KR20030038788A - 압전 박막 및 그 제조방법, 압전 박막을 구비한 압전소자, 압전 소자를 이용한 잉크 제트 헤드, 및 잉크 제트헤드를 구비한 잉크 제트식 기록 장치 - Google Patents
압전 박막 및 그 제조방법, 압전 박막을 구비한 압전소자, 압전 소자를 이용한 잉크 제트 헤드, 및 잉크 제트헤드를 구비한 잉크 제트식 기록 장치 Download PDFInfo
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Abstract
큰 압전 변위를 얻을 수 있는 압전 박막이다. 이 압전 박막의 화학 조성은 Pb1+a(ZrxTi1-x)O3+a(단, 0.2 ≤a ≤0.6, 0.50 ≤x ≤0.62)로 표기된다. 이 압전 박막의 결정 구조는 구성원소인 산소 이온, 티탄 이온, 지르코늄 이온의 일부가 결여된이온 결손이 있는 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역(24)과, 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역(25)의 혼합체로 이루어진다. 이 압전 박막의 구성에 의하면, 이온 결손이 있는 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역(24)에 의해 결정내의 잔류 압축 응력을 완화할 수 있기 때문에, 큰 압전 소자의 압전 변위(변위량)를 얻는 것이 가능해진다.
Description
압전 재료는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하거나, 또는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 재료이다. 압전 재료의 대표적인 것으로는 페로브스카이트형 결정 구조를 갖는 티탄산지르콘산납(Pb(Zr, Ti)O3)(이하, 『PZT』라 한다)이 있다. 특히 페로브스카이트형 정방정계 결정 구조를 갖는 PZT의 경우에는 c축 방향(〈001〉축 방향)으로 가장 큰 압전 변위가 얻어진다. 그러나, 대부분의압전 재료는 결정 입자의 집합체로 이루어지는 다결정체로, 각 결정 입자의 결정축은 아무렇게나 된 방향을 향하고 있다. 따라서, 자발 분극(Ps)도 아무렇게나 배열하고 있다.
그런데, 최근 전자기기의 소형화에 따라, 압전 소자에 대해서도 소형화가 강력하게 요구되어 왔다. 그리고, 그 요구를 충족시키기 위해, 압전 소자는 종래부터 많이 사용되어 온 소결체에 비하여 현저하게 체적이 작은 박막의 형태로 사용되도록 되고 있어서, 압전 소자에 대한 박막화의 연구 개발이 왕성하게 이루어져 왔다. 예컨대, PZT의 경우, 자발 분극(Ps)은 c축 방향을 향하고 있기 때문에, 박막화해도 높은 압전 특성을 실현하기 위해서는, PZT 박막을 구성하는 결정의 c축을 기판 표면에 대하여 수직 방향으로 정돈할 필요가 있다. 그리고, 이것을 실현하기 위해, 종래에 있어서는, 결정 방위 (100)면이 표면으로 돌출하도록 잘라낸 암염형 결정 구조의 산화마그네슘(MgO)으로 이루어지는 단결정 기판을 이용하여, 그 표면에 대하여 수직 방향으로 c축(〈001〉축) 배향한 PZT 박막을 600∼700℃의 온도에서 형성하고 있다(예컨대, J. Appl. Phys. vol.65, No.4(15 Feb.1989) pp.1666-1670, 일본국 특개평 10-209517호 공보).
그러나, MgO 단결정 기판의 열팽창계수는 120 ×10-7/deg이고, PZT의 열팽창계수는 56 ×10-7/deg이기 때문에, MgO 단결정 기판상에 PZT 박막을 형성하면, 600∼700℃에서의 형성 온도에서 실온까지 냉각하는 과정에서 양자의 열팽창계수의 차에 의해 PZT 박막에 큰 압축 응력이 걸리는 것으로 된다. 그 때문에, PZT 박막은전체가 크게 줄어든 상태로 되어, 전기 에너지에 의해 크게 신축하는 성질, 즉 높은 압전 특성이 얻어지지 않게 된다. 가령, 에칭에 의해 MgO 단결정 기판을 제거했다고 해도, 실온 부근에서는 결정내의 각 이온의 확산이 일어나지 않기 때문에, PZT 박막에 압축 응력이 잔류하여 완전히 완화되는 일은 없으므로, 큰 압전 변위를 얻을 수 없다는 문제가 있다.
본 발명은 마이크로펌프, 마이크로스피커, 잉크 제트 헤드 등에 이용되는 압전 박막 및 그 제조방법, 및 그 압전 박막을 구비한 압전 소자, 및 그 압전 박막을 이용한 잉크 제트 헤드, 및 그 잉크 제트 헤드를 구비한 잉크 제트식 기록 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 압전 소자를 나타내는 사시도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 압전 소자의 제조방법을 나타내는 공정도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 압전 박막의 단면 구조를 나타내는 모식도,
도 4는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 압전 소자의 특성도,
도 5는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 종래의 압전 소자를 이용한 경우의 특성도,
도 6은 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 잉크 제트 헤드를 나타내는 개략 구성도,
도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 잉크 제트 헤드에 사용되는 잉크 토출 소자를 나타내는 일부 파단한 분해사시도,
도 8은 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 잉크 제트 헤드에 사용되는 잉크 토출 소자의 액츄에이터부를 도시하는 도 7의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도,
도 9는 본 발명의 제 3 실시형태에 있어서의 잉크 제트 헤드를 구비한 잉크 제트식 기록 장치의 전체를 나타내는 개략사시도이다.
본 발명은 종래 기술에 있어서의 상기 과제를 해결하기 위한 것으로, 큰 압전 변위를 얻을 수 있는 압전 박막 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고성능의 압전 소자, 잉크 제트 헤드, 및 잉크 제트식 기록 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 압전 박막의 구성은 화학 조성이 Pb1+a(ZrxTi1-x)O3+a(단, 0.2 ≤a ≤0.6, 0.50 ≤x ≤0.62)로 표기되고, 그 구성 원소인 산소 이온, 티탄 이온, 지르코늄 이온의 일부가 결여된 이온 결손이 있는 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역과, 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이온 결손이 있는 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역은 결정내의 잔류 압축 응력을 유연한 코일 용수철과 같이 스스로 변형함으로써 흡수할 수 있다. 따라서, 상기 본 발명의 압전 박막의 구성에 의하면, 이온 결손이 있는 페로브스카이트형기둥상 결정 영역에 의해 결정내의 잔류 압축 응력을 완화할 수 있고, 그 결과, 큰 압전 변위(변위량)을 얻는 것이 가능해진다.
또한, 상기 본 발명의 압전 박막의 구성에 있어서는 상기 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정의 직경이 150∼400㎚의 범위에 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 압전 박막의 구성에 있어서는, X선 회절적으로 정방정계인 페로브스카이트형 결정 구조를 나타내고, 또한 c축 방향으로 성장한 박막인 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 압전 박막의 구성에 있어서는, 표면에 수직인 방향에서 전자선을 입사시켰을 때의 전자선 회절이 페로브스카이트형 단결정의 c면의 스폿 패턴을 나타내는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 압전 박막의 제조방법은 기판상에 티탄산란탄납의 타겟을 이용하여, 스퍼터링법에 의해, c축이 상기 기판 표면에 대하여 수직 방향으로 성장한 페로브스카이트형 결정으로 이루어지는 막두께가 0.005∼0.05㎛인 극도로 얇은 제 1 층을 형성하고, 상기 제 1 층 위에, 산화납이 과잉인 티탄산지르콘산납의 타겟을 이용하여, 스퍼터링법에 의해, 화학 조성이 Pb1+a(ZrxTi1-x)O3+a(단, 0.2 ≤a ≤0.6, 0.50 ≤x ≤0.62)로 표기되고, 그 구성 원소인 산소 이온, 티탄 이온, 지르코늄 이온의 일부가 결여된 이온 결손이 있는 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역과, 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역으로 이루어지는압전 박막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 본 발명의 압전 박막의 제조방법에 있어서는 상기 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정의 직경이 150∼400㎚의 범위에 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 압전 박막의 제조방법에 있어서는 상기 압전 박막이 X선 회절적으로 정방정계인 페로브스카이트형 결정 구조를 나타내고, 또한 c축 방향으로 성장한 박막인 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 압전 박막의 제조방법에 있어서는 상기 압전 박막의 표면에 수직인 방향에서 전자선을 입사시켰을 때의 전자선 회절이 페로브스카이트형 단결정의 c면의 스폿 패턴을 나타내는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 압전 소자의 구성은 한 쌍의 전극 사이에, 화학 조성이 Pb1+a(ZrxTi1-x)O3+a(단, 0.2 ≤a ≤0.6, 0.50 ≤x ≤0.62)로 표기되고, 그 구성 원소인 산소 이온, 티탄 이온, 지르코늄 이온의 일부가 결여된 이온 결손이 있는 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역과, 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역으로 이루어지는 압전 박막을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명의 압전 소자의 구성에 의하면, 큰 압전 변위(변위량)를 얻는 것이 가능한 상기 본 발명의 압전 박막을 구비하고 있기 때문에, 고성능인 압전 소자를 실현할 수 있다.
또한, 상기 본 발명의 압전 소자의 구성에 있어서는 상기 이온 결손이 없는화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정의 직경이 150∼400㎚의 범위에 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 압전 소자의 구성에 있어서는 상기 압전 박막이 X선 회절적으로 정방정계인 페로브스카이트형 결정 구조를 나타내고, 또한 c축 방향으로 성장한 박막인 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 압전 소자의 구성에 있어서는 상기 압전 박막의 표면에 수직인 방향에서 전자선을 입사시켰을 때의 전자선 회절이 페로브스카이트형 단결정의 c면의 스폿 패턴을 나타내는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 잉크 제트 헤드는 한 쌍의 전극 사이에 상기 본 발명의 압전 박막을 구비한 압전 소자로 이루어지는 액츄에이터부와, 상기 액츄에이터부의 변위에 의해 잉크액에 압력을 가하는 압력실 부품과, 상기 압력실 부품에 잉크액을 공급하는 잉크액 유로 부품과, 잉크액을 압출하는 노즐판이 접착된 잉크 토출 소자와, 상기 잉크 토출 소자를 구동하는 구동 전원 소자로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 잉크 제트 헤드의 구성에 의하면, 액츄에이터부가 큰 압전 변위(변위량)를 얻는 것이 가능한 압전 소자를 이용하여 제작되기 때문에, 잉크액의 토출 능력이 높다. 또한, 이와 같이 잉크액의 토출 능력이 높으므로, 전원 전압의 조정폭으로 마진을 크게 취할 수 있기 때문에, 잉크액의 토출 격차를 용이하게 컨트롤할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 잉크 제트식 기록 장치의 구성은 상기 본 발명의 잉크 제트 헤드와, 상기 잉크 제트 헤드를 기록 매체의 폭방향으로 이송하는 잉크 제트헤드 이송 수단과, 상기 잉크 제트 헤드의 이송 방향에 대하여 대략 수직 방향으로 상기 기록 매체를 이송하는 기록 매체 이송 수단을 구비한 것을 특징으로 한다. 이 잉크 제트식 기록 장치의 구성에 의하면, 잉크액의 토출 격차를 용이하게 컨트롤할 수 있는 잉크 제트 헤드를 이용하여 구성함으로써, 기록 매체에 대한 기록의 격차를 작게 할 수 있기 때문에, 신뢰성이 높은 잉크 제트식 기록 장치를 실현할 수 있다.
이하, 실시형태를 이용하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
[제 1 실시형태]
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 압전 소자를 나타내는 사시도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 압전 소자(10)는 길이가 800㎛, 두께가 4.1㎛인 T자형 평판 형상으로 형성되어 있다. 압전 소자(10)의 한 단부(10a; 길이 300㎛)는 다른 부분(10b; 길이 500㎛)과 비교하여 광폭으로 형성되어 있다. 즉, 압전 소자(10)의 한 단부(10a)의 폭은 500㎛이고, 압전 소자(10)의 다른 부분(10b)의 폭은 50㎛이다. 압전 소자(10)는 그 한 단부(10a)가 도전성 접착제(은 페이스트; 7)에 의해서 도전성 지지 기판(스텐레스 기판; 4)에 고정되고, 이것에 의해 캔틸레버가 구성되어 있다.
압전 소자(10)는 두께 0.1㎛의 백금제 하부 전극(1)과, 하부 전극(1) 위에 형성된 두께 2.5㎛의 압전 박막(2)과, 압전 박막(2) 위에 형성된 두께 1.5㎛의 알루미늄제 상부 전극(3)으로 구성되어 있다. 하부 전극(1)과 전기적으로 도통하고 있는 도전성 지지 기판(4)에는 리드선(5)이 접속되어 있다. 또한, 상부 전극(3)에는 압전 소자(10)의 한 단부(10a)에 위치하는 리드선(6)이 접속되어 있다. 그리고, 리드선(5, 6)을 통해 압전 소자(10)의 하부 전극(1)과 상부 전극(3) 사이에 전압을인가하면, 압전 박막(2)은 도 1의 x 방향으로 신장한다. 압전 박막(2)의 신장 변화량(ΔL; m)은 인가 전압을 E(V), 압전 박막(2)의 두께를 t(m), 압전 박막(2)의 길이를 L(m), 압전 박막(2)의 압전 정수를 d31(pm/V)로서, 하기(수 1)에 의해 표기된다.
[수 1]
ΔL= d31×L ×E/t
여기서, 막두께가 얇은 하부 전극(1)과 접합하고 있는 압전 박막(2)의 하측 부분은 x 방향으로 신장하지만, 막두께가 두꺼운 상부 전극(3)과 접합하고 있는 압전 박막(2)의 상측 부분은 막두께가 두꺼운 상부 전극(3)에 의해 그 신장 변위가 억제된다. 그 결과, 도전성 지지 기판(4)에 고정된 한 단부(10a; 단자측)와 반대측의 압전 소자(10)의 선단이 도 1의 +z축 방향으로 변위한다. 따라서, 전압의 인가와 제거를 일정 주파수에서 반복하면, 압전 소자(10)의 선단이 소정의 변위폭으로 z축 방향으로 상하운동한다. 그리고, 인가 전압과 압전 소자(10)의 선단의 변위폭의 크기의 관계를 측정함으로써, 압전 박막(2)의 변위 특성을 평가할 수 있다.
다음에, 압전 소자(10)의 제조방법에 관해서, 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서의 압전 소자의 제조방법을 나타내는 공정도이다.
우선, 도 2(a)에 도시하는 바와 같이, 산화마그네슘(MgO)으로 이루어지는 단결정 기판(20) 상에 스퍼터링법에 의해 백금(Pt)으로 이루어지는 하부 전극(1)을형성하고, 이어서, 하부 전극(1) 상에 스퍼터링법에 의해 압전 박막(2)을 형성하였다. 이 압전 박막(2)의 제조방법에 관해서는 후에 상세히 설명한다. 여기서, 단결정 기판(20)은 결정 방위 (100)면이 표면으로 돌출하도록 절단되어 있고, 그 두께는 0.3㎜, 표면 사이즈는 20㎜ ×10㎜이다. 또한, 하부 전극(1)은 그 두께가 0.1㎛이고, (100)면이 표면으로 되어 있다. 또한, 압전 박막(2)의 두께는 2.5㎛이다. 이어서, 압전 박막(2) 상에 스퍼터링법에 의해 알루미늄(Al)으로 이루어지는 두께 1.5㎛의 상부 전극(3)을 형성하였다. 이것에 의해, 단결정 기판(20)과 하부 전극(1)과 압전 박막(2)과 상부 전극(3)으로 이루어지는 적층체(26)가 얻어졌다.
이어서, 도 2(b)에 도시하는 바와 같이, 적층체(26)를 접착제(아크릴 수지; 21)를 사용하여 글래스 기판(22)에 접합하였다. 여기서, 글래스 기판(22)은 상부 전극(3)과 대향 배치되어 있고, 또한 글래스 기판(22)과 상부 전극(3) 사이에도 접착제(21)가 개재한 상태로 되어 있다.
이어서, 단결정 기판(20)을 인산 수용액을 사용하여 제거하고, 그 후 도 2(c)에 도시하는 바와 같이, 하부 전극(1) 상에 T자형(도 1 참조)의 포토레지스트 패턴(23)을 형성하였다.
이어서, 도 2(d)에 도시하는 바와 같이, 드라이 에칭법에 의해 하부 전극(1)과 압전 박막(2)과 상부 전극(3)을 도 1에 나타내는 압전 소자(10)의 형상과 치수로 가공하였다.
이어서, 도 2(e)에 도시하는 바와 같이, 하부 전극(1)의 한 단부(도 1의 압전 소자(10)의 한 단부(10a)를 참조)를 도전성 접착제(7)에 의해 도전성 지지기판(4)에 고정하였다.
이어서, 도 2(f)에 도시하는 바와 같이, 접착제(21)와 글래스 기판(22)을 유기 용제(에틸알콜)를 사용하여 용해제거하여, 도 1에 도시하는 바와 같이, 하부 전극(1)과 전기적으로 도통하고 있는 도전성 지지 기판(4)에 리드선(5)을 설치시키는 동시에, 상부 전극(3)에 리드선(6)을 설치시켰다.
압전 박막(2)은 이하와 같이 하여 제작하였다.
즉, 우선 (100)면이 표면으로 되어 있는 백금(Pt)으로 이루어지는 하부 전극(1)이 형성된 산화마그네슘(MgO)으로 이루어지는 단결정 기판(20)을, RF 마그네트론 스퍼터 장치의 챔버내에서 미리 560℃의 온도로 가열유지하고, 티탄산란탄납(Pb0.92(La0.08Ti)O3)의 타겟을 이용하여, 하부 전극(1) 상에, c축(〈001〉축)이 표면에 대하여 수직 방향으로 성장한 페로브스카이트형 결정 구조에서 란탄을 함유하는 티탄산납으로 이루어지는 막두께 0.02㎛의 극도로 얇은 박막을 형성하였다. 이 경우, 아르곤과 산소의 혼합 가스(가스 체적비 Ar:O2= 19:1)를 스퍼터링 가스로서 사용하여, 그 전체 가스 압력을 0.3㎩로 유지하고, 300W의 고주파 전력을 인가하여 10분간 스퍼터링을 행하였다. 한편, 이 극도로 얇은 박막의 막두께는 0.005∼0.05㎛의 범위에 있는 것이 바람직하다.
이어서, 기판 온도를 600℃로 하고, 티탄산지르콘산납(Pb(Zr0.53Ti0.47)O3)에 산화납(PbO)을 mol비로 50% 과잉으로 가해 조합한 타겟을 사용하여, 상기 극도로 얇은 박막 상에 화학 조성이 Pb1.50(Zr0.53Ti0.47)O3.5로 표기되는 막두께 2.5㎛의 압전박막(2)을 형성하였다. 이 경우, 아르곤과 산소의 혼합 가스(가스 체적비 Ar:O2=19:1)를 스퍼터링 가스로서 사용하여, 그 전체 가스 압력을 0.3㎩로 유지하고, 600W의 고주파 전력을 인가하여 2시간 스퍼터링을 행하였다. 한편, 가해지는 산화납(PbO)의 양은 mol비로 20∼60%인 것이 바람직하다.
X선 회절법에 의해 해석한 결과, 압전 박막(2)은 정방정계 페로브스카이트형 결정 구조를 나타내고, 또한 c축 방향으로 성장한 박막(c축 만이 표면에 수직인 방향을 향한 구조의 박막)인 것을 알았다.
또한, X선 마이크로애널라이저에 의한 조성 분석의 결과, 압전 박막(2)의 양이온의 조성비는 Pb:Zr:Ti= 1.50:0.53:0.47이고, Pb1.50(Zr0.53Ti0.47)O3.5로 표기할 수 있는 화학 조성으로 되어 있는 것을 알았다. 또한, 압전 박막(2)과 백금 박막(하부 전극(1))의 계면 근방을 X선 마이크로애널라이저에 의해 분석한 결과, 백금 박막(하부 전극(1))의 표면 근방에 미량의 란탄이 존재하고 있는 것을 알았다.
또한, 압전 박막(2)의 표면에 수직인 방향에서 전자선을 입사하여 전자선 회절 패턴을 해석한 결과, 페로브스카이트형 단결정의 c면의 스폿 패턴을 나타내는 것을 알았다.
또한, 투과형 전자현미경에 의한 압전 박막 단면의 해석 결과를 가미하면, 본 실시형태의 압전 박막(2)의 단면 구조는 도 3에 모식적으로 나타내는 구조로 되어 있는 것을 알았다. 즉, 도 3에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 압전 박막(2)은 산소 이온, 티탄 이온, 지르코늄 이온의 일부가 결여된 이온 결손이 있는 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역(24)과, 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역(25)으로 구성되어 있다. 이와 같은 압전 박막(2)의 구성에 의하면, 이온 결손이 있는 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역(24)에 의해, 종래에 문제로 되어 있는 결정내의 잔류 압축 응력을 완화할 수 있다. 한편, 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역(25)의 기둥상 결정의 직경은 150∼400㎚의 범위에 있는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이 하여 제작한 압전 소자(10)의 하부 전극(1)과 상부 전극(3) 사이에 리드선(5, 6)을 통해 ±20V의 삼각파 전압을 인가하여, 압전 소자(10)의 선단의 z축 방향의 상하 운동의 변위량을 측정하였다. 도 4에, 주파수 10㎐의 전압을 인가한 경우의 압전 소자(10)의 선단의 z축 방향의 상하 운동의 변위량을 나타낸다. 도 4에 나타내는 바와 같이, ±20V의 전압을 인가한 경우, 압전 소자(10)의 선단은 최대로 ±32㎛ 변위하고 있다.
화학 조성이 다른 스퍼터 타겟을 이용하여 압전 박막의 조성과 두께가 다른 압전 소자를 제작하여, 상기와 같이 하여 각각의 선단의 z축 방향의 상하 운동의 변위량을 측정하였다. 한편, 이 때의 하부 전극(1)과 상부 전극(3)의 재료와 두께는 상기 압전 소자(10)의 경우와 같다. 하기 표 1에 그 결과를 나타낸다.
상기 표 1로부터 명백한 바와 같이, 압전 박막의 화학 조성을 Pb1+a(ZrxTi1-x)O3+a로 표기하였을 때, 납의 과잉 몰 비(a)가 0.2 이상 0.6 이하인 경우에 큰 변위량이 얻어지고, 또한 지르콘의 조성 몰 비(x)가 0.50 이상 0.62 이하인 경우에 큰 변위량이 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 압전 박막의 두께가 1.7㎛ 이상인 경우에 큰 변위량이 얻어지는 것을 알 수 있다. 그러나, 압전 박막의 두께가 7㎛를 넘으면, 압전 박막의 형성시에 표면의 오목볼록이 커져, 상부 전극(3)을 평탄하게 형성하는 것이 곤란해지고, 그 결과, 변위량의 편차가 작은 압전 소자를 안정하게 제작하는 것이 곤란해진다는 것을 알았다.
비교예로서, 종래의 압전 박막인 화학 조성이 Pb(Zr0.53Ti0.47)O3로 표기할 수 있는 박막을 이용하여, 그 밖의 구성이 도 1과 동일한 압전 소자를 제작하여, 인가전압과 선단 변위량의 관계를 측정하였다. 그 결과를 도 5에 나타낸다. 도 5에 나타내는 바와 같이, ±20V의 전압을 인가하였을 때, 이 압전 소자의 선단의 변위량은 최대 ±15㎛이고, 본 실시형태의 압전 소자의 경우보다도 작았다. 한편, 이 결과는 상기 표 1의 시료 번호 20에 종래예로서 들고 있다.
이상과 같이, 본 실시형태의 압전 박막에 의하면, 화학 조성이 Pb1+a(ZrxTi1-x)O3+a(단, 0.2 ≤a ≤0.6, 0.50 ≤x ≤0.62)로 표기되고, 그 구성 원소인 산소 이온, 티탄 이온, 지르코늄 이온의 일부가 결여된 이온 결손이 있는 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역(24)과, 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역(25)으로 구성됨으로써, 이온 결손이 있는 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역(24)에 의해 결정내의 잔류 압축 응력을 완화할 수 있기 때문에, 큰 압전 변위(변위량)를 얻는 것이 가능해진다.
[제 2 실시형태]
다음에, 본 발명의 압전 박막을 이용한 잉크 제트 헤드에 관해서 설명한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 잉크 제트 헤드를 나타내는 개략구성도이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 잉크 제트 헤드(201)는 10개가 열을 이루어 병렬 배치된 동일 형상의 잉크 토출 소자(202)와, 각각의 잉크토출 소자(202)의 전극과 연결되어, 이들 잉크 토출 소자(202)를 구동하는 구동 전원 소자(203)로 구성되어 있다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 잉크 제트 헤드에 이용되는 잉크 토출 소자를 나타내는 일부 파단한 분해사시도이다. 도 7에 나타내는 잉크 토출 소자(202)에 있어서, A는 압력실 부품으로, 이 압력실 부품(A)에는 압력실용 개구부(31)가 형성되어 있다. B는 압력실용 개구부(31)의 상단 개구면(크기: 단축이 200㎛, 장축이 400㎛인 타원 형상)을 덮도록 배치된 액츄에이터부, C는 압력실용 개구부(31)의 하단 개구면을 덮도록 배치된 잉크액 유로 부품이다. 즉, 압력실 부품(A)의 압력실용 개구부(31)는 그 상하에 위치하는 액츄에이터부(B)와 잉크액 유로 부품(C)으로 구획되고, 이것에 의해 압력실(32; 두께 0.2㎜)이 형성되어 있다. 한편, 액츄에이터부(B)에는 압력실(32)의 상방에 위치하는 개별 전극(33)이 배치되어 있다. 또한, 잉크액 유로 부품(C)에는 잉크액 공급 방향으로 병렬한 다수 개의 잉크 토출 소자(202)의 각 압력실(32) 사이에서 공용되는 공통액실(35)과, 이 공통액실(35)을 압력실(32)에 연통하는 공급구(36)와, 압력실(32)내의 잉크액이 유출하는 잉크 유로(37)가 형성되어 있다. D는 노즐판으로, 이 노즐판(D)에는 잉크 유로(37)에 연통하는 노즐 구멍(38; 직경 30㎛)이 돌출형성되어 있다. 이상의 부품(A∼D)이 접착제에 의해 접착되어, 잉크 토출 소자(202)가 얻어진다. 한편, 도 6에 있어서, 구동 전원 소자(203)는 본딩 와이어를 통해 다수의 잉크 토출 소자(202)의 각 개별 전극(33)에 전압을 공급한다.
다음에, 액츄에이터부(B)의 구성에 관해서, 도 8을 참조하면서 설명한다. 도8은 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서의 잉크 제트 헤드에 이용되는 잉크 토출 소자의 액츄에이터부를 나타내는 도 7의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도이다. 도 8에 도시하는 바와 같이, 액튜에이터부(B)는 상방에 위치하는 두께 0.1㎛의 백금(Pt) 박막으로 이루어지는 개별 전극(33)과, 이 개별 전극(33)의 바로 아래에 위치하는 두께 3.0㎛의 압전 박막(41)과, 이 압전 박막(41)의 압전 효과에 의해 변위하여 진동하는 진동판을 겸한 공통 전극(44)을 갖고 있다. 여기서, 압전 박막(41)의 재료로는 화학 조성이 Pb1.50(Zr0.53Ti0.47)O3.5로 표기되는 압전 재료가 이용되고 있다. 또한, 진동판을 겸한 공통 전극(44)은 도전성 물질인 크롬(Cr) 박막(두께 3.5㎛)으로 이루어지고, 각 잉크 토출 소자(202)의 각각의 압력실(32) 사이에서 공용되어 있다. 또한, 액츄에이터부(B)는 진동판을 겸한 공통 전극(44)과 각 압전 박막(41) 사이에 배치되고, 양자의 밀착을 강고하게 하는 밀착층(43)을 갖고 있다. 이 밀착층(43)은 티탄(Ti)의 박막(두께 0.05㎛)으로 이루어진다. 또한, 개별 전극(33)이 상부 표면에 형성된 압전 박막(41)의 주위에는 이 압전 박막(41)과 동일한 막두께의 폴리이미드 수지로 이루어지는 전기절연 유기막(42)에 의해 덮여져 있고, 개별 전극(33)의 리드선 형상 부분은 이 전기절연 유기막(42)의 상부에 형성되어 있다. 한편, 전기절연 유기막(42)은 인쇄법으로 형성하고, 그 밖의 박막은 스퍼터링법으로 형성하였다.
이상과 같이 구성된 잉크 제트 헤드(201)에 있어서는 구동 전원 소자(203)로부터 본딩 와이어를 통해 다수의 잉크 토출 소자(202)의 각 개별 전극(33)에 전압이 공급되어, 압전 박막(41)의 압전 효과에 의해 공통 전극(44)이 변위하여 진동함으로써, 공통액실(35) 내의 잉크액이 공급구(36), 압력실(32), 잉크 유로(37)를 경유하여 노즐 구멍(38)으로부터 토출된다. 이 경우, 잉크 제트 헤드(201)는 큰 압전 변위(변위량)를 얻는 것이 가능한 압전 박막(41)을 이용하여 제작되어 있기 때문에, 잉크액의 토출 능력이 높다. 또한, 이와 같이 잉크액의 토출 능력이 높기 때문에, 전원 전압의 조정폭에 마진을 크게 취할 수 있으므로, 다수개의 잉크 토출 소자(202) 사이의 잉크액의 토출 격차를 용이하게 컨트롤할 수 있다.
[제 3 실시형태]
다음에, 본 발명의 잉크 제트 헤드를 구비한 잉크 제트식 기록 장치에 관해서 설명한다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시형태에 있어서의 잉크 제트식 기록 장치의 전체를 나타내는 개략사시도이다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태의 잉크 제트식 기록 장치(51)는 압전 박막의 압전 효과를 이용하여 기록을 행하는 본 실시형태의 잉크 제트 헤드(201)를 구비하고 있고, 잉크 제트 헤드(201)로부터 토출한 잉크 방울을 종이 등의 기록매체(52)에 닿게 함으로써, 기록매체(52)에 기록을 행할 수 있다. 잉크 제트 헤드(201)는 주 주사방향(도 9의 X 방향)을 따라 배치된 캐리지축(53)에 슬라이딩가능하게 설치된 캐리지(54)에 탑재되어 있다. 그리고, 캐리지(54)가 캐리지축(53)을 따라 왕복운동함으로써, 잉크 제트 헤드(201)는 주 주사방향(X)으로 왕복운동한다. 또한, 잉크 제트식 기록 장치(51)는 기록매체(52)를 잉크 제트 헤드(201)의 폭방향(즉, 주 주사방향(X))과 대략 수직방향의 부 주사방향(Y)으로 이동시키는 다수 개의 롤러(기록매체 이송수단; 55)를 구비하고 있다.
이상과 같이, 다수 개의 잉크 토출 소자 사이의 잉크액의 토출 격차를 용이하게 컨트롤할 수 있는 상기 제 2 실시형태의 잉크 제트 헤드(201)를 이용하여 잉크 제트식 기록 장치를 구성함으로써, 종이 등의 기록매체(52)에 대한 기록 격차를 작게 할 수 있기 때문에, 신뢰성이 높은 잉크 제트식 기록 장치를 실현할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 큰 압전 변위(변위량)를 얻는 것이 가능한 압전 박막을 실현할 수 있기 때문에, 잉크액의 토출 능력의 향상이 요구되는 잉크 제트 헤드에 이용가능하다.
Claims (14)
- 화학 조성이 Pb1+a(ZrxTi1-x)O3+a(단, 0.2 ≤a ≤0.6, 0.50 ≤x ≤0.62)로 표기되고, 그 구성 원소인 산소 이온, 티탄 이온, 지르코늄 이온의 일부가 결여된 이온 결손이 있는 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역과, 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역으로 이루어지는 압전 박막.
- 제 1 항에 있어서, 상기 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역의 기둥상 결정의 직경이 150∼400㎚의 범위에 있는 압전 박막.
- 제 1 항에 있어서, X선 회절적으로 정방정계인 페로브스카이트형 결정 구조를 나타내고, 또한 c축 방향으로 성장한 박막인 압전 박막.
- 제 1 항에 있어서, 표면에 수직인 방향에서 전자선을 입사시켰을 때의 전자선 회절이 페로브스카이트형 단결정의 c면의 스폿 패턴을 나타내는 압전 박막.
- 기판상에 티탄산란탄납의 타겟을 이용하여, 스퍼터링법에 의해, c축이 상기 기판 표면에 대하여 수직 방향으로 성장한 페로브스카이트형 결정으로 이루어지는막두께가 0.005∼0.05㎛인 극도로 얇은 제 1 층을 형성하고, 상기 제 1 층 위에, 산화납이 과잉인 티탄산지르콘산납의 타겟을 이용하여, 스퍼터링법에 의해, 화학 조성이 Pb1+a(ZrxTi1-x)O3+a(단, 0.2 ≤a ≤0.6, 0.50 ≤x ≤0.62)로 표기되고, 그 구성 원소인 산소 이온, 티탄 이온, 지르코늄 이온의 일부가 결여된 이온 결손이 있는 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역과, 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역으로 이루어지는 압전 박막을 형성하는 압전 박막의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역의 기둥상 결정의 직경이 150∼400㎚의 범위에 있는 압전 박막의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 압전 박막이 X선 회절적으로 정방정계인 페로브스카이트형 결정 구조를 나타내고, 또한 c축 방향으로 성장한 박막인 압전 박막의 제조방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 압전 박막의 표면에 수직인 방향에서 전자선을 입사시켰을 때의 전자선 회절이 페로브스카이트형 단결정의 c면의 스폿 패턴을 나타내는 압전 박막의 제조방법.
- 한 쌍의 전극 사이에 화학 조성이 Pb1+a(ZrxTi1-x)O3+a(단, 0.2 ≤a ≤0.6, 0.50 ≤x ≤0.62)로 표기되고, 그 구성 원소인 산소 이온, 티탄 이온, 지르코늄 이온의 일부가 결여된 이온 결손이 있는 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역과, 이온 결손이 없는 화학량론 조성의 페로브스카이트형 기둥상 결정 영역으로 이루어지는 압전 박막을 구비한 압전 소자.
- 제 9 항에 있어서, 기둥상 결정의 직경이 150∼400㎚의 범위에 있는 압전 소자.
- 제 9 항에 있어서, 상기 압전 박막이 X선 회절적으로 정방정계인 페로브스카이트형 결정 구조를 나타내고, 또한 c축 방향으로 성장한 박막인 압전 소자.
- 제 9 항에 있어서, 상기 압전 박막의 표면에 수직인 방향에서 전자선을 입사시켰을 때의 전자선 회절이 페로브스카이트형 단결정의 c면의 스폿 패턴을 나타내는 압전 소자.
- 한 쌍의 전극 사이에 제 1 항의 압전 박막을 구비한 압전 소자로 이루어지는 액츄에이터부와, 상기 액츄에이터부의 변위에 의해 잉크액에 압력을 가하는 압력실부품과, 상기 압력실 부품에 잉크액을 공급하는 잉크액 유로 부품과, 잉크액을 압출하는 노즐판이 접착된 잉크 토출 소자와, 상기 잉크 토출 소자를 구동하는 구동 전원 소자로 구성되어 있는 잉크 제트 헤드.
- 제 13 항의 잉크 제트 헤드와, 상기 잉크 제트 헤드를 기록 매체의 폭방향으로 이송하는 잉크 제트 헤드 이송 수단과, 상기 잉크 제트 헤드의 이송 방향에 대하여 대략 수직 방향으로 상기 기록 매체를 이송하는 기록 매체 이송 수단을 구비한 잉크 제트식 기록 장치.
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