KR20160015791A

KR20160015791A - 압전 세라믹 조성물 및 이를 포함하는 압전 소자와 압전 진동 모듈

Info

Publication number: KR20160015791A
Application number: KR1020140098499A
Authority: KR
Inventors: 이승호; 김경록; 김범석; 서정욱; 박희선
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-02-15
Also published as: JP2016034889A

Abstract

압전 세라믹 조성물 및 이를 포함하는 압전 소자와 압전 진동 모듈이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 압전 세라믹 조성물은 xPb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)Pb(Zr_1-yTi_y)O₃ (0.05≤x≤0.2, 0.4≤y≤0.7)의 조성을 갖는 세라믹스에 산화물 고용체 또는 탄산염 고용체를 소결첨가제로 포함한다.

Description

압전 세라믹 조성물 및 이를 포함하는 압전 소자와 압전 진동 모듈{PIEZOELECTRIC CERAMIC COMPOSITION, PIEZOELECTRIC ELEMENT AND PIEZOELECTRIC VIBRATION MODULE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 압전 세라믹 조성물 및 이를 포함하는 압전 소자와 압전 진동 모듈 에 관한 것이다.

일반적으로 압전체를 압전 소자에 응용하기 위해서는 압전 상수, 전기기계 결합계수가 높아야 한다. 나아가 적층형 압전 소자에 이용하기 위해서는, 내부 전극에 사용되는 물질의 종류에 따라 달라지겠지만, 동시 소성을 위해 압전 세라믹을 1000℃ 이하의 온도에서 소결해도 우수한 압전 특성을 가져야 한다.

기존의 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate, 이하 PZT)계 압전 세라믹은 소결 온도가 1100℃ 이상으로 높은 편이다. 따라서, PZT계 세라믹을 이용한 적층형 압전 소자의 경우, 내부 전극층은 상기의 온도보다 녹는점이 높은 고가의 물질을 사용해야 한다.

따라서, 기존의 PZT에 새로운 조성을 첨가해 압전 특성은 유지하면서 소결 온도를 낮추기 위한 연구가 진행되고 있다.

한국공개특허 제10-2003-0096505호 (2003. 12. 31. 공개)

본 발명의 일 측면에 따르면, 세라믹스의 PNN함량을 낮추고 세라믹스에 산화물 고용체 또는 탄산염 고용체를 소결첨가제로 첨가함으로써 공융 온도(eutectic temperature)에서 생성되는 액상을 이용해 압전 세라믹 조성물의 저온 소결을 가능하게 한다.

도 1은 본 발명에 적용되는 PNN-PZT 세라믹스의 조성 범위를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물에 소결첨가제로 적용되는 산화납(PbO)-산화구리(CuO)의 공융점(eutectic point)을 나타내는 2원 상태도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물에 소결첨가제로 적용되는 산화납(PbO)-산화철(Fe₂O₃)의 공융점(eutectic point)을 나타내는 2원 상태도.
도 4는 산화철(Fe₂O₃)의 첨가량에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물의 소결 후 입경 변화를 나타내는 도면.
도 5는 산화철(Fe₂O₃)의 첨가량에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물의 소결 후 압전 상수(d₃₃) 변화를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물에 소결첨가제로 적용되는 탄산리튬(Li₂CO₃)-탄산칼슘(CaCO₃)의 공융점(eutectic point)을 나타내는 2원 상태도.
도 7은 탄산리튬(Li₂CO₃)의 첨가량에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물의 소결 후 입경 변화를 나타내는 도면.
도 8은 탄산리튬(Li₂CO₃)의 첨가량에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물의 소결 후 압전 상수(d₃₃) 변화를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 나타낸 단면도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 진동 모듈을 나타낸 단면도.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

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.

이하, 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물, 압전 소자 및 압전 진동 모듈의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

우선, 본 발명의 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물을 먼저 설명한다.

도 1은 본 발명에 적용되는 PNN-PZT 세라믹스의 조성 범위를 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물에 소결첨가제로 적용되는 산화납(PbO)-산화구리(CuO)의 공융점(eutectic point)을 나타내는 2원 상태도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물에 소결첨가제로 적용되는 산화납(PbO)-산화철(Fe₂O₃)의 공융점(eutectic point)을 나타내는 2원 상태도이다. 도 4는 산화철(Fe₂O₃)의 첨가량에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물의 소결 후 입경 변화를 나타내는 도면이다. 도 5는 산화철(Fe₂O₃)의 첨가량에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물의 소결 후 압전 상수(d₃₃) 변화를 나타내는 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물은 하기의 식 1로 표현되는 세라믹스에 산화물 고용체를 소결첨가제로 포함한다.

[식 1]

xPb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)Pb(Zr_1-yTi_y)O₃ (0.05≤x≤0.2, 0.4≤y≤0.7)

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 적용되는 세라믹스는 PZT(티탄산 지르콘산 연, Lead zirconate titanate)에 릴랙서(relaxor)로 PNN(Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃, 이하 PNN) 이 0.05 내지 0.2 몰% 고용되어 있는 조성을 가진다.

PZT세라믹스는 우수한 압전 특성을 가지나 소결 온도가 1100℃ 이상이므로 저온 소결에 제한이 있고, PZT세라믹스를 이용한 적층형 소자는 상기의 소결 온도보다 높은 융점을 가지는 고가의 물질을 내부 전극으로 사용해야 하는 제한이 있다. 따라서, PNN을 고용체로 첨가하여 세라믹스의 소결 온도를 낮출 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 적용되는 세라믹스에서 PNN은 함량이 0.05 내지 0.2 몰%로 제한되는데 이렇게 함으로써, PNN의 원재료인 고가의 Nb₂O₅ 첨가량을 줄일 수 있어 경제적이다. 또한 PNN은 낮은 큐리 온도(T_c)를 가지는데, 그 함량을 제한함으로써 큐리 온도가 낮아지는 것이 방지되어 압전 소자의 신뢰성을 확보할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 적용되는 세라믹스는 산화납(PbO) 및 산화지르코늄(ZrO₂) 등의 원재료를 상기의 식 1의 조성을 가지도록 평량한 후 1차 볼밀링을 실시하여 혼합하고 하소를 통해 제조할 수 있다.

소결첨가제는 세라믹스의 저온 소결을 위해 세라믹스에 첨가된다. 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물은 산화물 고용체를 소결첨가제로 사용한다.

본 발명의 일 실시예에 적용되는 세라믹스는 PNN의 함량이 제한되므로 소결 온도가 다소 높아지는데, 2 이상의 산화물을 소결첨가제로 첨가함으로써 소결 온도를 낮출 수 있다.

여기서, 산화물 고용체는 산화납(PbO), 산화구리(CuO), 산화아연(ZnO) 및 산화철(Fe₂O₃)로 이루어진 군에서 선택되는 2 이상을 포함할 수 있다.

또한, 산화물 고용체는 산화납(PbO), 산화구리(CuO) 및 산화철(Fe₂O₃)로 구성될 수 있다.

도 2를 참고하면, 순수 산화납(PbO)의 녹는점과 순수 산화구리(CuO)의 녹는점은 78%산화납(PbO)-22%산화구리(CuO)의 녹는점보다 높은 것을 알 수 있다. 따라서, 세라믹스에 산화납(PbO)-산화구리(CuO)를 소결첨가제로 첨가하면 산화납(PbO)과 산화구리(CuO)가 공융점(eutectic point)의 온도인 790℃ 근방(공융 온도, eutectic temperature)에서 액상을 형성하게 되고 이로 인해 세라믹스의 저온 소결을 유도할 수 있다. 즉, 790℃ 근방에서 형성된 액상으로 인해 세라믹스 입자(grain 이하, 그레인)간의 물질 이동이 촉진되고 이로 인해 세라믹스 그레인이 성장하여 치밀화된다.

도 3을 참고하면, 순수 산화납(PbO)의 녹는점과 순수 산화철(Fe₂O₃)의 녹는점은 산화납(PbO)-산화철(Fe₂O₃)의 녹는점보다 높은 것을 알 수 있다. 따라서, 세라믹스에 산화납(PbO)-산화철(Fe₂O₃) 고용체를 소결첨가제로 첨가하면 산화납(PbO)과 산화철(Fe₂O₃)의 공융 온도인 730℃ 근방에서 액상을 형성하게 되고 이로 인해 세라믹스의 저온 소결을 유도할 수 있다.

세라믹스에 산화납(PbO)-산화구리(CuO)-산화철(Fe₂O₃)을 소결첨가제로 첨가하면 산화납(PbO)-산화구리(CuO)로 인한 저온 소결 효과뿐만 아니라 산화납(PbO)-산화철(Fe₂O₃)로 인한 저온 소결 효과도 가지게 된다.

산화납(PbO)-산화구리(CuO)-산화철(Fe₂O₃)에서 산화납(PbO), 산화구리(CuO) 및 산화철(Fe₂O₃) 각각의 농도는 저온 소결에 영향을 미치지 아니한다. 도 2를 참고하여 설명하면, 산화납(PbO)-산화구리(CuO) 고용체는 산화납(PbO) 및 산화철(Fe₂O₃) 각각의 비율에 관계없이 공융 온도인 790℃ 근방에서 액상을 형성하고 공융 온도의 조성을 초과하는 산화납(또는 산화구리)은 공융 온도에서 형성된 액상에 고체 형태로 존재(L+PbO 또는 L+CuO)하는 것을 알 수 있다. 즉, 산화납(PbO)-산화구리(CuO)가 공융 온도의 조성을 가지고 있지 않더라도 공융 온도인 730℃ 에서 여전히 액상을 형성하고 결국 저온 소결이 가능하다.

여기서, 산화납(PbO), 산화구리(CuO) 및 산화철(Fe₂O₃)은 각각 세라믹스 중량 대비 0.1wt% 이상 0.3wt% 이하일 수 있다.

도 4 및 도 5를 참고하여 설명한다. 도 4 및 도 5의 실험 조성은 하기의 식 2로 표현된다. 도 4 및 도 5는 산화철(Fe₂O₃)의 첨가량에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물의 소결 후 입경 변화 및 압전 상수(d₃₃) 변화를 나타낸 도면이다. 소결 온도는 950℃ 이다.

[식 2]

0.12Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.88Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃+0.3 wt% PbO-0.3 wt% CuO-a wt% Fe₂O₃

(a=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물의 소결 후 입경 크기(grain size, 이하 그레인 사이즈)는 산화철(Fe₂O₃)의 첨가량(wt%)이 증가함에 따라 점점 증가하다가 산화철(Fe₂O₃)의 첨가량이 0.3 wt%를 초과하면 감소한다(도 4).

이것은 산화철(Fe₂O₃)이 0.3 wt%를 초과하는 경우에, 초과된 산화철(Fe₂O₃)이 입자의 경계(grain boundary, 이하 그레인 바운더리)에 편석되어 그레인의 성장을 억제하여 그레인 사이즈가 감소하는 것이다.

또한, 산화철(Fe₂O₃)이 0.3 wt%를 초과하는 경우에 그레인 바운더리에 편석된 산화철(Fe₂O₃)이 PNN-PZT에 불순물(impurity)로 작용해 2차상을 형성하여 압전 특성(d₃₃)이 감소한다(도 5).

한편 본 실시예에서는 0.3 wt% PbO-0.3 wt% CuO-a wt% Fe₂O₃를 이용한 바, 산화납(PbO) 및 산화구리(CuO)의 첨가량은 고정시킨 상태에서 산화철(Fe₂O₃)의 첨가량만을 변경시켰다. 그러나 산화납(PbO) 또는 산화구리(CuO)의 첨가량을 변화시키는 경우에도 산화철(Fe₂O₃)의 경우와 유사한 거동을 보일 것이라고 통상의 기술자가 충분히 예상할 수 있으므로 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물은 PNN의 함량을 낮출 수 있어 경제적이며 소자의 신뢰성을 확보할 수 있다.

또한, 산화물 고용체를 소결첨가제로 사용하여 공융 온도에서 액상을 형성시키므로 저온 소결이 가능하다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물은 상기의 식 1로 표현되는 세라믹스에 탄산염 고용체를 소결첨가제로 포함한다.

본 발명의 실시예에 적용되는 세라믹스는 PNN의 함량이 제한되므로 소결 온도가 다소 높아지는데, 2 이상의 탄산염을 소결첨가제로 첨가함으로써 소결 온도를 낮출 수 있다.

여기서, 탄산염 고용체는 탄산리튬(Li₂CO₃) 또는 탄산칼슘(CaCO₃) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 탄산염 고용체는 탄산리튬(Li₂CO₃) 및 탄산칼슘(CaCO₃)으로 구성될 수 있다.

도 6을 참고하면, 순수 탄산리튬(Li₂CO₃)의 녹는점과 순수 탄산칼슘(CaCO₃)의 녹는점은 탄산리튬(Li₂CO₃)-탄산칼슘(CaCO₃) 고용체의 녹는점보다 높은 것을 알 수 있다. 따라서, 세라믹스에 탄산리튬(Li₂CO₃)-탄산칼슘(CaCO₃) 고용체를 소결첨가제로 첨가하면 탄산리튬(Li₂CO₃)과 탄산칼슘(CaCO₃)의 공융 온도인 660℃ 근방에서 액상을 형성하게 되고 이로 인해 세라믹스의 저온 소결을 유도할 수 있다. 즉, 660℃ 근방에서 형성된 액상으로 인해 세라믹스 그레인간의 물질 이동이 촉진되고 이로 인해 세라믹스 그레인이 성장하여 치밀화된다.

탄산리튬(Li₂CO₃)-탄산칼슘(CaCO₃) 고용체에서 탄산리튬(Li₂CO₃) 및 탄산칼슘(CaCO₃) 각각의 농도는 저온 소결에 영향을 미치지 아니한다. 도 6를 참고하여 설명하면, 탄산리튬(Li₂CO₃)-탄산칼슘(CaCO₃) 고용체는 탄산리튬(Li₂CO₃) 및 탄산칼슘(CaCO₃) 각각의 비율에 관계없이 공융 온도인 660℃ 근방에서 액상을 형성하고 공융 온도의 조성을 초과하는 탄산리튬(또는 탄산칼슘)은 공융 온도에서 형성된 액상에 고체 형태로 존재(L+Li₂CO₃또는 L+CaCO₃)하는 것을 알 수 있다. 즉, 탄산리튬(Li₂CO₃)-탄산칼슘(CaCO₃)이 공융 온도의 조성을 가지고 있지 않더라도 공융 온도인 660℃ 에서 여전히 액상을 형성하고 결국 저온 소결이 가능하다.

여기서, 탄산리튬(Li₂CO₃) 및 탄산칼슘(CaCO₃)은 각각 세라믹스 중량 대비 0.1 wt% 이상 0.3 wt% 이하일 수 있다.

도 7 및 도 8를 참고하여 설명한다. 도 7 및 도 8의 실험 조성은 하기의 식 3로 표현된다. 도 7 및 도 8는 탄산리튬(Li₂CO₃)의 첨가량에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물의 소결 후 입경 변화 및 압전 상수(d₃₃) 변화를 나타낸 도면이다. 소결 온도는 950℃ 이다.

[식 3]

0.12Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-0.88Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃ +b wt% Li₂CO₃-0.25 wt% CaCO₃

(b=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)

본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물의 소결 후 그레인 사이즈는 탄산리튬(Li₂CO₃)의 첨가량(wt%)이 증가함에 따라 점점 증가하다가 탄산리튬(Li₂CO₃)의 첨가량이 0.3 wt%를 초과하면 감소한다(도 7).

이것은 탄산리튬(Li₂CO₃)이 0.3 wt%를 초과하는 경우에, 초과된 탄산리튬(Li₂CO₃)이 그레인 바운더리에 편석되어 그레인의 성장을 억제하여 그레인 사이즈가 다시 감소하는 것이다.

또한, 그레인 바운더리에 편석된 탄산리튬(Li₂CO₃)이 PNN-PZT에 불순물(impurity)로 작용해 2차상을 형성하여 압전 특성(d₃₃)이 감소한다(도 8).

한편 본 실시예에서는 b wt% Li₂CO₃-0.25 wt% CaCO₃를 이용한 바, 탄산칼슘(CaCO₃)의 첨가량은 고정시킨 상태에서 탄산리튬(Li₂CO₃)의 첨가량만을 변경시켰다. 그러나 탄산칼슘(CaCO₃)의 첨가량을 변화시키는 경우에도 탄산리튬(Li₂CO₃)의 경우와 유사한 거동을 보일 것이라고 통상의 기술자가 충분히 예상할 수 있으므로 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물은 PNN의 함량을 낮출 수 있어 경제적이며 소자의 신뢰성을 확보할 수 있다.

또한, 탄산염 고용체를 소결첨가제로 사용하여 공융 온도에서 액상을 형성시키므로 저온 소결이 가능하다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물에서 개시되는 각 구성 및 그에 따른 효과에 대해서는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물에서 전술하였기 때문에, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 설명한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 나타낸 단면도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자(100)는 압전층(10) 및 내부 전극층(20)을 포함한다.

압전체층(10)은 압전 세라믹 조성물을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 세라믹 조성물에 대해서는 상술하였으므로 설명을 생략한다.

압전체층(10)은 후술할 내부 전극층(20)에 의해 압전체층(10)의 상면 또는 하면 중 적어도 어느 하나에 전하가 인가되면 기계적 변위가 발생된다.

내부 전극층(20)은 압전체층(10)의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나에 형성되어 압전체층(10)에 전하를 인가한다. 내부 전극층(20)은 후술할 외부 전극부(30)와 연결되어, 압전체층(10)에 전하를 인가한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자(100)는 내부 전극층(20)과 연결되는 외부 전극부(30)를 더 포함할 수 있다. 도 9에는 외부 전극부(30)가 압전 소자(100)의 상면에 형성되어 있는 것을 도시하고 있으나, 필요에 따라 외부 전극부(30)는 소자의 측면에 형성될 수 있고, 소자의 측면 및 상면에 연결되어 형성될 수 있다. 또한 도 9에는 외부 전극부(30)를 도시함에 있어 왼쪽을 양극, 오른쪽을 음극으로 도시하고 있으나 반대의 전하를 인가하도록 외부 전극부(30)가 형성될 수도 있다.

외부 전극부(30)는 소자의 소결 이후에 형성할 수 있으므로 내부 전극층(20)과 달리 비교적 낮은 융점을 가지는 물질을 이용하여 형성할 수 있다. 즉, 구리, 은 또는 그 합금이 외부 전극부(30)로 사용될 수 있다.

외부 전극부(30)는 내부 전극층(20)과 연결되기 위하여 비아홀(31)을 포함할 수 있다. 이 때, 적층형 압전 소자(100)의 경우, 인접하는 내부 전극층(20)은 서로 다른 전하가 인가되도록 비아홀(31)이 서로 교변적으로 연결될 수 있다. 이를 위해, 내부 전극층(20)에 패턴이 형성되어 어느 하나의 내부 전극층(20)은 어느 하나의 비아홀(31)에만 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자(100)의 제조 방법을 설명한다. 상술한 압전 세라믹 조성물을 2차 볼밀링을 실시한 후 바인더(binder) 등을 혼합하여 슬러리(slurry) 형태로 제작한다. 이 후 닥터블레이드 등을 이용하여 압전체 시트를 제작하고 압전체 시트의 상면 또는 하면에 전극 페이스트를 도포하여 내부 전극층(20)을 형성시킨다. 이렇게 형성된 압전층을 복수 적층하고 950℃ 에서 소결한 후 외부 전극층(30)을 형성할 수 있다.

상술한 제조 방법은 동시 소성으로 제작되는 적층형 압전 소자(100)에 대한 것으로 적층형 압전 소자(100)가 아니라 하나의 압전체층(10)으로 구성되는 압전 소자(100)는 이와 다른 공지의 방법으로 제작될 수 있다.

내부 전극층(20)은 팔라듐(Pd)-은(Ag) 합금을 포함할 수 있다. 팔라듐은 녹는점이 1500℃ 이상이므로 동시 소성으로 제작되는 압전 소자(100)에 있어, 그 소결 온도에 구애됨이 없이 내부 전극층(20)을 구성할 수 있다.

팔라듐(Pd)-은(Ag) 합금에서 팔라듐의 함량이 0wt% 초과 10wt% 이하일 수 있다. 상술한 압전 세라믹 조성물은 저온 소결이 가능하므로 고가의 팔라듐을 상기의 범위로 제한하여도 동시 소성 시에 변형이 일어나지 않는 내부 전극층(20)을 형성할 수 있다.

이렇게 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자(100)는 저온 소결이 가능함에 따라 내부 전극층(20)을 구성하는 팔라듐의 함량을 줄일 수 있다. 이로 인해 제작 비용이 절감된다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 진동 모듈을 설명한다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 진동 모듈을 나타낸 단면도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 진동 모듈(1000)은 압전 소자(100), 진동판(200), 질량체(300) 및 기판(400)을 포함한다.

압전 소자(100)는 상술하였으므로 설명을 생략한다.

진동판(200)은 압전 소자(100)의 횡방향 신축에 의해 종방향 변위가 발생되도록 압전 소자(100)에 결합된다. 압전 소자(100)는 본딩 방식 또는 솔더링 방식을 이용하여 진동판(200)의 일면에 결합된다.

진동판(200)은, 전하의 인가에 따라 인장 및 압축 변형을 반복하는 압전 소자(100)와 일체로 변형되기 위하여 서스(Sus)와 같은 탄성력을 구비한 금속재질로 구성될 수 있다.

진동판(200)과 압전 소자(100)가 본딩 방식에 의해 결합된 경우에는 접착부재의 경화에 의해 발생할 수 있는 벤딩(Bending) 현상을 방지하기 위하여 진동판(200)은 압전 소자(100)의 열팽창계수와 유사한 재질인 인바(Invar)를 포함할 수 있다.

질량체(300)는 진동판(200)에서 발생하는 종방향의 변위에 따른 진동력을 증가시킨다.

진동력을 최대화하기 위하여 질량체(300)는 압전 소자(100)의 인장 및 압축 변형에 따라 최대로 변위가 일어나는 진동판(200)의 최대 변위지점에 질량체(300)의 중앙부가 결합될 수 있다.

질량체(300)는 금속(Steel) 재질로 구성될 수 있는데 상대적으로 동일 체적에서 밀도가 높은 텅스텐을 포함하는 재질일 수 있다.

기판(400)은 압전 소자(100)에 전원을 공급하도록 압전 소자(100)에 결합된다. 압전 소자(100)에 변형이 발생하므로 연성기판인 것이 바람직하다.

기판(400)에는 압전 소자(100)의 외부 전극부(30)에 전하를 인가하도록 단자(410)가 형성될 수 있다. 도 10에는 단자(410)가 기판(400)과 분리되어 형성되고 기판(400)과 단자(410)가 전선 등을 통해 전기적으로 연결되어 있는 것을 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하고 단자(410)가 기판(400)에 형성되는 것을 배제하지 않는다.

압전 소자(100)에 인가되는 전기적 신호를 조절하여 압전 진동 모듈(1000)의 진동을 조절할 수 있다. 즉, 압전 소자(100)에 인가되는 전기적 신호의 주파수 등을 조절하여 진동의 세기를 조절할 수 있고, 압전 소자(100)에 전기적 신호가 인가되는 시간을 조절하여 진동이 발생하는 시간을 조절할 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: 압전체층
20: 내부 전극층
30: 외부 전극부
31: 비아홀
100: 압전 소자
200: 진동판
300: 질량체
400: 기판
410: 단자
1000: 압전 진동 모듈

Claims

xPb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)Pb(Zr_1-yTi_y)O₃ (0.05≤x≤0.2, 0.4≤y≤0.7)의 조성을 갖는 세라믹스에,
산화물 고용체 또는 탄산염 고용체를 소결첨가제로 포함하는 압전 세라믹 조성물.
제1항에 있어서,
상기 산화물 고용체는
산화납(PbO), 산화구리(CuO), 산화아연(ZnO) 및 산화철(Fe₂O₃)로 이루어진 군에서 선택되는 2 이상을 포함하는 것인 압전 세라믹 조성물.
제2항에 있어서,
상기 산화물 고용체는
상기 산화납(PbO), 상기 산화구리(CuO) 및 상기 산화철(Fe₂O₃)로 구성된 것인 압전 세라믹 조성물.
제3항에 있어서,
상기 산화납(PbO), 상기 산화구리(CuO) 및 상기 산화철(Fe₂O₃)은 각각 상기 세라믹스 중량 대비 0.1 wt% 이상 0.3 wt% 이하인 압전 세라믹 조성물.
제1항에 있어서,
상기 탄산염 고용체는
탄산리튬(Li₂CO₃) 또는 탄산칼슘(CaCO₃) 중 하나 이상을 포함하는 것인 압전 세라믹 조성물.
제5항에 있어서,
상기 탄산염 고용체는
상기 탄산리튬(Li₂CO₃) 및 상기 탄산칼슘(CaCO₃)으로 구성된 것인 압전 세라믹 조성물.
제6항에 있어서,
상기 탄산리튬(Li₂CO₃) 및 상기 탄산칼슘(CaCO₃)은 각각 상기 세라믹스 중량 대비 0.1 wt% 이상 0.3 wt% 이하인 압전 세라믹 조성물.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 압전 세라믹 조성물을 포함하는 압전체층; 및
상기 압전체층의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나에 형성되는 내부 전극층;
을 포함하는 압전 소자.
제8항에 있어서,
상기 내부 전극층은
팔라듐(Pd)-은(Ag) 합금을 포함하는 압전 소자.
제9항에 있어서,
상기 팔라듐-은 합금에서 팔라듐의 함량이 0wt% 초과 10wt% 이하인 압전 소자.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 압전 세라믹 조성물을 포함하는 압전 소자;
상기 압전 소자의 횡방향 신축에 의해 종방향 변위가 발생되도록 상기 압전 소자에 결합되는 진동판;
상기 진동판에서 발생하는 종방향의 변위에 따른 진동력을 증가시키는 질량체; 및
상기 압전 소자에 전원을 공급하도록 상기 압전 소자에 결합되는 기판;
을 포함하는 압전 진동 모듈.