KR102135498B1 - 압전 층 스택을 제조하는 방법 및 압전 층 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 압전 층 스택(10)을 제조하는 방법으로서, 길이방향 축(L)을 따라 교호하는, 복수의 압전 세라믹 층(12) 및 복수의 전기 전도성 내부 전극(14)을 포함하는 층 스택(10)이 제공되고, 상기 세라믹 층(12)들의 표면(16)은 다결정 구조(20)를 가진 제1 구역(18), 및 상기 다결정 구조(20)에 단지 기계적으로 부착되는 느슨한 세라믹 재료(24)를 갖는 제2 구역(22)을 포함하고, 상기 느슨한 세라믹 재료(24)는 상기 다결정 구조(20)에 손상을 주지 않고 상기 다결정 구조(20)로부터 제거되는, 상기 압전 층 스택을 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은, 특히 이러한 방법을 사용하여 제조된 층 스택(10)에 관한 것이다.

Description

압전 층 스택을 제조하는 방법 및 압전 층 스택
본 발명은 압전 층 스택(piezoelectric layer stack)을 제조하는 방법 및 특히 이러한 방법을 사용하여 제조된 압전 층 스택에 관한 것이다.
압전 층 스택은, 예를 들어, 내연 기관의 실린더의 연소 챔버 내로 연료를 분사하기 위한 액추에이터 유닛 내 전자 부품으로서 사용된다.
예를 들어, 액추에이터 유닛으로서 사용되는 층 스택은 통상적으로 복수의 압전 세라믹 층 및 복수의 전기 전도성 내부 전극을 포함하고, 각 내부 전극은 2개의 압전 세라믹 층 사이에 배열된다. 특히 자동차용의 넓은 범위의 엔진 유형의 분사 밸브 내 작동 소자로서 응용하기 위해 압전 엑추에이터 형태의 전자 부품으로서 설계된 층 스택이 자주 사용된다.
배출량 및 연료 소비량 면에서 증가하는 요구조건은 또한 연소 챔버 내로 연료를 분사하는 것에 관한 요구조건을 증가시킨다. 따라서 더 높은 압력, 온도 및 다중 분사는 분사되는 연료를 계량할 때 더 높은 정밀도를 요구한다. 이러한 맥락에서, 전계 강도가 더 커지고 실행 시간(running time)이 더 커지는 요구조건이 추세이다. 이것은 층 스택의 표면에서 전기적 플래쉬오버(flashover)의 위험을 증가시킨다.
이런 맥락에서, 층 스택의 표면에서 전기적 플래쉬오버의 위험은, 통상적으로, 예를 들어, 층 스택의 마모 공정에 의해 기계적으로 손상되는 최외측 그레인(grain) 층에 의해 증가되지만, 이 경우에 느슨한 그레인 재료(loose grain material)는 소결된 세라믹 격자로부터 분리되지 않는다. 이것은 느슨한 그레인 층이 세라믹 결정체(ceramic crystal body)에만 기계적으로 연결되게 한다. 기계적 및 열-기계적 부하(loading) 하에서, 이 느슨한 그레인 층은 세라믹이 열화되는 현상에 대한 기초를 형성하고, 그렇지 않은 경우 고 저항인 세라믹 재료에 전도성 경로를 형성한다. 이는 느슨한 그레인 층이 층 스택의 표면에 마이크로 균열을 형성하고 이 균열 안으로 수분 및/또는 금속 이온이 이동하여 2개의 인접한 내부 전극 사이에 전기 전도성 경로를 형성할 수 있기 때문이다.
도 14 및 도 15는 관련 문제를 개략적으로 보여준다.
도 14는 복수의 압전 세라믹 층(12) 및 복수의 전기 전도성 내부 전극(14)을 포함하는 층 스택(10)을 도시하며, 층 스택(10)의 길이방향 축(L)을 따라 각 전극(14)은 2개의 세라믹 층(12) 사이에 배열된다. 도 14는 또한 세라믹 층(12)들 중 하나의 세라믹 층의 표면(16) 구역의 확대도를 도시한다. 이 확대도는, 세라믹 층(12)의 표면(16)이 세라믹 층(12)의 재료가 다결정 구조(polycrystalline structure)(20)로서 존재하는, 즉 폐쇄된 결정(closed crystal)으로서 존재하는 제1 구역(18)을 포함한다. 또한 세라믹 층(12)의 표면(16)은, 더 이상 다결정 구조(20)의 일부는 아니지만 다결정 구조(20)에 단지 기계적으로 부착되는 압전 세라믹 재료(24)가 존재하는 제2 구역(22)을 더 포함한다. 따라서, 이 세라믹 재료(24)는 다결정 구조(20)에 대하여 느슨한 그레인 복합체(grain composite)(26)를 형성한다.
도 15는 세라믹 층(12)의 표면(16)으로부터 분리된 그레인 복합체(26)의 SEM 이미지를 도시한다.
이런 종류의 느슨한 그레인 복합체(26)는 더 이상 다결정 구조(20)의 일부는 아니지만 여전히 다결정 구조(20)에 비교적 강하게 기계적으로 부착된다.
이것을 설명하기 위해, 도 16은 이미지 a)에서 표면(16)의 현미경 사진을 도시하는데, 여기서 느슨한 그레인 복합체(26)는 밝은 구역으로 도시된다. 이미지 b)는 오염물 및 입자를 제거하기 위해 층 스택(10)이 용매 배스(solvent bath)에서 초음파 처리를 받은 후의 표면(16)을 도시한다. 전계 강도가 과거에는 그렇게 높지 않았기 때문에, 이런 유형의 전-처리는 층 스택(10)을 세정하기에 충분했다. 그러나, 이미지 b)는 다수의 느슨한 그레인 복합체(26)가 표면(16)에 남아 있는 것을 보여준다. 따라서, 그레인 복합체(26)의 기계적 부착은 초음파와 같은 종래의 세정 방법으로는 층 스택(10)으로부터 느슨한 그레인 복합체(26)를 분리시킬 수 없을 만큼 충분히 강하다.
도 14에 도시된 바와 같이, 바람직하지 못한 경우로서, 예를 들어, 다결정 구조(20)와 그레인 복합체(26) 사이에 경로(28)가 형성될 수 있고, 표면(16)의 이 구역 내에 수분이 침투하는 경우에 전기 전도성 경로(28)를 형성할 수 있다.
이것은 층 스택(10)에서 전기적 플래쉬오버의 위험이 있기 때문에 특히 층 스택(10)이 매우 높은 전계 세기를 받는 경우 불리하다.
따라서, 본 발명의 목적은, 전술한 문제를 극복할 수 있는, 압전 층 스택을 제조하는 방법 및 대응하는 층 스택을 제안하는 것이다.
본 목적은 청구항 1에 청구된 바와 같은 압전 층 스택을 제조하는 방법에 의해 달성된다.
특히 이러한 방법을 사용하여 제조된 압전 층 스택은 추가적인 독립 청구항의 주제를 형성한다.
본 발명의 유리한 실시예는 종속 청구항의 주제를 형성한다.
압전 층 스택을 제조하는 방법은 다음 단계를 수행하는 것을 포함하는데, 즉 단계(S1)는 복수의 압전 세라믹 층 및 복수의 전기 전도성 내부 전극을 포함하는 층 스택을 제공하는 단계를 포함하고, 여기서 상기 층 스택의 길이방향 축을 따라 각 내부 전극이 2개의 세라믹 층 사이에 배열된다. 상기 압전 세라믹 층들의 표면은 다결정 구조를 갖는 제1 구역을 포함한다. 또한 상기 압전 세라믹 층들은 상기 다결정 구조에 단지 기계적으로 부착되는 압전 세라믹 재료를 갖는 제2 구역을 포함한다. 단계(S2)는 상기 다결정 구조를 손상시키지 않고 상기 다결정 구조에 단지 기계적으로 부착되는 상기 압전 세라믹 재료를 제거하는 단계를 포함한다.
상기 압전 세라믹 층들의 표면에 더하여, 그 볼륨(volume)도 또한 상기 다결정 구조로 형성된다.
"표면"이라는 용어는 상기 층 스택의 상기 세라믹 층들의 볼륨 내로 약 15㎛ 내지 20㎛만큼 연장된 구역인 것으로 이해되어야 한다.
이러한 제조 방법을 사용하여, 상기 층 스택의 표면은, 상기 다결정 구조에 기계적 손상을 야기함이 없이 상기 느슨한 그레인 복합체로부터 유리(liberated)되고 나서 새로운 느슨한 그레인 복합체를 형성할 수 있다. 이것은, 동작시, 저 저항 경로로서, 부품으로서의 상기 층 스택에 고장을 일으킬 수 있는 느슨한 그레인 경계가 더 이상 존재하거나 발생하지 않는다는 것을 의미한다.
바람직하게는, 제시된 방법에서, 다음 단계들이 수행된다:
S2a) 압축에 의해 액화된 가스를 제공하는 단계;
S2b) 상기 가스를 팽창시켜 미세결정(microcrystal)을 형성하는 단계;
S2c) 상기 미세결정을 배향 및 가속시켜 배향된 흐름(oriented flow)을 제공하는 단계; 및
S2d) 상기 배향된 흐름을 상기 층 스택의 표면에 도포하는 단계.
이런 맥락에서, 단계(S2c)에서의 가속은 바람직하게는, 형성되거나 형성되고 있는 미세결정에 압축된 공기를 공급함으로써 수행된다.
상기 미세결정의 흐름이 상기 층 스택의 표면에 도포될 때, 상기 다결정 구조로부터 단지 기계적으로 부착되는 세라믹 재료를 제거하는 데 충분한 기계적 에너지가 기계적으로 부착되는 압전 세라믹 재료, 즉 그레인 복합체에 유리하게 작용한다. 압축에 의해 이전에 액화된 가스를 팽창시키는 것으로부터 형성된 미세결정을 사용하면, 상기 미세결정이 상기 층 스택의 표면과 접촉한 후에 가스 상태로 다시 전이하므로, 예를 들어, 모래 입자, 유리 입자 등을 표면에 도포할 때와 같은 잔류물이 상기 층 스택의 표면에 남지 않는다는 장점을 갖는다.
그리하여, 표준 상태, 즉 실온, 특히 20℃ 및 p = 1013 밀리바(mbar)의 압력 하에서 가스 상태인 가스를 사용하는 것이 유리하다.
따라서, 예를 들어, CO2, N2 및/또는 비활성 가스(noble gas)가 액화 가스로서 유리하게 사용될 수 있다.
바람직하게는, 상기 층 스택의 표면은 흐름 소스로부터 1㎝ 내지 10㎝, 바람직하게는 2㎝ 내지 8㎝, 바람직하게는 3㎝ 내지 6㎝, 특히 4㎝의 거리에서 흐름을 가로 질러 이동된다. 실험에서, 이 거리가 너무 작으면, 흐름 내의 미세결정이 상기 층 스택의 표면으로부터 기계적으로 부착되는 압전 세라믹 재료를 완전히 제거할 수 있을 만큼 아직 충분히 가속되지 않기 때문에 이러한 구역이 특히 유리한 것으로 입증되었다. 이와 달리, 이 거리가 너무 크면, 흐름이 너무 지나치게 확산된다. 바람직하게는, 흐름이 상기 층 스택의 표면과 만나는 지점에서, 흐름의 폭은 상기 층 스택의 폭에 대응한다.
이를 위해, 또한 흐름이 2 바(bar) 내지 25 바, 특히 5 바 내지 20 바, 보다 특히 10 바 내지 16 바의 압력을 갖는 것이 유리하다.
바람직한 처리 시간은 상기 층 스택의 표면으로부터 기계적으로 부착되는 압전 세라믹 재료를 완전히 제거할 수 있기 위해 2초 내지 15초의 범위에서 변한다.
"완전히"라는 용어는 세라믹 층의 표면의 80%를 초과하여 상기 다결정 구조에 단지 기계적으로 부착되는 세라믹 재료가 없는 것을 의미한다. 이것은 단지 기계적으로 부착되는 압전 세라믹 재료가 상기 세라믹 층들의 표면의 20% 미만으로 존재한다는 것을 의미한다.
바람직하게는, 상기 다결정 구조에 단지 기계적으로 부착되는 상기 압전 세라믹 재료를 제거한 후에, 상기 층 스택의 표면은 단계(S3)에서 탈 이온화된다. 특히, 이것은 이온화된 공기로 블라스팅(blasting)함으로써 달성된다. 그러나, 대안적으로 또는 추가적으로, 상기 층 스택이 용매 배스에서 초음파로 처리될 수도 있다. 탈 이온화는 이 경우 상기 층 스택의 표면이 전하가 없어져 균질하게 된다는 장점을 갖는다.
유리하게는, 탈 이온화 후에, 상기 층 스택의 표면이 단계(S4)에서 패시베이션된다. 이를 위해, 예를 들어, 패시베이션 래커(passivation lacquer)가 도포된다. 상기 층 스택의 표면의 패시베이션은 상기 층 스택의 동작 동안 전기적 플래쉬오버를 피할 수 있다는 장점을 갖는다.
특히 전술된 바와 같은 방법을 사용하여 제조된 압전 층 스택은, 압전 세라믹 재료로 제조된 복수의 세라믹 층 및 복수의 전기 전도성 내부 전극을 포함한다. 상기 층 스택의 길이방향 축을 따라, 각 내부 전극은 2개의 세라믹 층 사이에 배열된다. 상기 압전 세라믹 층들의 표면은 다결정 구조를 갖는 제1 구역, 및 상기 다결정 구조에 단지 기계적으로 부착되는 압전 세라믹 재료를 갖는 제2 구역을 포함한다. 상기 단지 기계적으로 부착되는 압전 세라믹 재료는 상기 세라믹 층들의 표면의 20% 미만으로 존재한다.
이런 종류의 압전 층 스택은, 상기 층 스택이 매우 높은 전계 강도를 받을 때에도, 상기 다결정 구조와 상기 다결정 구조의 표면에 있는 느슨한 그레인 복합체 사이에 형성되는 바람직하지 않은 전도전 경로에 의해 야기되는 전기적 플래쉬오버의 위험이 매우 적다는 장점을 갖는다. 이것은 상기 느슨한 그레인 복합체가 상기 압전 층 스택에 더 이상 대부분 존재하지 않기 때문이다.
유리하게는, 상기 압전 세라믹 층들은 0.5㎛ 내지 3㎛, 특히 1㎛ 내지 2㎛의 평균 거칠기(average roughness)를 갖는다. 이 구역에서의 거칠기는 이후 상기 층 스택의 표면에 도포될 재료 층이 상기 층 스택에 특히 잘 부착될 수 있다는 장점을 갖는다.
바람직하게는, 패시베이션 층, 특히 패시베이션 래커가 상기 세라믹 층의 표면 상에 배열된다.
본 발명의 유리한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 압전 층 스택을 제조하는 방법에서 수행되는 단계들을 개략적으로 도시한 흐름도;
도 2는 배향된 흐름으로 처리한 후 층 스택을 탈 이온화하기 위한 제1 가능성을 도시한 도면;
도 3은 배향된 흐름으로 처리한 후 층 스택을 탈 이온화하기 위한 제2 가능성을 도시한 도면;
도 4는 표면 상에 패시베이션 층을 갖는, 도 6 및/또는 도 7에 따라 탈 이온화된, 층 스택을 도시한 도면;
도 5는 도 1에 따른 방법에서 수행되는 부분 단계들을 개략적으로 도시한 흐름도;
도 6은 도 1에 따른 방법에서 사용되는 압축에 의해 액화된 가스를 도시한 도면;
도 7은 압축에 의해 액화되고, 가스 용기를 개방함으로써 팽창되고, 배향 장치에 의해 배향되어 배향된 흐름을 제공하는 도 6의 가스를 도시한 도면;
도 8은 도 7에 따라 형성된 흐름으로 처리되는 압전 층 스택을 도시한 도면;
도 9는 도 1에 따른 방법을 거치지 않은 층 스택을 통한 길이방향 단면의 현미경 사진을 도시한 도면;
도 10은 도 9의 층 스택의 SEM 이미지를 도시한 도면;
도 11은 도 1에 따른 방법을 거친 층 스택을 통한 길이방향 단면의 현미경 사진을 도시한 도면;
도 12는 도 11의 층 스택의 SEM 이미지를 도시한 도면;
도 13은 a) 처리되지 않은, b) 초음파 배스로 미리-세정된, 및 c) 도 1에 따라 제시된 방법으로 세정된 층 스택의 현미경 사진을 비교한 도시한 도면;
도 14는 종래 기술의 층 스택을 도시한 도면;
도 15는 도 14의 층 스택으로부터 분리된 느슨한 그레인 층의 SEM 이미지를 도시한 도면; 및
도 16은 a) 처리되지 않은, 및 b) 초음파 배스로 미리-세정된 층 스택의 현미경 사진을 비교한 도면.
도 1은 압전 층 스택(10)을 제조하는 방법 단계들을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
이런 맥락에서, 단계(S1)에서, 층 스택(10)의 길이방향 축(L)의 방향으로 교호하는, 복수의 압전 세라믹 층(12) 및 복수의 전기 전도성 내부 전극(14)으로 구성된 층 스택(10)이 제공된다. 세라믹 층(12)의 표면(16)은 세라믹 재료(24)의 형태로 다결정 구조(20)를 갖는 제1 구역(18), 및 세라믹 재료(24)가 다결정 구조(20)에 단지 기계적으로 부착하지만 다결정 구조(20)의 일부를 형성하지는 않는 제2 구역(22)을 포함한다.
단계(S2)에서, 단지 기계적으로 부착되는 세라믹 재료(24)가 다결정 구조(20)로부터 제거되고, 이것은 다결정 구조(20)를 손상시키지 않고 수행된다.
세라믹 층(12)의 다결정 구조(20)로부터 세라믹 재료(24)를 제거한 결과, 세라믹 층의 표면(16)은 정전기적으로 대전될 수 있고, 이는 층 스택(10)의 후속 처리 단계에서 불리할 수 있다. 이 때문에, 단계(S3)에서 층 스택(10)의 표면(16)이 탈 이온화된다.
이를 위해 도 2와 도 3은 가능한 탈 이온화 방법의 스냅샷을 개략적으로 도시한다. 예로서, 도 2에서, 탈 이온화를 위해, 세라믹 재료(24)를 제거한 결과 정전기적으로 대전된 층 스택(10)의 표면(16)은 이온화된 공기(30)로 블라스팅된다. 대안적으로 또는 추가적으로, 또한 도 3에 도시된 바와 같이, 층 스택(10)이 용매 배스(32)에서 초음파(34)로 처리될 수 있다.
층 스택(10)의 동작 동안 전기적 플래쉬오버를 피하기 위해, 층 스택(10)의 표면(16)을 탈 이온화한 후, 층 스택(10)의 표면(16)은 예를 들어 패시베이션 래커(36)를 표면(16)에 도포하는 것에 의해 단계(S4)에서 패시베이션된다. 패시베이션 래커(36)로 처리된 이러한 층 스택(10)이 도 4에 도시되어 있다.
S3) 및 S4)는 압전 층 스택(10)을 제조하는 방법에서 선택적인 방법 단계이고, 층 스택(10)의 후속 추가적인 처리에 따라 수행되거나 수행되지 않을 수 있다.
도 5는 다결정 구조(20)로부터 세라믹 재료(24)를 제거하기 위해 단계 (S2)에서 수행될 수 있는 부분 단계들을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
예를 들어, 느슨한 세라믹 재료(24)는 기계적 블라스팅에 의해 다결정 구조(20)로부터 제거될 수 있다.
예를 들어, 이를 위해, 단계(S2a)에서, 압축에 의해 액화된 가스(38)가 제공된다. 이와 관련하여, 도 6은 압력 용기(40) 내에 제공된 액화된 가스(38)를 도시한다. 압력 용기(40) 및 그 내부에 배열된 액화된 가스(38)는 예를 들어 실온과 같은 주위 온도(T)에 대응하는 온도(T)에 있다. 그러나, 가스(38) 내의 압력(p)은 주위 압력(P0)보다 훨씬 더 높다. 이렇게 고압(p)으로 압축하는 것에 의해, 압력 용기(40) 내의 가스(38)는 액체로서 존재한다.
단계(S2b)에서 가스(38)가 팽창된다. 이를 위해, 예를 들어, 도 7에 개략적으로 도시된 바와 같이, 압력 용기(40)는 개방되어 가스(38)가 압력 용기(40) 외부의 환경으로 빠져 나갈 수 있고 여기서 주위 압력(P0)은 압력 용기(40) 내의 압력보다 훨씬 더 낮다. 가스(38)가 팽창함에 따라, 가스는 볼륨이 증가하고, 이에 따라 가스(38)는 환경에 일을 수행하게 된다. 이를 위해 요구되는 에너지는 가스 자체로부터 취해져서, 이에 따라 가스는 주위 온도(T)로부터 이 주위 온도(T)보다 훨씬 더 낮은 온도(TL)로 냉각된다. 가스(38)가 냉각됨에 따라 에너지가 손실되어 가스는 고체(42), 특히 미세결정(44)의 형태로 응축된다.
압력 용기(40)로부터 방출되는 팽창된 가스(38) 및 이런 맥락에서 형성되는 미세결정(44)을 층 스택(10)의 표면(16)을 처리하기 위한 기계적 입자로서 사용하기 위해, 팽창 가스(38)는, 예를 들어, 다이어프램(48)과 같은, 예를 들어, 배향 장치(46)를 사용하여, 단계(S2c)에서 배향되어, 형성되는 미세결정(44)의 배향된 흐름(50)을 생성한다. 단계(S2b) 및 단계(S2c)는 본 방법의 스냅샷으로 도 7에 개략적으로 도시된다.
이후, 단계(S2d)에서, 층 스택(10)의 표면(16)은 배향된 흐름(50)으로 처리된다. 이것은 개략적인 스냅샷으로 도 8에 도시된다.
이러한 맥락에서, 배향된 흐름(50)은 고정되어 있는데, 즉 소스(52), 도 8에서 배향 장치(46)로부터 미세결정(44)의 출구 지점은 공간 내 위치를 변화시키지 않는다. 그러나, 배향된 흐름(50)을 사용하여 층 스택(10)의 전체 표면(16)을 처리하기 위해, 도 8에 양방향 화살표로 도시된 바와 같이, 층 스택(10)은 배향된 흐름(50)을 가로 질러 이동된다. 이것은 예를 들어 층 스택(10)의 길이방향 축(L)이 배향된 흐름(50)의 주 흐름 방향(H)에 정확히 수직으로 배열되도록 수행될 수 있지만, 또한 길이방향 축(L)과 주 흐름 방향(H) 사이의 경사각을 0° 내지 90°로 채택하는 것도 가능하다.
이러한 맥락에서, 층 스택은 길이방향 축(L)을 중심으로 연속적으로 회전되는 것이 유리하다.
배향된 흐름(50)의 소스(52)와 층 스택(10)의 표면(16) 사이의 거리(d)는 유리하게는 1㎝ 내지 10㎝의 범위에 있다. 특히 유리한 것은 3㎝ 내지 6㎝의 거리(d)이다. 이러한 맥락에서, 소스(52)가 표면(16)에 더 가까이 배열될수록, 더 많은 미세결정(44)이 표면(16)의 한정된 표면적 구역에 충돌하며, 즉 이 표면적 구역에서 표면(16)에 작용하는 단위 면적당 힘이 더 커진다. 이 거리(d)가 너무 작으면, 이것은 다결정 구조(20)에 손상을 야기할 수 있다.
배향된 흐름(50)이 층 스택(10)의 표면(16)에 충돌하는 압력(ps)에 대해서도 동일한 고려 사항이 준수되어야 한다. 압력(ps)이 너무 낮으면, 다결정 구조(20)로부터 느슨한 세라믹 재료(24)를 완전히 제거할 수 없다. 따라서, 압력(ps)에 대한 최적의 압력 범위는 2 바 내지 25 바, 특히 10 바 내지 16 바다.
표면(16)을 배향된 흐름(50)으로 처리하는 바람직한 블라스팅 시간은 2초 내지 15초의 범위에 있도록 결정되었다. 이 시간은 층 스택(10)의 표면(16)으로부터 느슨한 세라믹 재료(24)를 제거하기에 충분하다.
압력 용기(40)에서 상업적으로 이용 가능하고 압전 층 스택(10)을 제조하는 방법에 사용될 수 있는 가스는 예를 들어 CO2, N2 및/또는 아르곤과 같은 비활성 가스이다. 이들 가스는 모두 비-독성이고 또한 표준 상태에서 가스 상태에 있으므로 이들 가스는 층 스택(10)의 표면(16)과 접촉한 후에 다시 가스 상태로 전이되어 층 스택(10)의 표면(16)으로부터 증발한다는 장점을 갖는다. 이것은 층 스택(10)의 표면(16)을 처리하는데 사용된 고체(42)의 잔류물이 전혀 남지 않게 한다.
도 9 내지 도 12는, 첫째, 제시된 방법(도 9 및 도 10)으로 처리되지 않은 층 스택(10), 및 둘째, 제시된 방법(도 11, 도 12)으로 처리된 층 스택(10)의 표면(16) 이미지를 도시한다.
이러한 맥락에서, 도 9 및 도 11은 층 스택(10)을 통한 길이방향 단면의 현미경 사진을 각각 도시하는 반면, 도 10 및 도 12는 도 9 및 도 11의 층 스택(10)의 표면(16)의 SEM 이미지를 각각 도시한다.
도 9는, 화살표로 나타낸 바와 같이, 느슨한 세라믹 재료(24)가 다결정 구조(20) 상에 존재하는 것을 도시한다.
도 10에서, 이 느슨한 세라믹 재료(24)는 표면(16)에서 결정 그레인(crystal grain)(54)의 불규칙한 분포로 나타난다.
도 11은, 도 9와는 달리, 다결정 구조(20) 상에 임의의 느슨한 세라믹 재료(24)가 더 이상 존재하지 않는 것을 도시한다. 따라서, 도 12는 상기 방법으로 처리된 층 스택(10)의 표면(16)이 결정 그레인(54)의 규칙적인 구조로 나타나는 것을 도시한다. 이 방법으로 처리된 층 스택(10)의 평균 거칠기(Ra)는 0.5㎛ 내지 3㎛의 범위에 있고, 이는 층 스택(10)의 표면(16)이 이후, 다른 재료로, 예를 들어, 패시베이션 래커(36)로 코팅되는 경우에 특히 유리하다.
도 13은, 요약해서, a) 완전히 처리되지 않은, b) 용매 배스(32)에서 단지 초음파(34)로만 처리된, 및 c) 상기 전술된 방법으로 처리된, 즉 느슨한 세라믹 재료(24)가 액화된 가스(38)로 처리함으로써 제거된, 층 스택(10)의 표면(16)의 현미경 사진을 도시한다.
이미지 a), b) 및 c)에서, 느슨한 세라믹 재료는 가벼운 패치로 도시된다. 층 스택(10)의 초음파 세정이 처리되지 않은 층 스택(10)에 비해 세라믹 재료(24)의 더 작은 느슨한 입자를 표면(16)으로부터 제거할 수 있다는 것은 명백하다. 그러나, 층 스택(10)의 나중 동작에서 문제는, 초음파로 제거될 수 있는 더 작은 입자에 의해 야기되는 것이 아니라, (b)에 도시된 바와 같이 층 스택(10)의 표면(16)에 잔류하여 다결정 구조(20)로부터 제거되지 않은 더 큰 그레인 복합체(26)에 의해 야기된다. 이와 달리, 이미지 c)는 느슨한 세라믹 재료(24)를 형성하는 거의 모든 입자를 제거할 수 있었다는 것을 보여준다. 따라서, 층 스택(10)의 표면(16)의 80%를 초과하여 느슨한 세라믹 재료(24)가 없고, 단지 기계적으로 부착되는 압전 세라믹 재료(24)가 세라믹 층(12)의 표면(16)의 20% 미만으로 존재한다.

Claims (10)

  1. 압전 층 스택(piezoelectric layer stack)(10)을 제조하는 방법으로서,
    S1) 복수의 압전 세라믹 층(12) 및 복수의 전기 전도성 내부 전극(14)을 포함하는 층 스택(10)을 제공하는 단계로서, 상기 층 스택(10)의 길이방향 축(L)을 따라, 각 내부 전극(14)은 2개의 세라믹 층(12) 사이에 배열되고, 상기 압전 세라믹 층(12)들의 표면(16)은 다결정 구조(polycrystalline structure)(20)를 갖는 제1 구역(18), 및 상기 층 스택(10)의 이전 기계적 처리의 결과로서 상기 다결정 구조(20)에 단지 기계적으로 부착되는 압전 세라믹 재료(24)를 갖는 제2 구역(22)을 포함하고, 상기 표면(16)은 상기 층 스택(10)의 볼륨 내로 15㎛ 내지 20㎛만큼 연장되는, 상기 층 스택을 제공하는 단계; 및
    S2) 상기 다결정 구조(20)에 손상을 주지 않으면서 상기 다결정 구조(20)에 단지 기계적으로 부착되는 상기 압전 세라믹 재료(24)를 제거하는 단계를 포함하고,
    S2a) 압축에 의해 액화된 가스(38)를 제공하는 단계;
    S2b) 상기 가스(38)를 팽창시켜 미세결정(microcrystal)(44)을 형성하는 단계;
    S2c) 상기 미세결정(44)을 배향시켜 배향된 흐름(oriented flow)(50)을 제공하는 단계; 및
    S2d) 상기 배향된 흐름(50)을 상기 층 스택(10)의 표면(16)에 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 층 스택을 제조하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, CO2, N2, 및 비활성 가스(noble gas) 중 적어도 하나가 상기 액화된 가스(38)로서 사용되는 것을 특징으로 하는 압전 층 스택을 제조하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 층 스택(10)의 상기 표면(16)은 상기 흐름(50)의 소스(52)로부터 1㎝ 내지 10㎝의 거리(d)에서 상기 흐름(50)을 가로 질러 이동되는 것을 특징으로 하는 압전 층 스택을 제조하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 흐름(50)은 2 바(bar) 내지 25 바의 압력(ps)을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 층 스택을 제조하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 다결정 구조(20)에 단지 기계적으로 부착되는 상기 압전 세라믹 재료(24)를 제거한 후, 상기 층 스택(10)의 상기 표면(16)은, 이온화된 공기(30)로 블라스팅(blasting)하는 것 및 용매 배스(solvent bath)(32)에서 초음파(34)로 처리하는 것 중 적어도 하나에 의해 단계(S3)에서 이온화되는 것을 특징으로 하는 압전 층 스택을 제조하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 탈 이온화 후, 상기 층 스택(10)의 상기 표면(16)은 패시베이션 래커(passivation lacquer)(36)를 도포하는 것에 의해 단계(S4)에서 패시베이션되는 것을 특징으로 하는 압전 층 스택을 제조하는 방법.
  8. 제1항 및 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법을 사용하여 제조된 압전 층 스택(10)으로서,
    압전 세라믹 재료(24)로 제조된 복수의 세라믹 층(12) 및 복수의 전기 전도성 내부 전극(14)을 포함하고, 상기 층 스택(10)의 길이방향 축(L)을 따라, 각 내부 전극(14)은 2개의 세라믹 층(12) 사이에 배열되고, 상기 압전 세라믹 층(12)들의 상기 표면(16)은 다결정 구조(20)를 갖는 제1 구역(18), 및 상기 다결정 구조(20)에 단지 기계적으로 부착되는 압전 세라믹 재료(24)를 갖는 제2 구역(22)을 포함하고, 상기 단지 기계적으로 부착되는 압전 세라믹 재료(24)는 상기 세라믹 층(12)들의 상기 표면(16)의 20% 미만으로 존재하고, 상기 표면(16)은 상기 층 스택(10)의 볼륨 내로 15㎛ 내지 20㎛만큼 연장되고, 상기 압전 세라믹 층(12)은 0.5㎛ 내지 3㎛의 평균 거칠기(Ra)를 갖는, 압전 층 스택(10).
  9. 제8항에 있어서, 상기 압전 세라믹 층(12)은 1㎛ 내지 2㎛의 평균 거칠기(Ra)를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 층 스택(10).
  10. 제8항에 있어서, 패시베이션 층이 상기 세라믹 층(12)의 상기 표면(16) 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 압전 층 스택(10).
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