KR20110067978A - Method for forming piezleletric thick layer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전체 후막의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 하나 이상의 유기물을 포함하는 용매에 P(VDF-TrFE) 분말을 용해시킨 용액을 테이프 캐스팅으로 도포하여 압전체 후막의 두께와 크기를 용이하게 조절할 수 있는 압전체 후막의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric thick film, and in particular, by coating a solution in which P (VDF-TrFE) powder is dissolved in a solvent containing at least one organic material by tape casting, the thickness and size of the piezoelectric thick film can be easily adjusted. It relates to a method for producing a piezoelectric thick film.
압전체(piezoelectrics)는 압력, 온도 및 진동 등의 기계적인 에너지를 가하면 전기가 발생하는 물질이다.Piezoelectrics are materials that generate electricity when mechanical energy such as pressure, temperature and vibration are applied.
압전체는 일반적인 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 마이크로 폰, 버저, 스피커의 진동판 등에 이용될 뿐만 아니라, 바이오 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 수확(harvesting) 시스템에도 이용되고 있다. 이러한 압전체는 벌크(bulk)로 제조하기 보다는 시트(sheet)나 후막으로 제조되어야 한다.The piezoelectric body is used not only for a microphone, a buzzer, a diaphragm of a speaker for converting general mechanical energy into electrical energy, but also for an energy harvesting system for converting biomechanical energy into electrical energy. Such piezoelectric material should be made of a sheet or a thick film rather than made of bulk.
대표적인 압전체의 재료로는 PZT(Plumbum-Zirconate-Titanate)와 PVDF(PolyVinyliDene Fliuoride)가 있다.Representative piezoelectric materials include plumbium-zirconate-titanate (PZT) and polyvinylidene fluoride (PVDF).
PZT는 세라믹 계열의 압전체로써, 인성이 낮아 쉽게 깨지며 대면적화가 어렵다는 단점이 있다.PZT is a ceramic-based piezoelectric material, and has a disadvantage of being easily broken due to low toughness and difficult to large area.
PVDF는 폴리머 계열의 압전체로써, PZT와는 달리 쉽게 휘어지므로 깨지지 않는다는 장점이 있지만, 압전 특성을 부여하기 위해 일 방향의 압력을 가해야하며, 쌍극자 정렬을 위해 약 1MV/cm의 고 전압을 인가해야 하므로 그 제조 공정이 힘들다는 단점이 있다.PVDF is a polymer piezoelectric material, and unlike PZT, it is easily bent and not broken.However, PVDF must be applied in one direction to give piezoelectric properties, and a high voltage of about 1 MV / cm must be applied for dipole alignment. There is a disadvantage that the manufacturing process is difficult.
반면, 폴리머 계열인 P(VDF-TrFE)는 PVDF에 비해 쌍극자 정렬 전압이 낮고, 일 방향의 압력을 가하지 않아도 압전 특성이 부여되므로 P(VDF-TrFE(TriFluoroEthylene))를 이용한 압전체의 제조 방법을 개발하는 실정에 있다.On the other hand, P (VDF-TrFE), a polymer series, has a lower dipole alignment voltage than PVDF and is provided with piezoelectric properties without applying pressure in one direction. There is a situation.
PVDF를 이용하여 압전체를 제조하는 방법으로는 고온 압연기(roller), 압출 성형기(extruder) 및 열압축 성형기(hotpressing) 등이 있다.As a method of manufacturing a piezoelectric material using PVDF, there are a hot roller, an extruder, a hot compression molding machine, and the like.
하지만, 이와 같은 방법으로는 대면적의 압전체를 제조할 수 없을 뿐만 아니라, 최대 25㎛의 두께를 가지는 압전체의 제조만 가능할 뿐 그 이상의 두께를 가지는 압전체는 제조할 수 없다는 단점이 있다. 또한, 쌍극자 정렬 전압을 낮추기 위해서 ㎛의 두께를 가지는 압전체를 얇게 제조하는 경우 유연성이 증가하여 압전체를 다루기 힘들다는 단점이 있다.However, this method does not only produce a piezoelectric body having a large area, but also allows the production of a piezoelectric body having a thickness of up to 25 μm, but not a piezoelectric body having a thickness greater than that. In addition, when manufacturing a thin piezoelectric material having a thickness of μm in order to lower the dipole alignment voltage, there is a disadvantage in that the flexibility is increased and the piezoelectric material is difficult to handle.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 테이프 캐스팅으로 하나 이상의 유기물을 포함하는 용매에 P(VDF-TrFE) 분말을 용해시킨 용액을 테이프 캐스팅으로 도포하여 압전체 후막의 두께와 크기를 용이하게 조절할 수 있는 압전체 후막의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.In order to solve the above problems, a tape casting of a solution in which P (VDF-TrFE) powder is dissolved in a solvent containing at least one organic material is applied by tape casting to provide a thickness of the piezoelectric thick film. It aims at providing the manufacturing method.
본 발명에 따른 압전체 후막의 제조 방법은 (a) 하나 이상의 유기물을 포함하는 용매에 압전 분말을 용해시켜 용액을 제조하는 단계; (b) 상기 용액을 기판의 상부면에 테이프 캐스팅으로 도포하는 단계; 및 (c) 상기 용액이 도포된 상기 기판에 열처리를 수행하여 압전체 후막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Method for producing a piezoelectric thick film according to the present invention comprises the steps of (a) dissolving the piezoelectric powder in a solvent containing at least one organic material to prepare a solution; (b) applying the solution to the top surface of the substrate by tape casting; And (c) performing a heat treatment on the substrate to which the solution is applied to form a piezoelectric thick film.
본 발명에 따른 압전체 후막의 제조 방법은 상기 (b) 단계 이전에, (d) 상기 기판의 상부면에 제1 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 (c) 단계 이후에, (e) 상기 열처리가 수행된 상기 용액의 상부에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of manufacturing a piezoelectric thick film according to the present invention may further include (d) forming a first electrode on the upper surface of the substrate before step (b), and after step (c), ( e) forming a second electrode on top of the solution in which the heat treatment is performed.
본 발명에 따른 상기 (e) 단계는, (e-1) 상기 용액의 상부에 스크린 프린팅(Screen Printing) 기법, 진공 증착법 및 도금 방법 중 적어도 어느 하나를 이용하여 상기 제2 전극을 형성하는 단계; 및 (e-2) 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전계를 인가하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.According to the present invention, the step (e) may include: (e-1) forming the second electrode on at least one of a screen printing technique, a vacuum deposition method, and a plating method on the solution; And (e-2) applying an electric field to the first electrode and the second electrode.
또한, 본 발명에 따른 압전체 후막의 제조 방법은 상기 (c) 단계 이후에, (f) 상기 압전체 후막으로부터 상기 기판을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 압전 분말은 P(VDF-TrFE) 분말을 포함할 수 있다.In addition, the method of manufacturing a piezoelectric thick film according to the present invention may further include, after the step (c), (f) removing the substrate from the piezoelectric thick film, wherein the piezoelectric powder is P (VDF-TrFE). It may include a powder.
본 발명에 따른 상기 용매는 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone), 2-부타논(2-butanone), 사이클로 헥사논(Cyclehexanone), 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide) 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.The solvent according to the present invention is selected from the group consisting of methyl ethyl ketone, 2-butanone, cyclohexanone, dimethyl formamide, and combinations thereof It is preferable that it is either.
본 발명에 따른 상기 (a) 단계는, 상기 용매에 상기 압전 분말을 약 1 내지 25%의 농도로 용해시켜 상기 용액을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.The step (a) according to the present invention may include preparing the solution by dissolving the piezoelectric powder in a concentration of about 1 to 25% in the solvent.
본 발명에 따른 상기 기판은 폴리머 판, 세라믹 판 및 금속 판 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 상기 (c) 단계는, 상기 용액이 도포된 기판을 100 내지 150℃의 온도로 열처리하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.The substrate according to the present invention may include at least one of a polymer plate, a ceramic plate and a metal plate, and the step (c) may include the step of heat-treating the substrate to which the solution is applied at a temperature of 100 to 150 ° C. It is preferable to include.
본 발명의 압전체 후막의 제조 방법에 따르면, 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone), 2-부타논(2-butanone), 사이클로 헥사논(Cyclehexanone) 및 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide)을 포함하는 용매에 P(VDF-TrFE) 분말의 농도를 변화시키거나 닥터 브레이드(doctor blade)의 간격을 조절함으로써 압전체 후막의 두께를 용이하게 조절할 수 있다. 따라서, 두께에 상관없이 압전체 후막의 제조가 가능하다.According to the manufacturing method of the piezoelectric thick film of the present invention, Pethyl to a solvent containing methyl ethyl ketone, 2-butanone, cyclohexanone and dimethyl formamide The thickness of the piezoelectric thick film can be easily adjusted by changing the concentration of the (VDF-TrFE) powder or by adjusting the interval of the doctor blade. Therefore, the piezoelectric thick film can be manufactured regardless of the thickness.
또한, 상기 용액을 테이프 캐스팅으로 기판에 도포하므로 용이하게 대면적의 압전체 후막을 제조할 수 있으며, 약 1MV/cm인 PVDF의 쌍극자 정렬 전압보다 낮은 0.3MV/cm의 전압을 인가하여도 쌍극자가 정렬된다는 장점이 있다.In addition, since the solution is applied to the substrate by tape casting, a large-area piezoelectric thick film can be easily produced, and the dipole is aligned even when a voltage of 0.3 MV / cm lower than the dipole alignment voltage of PVDF of about 1 MV / cm is applied. It has the advantage of being.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 흐름도이며, 도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a piezoelectric thick film according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a piezoelectric thick film according to a first embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 하나 이상의 유기물을 포함하는 용매에 압전 분말을 용해하여 용액(130a)을 제조한다(S110).1 and 2A to 2C, a
용액(130a)은 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone), 2-부타논(2-butanone), 사이클로 헥사논(Cyclehexanone) 및 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide)로 구성되는 군에서 선택된 용매에 P(VDF-TrFE) 분말을 용해시켜 제조하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 용매에 상기 P(VDF-TrFE) 분말을 약 1 내지 25%의 농도로 용해시킬 수 있다. 상기 용매에 용해되는 상기 P(VDF-TrFE) 분말의 농도에 따라 상기 압전체 후막(130b)의 두께를 조절할 수 있다.The solution (130a) is P (VDF-) in a solvent selected from the group consisting of methyl ethyl ketone, 2-butanone, cyclohexanone, and dimethyl formamide. TrFE) powder is preferably prepared by dissolving the powder. More preferably, the P (VDF-TrFE) powder may be dissolved in the solvent at a concentration of about 1 to 25%. The thickness of the piezoelectric
다음에는, 용액(130a)을 기판(100)의 상부면에 테이프 캐스팅(tape casting)으로 도포한다(S130, 도 2a).Next, the
구체적으로는, 닥터 브레이드(doctor blade)의 간격을 조절하여 기판(100)의 상부면에 도포되는 용액(130a)의 두께를 조절할 수 있다.Specifically, the thickness of the
바람직하게는, 기판(100)은 압전체 후막(130b)(도 2b의 130b)의 활용도에 따라 폴리머(polymer) 판, 세라믹 판 및 금속판 중 어느 하나일 수 있으며, 단계 S150에서 수행되는 열처리에 의해 변형이 되지 않는 기판인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 기판(100)은 단계 S170에서 수행되는 압전체 후막(130b)으로부터 용이하게 제거될 수 있는 기판인 것이 바람직하다.Preferably, the
다음에는, 기판(100)에 열처리를 수행하여 압전체 후막(130b)을 형성한다(S150, 도 2b). 기판(100)의 상부면에 도포된 용액(130a)에 약 100 내지 150℃의 온도로 한 시간 이상 열처리를 수행하여 용액(130a)에 결정성을 부여한다.Next, the piezoelectric
다음에는, 압전체 후막(130b)으로부터 기판(100)을 제거한다(S170, 도 2c).Next, the
본 발명의 제1 실시예에 따른 압전체 후막(130b)은 활용하고자 하는 용도에 따라 기판, 예컨대, 폴리머 판, 세라믹 판 및 금속판 중 적어도 어느 하나에 증착한 후, 상기 기판과 압전체 후막(130b)에 형성된 제1 전극(미도시) 및 제2 전극(미도시)에 쌍극자 정렬 전압을 인가하여 사용할 수 있다.The piezoelectric
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a piezoelectric thick film according to a second embodiment of the present invention will be described in detail.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 흐름도이며, 도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 단면도들이다.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a piezoelectric thick film according to a second embodiment of the present invention, and FIGS. 4A to 4D are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a piezoelectric thick film according to a second embodiment of the present invention.
도 3 및 도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 하나 이상의 유기물을 포함하는 용매에 압전 분말을 용해하여 용액(130a)을 제조한다(S210).3 and 4A to 4D, the
용액(130a)은 메틸에틸케톤, 2-부타논, 사이클로 헥사논, 디메틸포름아마이드 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 용매, 즉, 메틸에틸케톤, 2-부타논, 사이클로 헥사논 및 디메틸포름아마이드를 혼합한 용매에 P(VDF-TrFE) 분말을 용해시켜 제조하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 용매에 상기 P(VDF-TrFE) 분말을 약 1 내지 25%의 농도로 용해시킬 수 있으며, 상기 P(VDF-TrFE) 분말의 농도에 따라 상기 압전체 후막(130b)의 두께를 조절할 수 있다.The
다음에는, 기판(100)의 상부에 제1 전극(150a)를 형성한다(S230, 도 4a).Next, the
바람직하게는, 기판(100)은 압전체 후막(130b)의 활용도에 따라 폴리머 판, 세라믹 판 및 금속판 중 어느 하나일 수 있으며, 단계 S270에서 수행되는 열처리에 의해 변형이 되지 않는 기판인 것이 바람직하다.Preferably, the
다음에는, 제1 전극(150a)이 형성된 기판(100)의 상부면에 용액(130a)을 테이프 캐스팅으로 도포한다(S250, 도 4b).Next, the
구체적으로는, 닥터 브레이드의 간격을 조절하여 기판(100)의 상부면에 도포되는 용액(130a)의 두께를 조절할 수 있다.Specifically, the thickness of the
다음에는, 기판(100)에 열처리를 수행하여 압전체 후막(130b)을 형성한다(S270, 도 4c).Next, the piezoelectric
기판(100)의 상부면에 도포된 용액(130a)에 약 100 내지 150℃의 온도로 한 시간 이상 열처리를 수행하여 용액(130a)에 결정성을 부여한다.The
다음에는, 압전체 후막(130b)의 상부면에 제2 전극(150b)을 형성한다(S290, 도 4d).Next, a
구체적으로는, 제2 전극(150b)은 압전체 후막(130b)의 상부면에 스크린 프린팅(Screen Printing) 기법, 진공 증착법 및 도금 방법 중 적어도 어느 하나를 이용하여 제2 전극(150b)을 형성할 수 있다.Specifically, the
압전체 후막(130b)의 상부면에 제2 전극(150b)이 형성되면, 제1 전극(150a) 및 제2 전극(150b)에 전계, 즉, 쌍극자 정렬 전압을 인가하여 압전체 후막(130b)에 압전 특성을 부여한다. 바람직하게는, 상기 쌍극자 정렬 전압은 0.3MV/cm일 수 있다.When the
비록 본 발명의 구성이 구체적으로 설명되었지만 이는 단지 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.Although the configuration of the present invention has been described in detail, these are merely illustrative of the present invention, and various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. This will be possible.
따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the embodiments disclosed in the present specification are intended to illustrate rather than limit the present invention, and the scope and spirit of the present invention are not limited by these embodiments. It is intended that the scope of the invention be interpreted by the following claims, and that all descriptions within the scope equivalent thereto will be construed as being included in the scope of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 압전체 후막의 제조 방법에 따르면, 메틸에틸케톤(Methyl Ethyl Ketone), 2-부타논(2-butanone), 사이클로 헥사논(Cyclehexanone) 및 디메틸포름아마이드(Dimethyl formamide)을 포함하는 용매에 P(VDF-TrFE) 분말의 농도를 변화시키거나 닥터 브레이드(doctor blade)의 간격을 조절함으로써 압전체 후막의 두께를 용이하게 조절할 수 있다. 따라서, 두께에 상관없이 압전체 후막의 제조가 가능하다.As described above, according to the manufacturing method of the piezoelectric thick film of the present invention, methyl ethyl ketone, 2-butanone, cyclohexanone and dimethyl formamide The thickness of the piezoelectric thick film can be easily adjusted by changing the concentration of P (VDF-TrFE) powder in a solvent including or adjusting the interval of a doctor blade. Therefore, the piezoelectric thick film can be manufactured regardless of the thickness.
또한, 상기 용액을 테이프 캐스팅으로 기판에 도포하므로 용이하게 대면적의 압전체 후막을 제조할 수 있으며, 약 1MV/cm인 PVDF의 쌍극자 정렬 전압보다 낮은 0.3MV/cm의 전압을 인가하여도 쌍극자가 정렬된다는 장점이 있다.In addition, since the solution is applied to the substrate by tape casting, a large-area piezoelectric thick film can be easily produced, and the dipole is aligned even when a voltage of 0.3 MV / cm lower than the dipole alignment voltage of PVDF of about 1 MV / cm is applied. It has the advantage of being.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 흐름도.1 is a flowchart showing a method of manufacturing a piezoelectric thick film according to a first embodiment of the present invention.
도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 단면도.2A to 2C are cross-sectional views each illustrating a method for manufacturing a piezoelectric thick film according to a first embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 흐름도.3 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a piezoelectric thick film according to a second embodiment of the present invention.
도 4a 내지 도 4d는 각각 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전체 후막의 제조 방법을 도시한 단면도.4A to 4D are cross-sectional views each illustrating a method for manufacturing a piezoelectric thick film according to a second embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 기판 130a : 용액100:
130b : 압전체 후막 150a : 제1 전극130b: piezoelectric
150b : 제2 전극150b: second electrode
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- 2009-12-15 KR KR1020090124782A patent/KR101113614B1/en not_active IP Right Cessation
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