KR20150110126A - 압전소자 및 이를 포함하는 압전진동자 - Google Patents

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Abstract

압전소자 및 이를 포함하는 압전진동자가 개시된다. 복수의 세라믹층이 적층되어 형성되는 압전체; 각각의 상기 세라믹층 표면에 형성되는 내부전극; 및 상기 내부전극을 보호하기 위하여 상기 압전체의 상하부에 각각 형성되는 한 쌍의 커버층을 포함하고, 적어도 하나의 상기 커버층은, 복수의 결정립; 및 복수의 상기 결정립 간의 경계에 배치되어 상기 커버층 내 크랙의 확산을 억제하는 크랙억제입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자 및 이를 포함하는 압전진동자가 제공된다.

Description

압전소자 및 이를 포함하는 압전진동자{PIEZOELECTRIC ELEMENT AND PIEZOELECTRIC VIBRATOR HAVING THE SAME}
본 발명은 압전소자 및 이를 포함하는 압전진동자에 관한 것이다.
터치패널, 터치키보드 등은 전자기기에 장착되어 문자나 그림을 입력할 때 사용자 손끝에 진동을 줄 수 있다. 이처럼 사용자가 문자나 그림을 입력하고 있다는 촉각 피드백을 주는 기능을 햅틱(haptic)이라고 한다.
햅틱 다비이스는 투명성을 갖는 터치패널이 화상을 표시하는 LCD 등의 화상표시장치에 밀착되게 배치되고, 사용자가 터치패널을 통하여 화상을 보면서 터치패널을 압박 조작하는 경우, 진동모터(vibration motor) 또는 압전 엑추에이터(piezoelectric actuator)와 같은 진동발생수단에 의해 터치패널에 진동감이 인가됨으로써 사용자에게 진동감이 전달되는 구조를 채용하고 있다.
진동모터를 사용하는 경우 반응속도가 느리므로 빠른 터치를 필요로 하는 기기에 적용하기에는 어렵다. 반면, 압전 엑추에이터는 반응속도가 빠르고, 다양한 주파수 구현이 가능하다는 장점이 있다.
압전 엑추에이터로 세라믹 압전체가 사용될 수 있다. 세라믹 압전체가 압전 특성에 따른 진동하는 경우, 압전체를 이루는 세라믹층에 크랙(crack)이 발생하는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0131632호(2011.12.07, 햅틱 디바이스)에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 크랙 발생을 감소시킬 수 있는 압전소자 및 이를 포함하는 압전진동자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 세라믹층이 적층되어 형성되는 압전체; 각각의 상기 세라믹층 표면에 형성되는 내부전극; 및 상기 내부전극을 보호하기 위하여 상기 압전체의 상하부에 각각 형성되는 한 쌍의 커버층을 포함하고, 적어도 하나의 상기 커버층은, 복수의 결정립; 및 복수의 상기 결정립 간의 경계에 배치되어 상기 커버층 내 크랙의 확산을 억제하는 크랙억제입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자가 제공된다.
상기 크랙억제입자는 상기 복수의 결정립 중 적어도 세 개의 결정립이 만나는 지점에 배치될 수 있다.
복수의 상기 결정립은 티탄산 지르콘산 연(PZT)으로 이루어지고, 상기 크랙억제입자는 산화알루미늄(Al2O3) 및 탄화규소(SiC) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 크랙억제입자의 소결개시온도는 상기 결정립의 소결개시온도 보다 더 높을 수 있다.
상기 커버층의 단면에 있어서, 상기 커버층 전체의 단면적에 대한 상기 크랙억제입자의 단면적의 비는 0.3 이상 3 이하일 수 있다.
서로 다른 상기 세라믹층에 형성된 상기 내부전극을 전기적으로 연결하도록 상기 압전체를 관통하는 비아를 더 포함할 수 있다.
외부회로와 접속되도록 일단이 외부로 노출되고 타단이 상기 내부전극과 전기적으로 연결되는 단자를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 세라믹층이 적층되어 형성되는 압전체; 각각의 상기 세라믹층 표면에 형성되는 내부전극; 상기 내부전극을 보호하기 위하여 상기 압전체의 상하부에 각각 형성되는 한 쌍의 커버층; 및 상기 커버층 중 상기 압전체의 하부에 형성된 커버층에 결합되어, 상기 내부전극을 통한 전원공급에 의한 상기 압전체의 신축에 따라 진동하는 진동판을 포함하고, 적어도 하나의 상기 커버층은, 복수의 결정립; 및 복수의 상기 결정립 간의 경계에 배치되어 상기 커버층 내 크랙의 확산을 억제하는 크랙억제입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전진동자가 제공된다.
상기 크랙억제입자는 상기 복수의 결정립 중 적어도 세 개의 결정립이 만나는 지점에 배치될 수 있다.
복수의 상기 결정립은 티탄산 지르콘산 연(PZT)으로 이루어지고, 상기 크랙억제입자는 산화알루미늄(Al2O3) 및 탄화규소(SiC) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 크랙억제입자의 소결개시온도는 상기 결정립의 소결개시온도 보다 더 높을 수 있다.
상기 커버층의 단면에 있어서, 상기 커버층 전체의 단면적에 대한 상기 크랙억제입자의 단면적은 0.3 이상 3 이하일 수 있다.
서로 다른 상기 세라믹층에 형성된 상기 내부전극을 전기적으로 연결하도록 상기 압전체를 관통하는 비아를 더 포함할 수 있다.
외부회로와 접속되도록 일단이 외부로 노출되고 타단이 상기 내부전극과 전기적으로 연결되는 단자를 더 포함할 수 있다.
상기 커버층 중 상기 압전체의 하부에 형성된 커버층과 상기 진동판 사이에 개재되는 접착부재를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압전소자와 압전진동자의 내구성이 향상되고 수명이 증가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전진동자를 나타낸 도면.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전진동자의 진동을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자 일부를 나타낸 도면.
본 발명에 따른 압전소자 및 이를 포함하는 압전진동자의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.
또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전진동자를 나타낸 도면이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전진동자의 진동을 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자 일부를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 압전 진동자(10)는 진동판(11)과 압전소자(100)를 포함할 수 있다. 압전소자(100)는 압전체(110), 내부전극(120) 및 커버층(130)을 포함할 수 있다.
진동판(11)은 압전소자(100)의 움직임에 따라 상하로 진동하는 판으로 스틸(steel) 재질로 이루어질 수 있다. 진동판(11)은 터치패널 또한 화상표시부에 진동을 전달하는 기능을 수행하며, 터치패널 또는 화상표시부에 부착될 수 있다.
압전소자(100)는 진동판(11)의 일면에 형성되어, 진동판(11)을 진동시키는 소자이다. 압전소자(100)는 접착부재(12)에 의하여 용이하게 진동판(11)에 부착될 수 있다. 여기서 접착부재(12)는 에폭시수지 등의 절연물질로 이루어져, 압전소자(100)와 진동판(11)을 서로 절연시킬 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 압전소자(100)는 전압 인가에 따라 좌우로 신축하게 되며, 이에 따라 진동판(11)은 상하로 진동할 수 있다.
압전소자(100)는 압전체(110), 내부전극(120) 및 커버층(130)을 포함할 수 있다.
압전체(110)는 복수의 세라믹층(111)이 적층되어 형성될 수 있다. 세라믹층(111)은 티탄산 지르콘산 연(PZT, lead zirconate titanate, (PbZrO3)(PbTiO3))을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다. 한 개의 세라믹층(111)은 약 80㎛ 의 두께를 가질 수 있다.
압전체(110)에 전압이 가해지는 경우, 세라믹층(111)에서 두 전극 사이에 전계가 형성되면서 세라믹층(111) 내부에 발생하는 다이폴(dipole)에 의하여 세라믹층(111)의 구조가 변형될 수 있다. 이러한 세라믹층(111)의 구조 변형에 따라 압전체(110)가 좌우로 신축될 수 있다.
압전체(110)의 큰 변위(신축)를 얻기 위해서는 높은 전압이 요구된다. 다만, 압전소자(100)가 복수의 세라믹층(111)으로 이루어지는 경우에, 단일의 세라믹층(111)으로 이루어지는 경우에 비하여, 전극 간의 폭이 작아짐으로써, 동일 전압에 의하여 더 큰 변위가 발생할 수 있다. 따라서, 압전체(110)는 복수의 세라믹층(111)으로 구성되는 것이 효율적이다.
내부전극(120)은 세라믹층(111) 표면에 형성되는 전극으로, 제1 전극(121)과 제2 전극(122)을 포함할 수 있다. 제1 전극(121)과 제2 전극(122)은 각각의 세라믹층(111)에 (+) 또는 (-)극 중 하나를 가지면서 형성된다. 이 경우, 제1 전극(121)과 제2 전극(122)은 서로 교차되어 평행하게 배열됨으로써, 전압이 인가될 때 세라믹층(111) 내에 전계를 형성할 수 있다.
내부전극(120)은 전극 페이스트(paste)가 인쇄된 후 소성되어 형성될 수 있다. 하나의 세라믹층(111)에 인쇄되는 전극 페이스트의 면적은 하나의 세라믹층(111) 표면의 면적 이하일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 압전체(110)가 4 개의 세라믹층(111)으로 구성되는 경우, 제1 전극(121)은 두 개, 제2 전극(122)은 세 개로 구성될 수 있다. 여기서, 제1 전극(121)은 압전체(110) 내부에만 형성되어 노출되지 않으며, 제2 전극(122) 일부는 최상하층의 세라믹층(111) 표면에 형성됨으로써 외부로 노출될 수 있다. 여기서, '최상층'은 진동판(11)과 가장 멀리 떨어져있는 층을 의미하고, '최하층'은 진동판(11)과 가장 가까이에 있는 층을 의미한다.
한편, 압전체(110)가 가 홀수 개의 세라믹층(111)으로 구성되는 경우에는, 제1 전극(121)과 제2 전극(122)의 수가 동일할 수 있으며, 제1 전극(121)과 제2 전극(122) 일부는 모두 외부로 노출될 수 있다.
서로 다른 세라믹층(111)에 형성된 내부전극(120)은 비아(123)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있으며, 비아(123)는 압전체(110)를 관통하여 형성된다. 비아(123)는 제1 전극(121)을 연결하는 것과 제2 전극(122)을 연결하는 것 두 가지로 구분될 수 있다. 비아(123)를 이용하게 되면, 서로 다른 층에 형성되는 복수의 내부전극(120)을 용이하게 전기적으로 연결할 수 있어 압전소자(100) 제조 공정이 용이해질 수 있다.
또한, 내부전극(120)은 전기적으로 연결되는 단자(124)는 외부회로와의 접속되는 부분이다. 단자(124)의 일단은 외부로 노출되어 외부회로와 접속되고, 단자(124)의 타단은 내부전극(120)과 연결된다. 단자(124) 역시 제1 전극(121)과 연결되는 것과 제2 전극(122)과 연결되는 것 두 가지로 구분될 우 있다.
커버층(130)은 외부로 노출된 내부전극(120)을 보호하기 위하여 압전체(110)의 상하부에 각각 형성되는 한 쌍의 층이다. 커버층(130)은 약 30㎛ 의 두께를 가질 수 있다. 커버층(130)은 전극을 보호하는 역할을 하므로 세라믹층(111)만큼 두꺼울 필요는 없으며, 비용을 절감하기 위해 한 개의 세라믹층(111)보다 얇게 형성할 수 있다.
적어도 하나의 커버층(130)은 복수의 결정립(131)으로 이루어지며, 복수의 결정립(131) 간의 경계에는 크랙억제입자(132)가 배치될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 압전체(110)가 진동하는 경우에, 커버층(130)에는 전계가 형성되지 않으므로 압전체(110)만큼 신축되지 못한다. 따라서 커버층(130) 내에서는 크랙(crack)이 발생할 가능성이 높다. 커버층(130)에서 발생한 크랙은 압전체(110)까지 확산될 가능성이 있다.
크랙은 복수의 결정립(131) 간의 경계를 따라 확산되는데 압전체(110) 역시 결정 구조를 가지므로 결정 구조 간의 경계를 따라 크랙은 계속 확산되는 것이다. 본 발명의 크랙억제입자(132)는 커버층(130)에서의 크랙의 확산을 차단하는 역할을 할 수 있다. 즉, 커버층(130)에서의 크랙 확산을 차단함으로써 압전체(110) 전체로 크랙이 확산되는 것을 방지할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 크랙은 A지점에서 발생할 수 있으며, 결정립(131) 간의 경계를 따라 확산될 수 있다. 그러나 크랙은 B지점에 있는 크랙억제입자(132)를 넘어서 확산될 수 없으며 B지점에서 크랙 확산이 종료될 수 있다.
만약 크랙억제입자(132)가 없다면, A지점에서 발생한 크랙은 커버층(130) 전체와 압전체(110)로 확산되어 압전소자(100)이 깨질 수 있다. 따라서, 크랙억제입자(132)는 압전소자(100)의 깨짐을 방지하므로 압전소자(100)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
크랙억제입자(132)는 복수의 결정립(131) 중 적어도 세 개의 결정립(131)이 만나는 지점에 배치될 수 있다. 압전소자(100)가 소결되는 경우, 세 개의 결정립(131)이 만나는 지점은 에너지가 높으므로 크랙억제입자(132)가 상기 지점이 위치하기 유리하다. 또한 크랙억제입자(132)는 두 개의 결정립(131)이 만나는 경계선 상에 배치될 수 있다.
압전소자(100)가 소결되는 경우, 크랙억제입자(132)의 소결개시온도는 결정립(131)의 소결개시온도보다 더 높을 수 있다. 즉, 결정립(131)은 소결되더라도 크랙억제입자(132)는 소결되지 않고 미소결 상태로 남을 수 있다. 이러한 크랙억제입자(132)의 녹는점은 결정립(131)의 재료의 녹는점 보다 높을 수 있다.
커버층(130)의 복수의 결정립(131)은 압전체(110)와 마찬가지로 티탄산 지르콘산 연(PZT)으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 크랙억제입자(132)는 산화알루미늄(Al2O3) 및 탄화규소(SiC) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 커버층(130)은 PZT 파우더, 솔벤트(solvent), 바인더(binder) 및 탄화규소(또는 산화알루미늄)로 제조될 수 있다. 이 경우, 전체 조성물에 대한 탄화규소(또는 산화알루미늄)의 중량%는 0.1wt% 이상 1wt%이하일 수 있다.
또한, 커버층(130)을 절단한 단면에 있어, 전체 커버층(130)의 단면적에 대한 크랙억제입자(132) 단면적의 비는 0.3 이상 3 이하를 차지할 수 있다. 이 경우, 크랙 확산을 억제하는 기능이 충분히 발휘될 수 있다.
크랙억제입자(132)는 한 쌍의 커버층(130) 모두에 포함될 수 있으며, 필요에 따라서는 하부에 위치한 커버층에만 포함될 수 있다.
압전 진동자(10)가 진동하는 경우에, 압전 진동자(10)의 수직위치 별로 변위를 살펴보면, 변위차가 0인 지점은 압전소자(100) 중앙에서 하측으로 치우치는 지점이 된다.
즉, 압전소자(100)의 최상부의 변위차가 가장 크게 되며, 압전소자(100)가 진동할 때, 압전체(110) 상부에 형성된 커버층에 크랙이 발생할 가능성이 높아진다. 상대적으로 압전체(110) 하부에 형성된 커버층에는 크랙이 발생할 가능성이 낮다.
따라서, 비용 절감을 위하여 한 쌍의 커버층(130) 중 압전체(110) 상부에 형성된 커버층에만 크랙억제입자(132)가 포함되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압전소자 및 이를 포함하는 압전진동자에 의하면, 커버층 내의 크랙 확산을 억제함으로써 압전소자의 크랙 발생을 방지할 수 있다. 즉, 압전소자와 압전진동자의 내구성이 향상되고 수명이 증가될 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 압전 진동자
11: 진동판
12: 접착부재
100: 압전소자
110: 압전체
111: 세라믹층
120: 내부전극
121: 제1 전극
122: 제2 전극
123: 비아
124: 단자
130: 커버층
131: 결정립
132: 크랙억제입자

Claims (15)

  1. 복수의 세라믹층이 적층되어 형성되는 압전체;
    각각의 상기 세라믹층 표면에 형성되는 내부전극; 및
    상기 내부전극을 보호하기 위하여 상기 압전체의 상하부에 각각 형성되는 한 쌍의 커버층을 포함하고,
    적어도 하나의 상기 커버층은,
    복수의 결정립; 및
    복수의 상기 결정립 간의 경계에 배치되어 상기 커버층 내 크랙의 확산을 억제하는 크랙억제입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 크랙억제입자는 상기 복수의 결정립 중 적어도 세 개의 결정립이 만나는 지점에 배치되는 것을 특징으로 하는 압전소자.
  3. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 결정립은 티탄산 지르콘산 연(PZT)으로 이루어지고,
    상기 크랙억제입자는 산화알루미늄(Al2O3) 및 탄화규소(SiC) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 크랙억제입자의 소결개시온도는 상기 결정립의 소결개시온도 보다 더 높은 것을 특징으로 하는 압전소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 커버층의 단면에 있어서, 상기 커버층 전체의 단면적에 대한 상기 크랙억제입자의 단면적의 비는 0.3 이상 3 이하인 것을 특징으로 하는 압전소자.
  6. 제1항에 있어서,
    서로 다른 상기 세라믹층에 형성된 상기 내부전극을 전기적으로 연결하도록 상기 압전체를 관통하는 비아를 더 포함하는 압전소자.
  7. 제1항에 있어서,
    외부회로와 접속되도록 일단이 외부로 노출되고 타단이 상기 내부전극과 전기적으로 연결되는 단자를 더 포함하는 압전소자.
  8. 복수의 세라믹층이 적층되어 형성되는 압전체;
    각각의 상기 세라믹층 표면에 형성되는 내부전극;
    상기 내부전극을 보호하기 위하여 상기 압전체의 상하부에 각각 형성되는 한 쌍의 커버층; 및
    상기 커버층 중 상기 압전체의 하부에 형성된 커버층에 결합되어, 상기 내부전극을 통한 전원공급에 의한 상기 압전체의 신축에 따라 진동하는 진동판을 포함하고,
    적어도 하나의 상기 커버층은,
    복수의 결정립; 및
    복수의 상기 결정립 간의 경계에 배치되어 상기 커버층 내 크랙의 확산을 억제하는 크랙억제입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전진동자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 크랙억제입자는 상기 복수의 결정립 중 적어도 세 개의 결정립이 만나는 지점에 배치되는 것을 특징으로 하는 압전진동자.
  10. 제8항에 있어서,
    복수의 상기 결정립은 티탄산 지르콘산 연(PZT)으로 이루어지고,
    상기 크랙억제입자는 산화알루미늄(Al2O3) 및 탄화규소(SiC) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전진동자.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 크랙억제입자의 소결개시온도는 상기 결정립의 소결개시온도 보다 더 높은 것을 특징으로 하는 압전진동자.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 커버층의 단면에 있어서, 상기 커버층 전체의 단면적에 대한 상기 크랙억제입자의 단면적은 0.3 이상 3 이하인 것을 특징으로 하는 압전진동자.
  13. 제8항에 있어서,
    서로 다른 상기 세라믹층에 형성된 상기 내부전극을 전기적으로 연결하도록 상기 압전체를 관통하는 비아를 더 포함하는 압전진동자.
  14. 제8항에 있어서,
    외부회로와 접속되도록 일단이 외부로 노출되고 타단이 상기 내부전극과 전기적으로 연결되는 단자를 더 포함하는 압전진동자.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 커버층 중 상기 압전체의 하부에 형성된 커버층과 상기 진동판 사이에 개재되는 접착부재를 더 포함하는 압전진동자.
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