KR20140145427A - 압전 소자용 내부 전극, 이를 포함하는 압전 소자 및 압전 소자 제조 방법 - Google Patents

압전 소자용 내부 전극, 이를 포함하는 압전 소자 및 압전 소자 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제1 내부 전극 층이 형성된 압전체 층과 제2 내부 전극 층이 형성된 압전체 층이 교대로 적층되어 형성되는 적층 본체; 상기 제1 내부 전극 층에 형성되는 제1 절연 비아; 상기 제2 내부 전극 층에 형성되는 제2 절연 비아; 상기 적층 본체에 형성되며, 상기 제1 절연 비아를 관통하는 제1 도전성 비아; 및 상기 적층 본체에 형성되며, 상기 제2 절연 비아를 관통하는 제2 도전성 비아;를 포함하고, 상기 제1 절연 비아의 지름은 상기 제1 도전성 비아의 지름보다 크고, 상기 제2 절연 비아의 지름은 상기 제2 도전성 비아의 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 압전 소자에 관한 것이다.

Description

압전 소자용 내부 전극, 이를 포함하는 압전 소자 및 압전 소자 제조 방법{The internal electrode for the piezoelectric device, the piezoelectric device including the same and method for manufacture thereof}
본 발명은 넓은 유효 면적을 갖는 압전 소자용 내부 전극, 이를 포함하는 압전 소자 및 압전 소자 제조 방법에 관한 것이다.
근래 휴대전화, 게임기, e-book 등의 휴대용 전자기기에 있어서, 진동은 무음의 착신을 알리는 신호로 사용되거나, 휴대용 전자기기를 터치하여 입력하는 터치 방식의 디바이스에 있어서 피드백을 줄 수 있는 신호로 사용되고 있다.
이러한 진동을 발생시키는 장치로 기존의 진동 모터 대비 빠른 응답 속도를 가지고, 다양한 주파수에서 구동이 가능한 압전 소자가 사용되고 있다.
압전 소자란 압전 효과를 이용하는 소자로서, 외력을 가하면 전기 분극이 일어나서 전위차가 생기고, 반대로 전압을 가하면 변형이나 변형력이 생기는 성질을 가진 소자를 의미한다.
압전 소자는 피에조 전기 소자(piezoelectric element)라고도 하는데, 수정, 전기석, 로셸염, 타이타늄산바륨, 인산이수소암모늄, 타타르산에틸렌다이아민 등의 압전성이 뛰어난 재료를 이용하여 제조된다.
진동 발생 장치로 사용되는 압전 소자는 압전체에 전압을 가하여 발생하는 변형이나 변형력을 이용하여 진동을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
이러한 압전 소자에서 발생하는 변형이나 변형력을 크게 만들기 위해서, 일반적으로 내부 전극이 형성되어 있는 복수의 박막의 압전층을 적층하여 더욱 강한 진동을 발생시킬 수 있다.
즉, 내부 전극이 형성되어 있는 복수의 박막의 압전층을 적층하여 제조된 압전 소자의 경우, 전압을 인가할 경우 두 전극 사이에 전계가 형성되면서 압전층 내부에서 발생한 쌍극자에 의해 구조의 변형을 일으키게 된다.
이러한 구조의 변형을 통해 기계적인 변위를 만들어 낼 수 있고, 이를 통해 진동을 발생시킬 수 있는 것이다.
상기 압전 소자의 변위는 전계에 비례하여 증가하기 때문에 더 큰 변위를 얻기 위해서는 전극 사이에 더 높은 전압을 걸어줘야 한다.
일반적으로 이러한 큰 전압을 동작 전압으로 발생시키는 것이 회로적으로 큰 문제를 발생시킬 수 있기 때문에, 보통 압전 소자를 복수의 압전층을 적층한 형태로 제작하고, 전극 간의 두께를 줄임으로써 같은 전압에서 더 큰 전계를 인가하여 큰 변위를 발생시킬 수 있도록 유도하고 있다.
예를 들어, 동일 전압을 하나의 층으로 형성되어 있는 압전 소자에 가하는 경우와 복수의 층이 적층되어 형성된 압전 소자에 인가하는 경우에는, 복수의 층이 적층되어 형성된 압전 소자가 동일 전압에서 하나의 층으로 형성된 압전 소자에 비해 동일 전압에서 더 큰 변위를 발생시킬 수 있다.
이러한 다층 압전 소자의 경우에는 상기 압전층에 형성되어 있는 내부 전극이 적층 방향으로 서로 다른 극성을 가지도록 교대로 적층되어야 한다.
상기 내부 전극이 적층 방향으로 서로 다른 극성을 가지도록 교대로 적층되기 위해서는 예를 들어, 양 전압이 인가되는 내부 전극은 압전층의 좌측으로 편향되어 여백이 형성되도록 인쇄하고, 음 전압이 인가되는 내부 전극은 압전층의 우측으로 편향되어 여백이 형성되도록 인쇄 뒤, 이를 적층, 압착 및 소성하여 여백에 각각 비아홀을 형하여 서로 다른 극성를 갖도록 전기적으로 연결해줄 수 있다.
즉, 서로 다른 극성을 갖는 내부 전극을 엇갈린 형태로 적층하게 되는데, 이 경우, 내부 전극을 외부와 전기적으로 연결하기 위한 비아홀이 형성되는 여백이 소자의 비활성 영역으로 남게된다.
이러한 비활성 영역은 압전 소자에 전계를 인가하여, 변위를 발생시키는 경우에 압전 소자의 성능을 저하시키는 요인이 된다.
따라서, 압전 소자의 비활성 영역을 최소화시킬 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
하기의 선행기술문헌의 특허문헌 1은 햅틱 다바이스 구동용 압전 액추에이터에 관한 것이다.
구체적으로 특허문헌 1에 기재된 발명은 동일한 폴링방향을 갖는 복수의 압전체층이 적층된 압전체; 및 상기 압전체에 형성된 전극패턴;을 포함하고,각각의 상기 압전체층의 길이는 상기 압전체층의 너비의 4배보다 크거나 같으며, 상기 압전체층의 너비는 상기 압전체층의 두께의 10배보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 햅틱 디바이스 구동용 압전 액추에이터에 관한 것이다.
하지만 특허문헌 1에 개시된 압전 액추에이터는 외부 전극이 압전체의 일측에 형성되는 형상을 가지기 때문에 본 발명의 도전성 비아 및 절연 비아에 대하여 개시하고 있지 아니하며, 따라서 압전 소자의 비활성 영역을 최소화할 수 있다는 기술적 특징을 개시하고 있지 아니하다.
한국공개특허공보 제2012-0013273호
본 발명의 비활성 영역을 최소화할 수 있는 압전 소자용 내부 전극을 제공하고자 한다.
또한, 상기 내부 전극을 이용하여 압전 소자의 성능을 극대화시킨 압전 소자 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 소자용 내부 전극은 압전체 층; 상기 압전체 층에 형성되는 내부 전극 층; 상기 내부 전극 층에 형성되는 절연 비아; 및 상기 절연 비아의 중앙부에 형성되는 도전성 비아;를 포함하고, 상기 절연 비아의 지름은 상기 도전성 비아의 지름보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 절연 비아의 지름에 대한 상기 도전성 비아의 지름의 비가 0.5 내지 0.75 일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 절연 비아에 형성되는 절연층을 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 절연층은 Pb, Zr, Ti 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 강유전체 재료로 형성될 수 있다.
일 실시 형태에 있어서, 상기 절연 비아는 상기 내부 전극 측의 길이 방향으로 일측, 모서리 측, 또는 너비 방향으로 일측 중 적어도 한 곳에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따른 압전 소자는 제1 내부 전극 층이 형성된 압전체 층과 제2 내부 전극 층이 형성된 압전체 층이 교대로 적층되어 형성되는 적층 본체; 상기 제1 내부 전극 층에 형성되는 제1 절연 비아; 상기 제2 내부 전극 층에 형성되는 제2 절연 비아; 상기 적층 본체에 형성되며, 상기 제1 절연 비아를 관통하는 제1 도전성 비아; 및 상기 적층 본체에 형성되며, 상기 제2 절연 비아를 관통하는 제2 도전성 비아;를 포함하고, 상기 제1 절연 비아의 지름은 상기 제1 도전성 비아의 지름보다 크고, 상기 제2 절연 비아의 지름은 상기 제2 도전성 비아의 지름보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 실시 형태에 있어서, 상기 제1 절연 비아의 지름에 대한 상기 제1 도전성 비아의 지름의 비가 0.5 내지 0.75이거나, 상기 제2 절연 비아의 지름에 대한 상기 제2 도전성 비아의 지름의 비가 0.5 내지 0.75일 수 있다.
다른 실시 형태에 있어서, 상기 제1 절연 비아 또는 상기 제2 절연 비아에 형성되는 절연층을 더 포함할 수 있다.
다른 실시 형태에 있어서, 상기 절연층은 상기 압전체 층과 동일한 재료로 형성될 수 있다.
다른 실시 형태에 있어서, 상기 절연층은 Pb, Zr, Ti 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 강유전체 재료로 형성될 수 있다.
다른 실시 형태에 있어서, 상기 제1 내부 전극 층과 상기 제2 내부 전극 층이 겹치는 면적은 비율은 80 % 내지 99 %일 수 있다.
다른 실시 형태에 있어서, 상기 제1 및 제2 도전성 비아에 도전성 물질이 충진될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 압전 소자 제조 방법은 복수의 압전체층을 마련하는 단계; 상기 압전체층에 제1 절연 비아가 형성되어 있는 제1 내부 전극 층을 인쇄하고, 상기 압전체층에 제2 절연 비아가 형성되어 있는 제2 내부 전극 층을 인쇄하는 단계; 제1 내부 전극 층이 인쇄된 압전체 층과 제2 내부 전극 층이 인쇄된 압전체층을 교대로 적층하여 적층 본체를 마련하는 단계; 상기 적층 본체를 압착 및 소성하는 단계; 및 상기 적층 본체에 상기 제1 절연 비아를 관통하도록 제1 도전성 비아를 형성하고, 상기 적층 본체에 상기 제2 절연 비아를 관통하도록 제2 도전성 비아를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 절연 비아의 지름은 상기 제1 도전성 비아의 지름보다 크고, 상기 제2 절연 비아의 지름은 상기 제2 도전성 비아의 지름보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 실시 형태에 있어서, 상기 제1 및 제2 내부 전극 층을 인쇄하는 단계는 상기 제1 및 제2 절연 비아에 절연층을 형성하는 단계를 포함하여 수행될 수 있다.
또 다른 실시 형태에 있어서, 상기 절연층은 상기 압전체층과 동일한 재료로 형성될 수 있다.
또 다른 실시 형태에 있어서, 상기 절연층은 Pb, Zr, Ti 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 강유전체 재료로 형성될 수 있다.
또 다른 실시 형태에 있어서, 상기 제1 및 2 도전성 비아를 형성하는 단계를 수행한 후에, 상기 제1 도전성 비아와 연결되는 제1 외부 전극을 형성하고, 상기 제2 도전성 비아와 연결되는 제2 외부 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시 형태에 있어서, 상기 제1 절연 비아의 지름에 대한 상기 제1 도전성 비아의 지름의 비가 0.5 내지 0.75이거나, 상기 제2 절연 비아의 지름에 대한 상기 제2 도전성 비아의 지름의 비가 0.5 내지 0.75일 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 소자용 내부 전극은 도전성 비아의 지름보다 큰 지름을 갖는 절연 비아를 형성함으로써, 압전체 층에 대해 최대한의 유효 면적을 갖는 내부 전극을 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 압전 소자는 상기 압전 소자용 내부 전극을 이용하여 압전 소자가 제작되므로, 압전 소자의 성능을 극대화시킬 수 있다.
도 1의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 소자용 내부 전극의 개략적인 사시도이다.
도 2의 (a)는 도 1(a)의 A-A`의 개략적인 단면도이고, 도 2의 (b)는 도 1(b)의 B-B`의 개략적인 단면도이다.
도 3 내지 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 소자용 내부 전극의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 압전 소자의 개략적인 사시도이다.
도 7은 도 6의 C-C`의 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 압전 소자 제조 방법의 플로우 차트를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 또한, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호가 사용될 것이며, 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 소자용 내부 전극의 개략적인 사시도이고, 도 2의 (a)는 도 1(a)의 A-A`의 개략적인 단면도이며, 도 2의 (b)는 도 1(b)의 B-B`의 개략적인 단면도이다.
도 1 및 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 소자용 내부 전극의 구조에 대해 살펴 보면, 압전체 층(10a, 10b)의 상부에 형성되는 내부 전극 층(11a, 11b)를 포함할 수 있다.
구체적으로 도 1(a)를 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 소자용 내부 전극의 구조를 살펴보면 압전체 층(10a); 상기 압전체 층(10a)에 형성되는 내부 전극 층;(11a) 상기 내부 전극 층에 형성되는 절연 비아(12a); 및 상기 절연 비아의 중앙부에 형성되는 도전성 비아(14a);를 포함하고, 상기 절연 비아(12a)의 지름(d1)은 상기 도전성 비아(14a)의 지름(d2)보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
또는, 상기한 압전 소자용 내부 전극과 다른 극성을 갖는 경우에, 도 1(b)를 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 소자용 내부 전극의 구조를 살펴보면 압전체 층(10b; 상기 압전체 층(10b)에 형성되는 내부 전극 층;(11b) 상기 내부 전극 층에 형성되는 절연 비아(12b); 및 상기 절연 비아의 중앙부에 형성되는 도전성 비아(14b);를 포함하고, 상기 절연 비아(12b)의 지름(d1)은 상기 도전성 비아(14b)의 지름(d2)보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 압전체 층(10a, 10b)은 압전 효과를 나타낼 수 있는 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
압전 효과란 외력을 가하면 전기 분극이 일어나서 전위차가 생기고, 반대로 전압을 가하면 변형이나 변형력이 생기는 성질을 의미한다.
상기 압전체 층(10a, 10b)는 수정, 전기석, 로셸염, 타이타늄산바륨, 인산이수소암모늄, 타타르산에틸렌다이아민으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 또는 이들을 혼합한 물질을 이용하여 제조될 수 있다.
상기 내부 전극 층(11a, 11b)은 도전성 페이스트를 이용하여 형성될 수 있다.
상기 도전성 페이스트는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au) 등 도전성이 뛰어난 금속 분말을 분산시켜서 제작될 수 있다.
일반적으로, 상기 내부 전극 층(11a, 11b)은 외부와 전기적으로 연결되어 상기 압전체 층(10a, 10b)에 전계를 인가하여야 하기 때문에, 외부 전극과 연결되기 위하여 상기 내부 전극 층(11a, 11b)의 일부가 외부로 노출되어야 한다.
또한, 상기 압전체 층(10a, 10b)에 서로 다른 극성의 전압을 인가하여 쌍극자를 유도하여 변위 또는 변위력을 발생하여야 하므로, 교대로 형성되는 내부 전극 층(11a, 11b)은 엇갈리도록 적층될 수 밖에 없다.
종래의 경우, 서로 다른 극성을 가진 내부 전극 층(11a, 11b)이 엇갈리면서 형성되기 때문에, 상기 내부 전극 층(11a, 11b)이 엇갈린 부분은 서로 다른 극성을 가진 전계가 인가되지 않기 때문에 압전 소자의 성능을 구현할 수 있는 부분인 활성 영역으로 동작할 수 없다.
즉, 상기 내부 전극 층(11a, 11b)가 엇갈린 부분은 비활성 영역으로 버려지게 된다.
도 1(a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 소장용 내부 전극은 도전성 비아(14b)를 이용하여, 외부와 전기적으로 연결될 수 있다.
다만, 압전 소자로 작동하기 위해서는 양극 또는 음극을 갖는 외부 전극 중 하나만 연결되어야 한다.
따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 소자용 내부 전극은 상기 내부 전극과 하나의 외부 전극을 전기적으로 연결되는 도전성 비아(14b)와 절연 비아(13a)의 중심부에 형성되는 도전성 비아(14a)가 형성될 수 있다.
즉, 상기 절연 비아(13a)의 중심부에 형성되는 상기 도전성 비아(14a)는 상기 내부 전극 층(11a)과 전기적으로 연결되는 것을 방지하여 하므로, 상기 절연 비아(13a)의 지름은 상기 도전성 비아(14a)의 지름보다 클 수 있다.
즉, 상기 절연 비아(13a)의 지름(d1)이 상기 도전성 비아(14a)의 지름(d2)보다 크기 때문에, 상기 절연 비아(13a)에 의해서 상기 도전성 비아(14a)와 상기 내부 전극 층(11a)가 전기적으로 연결되지 않는다.
상기 절연 비아(13a)의 지름(d1)에 대한 상기 도전성 비아(14a)의 지름(d2)의 비(d2/d1)는 0.5 내지 0.75일 수 있다.
하기의 표 1은 d2/d1의 값에 따른, 압전 소자의 성능과 신뢰성을 나타낸 것이다.
압전 소자의 성능은 비활성 영역이 존재하지 않을 때, 성능을 1이라고 할 때, 압전 소자의 성능이 85% 이상인 경우에는 O로, 85% 미만인 경우에는 X로 표시하였다.
상기 압전 소자의 신뢰성은 100개의 샘플 중 1개 이상 단락이 발생한 경우에는 X로, 단락이 발생하지 않은 경우에는 O로 표시하였다.
샘플 번호 d2/d1 성능 신뢰성
1* 0.40 X O
2* 0.45 X O
3 0.50 O O
4 0.55 O O
5 0.60 O O
6 0.65 O O
7 0.70 O O
8 0.75 O O
9* 0.80 O X
10* 0.85 O X
*: 비교예
표 1에서 보는 바와 같이, d2/d1이 0.50 미만인 경우에는 압전 소자의 성능이 85% 미만으로 떨어지게 된다.
d2/d1의 값이 0.75를 초과하는 경우에는 압전 소자의 성능을 85% 이상 확보할 수 있으나, 내부 전극 층(11a)에 포함되어 있는 은(Ag)과 같은 도전성 물질이 인가된 전계에 의하여 이동하게 되어 상기 도전성 비아(14a)와 상기 내부 전극 층(11a)가 상기 이동된 도전성 물질에 의해 단락이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 d2/d1의 값이 0.50 내지 0.75일 때, 압전 소자의 성능을 85% 이상 확보하고, 동시에 단락이 발생하는 것을 방지하여, 우수한 성능과 신뢰성을 동시에 구현할 수 있다.
도 1(a)를 참조하면, 상기 절연 비아(12a)에는 절연층(13a)이 형성될 수 있다.
일반적으로, 압전 소자는 복수의 상기 압전 소자용 내부 전극을 적층, 압착하여 적층 본체를 제조하고, 이를 소성하여 제조된다.
즉, 상기 압전 소자용 내부 전극을 적층, 압착하여 적층 본체를 제조하는 경우, 상기 절연 비아(12a)와 상기 내부 전극 층(11a)에 단차가 발생하게 된다.
이러한 단차는 적층 본체에 크랙(crack)이 발생하게 되는 주 원인이 되며, 이러한 크랙(crack)을 통해 도전성 물질이 유입되어 단락이 발생하여, 압전 소자의 신뢰성 저하의 요인이 될 수 있다.
따라서, 적층, 압착하는 과정에서의 크랙 발생을 방지하기 위하여, 상기 절연 비아(12a, 12b)에는 절연층(13a, 13b)이 형성 될 수 있다.
상기한 사항 중 도 1(b) 및 도 2(b)에 대응되는 사항은 도 1(a) 및 도 2(a)를 참조하여 설명한 것과 같다.
상기 절연층(13a, 13b)은 Pb, Zr, Ti 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 강유전체 재료로 형성될 수 있다.
상기 절연층(13a, 13b)가 강유전체 재료로 형성됨으로써, 상기 절연 비아(12a, 12b)를 형성함으로써, 압전 소자의 성능에 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 압전 소자의 압전체 층(10a, 10b)과 동일한 재료로 상기 절연층(12a, 12b)을 형성하는 경우, 상기 적층 본체를 소성할 때, 재료에 따른 열팽창계수로 인해 발생하는 디라미네이션(delamintation)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
즉, 디라미네이션 현상을 방지함으로써, 압전 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 3 내지 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 소자용 내부 전극의 평면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 절연 비아(12a, 12b)는 상기 압전 소자용 내부 전극의 극성에 따라, 상기 내부 전극 측의 길이 방향(x방향)으로 일측에 적층 방향에 따라 엇갈리도록 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4를 참조하면, 상기 절연 비아(12a, 12b)는 상기 압전 소자용 내부 전극의 극성에 따라, 상기 내부 전극 층(11a, 11b)의 모서리 부분에 적층 방향에 따라 엇갈리도록 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5를 참조하면, 상기 절연 비아(12a, 12b)는 상기 압전 소자용 내부 전극의 극성에 따라, 상기 내부 측의 너비 방향(y방향)으로 일측에 적층 방향에 따라 엇갈리도록 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
즉, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 압전 소자용 내부 전극은 절연 비아(12a, 12b)의 위치를 필요에 따라 변경할 수 있으므로, 외부 전극이 형성되는 위치를 자유롭게 설정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 압전 소자의 개략적인 사시도이며, 도 7은 도 6의 C-C`의 개략적인 단면도이다.
도 6 및 7을 참조하여, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 압전 소자의 구조를 살펴 보면,
본 발명의 다른 실시 형태에 따른 압전 소자는 제1 내부 전극 층(11a)이 형성된 압전체 층(10a)과 제2 내부 전극 층(11b)이 형성된 압전체 층(10b)이 교대로 적층되어 형성되는 적층 본체(100); 상기 제1 내부 전극 층(11a)에 형성되는 제1 절연 비아(12a); 상기 제2 내부 전극 층(11b)에 형성되는 제2 절연 비아(12b); 상기 적층 본체(100)에 형성되며, 상기 제1 절연 비아(12a)를 관통하는 제1 도전성 비아(14a); 및 상기 적층 본체(100)에 형성되며, 상기 제2 절연 비아(12b)를 관통하는 제2 도전성 비아(14b);를 포함하고, 상기 제1 절연 비아(12a)의 지름은 상기 제1 도전성 비아(14a)의 지름보다 크고, 상기 제2 절연 비아(12b)의 지름은 상기 제2 도전성 비아(14b)의 지름보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따른 압전 소자는 상기 제1 도전성 비아(14a)와 전기적으로 연결되는 제1 외부 전극(20a) 및 상기 제2 도전성 비아(14b)와 전기적으로 연결되는 제2 외부 전극(20b)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 도전성 비아(14a, 14b)는 도전성 물질이 충진되어, 상기 제1 및 제2 외부 전극(20a, 20b)와 상기 제2 및 제1 내부 전극(11b, 11a)를 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 제1 내부 전극 층(11a)에 양 전압이, 상기 제2 내부 전극 층(11b)에 음 전압이 인가된다고 가정하여 본 발명의 다른 실시형태에 따른 압전 소자의 구조에 대하여 설명하도록 한다.
상기 제1 내부 전극 층(11a)에 양 전압이 인가되기 위해서는 상기 제2 도전성 비아(14b)에 양 전압이 인가되어야 한다.
즉, 상기 제1 내부 전극 층(11a)에 형성되는 제2 도전성 비아(14b)의 경우에는 상기 제2 도전성 비아(14b)와 상기 제1 내부 전극 층(11a)의 사이에 전기적 연결을 차단해줄 공간 또는 물질이 없기 때문에, 상기 제1 내부 전극 층(11a)은 제2 도전성 비아(14b)에 의해 제2 외부 전극(20b)와 전기적으로 연결될 수 있다.
반면, 상기 제1 내부 전극 층(11a)에 형성되는 제1 도전성 비아(14a)의 경우에는 상기 제1 도전성 비아(14a)와 상기 제1 내부 전극 층(11a)의 사이에 절연 비아(12a)가 형성되어 있기 때문에, 서로 전기적으로 연결되지 않는다.
상기 제2 내부 전극 층(11b)에 음 전압이 인가되기 위해서는 상기 제1 도전성 비아(14a)에 음 전압이 인가되어야 한다.
즉, 상기 제2 내부 전극 층(11b)에 형성되는 제1 도전성 비아(14a)의 경우에는 상기 제1 도전성 비아(14a)와 상기 제2 내부 전극 층(11b)의 사이에 전기적 연결을 차단해줄 공간 또는 물질이 없기 때문에, 상기 제2 내부 전극 층(11b)은 제1 도전성 비아(14a)에 의해 제1 외부 전극(20a)와 전기적으로 연결될 수 있다.
반면, 상기 제2 내부 전극 층(11b)에 형성되는 제2 도전성 비아(14b)의 경우에는 상기 제2 도전성 비아(14b)와 상기 제2 내부 전극 층(11b)의 사이에 절연 비아(12b)가 형성되어 있기 때문에, 서로 전기적으로 연결되지 않는다.
본 발명의 다른 실시 형태에 압전 소자는 상기 제1 내부 전극 층(11a)과 상기 제2 내부 전극 층(11b)이 겹치는 면적은 비율은 80 % 내지 99 %일 수 있다.
상기 압전 소자는 제1 및 2 도전성 비아(14a, 14b)를 이용하여, 상기 제1 내부 전극 층(11a)과 상기 제2 내부 전극 층(11b)이 겹치는 면적은 비율이 80 % 내지 99 %로 함으로써, 상기 압전 소자의 활성 영역을 극대화시킬 수 있다.
즉, 상기 압전 소자의 비활성 영역을 최소화함으로써, 상기 압전 소자의 성능을 극대화 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 압전 소자 제조 방법의 플로우 차트를 도시한 것이다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 압전 소자 제조 방법은 복수의 압전체 층(10a, 10b)을 마련하는 단계(S110); 상기 압전체 층(10a)에 제1 절연 비아(12a)가 형성되어 있는 제1 내부 전극 층(11a)을 인쇄하고, 상기 압전체 층(10b)에 제2 절연 비아(12b)가 형성되어 있는 제2 내부 전극 층(12b)을 인쇄하는 단계(S120); 상기 제1 내부 전극 층(11a)이 인쇄된 상기 압전체 층(10a)과 상기 제2 내부 전극 층(11b)이 인쇄된 압전체 층(10b)을 교대로 적층하여 적층 본체(100)를 마련하는 단계(S130); 상기 적층 본체(100)를 압착 및 소성하는 단계(140); 및 상기 적층 본체(100)에 상기 제1 절연 비아(12a)를 관통하도록 제1 도전성 비아(14a)를 형성하고, 상기 적층 본체(100)에 상기 제2 절연 비아(12b)를 관통하도록 제2 도전성 비아(14b)를 형성하는 단계(S150);를 포함하고, 상기 제1 절연 비아(12a)의 지름은 상기 제1 도전성 비아(14a)의 지름보다 크고, 상기 제2 절연 비아(12b)의 지름은 상기 제2 도전성 비아(14b)의 지름보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따른 압전 소자 제조 방법에 대해 각 단계별로 살펴보도록 한다.
먼저, 복수의 압전체 층(10a, 10b)을 마련하는 단계(S110)는 압전 재료를 시트형태로 압착하여 수행될 수 있다.
상기 압전 재료는 압전 효과를 나타낼 수 있는 물질을 이용하여 형성될 수 있다.
압전 효과란 외력을 가하면 전기 분극이 일어나서 전위차가 생기고, 반대로 전압을 가하면 변형이나 변형력이 생기는 성질을 의미한다.
상기 압전체 층(10a, 10b)는 수정, 전기석, 로셸염, 타이타늄산바륨, 인산이수소암모늄, 타타르산에틸렌다이아민으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 또는 이들을 혼합한 물질을 이용하여 제조될 수 있다.
다음으로 상기 압전체 층(10a)에 제1 절연 비아(12a)가 형성되어 있는 제1 내부 전극 층(11a)을 인쇄하고, 상기 압전체 층(10b)에 제2 절연 비아(12b)가 형성되어 있는 제2 내부 전극 층(12b)을 인쇄하는 단계(S120)는 스크린 프린팅 방법 또는 그라비아 방법으로 각 내부 전극을 상기 압전체 층에 형성할 수 있다.
또 다른 실시 형태에 있어서, 상기 제1 및 제2 내부 전극 층(11a, 11b)을 인쇄하는 단계(S120)는 상기 제1 및 제2 절연 비아(12a, 12b)에 절연층(13a, 13b)을 형성하는 단계를 포함하여 수행될 수 있다.
상기 절연층(13a, 13b)는 상기 압전체 층과 동일한 재료를 이용하여 형성될 수 있는데, 이는 후에 적층 본체를 소성하는 단계에서 재료에 따른 열팽창계수의 차이로 인한 크랙 발생을 방지하기 위한 것이다.
각 내부 전극을 압전체 층에 형성한 후, 상기 제1 내부 전극 층(11a)이 인쇄된 상기 압전체 층(10a)과 상기 제2 내부 전극 층(11b)이 인쇄된 압전체 층(10b)을 교대로 적층하여 적층 본체(100)를 마련하는 단계(S130)와 상기 적층 본체(100)를 압착 및 소성하는 단계(140)가 순서대로 수행될 수 있다.
그 후, 상기 적층 본체(100)에 상기 제1 절연 비아(12a)를 관통하도록 제1 도전성 비아(14a)를 형성하고, 상기 적층 본체(100)에 상기 제2 절연 비아(12b)를 관통하도록 제2 도전성 비아(14b)를 형성하는 단계(S150)가 수행될 수 있다.
상기 제1 내부 전극 층(11a)에는 상기 제1 절연 비아(12a)가 형성되어 있기 때문에, 상기 제1 도전성 비아(14a)와 상기 제1 내부 전극 층(11a)는 전기적으로 연결되지 않으며, 상기 제2 내부 전극 층(11b)에는 상기 제2 절연 비아(12b)가 형성되어 있기 때문에, 상기 제2 도전성 비아(14b)와 상기 제2 내부 전극 층(11b)는 전기적으로 연결되지 않는다.
상기 제1 및 제2 도전성 비아(14a, 14b)를 형성하는 단계(S150)는 레이져를 이용하여 상기 적층 본체(100)에 비아를 형성한 후, 도전성 물질을 상기 비아에 충진하여 형성될 수 있다.
또 다른 실시 형태에 있어서, 상기 제1 및 2 도전성 비아(14a, 14b)를 형성하는 단계(S150)를 수행한 후에, 상기 제1 도전성 비아(14a)와 연결되는 제1 외부 전극(20a)을 형성하고, 상기 제2 도전성 비아(14b)와 연결되는 제2 외부 전극(20b)을 형성하는 단계(160)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 내부 전극(11a)는 상기 제2 도전성 비아(14b)를 통해 상기 제2 외부 전극(20b)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 제2 내부 전극(11b)는 상기 제1 도전성 비아(14a)를 통해 상기 제1 외부 전극(20a)와 전기적으로 연결될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
10a, 10b: 압전체 층
11a, 11b: 내부 전극 층(제1 및 제2 내부 전극 층)
12a, 12b: 절연 비아(제1 및 제2 절연 비아)
13a, 13b: 절연층
14a, 14b: 도전성 비아(제1 및 제2 도전성 비아)
20a, 20b: 제1 및 제2 외부 전극
100: 적층 본체

Claims (18)

  1. 압전체 층;
    상기 압전체 층에 형성되는 내부 전극;
    상기 내부 전극에 형성되는 절연 비아; 및
    상기 절연 비아의 중앙부에 형성되는 도전성 비아;를 포함하고,
    상기 절연 비아의 지름은 상기 도전성 비아의 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 압전 소자용 내부 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연 비아의 지름에 대한 상기 도전성 비아의 지름의 비가 0.5 내지 0.75 인 압전 소자용 내부 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연 비아에 형성되는 절연층을 더 포함하는 압전 소자용 내부 전극.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연층은 Pb, Zr, Ti 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 강유전체 재료로 형성되는 압전 소자용 내부 전극.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 절연 비아는 상기 내부 전극 측의 길이 방향으로의 일측, 모서리 측, 또는 너비 방향으로 일측 중 적어도 한 곳에 형성되는 압전 소자용 내부 전극.
  6. 제1 내부 전극 층이 형성된 압전체 층과 제2 내부 전극 층이 형성된 압전체 층이 교대로 적층되어 형성되는 적층 본체;
    상기 제1 내부 전극 층에 형성되는 제1 절연 비아;
    상기 제2 내부 전극 층에 형성되는 제2 절연 비아;
    상기 적층 본체에 형성되며, 상기 제1 절연 비아를 관통하는 제1 도전성 비아; 및
    상기 적층 본체에 형성되며, 상기 제2 절연 비아를 관통하는 제2 도전성 비아;를 포함하고,
    상기 제1 절연 비아의 지름은 상기 제1 도전성 비아의 지름보다 크고,
    상기 제2 절연 비아의 지름은 상기 제2 도전성 비아의 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 압전 소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 절연 비아의 지름에 대한 상기 제1 도전성 비아의 지름의 비가 0.5 내지 0.75이거나,
    상기 제2 절연 비아의 지름에 대한 상기 제2 도전성 비아의 지름의 비가 0.5 내지 0.75인 압전 소자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 절연 비아 또는 상기 제2 절연 비아에 형성되는 절연층을 더 포함하는 압전 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 절연층은 상기 압전체층과 동일한 재료로 형성되는 압전 소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 절연층은 Pb, Zr, Ti 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 강유전체 재료로 형성되는 압전 소자.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 제1 내부 전극 층과 상기 제2 내부 전극 층이 겹치는 면적은 비율은 80 % 내지 99 %인 압전 소자.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도전성 비아에 도전성 물질이 충진되는 압전 소자.
  13. 복수의 압전체층을 마련하는 단계;
    상기 압전체층에 제1 절연 비아가 형성되어 있는 제1 내부 전극 층을 인쇄하고, 상기 압전체층에 제2 절연 비아가 형성되어 있는 제2 내부 전극 층을 인쇄하는 단계;
    상기 제1 내부 전극 층이 인쇄된 상기 압전체 층과 상기 제2 내부 전극 층이 인쇄된 상기 압전체 층을 교대로 적층하여 적층 본체를 마련하는 단계;
    상기 적층 본체를 압착 및 소성하는 단계; 및
    상기 적층 본체에 상기 제1 절연 비아를 관통하도록 제1 도전성 비아를 형성하고, 상기 적층 본체에 상기 제2 절연 비아를 관통하도록 제2 도전성 비아를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 절연 비아의 지름은 상기 제1 도전성 비아의 지름보다 크고,
    상기 제2 절연 비아의 지름은 상기 제2 도전성 비아의 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 압전 소자 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 내부 전극 층을 인쇄하는 단계는 상기 제1 및 제2 절연 비아에 절연층을 형성하는 단계를 포함하여 수행되는 압전 소자 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 절연층은 상기 압전체층과 동일한 재료로 형성되는 압전 소자 제조 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 절연층은 Pb, Zr, Ti 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 강유전체 재료로 형성되는 압전 소자 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 2 도전성 비아를 형성하는 단계를 수행한 후에,
    상기 제1 도전성 비아와 연결되는 제1 외부 전극을 형성하고, 상기 제2 도전성 비아와 연결되는 제2 외부 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 압전 소자 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제1 절연 비아의 지름에 대한 상기 제1 도전성 비아의 지름의 비가 0.5 내지 0.75이거나,
    상기 제2 절연 비아의 지름에 대한 상기 제2 도전성 비아의 지름의 비가 0.5 내지 0.75인 압전 소자 제조 방법.
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