KR101831848B1 - 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법 - Google Patents

벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법에 관한 것이다. 그 절차는 세라믹 파우더, 바인더 및 기타 첨가물질이 혼합된 혼합물을 세라믹 시트 제조장치를 통해 세라믹 시트를 생성하는 제1과정; 내부전극을 세라믹 시트에 인쇄하고, 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트를 전극이 서로 교차되도록 다수개 적층하는 제2과정; 내부전극을 인쇄한 세라믹 시트를 교차하여 적층한 적층체의 상부 또는 하부에 생성된 다수개의 내부전극이 없는 세라믹 시트를 적층하여 라미네이팅하는 제3과정; 상기 라미네이팅 된 압전 세라믹 중 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트층을 너비 방향으로 일정깊이, 일정간격으로 벤딩 홈을 형성하고, 크기별로 커팅하는 제4과정; 및 커팅된 압전 세라믹에 바인더를 제거하기 위해 탈 바인더 절차 및 소성절차를 진행하고, 외부 전극을 연결하고 압전특성 부여를 위해 분극 절차를 진행하는 제5과정;을 포함한다. 이에 따라, 본 발명은 벤딩 홈의 적층 구조를 너비, 길이, 너비 및 길이 방향으로 벤딩 홈을 선택적으로 구비할 수 있고, 소성, 외부전극 형성 및 분극 절차를 통해 구비된 압전소자에 전원이 인가됨으로서 벤딩 홈의 휘어짐에 따라 저주파수의 인가에 대해서도 큰 전위 변위량이 발생하게 되어 종래의 세라믹 압전 소자를 통해 형성된 압전 스피커의 음압(SPL)의 떨어짐을 해결할 수 있고, 저 주파수에서도 일반 스피커와 유사한 출력을 도출할 수 있다.

Description

벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법{multilayer piezoelectric ceramic actuator having bending hole and manufacture method of that}
본 발명은 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 압전 세라믹스는 스티프니스(stiffness)가 커서 스피커로 응용할 경우, 자석과 진동판을 이용하는 일반적인 스피커(General speaker)에 비하여 저주파수에서의 변위가 약하고 이에 따라 저주파수 영역에서 음압(SPL, sound pressure level)이 낮은 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 세라믹 표면에 벤딩 홈을 구성함으로써 저주파수 영역에서의 변위 및 진동을 극대화시킬 수 있는 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 압전 소자는 전기적 에너지와 기계적 에너지를 서로 간에 변화시킬 수 있는 특성을 지닌 소자를 말하며, 압전 스피커는 이러한 압전 소자의 기계적 움직임을 진동판에 의해 음향적으로 변환시켜서 원하는 가청주파수 대역의 음향을 발생시키는 음향 부품의 대표적인 제품이다.
일반적으로 특성이 좋은 압전 스피커는 300Hz 이하의 제 1차 공진 주파수(f0)를 가지며 주파수 대비 80dB 이상의 높은 음압이 구현되고, 주파수 변화에 따라 평탄한 음압 출력을 형태를 가지는 것을 의미한다.
압전 스피커에 적용되는 진동판은 금속 재료, 폴리머 재료 및 펄프 등이 사용된다.
일반적인 압전 스피커는 압전 소자와 압전 소자보다 크게 형성되어 상기 압전 소자의 일면에 접합되어 압전 소자에서 발생되는 진동을 증폭시키는 진동판을 포함한다. 이러한 압전 스피커의 음향적인 특성은 주파수별 음압으로 판단되고, 진동판의 재질 및 물성에 따라 주파수별 음압은 다양하게 변화할 수 있다.
금속계 진동판의 경우, 금속은 탄성이 우수하고 전달속도가 빨라서 압전 소자의 진동을 음파로 크게 변환시켜 출력을 증가시키는 장점이 있으나, 저역(low range)에서의 진동이 불충분하게 전달되고 중역(middle range) 및 고역(high range)의 음역 대역만이 구현되어 저역에서 음압저하 현상이 발생하며, 또한, 두께가 두껍고 무게가 무거운 단점이 있다.
도 1은 일반적인 코일 모터 방식의 스피커를 도시한 것으로 제 1 공진 주파수(f0)가 높으며 출력 음압이 높은 장점이 있지만, 압전스피커에 비하여 경박단소(輕薄短小)화에 어려움이 있으며, 전류 구동방식으로 전력 소모가 크고 장시간 사용시 열이 발생하고 특히 희토류계 원자재 가격 상승으로 인해 가격 경쟁력에 불리하다. 이에 반해 압전 스피커(Piezoelectric Speaker)의 경우 3mm 이하의 초박형 구현이 용이하고 전압 구동방식으로 전력소모가 적고 기존 방식대비 경량화에 유리하나 코일방식 스피커 대비 출력 음압이 낮고, 저역음 특성이 낮은 특징이 있다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이 일반적인 스피커의 경우 전체적으로 압전 스피커에 비하여 음압(SPL,Sound Pressure Level) 특성이 높으며, 1차 공진주파수(f0)가 낮아 부드러우면서 풍부한 소리를 낼 수 있다.
그러나, 압전 스피커의 경우, 1차 공진주파수(f0)가 일반적인 스피커에 비하여 상대적으로 높기 때문에 저역의 음압 특성이 약하여 발생하는 소리가 거칠고 듣기가 불편한 소리가 발생하는 것이 현실이다.
이에 따라 해당 기술분야에서는 두께가 얇으며 소형화가 가능하고 1차 공진 주파수(f0)가 낮아 저역에서의 음압 특성이 발휘될 수 있는 압전 세라믹 구조에 대한 기술 개발이 요구되고 있다.
[관련기술문헌]
1. 적층형 압전 세라믹 액추에이터 구조(Structure of multilayer piezo ceramic actuator)(특허출원번호 제10-2006-0037727호)
2. 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터(lead-free piezoelectric ceramic multilayer actuator)(특허등록번호 제10-1347451호)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 압전 세라믹스는 스티프니스(stiffness)가 커서 스피커로 응용할 경우, 자석과 진동판을 이용하는 일반적인 스피커(General speaker)에 비하여 저주파수에서의 변위가 약하고 이에 따라 저주파수 영역에서 음압(SPL)이 낮은 단점을 극복하기 위해 압전 세라믹 표면에 일정한 깊이와 일정한 간격을 갖는 벤딩 홈을 구성함으로써 저주파수 영역에서의 변위를 극대화시킬 수 있는 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 벤딩 홈을 갖는 적층형 압전 세라믹 표면 구조에 있어서, 적층형 압전 세라믹스의 표면에 너비, 길이, 너비 및 길이 방향으로 벤딩 홈을 선택적으로 구비할 수 있고 소성 및 분극 절차를 통해 구비된 압전소자에 전원이 인가됨으로서 일정한 깊이와 일정한 간격을 갖는 벤딩 홈이 갖는 압전 세라믹이 보다 용이하게 휘어짐에 따라 저주파수 전압의 인가에 대해서도 큰 변위량이 발생하게 되어 종래의 세라믹 압전 소자를 통해 형성된 압전 스피커의 저역에서의 음압(SPL)이 떨어지는 것을 개선할 수 있고, 저 주파수에서도 일반 스피커와 유사한 출력을 도출할 수 있는 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 제조방법은 세라믹 파우더, 세라믹 파우더, 바인더 및 기타 첨가물질이 혼합된 혼합물을 세라믹 시트 제조장치를 통해 세라믹 시트를 생성하는 제 1 과정; 내부전극을 세라믹 시트 위에 인쇄하고, 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트를 전극이 서로 교차되도록 다수개를 적층하는 제 2 과정; 제 2 과정에서 형성된 적층체의 상부 또는 하부에 제 1 과정에서 생성된 다수개의 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트를 적층하여 라미네이팅(lamination)하는 제 3 과정; 상기 라미네이팅된 압전 세라믹 중 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트층의 일정한 깊이를 너비 방향으로 일정간격으로 벤딩 홈을 형성하고, 적용될 압전 스피커의 크기에 따라 벤딩 홈이 구비된 세라믹 시트층을 커팅하는 제 4 과정; 및 상기 커팅된 압전 세라믹에 포함된 바인더(Binder)를 제거하기 위한 탈 바인더(Binder burn-out) 절차 및 소성(sintering)절차를 진행하고, 외부 전극을 연결하고 압전특성을 부여하기 위한 분극(poling) 절차를 진행하는 제 5 과정;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터는 세라믹 파우더, 바인더 및 기타 첨가물질이 혼합된 혼합물을 세라믹 시트 제조장치를 통해 세라믹 시트를 생성하고 은(Ag), 은/팔라듐(Ag/Pd)와 같은 내부전극을 세라믹 시트를 인쇄하고, 은(Ag), 은/팔라듐(Ag/Pd)와 같은 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트를 전극이 서로 교차되도록 다수개 적층하고, 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트가 교차되어 형성된 적층체의 상부 또는 하부에 세라믹 파우더, 바인더 및 기타 첨가물질이 혼합된 혼합물로 생성된 다수개의 내부전극이 없는 세라믹 시트를 적층하여 라미네이팅(lamination)한 후, 상기 라미네이팅된 압전 세라믹 중 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트층을 너비, 길이, 너비 및 길이 방향으로 일정간격으로 일정한 깊이를 갖는 벤딩 홈을 형성하고, 적용될 압전 스피커의 크기에 따라 벤딩 홈이 구비된 세라믹 시트층을 커팅한 후, 바인더 제거를 위한 탈 바인더(Binder burn-out) 및 소성절차를 진행하고, 외부 전극을 연결하고 압전특성을 부여하기 위한 분극 공정을 진행하는 것을 형성하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법은, 압전 세라믹스의 특성중 스티프니스(stiffness)가 커서 스피커로 응용할 경우, 자석과 진동판을 이용하는 일반적인 스피커(General speaker)에 비하여 저주파수에서의 변위가 약하고 이에 따라 저주파수 영역에서 음압(SPL, sound pressure level)이 낮은 단점을 극복하기 위해 세라믹 표면에 일정한 깊이와 일정한 간격을 갖는 벤딩 홈을 구성함으로써 저주파수 영역에서의 진동을 극대화시킬 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법은 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트층 상부 또는 하부에 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트층이 적층되고 내부전극이 인쇄되지 않는 세라믹 시트층에 벤딩 홈이 구성되어 형성됨으로서, 통상의 적층형 압전세라믹 제조시 적층형 압전 세라믹 전체가 내부 전극이 인쇄된 세라믹 시트로 교차 적층되어 있어 탈 바인더(Binder burn-out) 공정이 불충분하게 이루어짐에 따라 적층형 세라믹 내부에 잔존하는 탄소 성분의 영향으로 압전 특성 열화 등과 같은 압전 액추에이터 동작의 제약사항을 극복할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법은 내부 전극의 너비, 길이, 너비 및 및 길이 방향으로 벤딩 홈을 선택적으로 구비할 수 있고 소성 및 분극 절차를 통해 구비된 압전소자에 전원이 인가됨으로서 벤딩 홈을 갖는 압전 세라믹이 용이하게 휘어짐에 따라 저주파수의 인가에 대해서도 큰 변위량이 발생하게 되어 종래의 세라믹 압전 소자를 통해 형성된 압전 스피커의 음압(SPL)의 떨어짐을 해결할 수 있고, 저 주파수에서도 일반 스피커와 유사한 출력을 도출할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법은 내부 전극 인쇄 및 압착 후 블레이드(Blade)를 이용하여 일정한 깊이와 일정한 간격을 갖는 벤딩 홈을 구비한 후 소성하고 분극 절차를 진행할 수 있고, 또는 소성 후 외부 전극 인쇄 및 다이싱 쏘(dicing saw) 작업을 통해 일정한 깊이와 일정한 간격을 갖는 벤딩 홈을 구비하도록 진행할 수 있어 압전 소자 적용 장치에 따라 선택적으로 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법은 벤딩 홈을 압전 액추에이터 적용 범위에 따라 일정 깊이와 일정 간격으로 벤딩 홈을 구성하거나, 대각선 방향으로 일정한 깊이와 일정 간격, 지그지그 형태로 일정한 깊이와 일정한 간격으로 벤딩 홈을 선택적으로 구성할 수 있다.
도 1은 일반적인 코일 방식의 스피커와 압전 스피커의 구조를 도시한 상태도
도 2는 종래의 일반스피커의 음압과 압전 스피커의 음압을 비교한 그래프.
도 3은 적층형 압전 세라믹 제조 공정을 도시한 흐름도
도 4는 도 3에 의해 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트의 적층구조를 도시한 상태도
도 5는 도 4에 따른 적층형 압전 액추에이터의 구조를 도시한 단면도
도 6은 본 발명에 따른 일정한 깊이와 일정한 간격의 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터의 적층 구조를 도시한 상태도
도 7은 본 발명에 따른 적층형 압전 액추에이터의 적층 구조에 너비 방향으로 벤딩 홈이 형성된 상태를 도시한 모식도
도 8은 도 7에 따른 너비 방향으로 벤딩 홈이 형성된 적층형 압전 액추에이터의 상태를 도시한 단면도
도 9는 발명의 일 실시예로 적층형 압전 액추에이터의 적층 구조에 길이 방향으로 벤딩 홈이 형성된 상태를 도시한 모식도
도 10은 발명의 다른 일 실시예로 적층형 압전 액추에이터의 적층 구조에 너비 및 길이 방향으로 벤딩 홈이 형성된 상태를 도시한 모식도
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 일반 적층형 액추에이터 및 너비, 길이, 너비 및 길이 방향으로 벤딩 홈이 형성된 적층형 액추에이터의 주파수 변위량를 도시한 상태도
도 12는 도 11에 따른 주파수에 따른 일반 적층형 액추에이터 및 너비, 길이, 너비 및 길이 방향으로 벤딩 홈이 형성된 적층형 액추에이터의 임피던스 특성을 도시한 상태도
도 13 및 도 14는 본 발명에 따른 너비, 길이, 너비 및 길이 방향으로 벤딩 홈이 형성된 적층형 액추에이터의 주파수에 따른 변위량을 도시한 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 3은 적층형 압전 세라믹 제조 공정을 도시한 흐름도이고, 도 4는 도 3에 의해 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트의 적층구조를 도시한 상태도이고, 도 5는 도 4에 따른 본 발명의 적층형 압전 액추에이터의 구조를 도시한 단면도를 나타낸다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 일반적인 적층형 압전 세라믹 제조 절차를 살펴보면, 먼저 세라믹 파우더, 바인더 및 기타 첨가물질이 혼합된 혼합물을 세라믹 시트 제조장치를 통해 세라믹 시트를 생성한다.
이후, 은(Ag), 은/팔라듐(Ag/Pd)과 같은 내부전극을 세라믹 시트를 인쇄하고, 은(Ag), 은/팔라듐(Ag/Pd)와 같은 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트를 전극이 서로 교차되도록 적층한다. 상기 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트는 첨부된 도 4와 같은 구조로 교차되어 적층되게 된다.
상기 적층된 세라믹 적층체를 커팅하고 바인더를 제거하기 위해 탈 바인더(Binder burn-out) 절차를 진행한 후 소성절차를 진행한다. 이후, 외부 전극을 연결하고 압전 특성을 부여하기 위한 분극(poling) 절차를 통해 압전소자가 형성된다.
상기 절차에 의해 형성된 압전소자는 첨부된 도 5와 같이 그 단면이 교차되어 적층구조로 형성되며, 압전 스피커로 적용될 경우 그 두께가 작아 사용상 편의성은 확보되지만 도 2에서 제시된 바와 같이 저역대의 음역에서 출력이 약하고 저주파 특성이 약하여 발생하는 소리가 거칠고 듣기가 불편한 소리가 발생하게 된다.
이하, 본 발명에 따른 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 및 그 제조방법을 첨부된 도 6 내지 도 10을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 도 3에 도시된 적층형 압전세라믹 제조 절차에서 세라믹 파우더, 바인더 및 기타 첨가물질이 혼합된 혼합물을 세라믹 시트 제조장치를 통해 세라믹 시트를 생성한다.
상기 기타 첨가물질은 솔벤트, 분산제 등을 사용할 수 있는데, 세라믹 시트 제조시 사용되는 물질을 선택적으로 적용할 수 있다.
이후, 은(Ag), 은/팔라듐(Ag/Pd)와 같은 내부전극을 전극 메탈 파우더(electrode metal power)와 전극 ink(Ag, Pd)를 통해 세라믹 시트에 인쇄하고, 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트(20) 다수개를 전극이 서로 교차되도록 적층하고, 내부전극이 인쇄되어 다수가 적층된 세라믹 시트 상부에 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트(10) 다수개를 적층하여 라미네이팅(lamination)을 한다.
상기의 절차에 의해 적층된 구조는 첨부된 도 6과 같이 형성된다.
이후, 라미네이팅 된 압전 세라믹 중 내부전극이 인쇄되지 않는 세라믹 시트층에 너비 방향으로 일정깊이와 일정간격으로 벤딩 홈을 형성하고, 크기별로 커팅한다. 커팅된 압전 세라믹에 포함된 바인더를 제거하기 위해 탈 바인더(Binder burn-out) 절차를 진행한 후 소성절차를 진행한다.
이후, 외부 전극을 연결하고 압전특성 부여를 위해 분극(poling) 절차를 통해 압전소자가 형성된다.
한편, 상기 벤딩 홈을 형성함에 있어 일정 깊이와 일정 간격은 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트층과 내부 전극이 인쇄되지 않는 세라믹 시트층이 적층될 때, 내부전극이 인쇄되지 않는 세라믹 시트층 상에서 벤딩 홈이 형성되는 것으로 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트층으로는 벤딩 홈이 발생되지 않도록 그 깊이는 소성된 액추에이터에 특성에 따라 가변적으로 벤딩 홈을 성형할 수 있다.
또한, 일정 간격은 소성된 액추에이터의 특성에 따라 벤딩 홈 간격을 선택적으로 성형할 수 있다.
상기 절차에 의해 상기 너비 방향으로 벤딩 홈이 형성된 상태는 첨부된 도 7 및 도 8과 같이 도시된다.
한편, 압전 액추에이터의 구조에 따라 상기 적층 구조의 경우 내부전극이 인쇄되지 않는 세라믹 시트 다수개를 먼저 적층한 후, 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트를 그 상부에 전극이 서로 교차되도록 다수개를 적층하고 라미네이팅(lamination) 절차를 진행할 수 있다.
상기의 너비 방향으로 벤딩 홈이 구비되어 소성 및 분극 절차를 통해 구비된 압전소자에 전원이 인가되면 벤딩 홈을 갖는 압전 세라믹의 휘어짐에 따라 저주파수의 인가에 대해서도 큰 변위량이 발생하게 됨으로써, 종래의 세라믹 압전 소자에서 나타나는 저주파에서의 압전 스피커의 음압(SPL)의 낮아짐을 해결할 수 있고, 저 주파수에서도 일반 스피커와 유사한 출력을 도출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예로서 첨부된 도 9에 도시된 바와 같이 길이 방향으로 일정한 깊이의 벤딩 홈을 형성하고 압전 세라믹을 크기별로 커팅한다. 커팅된 압전 세라믹에 포함된 바인더를 제거하기 위해 탈 바인더(Binder burn-out) 절차를 진행한 후 소성절차를 진행한다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예로서 첨부된 도 10에 도시된 바와 같이 너비 및 길이 방향으로 각각 일정한 깊이의 벤딩 홈을 형성하고 압전 세라믹을 크기별로 커팅한다. 커팅된 압전 세라믹에 포함된 바인더를 제거하기 위해 탈 바인더(Binder burn-out) 절차를 진행한 후 소성절차를 진행한다.
부가적으로 상기 도 9 및 도 10의 벤딩 홈의 구조에서도 내부 전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트 다수개를 먼저 적층한 후, 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트를 그 상부에 전극이 서로 교차되도록 다수개를 적층하고 라미네이팅(lamination) 절차를 진행할 수 있다.
상기 도 9 및 도 10과 같이 길이, 길이 및 너비 방향으로 일정한 깊이의 벤딩 홈이 구비되어 소성 및 분극 절차를 통해 구비된 압전소자에 전원이 인가되면 길이, 길이 및 너비 방향으로 일정한 깊이의 벤딩 홈을 갖는 압전 세라믹이 보다 용이하게 휘어짐에 따라 저주파수의 인가에 대해서도 큰 변위량이 발생하게 됨으로써, 종래의 세라믹 압전 소자를 통해 형성된 압전 스피커의 음압(SPL)의 떨어짐을 해결할 수 있고, 저 주파수에서도 일반 스피커와 유사한 출력을 도출할 수 있다.
부가적으로 본 발명의 다른 실시예로서 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터는 상기의 절차에 따라 라미네이팅 된 압전 세라믹 중 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트층을 너비 및 길이 방향으로 일정간격으로 벤딩 홈을 형성하고, 크기별로 커팅, 소성 및 외부 전극을 연결하고, 전계 인가 및 세라믹 소자의 벤딩 시 압전 세라믹의 파손을 방지하기 위하여 벤딩 홈에 탄성이 높은 플라스틱 등과 같은 유기물을 충진하여 형성할 수도 있다.
상기의 절차 중 내부 전극 인쇄 및 압착 후 블레이드(Blade)를 이용하여 일정한 깊이 및 일정한 간격의 벤딩 홈을 구비한 후 소성하고 분극 절차를 진행하여 압전소자를 구현할 수 있고, 또는 내부 전극 인쇄 및 압착하고 소성한 후 외부 전극 인쇄 및 다이싱 쏘(dicing saw)를 통해 일정한 깊이 및 일전한 간격의 벤딩 홈을 구현할 수 있다.
한편, 상기 벤딩 홈의 경우, 압전 액추에이터 적용 범위에 따라 일정 간격으로 홈을 구성하거나, 대각선 방향으로 일정한 깊이, 지그지그 형태로 홈을 선택적으로 구성할 수 있다.
상기의 절차에 의해 너비 방향, 길이 방향, 너비 및 길이 방향으로 일정한 깊이의 벤딩 홈 구성을 통해 형성된 압전 액추에이터와 일반 적층형 압전 액추에이터를 인가 주파수별로 변위량을 시뮬레이션하여 그 결과를 첨부된 도 11과 같이 확인하였다.
즉, 50Hz, 100Hz, 200Hz의 인가 주파수에 따라 일반 적층형 세라믹 압전 액추에이터, 너비 방향의 벤딩 홈을 갖는 압전 액추에이터, 길이 방향의 벤딩 홈을 갖는 압전 액추에이터, 너비 및 길이 방향의 벤딩 홈을 갖는 액추에이터에 대해 변위량을 도시하였다.
저주파수 영역에 해당하는 200Hz 이하의 시뮬레이션 결과를 통해 본 발명의 효과를 설명하고자 한다. 첨부된 도 11a에 도시된 바와 같이 50Hz에서의 변위량을 보면 벤딩 홈이 없는 적층형 압전 세라믹의 최대 변위량은 5.97μm을 나타내고 있으나, 너비방향, 길이방향 그리고 너비 및 길이방향의 벤딩홈을 구비한 적층형 압전 세라믹의 경우, 6.19, 6.10, 6.57μm의 최대 변위를 나타내고 있다.
도 11b에 도시된 100Hz에서의 변위량을 보면 벤딩 홈이 없는 적층형 압전 세라믹의 최대 변위량은 6.00μm을 나타내고 있으나, 너비방향, 길이방향 그리고 너비 및 길이방향의 벤딩홈을 구비한 적층형 압전 세라믹의 경우, 6.26, 6.15, 6.65μm의 최대 변위를 나타내고 있다.
또한, 도 11c에 도시된 바와 같이 200Hz에서의 변위량을 보면 벤딩홈이 없는 적층형 압전 세라믹의 최대 변위량은 6.15μm을 나타내고 있으나, 너비방향, 길이방향 그리고 너비 및 길이방향의 벤딩홈을 구비한 적층형 압전 세라믹의 경우, 6.52, 6.31, 7.01μm의 최대 변위를 나타내고 있다.
상기의 결과를 종합해 보면, 너비방향, 길이방향 그리고 너비 및 길이방향의 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 세라믹의 경우, 벤딩 홈이 없는 적층형 압전 세라믹보다 저주파 영역에서 보다 많은 변위를 발생시키고 있음을 알 수 있고, 이에 따라 저역에서의 음압도 높아짐을 알 수 있다.
상기 도 11에 따른 액추에이터의 변위량에 대한 주파수에 따른 임피던스 특성을 첨부된 도 12와 같이 확인할 수 있다.
저주파수 영역에 해당하는 200Hz 이하의 시뮬레이션 결과를 통해 본 발명의 효과를 설명하고자 한다. 50Hz에서의 임피던스를 비교해 보면 벤딩 홈이 없는 적층형 압전 세라믹의 임피던스는 1.15x103[ohm]을 나타내고 있으나, 너비방향, 길이방향 그리고 너비 및 길이방향의 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 세라믹의 경우, 1.15x103, 1.15x103, 1.11x103 [ohm]의 임피던스를 나타내고 있다.
100Hz에서의 임피던스를 비교해 보면 벤딩 홈이 없는 적층형 압전 세라믹의 임피던스는 5.77x102[ohm]를 나타내고 있으나, 너비방향, 길이방향 그리고 너비 및 길이방향의 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 세라믹의 경우, 5.75x102, 5.75x102, 5.53x102[ohm]의 임피던스를 나타내고 있다.
또한, 200Hz에서의 임피던스를 비교해 보면 벤딩 홈이 없는 적층형 압전 세라믹의 임피던스는 2.88x102[ohm]를 나타내고 있으나, 너비방향, 길이방향 그리고 너비 및 길이방향의 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 세라믹의 경우, 2.87x102, 2.87x102, 2.76x102[ohm]의 임피던스를 나타내고 있다.
또한, 500Hz에서의 임피던스를 비교해 보면 벤딩 홈이 없는 적층형 압전 세라믹의 임피던스는 1.13x102[ohm]를 나타내고 있으나, 너비방향, 길이방향 그리고 너비 및 길이방향의 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 세라믹의 경우, 1.11x102, 1.13x102, 1.06x102[ohm]의 임피던스를 나타내고 있다.
이상의 결과를 종합해 보면, 너비방향, 길이방향 그리고 너비 및 길이방향의 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 세라믹의 경우, 벤딩 홈이 없는 적층형 압전 세라믹보다 저주파 영역에서 임피던스가 낮아 상대적으로 많은 전류가 인가될 수 있음을 알 수 있고, 이에 따라 저역에서의 변위량이 증가하고 음압도 높아짐을 알 수 있다.
상기의 절차에 의해 형성된 벤딩 홈을 갖는 압전 액추에이터에 대한 변위량을 첨부된 도 13 및 도 14와 같이 확인할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이 가청 주파수 영역인 50Hz로부터 20kHz에서의 주파수에 따른 변위 특성을 도시한 것으로서, 일반적인 적층형 세라믹의 구조를 가진 적층형 압전 액추에이터의 경우, 일정한 깊이, 너비, 길이 그리고 너비 및 길이 방향의 일정한 간격으로 벤딩 홈이 형성된 적층형 압전 세라믹에 비하여 제 1 차 공진 주파수(f0)가 상대적으로 높은 주파수에서 형성되어 있으며 또한 변위량도 낮은 것을 알 수 있다.
부가적으로 도 14에 도시된 바와 같이 본원발명의 장점으로서 저주파수(1 kHz 이하 영역)에서의 변위 특성을 도시한 것으로서, 도 14에서 알 수 있듯이, 너비, 길이, 너비 및 길이 방향의 벤딩 홈을 가진 적층형 압전 세라믹의 경우, 일반적인 적층형 세라믹 구조의 제품보다 낮은 1차 공진 주파수(f0)를 가지며 또한 변위량도 큼을 확인할 수 있다.
즉, 도 13과 도 14에 제시된 바와 같이 본 발명에 따른 벤딩 홈을 갖는 압전 액추에이터는 일반 적층 구조를 갖는 압전 액추에이터와 비교하여 저역대에서 음압(SPL)이 현저히 개선되는 것을 확인할 수 있고, 종래의 압전 스피커와 비교하여 저역대의 압전 스피커의 음압이 떨어지는 문제를 해결할 수 있다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10 : 세라믹 시트
20 : 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트
21 : 내부전극
23 : 세라믹 레이어

Claims (9)

  1. 세라믹 파우더, 바인더 및 기타 첨가물질이 혼합된 혼합물을 세라믹 시트 제조장치를 통해 세라믹 시트를 생성하는 제 1 과정;
    내부전극을 세라믹 시트 위에 인쇄하고, 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트를 전극이 서로 교차되도록 다수개를 적층하는 제 2 과정;
    제 2 과정에서 형성된 적층체의 상부 또는 하부에 제 1 과정에서 생성된 다수개의 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트를 적층하여 라미네이팅(lamination)하는 제 3 과정;
    상기 라미네이팅된 압전 세라믹 중 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트층의 일정한 깊이를 너비 방향으로 일정간격으로 벤딩 홈을 형성하고, 적용될 압전 스피커의 크기에 따라 벤딩 홈이 구비된 세라믹 시트층을 커팅하는 제 4 과정; 및
    상기 커팅된 압전 세라믹에 포함된 바인더(Binder)를 제거하기 위한 탈 바인더(Binder burn-out) 절차 및 소성(sintering)절차를 진행하고, 외부 전극을 연결하고 압전특성을 부여하기 위하여 분극(poling) 절차를 진행하는 제 5 과정;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 4 과정에서 내부전극이 인쇄되지 않은 상부 또는 하부 세라믹 시트층의 내부 전극의 길이 방향으로 일정 깊이, 일정 간격으로 벤딩 홈이 형성하는 것을 특징으로 하는 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 제조방법
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 4 과정에서 내부전극이 인쇄되지 않은 상부 또는 하부 세라믹 시트층의 내부전극의 너비 및 길이 방향으로 일정 깊이, 일정 간격으로 벤딩 홈이 형성하는 것을 특징으로 하는 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 4 과정에서 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트층을 압전 액추에이터 적용 범위에 따라 일정한 간격, 일정한 깊이로 홈을 구성하거나, 대각선 방향, 지그지그 형태로 홈을 선택적으로 구성하는 것을 특징으로 하는 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 5 과정에서 내부 전극 인쇄 및 압착 후 블레이드(Blade)를 이용하여 벤딩 홈을 구비한 후 소성하고 분극 절차를 진행하거나, 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트층 상부 또는 하부에 내부전극이 없는 세라믹 시트를 적층, 압착, 커팅, 탈 바인더 및 소성 후 외부 전극 인쇄 및 다이싱 쏘(dicing saw)를 통해 벤딩 홈을 구현하는 것을 특징으로 하는 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터 제조방법.
  6. 세라믹 파우더, 바인더 및 기타 첨가물질이 혼합된 혼합물을 세라믹 시트 제조장치를 통해 세라믹 시트(10)를 생성하고, 생성된 세라믹 시트에 내부전극을 인쇄하고, 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트(200)를 전극이 서로 교차되도록 다수개 적층하고, 내부전극이 인쇄된 세라믹 시트(20)가 교차되어 적층된 적층체의 상부 또는 하부에 세라믹 파우더, 바인더 및 기타 첨가물질로 생성된 다수개의 내부전극이 없는 세라믹 시트를 적층하여 라미네이팅(lamination)한 후,
    상기 라미네이팅 된 압전 세라믹 중 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트층을 너비 방향으로 일정 깊이, 일정 간격으로 벤딩 홈을 형성하고, 적용될 압전 스피커의 크기에 따라 벤딩 홈이 구비된 세라믹 시트층을 커팅한 후, 바인더를 제거를 위한 탈 바인더(Binder burn-out) 절차 소성절차를 진행하고, 외부 전극을 연결하고 압전 특성을 구현하기 위한 분극(Poling)을 진행하는 것을 특징으로 하는 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 라미네이팅 된 압전 세라믹 중 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트층을 길이 방향으로 일정 깊이, 일정 간격으로 벤딩 홈을 형성하고, 크기별로 커팅하고 소성 및 외부 전극을 연결하여 구성되는 것을 특징으로 하는 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 라미네이팅 된 압전 세라믹 중 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트층을 너비 및 길이 방향으로 일정간격으로 벤딩 홈을 형성하고, 크기별로 커팅하고 소성 및 외부 전극을 연결하여 구성되는 것을 특징으로 하는 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 라미네이팅 된 압전 세라믹 중 내부전극이 인쇄되지 않은 세라믹 시트층을 너비 및 길이 방향으로 일정간격으로 벤딩 홈을 형성하고, 크기별로 커팅하고 소성 및 외부 전극을 연결하고, 전계 인가 및 세라믹 소자의 벤딩 시 압전 세라믹의 파손을 방지하기 위하여 벤딩 홈에 탄성의 유기물을 충진하여 형성되는 것을 특징으로 하는 벤딩 홈을 구비한 적층형 압전 액추에이터.
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