KR101841840B1

KR101841840B1 - 적층형 압전 소자

Info

Publication number: KR101841840B1
Application number: KR1020160095539A
Authority: KR
Inventors: 정영훈; 조정호; 윤지선; 백종후; 이민선
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2018-03-26
Also published as: KR20180012557A

Abstract

본 발명에서는 적층형 압전 소자가 개시된다. 상기 압전 소자는 적어도 하나의 압전 재료층; 상기 압전 재료층의 상면 및 하면에 적층되는 적어도 두 개의 전극층; 및 상기 각각의 전극층의 동일한 면에 위치한 일측으로부터 연장된 전극패드를 포함한다. 이러한 압전 소자를 이용하면, 압전 소자의 분극만을 위한 별도의 전극이 필요 없으며, 이에 의해 압전 소자의 제작이 쉬워지고, 분극 전압 및 구동 전압을 인가하는 과정이 용이해질 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 압전 소자는 액츄에이터(actuator), 센서 또는 에너지 하베스터 등에 적용될 수 있다.

Description

적층형 압전 소자 {LAYERED PIEZOELECTRIC ELEMENT}

본 발명은 적층형 압전 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제작이 용이한 구조를 갖는 적층형 압전 소자에 관한 것이다.

일반적으로 압전 소자는 전기적 에너지와 기계적 에너지를 서로 간에 변화시킬 수 있는 특성을 지닌 소자를 말한다. 즉, 압전 소자는 압력을 가하면 전압이 발생하고, 전압을 가하면 전압으로 인한 부피나 길이의 증감이 발생한다. 압전 소자는 압전층과 그 내부 또는 표면에 마련되는 전극으로 구성되어 전극을 통해 압전층에 가해지는 전압에 따라 변형이 발생한다.

이러한 압전 소자를 이용하여 압전 스피커, 진동 장치 등 다양한 부품을 제조할 수 있다. 그중에 압전 스피커는 압전 소자의 기계적 움직임을 진동판에 의해 음향적으로 변환시켜 원하는 주파수 대역의 음향을 발생시키는 부품이다. 이러한 압전 스피커는 기존의 다이나믹 스피커에 비해 얇고 가벼우며 전력소모가 적은 장점이 있으며, 이에 따라 소형, 박형, 경량이 요구되는 스마트폰, 태블릿, 노트북, TV 등의 전자기기에 이용될 수 있다.

압전 소자의 제조공정을 간략하게 살펴보면, 압전체에 전극층을 제조한 후 소결하여 상기 압전체에 고 전계를 가하여 분극공정을 수행한다.

상기와 같은 일반적인 압전체의 분극공정을 수행하는 이유는, 압전성을 가하여 진동발생을 가능토록 하는 것인데, 초기 압전체의 자발분극 구조는 랜덤(random)한 상태로 있다가 분극공정을 통하여 일정한 방향성을 가지는 배열구조로 형성되고, 이에 압전체는 압전특성을 갖게 되는 것이다. 따라서, 압전소자의 제조공정시 분극공정은 필수적인 공정이다.

종래 대부분의 압전 소자의 제조공정 중 분극 시 인가된 전계의 극성과 동일한 극성의 전계로 동작 전기신호를 인가할 경우와는 달리, 바이몰프(biomorph)와 같은 액츄에이터 압전 소자의 경우, 적층 구조를 형성하고 있는 압전 소자의 일부 층은 분극 공정시 인가된 전계의 극성과 동작시 인가되는 전계의 극성이 서로 반대 극성을 이루어야 한다. 이러한 경우, 일반적으로 분극공정에서 필요한 전극은 분극에 이용된 후 제거되거나, 분극 이후에는 사용하지 않는 불필요한 전극으로 남아 있게 된다. 또한, 분극에 이용된 전극은 분극에만 이용될 뿐 압전 소자의 구동을 위한 전극으로는 사용될 수 없었다. 따라서, 압전 소자의 제조시 분극만을 위한 별도의 전극을 필요로 함에 따라 압전 소자의 제조과정에서 분극만을 위한 전극과 구동을 위한 전극을 각각 구비하여야 하는 번거러움이 있었다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 적층형 압전 소자의 분극만을 위한 별도의 전극이 필요 없으며, 이에 의해 압전 소자의 제작이 쉬워지고, 분극 전압 및 구동 전압을 인가하는 과정이 용이해질 수 있도록 한 압전 소자를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 적층형 압전 소자는 적어도 하나의 압전 재료층; 상기 압전 재료층의 상면 및 하면에 적층되는 적어도 두 개의 전극층; 및 상기 각각의 전극층의 동일한 면에 위치한 일측으로부터 연장된 전극패드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 적층형 압전 소자는, 상기 전극층이 2n개 및 상기 압전층이 2n-1개의 개수로 적층되고, 상기 전극 패드는 상기 전극층 및 압전 재료층의 적층 방향에 평행한 2n개의 열 내에 배치되고, 상기 n은 1이상의 정수 중 홀수이다.

상기 압전 재료층이 셋 이상의 홀수로 적층 배열된 경우 가운데에 위치한 압전 재료층은 댐퍼(damper)층일 수 있다.

본 발명에 따른 적층형 압전 소자는 압전 재료층이 하나 이상 및 전극층이 두 개 이상의 소정의 개수로 한 벌을 이루는 세트가 복수로 적층되고, 적어도 두 개의 세트의 사이에는 버퍼층이 구비될 수 있다. 이러한 경우, 상기 각각의 세트에 구비된 전극패드는 세트의 평면에서 볼 때 서로 다른 위치에 배치된다.

본 발명에 따른 적층형 압전 소자는 상기 두 개 이상의 전극층의 배열 중 최상부 전극층으로부터 연장된 전극패드와 동일 평면에서 최상부 전극층에 인접하게 위치하고, 상기 최상부 전극층과 비접촉되어 있고, 상기 최상부 전극층 아래에 위치하는 하나 이상의 하부 전극층의 개수와 동일한 개수로 구비되는 보조 전극패드; 및 상기 최상부 전극층으로부터 연장된 전극패드 및 보조 전극패드의 위치를 기준으로 하는 압전 재료층 및 전극층의 적층 방향에 평행한 각각의 열 또는 일부 열에 포함되는 둘 이상의 전극패드 또는 보조 전극패드 및 하나 이상의 전극패드를 전기적으로 연결하는 전도성 부재를 더 포함할 수 있다.

일 예로, 상기 전도성 부재는 상기 각각의 열을 따라 도포되는 전도성 접착제일 수 있다.

본 발명에 따른 적층형 압전 소자는 상기 두 개 이상의 전극층으로부터 연장된 전극패드 중 두 개 이상의 전극패드를 분극에 이용하고, 분극에 이용한 전극패드들 전부에 구동전압을 인가하거나 분극에 이용한 전극패드들 중 선택된 일부와 나머지 전극패드의 전부 또는 선택된 일부에 구동전압을 인가할 수 있다.

본 발명에 따른 적층형 압전 소자의 일 실시예로, 서로 교번하여 적층된 전극층 및 압전 재료층, 각각의 전극층의 동일한 면에 위치한 일측으로부터 연장된 전극패드를 포함하고, 상기 전극층은 셋 이상의 홀수의 개수이고 상기 압전 재료층은 둘 이상의 짝수의 개수로 구비되어 한 벌을 이루고 있는 제1 압전체 세트; 상기 제1 압전체 세트의 위 또는 아래에 적층되고 상기 압전 재료층과 동일한 재료로 이루어지는 버퍼층; 및 상기 제1 압전체 세트의 전극층 및 압전 재료층과 동일한 개수로 서로 교번하여 적층되어 있는 전극층 및 압전 재료층, 각각의 전극층에서 상기 제1 압전체 세트의 전극패드와 동일한 방향으로 연장된 전극패드를 포함하고, 상기 버퍼층의 위 또는 아래에 적층된 제2 압전체 세트를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 압전체 세트는, 제5 하부 전극층; 상기 제5 하부 전극층 위로 적층된 제5 압전 재료층; 상기 제5 압전 재료층의 위로 적층된 제4 하부 전극층; 상기 제4 하부 전극층의 위로 적층된 제4 압전 재료층; 상기 제4 하부 전극층 및 상기 버퍼층의 사이에 적층된 제3 하부 전극층; 상기 제5 하부 전극층의 일측으로부터 연장된 제8 전극패드 및 제9 전극패드; 상기 제4 하부 전극층으로부터 상기 제8 전극패드 및 제9 전극패드와 동일 방향으로 연장된 제6 전극패드 및 제7 전극패드; 및 상기 제3 하부 전극층으로부터 상기 제8 전극패드 및 제9 전극패드와 동일 방향으로 연장된 제4 전극패드 및 제5 전극패드를 포함하고, 상기 제2 압전체 세트는, 상기 버퍼층의 위로 적층된 제2 하부 전극층; 상기 제2 하부 전극층의 위로 적층된 제2 압전 재료층; 상기 제2 압전 재료층의 위로 적층된 제1 하부 전극층; 상기 제1 하부 전극층의 위로 적층된 제1 압전 재료층; 상기 제1 압전 재료층의 위로 적층된 최상부 전극층; 상기 제2 하부 전극층의 일측으로부터 연장된 제3 전극패드; 상기 제1 하부 전극층으로부터 상기 제3 전극패드와 동일 방향으로 연장된 제2 전극패드; 상기 최상부 전극층으로부터 상기 제3 전극패드와 동일 방향으로 연장된 제1 전극패드를 포함할 수 있다.

상기 제1 내지 제9 전극패드는 제2 세트의 평면에서 볼 때 서로 다른 위치에 배치된다.

상기 압전 소자를 분극시킬 때 상기 제1 전극패드, 제3 전극패드, 제4 전극패드 및 제6 전극패드가 이용되고, 상기 압전 소자를 구동시킬 때 상기 제1 전극패드, 제2 전극패드, 제5 전극패드 및 제6 전극패드가 이용될 수 있다.

한편, 상기 제1 전극패드와 동일 평면에서 상기 최상부 전극층에 인접하게 위치하고, 상기 최상부 전극층과 비접촉되어 있고, 상기 최상부 전극층 아래에 위치하는 제1 내지 제5 하부 전극층의 개수와 동일한 개수로 구비되는 보조 전극패드; 및 상기 제1 전극패드 및 각각의 보조 전극패드의 위치를 기준으로 하는 상기 제1 세트, 버퍼층 및 제2 세트의 적층 방향에 평행한 각각의 열에 포함되는 제2 내지 제9 전극패드를 상기 제1 전극패드 및 각각의 보조 전극패드와 전기적으로 연결하는 전도성 부재를 더 포함할 수 있다.

이러한 경우, 상기 압전 소자를 분극시킬 때 상기 제1 전극패드, 제2 보조 전극패드, 제3 보조 전극패드 및 제5 보조 전극패드에 분극 전압을 인가하고, 상기 압전 소자를 구동시킬 때 상기 제1 전극패드, 제1 보조 전극패드, 제4 보조 전극패드 및 제5 보조 전극패드에 구동 전압을 인가할 수 있다.

본 발명에 따른 적층형 압전 소자를 이용하면, 압전 소자의 분극만을 위한 별도의 전극이 필요 없으며, 이에 의해 압전 소자의 제작이 쉬워지고, 분극 전압 및 구동 전압을 인가하는 과정이 용이해질 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압전 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 블록도 형태의 압전 소자의 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 압전 소자가 복수의 세트로 적층된 형태를 예시하는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 압전 소자의 평면에서 본 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 압전 소자의 바람직한 실시예를 도시한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압전 소자에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 압전 소자를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 블록도 형태의 압전 소자의 평면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 압전 소자가 복수의 세트로 적층된 형태를 예시하는 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 압전 소자의 평면에서 본 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압전 소자는 적어도 하나의 압전 재료층(120); 압전 재료층(120)의 상면 및 하면에 적층되는 적어도 두 개의 전극층(110); 및 각각의 전극층(110)의 동일한 면에 위치한 일측으로부터 돌출된 전극패드(130)를 포함한다. 일 예로, 압전 재료층(120) 및 전극층(110)의 형상은 사각 형상일 수 있다. 이러한 경우, 각각의 전극층(110)은 동일 방향에 위치하는 패드연장 변(110a)을 포함할 수 있다.

압전 재료층(120)은 압전성을 갖는 재료로 형성된 것으로, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 압전 세라믹, 세라믹/폴리머 복합체 등일 수 있다.

각각의 전극층(110)은 구동 전압이 인가되면 구동 전압 인가의 이전에 설정되는 분극 방향에 따라 압전 재료층(120)의 변형을 일으킨다. 전극층(110)은 전기적으로 전도성을 가지는 물질로 금속이나 전도성 필름일 수 있다.

전극패드(130)는 압전 소자의 분극(poling) 및 구동(operation)에 이용된다. 전극패드(130)는 전극층(110)과 일체로 구성될 수 있다. 이러한 경우 전극패드(130)는 전극층(110)과 동일한 재질일 수 있다.

압전 재료층(120), 전극층(110) 및 전극패드(130)의 개수에는 특별한 제한 없이 압전 재료층(120)은 하나 이상이면 되고, 전극층(110)은 두 개 이상이면 되고, 전극패드(130)는 전극층(110)과 동일한 개수의 열 내로 구비되는 조건이면 본 발명에 따른 압전 소자를 제작할 수 있다. 여기서, 상기 열은 압전 재료층 및 전극층이 적층되는 방향을 따라 전극패드가 배열되는 열을 의미한다. 즉, 전극층이 2n개, 압전층이 2n-1개의 개수로 적층되고, 전극 패드는 전극층(110) 및 압전 재료층(120)의 적층 방향에 평행한 2n개의 열 내에 배치되어 구성될 수 있다. 여기서, 상기 n은 1이상의 정수 중 홀수이다.

이러한 적층 구조에서, 도 3과 같이 압전 재료층이 하나 이상 및 전극층이 두 개 이상의 소정의 개수로 한 벌을 이루는 세트가 복수로 적층될 수 있다. 이때, 적층된 각 세트의 사이에는 버퍼층이 구비될 수 있다. 이러한 버퍼층은 본 발명의 적층형 압전 소자가 압전 스피커 등으로의 이용을 고려할 때 그 두께가 얇은 것이 바람직하다. 그 두께는 얇을수록 바람직하며, 특별한 수치적인 제한은 없다. 버퍼층의 두께일 예로, 도 3과 같이 압전 재료층(121, 122, 123)이 셋 이상 홀수로 적층 배열된 경우 가운데에 위치한 압전 재료층(122)은 버퍼층일 수 있고, 이러한 경우 버퍼층을 기준으로 버퍼층의 위로 적층된 각각의 압전 재료층(121) 및 전극층(111, 112)의 개수는 한 벌을 이루는 하나의 세트가 될 수 있고, 버퍼층의 아래로 적층된 각각의 압전 재료층(123) 및 전극층(113, 114)의 개수는 한 벌을 이루는 다른 하나의 세트가 될 수 있다. 이때, 각각의 세트에 구비된 전극패드(131, 132, 133, 134)는 각각 서로 다른 위치에 배치된다. 여기서, 버퍼층은 바이몰프 동작을 구형하기 위해 분극 방향이 대칭구조를 이루기 위한 중심층의 역할을 한다.

한편, 본 발명에 따른 압전 소자는 도 3 및 도 4에 도시된 보조 전극패드(141, 142, 143) 및 전도성 부재(151, 152, 153)를 더 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 특별한 언급이 없는 한, 두 개 이상의 전극층(110)의 배열에서 최상부에 위치한 전극층(110)을 "최상부 전극층"이라 명명하고, 최상부 전극층(111) 아래에 위치하는 전극층들을 "하부 전극층"이라 명명하고, 최상부 전극층(111) 아래에 위치하는 전극패드를 "하부 전극 패드"라 명명하여 설명한다.

보조 전극패드들(141, 142, 143)은 두 개 이상의 전극층(111, 112, 113, 114)의 배열 중 최상부 전극층(111)에서 연장된 최상부 전극패드(131)와 동일 방향 및 동일 평면에 위치한다. 이때, 보조 전극패드들(141, 142, 143)은 최상부 전극층(111) 아래에 위치하는 하부 전극층(112, 113, 114)과 동일한 개수로 구비된다.

전도성 부재(151, 152, 153)는 두 개 이상의 전극층(110)의 배열 중 최상부 전극층(111)과 동일 평면에서 패드연장 변(111a)과 평행한 방향을 따라 배열된 최상부 전극패드(131) 및 보조 전극패드(141, 142, 143)의 위치를 기준으로 하는 압전 재료층(120) 및 전극층(110)의 적층 방향에 평행한 각각의 열(L1, L2, L3, L4) 또는 일부 열에 포함되는 하나 이상의 하부 전극패드(132, 133, 134)를 최상부 전극패드(131) 또는 보조 전극패드(141, 142, 143)와 전기적으로 연결한다.

이러한 전도성 부재(151, 152, 153)는 전도성 재료이면 되고, 예를 들면, 금속의 브릿지(bridge) 또는 압전 재료층(120) 및 전극층(110)의 적층 방향에 평행한 각각의 열(L2, L3, L4)을 따라 도포되는 전도성 접착제일 수 있다. 전도성 부재(151, 152, 153)가 전도성 접착제인 경우 최상부 전극층(111)과 동일 평면에 위치하는 최상부 전극패드(131) 및 보조 전극패드(141, 142, 143)를 기준으로 하는 열(L1, L2, L3, L4)에 포함되는 하부 전극패드(132, 133, 134)와 최상부 전극패드(131) 또는 보조 전극패드(141, 142, 143) 사이에 도포되어 최상부 전극패드(131) 및 보조 전극패드(141, 142, 143)에 하부 전극패드(132, 133, 134)를 전기적으로 연결할 수 있다.

이러한 보조 전극패드(141, 142, 143) 및 전도성 부재(151, 152, 153)가 구비됨에 따라 압전 소자의 분극 방향의 설정 및 구동 전압의 인가시 두 개 이상의 전극층(110)의 배열 중 최상부에 위치하는 최상부 전극층(111)의 위치에서 분극을 위한 전원이 인가 및 구동을 위한 전원의 인가가 이루어질 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 압전 소자의 바람직한 실시예를 들어 압전 소자의 분극 방향의 설정 및 분극 방향에 따라 구동 전압을 인가하는 과정에 대해 설명한다.

실시예

도 5는 본 발명에 따른 압전 소자의 바람직한 실시예를 도시한다. 도 5에서 (B)부분은 압전 소자의 구성을 입체적으로 도시한 부분이고, (A)부분은 (B)부분을 정면으로 보았을 때 전극패드 및 보조 전극패드의 배치를 모눈 형태로 도시한 부분이다. 또한, 도 5의 (A)부분에서 파선으로 나타낸 직사각형은 분극(Poling)에 이용되는 전극패드 및 보조 전극패드를 포함하는 영역을 나타내고, 2점쇄선으로 나타낸 직사각형은 구동(Operation)에 이용되는 전극패드 및 보조 전극패드를 포함하는 영역을 나타낸다.

도 5를 참조하면, 압전 소자는 6개의 전극층(511, 512, 512, 513, 514, 515, 516), 5개의 압전 재료층(521, 522, 523, 524, 525), 9개의 전극패드(531, 532, 533, 534, 535, 536, 537, 538, 539), 5개의 보조 전극패드(541, 542, 543, 544, 545), 그리고 6개의 전도성 부재(551, 552, 553, 554, 555, 556)를 포함할 수 있다.

6개의 전극층(511, 512, 512, 513, 514, 515, 516) 및 5개의 압전 재료층(521, 522, 523, 524, 525)은 서로 교번하여 적층될 수 있다.

이러한 적층 배열 구조에서 설명의 편의를 위해, 6개의 전극층(511, 512, 512, 513, 514, 515, 516) 중 최상부에 위치한 전극층을 최상부 전극층(511)이라 명명하고, 최상부 전극층(511) 아래에 위치하는 전극층들을 최상부 전극층(511)에서 점차 멀어지는 순서에 따라 제1 내지 제5 하부 전극층(512, 513, 514, 515, 516)이라 명명하고, 5개의 압전 재료층(521, 522, 523, 524, 525)은 최상부 전극층(511)에서 멀어지는 순서에 따라 제1 내지 제5 압전 재료층(521, 522, 523, 524, 525)이라 명명하고, 전극패드들(531, 532, 533, 534, 535, 536, 537, 538, 539)은 최상부 전극층(511)에서 연장된 전극패드(531)를 시작으로 최상부 전극층(511)과 멀어지는 순서 및 좌측을 우선하는 순서에 따라 제1 내지 제9 전극패드(531, 532, 533, 534, 535, 536, 537, 538, 539)라 명명하고, 5개의 보조 전극패드(541, 542, 543, 544, 545)는 최상부 전극층(511)에서 연장된 제1 전극패드(531)와 멀어지는 순서에 따라 제1 내지 제5 보조 전극패드(541, 542, 543, 544, 545)라 명명하고, 6개의 전도성 부재(551, 552, 553, 554, 555, 556)는 각각의 전극층(511, 512, 512, 513, 514, 515, 516)에서 전극패드(531, 532, 533, 534, 535, 536, 537, 538, 539)가 연장되어 있는 패드연장 변과 평행한 방향으로 제1 전극패드(531)와 멀어지는 순서에 따라 제1 내지 제6 전도성 부재(551, 552, 553, 554, 555, 556)라 명명한다.

9개의 전극패드(531, 532, 533, 534, 535, 536, 537, 538, 539)에서, 제1 전극패드(531)는 최상부 전극층(511) 으로부터 연장되고, 제2 전극패드(532)는 제1 하부 전극층(512)으로부터 연장되고, 제3 전극패드(533)는 제2 하부 전극층(513)으로부터 연장되고, 제4 전극패드(534) 및 제5 전극패드(535)는 제3 하부 전극층(514)으로부터 연장되고, 제6 전극패드(536) 및 제7 전극패드(537)는 제4 하부 전극층(515)으로부터 연장되고, 제8 전극패드(538) 및 제9 전극패드(539)는 제5 하부 전극층(516)으로부터 연장되어 있다.

이때, 제1 압전체 세트(501)에 포함되는 제4 내지 제9 전극패드(534, 535, 536, 537, 538, 539)와 제2 압전체 세트(502)에 포함되는 제1 내지 제3 전극패드(531, 532, 533)는 서로 다른 위치에 배치된다. 즉, 제1 전극패드(531) 및 제3 전극패드(533)는 제1 전극패드(531)를 기준으로 하는 제1 열(L1) 상에 위치하고, 제4 전극패드(534) 및 제8 전극패드(538)는 제1 보조 전극패드(541)를 기준으로 하는 제2 열(L2) 상에 위치하고, 제6 전극패드(536)는 제2 보조 전극패드(542)를 기준으로 하는 제3 열(L3) 상에 위치하고, 제5 전극패드(535) 및 제8 전극패드(538)는 제3 보조 전극패드(543)를 기준으로 하는 제4 열(L4) 상에 위치하고, 제7 전극패드(537)는 제4 보조 전극패드(544)를 기준으로 하는 제5 열(L5) 상에 위치하고, 제3 전극패드(533)는 제5 보조 전극패드(545)를 기준으로 하는 제6 열(L6) 상에 위치한다.

도 5의 압전 소자의 구조에서, 제1 내지 제5 압전 재료층(521, 522, 523, 524, 525)의 적층 배열 중 가운데에 위치하는 제3 압전 재료층(523)은 버퍼층이고, 제3 압전 재료층(523)의 아래로 위치하는 제3 하부 전극층(514), 제4 압전 재료층(524), 제4 하부 전극층(515), 제5 압전 재료층(525) 및 제5 하부 전극층(516), 제4 내지 제9 전극패드(534, 535, 536, 537, 538, 539)는 한 벌을 이루는 제1 압전체 세트(502)를 구성할 수 있고, 제3 압전 재료층(523)의 위로 위치하는 최상부 전극층(511), 제1 압전 재료층(521), 제1 하부 전극층(512), 제2 압전 재료층(522) 및 제2 하부 전극층(513), 제1 내지 제3 전극패드(531, 532, 533)는 한 벌을 이루는 제2 압전체 세트(501)를 구성할 수 있다.

5개의 보조 전극패드(541, 542, 543, 544, 545)는 최상부 전극층(511)의 패드연장 변에 평행한 방향으로 제1 전극패드(531)와 멀어지는 순서에 따라 제1 보조 전극패드(541), 제2 보조 전극패드(542), 제3 보조 전극패드(543), 제4 보조 전극패드(544) 및 제5 보조 전극패드(545)의 순서로 배열된다. 이때, 각각의 보조 전극패드(541, 542, 543, 544, 545)는 최상부 전극층(511)과 비접촉된다.

6개의 전도성 부재(551, 552, 553, 554, 555, 556)는 전도성 접착제로 이루어질 수 있다. 이러한 경우, 제1 전도성 부재(551)는 제1 열(L1)을 따라 전도성 접착제가 도포된 후 경화되어 제1 전극패드(531) 및 제3 전극패드(533)를 연결하고, 제2 전도성 부재(552)는 제2 열(L2)을 따라 전도성 접착제가 도포된 후 경화되어 제1 보조 전극패드(541) 및 제4 전극패드(534)를 연결하고, 제3 전도성 부재(553)는 제3 열(L3)을 따라 전도성 접착제가 도포된 후 경화되어 제2 보조 전극패드(542) 및 제6 전극패드(536)를 연결하고, 제4 전도성 부재(554)는 제4 열(L4)을 따라 전도성 접착제가 도포된 후 경화되어 제3 보조 전극패드(543), 제5 전극패드(535) 및 제8 전극패드(538)를 연결하고, 제5 전도성 부재(555)는 제5 열(L5)을 따라 전도성 접착제가 도포된 후 경화되어 제4 보조 전극패드(544) 및 제6 전극패드(536)를 연결하고, 제6 전도성 부재(556)는 제6 열(L6)을 따라 전도성 접착제가 도포된 후 경화되어 제5 보조 전극패드(545) 및 제2 전극패드(532)를 연결할 수 있다.

이러한 압전 소자의 구조에서 분극 방향을 설정하기 위해 제1 내지 제9 전극패드(531, 532, 533, 534, 535, 536, 537, 538, 539) 중 선택된 일부에 분극을 위한 전압이 인가되도록 하여 분극 방향을 설정할 수 있고, 압전 소자의 변형을 위해 분극 설정에 이용된 전극패드들 일부와 분극 설정에 이용되지 않은 전극패드들 중 일부를 선택하여 구동 전압을 인가할 수 있다.

분극 방향 설정을 위한 실시예로, 제1 전극패드(531) 및 제3 보조 전극패드(543)에 제1 전압을 인가하여, 제1 전극패드(531) 및 제1 전도성 부재(551)를 통해 제1 전극패드(531)와 전기적으로 연결된 제3 전극패드(533), 그리고 제3 전도성 부재(553)를 통해 제3 보조 전극패드(543)와 전기적으로 연결된 제6 전극패드(536)에 제1 전압이 인가되도록 한다. 또한, 제3 보조 전극패드(543) 및 제5 보조 전극패드(545)에 제1 전압과 반대 극성의 제2 전압을 인가하여, 제4 전도성 부재(554)를 통해 제3 보조 전극패드(543)와 전기적으로 연결된 제5 전극패드(535) 및 제9 전극패드(539), 그리고 제6 전도성 부재(556)를 통해 제5 보조 전극패드(545)와 전기적으로 연결된 제2 전극패드(532)에 제2 전압이 인가되도록 한다.

이때, 제1 전극패드(531) 및 제3 보조 전극패드(543)를 브릿지를 통해 서로 연결하여 제1 전압을 제1 전극패드(531) 및 제3 보조 전극패드(543)에 동시에 인가할 수 있고, 제3 보조 전극패드(543) 및 제5 보조 전극패드(545)를 브릿지를 통해 서로 연결하여 제2 전압을 제3 보조 전극패드(543) 및 제5 보조 전극패드(545)에 동시에 인가할 수 있다. 제1 전압 및 제2 전압을 인가하여 분극 방향 설정이 완료된 후에는 브릿지를 제거한다.

구동 전압 인가에 대한 실시예로, 제1 전극패드(531) 및 제1 보조 전극패드(541)에 제1 전압을 인가하여, 제1 전극패드(531) 및 제1 전도성 부재(551)를 통해 제1 전극패드(531)와 전기적으로 연결된 제3 전극패드(533), 그리고 제2 전도성 부재(552)를 통해 제1 보조 전극패드(541)와 전기적으로 연결된 제4 전극패드(534) 및 제8 전극패드(538)에 제1 전압이 인가되도록 한다. 또한, 제4 보조 전극패드(544) 및 제5 보조 전극패드(545)에 제2 전압을 인가하여, 제5 전도성 부재(555)를 통해 제4 보조 전극패드(544)와 전기적으로 연결된 제7 전극패드(537), 그리고 제6 전도성 부재(556)를 통해 제5 보조 전극패드(545)와 전기적으로 연결된 제2 전극패드(532)에 제2 전압이 인가되도록 한다.

이때, 제1 전극패드(531) 및 제1 보조 전극패드(541)의 사이 또는 최상부 전극층(511) 및 제1 보조 전극패드(541)의 사이에 전도성 접착제를 도포한 후 경화시키고, 제4 보조 전극패드(544) 및 제5 보조 전극패드(545)의 사이에 전도성 접착제를 도포한 후 경화시켜서 구동 전압이 인가되는 전극층들이 영구적으로 연결되도록 할 수 있다.

이러한 본 발명에 다른 압전 소자는 압전 소자의 분극 및 구동을 위한 각각의 전극층에는 동일한 방향으로 연장되어 위치하는 전극패드가 구비되고, 각각의 전극패드를 이용하여 압전 소자를 분극 및 구동시킬 수 있다. 이에 따라, 압전 소자의 분극 및 구동이 용이해진다.

또한, 도 5를 참조한 실시예의 설명에서와 같이 각각의 전극패드는 압전 소자의 분극에만 이용되지 않고 압전 소자의 분극 및 구동 모두에 이용된다. 따라서, 분극만을 위한 별도의 전극을 구성할 필요가 없으므로 압전 소자의 제작이 쉬워질 수 있다.

또한, 하나 이상의 보조 전극패드 및 보조 전극패드를 적층된 전극층의 위치에 배치된 전극패드의 일부와 연결하는 전도성 부재를 통해 각각의 전극층에 분극 전압 및 구동 전압을 인가하는 과정이 간단히 이루어질 수 있다. 따라서, 분극 전압 및 구동 전압의 인가하는 과정에서의 편의성이 증대될 수 있다.

또한, 구동 전압이 인가되는 전극층들의 전기적 연결을 위해 서로 이웃하는 보조 전극패드를 전도성 접착제를 사용하여 간단히 서로 연결하거나, 보조 전극패드를 전도성 접착제를 사용하여 전극층과 간단히 서로 연결할 수 있으므로 구동 전압 인가를 위한 전극층들의 영구적인 연결이 간단히 이루어질 수 있다.

한편, 이러한 본 발명에 따른 압전 소자는 액츄에이터, 스피커, 에너지 하베스터, 센서에 이용될 수 있다. 예로서, 압전 스피커로 이용되는 경우, 압전 소자의 위 또는 아래로 최종 진동판을 적층하여 압전 소자의 반복적인 변형을 통해 진동판을 진동시키게 된다. 여기서, 진동판은 폴리이미드계 수지(polyimide-based resin), 폴리우레탄계 수지(polyurethane-based resin) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 수지(polyethylene terephthalate resin) 등으로 형성될 수 있다.

제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims

적어도 하나의 압전 재료층;
상기 압전 재료층의 상면 및 하면에 적층되는 적어도 두 개의 전극층;
상기 각각의 전극층의 동일한 면에 위치한 일측으로부터 연장된 전극패드;
상기 두 개 이상의 전극층의 배열 중 최상부 전극층으로부터 연장된 전극패드와 동일 평면에서 최상부 전극층에 인접하게 위치하고, 상기 최상부 전극층과 비접촉되어 있고, 상기 최상부 전극층 아래에 위치하는 하나 이상의 하부 전극층의 개수와 동일한 개수로 구비되는 보조 전극패드; 및
상기 최상부 전극층으로부터 연장된 전극패드 및 보조 전극패드의 위치를 기준으로 하는 압전 재료층 및 전극층의 적층 방향에 평행한 각각의 열 또는 일부 열에 포함되는 둘 이상의 전극패드 또는 보조 전극패드 및 하나 이상의 전극패드를 전기적으로 연결하는 전도성 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는,
적층형 압전 소자.
제1항에 있어서,
상기 압전 소자는,
상기 전극층이 2n개 및 상기 압전 재료층이 2n-1개의 개수로 적층되고, 상기 전극 패드는 상기 전극층 및 압전 재료층의 적층 방향에 평행한 2n개의 열 내에 배치되고,
상기 n은 1이상의 정수 중 홀수인 것을 특징으로 하는,
적층형 압전 소자.
제1항에 있어서,
압전 재료층이 하나 이상 및 전극층이 두 개 이상의 소정의 개수로 한 벌을 이루는 세트가 복수로 적층되고,
적어도 두 개의 세트의 사이에는 버퍼층이 구비되는 것을 특징으로 하는
적층형 압전 소자.
제3항에 있어서,
상기 각각의 세트에 구비된 전극패드는 세트의 평면에서 볼 때 서로 다른 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는,
적층형 압전 소자.
제1항에 있어서,
상기 압전 재료층이 셋 이상의 홀수로 적층 배열된 경우 가운데에 위치한 압전 재료층은 버퍼층인 것을 특징으로 하는,
적층형 압전 소자.
삭제
제1항에 있어서,
상기 전도성 부재는 상기 각각의 열을 따라 도포되는 전도성 접착제인 것을 특징으로 하는,
적층형 압전 소자.
제1항에 있어서,
상기 두 개 이상의 전극층으로부터 연장된 전극패드 중 두 개 이상의 전극패드를 분극에 이용하고,
분극에 이용한 전극패드들 전부에 구동전압을 인가하거나 분극에 이용한 전극패드들 중 선택된 일부와 나머지 전극패드의 전부 또는 선택된 일부에 구동전압을 인가하는 것을 특징으로 하는,
적층형 압전 소자.
서로 교번하여 적층된 전극층 및 압전 재료층, 각각의 전극층의 동일한 면에 위치한 일측으로부터 연장된 전극패드를 포함하고, 상기 전극층은 셋 이상의 홀수의 개수이고 상기 압전 재료층은 둘 이상의 짝수의 개수로 구비되어 한 벌을 이루고 있는 제1 압전체 세트;
상기 제1 압전체 세트의 위 또는 아래에 적층되고 상기 압전 재료층과 동일한 재료로 이루어지는 버퍼층;
상기 제1 압전체 세트의 전극층 및 압전 재료층과 동일한 개수로 서로 교번하여 적층되어 있는 전극층 및 압전 재료층, 각각의 전극층에서 상기 제1 압전체 세트의 전극패드와 동일한 방향으로 연장된 전극패드를 포함하고, 상기 버퍼층의 위 또는 아래에 적층된 제2 압전체 세트를 포함하고,
상기 제1 압전체 세트는,
제5 하부 전극층;
상기 제5 하부 전극층 위로 적층된 제5 압전 재료층;
상기 제5 압전 재료층의 위로 적층된 제4 하부 전극층;
상기 제4 하부 전극층의 위로 적층된 제4 압전 재료층;
상기 제4 하부 전극층 및 상기 버퍼층의 사이에 적층된 제3 하부 전극층;
상기 제5 하부 전극층의 일측으로부터 연장된 제8 전극패드 및 제9 전극패드;
상기 제4 하부 전극층으로부터 상기 제8 전극패드 및 제9 전극패드와 동일 방향으로 연장된 제6 전극패드 및 제7 전극패드; 및
상기 제3 하부 전극층으로부터 상기 제8 전극패드 및 제9 전극패드와 동일 방향으로 연장된 제4 전극패드 및 제5 전극패드를 포함하고,
상기 제2 압전체 세트는,
상기 버퍼층의 위로 적층된 제2 하부 전극층;
상기 제2 하부 전극층의 위로 적층된 제2 압전 재료층;
상기 제2 압전 재료층의 위로 적층된 제1 하부 전극층;
상기 제1 하부 전극층의 위로 적층된 제1 압전 재료층;
상기 제1 압전 재료층의 위로 적층된 최상부 전극층;
상기 제2 하부 전극층의 일측으로부터 연장된 제3 전극패드;
상기 제1 하부 전극층으로부터 상기 제3 전극패드와 동일 방향으로 연장된 제2 전극패드;
상기 최상부 전극층으로부터 상기 제3 전극패드와 동일 방향으로 연장된 제1 전극패드를 포함하며,
상기 제1 전극패드와 동일 평면에서 상기 최상부 전극층에 인접하게 위치하고, 상기 최상부 전극층과 비접촉되어 있고, 상기 최상부 전극층 아래에 위치하는 제1 내지 제5 하부 전극층의 개수와 동일한 개수로 구비되는 보조 전극패드; 및
상기 제1 전극패드 및 각각의 보조 전극패드의 위치를 기준으로 하는 상기 제1 압전체 세트, 버퍼층 및 제2 압전체 세트의 적층 방향에 평행한 각각의 열에 포함되는 제2 내지 제9 전극패드를 상기 제1 전극패드 및 각각의 보조 전극패드와 전기적으로 연결하는 전도성 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
적층형 압전 소자.
삭제
제9항에 있어서,
상기 제1 내지 제9 전극패드는 제2 압전체 세트의 평면에서 볼 때 서로 다른 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는,
적층형 압전 소자.
삭제
제9항에 있어서,
상기 압전 소자를 분극시킬 때 상기 제1 전극패드, 제3 전극패드, 제4 전극패드 및 제6 전극패드가 이용되고,
상기 압전 소자를 구동시킬 때 상기 제1 전극패드, 제2 전극패드, 제5 전극패드 및 제6 전극패드가 이용되는 것을 특징으로 하는,
적층형 압전 소자.
제9항에 있어서,
상기 압전 소자를 분극시킬 때 상기 제1 전극패드, 제2 보조 전극패드, 제3 보조 전극패드 및 제5 보조 전극패드에 분극 전압을 인가하고,
상기 압전 소자를 구동시킬 때 상기 제1 전극패드, 제1 보조 전극패드, 제4 보조 전극패드 및 제5 보조 전극패드에 구동 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는,
적층형 압전 소자.