KR20150014287A - 압전 시트, 이를 포함하는 압전 소자 및 압전 소자의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단결정의 제1 압전체 및 다결정의 제2 압전체를 포함하는 복수의 압전 시트가 적층된 적층 본체; 상기 압전 시트 사이에 개재되며, 적층 방향으로 서로 다른 극성을 갖도록 교번하는 제1 및 2 내부 전극; 및 상기 적층 본체의 일 면에 형성되어 상기 제1 및 2 내부 전극과 전기적으로 연결되는 제1 및 2 외부 전극;을 포함하고, 상기 제1 압전체의 종횡비(d/l)가 1/8 내지 1/4인 압전 소자에 관한 것이다.

Description

압전 시트, 이를 포함하는 압전 소자 및 압전 소자의 제조 방법{Piezoelectric sheet, piezoelectric device including the same and method of fabricating the piezoelectric device}
본 발명은 압전 시트, 이를 포함하는 압전 소자 및 압전 소자의 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.
동일한 전압하에서 더 큰 변위를 얻기 위해서는 압전 상수인 d31 값이 큰 재료를 사용하여야 한다.
일반적으로 사용되는 다결정의 결정 구조를 갖는 압전 재료를 이용하는 경우, d31 값이 대략 200 pC/N정도의 값을 갖게 된다.
다결정의 결정 구조를 갖는 압전 재료는 3-방향으로 전압이 인가되었을 때에 1-방향으로의 변위와 비례하는 d31 값이 단결정의 결정 구조를 압전 재료에 비해서 매우 작게 나온다.
단결정 구조를 갖는 압전 재료의 경우 d31 값이 약 2000 pC/N으로 다결정의 결정 구조를 갖는 압전 재료에 비해 약 10배 이상 큰 값을 갖게 된다.
이는 단결정 구조를 갖는 압전 재료의 경우, 일 방향으로 결정 구조가 정렬되어 있기 때문에, 변위가 일 방향으로만 일어나기 때문이다.
하지만 단결정 구조를 갖는 압전 재료는 그 제작이 어렵고 가격이 비싸다는 문제가 있으며, 다결정 구조를 갖는 압전 재료에 비해 잘 깨지고 내구성이 약하다는 단점이 있다.
따라서 높은 변위를 갖기 위해 d31 값이 크며, 제작이 용이하고, 내구성이 뛰어난 압전 재료가 필요한 실정이다.
또한, 더 높은 변위를 갖기 위해 내부 전극 사이에 개재되는 압전체 층의 두께를 박막화하고 있다.
상기 압전체 층의 두께가 얇아짐에 따라서, 전기장이 인가된 상황에서 상기 내부 전극의 금속이 상기 압전체 층의 결정립계를 타고 이동하여 단락(short)이 발생하는 문제가 발상해고 있다.
이러한 단락(short)은 압전 소자의 신뢰성을 낮추는 큰 원인 중에 하나로 대두되고 있다.
따라서 금속이 결정립계를 타고 이동하는 현상을 방지할 수 있는 방안이 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 압전체 층이 단결정의 압전 재료와 다결정의 압전 재료를 포함하고 있는 것을 개시하고 있지 않다.
나아가, 단결정의 압전 재료의 종횡비(d/l)에 대해서 개시하고 있지 아니하다.
한국공개특허공보 제2012-0013273호
본 발명은 높은 d31 값을 갖으며 내구성이 뛰어난 압전 시트를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 압전 시트의 박막화로 인해 발생하는 내부 전극의 금속 원자가 결정립계를 타고 이동하는 현상을 방지하여 신뢰성이 향상되는 압전 소자 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 시트는 단결정의 제1 압전체; 및 다결정의 제2 압전체;를 포함하고, 상기 제1 압전체의 종횡비(d/l)가 1/8 내지 1/4 일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 압전체를 감싸고 있는 압전 쉘을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 압전 쉘은 상기 제1 압전체와 같은 결정 방향을 가질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 압전 쉘의 d31 값은 200 pC/N 내지 700 pC/N일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 압전체의 함량은 3 % 내지 30 % 일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 소자는 단결정의 제1 압전체 및 다결정의 제2 압전체를 포함하는 복수의 압전 시트가 적층된 적층 본체; 상기 압전 시트 사이에 개재되며, 적층 방향으로 서로 다른 극성을 갖도록 교번하는 제1 및 2 내부 전극; 및 상기 적층 본체의 일 면에 형성되어 상기 제1 및 2 내부 전극과 전기적으로 연결되는 제1 및 2 외부 전극;을 포함하고, 상기 제1 압전체의 종횡비(d/l)가 1/8 내지 1/4 일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 제1 압전체를 감싸고 있는 압전 쉘을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 압전 쉘은 상기 제1 압전체와 같은 결정 방향을 가질 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 압전 쉘의 d31 값은 200 pC/N 내지 700 pC/N 일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 제1 압전체의 함량은 3 % 내지 30 %일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 적층 본체의 하면과 접착되는 진동판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 소자의 제조 방법은 단결정의 제1 압전체와 다결정의 제2 압전체를 마련하는 단계; 상기 제1 및 2 압전체를 혼합하는 단계; 상기 혼합된 제1 및 2 압전체를 압착하여 복수의 그린 시트를 마련하는 단계; 상기 그린 시트에 도전성 페이스트를 이용하여 제1 및 제2 내부 전극을 인쇄하는 단계; 상기 제1 및 제2 내부 전극이 인쇄된 그린 시트를 적층 및 압착하여 적층 본체를 마련하는 단계; 및 상기 적층 본체를 열처리 하는 단계;를 더 포함하고, 상기 제1 압전체의 종횡비(d/l)가 1/8 내지 1/4 일 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 열처리하는 단계를 수행함으로써 상기 제1 압전체를 감싸는 압전 쉘을 형성할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 열처리하는 단계는 상기 제1 및 2 압전체의 녹는점을 Tm이라고 할 때, 0.5 Tm 이상에서 수행될 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 열처리하는 단계를 수행한 후에, 상기 적층 본체에 상기 제1 및 제2 내부 전극과 전기적으로 각각 연결되는 제1 및 제2 도전성 비아를 형성하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 도전성 비아와 전기적으로 각각 연결되는 제1 및 2 외부 전극을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 시트는 단결정의 제1 압전체를 포함함으로써, 높은 d31 값을 갖도록 할 수 있다.
나아가, 상기 제1 압전체의 종횡비(d/l)가 1/8 내지 1/4 이므로, 상기 제1 압전체가 깨지는 현상을 방지하여 내구성을 향상시킬 수 있고, 다결정의 제2 압전체와 상기 제1 압전체의 접촉 계면이 넓힐 수 있다.
즉, 상기 제1 및 2 압전체의 접촉 계면을 넓힘으로써 내부 전극의 금속 원소가 상기 제2 압전체의 결정립계를 타고 이동하는 현상을 방지하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A`의 개략적인 단면도를 도시한 것이며, 도 2의 확대도는 압전 시트의 개략적인 미세 구조를 도시한 것이다.
도 3은 진동판을 더 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 소자의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3의 B-B`의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
또한, 각 실시 형태의 도면에서 나타난 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 사용하여 설명한다.
본 명세서에서 사용되는 dmn는 m-방향으로 전압을 인가하였을 경우의 n-방향 압전 변형율 상수를 의미한다.
구체적으로 d31은 3-방향(두께 방향)으로 전압을 인가하였을 경우의 1-방향(길이 방향) 압전 변형률 상수를 의미한다.
도 1은 본 발명의 압전 소자(100)의 개략적인 사시도이며, 도 2는 도 1의 A-A`의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.
도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 압전 소자(100)의 구조를 살펴보도록 한다.
본 발명의 압전 소자(100)는 단결정의 제1 압전체(11) 및 다결정의 제2 압전체(12)를 포함하는 복수의 압전 시트(10)가 적층된 적층 본체(1); 상기 압전 시트(10) 사이에 개재되며, 적층 방향으로 서로 다른 극성을 갖도록 교번하는 제1 및 2 내부 전극(20a, 20b); 및 상기 적층 본체의 일 면에 형성되어 상기 제1 및 2 내부 전극(20a, 20b)과 전기적으로 연결되는 제1 및 2 외부 전극(30a, 30b);을 포함할 수 있다.
상기 압전 시트(10)는 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 압전 시트(10)는 수정, 전기석, 로셸염, 타아타늄산바륨, 타타르산에틸렌다이아민으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 또는 이들을 혼합한 물질을 이용하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 및 2 내부 전극(20a, 20b)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.
상기 제1 및 2 내부 전극(20a, 20b)은 서로 다른 극성을 갖도록 교번하여 상기 복수의 압전 시트(10)의 사이에 개재될 수 있다.
압전 효과를 얻기 위해서는 상기 압전 시트(10)에 서로 다른 극성의 전기장을 인가함으로써 쌍극자를 유도하여 변위 또는 변위력을 발생하여 하므로, 상기 제1 및 제2 내부 전극(20a, 20b)는 서로 다른 극성을 갖도록 형성되어야 한다.
즉, 상기 제1 및 제2 내부 전극(20a, 20b)은 서로 다른 극성을 가져야 하기 때문에, 상기 제1 내부 전극(20a)는 제1 외부 전극(30a)에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 내부 전극(20b)는 제2 외부 전극(30b)에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 및 2 내부 전극(20a, 20b)는 상기 제1 및 2 외부 전극(30a, 30b)와 제1 및 2 도전성 비아(31a, 31b)를 이용하여 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1 및 2 도전성 비아(31a, 31b)를 이용함으로써, 상기 제1 및 2 도전성 비아를 이용하지 않는 경우에 비해 상기 압전 시트(10)에서 압전 효과가 발생하는 유효 영역이 증가하게 된다.
압전 효과를 향상시켜 변위 또는 변위력을 크게 하기 위해서는 상기 제1 및 2 내부 전극(20a, 20b)에 더 높은 전압의 인가, 상기 압전 시트(10)의 박막화 또는 높은 압전 변형률 상수를 갖는 재료를 사용하는 방법이 있다.
하지만, 상기 제1 및 2 내부 전극(20a, 20b)에 더 높은 전압을 인가하는 것은 휴대용 전자기기의 전원과 높은 전압으로 인한 전자 기기의 고장으로 인해 그 한계가 명확하다.
또한, 상기 압전 시트(10)의 박막화는 일정 값 이하로 상기 압전 시트의 투께를 얇게 만들기 어렵고, 상기 제1 및 2 내부 전극(20a, 20b)의 금속 원자가 압전 시트(10)의 결정립계를 타고 이동하는 현상이 발생하여 신뢰성이 떨어진다.
따라서 높은 압전 변형률 상수를 갖는 압전 재료를 이용함으로써 신뢰성의 저하 없이, 압전 소자(100)의 변위 또는 변위력을 향상시킬 수 있다.
압전 변형률 상수는 단결정의 결정 구조를 갖는 압전 재료가 다결정의 결정 구조를 갖는 경우에 비해 약 10배 이상 높은 값을 갖게 된다.
구체적으로, 단결정 재료와 다결정 재료의 d31 값을 비교해 보면, 단결정 재료의 d31 값은 2000 pC/N이지만, 다결정 재료의 d31 값은 200 pC/N임을 알 수 있다.
즉, 단결정 재료가 매우 높은 압전 변형률 상수를 갖기 때문에, 이를 이용하여 압전 소자(100)의 변위 또는 변위력을 높일 수 있다.
하지만 단결정 재료의 경우, 그 제조가 매우 어렵기 때문에 다결정 재료에 비해 가격이 매우 비싸고, 물리적 성질이 약해 이를 이용하여 압전 시트(10)를 제조하는 것에 어려움이 있다.
따라서 단결정의 제1 압전체(11)와 다결정의 제2 압전체(12)를 혼합하여 압전 시트(10)를 형성함으로써, 높은 압전 변형률 상수를 갖는 압전 시트(10)를 얻을 수 있다.
도 2의 확대도는 상기 제1 압전체(11)와 상기 제2 압전체(12)를 포함하는 압전 시트(10)의 개략적인 미세 구조를 도시한 것이다.
도 2의 확대도를 참조하면, 상기 제1 압전체(11)의 길이는 l이라 정의하고, 지름(두께)은 d라고 정의할 수 있다.
상기 제1 압전체(11)의 형상은 원기둥 또는 판상 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하기의 표 1은 상기 제1 압전체(11)의 종횡비(d/l)에 따른 압전 소자(100)의 성능과 내구성을 나타낸 표이다.
종횡비(d/l) 소자 성능 작업성 신뢰성 내구성
1/32 매우 좋음 매우 좋음 매우 좋음 매우 나쁨
2/32 매우 좋음 매우 좋음 매우 좋음 나쁨
4/32 좋음 매우 좋음 좋음 좋음
6/32 좋음 좋음 좋음 좋음
8/32 좋음 좋음 좋음 좋음
10/32 나쁨 좋음 나쁨 좋음
12/32 나쁨 나쁨 나쁨 좋음
24/32 나쁨 나쁨 나쁨 매우 좋음
소자 성능은 d31 값을 기준으로 250 pC/N 이상인 경우 좋음으로, 300 pC/N 이상인 경우에는 매우 좋음으로 표시하였다.
작업성은 상기 제1 압전체(11)와 상기 제2 압전체(12)를 혼합하여 압전 시트(10)를 형성한 후, 주사 전자 현미경(SEM)으로 미세구조를 촬영하였을 때, 적층 면을 기준으로 상기 제1 압전체(11)가 이루는 각도의 절댓값을 평균하여 그 값이 15°를 초과하는 경우에는 나쁨, 10°내지 15°인 경우에는 좋음, 10°미만인 경우에는 매우 좋음으로 표시하였다.
신뢰성은 상기 제1 압전체(11)와 상기 제2 압전체(12)를 혼합하여 압전 시트(10)를 형성한 후, 상기 압전 시트(10)의 양면에 은(Ag)이 포함된 도전성 페이스트를 이용하여 전극을 형성하고 상기 전극에 전압을 인가하여 몇 시간 후에 단락(short)이 발생하는지 측정한 결과를 이용하여 평가하였다.
구체적으로 단락이 발생하지 않은 경우에는 매우 좋음으로, 4000 시간 이상 흐른 뒤에 단락이 발생한 경우에는 좋음으로, 그 외의 경우에는 나쁨으로 표시하였다.
내구성은 상기 제1 압전체(11)와 상기 제2 압전체(12)를 혼합하여 압전 시트(10)를 형성한 후, 주사 전자 현미경(SEM)으로 미세구조를 촬영하였을 때, 상기 제1 압전체(11)가 파괴되어 있는 비율이 60 % 초과하는 경우에는 매우 나쁨, 50 % 초과하며 60 % 미만인 경우에는 나쁨, 40% 내지 50%인 경우에는 좋음, 40% 미만인 경우에는 매우 좋음으로 표시하였다.
표 1을 참조하면, 상기 제1 압전체(11)의 종횡비(d/l)는 1/8(=4/32) 내지 1/4(=8/32) 일 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 상기 제1 압전체(11)의 종횡비(d/l)가 1/4 를 초과하는 경우에는 상기 제1 압전체(11)와 상기 제2 압전체(12)가 접촉하는 면적이 감소하게 되어 d31 값이 감소하게 된다.
또한, 상기 제1 압전체(11)의 종횡비(d/l)가 10/32 를 초과하는 경우에 상기 제1 압전체(11)가 적층 면과 이루는 각도의 절대값의 평균이 15°를 초과하게 된다.
상기 제1 압전체(11)가 적층 면과 이루는 각도의 절대값의 평균이 15°를 초과하는 경우, 상기 제1 압전체(11)가 일정하게 정렬이 되지 않아 압전 효과가 감소하게 된다.
이와 반대로, 상기 제1 압전체(11)의 종횡비(d/l)이 1/8 미만인 경우, 상기 압전 시트(10)를 제조한 공정에서 상기 제1 압전체(11)가 부러지거나, 깨지는 것과 같이 파괴가 발생할 수 있다.
즉, 상기 제1 압전체(11)가 부러지거나 깨짐으로써 상기 압전체(11)의 종횡비(d/l)가 1/4를 초과하게 되는 비율이 증가하게 된다.
이에 따라, 소자의 성능과 작업성이 감소하게 된다.
결론적으로 소자의 성능, 작업성을 향상시키고, 내구성을 확보하기 위하여 상기 제1 압전체(11)의 종횡비(d/l)은 1/8 내지 1/4일 수 있다.
근래 소자의 소형화 및 박막화로 인해 압전 시트(10)의 결정립계를 타고 내부 전극의 금속 원자가 이동하는 현상이 발생하고 있다.
이것은 상기 압전 시트(10)의 양면에 형성된 제1 및 제2 내부 전극(20a, 2b)에 각각 양 전압과 음 전압이 인가되면, 양 전압이 인가된 제1 내부 전극(20a)에서 Ag+가 음 전압이 인가된 제2 내부 전극(20b)로 이동하여, 제2 내부 전극(20b)에서 환원되어 상기 압전 시트(10)의 결정립계를 타고 성장하게 된다.
이렇게 Ag의 성장이 계속되는 경우, 상기 제1 내부 전극(20a)과 상기 제2 내부 전극(20b)이 성장한 Ag를 통하여 전기적으로 단락(short)되어 압전 소자가 고장나는 큰 원인이 된다.
하지만 본 발명의 압전 소자(100)는 단결정의 제1 압전체(11)를 포함하고 있기 때문에, 상기 제1 압전체(11)가 다결정의 제2 압전체(22)의 결정립계의 끊는 역할을 할 수 있다.
즉,상기 제1 내부 전극(20a)부터 상기 제2 내부 전극(20b)까지 이어지는 결정립계를 끊거나, 상기 결정립계가 매우 길어지게 함으로써 Ag+의 이동을 차단할 수 있다.
구체적으로 표 1을 참조하면, 상기 제1 압전체(11)의 종횡비(d/l)가 1/4 이하인 경우, 상기 제1 압전체(11)가 결정립계를 끊는 역할을 하여 압전 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 압전체(11)를 감싸고 있는 압전 쉘(13)을 더 포함할 수 있다.
상기 압전 쉘(13)은 상기 제1 압전체(11)와 상기 제2 압전체(12)를 압착 및 가열함으로써, 상기 제1 압전체(11) 주변의 상기 제2 압전체(12)가 재배열됨으로써 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 압전체(11)는 단결정의 결정 구조를 갖고 있으므로, 상기 제1 압전체(11)와 다결정의 상기 제2 압전체(12)를 압착하고, 상기 제1 및 2 압전체(11, 12)의 녹는 온도(Tm)를 기준으로 0.5 Tm 이상의 온도에서 열처리함으로써 상기 제1 압전체(11) 주변의 상기 제2 압전체(12)가 재결정화되어 상기 압전 쉘(13)이 형성될 수 있다.
상기 압전 쉘(13)은 상기 제1 압전체(11)와 같이 완전한 단결정 구조를 갖지는 않지만, 재결정화로 인해 상기 제1 압전체(11)와 같은 결정 방향를 갖기 때문에 상기 제2 압전체(11)에 비하여 높은 d31 값을 가지게 된다.
구체적으로 상기 압전 쉘(13)의 d31 값은 200 pC/N 내지 700 pC/N일 수 있다.
하기의 표 2는 종횡비(d/l)이 1/4인 제1 압전체(11)를 이용하여 압전 시트(10)를 제작한 뒤, 제1 압전체(11)의 함량에 따른 압전 시트(10)의 d31 값과 압전 쉘(13)이 형성된 경우의 압전 시트의 d31 값 측정하여 나타낸 표이다.
압전 쉘이 형성되지 않은 경우(A) 압전 쉘이 형성된 경우(B) 차이값 (B-A)
함량(%) d31 ( pC /N) d31 ( pC /N) d31 ( pC /N)
0 200 -
(압전 쉘이 형성될 수 없음)		 -
2 232.4 262.1 29.7
3 248.6 408.7 160.1
5 281 482.3 201.3
10 362 585 223
15 443.3 687.3 244
20 524 724.5 200.5
25 605 772 167
30 686 807.9 121.9
31 702.2 762.2 60
32 718.4 745.8 27.4
33 734.6 759.5 24.9
표 2를 참조하면, 압전 쉘이 형성되지 않은 경우에 상기 제1 압전체(11)의 함량이 증가함에 따라서 상기 압전 시트(10)의 d31 값이 증가하는 것을 알 수 있다.
압전 쉘이 형성된 경우에는 d31 값의 상승 폭이 상기 제1 압전체(11)의 함량이 증가함에 따라 점차 증가하다가, 다시 감소하는 것을 알 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 상기 제1 압전체(11)의 함량이 2 %인 경우, 압전 쉘이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 d31 값의 차이는 29.7 pC/N이지만, 함량이 3 %인 경우는 160.1pC/N으로 매우 많이 증가하게 된다.
또한, 상기 제1 압전체(11)의 함량이 31%인 경우, 압전 쉘이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 d31 값의 차이는 60 pC/N으로 다시 감소하게 된다.
즉, 상기 제1 압전체(11)의 함량이 2%인 경우에는 상기 제1 압전체(11)와 상기 제2 압전체(12)가 접하는 면적이 적어, 재결정화되는 상기 제2 압전체(12)의 양이 적기때문에 생성되는 상기 압전 쉘(13)의 양이 적어, d31 값의 상승폭이 적다.
상기 제1 압전체(11)의 양이 늘어남에 따라 상기 제1 및 2 압전체(11, 12)가 접하는 면적이 충분히 증가하게 되어, d31 값의 상승폭이 커지게 된다.
하지만, 상기 제1 압전체(11)의 양이 계속하여 늘어나면, 상기 제2 압전체(12)의 양이 감소하게 되어 상기 제1 및 2 압전체(11, 12)가 접하는 면적이 다시 감소하여, d31 값의 상승폭이 다시 감소하게 된다.
즉, 상기 압전 쉘(13)을 형성함으로써 d31 값이 증가하는 것을 극대화하기 위하여, 상기 제1 압전체(11)의 함량은 3 % 내지 30%일 수 있다.
도 3은 본 발명의 진동판(40)과 부착된 압전 소자(200)의 개략적인 사시도이고, 도 4는 도 3의 B-B`의 개략적인 단면도를 도시한 것이다.
상기 압전 소자(200)는 진동판(40)과 접착되어 형성될 수 있다.
상기 압전 소자(200)의 제1 및 2 외부 전극(30a, 30b)에 각각 양 전압 및 음 전압을 인가하면, 상기 압전 시트(10)에 압전 효과에 의해 변위 또는 변위력이 발생하게 된다.
상기 압전 소자(200)의 길이 방향(x방향)으로 길이가 감소하게 되면, 상기 진동판(40)이 아래로 볼록한 형태로 휘어지게 된다.
이 후, 상기 압전 소자(200)에 반대로 전압이 인가되거나, 인가되었던 전압을 제거하면 상기 압전 소자(200)가 길이 방향(x방향)으로 길이가 길어지게 되면서 상기 진동판(40)이 위로 볼록한 형태 또는 평평한 형태가 된다.
즉, 상기 제1 및 2 외부 전극(30a, 30b)에 각각 양전압과 음전압을 교대로 인가하거나, 전압을 인가하였다 제거하는 과정을 반복함으로써 상기 진동판(40)이 휘어졌다 펴졌다를 반복하게 되므로, 이를 이용하여 진동을 발생시킬 수 있다.
따라서, 압전 소자(200)의 길이 방향(x방향)의 변위가 높이 방향(z방향)의 변위보다 상기 진동판(40)의 변화에 크게 영향을 미치게 되므로, d31 값(z-방향 전압 인가 시의 x-방향의 압전 변형율 상수)이 d33 값(z-방향 전압 인가 시의 z-방향의 압전 변형율 상수)보다 압전 소자(200)의 성능에 미치는 영향이 크다.
상기 진동판(40)은 기판(50)의 일면에 부착됨으로써 전자 기기의 진동을 발생시키는 역할을 수행할 수 있다.
상기 기판(50)은 인쇄회로기판(50)일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하에서 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 소자의 제조 방법에 대해서 설명하도록 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 압전 소자의 제조 방법은 단결정의 제1 압전체(11)와 다결정의 제2 압전체(12)를 마련하는 단계; 상기 제1 및 2 압전체(11, 12)를 혼합하는 단계; 상기 혼합된 제1 및 2 압전체(11, 12)을 압착하여 복수의 그린 시트를 마련하는 단계; 상기 그린 시트에 도전성 페이스트를 이용하여 제1 및 제2 내부 전극(20a, 20b)을 인쇄하는 단계; 상기 제1 및 제2 내부 전극(20a, 20b)이 인쇄된 그린 시트를 적층 및 압착하여 적층 본체(1)를 마련하는 단계; 및 상기 적층 본체(1)를 열처리 하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
먼저, 상기 제1 압전체(11)를 마련하는 단계는 상기 제1 압전체의 종횡비(d/l)가 1/8 내지 1/4 가 되도록 수행될 수 있다.
즉, 상기 제1 압전체(11)는 길이가 지름(두께)에 비해 4배 이상, 8배 이하 긴 원통형 또는 판상형으로 마련될 수 있다.
상기 제2 압전체(12)는 분말로 마련될 수 있다.
상기 제2 압전체(12)가 분말인 경우, 입자의 평균 크기는 작을수록 치밀도가 올라가 압전 소자의 성능이 향상된다.
이 후, 상기 제1 압전체(11)와 상기 제2 압전체(12)를 혼합할 수 있다.
혼합된 상기 제1 및 2 압전체(11, 12)를 압착하여 복수의 그린 시트를 제작하고, 상기 그린 시트의 상부에 도전성 페이스트를 이용하여 제1 및 2 내부 전극(20a, 20b)을 형성할 수 있다.
상기 복수의 그린 시트를 적층 및 압착하여, 원하는 압전 소자의 크기를 갖도록 절단하여 적층 본체(1)를 형성할 수 있다.
그 후, 상기 적층 본체(1)를 소결 또는 열처리할 수 있는데, 상기 열처리를 수행함으로써 상기 제1 압전체(11)를 감싸는 압전 쉘(13)을 형성할 수 있다.
일반적으로 재결정화가 일어나는 온도는 재료가 녹는 온도(Tm)보다 현저히 낮은 온도를 갖게 되는데, 상기 열처리하는 단계는 제1 및 2 압전체(11, 12)의 녹는점을 Tm이라고 할 때, 0.5 Tm 이상에서 수행될 수 있다.
따라서 녹는 점과 같이 매우 높은 고온이 아닌 상대적으로 낮은 온도인 0.5 Tm에서 재결정화를 통해 상기 압전 쉘(13)을 형성시킬 수 있으므로, 적은 비용으로 압전 소자의 성능을 향상시킬 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 열처리하는 단계를 수행한 후에, 상기 적층 본체(1)에 상기 제1 및 제2 내부 전극(20a, 20b)과 전기적으로 각각 연결되는 제1 및 제2 도전성 비아(31a, 31b)를 형성하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 도전성 비아(31a, 31b)와 전기적으로 각각 연결되는 제1 및 2 외부 전극(30a, 30b)을 형성하는 단계;를 더 포함할 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.
1: 적층 본체
10: 압전 시트
20: 내부 전극
30: 외부 전극
40: 진동판
50: 기판
100, 200: 압전 소자

Claims (15)

  1. 단결정의 제1 압전체; 및
    다결정의 제2 압전체;를 포함하고,
    상기 제1 압전체의 종횡비(d/l)가 1/8 내지 1/4인 압전 시트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압전체를 감싸고 있는 압전 쉘을 더 포함하는 압전 시트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 압전 쉘은 상기 제1 압전체와 같은 결정 방향을 갖는 압전 시트.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 압전 쉘의 d31 값은 200 pC/N 내지 700 pC/N인 압전 시트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 압전체의 함량은 3 % 내지 30 %인 압전 시트.
  6. 단결정의 제1 압전체 및 다결정의 제2 압전체를 포함하는 복수의 압전 시트가 적층된 적층 본체;
    상기 압전 시트 사이에 개재되며, 적층 방향으로 서로 다른 극성을 갖도록 교번하는 제1 및 2 내부 전극; 및
    상기 적층 본체의 일 면에 형성되어 상기 제1 및 2 내부 전극과 전기적으로 연결되는 제1 및 2 외부 전극;을 포함하고,
    상기 제1 압전체의 종횡비(d/l)가 1/8 내지 1/4인 압전 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 압전체를 감싸고 있는 압전 쉘을 더 포함하는 압전 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압전 쉘은 상기 제1 압전체와 같은 결정 방향을 갖는 압전 소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 압전 쉘의 d31 값은 200 pC/N 내지 700 pC/N인 압전 소자.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1 압전체의 함량은 3 % 내지 30 %인 압전 소자.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 적층 본체의 하면과 접착되는 진동판을 더 포함하는 압전 소자.
  12. 단결정의 제1 압전체와 다결정의 제2 압전체를 마련하는 단계;
    상기 제1 및 2 압전체를 혼합하는 단계;
    상기 혼합된 제1 및 2 압전체을 압착하여 복수의 그린 시트를 마련하는 단계;
    상기 그린 시트에 도전성 페이스트를 이용하여 제1 및 제2 내부 전극을 인쇄하는 단계;
    상기 제1 및 제2 내부 전극이 인쇄된 그린 시트를 적층 및 압착하여 적층 본체를 마련하는 단계; 및
    상기 적층 본체를 열처리 하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 제1 압전체의 종횡비(d/l)가 1/8 내지 1/4인 압전 소자의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계를 수행함으로써 상기 제1 압전체를 감싸는 압전 쉘을 형성하는 압전 소자의 제조 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는 상기 제1 및 2 압전체의 녹는점을 Tm이라고 할 때, 0.5 Tm 이상에서 수행되는 압전 소자의 제조 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계를 수행한 후에,
    상기 적층 본체에 상기 제1 및 제2 내부 전극과 전기적으로 각각 연결되는 제1 및 제2 도전성 비아를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 도전성 비아와 전기적으로 각각 연결되는 제1 및 2 외부 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 압전 소자의 제조 방법.
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