KR20090081145A - Method of forming memory shape of high k material, high k material having imprint effect and memory shape device using the high k material - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 강유전체의 임프린트 현상을 이용한 형상 기억 형성 방법과 이 방법을 이용한 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 2종의 강유전체로 2층의 적층 구조를 형성함으로써 임프린트 현상을 발생시키는 방법과, 적층 두께의 조절을 통해 임프린트 현상을 제어할 수 있는 방법, 그리고 이러한 방법에 의해 생성 및 제어된 임프린트 현상을 이용하여 인가 전기장의 방향에 따라 두 가지의 다른 크기를 갖고 외부 전원 없이도 그 형상이 기억되도록 하는 형상 기억 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a shape memory formation method using an imprint phenomenon of a ferroelectric, and an element using the method. More specifically, a method for generating an imprint phenomenon by forming a two-layer laminated structure with two kinds of ferroelectrics, and a stacking thickness A method that can control the imprint phenomenon through the adjustment of, and a shape that has two different sizes according to the direction of the applied electric field by using the imprint phenomenon generated and controlled by this method, so that the shape can be stored without an external power source. It relates to a memory element.
강유전체는 자발분극(spontaneous polarization)의 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라 이 자발분극이 전기장에 의해 역전되는 현상이 나타나는 물성을 가지고 있기 때문에, 응력을 가했을 때 전기적 분극 현상이 유기되어 전기 유전적 특성인 압전 현상이 나타난다.The ferroelectric not only has spontaneous polarization, but also has the property that the spontaneous polarization is reversed by the electric field. Appears.
강유전체가 나타내는 압전 현상은 외부에서 전기장이 가해 질 경우 변위가 발생하는 것이며, 이를 이용하여 기계적인 제어 또는 진동 소자 등의 여러 가지 응용이 가능하다.The piezoelectric phenomenon represented by the ferroelectric is a displacement occurs when an electric field is applied from the outside, and various applications, such as mechanical control or vibration elements, are possible using this.
일반적인 강유전체에 가해진 전기장(electrical field)-변형(strain)의 곡선은 도 1a의 아래에 나타난 바와 같이 대칭구조를 갖는 나비(butterfly) 곡선을 나타낸다. 이에 따라 외부에서 전기장을 가하지 않으면, 강유전체는 하나의 변형 상태를 갖게 된다.The curve of the electrical field-strain applied to a typical ferroelectric exhibits a butterfly curve with a symmetric structure as shown below in FIG. 1A. Accordingly, if no electric field is applied from the outside, the ferroelectric will have one deformation state.
한편, 임프린트(imprint) 현상이란 강유전체의 초기 특성과 일정 시간 이후의 특성이 변화하는 것을 의미하는데, 이 효과는 도 1b와 같이 이력곡선(hysteresis loop)의 이동에 기인하는 것으로 이해되고 있다.On the other hand, the imprint phenomenon means that the initial characteristics of the ferroelectric and the characteristic after a certain time change, it is understood that this effect is due to the movement of the hysteresis loop as shown in Figure 1b.
구체적으로, 도 1b에 도시된 바와 같이, 이력곡선이 한쪽으로 이동하게 되면, 전기장-변형 곡선은 도 1b의 아래와 같이 비대칭 나비곡선을 나타내게 되며, 이 경우 전기장이 "0"이 될 때(즉 외부에서 전기장을 가하지 않을 때), 2개의 다른 안정한 변형 상태를 나타내게 되는, 소위 형상 기억(shape memory) 효과를 나타낸다.Specifically, as shown in FIG. 1B, when the hysteresis curve is shifted to one side, the electric field-strain curve shows an asymmetric butterfly curve as shown in FIG. 1B, in which case when the electric field becomes "0" (ie, the external In the absence of an electric field), the so-called shape memory effect, resulting in two different stable deformation states.
이러한 형상 기억 효과를 이용한 압전 액추에이터는 종래의 압전 액추에이터에 비해 다음과 같은 이점이 있다.Piezoelectric actuators using such shape memory effects have the following advantages over conventional piezoelectric actuators.
종래의 압전 액추에이터는 기계적인 연결 스위치로 사용될 때, 온(on)/오프(off) 상태를 유지하기 위하여 작동 전압이 연속적으로 가해져야 하나, 형상기억 액추에이터에서는 2개의 변형 상태를 유지하는데 전기장이 필요하지 않기 때문에 온-오프 상태를 유지하는데 외부의 전기장이 필요하지 않고 다만 스위치 모드가 변경되어야 할 때에는 펄스 전압을 통해 분극을 역전시키면 되기 때문에 전력소모가 거의 없게 된다. 또한, 종래의 압전 액추에이터는 특정 위치를 유지하기 위하여 큰 DC 전압이 필요하였으나, 형상기억 압전 액추에이터는 저전압으로도 작동될 수 있다. In conventional piezoelectric actuators, when used as a mechanical connection switch, an operating voltage must be applied continuously to maintain an on / off state, but in a shape memory actuator, an electric field is required to maintain two deformation states. Since no external electric field is required to maintain the on-off state, but the switch mode needs to be changed, the polarization is reversed through the pulse voltage, so that there is little power consumption. In addition, although the conventional piezoelectric actuators require a large DC voltage to maintain a specific position, the shape memory piezoelectric actuator can be operated at a low voltage.
한편, 강유전체에 임프린트 현상을 발생시키기 위한 방법으로, 종래에는 종류가 다른 두 개의 전극을 사용하는 방법이 알려져 있다.On the other hand, as a method for generating an imprint phenomenon in a ferroelectric, conventionally a method using two electrodes of different types is known.
그런데, 이와 같이 전극의 종류를 바꾸는 방법은 임프린트 현상을 크게 일으키게 하거나 정교하게 제어하기 어려운 문제점이 있다.However, the method of changing the type of electrode in this way has a problem that causes an imprint phenomenon to be large or it is difficult to control precisely.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 종래에 알려진 전극의 조절을 통해서가 아닌 이종(異種) 강유전체의 적층과, 적층 두께의 조절을 통해 강유전체 박막에서 임프린트(imprint) 현상을 유발 및 제어하고, 이와 같이 유발 및 제어된 임프린트 현상을 이용하여 인가 전기장의 방향에 따라 두 가지의 다른 크기를 갖고 외부 전원 없이도 그 형상이 기억되도록 하는 강유전체 박막의 형상 기억 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was devised to solve the above-described problems of the prior art, and the imprint phenomenon in a ferroelectric thin film through the stacking of heterogeneous ferroelectrics and the stacking thickness, rather than through the control of a conventionally known electrode. To provide a shape memory formation method of a ferroelectric thin film having two different sizes according to the direction of an applied electric field and having the shape stored without an external power source by using the induced and controlled imprint phenomenon. The purpose.
또한, 본 발명의 다른 목적은 전술한 임프린트 현상을 용이하게 제어할 수 있는 강유전체 박막과, 이 박막을 적용한 소자를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a ferroelectric thin film which can easily control the imprint phenomenon described above, and an element to which the thin film is applied.
상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 본 발명자들은, 두 이종(異種) 강유전체가 적층 구조를 형성하게 되면 이 적층 구조에 의해 전기장의 불균형이 발생하여 임프린트 현상을 일으킬 수 있으며, 이러한 전기장의 불균형은 적층되는 강유전체의 두께 조절을 통해 제어될 수 있다는 점에 착안하여 다음과 같이 본 발명을 완성하였다.As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that when two heterogeneous ferroelectrics form a laminated structure, an imbalance of an electric field may occur due to the laminated structure, which may cause an imprint phenomenon. The present invention has been completed as follows in view of the fact that silver can be controlled by controlling the thickness of a ferroelectric layer to be laminated.
먼저, 전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 종류가 다른 2종의 강유전체를 2층으로 적층하여 유발된 임프린트 현상을 이용하여, 인가 전기장의 방향에 따라 두 가지의 다른 크기를 갖고 외부 전원 없이도 그 형상이 기억되도록 하는 강유전체 박막의 형상 기억 형성 방법을 제공한다.First, in order to achieve the above object, the present invention utilizes an imprint phenomenon caused by stacking two kinds of ferroelectrics of different types in two layers, and has two different sizes depending on the direction of an applied electric field and without an external power supply. A method of forming a shape memory of a ferroelectric thin film in which the shape is stored is provided.
또한, 본 발명에 따른 강유전체 박막의 형상 기억 형성 방법은, 박막을 구성하는 2층의 강유전체의 두께 비(thickness ratio)의 조절을 통해 임프린트 현상의 크기를 제어할 수 있다.In addition, the shape memory forming method of the ferroelectric thin film according to the present invention can control the size of the imprint phenomenon by adjusting the thickness ratio of the ferroelectric of the two layers constituting the thin film.
또한, 상기 강유전체 박막에는 추가로 상기 2층 박막을 구성하는 강유전체와 다른 1종 이상의 강유전체의 층이 형성될 수 있다.The ferroelectric thin film may further include a layer of at least one ferroelectric different from the ferroelectric constituting the two-layer thin film.
또한, 선택적으로 상기 2층 박막 또는 다층 박막을 반복 적층하여 다층구조로 할 수도 있으며, 이와 같이 다층 구조로 하는 경우에는 임프린트 현상을 보다 크게 유발시킬 수 있다.Alternatively, the two-layer thin film or the multilayer thin film may be selectively laminated to have a multi-layered structure. In the case of the multi-layered structure, the imprint phenomenon may be further increased.
상기 강유전체에는 제한이 없으며, 종류가 다른 2종 이상이면 되고, 또한 박막을 형성하는 방법도 공지된 모든 방법이 사용될 수 있다.There is no restriction | limiting in the said ferroelectric, What is necessary is just 2 or more types from different types, and also all the well-known methods of forming a thin film can be used.
또한, 전술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 또한, 종류가 다른 2종의 강유전체가 2층으로 적층된 구조를 가짐으로써, 임프린트 현상을 나타내는 강유전체 박막을 제공한다.Furthermore, in order to achieve the above another object of the present invention, the present invention also provides a ferroelectric thin film exhibiting an imprint phenomenon by having a structure in which two kinds of ferroelectrics of different types are laminated in two layers.
이 강유전체 박막에 있어서, 상기 2층 박막은 반복 적층된 다층 구조를 이룰 수 있으며, 상기 2층 박막을 구성하는 강유전체와 다른 1종 이상의 강유전체의 박막 층이 형성될 수도 있다.In the ferroelectric thin film, the two-layer thin film may have a multilayer structure in which the two-layer thin film is repeatedly stacked, and a thin film layer of the ferroelectric and the at least one ferroelectric material constituting the two-layer thin film may be formed.
또한, 본 발명은 상기 강유전체 박막이 적용된 메모리 소자와, 상기 강유전체 박막이 갖는 임프린트 현상을 이용하여 인가 전기장의 방향에 따라 두 가지의 다른 크기를 갖고 외부 전원 없이도 그 형상이 기억되는 것을 특징으로 하는 형상 기억 소자를 제공한다.In addition, the present invention is characterized in that the memory device to which the ferroelectric thin film is applied, and the imprint phenomenon of the ferroelectric thin film have two different sizes according to the direction of the applied electric field and the shape is stored without an external power source. Provide a memory element.
또한, 본 발명은 상기 형상 기억 소자를 이용한 액추에이터와 같은 다양한 나노 소자와 장치를 제공하며, 본 발명에 따른 형상 기억 소자는 특히 마이크로 로봇 등의 MEMS(Microelectromechanical Systems) 기술에 응용될 수 있다.In addition, the present invention provides various nano devices and devices, such as actuators using the shape memory device, and the shape memory device according to the present invention can be particularly applied to MEMS (Microelectromechanical Systems) technology such as a micro robot.
본 발명에 따르면 강유전체에 임프린트 현상을 크게 일으키거나 정밀하게 제어하는 것이 가능하여, 다양한 응용에 적용 가능한 형상 기억 소자의 제공이 가능하게 된다. According to the present invention, the imprint phenomenon can be largely generated or precisely controlled in the ferroelectric material, so that it is possible to provide a shape memory element applicable to various applications.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the preferred embodiments of the present invention. However, the technical spirit of the present invention is not limited thereto, but may be variously modified and modified by those skilled in the art.
본 발명의 실시예에서는 압전소자를 구성하는 2종류의 강유전체로 티탄산바륨(BaTiO3)과 티탄산납(PbTiO3)을 사용하였다.In the embodiment of the present invention, barium titanate (BaTiO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ) are used as two kinds of ferroelectrics constituting the piezoelectric element.
이 박막들을 형성함에 있어서, SrRuO3 하부 및 상부 전극과 SrTiO3 기판를 사용하여, 모든 박막들을 레이저 증착법을 사용하여 에피텍셜하게 성장시켰다. In forming these thin films, using the SrRuO 3 lower and upper electrodes and an SrTiO 3 substrate, all thin films were epitaxially grown using laser deposition.
구체적으로 박막을 증착함에 있어서는, BaTiO3, PbTiO3 및 SrRuO3 타겟을 사용하여, BaTiO3 타겟에 대해서는 기판온도 750℃, 산소분압 200mTorr의 조건으로, PbTiO3 타겟에 대해서는 기판온도 600℃, 산소분압 100 mTorr 조건으로, SrRuO3 타겟에 대해서는 기판온도 800℃, 산소분압 200 mTorr의 조건으로 레이저 증착을 하였다. Specifically, in depositing a thin film, BaTiO 3 , PbTiO 3 And SrRuO 3 Using the targets, under the condition of a substrate temperature of 750 ℃, oxygen partial pressure of 200mTorr for BaTiO 3 target, a substrate temperature of 600 ℃ for PbTiO 3 target, the oxygen partial pressure of 100 mTorr conditions including a substrate temperature of 800 ℃ for SrRuO 3 target, oxygen Laser deposition was carried out under a partial pressure of 200 mTorr.
또한, 박막의 증착이 완료됨과 동시에, 온도를 내리면서 산소분압을 300 Torr를 유지하여 산소의 결핍을 줄였다.At the same time as the deposition of the thin film was completed, the oxygen partial pressure was maintained at 300 Torr while lowering the temperature to reduce oxygen deficiency.
도 2는 BaTiO3, PbTiO3 및 SrRuO3 을 순차적으로 적층한 박막의 투과전자 현미경 사진인데, 사진에서 확인되는 바와 같이 상기 성분의 박막 들이 에피택셜하게 성장한 것을 알 수 있다.2 is BaTiO 3 , PbTiO 3 And SrRuO 3 It is a transmission electron micrograph of a thin film laminated sequentially, As can be seen in the photo, it can be seen that the thin films of the above components are grown epitaxially.
또한, 각 강유전체 층의 두께의 조절에 따른 특성의 변화를 보기 위하여, BaTiO3와 PbTiO3의 두께의 비가, 각각 5nm : 25nm(No.1), 5nm : 45nm(No.2), 5nm : 65nm(No.3)가 되도록 3종의 시료를 준비하였다. Further, the ratio of each of 5nm, of BaTiO 3 and PbTiO 3 thickness to see the change in the characteristic as a function of the thickness of the ferroelectric layer: 25nm (No.1), 5nm: 45nm (No.2), 5nm: 65nm Three types of samples were prepared so as to be (No. 3).
도 3은 상기 3종의 시료에 대한 강유전 이력곡선을 나타낸 것이다. 두께의 비에 따라 강유전 이력곡선이 이동하는 것을 볼 수 있으며, 두께의 비가 가장 낮은 5nm : 25nm 시료의 경우, 임프린트 현상이 가장 크게 나타나는 것을 볼 수 있다.3 shows ferroelectric hysteresis curves for the three samples. It can be seen that the ferroelectric hysteresis curve is shifted according to the ratio of the thickness, and in the case of the 5 nm: 25 nm sample having the lowest thickness ratio, the imprint phenomenon appears to be the largest.
또한 상기 3종의 시료에 대해 외부에서 인가된 전기장에 따른 변형의 특성을 측정한 결과는 도 4와 같다.In addition, the results of measuring the deformation of the three kinds of samples according to the electric field applied from the outside is as shown in FIG.
상기 3종의 시료 중, 임프린트 현상이 가장 크게 나타나는 No.1 시료의 경우를 살펴보면, 전기장을 오른쪽으로 가한 후 전기장을 제거하면 0.5nm의 변형이 남게 되며, 반대로 왼쪽으로 가한 후 전기장을 제거하면 0.0nm의 변형이 생기게 된 다. In the case of No. 1 sample which shows the largest imprint phenomenon among the three samples, when the electric field is applied to the right side and the electric field is removed, 0.5 nm of strain remains. nm deformation occurs.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 상기 유전체 박막은 외부에서 전기장이 가해지지 않을 경우 두 가지의 변형 중 하나를 갖는 기억 소자로의 응용이 가능하다는 것을 알 수 있다. That is, it can be seen that the dielectric thin film according to the embodiment of the present invention can be applied to a memory device having one of two modifications when no electric field is applied from the outside.
또한, No.2의 시료를 보면, No.1에 비해 변형의 차이가 줄어드는 것이 확인되며, No.1의 시료의 경우에는 변형의 차이가 거의 없다는 것을 알 수 있다. 이는 박막을 형성하는 층의 두께 조절을 통해 임프린트 현상의 조절이 가능함을 의미한다.In addition, when the sample of No. 2 is observed, it is confirmed that the difference in deformation decreases as compared with No. 1, and it is understood that there is almost no difference in deformation in the case of the sample of No. 1. This means that the imprint phenomenon can be controlled by controlling the thickness of the layer forming the thin film.
한편, 0.5nm의 변형이 생긴 No.1의 시료에서, 변형의 크기를 더욱 크게 하기 위해서는 소자의 직렬연결을 이용할 수 있으며, 소자 두 개를 직렬연결할 경우 1nm의 변형을 얻을 수 있으며, 다층으로 적층하면 더욱 큰 효과를 얻을 수 있게 된다.On the other hand, in the sample of No. 1 with 0.5 nm strain, the series connection of the elements can be used to further increase the size of the strain, and when two devices are connected in series, 1 nm strain can be obtained and stacked in multiple layers. You will get a greater effect.
도 1a 및 1b는 각각 종래의 압전 액추에이터와 형상 기억 압전 액추에이터에 사용된 강유전체의 강유전 이력곡선과 전기장에 대한 변형 특성을 나타내는 그래프이다.1A and 1B are graphs showing deformation characteristics of ferroelectric hysteresis curves and electric fields of ferroelectrics used in conventional piezoelectric actuators and shape memory piezoelectric actuators, respectively.
도 2은 BaTiO3, PbTiO3 및 SrRuO3 을 순차적으로 적층한 박막의 투과전자 현미경 사진이다.2 is BaTiO 3 , PbTiO 3 And SrRuO 3 It is a transmission electron micrograph of the thin film laminated | stacked sequentially.
도 3은 BaTiO3와 PbTiO3의 두께의 비를, 5nm : 25 nm, 5 nm : 45 nm, 5 nm : 65 nm로 조절한 3종의 박막의 강유전 이력곡선이다.3 is a ferroelectric hysteresis curve of three kinds of thin films in which the thickness ratio of BaTiO 3 and PbTiO 3 is adjusted to 5 nm: 25 nm, 5 nm: 45 nm, and 5 nm: 65 nm.
도 4는 도 3의 박막의 외부 전기장에 따른 변형 특성을 측정한 그래프이다.FIG. 4 is a graph measuring deformation characteristics of an external electric field of the thin film of FIG. 3.
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| KR1020080007071A KR100991863B1 (en) | 2008-01-23 | 2008-01-23 | Method of forming memory shape of high k material, high k material having imprint effect and memory shape device using the high k material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100991863B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110142969A (en) * | 2019-05-22 | 2019-08-20 | 哈尔滨工业大学 | A kind of 4D printed material crawl relieving mechanism and method |
-
2008
- 2008-01-23 KR KR1020080007071A patent/KR100991863B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110142969A (en) * | 2019-05-22 | 2019-08-20 | 哈尔滨工业大学 | A kind of 4D printed material crawl relieving mechanism and method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100991863B1 (en) | 2010-11-04 |
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