KR20150032132A

KR20150032132A - 적층형 압전소자

Info

Publication number: KR20150032132A
Application number: KR20130112206A
Authority: KR
Inventors: 김범석; 박희선; 서정욱
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-03-25
Also published as: EP2849238A1; US9780289B2; US20150076967A1; CN104465982A

Abstract

본 발명은 적층형 압전소자에 관한 것이다.
본 발명의 적층형 압전소자는, 복수의 압전층; 상기 복수의 압전층 사이에 개재되어 양극과 음극이 교호로 적층된 내부전극;을 포함하고, 상기 압전층 두께가 15㎛ 이상 내지 100㎛ 이하로 형성될 수 있다.

Description

적층형 압전소자{Multilayer Piezoelectric Element}

본 발명은 적층형 압전소자에 관한 것이다.

최근에 이르러 멀티미디어 기기의 발달과 전자기기의 컨버젼스화에 의해서 다기능과 고사양의 포터블 전자기기가 속속 개발되고 있다. 이러한 포터블 기기들은 다양한 기능 중에서 진동력에 의한 터치감을 구현하기 위한 햅틱(haptic)용 압전소자가 내장되어 게임이나 문자 입력 등 다양한 어플리케이션 구동시 사용자에게 입체적인 촉감이 전달되도록 하는 수단으로 이용되고 있다.

현재, 스마트폰을 비롯한 모바일 기기들은 대부분 터치 스크린을 이용한 문자 입력과 어플리케이션들이 실행되고 있는 데, 종래에는 주로 터치 스크린 접촉시 인가되는 전류에 의해 발생되는 구동 전압으로 모바일 기기에 내장된 진동모터를 구동시켜 햅틱의 기능을 구현하는 방식이 주로 이용되었으나, 낮은 원가에 비해 반응 속도가 느린 단점이 있기 때문에 고사양을 지향하는 근래의 모바일 기기에는 압전소자로 급속하게 대체되고 있다.

압전소자는 피에죠(piezo) 압전체에 전압을 인가하여 양극과 음극의 두 전극 사이에 형성된 전계에 의해 작동되며, 전계 이동이 압전체 내부에서 발생되는 쌍극자(dipole)에 의한 구조의 변형을 일으키게 되고, 이 구조 변형을 통해 길이 방향 또는 단면 방향으로의 기계적 변위 특성에 의해 진동을 발생시킬 수 있다.

이러한 압전소자는 전기적인 신호를 기계적인 변위로 변환하는 데 그 반응속도가 종래의 진동모터에 비해 수배 이상 빠르기 때문에 즉각적인 햅틱 기능을 실현할 수 있다.

그러나, 압전소자의 기계적인 변위 조절을 위하여 다양한 형태 모듈 구조가 동반되어야 원하는 형태의 진동력을 구현할 수 있고, 압전소자를 구성하는 압전체가 높은 작동 전압이 요구됨에 따라 모바일 기기의 제한된 작동 전압하에서 높은 진동력을 구현하기가 어려운 실정이다.

이에 따라, 최근에는 전체적인 작동 전압을 낮추면서 높을 진동력을 구현하기 위한 압전소자를 개발하는 것이 중요한 과제이다.

일본국 공개특허공보 제2013-016548호

따라서, 본 발명은 종래 적층형 압전소자에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 압전층 두께 조절에 의해서 상대 변위 특성과 신뢰성을 동시에 만족할 수 있는 적층형 압전소자가 제공됨에 발명의 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 압전소자의 압전층 두께 조절시 압전층의 단면 방향에 분포된 그레인(grain)의 크기를 조절하여 상대 변위 특성과 신뢰성을 동시에 만족하는 적층형 압전소자가 제공됨에 있다.

본 발명의 상기 목적은, 복수의 압전층; 상기 복수의 압전층 사이에 개재되어 양극과 음극이 교호로 적층된 내부전극;을 포함하고, 상기 압전층 두께가 15㎛ 이상 내지 100㎛ 이하로 형성된 적층형 압전소자가 제공됨에 의해서 달성된다.

상기 적층형 압전소자는, 상기 내부전극들 두께의 합이 상기 압전소자 전체 두께에 대하여 12% 미만의 비율을 가질 수 있다.

상기 복수의 압전층과 내부전극 사이의 계면에는 비압전상의 비압전 계면층이 형성되고, 상기 내부전극과 비압전 계면층이 비압전층(inactive layer)으로 형성되며, 상기 내부전극들과 비압전 계면층들의 두께의 합을 비압전층의 두께라고 할 때, 상기 적층형 압전소자의 전체 두께에 대한 상기 비압전층의 두께의 비율은 12% 미만일 수 있다.

또한, 상기 적층형 압전소자의 전체 두께에 대한 상기 비압전층의 두께의 비율을 비압전층의 비율이라고 할 때, 상기 비압전층의 비율은, 하기 수학식에 의해 결정될 수 있다.

수학식

그리고, 상기 적층형 압전소자의 전체 두께는 1.5㎜ 이하이고, 상기 복수의 압전층의 층수는 3층 내지 100층일 수 있다.

상기 압전층의 그레인 크기는, 그레인 경계 길이이 확장시, 상기 압전층의 상대 변위 특성이 90% 이상을 만족하는 전하 이동 경로를 갖도록 하고, 상기 그레인 크기는, 하기의 수학식에 의해서 결정될 수 있다.

수학식

여기서, Gmax는 압전층을 수직 방향으로 절단한 단면의 수직선(H) 상에 위치한 그레인 중 가장 큰 그레인의 장축 길이이고, t는 압전층 두께임

상기 그레인의 장축 길이(Gmax)는 1㎛ 내지 2㎛일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 목적은, 복수의 압전층; 상기 복수의 압전층 사이에 개재되어 양극과 음극이 교호로 적층된 내부전극;을 포함하고, 상기 압전층 두께가 15㎛ 이상 내지 100㎛ 이하로 형성되고, 상기 압전층 내에서 압전층을 구성하는 그레인 중 가장 큰 그레인의 장축 길이(Gmax)가 1㎛ 이상 내지 2㎛ 이하로 형성되되,

상기 압전층 두께 범위 내의 상대 변위 특성이 표준 적층형 압전소자의 변위 특성 대비 95% 이상을 만족하고, 상기 압전층의 그레인 크기 범위 내의 상대 변위 특성이 표준 적층형 압전소자의 변위 특성 대비 90% 이상을 만족하는 적층형 압전소자가 제공됨에 의해서 달성된다.

상기 그레인 크기는, 하기의 수학식에 의해서 결정될 수 있다.

수학식

또한, 상기 내부전극들 두께의 합이 상기 압전소자 전체 두께에 대하여 12% 미만이고, 상기 내부전극들의 두께와 비압전 계면층들의 두께의 합인 비압전층들의 두께의 합이 상기 압전소자 전체 두께에 대하여 12% 미만일 수 있다.

상기 적층형 압전소자의 전체 두께에 대한 상기 비압전층의 두께의 비율을 비압전층의 비율이라고 할 때, 상기 비압전층의 비율은, 하기 수학식에 의해 결정될 수 있다.

수학식

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 적층형 압전소자는 복수의 압전층의 압전층 두께 범위를 한정하여 포터블 기기에서 적합한 구동 전압 하에서 변위 특성과 신뢰성을 동시에 만족할 수 있도록 할 수 있다.

또한, 본 발명은 압전소자의 압전층을 구성하는 그레인의 갯수와 크기를 조절하여 압전층 두께를 신뢰성이 확보될 수 있는 두께로 설계함에 의해서 변위 특성이 저하되지 않도록 할 수 있다.

그리고, 본 발명은 적층형 압전소자에서 비압전성을 가지는 내부전극을 비롯한 비압전층을 압전소자의 전체 두께 대비 12% 미만으로 유지할 수 있는 압전층 두께를 가지도록 함으로써, 전체적인 압전 성능의 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일실시예에 적용되는 적층형 압전소자의 단면도이고, 도 2는 도 1의 압전소자의 일부 확대 단면도이다.
도 3은 동일한 구동 전압이 인가될 때 단일층 압전소자와 변위 특성을 비교하기 위한 적층형 압전소자의 모식도
도 4는 본 실시예에 따른 적층형 압전소자의 층수 조절에 따른 압전층 두께의 비교 모식도이고,
도 5는 본 실시예에 따른 적층형 압전소자의 층간 확대 단면도이다.
도 6은 본 실시예의 적층형 압전소자에서 압전층 두께에 따른 압전층의 단면도

본 발명에 따른 적층형 압전소자의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 일실시예에 적용되는 적층형 압전소자의 단면도이고, 도 2는 도 1의 압전소자의 일부 확대 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 적층형 압전소자(100)는 복수의 압전층(110)이 적층된 적층체로 구성되고, 복수의 압전층(110) 상에 내부전극(121, 122)이 적층되어 복수의 압전층(110)과 내부전극(121, 122)이 교대로 형성될 수 있다. 이때, 내부전극(121, 122)은 양극 내부전극(121)과 음극 내부전극(122)이 복수의 압전층(110) 상에 교호로 배치될 수 있다.

상기 복수의 압전층(110)은 세라믹 재질로 구성될 수 있으며, 미립의 세라믹 분말을 이용하여 판상의 세라믹 시트 형태로 제작될 수 있다. 세라믹 시트로 구성된 각 압전층(110)은 세라믹 분말이 바인더 등과 혼합된 슬러리 상태에서 도트 블레이드법 등에 의해 판상으로, 도포되고 이를 소정 온도와 시간의 소성 과정을 거쳐 소결된 상태의 소결 세라믹 시트로 구성될 수 있다. 이때, 소결된 상태의 세라믹 시트는 도 2에 도시된 바와 같이 그 단면 형태가 비정형의 그레인(grain, 111)들이 경계(boundry) 이루어 상호 연결된 구조를 가질 수 있다.

이와 같이 제작된 소결 세라믹 시트가 복수로 적층되어 각각 압전층(110)을 구성하게 되고, 상기 압전층(110)들이 적층체를 구성하여 전압의 인가에 의해 길이 방향 또는 단면 방향으로의 변위를 발생시킬 수 있다. 이때, 압전층(110)이 적층된 적층체에 가해지는 전압은 압전층(110) 상에 형성된 내부전극(121, 122)을 통해 인가될 수 있다.

상기 내부전극(121, 122)은 전도성이 양호한 금속 재질로 구성될 수 있으며, 주로 Ag/Pd 합금의 금속재로 구성될 수 있다. 또한, 상기 내부전극(121, 122)은 압전층(110)을 구성하는 세라믹 시트 상에 스크린 프린팅 기법 등에 의해서 형성될 수 있다. 이러한 내부전극(121, 122)은 압전층(110)이 복수로 적층된 적층체 내에서 양극과 음극을 형성하게 되며, 압전층(110)과 교대로 적층을 반복하여 극성을 가진 압전소자를 구성할 수 있다.

또한, 압전층(110) 사이에 배치된 내부전극(121, 122)들은 교호로 양극과 음극을 형성하면서 같은 극성을 가진 내부전극끼리 전기적으로 연결되고, 각 극성의 내부전극(121, 122)들은 적층체의 일면으로 노출된 양극 단자(131) 및 음극 단자(132)와 리드선을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.

이때, 압전층(110)의 적층시 최상부층과 최하부층에는 노출되는 내부전극(121, 122)을 보호하기 위하여 내부전극이 형성되지 않은 압전층을 추가로 적층할 수 있다. 그리고, 외부로 노출된 양극 단자(131)와 음극 단자(132)를 제외한 압전소자의 외주면은 습기 및 외부 환경으로부터 소자를 보호하기 위한 절연물질(도면 미도시)을 코팅하여 적층형 압전소자를 제작할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 실시예의 적층형 압전소자(100)는 햅틱용 압전소자를 구성할 때, 압전소자의 전체 두께(T)가 100㎛ 내지 1.5㎜로 구성됨이 바람직하고, 압전층(110)의 층수가 3층 내지 100층 이내로 구성됨이 바람직하다. 이러한 적층형 압전소자(100)는 압전소자 전체 두께(T)의 범위 내에서 압전층(110)의 층수를 조절하여 결정되는 압전층 두께(t)에 의해서 압전소자의 성능이 결정될 수 있다.

여기서, 상기 압전소자의 전체 두께(T)의 범위 내에서 압전층(100)의 층수라 함은, 압전층(110)의 적층시 최상부층과 최하부층에 노출된 내부전극(121, 122)을 보호하기 위하여 추가로 적층된 최상부층 및 최하부층의 압전층을 제외한 압전층의 적층수를 압전층의 층수라 정의할 수 있다.

좀 더 자세하게 설명하면, 본 실시예의 적층형 압전소자(100)는 스마트폰이나 태블릿 PC 등의 포터블 기기에 주로 진동모터 또는 카메라 구동을 위한 압전 엑츄에이터를 구성하여 장착되는 바, 포터블 기기들이 박형화되는 추세에 따라 그 전체 두께(T)가 최대 1.5mm 이내로 제한될 수 있으며, 제한된 두께 내에서 상대 변위 특성을 향상시켜 진동력이 최대가 되도록 함과 아울러 상대 변위 특성을 유지하면서 압전층 두께(t)가 신뢰성을 만족하도록 설계하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 압전층 두께(t)에 대한 신뢰성의 판단 기준은, 복수의 압전층(110)과 내부전극(121, 122)으로 이루어진 압전소자에 전압이 인가되는 시간을 0.5초, 전압이 인가되지 않는 시간을 0.5초로 하는 것을 1사이클이라 할 때, 본 실시예의 적층형 압전소자(100)에 10⁶ 사이클을 반복하여 층간 쇼트가 발생되지 않고 양품의 상태가 유지되는 것을 기준으로 한다.

이와 같이, 적층형 압전소자(100)의 제한된 두께에서 진동력의 향상을 위한 변위 특성은 구동 전압을 높게 설정하여 향상시킬 수 있다.

즉, 적층형 압전소자(100)의 변위 특성은 양극 단자(131)와 음극 단자(132)를 통해 인가되는 구동 전압이 높아질수록 큰 변위 특성을 얻을 수 있으나, 포터블 기기들의 특성상 압전소자에 인가되는 전압이 통상 200V 이내로 제한될 수 밖에 없기 때문에 구동 전압을 높게 설정하는 것만으로는 원하는 변위 특성을 얻을 수 없다.

이때, 적층형 압전소자(100)에 인가되는 전압이 제한될 수 밖에 없는 이유는, 드라이브 IC를 통해 수 kV까지 전압을 증폭시키는 것은 가능하나, 압전소자 및 포터블 기기가 기준 이상(통상 220V 내지 250V)의 높은 전압에서는 작동될 수 없기 때문이다.

또한, 적층형 압전소자(100)에 인가되는 구동 전압이 200V 이내로 제한된 상태에서 변위 특성을 향상시키기 위해서는 복수의 압전층(110)의 두께를 조절하여 상대 변위 특성을 표준 적층형 압전소자 대비 95% 이상으로 유지시키는 것이 바람직하다.

적층형 압전소자(100)의 복수의 압전층(110)은 압전층 두께(t)를 얇게 형성하면 낮은 구동 전압으로도 높은 변위 특성을 가질 수 있다. 따라서 적층형 압전소자(100)의 전체 두께(T)가 동일한 상태에서 압전층(110)의 층수를 늘려 압전층 두께(t)를 얇게 하면 200V 이내 제한된 구동 전압 범위에서 변위 특성을 향상시킬 수 있다.

이에 대한 원리를 도 3에 도시된 단일층의 압전소자와 적층형의 압전소자의 비교 도면을 예로 들어 좀 더 자세하게 살펴보면, 도 3에 도시된 바와 같이 단일층의 압전소자(도 3a) 및 적층형 압전소자(도 3b)는 각각 동일한 전체 두께(T)를 가질 때, 압전층 두께(t)와 인가 접압에 따른 변위 특성의 관계를 알 수 있다.

즉, 도 3a와 같은 단일층의 압전소자와 도 3b와 같은 9층의 적층형 압전소자에 실제 인가되는 전계(V/T)가 압전층 두께(t)에 따라 9배 차이가 발생될 수 있다.

양자의 압전소자(도 3a, 도 3b)는 동일 구동 전압이 인가되었을 때 적층형 압전소자(도 3b)가 단일층의 압전소자(3a)에 비해 9배 큰 변위가 발생될 수 있고, 동일한 변위가 구현되도록 할 때 적층형 압전소자(도 3b)는 단일층의 압전소자(3b)에 비해 9배 낮은 전압의 인가가 가능할 수 있다.

따라서, 적층형 압전소자(100)는 전체 두께(T)가 단일층의 압전소자(3a)와 동일한 경우 압전층(110)의 층수를 늘려 압전층 두께(t)를 얇게 형성할수록 변위 특성이 향상될 수 있음을 알 수 있다.

여기서, 도 3은 동일한 구동 전압이 인가될 때 단일층 압전소자와 변위 특성을 비교하기 위한 적층형 압전소자의 모식도이다.

한편, 도 4는 본 실시예에 따른 적층형 압전소자의 층수 조절에 따른 압전층 두께의 비교 모식도이고, 도 5는 본 실시예에 따른 적층형 압전소자의 층간 확대 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 실시예의 적층형 압전소자(100)는 복수의 압전층(110)과, 압전층(110) 사이에 교호로 적층되는 양극과 음극의 내부전극(121, 122)으로 이루어진 적층체로 구성될 수 있다. 이때, 적층형 압전소자(100)는 전체 두께(T)가 동일할 때 층수 조절에 의해 압전층(110)의 압전층 두께(t)를 얇게 형성할수록 변위 특성을 향상시킬 수 있음을 앞서 언급하였다. 여기서, 적층형 압전소자(100)의 압전층(110)과 내부전극(121, 122) 외의 구성에 대한 구체적인 설명은 도 1을 참조하여 상기에서 설명하였기에 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 4 및 도 5를 참조하여 적층형 압전소자(100)의 전체 두께(T)가 동일할 때, 압전성을 가지는 압전층(110)들과 비압전성을 가지는 내부전극(121, 122)들의 합에 따른 비율에 의해 압전층 두께(t)의 범위가 결정될 수 있다.

상기 압전층 두께(t)의 범위 한정을 위한 변수로 작용하는 내부전극들의 비율에 따른 변위 특성 관계는, 도 4a와 도 4b의 적층형 압전소자가 390㎛의 동일한 전체 두께(T)로 형성될 때 압전층(110)의 층수가 많아질수록 내부전극(121, 122)의 층수도 비례적으로 늘어남에 따라 압전소자의 전체 두께(T)에서 비압전성을 가지는 내부전극(121, 122)들의 합한 두께 비율이 커지게 되어 압전소자의 변위 특성이 저하될 수 있다.

도 4를 예로 들어 설명하면, 도 4에 도시된 4층 구조의 적층형 압전소자(도 4a)와 80층 구조의 적층형 압전소자(도 4b)는 동일한 전체 두께(T, 390㎛)를 가질 때 각각 압전층 두께(t)가 85㎛과 4㎛로 형성될 수 있으며, 압전층 두께(t)에 따라 각각 75V와 3.5V의 전압을 인가하여 동일한 변위량으로 구동될 수 있다.

도 4a의 4층 구조 적층형 압전소자는 내부전극(121, 122)의 층수가 5층으로 압전소자 내의 내부전극들 두께의 합은 10㎛로 구성되며, 압전소자의 전체 두께(T)에서 비압전성을 가지는 내부전극(121, 122)들 두께의 합의 비율은 2.6%(10㎛/390㎛)로 형성될 수 있다. 이때, 내부전극(121, 122)은 압전층(110) 상에 통상적인 후막으로 구성되어 2㎛의 두께로 형성되는 것을 가정할 수 있다.

또한, 도 4b의 80층 구조 적층형 압전소자는 내부전극(121, 122)의 층수가 81층으로 압전소자 내의 내부전극들 두께의 합은 162㎛로 구성되며, 압전소자의 전체 두께(T)에서 비압전성을 가지는 내부전극(121, 122)들 두께의 합의 비율은 41.5%(162㎛/390㎛)로 형성될 수 있다.

이를 비교하여 보면, 적층형 압전소자(100)를 구성하는 압전층 두께(t)를 85㎛에서 4㎛으로 얇게 구성하였을 경우, 동일한 전계에서 층수가 늘어나게 되어 압전소자의 구동 전압은 70V에서 3.5V로 낮출 수는 있으나, 비압전성을 가지는 내부전극(121, 122)들 두께의 합의 비율이 3% 미만에서 41% 이상으로 증가하게 되고, 압전소자에서 압전성을 가지는 압전층(110)의 비율이 저하되어 원하는 변위 특성을 기대하기 어려울 수 있다.

본 실시예에 따른 적층형 압전소자(100)의 시뮬레이션 결과에 따른 아래의 표 1을 참조하여 볼 때, 적층형 압전소자(100)에서 비압전성을 가지는 내부전극(121, 122)들 합의 비율이 12% 가 초과되는 시점부터 압전소자의 상대 변위 특성이 95% 이하로 저하되는 것을 알 수 있는 바, 압전소자의 전체 두께(T) 대비 내부전극(121, 122)들 두께의 합의 비율이 12% 미만으로 유지되도록 압전층 두께(t)를 조절하는 것이 바람직하다.

한편, 본 실시예의 적층형 압전소자(100)는 도 5에 도시된 바와 같이, 압전층(110) 사이에 개재된 내부전극(121, 122)이 주로 Ag/Pd 합금의 금속재로 구성됨에 따라 내부전극(121, 122)과 압전층(110) 사이의 계면에서 화학적 작용에 의해서 비압전성을 갖는 비압전 계면층(interfacial layer, 140)이 생성될 수 있다.

따라서, 도 4b와 같이 압전층(110)의 두께가 얇고 층수가 많아질수록 비압전 계면층(140)과 내부전극(121, 122)으로 구성되는 비압전층(inactive layer)의 비율이 급격히 증가하게 됨으로써, 상대 변위 특성이 현저히 저하될 수 있다.

여기서, 비압전 계면층(140)은 내부전극(121, 122)을 형성하는 Ag/Pd 합금 금속재가 적층형 압전소자(100)의 작동시 압전층(110)의 세라믹 재질과 계면 반응에 의해 압전 상수가 현저히 낮은 비압전성의 내부전극(121, 122)의 양면에 최대 2㎛ 이하의 두께로 형성되어 발생될 수 있다. 비압전 계면층(140)은 주로 PdPbO, PdO, Ag/Pd-Pb, Ag-PZT 등의 재질로 형성될 수 있다.

이때, 적층형 압전소자(100)의 전체 두께(T)에서 내부전극(121, 122)들과 비압전 계면층(140)들의 두께의 합에 의한 비압전층의 비율은 아래의 수학식 1에 의해서 계산될 수 있다.

하기 수학식 1은 상기 적층형 압전소자의 전체 두께에 대한 상기 비압전층의 두께의 비율을 비압전층의 비율이라고 할 수 있다.

이와 같은 수학식 1을 이용하여 본 실시예의 적층형 압전소자(100)의 비압전층 비율을 계산하여 보면, 아래의 표 1과 같은 상대 변위 특성을 갖는 압전층 두께(t)를 한정할 수 있으며, 압전층 두께(t)의 범위 내에서 적층형 압전소자의 전체 두께(T)를 감안하여 압전층(110)의 층수가 설계될 수 있을 것이다.

* 표 1에서 상대 상대 변위 특성이란, 압전층(110)의 두께가 1㎜이고 그레인 장축 길이(Gmax)가 2㎛인 표준 적층형 압전소자의 변위 특성을 100%로 하였을 때, 본 실시예의 적층형 압전소자의 압전층 두께별 상대적인 변위 특성을 의미한다.

본 실시예의 적층형 압전소자(100)는 압전소자의 전체 두께(T) 대비 내부전극(121, 122)들과 비압전 계면층(140)들을 포함하는 비압전층(inactive layer)의 총 두께 비율이 12% 이내이고, 압전소자의 상대 변위 특성이 95% 이상으로 유지될 수 있어야 압전 성능을 구현할 수 있다.

표 1에 기재된 바와 같이, 100㎛ 내지 1.5㎜의 전체 두께(T)를 갖는 적층형 압전소자(100)는 압전층 두께(t)가 15㎛ 내지 100㎛로 형성될 때, 표준 적층형 압전소자 대비 95% 이상의 상대 변위 특성이 발현됨을 알 수 있다. 이때, 100㎛ 이상의 압전층 두께(t)로 형성될 경우에는 압전소자의 전체 두께 대비 비압전층(inactive layer)의 비율 조건과 상대 변위 특성의 조건은 충분히 만족될 수 있으나, 앞서 언급한 바와 같이 압전층 두께(t)가 두꺼울수록 큰 구동 전압이 인가되어야 동일한 변위량을 구현할 수 있기 때문에 적층형 압전소자(100)에 인가되는 구동 전압이 200V 이상으로 높아지게 되고, 200V 이상의 구동 전압은 압전소자 또는 전자기기에 무리가 발생될 수 있어 인가 전압으로는 부적절할 수 있음을 알 수 있다.

그리고, 압전체 두께(t)가 15㎛ 이하로 형성될 경우에는 비교적 낮은 전압을 인가시킬 수 있는 점에서 유리하기는 하나, 압전소자의 전체 두께(T) 대비 비압전층(inactive layer) 비율이 높아 구동 성능이 현저히 저하되고, 압전층 두께(t)가 너무 얇기 때문에 층간 전계 이동에 따른 쇼트가 발생될 수 있어 앞서 언급한 신뢰성을 만족할 수 없다.

한편, 본 실시예의 적층형 압전소자(100)는 압전소자의 전체 두께(T)에 대한 비압전층(inactive layer)의 비율이 12% 미만으로, 압전층 두께(t)가 15㎛ 이상 100㎛ 이하의 범위를 만족하더라도 압전층 두께(t) 별로 압전층(110)을 구성하는 그레인(grain) 크기에 따라 그레인의 경계가 짧아지게 되고, 짧아진 그레인 경계를 전계가 이동되면서 내부전극(121, 122) 간의 통전에 의한 쇼트가 발생될 수 있어 신뢰성의 문제가 발생될 수 있다.

여기서, 도 6은 본 실시예의 적층형 압전소자에서 압전층 두께에 따른 압전층의 단면도이다.

도 6은 압전층 두께(t)가 30㎛인 경우(도 6a)와 5㎛인 경우(도 6b)로 구성된 압전층(110)을 예로 들어 그 단면을 확대한 것으로, 도시된 바와 같이 본 실시예의 적층형 압전소자(100)는 그레인의 크기가 유사(그레인의 형태가 비정형임을 감안함)할 때 압전층 두께(t)가 얇을수록 그레인(111)의 갯수가 적게 형성되고, 그레인의 갯수가 적을 때는 그레인(111)의 경계(boundary)를 따라 Ag/Pd 합금의 금속재로 이루어진 내부전극(121, 122)으로부터 분리된 Ag+ 이온이 이동하는 경로가 짧아지기 때문에 한 쌍의 내부전극(121, 122) 사이에 쇼트가 발생될 수 있음을 알 수 있다. 즉, 도 6a는 내부전극(121, 122) 간에 쇼트가 발생될 확률이 낮고, 도 6b는 내부전극(121, 122) 간에 쇼트가 발생될 확률이 높다.

따라서, 적층형 압전소자(100)의 압전층 두께(t)가 얇아질수록 그레인(111)의 크기를 작게 형성하고, 얇은 압전층 두께(t) 내에서 상호 인접한 그레인 갯수를 늘려 연결된 그레인 경계를 길게 함으로써, 전계 내에서 전하의 이동 경로를 늘리도록 하는 것이 바람직하다.

그레인의 경계 길이는 양극과 음극을 형성하는 한 쌍의 내부전극 및 내부전극 사이의 압전층에 있어, 어느 하나의 내부전극으로부터 다른 하나의 내부전극으로 압전층 내부의 그레인 경계(boundary)를 따라 전하(Ag+)가 이동할 때의 전하의 이동 거리를 의미할 수 있으며, 그레인의 경계 길이는 압전층 내부의 그레인 크기에 따라 그 길이가 길게 또는 짧게 조절될 수 있다.

이때, 그레인(111) 크기는 개별 압전층(110)을 절단한 단면에서 압전층(110)의 상, 하면에 적층된 내부전극(121, 122)과 수직한 수직선(H) 상에 위치한 그레인 중 가장 큰 그레인의 장축 길이(Gmax)를 기준으로 정의될 수 있다.

본 실시예의 적층형 압전소자(100)에서 표 1의 상대 변위 특성을 만족하는 압전층 두께(t) 별로 그레인 장축 길이(Gmax)를 조절하여 압전층(110)을 제작하는 것이 필요할 수 있다.

상기 압전층(110)은 세라믹 분말이 바인더 등과 혼합된 슬러리를 시트 형태로 도포하여 제작되는 바, 그레인 크기를 조절하기 위해서는 세라믹 분말을 준비하는 단계에서 미립화하는 정도에 따라 그레인의 크기를 작게 또는 크게 형성할 수 있다.

또한, 세라믹 분말의 미립 크기가 동일하더라도 슬러리가 시트 형태로 도포된 상태에서 소결을 위한 소성 온도와 소성 시간을 조절하여 그레인 크기를 작게 또는 크게 형성할 수 있다. 즉, 세라믹 분말을 미립화할수록 그레인 크기를 작게 형성할 수 있으며, 세라믹 시트의 소성 온도를 낮추고 소성 시간을 짧게 할수록 그레인 크기를 작게 형성할 수 있다.

아래의 표 2는 본 실시예의 적층형 압전소자(100)에서 표 1의 상대 변위 특성과 구동 전압 조건을 만족하는 압전소자의 압전층 두께(t) 범위에서 각 압전층 두께(t) 별로 상대 변위 특성과 신뢰성을 만족하는 그레인 장축 길이(Gmax)의 범위를 시뮬레이션하여 작성된 것이다.

** 표 2에서 상대 변위 특성이란, 압전층(110)의 두께가 1㎜이고 그레인 장축 길이(Gmax)가 2㎛인 표준 적층형 압전소자의 변위 특성을 100%로 하였을 때, 본 실시예의 적층형 압전소자의 압전층 두께별 상대적인 변위 특성을 의미한다.

표 1을 참조하여 표 2에 기재된 바를 설명하면, 표 1에 기재된 바와 같이 적층형 압전소자(100)의 압전층 두께(t)를 15㎛ 이하로 하여 구동 전압을 낮출 수 있는 이점이 있더라도 압전층 두께(t)에 비해 앞서 정의된 그레인 장축 길이(Gmax)에 따른 그레인 크기가 커지게 되고, 그레인 경계 길이가 짧아지게 됨에 따라 전하 이동 경로가 단축됨에 의해서 내부전극(121, 122) 간의 쇼트가 발생되어 신뢰성을 만족하기 어려울 수 있다.

한편, 표 2에 기재된 바의 압전층 두께(t)가 15㎛ 내지 100㎛의 범위를 만족한다 하더라도 각 압전층 두께(t)에서 앞서 정의된 그레인 장축 길이(Gmax)가 1㎛ 미만으로 형성되면 표준 적층형 압전소자에 대하여 90% 이하의 상대 변위 특성이 구현되어 적층형 압전소자(100)의 성능이 현저히 저하될 수 있다.

또한, 15㎛ 내지 100㎛의 범위를 만족하는 압전층 두께(t) 대비 그레인 장축 길이(Gmax)가 아래의 수학식 2의 조건을 벗어나는 경우에는 90% 이상의 상대 변위 특성은 만족할 수 있으나, 압전층 두께(t)에 비해 그레인 장축 길이(Gmax)의 비율(Gmax/root(t))이 커질 수 있기 때문에 그레인(111) 경계를 따라 Ag+ 이동 거리가 짧아지게 되어 쇼트가 발생될 수 있고, 압전층(110)의 신뢰성을 만족할 수 없다.

이때, 상기 표 2에 근거하여 살펴보면, 본 실시예의 적층형 압전소자(100)에서 압전층 두께(t) 범위가 15㎛ 내지 100㎛로 형성될 때, 압전층(110)의 수직 방향을 절단하는 단면의 임의의 수직선(H) 상에 배치된 그레인 중 가장 큰 그레인의 장축 길이(Gmax)가 1㎛ 내지 2㎛의 크기로 형성되도록 하여 압전층 두께(t) 범위 내에서 상대 변위 특성과 신뢰성을 동시에 만족할 수 있다.

또한, 바람직하게는 압전층 두께(t)가 40㎛일 때, 그레인 장축 길이(Gmax)는 1㎛ 내지 3㎛의 크기로 형성되어 상대 변위 특성과 신뢰성을 동시에 만족할 수 있으며, 압전층 두께(t)가 60㎛ 내지 100㎛일 때, 그레인 장축 길이(Gmax)는 1㎛ 내지 4㎛의 크기로 형성되어 상대 변위 특성과 신뢰성을 동시에 만족할 수 있음을 알 수 있다.

본 실시예의 적층형 압전소자(100)는 압전층 두께(t) 범위(15㎛ 내지 100㎛)에서 그레인 크기(Gmax)를 조절하여 개별 압전층(110)의 상대 변위 특성과 쇼트 발생 신뢰성을 만족하도록 할 필요가 있다.

이를 위하여, 그레인 크기에 따른 그레인 갯수를 조절하여 15㎛ 내지 100㎛의 두께로 압전층(110)을 제작한 후, 상대 변위 특성과 신뢰성을 시뮬레이션한 결과, 전체 두께(T)가 1㎜인 표준 적층형 압전소자의 압전체 두께(t)의 변위 특성 대비 90% 이상의 상대 변위 특성이 유지되어야 압전층(110)의 압전 성능을 만족시킬 수 있음을 알 수 있었다.

따라서, 본 실시예의 압전소자(100)는 압전층 두께(t)에 비해 그레인 갯수가 너무 적으면 그레인의 경계를 따라 이동하는 Ag+ 이온이 양극과 음극을 연결시켜 쇼트가 발생되어 신뢰성이 결여될 수 있으며, 압전층 두께(t)에 비해 그레인 갯수가 너무 많으면 신뢰성은 만족시킬 수 있으나 그레인 경계 길이가 Ag+ 이온의 이동성을 방해할 수 있어 압전 성능을 현저히 저하시킬 수 있기 때문에 표 2와 같이 압전층 두께(t) 범위(15㎛ 내지 100㎛) 내의 임의의 수직선(H) 상에서 그레인 중 가장 큰 장축 길이(Gmax) 범위에 의한 그레인 크기를 조절함으로써, 압전층(110) 내의 수직선(H) 상에 적절한 그레인 갯수를 갖도록 압전층을 구성하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100. 압전소자
110. 압전층
121, 122. 내부전극
T. 압전소자의 전체 두께
t. 압전층 두께

Claims

복수의 압전층;
상기 복수의 압전층 사이에 개재되어 양극과 음극이 교호로 적층된 내부전극;을 포함하고,
상기 압전층 두께가 15㎛ 이상 내지 100㎛ 이하로 형성된 적층형 압전소자.
제1항에 있어서,
상기 적층형 압전소자는, 상기 압전소자 전체 두께에 대한 상기 내부전극들 두께의 합의 비율은 12% 미만인 적층형 압전소자.
제1항에 있어서,
상기 복수의 압전층과 내부전극 사이의 계면에는 비압전상의 비압전 계면층이 형성되고, 상기 내부전극과 비압전 계면층이 비압전층(inactive layer)으로 형성된 적층형 압전소자.
제3항에 있어서,
상기 내부전극들과 비압전 계면층들의 두께의 합을 비압전층의 두께라고 할 때, 상기 적층형 압전소자의 전체 두께에 대한 상기 비압전층의 두께의 비율은 12% 미만인 적층형 압전소자.
제4항에 있어서,
상기 적층형 압전소자의 전체 두께에 대한 상기 비압전층의 두께의 비율을 비압전층의 비율이라고 할 때,
상기 비압전층의 비율은, 하기 수학식에 의해 결정되는 적층형 압전소자.
수학식
제1항에 있어서,
상기 적층형 압전소자의 전체 두께는 1.5㎜ 이하인 적층형 압전소자.
제6항에 있어서,
상기 복수의 압전층의 층수는 3층 내지 100층인 적층형 압전소자.
제1항에 있어서,
상기 압전층의 그레인 크기는, 그레인 경계 길이이 확장시, 상기 압전층의 상대 변위 특성이 90% 이상을 만족하는 전하 이동 경로를 갖도록 형성되는 적층형 압전소자.
제8항에 있어서,
상기 그레인 크기는, 하기의 수학식에 의해서 결정되는 적층형 압전소자.
수학식

여기서, Gmax는 압전층을 수직 방향으로 절단한 단면의 수직선(H) 상에 위치한 그레인 중 가장 큰 그레인의 장축 길이이고, t는 압전층 두께임
제9항에 있어서,
상기 그레인의 장축 길이(Gmax)는 1㎛ 내지 2㎛인 적층형 압전소자.
제9항에 있어서,
상기 압전층 두께가 40㎛ 이상일 때, 상기 그레인의 장축 길이(Gmax)는 1㎛ 내지 3㎛인 적층형 압전소자.
제9항에 있어서,
상기 압전층 두께가 60㎛ 이상 내지 100㎛ 이하일 때, 상기 그레인의 장축 길이(Gmax)는 1㎛ 내지 4㎛인 적층형 압전소자.
복수의 압전층;
상기 복수의 압전층 사이에 개재되어 양극과 음극이 교호로 적층된 내부전극;을 포함하고,
상기 압전층 두께가 15㎛ 이상 내지 100㎛ 이하로 형성되고, 상기 압전층 내에서 압전층을 구성하는 그레인 중 가장 큰 그레인의 장축 길이(Gmax)가 1㎛ 이상 내지 2㎛ 이하로 형성되되,
상기 압전층 두께 범위 내의 상대 변위 특성이 표준 적층형 압전소자의 변위 특성 대비 95% 이상을 만족하고,
상기 압전층의 그레인 크기 범위 내의 상대 변위 특성이 표준 적층형 압전소자의 변위 특성 대비 90% 이상을 만족하는 적층형 압전소자.
이때, 상기 표준 적층형 압전소자는 압전층의 두께가 1㎜이고 그레인 장축 길이(Gmax)가 2㎛인 적층형 압전소자임
제13항에 있어서,
상기 그레인 크기는, 하기의 수학식에 의해서 결정되는 적층형 압전소자.
수학식

여기서, Gmax는 압전층을 수직 방향으로 절단한 단면의 수직선(H) 상에 위치한 그레인 중 가장 큰 그레인의 장축 길이이고, t는 압전층 두께임
제13항에 있어서,
상기 내부전극들 두께의 합이 상기 압전소자 전체 두께에 대하여 12% 미만인 적층형 압전소자.
제13항에 있어서,
상기 내부전극들의 두께와 비압전 계면층들의 두께의 합인 비압전층들의 두께의 합이 상기 압전소자 전체 두께에 대하여 12% 미만인 적층형 압전소자.
제16항에 있어서,
상기 적층형 압전소자의 전체 두께에 대한 상기 비압전층의 두께의 비율을 비압전층의 비율이라고 할 때,
상기 비압전층의 비율은, 하기 수학식에 의해 결정되는 적층형 압전소자.
수학식
제14항에 있어서,
상기 그레인 크기는, 상기 압전층의 준비 재료인 세라믹 분말의 미립 정도와, 상기 세라믹 분말을 이용한 세라믹 소결체의 소성 온도와 소성 시간에 의해 조절되는 적층형 압전소자.
제13항에 있어서,
상기 적층형 압전소자의 전체 두께는 100㎛ 이상 1.5㎜ 이하인 적층형 압전소자.
제13항에 있어서,
상기 적층형 압전소자는, 상기 복수의 압전층 층수가 3층 내지 100인 적층형 압전소자.