KR102626610B1 - 적층 압전 소자 및 그를 포함하는 압전 액추에이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적층 압전 소자 및 그를 포함하는 압전 액추에이터에 관한 것으로, 변위량을 유지하면서 커패시턴스의 값을 줄이기 위한 것이다. 본 발명에 따른 적층 압전 소자는 압전 소재로 형성되는 압전층과, 압전층에 형성되되 압전층의 내부에 형성되는 적어도 하나의 내부 전극층을 구비하는 전극층을 포함한다. 여기서 내부 전극층은 길이 방향으로 분할되어 배열된 복수의 분할 전극을 포함한다.

Description

적층 압전 소자 및 그를 포함하는 압전 액추에이터{Stacked Piezoelectric device and piezoelectric actuator including the same}
본 발명은 압전 액추에이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 변위량을 유지하면서 커패시턴스의 값을 줄일 수 있는 적층 압전 소자 및 그를 포함하는 압전 액추에이터에 관한 것이다.
전자기 액추에이터에 대한 대체 부품으로 압전 액추에이터에 대한 연구가 진행 중이다. 압전 액츄에이터는 압전 소자에 전기적 신호를 가했을 때 수축팽창의 변위가 일어나는 현상을 이용하여 동작을 일으키는 것을 말한다.
이러한 압전 소자는 단판형 구조 또는 적층형 구조로 제작할 수 있다.
적층형 구조는 단판형 구조 대비 저전압으로 액추에이터 구동이 가능하다는 장점이 있다.
하지만 적층형 구조는 캐패시턴스의 값의 증가로 인하여 전류의 상승을 유도하여 구동 시 과전류가 발생하는 단점이 있다. 즉 기존의 적층형 압전 소자는 압전층의 전면에 내부 전극층이 형성된 전면 전극 구조를 갖는다. 이러한 내부 전극층은 캐패시턴스의 용량을 증가시키기 때문에, 적층형 압전 소자의 구동 시 과전류가 발생하게 된다.
등록특허공보 제10-2122891호 (2020.06.15. 공고)
따라서 본 발명의 목적은 변위량을 유지하면서 커패시턴스의 값을 줄일 수 있는 적층 압전 소자를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압전 소재로 형성되는 압전층; 및 상기 압전층에 형성되되, 상기 압전층의 내부에 형성되는 적어도 하나의 내부 전극층을 구비하는 전극층;을 포함하는 적층 압전 소자를 제공한다.
상기 내부 전극층은, 길이 방향으로 분할되어 배열된 복수의 분할 전극;을 포함한다.
상기 내부 전극층은, 상기 복수의 분할 전극을 일렬로 연결하는 연결 패턴;을 더 포함한다.
상기 복수의 분할 전극은, 양단에 위치하는 한 쌍의 외곽 분할 전극; 및 상기 한 쌍의 외곽 분할 전극의 사이에 일렬로 배열되며, 상기 외곽 분할 전극 보다 크기가 작은 복수의 내부 분할 전극;을 포함한다.
상기 외곽 분할 전극은 직사각형의 형태를 가지고, 상기 내부 분할 전극은 정사각형의 형태를 가질 수 있다.
상기 전극층은, 상기 압전층의 하부면에 형성되는 제1 표면 전극층; 상기 압전층의 상부면에 형성되는 제2 표면 전극층; 상기 압전층의 내부에 다층으로 형성되는 복수의 내부 전극층; 상기 압전층의 일측면에 형성되어, 상기 제1 표면 전극층과 복수의 내부 전극층 중 일부와 전기적으로 연결되는 제1 외부 전극층; 및 상기 압전층의 타측면에 형성되어, 상기 제2 표면 전극층과 복수의 내부 전극층 중 일부와 전기적으로 연결되는 제2 외부 전극층;을 포함할 수 있다.
그리고 본 발명은 상기 적층 압전 소자를 포함하는 압전 액추에이터를 제공한다.
본 발명에 따른 적층 압전 소자는 내부 전극층을 분할하여 내부 전극층의 면적을 줄임으로써, 내부 전극층의 면적에 기인하는 커패시턴스의 값을 줄일 수 있다.
내부 전극층은 분할 배열된 복수의 분할 전극을 포함하고, 복수의 분할 전극은 외곽 보다 안쪽을 작은 크기로 형성함으로써, 하나로 형성되는 내부 전극층에 대응되는 변위값을 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 적층 압전 소자를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 내부 전극층을 보여주는 평면도이다.
도 3은 기존의 내부 전극층을 보여주는 평면도이다.
도 4는 비교예에 따른 내부 전극층의 변위량에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 내부 전극층의 변위량에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 따른 적층 압전 소자를 보여주는 단면도이다. 도 2는 도 1의 내부 전극층을 보여주는 평면도이다. 그리고 도 3은 기존의 내부 전극층을 보여주는 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 적층 압전 소자(100)는 압전 소재로 형성되는 압전층(10)과, 압전층(10)에 형성되는 전극층(20)을 포함한다. 전극층(20)은 압전층(10)의 내부에 형성되는 적어도 하나의 내부 전극층(25)을 포함한다. 그리고 내부 전극층(25)은 길이 방향으로, 즉 X축 방향으로, 분할되어 배열된 복수의 분할 전극(35)을 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따른 적층 압전 소자(100)는 내부 전극층(25)을 분할하여 내부 전극층(25)의 면적을 줄임으로써, 내부 전극층(25)의 면적에 기인하는 커패시턴스의 값을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 적층 압전 소자(100)에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 적층 압전 소자(100)는 X축 방향으로 길이가 길고, Y축 방향으로 길이가 짧으며, Z축 방향으로 적층된 전극층(20)을 포함한다. 즉 적층 압전 소자(100)는 Z축 방향으로 두께가 얇은 직육면체 형태를 가질 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 적층 압전 소자(100)는 압전 횡효과에 의해 X축 방향으로 동작하는 압전 액추에이터로서 사용될 수 있다.
압전층(10)은 압전 소재로 형성된다. 압전 소재로는 BaTiO3, BiTiO3, PbTiO3, Pb[ZrxTi1-x]O3, KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, Na2WO3, NaNbO3, NaTiO3, ZnO, BaNaNb5O5, Pb2kNb5O15 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
그리고 전극층(20)은 적층 압전 소자(100)의 구동에 필요한 구동 전압을 제공받는다. 이러한 전극층(20)은 압전층(10)의 상하부면과, 양쪽 외측면 및 내부에 형성될 수 있다. 전극층(20)의 소재로는 압전 소자와는 반응성이 낮으면서 양호한 전기전도성을 갖는 소재가 사용될 수 있다. 예컨대 전극층(20)의 소재로는 구리, 은, 알루미늄, 백금 또는 이들의 합금이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
전극층(20)은 제1 및 제2 표면 전극층(21,23), 복수의 내부 전극층(25), 제1 및 제2 외부 전극층(27,29)을 포함한다.
제1 표면 전극층(21)은 압전층(10)의 하부면에 형성된다.
제2 표면 전극층(23)은 압전층(10)의 상부면에 형성된다.
복수의 내부 전극층(25)은 압전층(10)의 내부에 다층으로 형성된다.
제1 외부 전극층(27)은 압전층(10)의 일측면에 형성되어, 제1 표면 전극층(21)과 복수의 내부 전극층(25) 중 일부와 전기적으로 연결된다.
그리고 제2 외부 전극층(29)은 압전층(10)의 타측면에 형성되어, 제2 표면 전극층(23)과 복수의 내부 전극층(25) 중 일부와 전기적으로 연결된다.
여기서 제1 및 제2 표면 전극층(21,23)은 압전층(10)의 상부면 및 하부면에 전면적으로 형성될 수 있다. 또는 후술되겠지만, 제1 및 제2 표면 전극층(21,23) 또한 내부 전극층(25)과 동일하게 복수의 분할 전극(35)으로 형성될 수 있다.
복수의 내부 전극층(25)은 제1 외부 전극층(27)에 연결되는 제1 내부 전극층(31)과, 제2 외부 전극층(29)에 연결되는 제2 내부 전극층(33)을 포함한다. 제1 및 제2 내부 전극층(31,33)이 복수로 형성되는 경우 교대로 적층되어 형성될 수 있다.
이러한 내부 전극층(25)은 복수의 분할 전극(35)과, 복수의 분할 전극(35)을 일렬로 연결하는 연결 패턴(39)을 포함한다.
복수의 분할 전극(35)은 양단에 위치하는 한 쌍의 외곽 분할 전극(37)과, 한 쌍의 외곽 분할 전극(37) 사이에 위치하는 복수의 내부 분할 전극(38)을 포함한다. 복수의 내부 분할 전극(38)은 한 쌍의 외곽 분할 전극(37)의 사이에 일렬로 배열되며, 외곽 분할 전극(37) 보다 크기가 작다. 예컨대 외곽 분할 전극(37)은 직사각형의 형태를 가지고, 내부 분할 전극(38)은 정사각형의 형태를 가질 수 있다. 여기서 외곽 분할 전극(37)은, 적층 압전 소자(100)의 길이 방향인 X축 방향이 장변이고, Y축 방향이 단변일 수 있다.
분할 전극(35)의 크기는 적층 압전 소자(100)의 길이를 고려하여 적절하게 선택될 수 있다.
내부 전극층(25)은 도 3과 같이 전면에 형성되는 기존의 내부 전극층(125)의 면적 대비 70% 이상의 면적을 갖도록 형성하더라도 기존의 내부 전극층(125)에 대응되는 변위값을 가질 수 있다. 70% 미만인 경우, 변위값이 낮아질 수 있다.
그리고 전술된 바와 같이, 본 발명에 따른 적층 압전 소자(100)는 내부 전극층(25)을 분할하여 내부 전극층(25)의 면적을 줄임으로써, 내부 전극층(25)의 면적에 기인하는 커패시턴스의 값을 줄일 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 적층 압전 소자(100)는 전극층(20) 사이에 압전층(10)을 형성하는 단위 압전층들을 개재하여 적층한 후, 압착하여 제조할 수 있다.
[실시예 및 비교예]
이와 같은 본 발명에 따른 분할된 내부 전극층을 포함하는 적층 압전 소자의 변위값을 확인하기 위해서, 실시예 및 비교예에 따른 적층 압전 소자에 대한 시뮬레이션을 통하여 변위값을 확인하였다. 그 결과는 도 4 및 도 5와 같다.
도 4는 비교예에 따른 내부 전극층의 변위량에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다. 그리고 도 5는 실시예에 따른 내부 전극층의 변위량에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다. 여기서 비교예에 따른 내부 전극층은 도 3과 같이 압전층의 전면에 형성된다. 실시예에 따른 내부 전극층은 압전층 위에 복수의 분할된 분할 전극으로 형성된다. 비교예에 따른 내부 전극층의 면적을 100%라고 할 때, 실시예에 따른 내부 전극층의 면적은 75%이다. 실시예에 따른 내부 전극층은 한 쌍의 외곽 분할 전극 사이에 5개의 내부 분할 전극을 구비한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 실시예에 따른 내부 전극층은 비교예에 따른 내부 전극층에 대응되는 변위값을 갖는 것을 확인할 수 있다.
그리고 내부 전극층은 적층 압전 소자의 길이에 따라서 가변될 수 있다. 내부 전극층을 형성하는 복수의 분할 전극에 대한 시뮬레이션을 통하여, 비교예에 따른 내부 전극층 보다 향상된 변위값을 갖도록 구현할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 압전층
20 : 전극층
21 : 제1 표면 전극층
23 : 제2 표면 전극층
25,125 : 내부 전극층
27 : 제1 외부 전극층
29 : 제2 외부 전극층
31 : 제1 내부 전극층
33 : 제2 내부 전극층
35 : 분할 전극
37 : 외곽 분할 전극
38 : 내부 분할 전극
39 : 연결 패턴
100 : 적층 압전 소자

Claims (6)

  1. 압전 소재로 형성되는 압전층; 및
    상기 압전층에 형성되되, 상기 압전층의 내부에 형성되는 적어도 하나의 내부 전극층을 구비하는 전극층;을 포함하고,
    상기 내부 전극층은,
    길이 방향으로 분할되어 배열된 복수의 분할 전극; 및
    상기 복수의 분할 전극을 일렬로 연결하는 연결 패턴;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 압전 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 분할 전극은,
    양단에 위치하는 한 쌍의 외곽 분할 전극; 및
    상기 한 쌍의 외곽 분할 전극의 사이에 일렬로 배열되며, 상기 외곽 분할 전극 보다 크기가 작은 복수의 내부 분할 전극;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 압전 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 외곽 분할 전극은 직사각형의 형태를 가지고, 상기 내부 분할 전극은 정사각형의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 적층 압전 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전극층은,
    상기 압전층의 하부면에 형성되는 제1 표면 전극층;
    상기 압전층의 상부면에 형성되는 제2 표면 전극층;
    상기 압전층의 내부에 다층으로 형성되는 복수의 내부 전극층;
    상기 압전층의 일측면에 형성되어, 상기 제1 표면 전극층과 복수의 내부 전극층 중 일부와 전기적으로 연결되는 제1 외부 전극층; 및
    상기 압전층의 타측면에 형성되어, 상기 제2 표면 전극층과 복수의 내부 전극층 중 일부와 전기적으로 연결되는 제2 외부 전극층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 압전 소자.
  6. 적층 압전 소자를 포함하는 압전 액추에이터로서,
    상기 적층 압전 소자는,
    압전 소재로 형성되는 압전층; 및
    상기 압전층에 형성되되, 상기 압전층의 내부에 형성되는 적어도 하나의 내부 전극층을 구비하는 전극층;을 포함하고,
    상기 내부 전극층은,
    길이 방향으로 분할되어 배열된 복수의 분할 전극; 및
    상기 복수의 분할 전극을 일렬로 연결하는 연결 패턴;
    을 포함하는 압전 액추에이터.
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