KR19980014734A - 적층형 압전 액추에이터 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 현상을 이용하여 초정밀의 위치 제어 기구에 사용되는 적층형 압전 액추에이터 소자의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 의한 적층형 압전 액추에이터의 제조방법은 압전체 그린 시트상에 내부 전극용 도체 페이스트를 인쇄하고, 상기 단계에서 내부 전극이 인쇄된 각각의 그린 시트를 측단면이 물결 형상을 가지는 형틀을 이용하여, 그린 시트를 물결 형태로 성형한 후, 성형된 그린 시트 두 장을 전극 인쇄면이 서로 반대 방향이 되게 겹쳐서 압착하여 일체화하고, 일체화된 적층체를 소성한 후 외부 단자 전극을 형성하는 것으로 이루어진다.

본 발명의 방법은 제조 공정수를 감소시킬 수 있고, 공정의 난이도를 줄일 수 있으며, 제품 관리도 용이한 특징이 있다.

또, 내부 전극의 끝단부에 공극(또는 공간)을 형성하여 전극 말단 부위에 발생하는 응력 집중을 효과적으로 분산시키므로서 소자의 수명을 향상시킬 수 있다.

Description

적층형 압전 액추에이터 소자의 제조 방법

제1(a)도는 적층액 액추에이터의 대표적인 구조인 스택킹형의 개략도이다.

제1(b)도는 적층형 액추에이터의 대표적인 구조인 동시 소성형의 개략도이다.

제2도는 동시 소성형 액추에이터에서 전면 전극형의 개략도이다.

제3도는 도체 페이스트를 인쇄한 압전체 그린 시트의 평면도이다.

제4도는 도체 페이스트가 인쇄된 압전체 그린 시트를 성형하기 위한 치구의 사시도이다.

제5도는 제4도의 치구로부터 성형된 압전체 그린 시트의 사시도이다.

제6도는 제5도의 압전체 그린 시트를 전극 도포 부위가 모두 외부로 노출되도록 서로 겹쳐진 상태를 나타낸 사시도이다.

제7도는 본 발명에 따라 완성된 소결체를 나타낸 사시도이다.

제8(a)도는 제7도의 A-A'선을 따라 절단된 소결체에서 외부 단자를 소자의 외부 전극과 납땜한 형상을 나타낸 사시도이다.

제8(b)도는 제8(a)도의 소결체의 외부에 절연체를 도포하여 완성한 소자의 사시도이다.

제9도는 그린 시트 적층시 파이버의 삽입 위치를 나타낸 도면이다.

제10도는 그린 시트 적층시 파이버를 삽입한 소자에서 내부 전극의 끝부분을 학대하여 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *

11:압전 세라믹12,21,32,52:전극

13:인쇄된 그린 시트14,22:외부 전극

23:압전체24:절연층

31,51:압전체 그린 시트81:전선

82:납땜83:절연체

91:파이버101:공극

본 발명은 적층형 압전 액추에이터의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 압전 현상을 이용하여 초 정밀의 위치 제어 기구에 사용되는 적층형 압전 액추에이터 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 제조 장비, 각종 광학 장비 및 초정밀 가공 장비의 경우 극히 고정도의 정밀 위치 결정 기구가 필요하게 되었다. 이러한 초정밀 위치 결정 기구의 위치 결정용 액추에이터는 여러 종류가 있는데, 반도체 제조 장치에 이용되고 있는 X-Y 스테이지, 스테퍼(Stepper) 등에는 직류 모터나 전자형 액추에이터가 주로 이용되고 있다.

상기의 직류 모터와 같은 전자형 액추에이터는 정밀도가 좋지 않고, 발열량이 크고, 노이즈 및 자계 등의 발생, 잔류 진동 발생 등의 단점이 있으며, 이러한 단점을 보완하기 위해 별도의 부대 장치를 필요로 하게 된다.

이러한 이유에 의해 고 정도의 인가 전압-변위 특성을 기대할 수 있는 새로운 액추에이터의 개발에 많은 연구가 진행되었고, 최근에는 압전 현상을 이용하여 고 정도의 위치 제어가 가능한 압전 액추에이터가 실용화되고 있다.

압전 액추에이터에는 동작 구조에 따라 크게 적층형과 바이몰프(bimorph)형으로 나눌 수 있으며, 이들 액추에이터는 구조에 의해 서로 다른 동작 특성을 가지고 있다. X-Y 스테이지, 스테퍼 등과 같이 큰 하중의 정밀한 위치 제어의 경우와 고속 응답이 필요한 경우에는 발생력이 크고 응답 속도가 빠른 적층형 압전 액추에이터가 적합하다.

적층형 압전 액추에이터의 제조 방법은 제1(a)도와 제1(b)도에 각각 나타낸 것과 같이 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 즉, 제1(a)도의 제조 방법은 먼저 압전 세라믹(11)을 얇은 원판이나 각판으로 제조한 후 분극 방향에 따라 1매씩 역으로 배치하고 각층의 중간에 금속판 등의 전극(12)을 넣어서 각층의 계면을 접착하거나, 케이스를 이용하여 기계적으로 고정시켜서 된다(이하 스택킹법이라 칭함).

제1(b)도의 제조 방법은 압전 세라믹 분말과 결합제 및 용제를 혼합하여 만든 압전 세라믹 슬러리를 테이프 캐스트법에 의해 그린 시트를 제조하고, 그 위에 금속제와 결합제 및 용제를 혼합하여 만든 도체 페이스트를 스크린 프린트 법으로 인쇄한 후 인쇄된 그린 시트(13)를 적층하여 동시 소성하는 방법이다(이하 동시 소성법이라고 칭함).

상기 제1(a)도의 스택킹법은 압전 세라믹(11)을 개별적으로 만들어야 하므로 기계적 가공을 한다고 하더라도 0.2mm 이하의 두께로 만드는 것이 쉽지 않기 때문에 구동 전압이 200V 이상의 고전압이 필요하고, 대량 생산이 곤란하여 값이 비싸기 때문에 적용 분야에 많은 한계가 있다.

상기 제1(b)도의 동시 소성법은 테이프 케스팅법을 이용하기 때문에 제조 방법상 각층의 두께를 얇게 하는 것이 용이하여 구동 전압을 100V 이하로 하는 것이 가능하고 대량 생산에 유리한 점이 있다.

압전 액추에이터는 구동을 위해서 압전체 양면에 서로 독립된 전극을 배치하여 직류 전계를 인가하여야 하는데 동시 소성법으로 제조된 기존의 압전 액추에이터는 제1(b)도와 같이 적층형 콘덴서와 같은 부분 전극 구조로 배치하고 양측면에 외부 전극(14)을 도포하므로서 각 전극이 교대로 배치되도록 한 구조를 가지고 있다.

상기의 부분 전극 구조에서 전극의 끝부분에는 절연을 위해 전극이 도포되지 않는 부분이 있는데 이 부위는 상하 전극이 존재하지 않기 때문에 변위를 발생하지 않을 뿐만 아니라 변위 발생 부위를 속박하여 소자의 성능을 저하시키는 역할을 하게 된다. 따라서 소자의 특성 향상을 위해서는, 절연 부위의 넓이를 최소로 할 필요가 있으나 공정상의 어려움에 의해 넓이를 줄이는데 한계가 있고, 전계를 인가하여 구동할 경우 전극의 끝부분에서는 전계인가에 의해 신축 운동을 하는 부위와 전계가 인가되지 않는 부위가 공존하게 되어 전극의 끝부분에 응력이 집중됨에 따라 크랙이 발생되어 절연 파괴를 일으키기 때문에 액추에이터의 수명이 짧아지는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 제2도에 나타낸 것과 같이 전면 전극 구조로 만들어 주는 방법이 개발되었다. 즉, 전면 전극 구조는 응력 발생을 방지하기 위해 각 전극(21)을 전면에 배치하고 외부 전극(22) 형성 시 각층의 끝부분에 유리질 등으로 된 절연층(24)을 형성하므로서 교대 전극을 만들어 주는 방법인데, 이러한 방법은 각층의 두께가 0.2mm 이하인 경우에 절연층의 형성이 매우 곤란하고 제조공정상에 까다로운 공정이 추가로 필요하기 때문에 생산원가가 상승하는 등의 단점이 있다.

제2도에서 부호 23은 압전체이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 방법의 단점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명에서는 종래와 같이 각각의 압전체 그린 시트를 적층하는 방법을 사용하지 않고 압전체 그린 시트의 한쪽 면에 도체 페이스트를 도포한 후, 물결 형태로 접고, 접혀진 그린 시트 두 장을 서로 반대 방향이 되게 끼어 맞추어 압착 성형한 것을 소성하고 일정 방향으로 절단하여 소자를 완성시키므로서 제조 공정 수를 감소시키고, 공정의 난이도를 줄일 수 있으며, 제품 관리도 용이한 적층형 압전 액추에이터의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 각 전극의 끝부분에 있는 절연층의 넓이를 그린 시트 두께 정도로 줄이므로서 소자의 성능을 향상시킬 수 있고, 내부 전극의 끝단부에 공극(또는 공간)을 형성하여 전극 말단 부위에 발생하는 응력 집중을 효과적으로 분산시키므로서 소자의 수명을 향상시킬 수 있는 적층형 압전 액추에이터 소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 적층형 압전 액추에이터 소자를 제조하는 방법은 (a) 압전체 그린 시트들 위에 내부 전극용 도체 페이스트를 통상의 방법으로 인쇄하는 단계; (b) 상기 단계(a)에서 내부 전극이 인쇄된 각각의 그린 시트를 측단면이 물결 형상을 가지는 치구를 이용하여, 물결 형태로 성형하는 단게; (c) 상기 단계(b)에서 성형된 그린 시트 두 장을 전극 인쇄면이 서로 반대 방향이 되게 겹쳐서 가열 압착하여 일체화하는 단계; (d) 상기 단계(c)에서 일체화된 적층체를 소성한 후 외부 단자 전극을 형성하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 단계(c)를 실시하기 전에 압전체 그린 시트가 꺾여지는 부위에서 상기 그린 시트들 사이에 고분자로 된 파이버를 추가로 삽입하여 소결 중에 분해되도록 하여 공극이 형성되게 하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 적층형 압전 액추에이터 소자의 제조 방법은 압전체 그린 시트상에 내부 전극용 도체 페이스트를 인쇄하고, 상기 단계에서 내부 전극이 인쇄된 각각의 그린 시트를 측단면이 물결 형상을 가지는 형틀을 이용하여, 그린 시트를 물결 형태로 성형한 후, 성형된 그린 시트 두 장을 전극 인쇄면이 서로 반대 방향이 되게 겹쳐서 압착하여 일체화하고, 일체화된 적층체를 소성한 후 외부단자 전극을 형성하는 것으로 이루어진다.

즉, 압전체 분말을 적당한 결합제, 용제, 첨가제를 혼합하여 통상적인 테이프 캐스팅 법으로 첨부 도면 제3도와 같은 압전체 그린 시트(31)를 제조한 후, 도전체 분말과 결합제 및 용제를 혼합하여 만든 도체 페이스트를 이용하여 스크린 인쇄법으로 내부 전극(32)을 인쇄한다.

부분 전극인 경우, 전극 부위와 절연 부위를 만들어 주기 위해 스크린의 마스킹 부위가 필요하고 소자의 성능향상을 위해서는 절연 부위를 좁게 할 경우 공정의 난이도가 높아지는 문제가 있으나 본 발명에서는 전면 전극을 사용하기 때문에 전극 인쇄 공정이 매우 용이하게 할 수 있다.

이와 같이 스크린 전극(32)이 인쇄된 그린 시트를 제4도에 나타낸 것과 같은 형틀에 넣고 적당한 온도로 가열하면서 가압하면 제5도에 나타낸 것과 같이 물결 형태로 전극(52)이 인쇄된 압전체 그린 시트(51)가 성형된다.

이와 같이 성형된 그린 시트(51) 2장을 제6도와 같이 전극 인쇄면(52)이 서로 반대 방향, 즉 외부 방향으로 향하도록 겹쳐서 가열 압착하여 일체화 시킨 후에 화살표 방향으로 이들을 다시 압착하여 제7도와 같은 구조를 이루도록 한 후 소결 처리한다.

상기한 바와 같은 방법에 의해 일체화된 소자는 제7도에 나타낸 것과 같이 시트의 두께가 외부 전극과의 절연층 역할을 하게 되므로 절연층의 넓이를 용이하게 최소화할 수 있으며 그린 시트의 꺾여진 부분에서 내부 그린 시트는 소성 변형 한계를 넘어서는 변형을 하게 되므로 꺾인 부분이 절단되게 되고 외측의 시트는 절단 부위를 감싸는 형상이 되므로 그 사이에는 공동이 발생하고 이 공동은 전극 말단 부위에 발생하는 응력 집중을 효과적으로 분산하여 소자의 수명을 향상시킬 수 있다.

이때, 공동의 형상을 일정하고 균일하게 만들기 위해 제9도에 나타낸 바와 같이 그린 시트 사이에 고분자로 된 파이버(fiber:91)를 삽입하여 제조하는 것도 가능하다.

다시 말해서, 본 발명의 방법에 의하면, 물결 형태로 성형된 압전체 그린 시트(51)를 제6도에서와 같이 서로 겹치게 하기 전에 압전체 그린 시트(51)가 꺾여지는 부위에서 압전체 그린 시트(51) 사이에 고분자로 된 파이버(91)를 삽입하여 이들을 가압에 의해 일체화하고, 소결 처리하게 되면, 소결 중에 상기 고분자로 된 파이버는 분해되어 그 부위에서 제10도에서와 같은 공극(101)이 형성되게 된다.

일반적으로 취성이 큰 세라믹에서 일단 크랙(Crack)이 발생하면 크랙의 끝부분에 응력이 집중되므로서 크랙이 급속히 진전되고 결국 세라믹이 파괴되는 현상이 일어난다. 이때, 응력의 집중도는 크랙 끝부분의 곡률 반경에 반비례하게 되므로 크랙의 진행 방향에 곡률 반경이 큰 구멍을 형성시키면 응력의 집중을 분산시켜 크랙의 진행을 억제할 수 있다.

이와 같은 원리에 의해서 부분 전극형의 경우 내부 전극의 끝부분에 응력이 집중되어 크랙의 진행이 매우 빨라지게 되지만, 본 발명의 경우 그린 시트 사이에 고분자로 된 파이버(91)의 분해에 의해 형성된 공극(101)(또는 구멍)이 형성되게 되므로 크랙의 진행을 억제할 수 있고, 따라서 소자의 수명을 연장시킬 수 있게 된다.

최종적으로 일체화된 소자는 탈지 공정을 거쳐 적당한 온도에서 소결하여 소결체를 제작하고, 제7도에서와 같이 제조된 소결체를 점선(A-A')으로 표시한 형태로 절단한 후, 제8(a)도에서와 같이 측면부의 노출된 전극(52) 부위에 전선(81)을 납땜(82)에 의해 연결하고, 여기에 절연을 위하여 제8(b)도와 같이 절연체(83)를 도포하면 본 발명에 따른 적층형 압전 액추에이터 소자가 제조되게 된다.

본 발명의 방법은 압전체 그린 시트를 1매씩 적층하지 않고 전면 전극으로 인쇄를 한 후에 이들을 전극이 외부 방향으로 향하도록 겹쳐서 압착하여서 제조하게 되므로 제조 공정 수를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 압착 과정에서 자동으로 전극이 형성되게 되므로 공정의 난이도를 줄일 수 있으며, 제품 관리도 용이한 특징이 있다.

또 각 전극의 끝부분에 있는 절연층의 넓이를 그린 시트 두께 정도로 줄이므로서 소자의 성능을 향상시킬 수 있고, 내부 전극의 끝단부에 공극(또는 공간)을 형성하여 전극 말단 부위에 발생하는 응력 집중을 효과적으로 분산시키므로서 소자의 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명에서 제조된 소자는 별도의 외부 전극 형성 없이 내부 전극이 병렬로 연결된 구조를 가지게 되므로 외부 전극 형성 공정이 필요없이 적층액 압전 액추에이터를 제조할 수 있다.

이와 같은 본 발명을 실시예에 의거 설명하면 다음과 같으며 본 발명은 다음의 실시예에 국한되는 것은 아니다.

실시예 1

PZT계 압전 분말 300g과 톨루엔, IPA, MEK로 구성된 용제 120cc 및 분산제 5cc를 24시간 볼밀 혼합한 후, 여기에 PVB 12g, DBP 5cc를 넣고 2차 혼합하여 압전 분말이 잘 분산된 슬러리를 제조하였다. 이 슬러리를 15분간 탈포하고, 1시간 에이징(aging)한 후 테이프 캐스팅을 실시하여 두께 100㎛의 압전체 그린 시트를 제작하였다.

제작된 그린 시트 위에 Ag-Pd계 도체 페이스트로 제3도와 같은 형상으로 내부 전극을 인쇄한 그린 시트를 60℃의 건조기에서 건조하여 전극이 인쇄된 그린 시트를 각각 제조하였다.

이를 각각 제4도에 나타낸 치구를 이용해서 가압하여 측단면이 물결 형태인 제5도의 그린 시트를 성형하였다. 이때 치구는 약 50℃ 정도로 가열하여 소성변형이 용이하도록 한다.

성형된 그린 시트를 제6도에 나타낸 것과 같이 그린 시트가 서로 밀착되게 겹친 후 60℃ 정도에서 가열 압착하여 그린 시트를 일체화하였다.

일체화된 그린 시트를 500℃의 열처리로에서 2시간 이상 유지하여 충분히 탈지시킨 후 다시 1200℃에서 2시간 소성하여 소결체를 제조하였다.

제조된 소결체를 100℃ 정도로 가열된 실리콘계 절연유에 넣고 양측면으로 노출된 외부 전극에 직류 400V를 인가하여 분극을 행한 후, 절단하고 측면부의 노출된 전극 부위에 제8(a)도와 같이 전선을 연결하였다. 여기에 절연과 소자의 보호를 위하여 제8(b)도에 나타낸 바와 같이 절연체를 도포하여 소자를 완성하였다.

실시예 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 테이프 캐스팅하여 압전체 그린 시트를 제작하고, 전극이 인쇄된 그린 시트를 각각 제조하였다.

이를 각각 제4도에 나타낸 치구를 이용해서 가압하여 물결 모양이 되도록 그린 시트를 성형하였다. 이때 치구는 약 50℃ 정도로 가열하여 소성 변형이 용이하도록 하였다.

성형된 그린 시트를 제6도에 나타낸 것과 같이 서로 밀착되게 겹치면서 내부 전극 끝부분의 공동의 형상과 크기를 제어하기 이해 제9도에 나타낸 것과 같이 그린 시트의 꺽인 부위 사이에 그린 시트의 결합제와 동일한 성분의 파이버를 삽입하고, 60℃ 정도에서 가열 압착하여 그린 시트를 일체화하였다.

이때 파이버의 직경은 그린 시트의 두께와 밀접한 연관이 있는데, 본 실시예에서는 직경 150㎛의 파이버를 사용하였다. 삽입된 파이버는 탈지 중에 분해되어 공극을 형성하였다.

일체화된 그린 시트를 500℃의 열처리로에서 2시간 이상 유지하여 충분히 탈지시킨 후 다시 1200℃에서 2시간 소성하여 소결체를 제조하였다.

제조된 소결체를 100℃ 정도로 가열된 실리콘계 절연유에 넣고 양측면의 전극에 전류 400V를 인가하여 분극을 행한 후, 절단하고 측면부의 노출된 전극 부위에 제8(a)도와 같이 전선을 연결하였다. 여기에 절연과 소자의 보호를 위하여 제8(b)도에 나타낸 바와 같이 절연체를 도포하여 소자를 완성하였다.

본 실시예에서 제작된 소자는 제10도에 나타낸 것과 같이 내부 전극의 끝단부에 공극을 형성하여 계면의 곡률 반경을 크게 하여 내부 응력을 계면에 분산시키므로서 크랙의 발생을 억제하여 소자의 수명을 향상시키는 역할을 한다.

즉, 본 발명에서 제조된 소자는 부분 전극형과 비교하여 별도의 외부 전극 형성 없이 내부 전극이 병렬로 연결된 구조를 가지므로 외부 전극 형성 공정이 필요없이 적층형 압전 액추에이터를 제조할 수 있으며, 절연 부위의 최소화와 내부 전극의 끝부분에서 발생하는 크랙의 발생을 억제하여 성능과 수명이 우수한 소자를 제조할 수 있다.

또, 전면 전극형의 소자와 비교하여 본 발명의 장점은 소성을 끝낸 후 각 층의 전극을 양측면에서 교대로 절연시켜야 하는 매우 까다로운 공정이 필요하지 않기 때문에 공정상의 용이성과 제조 경비면에서 매우 월등한 장점을 갖게 된다.

Claims (2)

1. 적층형 압전 액추에이터 소자를 제조하는 방법에 있어서,

   (a) 압전체 그린 시트들 위에 내부 전극용 도체 페이스트를 통상의 방법으로 인쇄하는 단계;

   (b) 상기 단계(a)에서 내부 전극이 인쇄된 각각의 그린 시트를 측단면이 물결 형상을 가지는 치구를 이용하여, 물결 형태로 성형하는 단계;

   (c) 상기 단계(b)에서 성형된 그린 시트 두 장을 전극 인쇄면이 서로 반대 방향이 되게 겹쳐서 가열 압착하여 일체화하는 단계;

   (d) 상기 단계(c)에서 일체화된 적층체를 소성한 후 외부 단자 전극을 형성하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 액추에이터 소자의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 단계(c)를 실시하기 전에 압전체 그린 시트가 꺾여지는 부위에서 상기 그린 시트들 사이에 고분자로 된 파이버를 추가로 삽입하여 소결 중에 분해되도록 하여 공극이 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 적층형 압전 액추에이터 소자의 제조 방법.