KR20060042240A - 유전체 소자, 압전체 소자, 잉크 제트 헤드 및 잉크 제트기록 장치, 및 그 제조 방법 - Google Patents

유전체 소자, 압전체 소자, 잉크 제트 헤드 및 잉크 제트기록 장치, 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20060042240A
KR20060042240A KR20050015853A KR20050015853A KR20060042240A KR 20060042240 A KR20060042240 A KR 20060042240A KR 20050015853 A KR20050015853 A KR 20050015853A KR 20050015853 A KR20050015853 A KR 20050015853A KR 20060042240 A KR20060042240 A KR 20060042240A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
dielectric layer
dielectric
oxide
composition
Prior art date
Application number
KR20050015853A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100738290B1 (ko
Inventor
도시히로 이후꾸
다까노리 마쯔다
가쯔미 아오끼
겐이찌 다께다
기요따까 와사
Original Assignee
캐논 가부시끼가이샤
기요따까 와사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 캐논 가부시끼가이샤, 기요따까 와사 filed Critical 캐논 가부시끼가이샤
Publication of KR20060042240A publication Critical patent/KR20060042240A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100738290B1 publication Critical patent/KR100738290B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/14233—Structure of print heads with piezoelectric elements of film type, deformed by bending and disposed on a diaphragm
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A43—FOOTWEAR
    • A43C—FASTENINGS OR ATTACHMENTS OF FOOTWEAR; LACES IN GENERAL
    • A43C15/00—Non-skid devices or attachments
    • A43C15/06—Ice-gripping devices or attachments, e.g. ice-spurs, ice-cleats, ice-creepers, crampons; Climbing devices or attachments, e.g. mountain climbing irons
    • A43C15/068—Climbing devices or attachments, e.g. glacier crampons, mountain climbing irons
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
    • H10N30/076—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by vapour phase deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
    • H10N30/079—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing using intermediate layers, e.g. for growth control
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853—Ceramic compositions
    • H10N30/8548—Lead based oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2202/00—Embodiments of or processes related to ink-jet or thermal heads
    • B41J2202/01—Embodiments of or processes related to ink-jet heads
    • B41J2202/03—Specific materials used

Abstract

상부 전극층과 하부 전극층 사이에 제공된 유전체층을 갖는 유전체 소자이며, 이 유전체층은 조성이 서로 상이한 제1 유전체층과 제2 유전체층을 갖고, 제1 유전체층의 적어도 일 성분의 조성은 제1 유전체층과 제2 유전체층 사이의 경계의 근접부에서 제1 유전체층의 두께 방향에 대하여 변화된다.
유전체층, 압전체층, 배향층, 격자 상수, 진동판, 단일 배향막

Description

유전체 소자, 압전체 소자, 잉크 제트 헤드 및 잉크 제트 기록 장치, 및 그 제조 방법 {DIELECTRIC ELEMENT, PIEZOELECTRIC ELEMENT, INK JET HEAD AND INK JET RECORDING APPARATUS AND MANUFACTURING METHOD OF SAME}
도1은 잉크 제트 헤드의 개략도.
도2는 압전체 소자의 단면도.
도3a, 도3b, 도3c 및 도3d는 본 발명에 따른 유전체 소자의 제조 공정을 도시하는 개략도.
도4는 잉크 제트 헤드의 평면도.
도5는 잉크 제트 헤드의 개별 액체 챔버의 평면도.
도6a, 도6b, 도6c, 도6d, 도6e 및 도6f는 압전체 소자의 제조 공정을 도시하는 개략도.
도7은 잉크 제트 헤드의 종방향 단면도.
도8은 잉크 제트 기록 장치의 조감도.
도9는 외관을 제외한 잉크 제트 기록 장치의 개략도.
도10은 본 발명의 경사 구조부의 조성을 설명하는 다이어그램.
도11은 본 발명의 경사 구조부의 조성을 설명하는 다이어그램.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 토출구
5: 진동막
7: 압전막
9: 제1 압전체층
10: 제2 압전체층
12: 개별 액체 챔버
21: 기판
24: 제1 유전체층
25: 제2 유전체층
26: 상부 전극
본 발명은 콘덴서, 센서, 변환기 및 액츄에이터와 같은, 특히 MEMS로서 응용이 가능한 유전체 소자 및 압전체(전왜체) 소자 및 이 압전체 소자를 사용하는 잉크 제트 헤드 및 잉크 제트 기록 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그 제조 방법에 관한 것이다.
콘덴서로서 높은 유전율의 유전체 재료가 요구되는 동시에, 콘덴서를 소형화하기 위하여 BaTiO3와 같은 세라믹스 재료의 박막화가 진행 중이다. 그러나, BaTiO3 및 Pb (Zr, Ti)O3와 같은 세라믹스 재료의 유전 상수는 겨우 1500 정도이고, 이를 박막화함에 의해서 부적절한 소결 및 경계의 결함 구조의 문제점이 이에 추가로 부가될 때 이들은 종종 결함있는 특성을 갖는 전자 장치가 된다.
압전체에 대해, 최근에 MEMS 및 압전 응용의 분야의 연구가 광범위하게 수행되어, 양호한 특성의 박막 압전체 소자가 기대되고 있다. 압전체 소자는 압전체층을 전극들에 의해서 개재시켜 이에 전기장을 인가할 때 신장 또는 수축하는 소자로, 모터, 초음파 모터, 액츄에이터 등에 적용될 수 있다.
응용 분야에서 주로 이용되는 재료는 대략 50년 전에 발견된 PZT 재료이다. PZT 재료의 소결 온도는 1100 ℃ 이상이고, 따라서 박막 소자로서 이들을 만들기 위하여 졸-겔 법, 스퍼터 기술, MBE 법, PLD 법, CVD 법 등을 사용하여 재료 개발이 진행 중이다. 그러나, 박막으로 이들을 응용하는 경우, 막 또는 막 경계에 물리적인 파손이 발생하기 쉬운 문제점이 있을 수도 있다. 이 이유 때문에, 큰 압전 상수 및 양호한 내압성을 얻도록 압전체층의 결정 구조를 안출하는 시도가 이루어진다. 잉크 제트 헤드로서 스퍼터링에 의한 (001) 배향막을 사용하는 예가 일본특허출원공개 평08-116103호에 기재되어 있다. 이 방법은 기판 상에 배향된 전극을 제공하고 압전막과 전극 사이에 Zr를 갖지 않는 PbTiO3 층을 개재시킴으로써 압전막의 결정 구조를 제어한다. 그러나, 이 방법은 PbTiO3 층의 유전 상수가 압전막의 PZT의 유전 상수보다 낮아서 전기장을 인가하는 경우에 PZT 층으로 인가되는 전기장의 강도가 낮아지는 문제점을 갖는다.
PZT 세라믹스를 초과하는 압전 상수를 실현하기 위하여, 릴렉서 재료(relaxer material)의 단결정화가 연구되고 있고, 용융법에 의해서 단결정 물질 벌크가 얻어져서, 큰 압전 상수가 보고되어 있다. 박막으로 형성된 리랙스 재료는 2002년 FMA(강유전체 응용 회의)에서 보고되었다. 그러나, 안정된 상태에서 큰 압전 상수가 얻어질 수 있는 상태는 아니다. 미국 특허 제5804907호는 액츄에이터로서 릭랙서 단결정 재료의 사용을 기재하고 있다. 그러나, 이는 소자를 생성하는 방법이 구체적으로 기재되어 있지 않고 단결정 재료가 용융법(TSSG 법)에 의해서 생성되어 50 ㎛ 이하의 박막이 취급될 수 없다는 문제점을 갖는다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결한 유전체 소자 및 압전체 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. 다른 목적은 이 압전체 소자를 이용하는 잉크 제트 헤드의 액츄에이터 등과 잉크 제트 기록 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 제1 유전체 소자는 상부 전극층과 하부 전극층 사이에 제공된 유전체층을 갖고, 상기 유전체층은 조성이 서로 상이한 제1 유전체층과 제2 유전체층을 갖고, 제1 유전체층의 적어도 일 성분의 조성은 제1 유전체층과 제2 유전체층 사이의 경계의 근접부에서 제1 유전체층의 두께 방향에 대하여 변화되는 유전체 소자이다.
본 발명에 따른 제2 유전체 소자는 상부 전극층과 하부 전극층 사이에 제공되는 유전체층을 갖고, 상기 유전체층은 제1 유전체층과 제2 유전체층을 갖고, 상기 제1 유전체층은 4개 이상의 금속 원소 성분에 의해서 형성된 산화물로 주로 구 성된 층이고, 상기 제2 유전체층은 상부 전극층과 하부 전극층 중 하나의 근접부에서 상기 4개 이상의 금속 원소 성분 중 적어도 하나의 성분의 실질적인 부존재 때문에 나머지 3개 이상의 금속 원소 성분에 의해서 형성된 산화물로 주로 구성되고, 적어도 하나의 성분의 조성이 제2 유전체층의 경계의 근접부에서 제1 유전체층의 두께 방향에 대하여 변화되는 유전체 소자이다.
본 발명에 따른 제3 유전체 소자는 상부 전극층과 하부 전극층 사이에 제공되는 유전체층을 갖고, 상기 유전체층은 제1 유전체층과 제2 유전체층을 갖고, 상기 제1 유전체층의 주성분은 상부 전극층과 하부 전극층 중 하나의 근접부에서 Ti를 실질적으로 포함하지 않는 산화물이고, 상기 Ti 성분의 조성은 제2 유전체층의 경계의 근접부에서 제1 유전체층의 두께 방향에 대하여 변화하고, 상기 제2 유전체층의 주성분이 Ti 원소를 갖는 산화물인 유전체 소자이다.
본 발명에 따른 제4 유전체 소자는 상부 전극층과 하부 전극층 사이에 제공되는 유전체층을 갖고, 상기 유전체층은 제1 유전체층과 제2 유전체층을 갖고, 상기 제1 유전체층의 조성은 제1 유전체층의 두께 방향에 대하여 변화하고, 상기 제1 유전체층과 제2 유전체층의 25 ℃에서의 유전 상수는 서로 상이한 유전체 소자이다.
본 발명에 따른 압전체 소자는 상기 제1 내지 제3 유전체 소자 중 하나를 포함하는 압전체 소자이다.
본 발명에 따른 잉크 제트 헤드 및 잉크 제트 기록 장치는 상기의 구성을 갖는 압전체 소자를 포함한다.
본 발명은 제1 유전체층과 그 상에 적층된 제2 유전체층의 각각의 적어도 두개의 층을 갖는 유전체 소자 및 압전체 소자이다.
본 발명에 따른 유전체의 제1 제조 방법은 2개 이상의 성분을 포함하는 조성을 갖는 산화물로 주로 구성되고 상기 산화물을 구성하는 적어도 하나의 성분이 상기 조성의 다른 성분에 대하여 그 조성비가 층 두께 방향으로 변하는 층 영역을 갖는 제1 유전체층을 형성하는 단계와, 상기 층 두께 방향으로 그 조성이 실질적으로 균일한 제2 유전체층을 형성하는 단계를 포함하는 유전체의 제조 방법이다.
본 발명에 따른 유전체의 제2 제조 방법은 2개 이상의 성분을 포함하는 조성을 갖는 산화물로 주로 구성되고 상기 산화물을 구성하는 적어도 하나의 성분이 상기 조성의 다른 성분에 대하여 그 조성비가 층 두께 방향으로 변하는 층 영역을 갖는 제1 유전체층을 형성하는 단계와, 상기 제1 유전체층 상에, 경사 성분의 원소를 포함하는 2 종류 이상의 성분으로 구성된 조성을 갖는 산화물로 주로 구성되고 상기 경사 성분의 원소의 산화물의 화학량론적 조성에 대하여 50 내지 150 몰 퍼센트만큼 증가되는 재료 성분으로 제2 유전체층을 형성하는 공정을 포함하는 유전체의 제조 방법이다.
본 발명에 따른 유전체 소자의 제1 제조 방법은 상부 전극층과 하부 전극층 사이에 제공된 유전체층을 갖는 적층 구조의 유전체 소자의 제조 방법이며, 하부 전극 상에서 적어도 하나의 성분이 다른 성분에 대하여 이의 조성비가 층 두께 방향으로 변하는 층을 적어도 갖는 제1 유전체층을 형성하는 단계와, 고정 비율로 경사 조성의 성분을 포함하는 조성을 갖는 제2 유전체층을 형성하는 단계를 포함하 고, 25 ℃에서 제1 유전체층의 유전 상수 ε1과 25 ℃에서의 제2 유전체층의 유전 상수 ε2는 상이한 유전체 소자의 제조 방법이다.
본 발명에 따른 유전체 소자의 제2 제조 방법은 상부 전극층과 하부 전극층 사이에 제공된 유전체층을 갖는 적층 구조의 유전체 소자의 제조 방법이며, 상기 하부 전극층 상의 제1 및 제2 산화물로 주로 구성된 유전체층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 유전체층은 4개 이상의 종류의 금소 원소를 포함하는 조성을 갖는 산화물로 주로 구성되고, 상기 제1 유전체층의 적어도 일부는 적어도 하나의 금속 원소 성분이 다른 성분에 대하여 이의 조성비가 층 두께 방향으로 변하도록 4개 이상의 금속 원소 성분에 의해서 형성된 산화물로 주로 구성된 층에 의해서 형성되는 유전체 소자의 제조 방법이다.
본 발명에 따르면, 단결정화된, 단일 배향으로 결정화된 또는 우선 배향으로 결정화된 릴렉서 유전체층 및 릴렉서 압전체층을 제공하고, 또한 그 제조 방법을 제공하는 것이 가능하다. 이들을 이용함으로써 저전력으로 구동가능한 양호한 특성의 유전체, 압전체, 잉크 제트 헤드 및 잉크 제트 기록 장치를 제공하는 것이 가능하다.
전술된 제1 유전체 소자의 구성에 따르면, 결정 제어성이 개선되고 전기장 손실이 감소됨에 따라서 양호한 특성을 갖는 유전체 및 압전체를 작동시키는 것이 가능하다. 전술된 제2 유전체 소자의 구성에 따르면, 제1 유전체층의 막 두께를 증가시키지 않고 제2 유전체층과의 결정 격자의 정합성을 개선시켜서 기판 상에 양호한 특성의 유전체 및 압전체를 얻도록 제2 유전체층의 결정체 특성을 제어하는 것이 가능하다. 또한, 제1 층의 유전 특성 및 압전 특성을 개선하여, 소자의 특성을 전체적으로 개선하는 것이 가능하다.
본 명세서에서, 경사 구조는 층을 구성하는 특정 원소가 다른 원소에 대하여 막 두께 방향으로 증가하거나 또는 감소하는 구조를 의미한다. 특히, 원소가 제2 유전체층 쪽으로 증가되고, 그 조성(농도)을 변경시에 이 구성 성분의 조성의 최대 비율이 제2 층의 조성 비율이거나 그 이하인 구성을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, "실질적으로 존재 또는 포함하지 않는"은 다수의 원소나 구성 성분이 본 발명의 범주 내에 있고 본 발명의 요지로부터 벗어나지 않는 소정의 특성을 해치지 않는 불순물을 포함하는 경우를 의미한다.
전술한 유전성 소자의 제1 내지 제3 구성에서, 유전체층 내에서 제1 유전체층의 막 두께는 t1이고 제2 유전체층의 막 두께는 t2인 경우에 t2 > t1 인 것이 바람직하다. 양호하게는 t2 > 2 × t1 이며, 더욱 바람직하게는 t2 > 5 × t1 이다. 제1 유전체층이 더 두껍게 되기 때문에, 주 기능층으로서 작용하는 제2 유전체층의 비율이 증가하여 장치의 특성이 향상된다. 구체적인 막 두께와 관련해서, t1은 5 내지 800 nm이고, 바람직하게는 8 내지 500 nm이며, t2는 100 내지 8000 nm이고, 바람직하게는 90 내지 5000 nm이다. 제1 유전체층의 Ti 원소를 사실상 포함하지 않는 층의 막 두께는 1 내지 200 nm, 바람직하게는 2 내지 100 nm이다. 전체 유전체층의 막 두께는 100 nm 내지 5 ㎛이어야 한다. 바람직하게는 150 nm 내지 5 ㎛이다. 압전 적용예를 위해 유전체층을 사용하는 경우에, 바람직하게는 0.5 내지 10 ㎛이고, 더욱 바람직하게는 0.8 내지 5 ㎛이다. 본 발명은 25 ℃에서 제1 유전체층 및 제2 유전체층의 유전 상수가 상이하고 경계면 상의 제1 및 제2 유전체층의 격자 상수 사이의 차이는 ±4 퍼센트 내인 유전체이다.
유전 상수에 대해서는, 25 ℃에서 제1 유전체층의 유전 상수(ε1)와 25 ℃에서 제2 유전체층의 유전 상수(ε2)가 0.2≤ε1/ε2≤ 5 이도록 상이한 것이 바람직하다. 이하에 설명되는 제조 방법은 전체 막의 응력과 경계면 상에 제1 및 제2 유전체층의 격자 상수 사이의 편차를 감소시켜서 소자의 휨과 막 박리와 같은 문제가 해결되도록 한다.
전술한 구성에 더하여, 본 발명에 따르면, 유전체층을 형성하는 주 구성 성분으로서의 산화물은 바람직하게는 페로브스카이트(perovskite) 산화물이다. 특히, 제2 유전체층은 전술한 바와 같이 적어도 4개의 금속 원소 구성 성분을 포함하는 페로브스카이트 산화물이다. 이는 제1 유전체층의 선호 영역을 넓게 해서, 전극 상에 배향된 유전체층을 더욱 얻기 쉽게 된다.
본 발명에 따르면, 유전체층은 주로 산화물로 구성된다. 그러나, 유전체층의 구성은 미리 정해진 산화물로만 구성된 것과, 미리 정해진 산화물을 포함함으로써 얻어지는 소정의 유전 상수와 같은 특성을 해치지 않는 정도로 첨가하도록 요구된 미리 정해진 산화물 이외의 불순물 및 첨가물을 포함하는 것을 포함한다.
제1 및 제2 유전체층에 사용된 페로브스카이트 산화물은 릴렉서(relaxer) 산화물이다. 릴렉서 산화물이 PZT 산화물보다 더 바람직한 이유에 대해서는, 더 높은 유전 상수 및/또는 더 강한 압전성 및 전왜성(Electrostrictive)을 갖는 층이 달성될 수 있기 때문에 더 바람직하다
릴렉서 산화물의 구성 성분에 대해서는, Pb, Ti, Nb, Mg, Zn, Sc 및 Ni로부터 선택된 적어도 한 종류의 구성 성분을 갖는 것을 특징으로 한다. 더욱 정확하게는, PMN(Pb(Mg, Nb)O3), PZN(Pb(Zn, Nb)O3), PSN(Pb(Sc, Nb)O3), PNN(Pb(Ni, Nb)O3), PIN(Pb(In, Nb)O3), PST(Pb(Sc, Ta)O3), PMN-PT(Pb(Mg, Nb)O3-PbTiO3), PZN-PT(Pb(Zn, Nb)O3-ObTiO3), PNN-PT(Pb(Ni,Nb)O3-PbTiO3), PSN-PT(Pb(Sc, Nb)O3-PbTiO3), PIN-PT(Pb(In, Nb)O3-PbTiO3) 및 PST-PT(Pb(Sc, Ta)O3-PbTiO3)이다. 그 조성 비율은 약간 초과하는 퍼센트만큼 Pb를 포함하는 구성 성분 비율일 수 있다. 더 정확하게는, 화학양론적 혼합 비율에 대해 약 1.35 까지 초과하여 포함될 수 있다. Pb를 초과하여 포함함으로써 안정되고 양호한 특성의 압전성(이하에서, 압전성은 전왜성의 의미도 포함한다) 및 유전성을 달성하는 것이 가능하게 된다. 그리고, 산소 구성 성분은 또한 결정 특성 및 유전 상수에 부정적인 영향을 미치지 않는 정도로 변경된 조성을 가질 수 있다.
제2 유전체층의 릴렉서 산화물과 관련하여 더욱 정확하게는, x는 0.5 내지 0.8이고 y는 0.2 내지 0.5인 [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]x-[PbTiO3]y로 표시되는 산화물, x는 0.7 내지 0.97이고 y는 0.03 내지 0.3인 [Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]x-[PbTiO3]y로 표시되는 산화물, x는 0.4 내지 0.7이고 y는 0.3 내지 0.6인 [Pb(Sc1/22Nb1/2)O3]x-[PbTiO3]y로 표시되는 산화물, x는 0.6 내지 0.9이고 y는 0.1 내지 0.4인 [Pb(Ni1/3Nb2/3)O3]x- [PbTiO3]y로 표시되는 산화물, x는 0.2 내지 0.8이고 y는 0.2 내지 0.7인 [Pb(In1/2Nb1/2)O3]x-[PbTiO3]y로 표시되는 산화물, x는 0.2 내지 0.8이고 y는 0.2 내지 0.7인 [Pb(In1/2Nb1/2)O3]x-[PbTiO3]y로 표시되는 산화물, 및 x는 0.4 내지 0.8이고 y는 0.2 내지 0.6인 [Pb(Sc1/2Ta1/2)O3]x-[PbTiO3]y로 표시되는 산화물이다. 또한 전술한 PbTiO3의 등가물로써 Pb(Zr, Ti)O3와 Zr이 첨가되는 조성일 수도 있다. 그러나, 전자가 더 바람직하다. 이는 Zr 구성 성분이 Zr(Zr+Ti) 내에서 0.65 비율 이상이면, 기본 구성 성분 내의 증가로 인해 전체 조성이 변하고 결정화의 제어가 어려울 가능성이 있다. 전술한 PbTiO3의 조성을 Pb(1-a)AaTiO3와 같이 표시하기 위해, Pb 이외의 원소는 페로브스카이트 구조의 사이트 A 내에 원소 A로써 포함된다. 원소(A)는 바람직하게는 La, Ca 및 Sr로부터 선택된 원소이다. 특히, La가 바람직한 형태이며, La를 포함함으로써 결정 특성을 개선하는 효과가 있다. 제2층 내에 포함된 Ti 원소를 가짐으로써 결정화 온도는 상승하지만, 결정화는 상승을 억제하기 용이하게 되는 것을 고려할 수 있다. 여기서 0 ≤ a ≤ 0.7이고 바람직하게는 0 < a ≤ 0.3 이다.
전술한 물질들은 각각 제2 유전체층과 제2 압전체층에 사용되는 페로브스카이트 산화물이다. 이들이 제2 유전체층과 압전체층에 사용되는 경우, 제1 유전체층과 압전체층은 바람직하게는 [Pb(1-a)Aa(Zr,Ti)O3 또는] Pb(1-a)AaTiO3의 구성 성분이 각각 표시된 산화물 조성 공식으로부터 사실상 소거되는 조성을 갖는다.
더욱 정확하게는, 제1 유전체층과 압전체층의 주성분은 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3로 표시되는 산화물이고 제1 유전체층은 경사 구조부 내에 점차 증가되는 Ti원소를 갖는 층을 포함하고 제2층 내에 압전체층과 유전체층의 주성분은 [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]x-[PbTiO3]y로 표시되는 산화물이고, 제1 유전체층과 압전체층의 주성분은 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3로 표시되는 산화물이고 제1 유전체층은 경사 구조부 내에 점차 증가되는 Ti원소를 갖는 층을 포함하고 제2층 내에 압전체층과 유전체층의 주성분은 [Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]x-[Pb(1-a)AaTiO3]y로 표시되는 산화물이고, 제1 유전체층과 압전체층의 주성분은 Pb(Sc1/2Nb1/2)O3로 표시되는 산화물이고 제1 유전체층은 경사 구조부 내에 점차 증가되는 Ti원소를 갖는 층을 포함하고 제2층 내에 압전체층과 유전체층의 주성분은 [Pb(Sc1/2Nb1/2)O3]x-[Pb(1-a)AaTiO3]y로 표시되는 산화물이고, 제1 유전체층과 압전체층의 주성분은 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3로 표시되는 산화물이고 제1 유전체층은 경사 구조부 내에 점차 증가되는 Ti원소를 갖는 층을 포함하고 제2층 내에 압전체층과 유전체층의 주성분은 [Pb(Ni1/3Nb2/3)O3]x-[Pb(1-a)AaTiO3]y로 표시되는 산화물이고, 제1 유전체층의 주성분은 Pb(In1/2Nb1/2)O3로 표시되는 산화물이고 제1 유전체층은 경사 구조부 내에 점차 증가되는 Ti원소를 갖는 층을 포함하고 제2층 내에 유전체층의 주성분은 [Pb(In1/2Nb1/2)O3]x-[Pb(1-a)AaTiO3]y로 표시되는 산화물이고, 제1 유전체층과 압전체층의 주성분은 Pb(Sc1/2Ta1/2)O3로 표시되는 산화물이고 제1 유전체층은 경사 구조부 내에 점차 증가되는 Ti원소를 갖는 층을 포함하고 제2층 내에 유전체층의 주성분은 [Pb(Sc1/2Ta1/2)O3]x-[Pb(1-a)AaTiO3]y로 표시되는 산화물이다. 여기서, a, x, y 값은 전술한 바와 같다. 경사 원소는 전술한 Ti 이외에 La 또는 Ca 원소일 수 있다. 바람직하게는 Ti이다.
예컨대, 제1 유전체층은 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 이고 경사 구조부 내에 점차 증가하는 Ti원소를 갖는 층을 포함하고, 제2 유전체층은 [Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]x-[Pb(1-a)AaTiO3]y, 즉 제1 유전체층의 산화물 조성과 제2 유전체층의 산화물 조성 사이에 2 이상의 상이한 사이트-B 원소를 갖는 조합으로 표시되는, 제1 및 제2층 사이에 상이한 주성분을 갖는 산화물 층과 같은 조합일 수도 있다.
격자 상수 내에 차이가 제2 유전체층의 결정 제어성을 향상시키도록 제2 유전체층의 유전 상수까지 감소되고, 전극으로 되는 도전성 산화막 또는 금속 막 상에 쉽게 결정 제어되는 막이 된다는 점에서 제1 유전체층이나 압전체층에 경사 구조부를 제공하는 것이 바람직하다.
예컨대, 종래에 실시된 바와 같이 PbTiO3 막 상에 전술한 제2 유전체층과 등가의 릴렉서 산화물을 성막하는 경우에, 단지 다결정 기질이 얻어지는 것 외에, 페로브스카이트 구조를 달성하지 않고 파이로클로(pyrochlore) 상을 포함하는 층이 되기 쉽다. 다결정 기질이더라도, PbTiO3 층의 유전 상수는 전기장을 인가하는 경 우보다 100 미만으로 낮고, 제2 유전체층에 효율적으로 인가될 수 없다. 따라서, 소자로써 바람직하지 않다.
본 발명에 따른 제1 및 제2 유전체층 각각은 개별적으로 단결정화 층, 단일 배향층 또는 우선 배향층일 수 있다. 이런 구성에서 유전 상수가 제어되고 압전 특성이 양호한 유전체를 얻는 것이 가능하다. 압력에 대한 양호한 저항을 갖는 막도 될 수 있다. 유전체층의 바람직한 결정 배향은 (001), (110) 또는 (111)이고, 배향도는 30 퍼센트, 바람직하게는 50 퍼센트, 더 바람직하게는 70 내지 100 퍼센트이다. 이 100 퍼센트는 단일 배향 막과 에피택시하게(epitaxial) 단결정화된 막의 의미를 포함한다. 이 막들은 양립하는 상 및/또는 쌍 결정의 구조를 포함할 수 있다. 이들은 양립상 및/또는 쌍 결정의 구조를 포함함으로써 더욱 양호한 압전 특성의 막이 될 수 있다.
전술한 구성의 유전체 소자는 압전체 소자로써 적절하게 사용될 수 있다. 유전체 소자를 사용함으로써 양호한 토출 특성 등의 성능을 갖는 잉크 제트 기록 장치와 잉크 제트 헤드를 달성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 층들을 연속적으로 적층하여 제1 및 제2 유전체층을 조합한 층 구성으로써 유전체 소자 및 압전체 소자를 만드는 것도 가능하다. 이 방법을 실행함으로써 두꺼운 막이 되더라도 결정 특성이 파괴되지 않는 양호한 특성의 막을 달성할 수 있다.
도8 및 도9는 본 발명의 압전체 소자를 구비한 잉크 제트 헤드를 사용하는 잉크 제트 기록 장치의 개략도를 도시한다. 도9는 도8의 외장을 제거한 후의 동작 기구부를 도시한다. 동작 기구부는 기록 매체로서의 기록지를 장치 본체 내로 자동으로 이송하기 위한 자동 이송부(97)와, 자동 이송부(97)로부터 송출된 기록지를 미리 정해진 기록 위치로 유도하고 기록 위치로부터 토출구(98)로 기록지를 유도하기 위한 이송부(99)와, 기록 위치로 이송된 기록지 상에 기록하기 위한 기록부와, 기록부에 대한 회복 처리를 수행하기 위한 회복부(90)로 구성된다. 본 발명의 잉크 제트 헤드는 사용될 캐리지(92) 상에 배치된다. 도8은 프린터로서의 예를 도시한다. 그러나, 본 발명은 또한 팩스기, 복합기, 복사기 또는 산업용 토출 장치에 사용될 수도 있다.
다음, 본 발명의 제조 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 유전체의 제조 방법의 태양은 다른 성분에 대한 조성비가 경사 구조인 일 성분의 조성을 갖는 층을 적어도 갖는 제1 유전체층을 형성하는 단계 및 실질적으로 균일한 조성을 갖는 제2 유전체층을 형성하는 단계를 적어도 갖는다. 본 발명에 따른 유전체의 제조 방법의 다른 태양은 다른 성분에 대한 조성비가 경사 구조인 일 성분의 조성을 갖는 층을 적어도 갖는 제1 층을 형성하는 단계 및 성분의 원소가 유전체층의 성분 조성에 비교할 때 50 내지 150 몰% 정도 증가되는 재료 성분으로부터 제2 유전체층을 형성하는 단계를 갖는다. 유전체층은 사이트 A 및 B를 갖는 페로브스카이트 산화물인 것이 바람직하고, 여기서 50 내지 150 몰% 정도 증가된 성분은 사이트-B 원소인 것이 바람직하다.
더욱이, 유전체층은 릴렉서 산화물인 것이 바람직하다. 상술한 재료는 릴렉서 산화물로서 사용될 수 있다.
타겟 조성비에서 안정하게 유전체막을 형성하기 위해 유전체층의 성분 조성과 비교할 때 50 내지 150 몰% 정도 증가된 재료 성분으로부터 하나 이상의 성분을 형성하는 것이 가능하다. 특히 양을 증가시킴으로써 제어된 조성을 갖는 층이 제1 유전체층 및 제2 유전체층의 경사 구조부이다.
릴렉서 단결정막, 단일 배향막 또는 우선 배향막을 형성하는 방법은 종래에는 공지되어 있지 않다. 본 발명에 따라 이를 성취하는 것이 가능하다. 예를 들면, 스퍼터 제조법에 의해 PMN-PT 단결정막을 형성하는 경우, PT 성분의 결핍이 발생하기 쉽고 결정성이 랜덤하다. 본 발명은 막의 응력이 제어되는 소자를 얻기 위해 조성비의 제어성, 막의 치밀성 및 막의 결정성을 향상시키도록 그에 대해 효과적으로 작용할 수 있다.
본 발명에 따른 유전체 소자의 제조 방법의 태양은 전극 상에 형성된 제1 유전체층에 조성 경사 구조부를 형성하는 단계와, 제2 유전체층을 형성하도록 하나 이상의 금속 원소가 제1 유전체층의 조성에 첨가되는 금속 산화물을 갖는 릴렉서 유전체층을 형성하는 단계를 갖는다.
PZT 단결정막을 형성하는 예로서, PZT 막의 결정성은 상술한 일본 특허 출원 공개 평08-116103호의 버퍼층으로서 PbTiO3 층(PT 층)을 제공함으로써 향상된다. 이 방법에 따르면, PT 층의 유전 상수는 80 미만 정도로 낮고, PZT 층에 전기장을 제공하는 경우, PT 층에 인가된 전기장이 커지므로 소자로서의 효과적인 사용이 성취될 수 없다. 이로 인해, PZT 층은 PT 층의 막 두께를 초박막으로 함으로써 성막 되어야 한다. 그러나, 이 경우, PZT 층의 결정성이 열악해지는 문제점이 있다. 예를 들면 PMN-PT 막을 형성하기 위해 이 방법을 사용하는 경우, 동일한 문제점이 발생할 뿐만 아니라 PT 층의 막 두께가 증가되더라도 양호한 결정성의 막이 얻어질 수 없다. 본 발명은 이들 문제점을 해결하였다. 예를 들면, 이들 문제점을 해결하고 유전성 및 압전성이 우수한 재료 및 소자를 얻기 위해 PMN-PT의 PT 성분이 제1 유전체층으로서 경사 조성인 층 및 PMN 층을 형성하고 제2 유전체층으로서 상부에 PMN-PT 층과 같은 릴렉서 결정 배향성 산화물층을 형성하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 유전체의 제조 방법의 다른 태양은 기판 상에 전극을 형성하는 단계와, 다른 성분에 대한 하나 이상의 성분의 조성비가 경사 구조인 층을 적어도 갖는 제1 유전체층을 형성하는 단계와, 고정 비율로 경사 조성물의 성분을 포함하는 조성을 갖는 제2 유전체층을 형성하는 단계를 갖고, 여기서 25℃에서의 제1 유전체층의 유전 상수(ε1)와 25℃에서의 제2 유전체층의 유전 상수(ε2)는 상이하다. 이 제조 방법에 의해 특성(유전 상수 및 압전성)이 우수한 재료 및 소자를 얻는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 유전체 소자의 제조 방법의 다른 태양은 기판 상에 전극을 형성하는 단계와, 제1 및 제2 유전체층을 형성하는 단계를 갖고, 여기서 제2 유전체층은 4개 이상의 금속 원소 성분을 갖는 원소에 의해 형성되고, 제1 유전체층의 적어도 일부는 다른 성분에 대한 하나 이상의 금속 원소의 조성비가 경사지도록 4개 이상의 종류의 금속 원소 성분에 의해 형성된 산화물층에 의해 형성된다. 이 방법은 또한 금속 원소로서 상술한 원소가 선택된다.
본 발명은 본 발명의 압전체 및 압전체 소자의 제조 방법으로서 이하의 발명이다.
기판 상에 전극을 형성하는 단계와, 다른 성분에 대한 하나 이상의 성분의 조성비가 경사 구조인 층을 적어도 갖는 제1 압전체층을 형성하는 단계와, 고정 비율로 경사 조성의 성분을 포함하는 조성을 갖는 제2 압전체층을 형성하는 단계를 갖고, 여기서 25℃에서의 제1 압전체층의 유전 상수(ε1)와 25℃에서의 제2 압전체층의 유전 상수(ε2)가 상이한, 압전체의 제조 방법이다.
본 발명에 따른 압전체 소자의 제조 방법의 태양은 기판 상에 전극을 형성하는 단계와, 다른 성분에 대한 하나 이상의 성분의 조성비가 경사 구조인 층을 적어도 갖는 제1 압전체층을 형성하는 단계와, 고정 비율로 경사 조성의 성분을 포함하는 조성을 갖는 제2 압전체층을 형성하는 단계와, 25℃에서의 제1 압전체층의 유전 상수(ε1)와 25℃에서의 제2 압전체층의 유전 상수(ε2)가 상이하도록 제2 압전체층을 형성하는 단계와, 기판의 일부를 제거하는 단계를 적어도 갖는다.
본 발명에 따른 압전체 소자의 제조 방법의 제조 방법의 다른 태양은 기판 상에 전극을 형성하는 단계와, 다른 성분에 대한 하나 이상의 성분의 조성비가 경사 구조인 층을 적어도 갖는 제1 압전체층을 형성하는 단계와, 고정 비율로 경사 조성의 성분을 포함하는 조성을 갖는 제2 압전체층을 형성하는 단계와, 25℃에서의 제1 압전체층의 유전 상수(ε1)와 25℃에서의 제2 압전체층의 유전 상수(ε2)가 상이하도록 제2 압전체층을 형성하는 단계와, 압전체층들을 제2 기판에 접합하는 단계와, 제1 기판을 제거하는 단계를 적어도 갖는다.
이들 방법에 의해 양호한 특성의 압전체 및 압전체 소자를 얻는 것이 가능하다. 특히, 기계적 변위를 사용하는 액추에이터로서 사용될 때에도 막 박리가 없는 수명이 긴 소자를 얻는 것이 가능하다.
다음, 본 발명에 따른 경사 구조부의 제조 방법을 설명한다. 예를 들면 스퍼터 성막에 의해 경사 구조부를 제조하는 경우, 경사 조성을 갖는 원소가 변화되는 부분이 타겟 내에 형성되고, 이 부분은 플라즈마에 노출된 면적을 변화시키고 경사 구조부를 성막하기 위해 마스크로 차폐된다. 또는, 기판을 이동시킴으로써 기판을 성막하면서 경사 구조부를 제조하는 방법이 또한 존재한다. MO-CVD 성막의 경우, 경사 구조부를 성막하기 위해 원소 가스의 유량을 증가 및 감소시키는 방법이 종종 채택된다. 졸겔 성막의 경우, 성막을 위해 각각의 졸액(sol liquid)의 조성 농도를 변화시키고 이어서 이를 도포하는 방법을 사용하기에 충분하다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 유전체, 압전체, 압전체 소자 및 잉크 제트 헤드를 얻기 위해 적절하게 경사 구조부를 적합하게 제조하는 다른 방법을 선택하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 잉크 제트 헤드의 제조 방법은 기판 상에 전극을 형성하는 단계와, 다른 성분에 대한 하나 이상의 성분의 조성비가 경사 구조인 층을 적어도 갖는 제1 압전체층을 형성하는 단계와, 고정 비율로 경사 조성의 성분을 포함하는 조성을 갖는 제2 압전체층을 형성하는 단계와, 25℃에서의 제1 압전체층의 유전 상수(ε1)와 25℃에서의 제2 압전체층의 유전 상수(ε2)가 상이하도록 제2 압전체층을 형성하는 단계와, 기판의 일부를 제거하는 단계와, 잉크 유로를 형성하는 단계 와, 잉크 토출구를 형성하는 단계를 적어도 갖는다.
또한, 기판 상에 전극을 형성하는 단계와, 다른 성분에 대한 하나 이상의 성분의 조성비가 경사 구조인 층을 적어도 갖는 제1 압전체층을 형성하는 단계와, 고정 비율로 경사 조성의 성분을 포함하는 조성을 갖는 제2 압전체층을 형성하는 단계와, 25℃에서의 제1 압전체층의 유전 상수(ε1)과 25℃에서의 제2 압전체층의 유전 상수(ε2)가 상이하도록 제2 압전체층을 형성하는 단계와, 압전체층들을 제2 기판에 접합하는 단계와, 제1 기판을 제거하는 단계와, 잉크 유로를 형성하는 단계와, 잉크 토출구를 형성하는 단계를 적어도 갖는 잉크 제트 헤드의 제조 방법이다.
또한, 기판 상에 전극을 형성하는 단계와, 다른 성분에 대한 하나 이상의 성분의 조성비가 경사 구조인 층을 적어도 갖는 제1 압전체층을 형성하는 단계와, 고정 비율로 경사 조성의 성분을 포함하는 조성을 갖는 제2 압전체층을 형성하는 단계와, 25℃에서의 제1 압전체층의 유전 상수(ε1)와 25℃에서의 제2 압전체층의 유전 상수(ε2)가 상이하도록 제2 압전체층을 형성하는 단계와, 압전체층들을 제2 기판에 접합하는 단계와, 제1 기판을 제거하는 단계와, 잉크 유로를 형성하는 단계와, 잉크 토출구를 형성하는 단계를 적어도 갖는 잉크 제트 헤드의 제조 방법이다.
본 발명의 잉크 제트 헤드를 도1을 참조하여 설명한다. 도1은 잉크 제트 헤드의 개략도이고, 여기서 도면 부호 1은 토출구를 나타내고, 2는 개별 액체 챔버(3)를 토출구(1)에 연결하는 연통 구멍(액체 유로)을 나타내고, 4는 공통 액체 챔버를 나타내고, 5는 진동판을 나타내고, 6은 하부 전극을 나타내고, 7은 압전막(압 전체층)을 나타내고, 8은 상부 전극을 나타낸다. 압전막(7)은 도1에 도시된 바와 같이 직사각형이다. 이 형상은 직사각형 이외에 타원형, 원형 또는 평행사변형일 수도 있다. 본 발명의 압전막(7)은 도2를 참조하여 더욱 설명될 것이다. 도2는 도1의 압전체 막을 폭방향으로 도시한 개략도이다. 도면 부호(9)는 본 발명의 제1 압전체 층을 나타내고, 도면 부호(10)는 제1 층 내에 경사 구조부를 갖는 제2 압전체 층을 나타내고, 도면 부호(5)는 진동판을 나타내고, 도면 부호(6)는 하부 전극을 나타낸다. 진동판과 하부 전극 사이에 결정 특성을 제어하는 버퍼층이 있을 수 있다. 상부 및 하부 전극은 다층 구성을 가질 수 있다. 제1 압전체 층(9) 및 제2 압전체 층(10)을 포함하는 압전막(7)의 단면은 직사각형으로 표현되었지만, 사다리꼴이나 역사다리꼴일 수도 있다. 제1 압전체 층(9) 및 제2 압전체 층(10)의 구성 순서는 뒤바뀔 수도 있다. 제1 압전체 층(9) 및 제2 압전체 층(10)의 구성은 소자 제조 방법으로 인해 역전될 수도 있고, 역전되더라도 본 발명의 효과는 마찬가지로 달성될 수 있다.
하부 전극(6)은 압전막(7)이 존재하지 않는 위치에까지 연장되고, 상부 전극은 하부 전극 대향측(도시되지 않음)까지 연장되어 전원에 연결된다. 도1 및 도2는 하부 전극이 패턴화된 상태를 도시하고, 압전막을 갖지 않는 부분 내에 존재할 수도 있다.
본 발명의 잉크 제트 헤드의 진동판(5)은 0.5 내지 10 ㎛의 두께일 수 있고, 바람직하게는 1.0 내지 6.0 ㎛의 두께일 수 있다. 버퍼층이 있는 경우에, 이 두께는 버퍼층의 두께를 포함한다. 전극의 막 두께는 0.05 내지 0.4 ㎛의 두께이고, 바람직하게는 0.08 내지 0.2 ㎛의 두게이다. 개별 액체 챔버(12)의 폭(Wa)은 30 내지 180 ㎛이다(도5 참조). 길이(Wb)는 토출된 액적의 양에 따라 0.3 내지 6.0 mm이다(도5 참조). 토출구(1)의 형상은 원형 또는 별형상이다. 바람직하게는 2 방향으로 팽창된 연속되는 구멍의 테이퍼 형상을 가진다. 연속 구멍(2)의 길이는 바람직하게는 0.05 내지 0.5 mm이다. 이를 초과하면, 액적의 토출 속도가 감소한다. 이보다 작으면, 각 토출구로부터의 액적의 토출 속도가 매우 커질 수 있다.
진동판에 주로 사용되는 재료는 Sc와 Y 및/또는 Si를 포함하는 희토류 원소에 의해 도핑 처리된 ZrO2, BaTiO3, MgO, STO 및 MgAl2O4 와 같은 산화물이다. Si는 B원소와 같은 불순물 원소를 포함할 수 있다. 주성분으로써 이 재료들을 갖는 진동판은 특별하게 제어된 소정의 결정 구조를 갖는다. (100), (110) 또는 (111)의 결정 구조가 80 퍼센트 이상의 강도에서, 바람직하게는 99 내지 100 퍼센트의 강도에서 배향되는 것이 바람직하다. 여기서, "99 퍼센트"라는 것은 주 배향으로부터 상이한 배향이 XRD 강도의 1 퍼센트만큼 존재한다는 것을 의미한다.
전극 재료는 금속 재료 또는 산화 재료이다. 금속 재료는 Au, Pt, Ni, Cr, Ir 등이며, Ti 및 Pb를 갖는 적층 구조일 수도 있다. 산화 재료는 La 또는 Nb에 의해 도핑된 STO, SRO, IrO2, RuO2, Pb2Ir2O7 등이다. 이들에 대해서는, 상부 및 하부 전극 중 적어도 하나가 전술한 결정 구조를 갖는 것이 바람직하다. 상부 및 하부 전극의 재료와 구성은 서로 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 이들 중 하나는 공통 전극이고, 다른 전극은 구동 전극이 된다.
다음으로, 본 발명의 제조 방법이 설명된다. 도3a 내지 도3d는 본 발명에 따른 유전체 소자의 제조 공정이다. 본 발명은 적어도 기판(21) 상에 전극을 제공하는 단계와, 그 위에 제1 유전체층(24)을 제공하는 단계와, 그 위에 제2 유전체층(25)을 제공하는 단계를 갖는다. 또한 유전체 소자로써 상부 전극(26)도 갖는다. 기판(21)은 MgO, STO, ZrO2, Si 기판이고, 바람직하게는 단결정 기판이다. 이들은 불순물 원소를 포함할 수 있다.
제1 및 제2 유전체층 성막 방법은 스퍼터 기술, MO-CVD 방법, 레이저 에블레이션(ablation) 방법, 졸-겔 방법, MBE 방법 등이고, 바람직하게는 스퍼터 기술, MO-CVD 방법 및 졸-겔 방법이고, 더 바람직하게는 스퍼터 기술이다.
기판(21) 상에 전극을 제공하는 단계로써, 전극 재료가 특정 방향으로 그것을 배향함으로써 성막된다. 전극을 성막하기 전에 기판 상에 배향을 제어하는 버퍼층(22)을 제공하는 것이 바람직하다. 버퍼층의 재료는 바람직하게는 격자 상수가 8 퍼센트 이하의 차이로 기판과 정합하는 재료이다. 예컨대, 버퍼층의 재료는 바람직하게는 스퍼터 기술, MO-CVD 방법 및 레이저 에블레이션 방법에 의해 성막될 수 있는 산화물이다. 예컨대, 바람직하게는 격자 상수가 3.6 Å 내지 6.0 Å인 결정 구조를 갖는 입방 결정 또는 모조 입방 결정이다.
예컨대, 구체적인 구성은 Zr0.97Y0.03O2(100)/Si(100), Zr0.97Y0.03O2(111)/Si(111), Zr0.97Y0.03O2(110)/Si(110), Zr0.7Pr0.3O2(100)/Si(100), Zr0.7Pr0.3O2(111)/Si(111), Zr0.7Pr0.3O2(110)/Si(110), SrTiO3(111)/Si(100), SrTiO3(110)/Si(110), SrTiO3(100)/MgO(100), SrTiO3(111)/MgO(111), MgAl2O4(100)/MgO(100), BaTiO3(001)/MgO(100) 등이다. 여기서, Zr0.97Y0.03O2의 격자 상수는 5.16 Å이고, Zr0.7Pr0.3O2의 격자 상수는 5.22 Å이고, SrTiO3의 격자 상수는 3.91 Å이고, MgO의 격자 상수는 4.21 Å이고, MgAl2O4의 격자 상수는 4.04 Å이고, BaTiO3의 격자 상수는 3.99 Å이고, Si의 격자 상수는 5.43 Å이다. 격자 상수의 정합성을 계산하기 위해, Zr0.97Y0.03O2(111)/Si(111)을 취하면, 예컨대 Zr0.97Y0.03O2(111)는 5.16 × √2 = 7.30 Å이고, Si(111)은 5.43 Å × √2 = 7.68 Å여서, 정합성의 차이는 4.9 퍼센트로 양호하다는 것을 입증한다.
이런 버퍼층 상에 제공될 전극에 대해서는, Zr0.97Y0.03O2(100)는 Pt(111), Ir(111), SrRuO3(111), Sr0.96La0.04TiO3(111), Sr0.97Nb0.03TiO3(111), BaPbO3(111) 등이 그 위에 성막된다. Zr0.97Y0.03O2(111)는 Pt(100), Ir(100), SrRuO3(100), Sr0.96La0.04TiO3(100), Sr0.97Nb0.03TiO3(100), BaPbO3(100) 등이 그 위에 성막된다. Zr0.97Y0.03O2(110)는 Pt(110), Ir(110), SrRuO3(110), Sr0.96La0.04TiO3(110), Sr0.97Nb0.03TiO3(110), BaPbO3(110) 등이 그 위에 성막된다. Zr0.7Pr0.3O2의 시스템도 동일한 결정 시스템으로 성막된다. SrTiO3(111)는 Pt(111), Ir(111), SrRuO3(111), Sr0.97La0.03TiO3(111), Sr0.97Nb0.03TiO3(111), BaPbO3(111) 등의 (111)막이 그 위에 형 성된다. (100)막은 그 위에 형성된 (100) 전극막을 갖고, (110)막은 그 위에 형성된 (110) 전극막을 갖는다. BaTiO3(001)과 MgAl2O4(100)은 그 위에 제공된 (100) 전극막을 갖는다.
기판 상에 버퍼층이 없이 전극을 갖는 예에 대해서는, Pt(111)/Ti/Si, Ir(111)/Ti/Si, IrO2(100)/MgO(100), SrRuO3(100)/SrTiO3(100), SrRuO3(111)/SrTiO3(111), Pt(100)/MgO(100), Pt(111)/MgO(111), Pt(110)/MgO(110), Ir(100)/MgO(100), Ru(100)/MgO(100) 등이다.
본 발명은 전술한 구성 중 임의의 것을 취할 수 있다.
적어도 제1 및 제2 유전체층은 이들의 하부 전극 상에 성막된다. 상부 전극은 제2 유전체층을 성막한 후에 제공된다. 유전체층에 사용되는 재료는 전술한 바와 같다. 제1 유전체층이 재료로써 약간 초과하는 양의 Pb 구성 성분에 의해 성막되는 것이 바람직하다. 제2 유전체층은 재료의 조성 비율이 조성의 타겟 비율에 대해 50 내지 150 몰 퍼센트만큼 증가하는 조건으로 제1 유전체층의 일 구성 성분의 적어도 하나의 원소를 다른 구성 성분에 추가함으로써 성막된다. 예컨대, 막의 타겟 조성이 [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.67-[Pb(1-a)AaTiO3]0.33인 경우, 스퍼터 성막의 경우에 타겟 조성은 [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.67-[Pb(1-a)AaTiO3]0.66와 같이 증가된 Pb(1-a)AaTiO3 구성 성분을 가져야 한다. 이들은 다른 재료에도 적용된다. 이로 인해, 조성의 타겟 비율에 대한 얇은 막을 달성하여, 양호한 유전 및 압전 특성을 달성할 수 있다. 재 료 내에 납을 과도하게 포함하는 형태도 바람직하다. 따라서, 납은 유전체층과 압전체 층 내에도 약간 과도하게 포함될 수 있다.
Pb(Zn1/3Nb2/3)O3와 [Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]x-[Pb(1-a)AaTiO3]y 층을 형성하는 경우에, Zn 성분이 낮은 증기압을 갖고 막 내에 포함되기 어려울 수 있기 때문에 재료 내에 Zn 성분을 과도하게 포함하는 것이 바람직하다.
상부 전극용 재료는 전술한 하부 전극 재료와 같거나 상이할 수 있다. 성막 방법도 전술한 바와 같다. 전극층의 밀착성을 향상시키도록 밀착층을 제공하고 전극층을 다층 구조로 하는 것이 바람직하다.
경사 구조부의 조성은 도면을 이용하여 개략적으로 설명된다. 도10 및 도11에서, 수평축은 막 두께이고, 수직축은 특정 원소의 조성 비율이다. y절편의 위치는 설명을 위해 의도적으로 편향되어 상이하다. 도10의 라인(1)은 고정된 비율로 증가하는 경사 구조부를 도시하고, 라인(2)은 제2층에 근사한 고정된 비율로 거의 변화가 없는 층이 되는 예를 도시하고, 라인(3)은 전극에 근사한 고정된 조성의 층을 갖는 예를 도시한다. 도11의 라인(4)은 복수의 단계적인 층을 갖는 예를 도시하고, 라인(5)은 상이한 증가 비율의 복수개의 층이 존재하는 예를 도시하고, 라인(6)은 제2 층 측에서는 균일하고 전극측에서는 조성이 변하는 예를 도시한다. 본 발명은 이에 한정되지 않고, 제1 층 내에 부분들 중 하나에 도시된 형태로 경사부가 존재하기 때문에 제2 층의 성막을 제어 가능하게 달성할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 잉크 제트 헤드의 제조 방법이 설명된다. 본 발명의 제조 방법은 유전체를 성막하는데 사용되는 기판 상에 압력 챔버가 될 개별 액체 챔버를 제공하는 2가지 방법과, 다른 기판 상에 개별 액체 챔버를 제공하는 방법을 채택한다.
전자의 방법은 압전체 층을 제공하는 단계까지는 유전체의 제조 방법과 동일하며, 적어도 기판(21)의 부분을 제거하는 단계와 잉크 토출구를 형성하는 단계를 더 포함한다. 기판의 부분을 제거함으로써 개별 잉크 챔버(도1의 12)를 형성한다. 개별 잉크 챔버의 제조 방법에 대해서는, 기판의 습식 에칭, 건식 에칭 및 샌드-밀링(sand-milling)에 의해 제조될 수 있다. 복수의 개별 액체 챔버는 소정 수의 피치만큼 기판 상에 형성된다. 잉크 제트 헤드의 평면 배치를 도시한 도4에 도시된 바와 같이, 개별 액체 챔버(12)를 엇갈리게 배열하는 것이 바람직하다. 도4에서, 파선으로 도시된 도면 부호(12)의 영역은 압력이 가해지는 개별 액체 챔버이고, 도면 부호(7)는 패턴화된 압전체 소자부이다. 이 압전체 소자부의 압전막은 박막의 제1 압전체 층, 그보다 더 두꺼운 제2 압전체 층 및 상부 전극으로 구성된다. 도면 부호(5)는 진동판부와 하부 전극이다. 진동판과 다르게, 하부 전극은 도3a 내지 도3d에서 패턴화될 수 있다. 개별 액체 챔버의 형상은 Si (110)기판이 기판으로 사용되고 개별 액체 챔버가 알칼리에 의한 습식 에칭을 수행함으로써 형성되는 경우에, 형상을 대표적으로 나타내도록 평행사변형으로 도시된다. 다르게는 직사각형일 수도 있다. 도5에 도시된 평행사변형의 경우에, 토출구(1, 30) 사이의 거리를 감소시키도록 평행사변형과 같이 패턴화된 압전막을 갖는 것이 바람직하다. 도5는 전체 개별 액체 챔버의 평면도를 도시하고 있으며, 상부 전극(26)은 개별 액 체 챔버(12)로부터 연장된 도면 부호(13)의 영역을 이용함으로써 구동 회로에 결합된다. 도면 부호(14)는 공통 액체 챔버로부터 개별 액체 챔버까지의 유동 통로를 한정한다. 압전체 층은 도5 내에 이 부분까지 존재하고, 그렇지 않을 수도 있다.
잉크 토출구는 토출구(1)가 제공된 기판을 결합하거나 토출구(1)와 연속 구멍(2)이 형성된 기판을 결합하는 방법에 의해 소자로 된다. 토출구를 형성하는 방법에 대해서는, 에칭, 기계 가공 도는 레이저 조사에 의해 형성된다. 토출구가 형성되는 기판은 압전막이 형성되는 기판과 동일하거나 다를 수 있다. 상이한 경우에는, 기판이 SUS 기판, Ni 기판 등으로부터 선택되고, 여기서 압전 막이 형성되는 기판에서의 열 팽창 계수 차는 1 x 10-6/℃ 내지 1 x 10-8/℃ 의 재료로부터 선택될 수 있다.
기판을 연결하는 방법은 유기 접착제를 사용하는 방법일 수 있다. 그러나, 유기 재료와의 금속 접합을 이용하는 방법이 바람직하다. 금속 접합에 사용되는 재료는 In, Au, Cu, Ni, Pb, Ti, Cr 등이고 이것들은 250 ℃ 이하의 저온에서 접합 가능하고 기판에서의 열 팽창 계수 차는 더 작아진다. 따라서, 소자의 휨으로 인한 문제가 피해질 수 있고 압전체층 상에 손상이 없으므로 바람직하다.
다음으로, 후속 제조 방법이 설명된다.
후속 방법은 제1 기판 상에 제공된 압전 막을 제2 기판으로 전사하는 방법이다. 그 방법은 압전체층이 제공될 때까지는 도3a 내지 도3b에 도시된 방법과 동일하다. 그러나, 진동판(5)은 진동판을 통해 제2 기판으로 전사하기 위해 압전체층 을 가지지 않는 상태에서 상부 전극 상에 성막된다. 제2 기판은 예를 들어 도6a 내지 도6d에 도시된 단계에서 그 상에 형성된 개별 액체 챔버(12), 연속 구멍(2) 및 공통 액체 챔버(4)를 구비한다. 도6a는 개개의 액체 챔버에 따른 마스크를 제2 기판 상에 형성하는 단계를 도시한다. 도6b는 상부로부터 에칭 등에 의해 처리되는 단계를 도시한다(음영 영역은 처리부를 나타낸다). 도6c는 마스크를 제거하고 연속 구멍(2)을 위한 마스크를 만들어내는 단계를 도시한다. 도6d는 에칭 등에 의해 음영 영역을 처리하여 연속 구멍 및 공통 액체 챔버를 형성하는 단계를 도시한다. 도6e는 마스크를 제거하여 개별 액체 챔버, 연속 구멍 및 공통 액체 챔버가 형성된 상태를 개략적으로 도시한다. 도6f는 토출구를 구비한 기판과 그 위에 형성된 공통 액체 챔버의 일부를 접합하는 단계를 도시한다. 토출구를 가지는 기판 표면(16)은 발수 처리를 거치는 것이 바람직하다.
제1 기판의 압전체층에 접합되는 제2 기판은 도6e 또는 도6f의 상태에서 사용된다. 도7은 제1 기판이 압전체 소자로부터 제거되고 압전체층이 접합 후에 패터닝된 상태를 도시한다. 도7에서의 후속 제조 방법에 의해 얻어진 진동판(5) 측으로부터 압전체층의 적층 순서는 제2 압전체층 및 그 다음에 제1 압전체층의 순서이다. 참조부호 8은 제1 기판에 제공된 하부 전극에 상응한다. 후속 방법에서 하부 및 상부 전극의 위치는 선행 방법과는 반대이다.
후속 방법과는 별도로, 제1 기판을 제거하기 위해 압전체층을 전사하고 제2 기판 상에 진동판을 형성하는 방법이 제공된다. 그 경우에 압전체층은 패터닝되거나 패터닝되지 않을 수 있다. 이 단계를 채택하는 경우에, 하부 전극으로서 금속 접합부를 사용하는 것이 바람직하다.
이하에, 본 발명의 실시예가 설명된다.
(제1 실시예)
Pt(100) 배향 막이 MgO(100) 기판 상에 120 nm의 두께로 형성되고, 본 발명의 제1 유전체층이 590℃의 기판 온도에서 Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3 및 Pb 조성량이 10 몰 퍼센트로 과잉된 타겟을 이용하여 마그네트론 스퍼터링에 의해서 10 nm의 두께로 형성되었다. 제1 층은 납에 대한 Ti 원소를 5 내지 25 몰 퍼센트로 순차적으로 변화시킴으로써 그 상에 형성되었다. 전체 제1 층의 막 두께는 50 nm이다.
PMN-PT 층([Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3]0.67 - [PbTiO3]0.33)의 제2 유전체층은 620℃의 기판 온도에서 제1 층 상에 성막되고 양호한 결정 배향성을 가지는 100 nm의 박막이 얻어졌다. 이 경우에 타겟으로서, 그린 컴팩트가 사용되고 이것은 100%로 과잉된 PbTiO3 성분의 분말과 PMN 분말을 혼합하여 열처리를 통해 생성되었다. 더 상세하게는, 타겟 조성으로서 ([Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3]0.67 - [PbTiO3]0.66)이 사용되었다. 조성의 타겟비와 양호한 결정성의 박막은 상기한 작용에 의해 얻어질 수 있었다. (001) 결정 배향성은 XRD의 21.48도의 피크 강도의 57%이었다. 25℃에서의 제1 유전체층의 유전 상수는 510이고 전체 압전체층의 유전 상수는 260이므로, 제2 층의 유전 상수는 530으로 계산되었다. 유전 상수는 막의 응력이 감소되고 사이트-B 소자들이 보다 쉽게 제거될 수 있어서 그러한 큰 값이 되었다. 따라서, 제2 유전체층에 인가된 전압은 제1 유전체층에 인가된 것에 1.9배이고, 5V의 구동에서 제2 유전체 층에 인가된 전압은 3.3V로 된다.
Pb0 .7La0 .3TiO3를 이용하여 PbTiO3를 성막하는 경우에, 제2 층의 성막 온도는 590℃로 감소될 수 있고, 또한 막의 결정성은 78%로 향상되었다.
제2 유전체층을 150 nm 두께로 형성하는 경우에, 그 결정성은 78%의 결정성의 제2 유전체층을 얻기 위해 더욱 향상되었다. 이 경우에, 제2 유전체층에 인가된 전압은 약 2.9배로서 3.7V 이상의 전압이 인가될 수 있었다.
PMN-PT 층은 상기 방법에 의해 2.2 ㎛ 두께로 형성되었다. 더욱이, Cr 층은 스퍼터링 성막에 의해 2.0 ㎛ 두께로 형성되었다. Au 층이 Cr 층 상에 100 nm 두께로 제공되고 Pt 금속 접합부에 의해 Si(110) 기판에 접합되고, 그 기판 상에는 개별 액체 챔버 및 연속 구멍이 도5에서와 같이 제공되었다. 그 후에, MgO 기판은 아세트산, 질산 및 염화암모늄을 포함하는 혼합 산에 의해 에칭 제거되었다. Pt 층, PMN 층 및 PMN-PT 층은 건식 프로세스에서 에칭되고 개별 액체 챔버를 따라 패터닝되었다. 개별 액체 챔버의 폭과 길이는 6.0 ㎛ 및 1.8 mm이고, 상부에 배치된 압전체층의 폭과 길이는 50 ㎛ 및 2.2 mm이었다. 연속 구멍의 직경은 150 ㎛Φ이고 토출구에 대해서는 30 내지 12 ㎛Φ의 테이퍼 형상이 사용되었다. 1열에 300 dpi 밀도에서 배치된 150 토출구를 가지는 잉크 제트 헤드가 얻어졌다. 3.5 cps의 수용액은 이러한 헤드에 의해 배출되었다. 2.7 pl의 액적량과 8.9 m/초의 방출속도에서 양호한 성능으로 배출될 수 있었다. 토출구의 배출 속도 차는 ±2.9 퍼센트이었다. 내구성 시험의 결과로서의 저항이 또한 양호하였다.
(비교예 1)
제1 실시예에서 사용된 버퍼 층이 단결정 PbTiO3 층으로 변경된 것을 제외하고는 제2 유전성 층은 제1 실시예에서와 같이 성막하였다. PMN-PT 층은 파이로클로 상을 포함하므로 양호한 박막이 얻어질 수 없었다. 그리고, 압전체층으로서 후막으로 된 경우의 압전 특성도 불량하였다.
(제2 내지 제6 실시예)
잉크 제트 헤드는 제1 실시예와 비교하여 각 유전체층의 조성을 변경시켜 표 1에 기술된 구성으로 제작되었다. 어떤 경우에도, 양호한 (001) 배향성 박막이 얻어질 수 있었다. 그런데, 표1에서의 조성은 조성식이다. ICP 분석 결과, Pb는 1.02 내지 1.25의 범위로 과잉되고 그 경우에 특히 특성이 양호하였다. 그 표에서의 조성비는 납에 대한 경사 성분의 납에 상당하는 몰%의 값이다. 또한, 제1층의 두께는 경사 구조부를 포함하는 막 두께이다.
Figure 112005010143514-PAT00001
(제7 실시예)
SOI 층(100)이 2 ㎛ 두께이고 SiO2 층이 0.2 ㎛ 두께이며 처리층 Si(110)이 650 ㎛ 두께인 SOI 기판을 사용하여 SOI 층 상의 YSZ(100)층을 0.1 ㎛ 두께로 성막하였다. 그 위에 0.15 ㎛의 Ir(111) 단일배향막이 형성되었고, 제1층의 전극측 조성이 Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3이었고 경사 구조부는 전체 막 두께가 0.2 ㎛이도록 8 내지 33 퍼센트 증가된 Ti 원소를 가졌다. [Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3]0.67 - [Pb0 .7La0 .3TiO3]0.33의 조성식으로 표시된 제2층이 2.5 ㎛ 두께로 그 위에 성막되었다. 제1층은 Pb 성분이 15% 과잉된 타겟을 사용하여 성막되었고, 제2층은 제2층의 압전체층이 (111) 배향의 89%의 결정성을 가지도록 [Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3]0.67 - [Pb0 .7La0 .3TiO3]0.6의 조성이면서 납이 10% 과잉된 타겟을 이용하여 성막되었다. 제1 실시예와 같이, SOI 기판의 처리층에 개별 액체 챔버를 제작하여 잉크 제트 헤드로서 구성되게 하였다. 이러한 헤드는 막 박리와 같은 문제없이 양호한 특성을 가지는 것으로 확인되었다. 이러한 압전체층의 유전 상수(ε1)는 500이고 제2층의 유전 상수(ε2)는 620이었다. 이 경우에 잉크 제트 헤드의 진동판으로서, SOI 층의 Si(100)는 진동판으로 기능하고, SiO2 층은 습식 에칭시의 에칭 정지층 및 진동판의 일부로서 기능한다.
(제8 실시예)
제7 실시예에서 제작된 방법으로 잉크 제트 헤드가 제작되었고, 압전체층은 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3이었고, 경사 구조부는 전체 막 두께를 0.1 ㎛와 [Pb(Mg1 /3Nb2 /3)O3]0.67 - [Pb0 .7La0 .3TiO3]0.33의 조성식으로 표시된 0.5 ㎛ 두께의 제2층을 조합하여 8 내지 33%로 증가된 Ti 원소를 가졌다. 조합하여 적층된 층은 잉크 제트 헤드를 2.4 ㎛ 두께의 압전체층으로 제작하도록 4개의 층으로서 순차적으로 반복되었다. 양호한 결정성의 압전막을 가지는 원소가 얻어졌고 디바이스로서의 특성도 양호하였다.
본 발명에 의하면, 박막화함에 의해서 부적절한 소결 및 경계의 결함 구조의 문제점이 없는 전자 장치가 제공될 수 있다

Claims (25)

  1. 상부 전극층과 하부 전극층 사이에 제공된 유전체층을 갖는 유전체 소자이며,
    상기 유전체층은 조성이 서로 상이한 제1 유전체층과 제2 유전체층을 갖고, 제1 유전체층의 적어도 일 성분의 조성은 제1 유전체층과 제2 유전체층 사이의 경계의 근접부에서 제1 유전체층의 두께 방향에 대하여 변화되는 유전체 소자.
  2. 상부 전극층과 하부 전극층 사이에 제공되는 유전체층을 갖는 유전체 소자이며,
    상기 유전체층은 제1 유전체층과 제2 유전체층을 갖고, 상기 제2 유전체층은 4개 이상의 금속 원소 성분에 의해서 형성된 산화물로 주로 구성된 층이고, 상기 제1 유전체층은 상부 전극층과 하부 전극층 중 하나의 근접부에서 상기 4개 이상의 금속 원소 성분 중 적어도 하나의 성분이 실질적으로 존재하지 않기 때문에 나머지 3개 이상의 금속 원소 성분에 의해서 형성된 산화물로 주로 구성되고, 적어도 하나의 성분의 조성이 제2 유전체층의 경계의 근접부에서 제1 유전체층의 두께 방향에 대하여 변화되는 유전체 소자.
  3. 상부 전극층과 하부 전극층 사이에 제공되는 유전체층을 갖는 유전체 소자이며,
    상기 유전체층은 제1 유전체층과 제2 유전체층을 갖고, 상기 제1 유전체층의 주성분은 상부 전극층과 하부 전극층 중 하나의 근접부에서 Ti 원소를 실질적으로 포함하지 않는 산화물이고, Ti 성분의 조성은 상기 제2 유전체층의 경계의 근접부에서 상기 제1 유전체층의 두께 방향에 대하여 변화하고, 상기 제2 유전체층의 주성분은 Ti 원소를 갖는 산화물인 유전체 소자.
  4. 상부 전극층과 하부 전극층 사이에 제공되는 유전체층을 갖는 유전체 소자이며,
    상기 유전체층은 제1 유전체층과 제2 유전체층을 갖고, 상기 제1 유전체층의 조성은 상기 제1 유전체층의 두께 방향에 대하여 변화하고, 상기 제1 유전체층과 상기 제2 유전체층의 25 ℃에서의 유전 상수는 서로 상이한 유전체 소자.
  5. 제1항에 있어서, 조성이 변화하는 상기 제1 유전체층의 부분의 막 두께가 t1이고 상기 제2 유전체층의 막 두께가 t2 일 경우에, t2 > 2 ×t1 인 유전체 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 유전체층과 상기 제2 유전체층의 경계면에서의 격자 상수 사이의 차이는 차이는 ±4 퍼센트 이내인 유전체 소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유전체층의 주성분은 페로브스카이트 산화물인 유전체 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 페로브스카이트 산화물은 릴렉서 산화물인 유전체 소자.
  9. 제8항에 있어서, 상기 릴렉서 산화물의 성분은 적어도 Pb 및 Ti를 포함하고, Mg, Zn, Sc, Ni, Ta, Nb 및 In 으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함하는 유전체 소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 유전체층의 전극의 주성분은 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 로 표시되는 산화물이고, 상기 제2 유전체층의 주성분은 [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]x - [Pb(1-a)AaTiO3]y (여기서, A는 La 및 Ca로부터 선택된 원소이고, a는 0 내지 0.3, x는 0.5 내지 0.8, 그리고 y는 0.2 내지 0.5) 로 표시되는 산화물인 유전체 소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 유전체층의 전극의 주성분은 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 으로 표시되는 산화물이고, 상기 제2 유전체층의 주성분은 [Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]x - [Pb(1-a)AaTiO3]y (여기서, x는 0.7 내지 0.97 이고, y는 0.03 내지 0.3) 으로 표시되는 산화물인 유전체 소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 유전체층의 전극의 주성분은 Pb(Sc1/2Nb1/2)O3로 표시되는 산화물이고, 상기 제2 유전체층의 주성분은 [Pb(Sc1/2Nb1/2)O3]x - [Pb(1-a)AaTiO3]y (여기서 x는 0.4 내지 0.7 이고, y는 0.3 내지 0.6) 로 표시되는 산화물인 유전체 소자.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 유전체층의 전극의 주성분은 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3 로 표시되는 산화물이고, 상기 제2 유전체층의 주성분은 [Pb(Ni1/3Nb2/3)O3]x - [Pb(1-a)AaTiO3]y (여기서, A는 La 및 Ca 로부터 선택된 원소이고, a는 0 내지 0.3이고, x는 0.6 내지 0.9 이고, y는 0.1 내지 0.4) 로 표시되는 산화물인 유전체 소자.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 유전체층의 전극의 주성분은 Pb(In1/2Nb1/2)O3 로 표시되는 산화물이고, 상기 제2 유전체층의 주성분은 [Pb(In1/2Nb1/2)O3]x - [Pb(1-a)AaTiO3]y (여기서, A는 La 및 Ca 로부터 선택된 원소이고, a는 0 내지 0.3이고, x는 0.3 내지 0.8 이고, y는 0.2 내지 0.7) 로 표시되는 산화물인 유전체 소자.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1 유전체층의 전극의 주성분은 Pb(Sc1/2Ta1/2)O3 로 표시되는 산화물이고, 상기 제2 유전체층의 주성분은 [Pb(Sc1/2Ta1/2)O3]x - [Pb(1-a)AaTiO3]y (여기서, A는 La 및 Ca 로부터 선택된 원소이고, a는 0 내지 0.3이고, x는 0.4 내지 0.8 이고, y는 0.2 내지 0.6) 로 표시되는 산화물인 유전체 소자.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유전체층은 단결정층, 단일 배향층 또는 우선 배향층인 유전체 소자.
  17. 제1항에 따른 유전체 소자를 포함하는 압전체 소자.
  18. 제17항에 따른 압전체 소자를 포함하는 잉크 제트 헤드이며, 상기 압전체 소자를 이용함에 의해서 잉크가 토출되는 잉크 제트 헤드.
  19. 제18항에 따른 잉크 제트 헤드를 포함하는 잉크 제트 기록 장치이며, 상기 잉크 제트 헤드를 이용하여 기록을 행하는 잉크 제트 기록 장치.
  20. 2개 이상의 성분을 포함하는 조성을 갖는 산화물로 주로 구성되고 상기 산화물을 구성하는 적어도 하나의 성분이 상기 조성의 다른 성분에 대하여 그 조성비가 층 두께 방향으로 변하는 층 영역을 갖는 제1 유전체층을 형성하는 단계와,
    상기 층 두께 방향으로 조성이 실질적으로 균일한 제2 유전체층을 형성하는 단계를 포함하는 유전체의 제조 방법.
  21. 2개 이상의 성분을 포함하는 조성을 갖는 산화물로 주로 구성되고 상기 산화물을 구성하는 적어도 하나의 성분이 상기 조성의 다른 성분에 대하여 그 조성비가 층 두께 방향으로 변하는 층 영역을 갖는 제1 유전체층을 형성하는 단계와,
    상기 제1 유전체층 상에, 경사 성분의 원소를 포함하는 2 종류 이상의 성분으로 구성된 조성을 갖는 산화물로 주로 구성되고 상기 경사 성분의 원소의 산화물의 화학량론적 조성에 대하여 50 내지 150 몰 퍼센트만큼 증가되는 재료 성분으로 제2 유전체층을 형성하는 단계를 포함하는 유전체의 제조 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 유전체층은 A 사이트 및 B 사이트를 갖는 페로브스카이트 산화물로 주로 구성되고 50 내지 150 몰 퍼센트만큼 증가되는 성분은 B 사이트 원소인 유전체의 제조 방법.
  23. 제20항에 있어서, 상기 유전체층은 릴렉서 산화물로 주로 구성되는 유전체의 제조 방법.
  24. 상부 전극층과 하부 전극층 사이에 제공된 유전체층을 갖는 적층 구조의 유전체 소자의 제조 방법이며,
    하부 전극 상에 적어도 하나의 성분이 다른 성분에 대하여 그 조성비가 층 두께 방향으로 변하는 층을 적어도 갖는 제1 유전체층을 형성하는 단계와,
    고정 비율로 경사 조성의 성분을 포함하는 조성을 갖는 제2 유전체층을 형성하는 단계를 포함하고,
    제1 유전체층의 25 ℃에서의 유전 상수 ε1과 제2 유전체층의 25 ℃에서의 유전 상수 ε2는 상이한 유전체 소자의 제조 방법.
  25. 상부 전극층과 하부 전극층 사이에 제공된 유전체층을 갖는 적층 구조의 유전체 소자의 제조 방법이며,
    상기 하부 전극층 상에 제1 및 제2 산화물로 주로 구성된 유전체층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 유전체층은 4종류 이상의 금속 원소를 포함하는 조성을 갖는 산화물로 주로 구성되고, 상기 제1 유전체층의 적어도 일부는 적어도 하나의 금속 원소 성분이 다른 성분에 대하여 그 조성비가 층 두께 방향으로 변하도록 4개 이상의 금속 원소 성분에 의해 형성된 산화물로 주로 구성된 층에 의해서 형성되는 유전체 소자의 제조 방법.
KR20050015853A 2004-02-27 2005-02-25 유전체 소자, 압전체 소자, 잉크 제트 헤드 및 잉크 제트기록 장치, 및 그 제조 방법 KR100738290B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2004-00055549 2004-02-27
JP2004055549A JP2005244133A (ja) 2004-02-27 2004-02-27 誘電体素子、圧電素子、インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置、並びにこれらの製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060042240A true KR20060042240A (ko) 2006-05-12
KR100738290B1 KR100738290B1 (ko) 2007-07-12

Family

ID=34879789

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20050015853A KR100738290B1 (ko) 2004-02-27 2005-02-25 유전체 소자, 압전체 소자, 잉크 제트 헤드 및 잉크 제트기록 장치, 및 그 제조 방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7301261B2 (ko)
JP (1) JP2005244133A (ko)
KR (1) KR100738290B1 (ko)
CN (1) CN100443303C (ko)
TW (1) TWI278132B (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018182267A1 (ko) * 2017-03-27 2018-10-04 울산과학기술원 초격자 구조를 가지는 유전체 소재, 전자 소자 및 전자 소자의 제조 방법

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7144101B2 (en) * 2003-01-31 2006-12-05 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric element
JP4717344B2 (ja) * 2003-12-10 2011-07-06 キヤノン株式会社 誘電体薄膜素子、圧電アクチュエータおよび液体吐出ヘッド
US7453188B2 (en) * 2004-02-27 2008-11-18 Canon Kabushiki Kaisha Dielectric element, piezoelectric element, ink jet head and ink jet recording apparatus and manufacturing method of same
US7235917B2 (en) * 2004-08-10 2007-06-26 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric member element and liquid discharge head comprising element thereof
US8082640B2 (en) * 2004-08-31 2011-12-27 Canon Kabushiki Kaisha Method for manufacturing a ferroelectric member element structure
JP2006069152A (ja) * 2004-09-06 2006-03-16 Canon Inc インクジェットヘッド及びその製造方法
US7528532B2 (en) * 2005-08-23 2009-05-05 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric substance and manufacturing method thereof, piezoelectric element and liquid discharge head using such piezoelectric element and liquid discharge apparatus
US7591543B2 (en) * 2005-08-23 2009-09-22 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric member, piezoelectric member element, liquid discharge head in use thereof, liquid discharge apparatus and method of manufacturing piezoelectric member
US20070046153A1 (en) * 2005-08-23 2007-03-01 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric substrate, piezoelectric element, liquid discharge head and liquid discharge apparatus
JP5121186B2 (ja) * 2005-08-23 2013-01-16 キヤノン株式会社 圧電体、圧電体素子、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置
US8142678B2 (en) * 2005-08-23 2012-03-27 Canon Kabushiki Kaisha Perovskite type oxide material, piezoelectric element, liquid discharge head and liquid discharge apparatus using the same, and method of producing perovskite type oxide material
US7528530B2 (en) * 2005-08-23 2009-05-05 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric substance, piezoelectric substance element, liquid discharge head, liquid discharge device and method for producing piezoelectric substance
US7998362B2 (en) * 2005-08-23 2011-08-16 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric substance, piezoelectric element, liquid discharge head using piezoelectric element, liquid discharge apparatus, and production method of piezoelectric element
US7521845B2 (en) * 2005-08-23 2009-04-21 Canon Kabushiki Kaisha Piezoelectric substance, piezoelectric element, liquid discharge head using piezoelectric element, and liquid discharge apparatus
US7567022B2 (en) * 2005-10-20 2009-07-28 Canon Kabushiki Kaisha Method for forming perovskite type oxide thin film, piezoelectric element, liquid discharge head, and liquid discharge apparatus
JP5152461B2 (ja) * 2006-12-19 2013-02-27 セイコーエプソン株式会社 圧電素子及びその製造方法並びに液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
EP2174360A4 (en) 2007-06-29 2013-12-11 Artificial Muscle Inc CONVERTER WITH ELECTROACTIVE POLYMER FOR SENSOR REVIEW APPLICATIONS
EP2239793A1 (de) 2009-04-11 2010-10-13 Bayer MaterialScience AG Elektrisch schaltbarer Polymerfilmaufbau und dessen Verwendung
TWI627557B (zh) * 2011-01-18 2018-06-21 拜耳材料科學股份有限公司 無架式致動器設備、系統及方法
CA2828809A1 (en) 2011-03-01 2012-09-07 Francois EGRON Automated manufacturing processes for producing deformable polymer devices and films
CN103703404A (zh) 2011-03-22 2014-04-02 拜耳知识产权有限责任公司 电活化聚合物致动器双凸透镜系统
EP3427960B1 (en) * 2011-06-29 2020-05-13 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Piezoelectric inkjet die stack
WO2013142552A1 (en) 2012-03-21 2013-09-26 Bayer Materialscience Ag Roll-to-roll manufacturing processes for producing self-healing electroactive polymer devices
CN103378286B (zh) * 2012-04-19 2017-12-01 新科实业有限公司 薄膜压电元件及其制造方法、磁头折片组合及磁盘驱动器
US9761790B2 (en) 2012-06-18 2017-09-12 Parker-Hannifin Corporation Stretch frame for stretching process
WO2014066576A1 (en) 2012-10-24 2014-05-01 Bayer Intellectual Property Gmbh Polymer diode
TWI601581B (zh) * 2014-05-30 2017-10-11 佳能股份有限公司 壓電材料、壓電元件、壓電元件製造方法和電子設備
CN105984216B (zh) * 2015-02-13 2018-05-11 北京派和科技股份有限公司 压电喷头及其加工方法以及包括该喷头的喷涂设备
CN106827813B (zh) * 2015-12-07 2018-05-18 清华大学 指状悬臂式压电喷头及其加工方法以及喷涂设备
CN106915161B (zh) * 2015-12-28 2018-05-18 清华大学 叠层式压电喷头和包括该喷头的喷涂设备

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3113141B2 (ja) 1993-12-28 2000-11-27 シャープ株式会社 強誘電体結晶薄膜被覆基板、その製造方法及び強誘電体結晶薄膜被覆基板を用いた強誘電体薄膜デバイス
JP3104550B2 (ja) 1994-10-17 2000-10-30 松下電器産業株式会社 圧電アクチュエータおよびその製造方法
JPH1093029A (ja) * 1996-09-13 1998-04-10 Toshiba Corp 薄膜誘電体素子
US5804907A (en) * 1997-01-28 1998-09-08 The Penn State Research Foundation High strain actuator using ferroelectric single crystal
JP3796394B2 (ja) 2000-06-21 2006-07-12 キヤノン株式会社 圧電素子の製造方法および液体噴射記録ヘッドの製造方法
JP3754897B2 (ja) 2001-02-09 2006-03-15 キヤノン株式会社 半導体装置用基板およびｓｏｉ基板の製造方法
JP3833070B2 (ja) 2001-02-09 2006-10-11 キヤノン株式会社 液体噴射ヘッドおよび製造方法
CA2438360C (en) 2001-12-18 2010-02-09 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Piezoelectric element, ink jet head, angular velocity sensor, manufacturing method thereof, and ink jet printing apparatus
JP2005513752A (ja) * 2001-12-21 2005-05-12 アイファイア テクノロジー コーポレーション エレクトロルミネセンス表示装置用の低焼成温度厚膜誘電体層
JP4086535B2 (ja) 2002-04-18 2008-05-14 キヤノン株式会社 アクチュエータ及びインクジェットヘッドの製造方法
JP4100953B2 (ja) 2002-04-18 2008-06-11 キヤノン株式会社 Ｓｉ基板上に単結晶酸化物導電体を有する積層体及びそれを用いたアクチュエーター及びインクジェットヘッドとその製造方法
JP4708667B2 (ja) 2002-08-08 2011-06-22 キヤノン株式会社 アクチュエータおよび液体噴射ヘッド
US7215067B2 (en) 2003-02-07 2007-05-08 Canon Kabushiki Kaisha Ferroelectric thin film element, piezoelectric actuator and liquid discharge head
US7059711B2 (en) 2003-02-07 2006-06-13 Canon Kabushiki Kaisha Dielectric film structure, piezoelectric actuator using dielectric element film structure and ink jet head
JP4717344B2 (ja) 2003-12-10 2011-07-06 キヤノン株式会社 誘電体薄膜素子、圧電アクチュエータおよび液体吐出ヘッド
US7262544B2 (en) * 2004-01-09 2007-08-28 Canon Kabushiki Kaisha Dielectric element, piezoelectric element, ink jet head and method for producing the same head
US7453188B2 (en) * 2004-02-27 2008-11-18 Canon Kabushiki Kaisha Dielectric element, piezoelectric element, ink jet head and ink jet recording apparatus and manufacturing method of same
US20060072282A1 (en) * 2004-09-29 2006-04-06 Tdk Corporation Dielectric thin film, thin film capacitor element, and method for manufacturing thin film capacitor element

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018182267A1 (ko) * 2017-03-27 2018-10-04 울산과학기술원 초격자 구조를 가지는 유전체 소재, 전자 소자 및 전자 소자의 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
US7301261B2 (en) 2007-11-27
TWI278132B (en) 2007-04-01
US20050189849A1 (en) 2005-09-01
CN1660578A (zh) 2005-08-31
TW200541127A (en) 2005-12-16
CN100443303C (zh) 2008-12-17
JP2005244133A (ja) 2005-09-08
KR100738290B1 (ko) 2007-07-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100738290B1 (ko) 유전체 소자, 압전체 소자, 잉크 제트 헤드 및 잉크 제트기록 장치, 및 그 제조 방법
KR100748727B1 (ko) 유전체 소자, 압전 소자, 잉크젯 헤드 및 잉크젯 기록 장치, 및 그 제조 방법
KR100777468B1 (ko) 유전체, 압전 부재, 잉크 제트 헤드, 잉크 제트 기록 장치 및 유전체의 제조 방법
KR100875315B1 (ko) 유전체 소자, 압전 소자, 잉크젯 헤드 및 잉크젯 헤드제조 방법
KR100923591B1 (ko) 압전체 소자, 압전체 막 제조 방법, 액체 토출 헤드 및액체 토출 장치
KR100672883B1 (ko) 압전 소자
KR100651046B1 (ko) 유전체막 구조체, 유전체막 구조체를 사용하는 압전액추에이터 및 잉크젯 헤드
US7235917B2 (en) Piezoelectric member element and liquid discharge head comprising element thereof
JP4250593B2 (ja) 誘電体素子、圧電体素子、インクジェットヘッド及びその製造方法
US7567022B2 (en) Method for forming perovskite type oxide thin film, piezoelectric element, liquid discharge head, and liquid discharge apparatus
JP3828116B2 (ja) 圧電体素子
JP2005119166A (ja) 圧電素子、インクジェットヘッド、及びこれらの製造方法、並びにインクジェット式記録装置
JP4282079B2 (ja) 圧電体素子及び該素子を備えた液体吐出ヘッド
JP2004128174A (ja) アクチュエータおよび液体噴射ヘッド
JP2007138292A (ja) ペロブスカイト型酸化物薄膜の成膜方法、圧電素子、液体吐出ヘッドおよび液体吐出装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130621

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140626

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150618

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160616

Year of fee payment: 10

LAPS Lapse due to unpaid annual fee