, 도 11에 도시된 바와 같이, 내부 전극(330)은 수직적으로 적층 형성되는 복수의 세라믹-고분자 막(320)들 사이에 적어도 하나 이상이 삽입 배치될 수 있다. 도면으로 상세히 나타내지는 않았지만, 내부 전극(330)들 중 홀 수번째 층에 배치되는 내부 전극(330)은 하부 전극(310)과 전기적으로 접지되고, 짝 수번째 층에 배치되는 내부 전극(330)은 상부 전극(340)과 전기적으로 접지될 수 있다.
도 10을 다시 참조하면, 상부 전극(340)은 세라믹 고분자 막(320)들 중 최상부의 세라믹-고분자 막(320) 상에 형성된다. 이러한 상부 전극(340)은 판상 구조를 가지며, 압전 소자(300)의 제2 전극 역할을 수행한다. 이때, 상부 전극(340)은, 하부 전극(310)과 마찬가지로, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN), 타이타늄 나이트라이드(TiN) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
전술한 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자는 상부 및 하부 전극에 전압 인가시 상부 전극 및 하부 전극 사이에 배치되는 세라믹-고분자 막에서 페로브스카이트 결정구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬시키는 것이 가능해질 수 있을 뿐만 아니라, 세라믹-고분자 막들 사이에 배치되는 내부 전극에 의해 압전 소자의 출력시 전류가 커지게 되어 출력 특성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자는 복수의 세라믹-고분자 막을 교번적으로 반복해서 수직 적층함과 더불어, 복수의 세라믹-고분자 막의 사이에 적어도 하나 이상의 내부 전극이 배치됨으로써, 일 실시예에 비하여 압전 특성 및 출력 특성을 보다 향상시킬 수 있는 구조적인 이점이 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 하부 전극 형성 단계
S120 : 세라믹 막 형성 단계
S130 : 세라믹-고분자 막 형성 단계
S140 : 상부 전극 형성 단계
S150 : 상부 및 하부 전극에 전압 인가 단계
S210 : 하부 전극 형성 단계
S220 : 세라믹-고분자 막 형성 단계
S230 : 상부 전극 형성 단계
S240 : 상부 및 하부 전극에 전압 인가 단계
S310 : 하부 전극 형성 단계
S320 : 세라믹 막 형성 단계
S330 : 세라믹-고분자 막 형성 단계
S340 : 내부 전극 형성 단계
S350 : 세라믹-고분자 막 형성 단계
S360 : 상부 전극 형성 단계
S370 : 상부 및 하부 전극에 전압 인가 단계
300 : 플렉서블 압전 소자 301 : 지지 기판
310 : 하부 전극 320 : 세라믹-고분자 막
322 : 세라믹 잉크 324 : 고분자 수지
330 : 내부 전극 340 : 상부 전극

Claims (12)

  1. (a) 지지 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;
    (b) 상기 하부 전극 상에 잉크젯 프린팅법으로 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 분말 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크를 도포 및 건조하여 세라믹 막을 형성하는 단계;
    (c) 상기 세라믹 막에 고분자 수지를 포함하는 고분자 잉크를 도포 및 경화하여 세라믹 막 사이를 고분자 수지로 충진시켜 세라믹-고분자 막을 형성하는 단계;
    (d) 상기 세라믹-고분자 막 상에 상부 전극을 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 상부 전극과 하부 전극에 전압을 인가하여, 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬하는 단계;를 포함하며,
    상기 세라믹-고분자 막은 상기 세라믹 분말 60 ~ 85vol% 및 고분자 수지 15 ~ 40vol%를 갖고, 상기 세라믹 분말은 10nm ~ 10㎛의 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법.
  2. 삭제
  3. (a) 지지 기판 상에 하부 전극을 형성하는 단계;
    (b) 하부 전극 상에 잉크젯 프린팅법으로 페로브스카이트(perovskite) 결정구조의 세라믹 분말 및 용매를 포함하는 세라믹 잉크를 도포 및 건조하여 세라믹 막을 형성하는 단계;
    (c) 상기 세라믹 막에 고분자 수지를 포함하는 고분자 잉크를 도포 및 경화하여 세라믹 막 사이를 고분자 수지로 충진시켜 세라믹-고분자 막을 형성하는 단계;
    (d) 상기 세라믹-고분자 막 상에 내부 전극을 형성하는 단계;
    (e) 상기 (b) 단계 및 (c) 단계를 반복하여 상기 내부 전극 상에 세라믹-고분자 막을 추가 형성한 후, 상부 전극을 형성하는 단계; 및
    (f) 상기 상부 전극과 하부 전극에 전압을 인가하여, 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 세라믹의 다이폴들을 한 방향으로 정렬하는 단계;를 포함하며,
    상기 세라믹-고분자 막은 상기 세라믹 분말 60 ~ 85vol% 및 고분자 수지 15 ~ 40vol%를 갖고, 상기 세라믹 분말은 10nm ~ 10㎛의 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 전극 각각은
    백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 티타늄(Ti), 팔라듐(Pd), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(Graphene), 루테늄(Ru), 탄탈륨 나이트라이드(TaN) 및 타이타늄 나이트라이드(TiN) 중 선택된 1종 이상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 세라믹 분말은
    PZT, PLZT, SBT, SBTN, BT, BIT 및 BLT 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 세라믹 잉크는
    분산제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분산제는
    비이온 계면활성제, 양이온 계면활성제, 음이온 계면활성제, 옥틸알콜 및 아크릴계 고분자 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 분산제는
    상기 세라믹 잉크 100 중량부에 대하여, 5 중량부 이하의 함량비로 첨가되는 것을 특징으로 하는 잉크젯 프린팅법을 이용한 플렉서블 압전 소자 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
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