KR20160060469A - 내부 전극용 전도성 페이스트, 압전 소자 및 이를 포함하는 압전 진동 모듈 - Google Patents

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박희선
김범석
서정욱
이승호
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Abstract

내부 전극용 전도성 페이스트, 압전 소자 및 이를 포함하는 압전 진동 모듈이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 내부 전극용 전도성 페이스트는 전도성 물질, 유전체 및 공융 혼합물로 구성되는 공재를 포함하며, 공융 혼합물은 산화납(PbO) 및 산화구리(CuO)를 포함하고 공융점은 상기 전도성 물질의 소결 온도 보다 높다.

Description

내부 전극용 전도성 페이스트, 압전 소자 및 이를 포함하는 압전 진동 모듈 {CONDUCTIVE PASTE FOR INTERNAL ELECTRODE, PIEZOELECTRIC ELEMENT AND PIEZOELECTRIC VIBRATION MODULE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 내부 전극용 전도성 페이스트, 압전 소자 및 이를 포함하는 압전 진동 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 압전체를 압전 소자에 응용하기 위해서는 압전 상수, 전기기계 결합계수가 높아야 한다. 나아가 적층형 압전 소자에 이용하기 위해서는, 내부전극에 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, 내부전극은 상기의 온도보다 녹는점이 높은 고가의 물질을 사용해야 한다.
따라서, 기존의 PZT에 새로운 조성을 첨가해 압전 특성은 유지하면서 소결 온도를 낮추기 위한 연구가 진행되고 있다.
또한, 전자제품의 소형화 등에 따라 실장 면적을 최소화하기 위해, 적층형 압전 소자의 적층수를 증가시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
한국공개특허 제10-2006-0125750호 (2006. 12. 06. 공개)
본 발명의 실시예에 따르면, 공재의 소결 온도가 전도성 물질의 소결 온도보다 높으므로, 공재의 응집을 최소화하여 내부 전극층의 수축률을 제어할 수 있다.
또한, 내부 전극층의 단락을 방지할 수 있으며, 내부 전극층의 높은 커버리지를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 페이스트에 공융 혼합물로 적용되는 산화납(PbO)과 산화 구리(CuO)의 이원 상태도를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 페이스트에서 공재의 중량비(wt%)에 따른 만곡도를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 페이스트에서 공재의 전체 중량에 대한 공융 혼합물의 중량비에 따른 내부 전극층의 커버리지를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 나타내는 단면도.
도 5는 도 4의 A부분을 확대한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 진동 모듈을 나타내는 도면.
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 내부 전극용 전도성 페이스트, 압전 소자 및 이를 포함하는 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 페이스트에 공융 혼합물로 적용되는 산화납(PbO)과 산화 구리(CuO)의 이원 상태도를 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 페이스트에서 공재의 중량비(wt%)에 따른 만곡도를 나타내는 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 페이스트에서 공재의 전체 중량에 대한 공융 혼합물의 중량비에 따른 내부 전극층의 커버리지를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 전극용 전도성 페이스트는 전도성 물질 및 공재(1)를 포함한다.
전도성 물질은 후술할 내부 전극층(20)에 전하를 인가하도록 전기 전도성을 가지는 물질이다. 전도성 물질의 형태는 제한되지 않으나, 분말 형태일 수 있다.
전도성 물질은 후술할 바와 같이, 압전 세라믹을 이용하여 압전체층(10)이 형성된 경우에, 압전 세라믹의 소결 온도보다 높거나 동일한 융점를 가지는 단일 금속 또는 금속 합금일 수 있다.
여기서, 전도성 물질은 팔라듐(Pd)-은(Ag) 합금을 포함할 수 있다. 팔라듐-은 합금에서 팔라듐의 함량은 설계 상의 필요 등에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
또한, 전도성 물질은 Pd, Pt, Ru, Ir, Au, Ni, Mo, W, Al, Ta, Ag 및 Ti로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 또는 Pd, Pt, Ru, Sr, La, Ir, Au, Ni, Co, Mo, W, Al, Ta 및 Ti로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속의 전도성 산화물 또는 전도성 질화물로 형성될 수 있다.
공재(1)는 유전체 및 공융 혼합물로 구성될 수 있다. 공재(1)는 본 실시예에 따른 전도성 페이스트에 첨가되어, 전도성 물질이 소결될 때 세라믹 소자에 발생할 수 있는 휨(warpage)을 방지할 수 있다.
이 때, 전도성 물질이 소결된다 라고 함은 전도성 물질 상호간의 접촉 부분에서 넥(neck)이 형성되어(넥킹, necking) 입자의 성장이 시작되는 것을 의미할 수 있다.
후술할 압전 소자에 있어 압전체층(10)과 내부 전극층(20)은 서로 상이한 재료로 구성됨으로 인해 소결 시 수축률의 차이가 발생할 수 있다. 저적층 소자의 경우는 이것이 크게 문제가 되지 않으나, 고적층으로 갈수록 압전체층(10) 및 내부 전극층(20)이 접하는 면적이 적층수에 비례하여 증가하게 되고, 수축률 차이로 인해 소자의 휨(warpage)이 발생할 수 있다.
유전체를 포함하는 공재(1)를 전도성 페이스트에 첨가하여 내부 전극층(20)을 형성함으로써, 압전체층(10)과 내부 전극층(20)의 수축률 차이를 완화할 수 있다.
유전체는 티탄산 지르콘산 연(Lead zirconate titanate, 이하 PZT)을 주성분으로 할 수 있다. 즉, 릴렉서(relaxor)가 첨가된, PNN- PZT계 압전 세라믹, PMN-PZT계 압전 세라믹 또는 PNN-PMN-PZT계 압전 세라믹일 수 있다. 또한, 납이 포함되어 있지 않은 무연계 압전 세라믹도 여기에 포함될 수 있다.
공융 혼합물은 공재(1)에 포함되는 다 성분계(Multi-Component System) 물질로서, 산화납(PbO) 및 산화구리(CuO)를 포함할 수 있고, 공융점은 전도성 물질의 소결 온도 보다 높다. 즉, 전도성 물질의 소결 온도 보다 높은 공융점을 가지는 공융 혼합물을 공재(1)에 소결 첨가제로 첨가할 수 있다.
전도성 물질의 소결 온도가 공재(1)의 소결 온도보다 높은 경우에는 공재(1)가 먼저 소결되어 공재(1)끼리 응집이 일어날 수 있다. 이렇게 되면, 내부 전극층(20)이 연속적으로 연결되지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 전도성 물질의 소결 온도 보다 높은 공융점을 가지는 공융 혼합물을 소결 첨가제로 공재(1)에 첨가하여 공재(1)의 응집을 방지할 수 있다.
도 1을 참고하면, 산화납(PbO)-산화구리(CuO)로 구성된 2성분계 공융 혼합물의 경우, 공융점(eutectic point)은 790℃ 근방이므로, 790℃에서 액상을 형성할 수 있다. 이로 인해, 상술한 유전체는 790℃에서 소결이 발생할 수 있다.
한편, 도 1에는 산화납(PbO)-산화구리(CuO)로 구성된 2성분계 공융 혼합물을 도시하고 있으나, 산화납(PbO)-산화구리(CuO)을 포함하는 3성분계 등의 물질도 본 실시예에 따른 공융 혼합물에 포함될 수 있다.
여기서, 공재(1)는 전도성 페이스트의 전체 중량에 대하여 1wt% 이상 8wt% 이하로 함유될 수 있다.
도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 전도성 페이스트에 대한 공재(1)의 함량이 1wt% 미만인 경우와 8wt% 초과인 경우 만곡도가 급격히 증가하는 것을 도시하고 있다.
만곡도란, 전도성 페이스트를 소결하여 내부 전극층(20)을 형성한 경우에 있어, 내부 전극층(20)의 양단부 높이(A, C)의 평균에서 내부 전극층(20) 중앙부의 높이(B)를 뺀 값의 절대값으로 정의될 수 있다.
여기서, 공융 혼합물은 공재(1)의 전체 중량에 대하여 0.1wt % 이상 3wt% 이하로 함유될 수 있다.
도 3을 참고하면, 공융 혼합물의 중량비에 대한 내부 전극층(20)의 커버리지를 도시하고 있다. 공융 혼합물의 중량%는 공재(1)의 전체 중량에 대한 공융 혼합물의 중량비를 의미한다.
커버리지는 후술할 압전체층(10)의 일면 상에 내부 전극층(20)이 형성된 영역을 의미하는 것으로, 커버리지가 낮다라고 함은 공재(1)의 응집 등을 원인으로 압전체층(10)의 일면 상에 내부 전극층(20)이 차지하는 면적이 적은 것을 의미한다.
공융 혼합물의 중량비가 0.1wt% 미만인 경우와 3wt% 초과하는 경우에는 공재(1)의 응집이 발생하여, 내부 전극층(20)의 커버리지가 낮아질 수 있다.
커버리지가 낮아지면, 소자의 신뢰성에 문제가 생길 수 있으므로, 공융 혼합물의 중량비를 상기와 같이 제한한다.
이렇게 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 전극용 전도성 페이스트는 공재(1)를 포함하므로, 소결 시 내부 전극층(20)에 발생하는 수축을 방지할 수 있다.
또한, 전도성 물질의 소결 온도 보다 공융 혼합물의 공융점이 높기 때문에, 전도성 물질이 공재(1)보다 먼저 소결되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 공재(1)의 응집이 방지되어 내부 전극층(20)이 높은 커버리지를 가질 수 있고, 내부 전극층(20)의 단락을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자를 나타내는 단면도이다. 도 5는 도 4의 A부분을 확대한 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자는 압전체층(10) 및 내부 전극층(20)을 포함한다.
압전체층(10)은 압전 세라믹을 포함할 수 있다. 압전체층(10)은 상면 및 하면에 형성되는 후술할 내부 전극층(20)에 전하가 인가되면 기계적 변위가 발생된다.
압전 세라믹은 PZT를 주성분으로 할 수 있다. 즉, 릴렉서(relaxor)가 첨가된, PNN- PZT계 압전 세라믹, PMN-PZT계 압전 세라믹 또는 PNN-PMN-PZT계 압전 세라믹일 수 있다. 또한, 납이 포함되어 있지 않은 무연계 압전 세라믹도 여기에 포함될 수 있다.
압전 세라믹은 산화납(PbO) 및 산화지르코늄(ZrO2) 등의 원재료를 평량한 후 1차 볼밀링을 실시하여 혼합하고 하소를 통해 제조할 수 있다.
압전 세라믹을 분쇄하고 바인더 등을 첨가한 후 슬러리 형태로 제작하여 시트 형태로 가공할 수 있다. 이 때, PZT의 소결 온도가 높기 때문에 저온 소결을 위해 슬러리에 소결 첨가제가 첨가될 수 있다. 예로써, 탄산리튬(Li2CO3) 및 탄산칼슘(CaCO3)을 포함하는 공융 혼합물을 소결 첨가제로 첨가할 수 있다.
내부 전극층(20)은 인접하는 압전체층(10) 사이에 형성되고, 전도성 물질, 및 유전체와 공융 혼합물로 구성되는 공재(1)를 포함하는 전도성 페이스트로 형성될 수 있다. 즉, 상술한 전도성 페이스트를 소결하여 내부 전극층(20)을 형성할 수 있는데, 자세한 내용은 상술하였으므로, 중복되는 범위에서 설명을 생략한다.
여기서 유전체는 압전 세라믹과 동일 조성을 가질 수 있다.
도 5는 내부 전극층(20) 내부에 존재하는 공재(1)를 도시하고 있는데, 공재(1)는 상술한 바와 같이 유전체를 포함할 수 있고, 압전체층(10)은 압전 세라믹을 포함할 수 있다.
유전체와 압전 세라믹이 동일 조성인 경우, 압전체층(10)과 공재(1)의 조성이 유사하여 내부 전극층(20)과 압전체층(10)의 수축률 차이로 인한 박리 등의 현상을 방지할 수 있다.
또한, 공재(1)는 내부 전극층(20)의 표면에서 압전체층(10)과 연결될 수 있어, 본 실시예에 따른 압전 소자(100)의 휨(warpage)을 방지할 수 있다.
공재는 전도성 페이스트층의 전체 중량에 대하여 1wt% 이상 8wt% 이하로 함유될 수 있고, 공융 혼합물은 공재의 전체 중량에 대하여 0.1wt % 이상 3wt% 이하로 함유될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자(100)는 내부 전극층(20)과 연결되는 외부 전극부(30)를 더 포함할 수 있다.
도 4에는 외부 전극부(30)가 압전 소자(100)의 상면에 형성되어 있는 것을 도시하고 있으나, 필요에 따라 외부 전극부(30)는 압전 소자의 측면에 형성될 수 있고, 소자의 측면 및 상면에 연결되어 형성될 수 있다. 또한 도 4에는 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 압전 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, 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.
이렇게 함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 소자(100)는 압전체층(10)과 내부 전극층(20)의 수축률 차이로 인한 휨(warpage)을 방지할 수 있다.
그리고, 전도성 물질의 소결 온도보다 높은 공융점을 가지는 공융 혼합물을 공재(1)에 첨가함으로써 공재(1)의 응집을 방지할 수 있다. 이로 인해, 내부 전극층(20)의 단락을 방지할 수 있다.
또한, 공재(1)가 내부 전극층(20)의 수축을 억제하는 역할을 하여, 내부 전극층(20)의 커버리지를 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 진동 모듈을 나타내는 도면이다.
도 6에 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 후술할 기판에 의해 전력이 공급되면 기계적 변위가 발생하는 것으로 자세한 내용은 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.
기판은 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.
1: 공재
10: 압전체층
20: 내부 전극층
30: 외부 전극부
31: 비아홀
100: 압전 소자
1000: 압전 진동 모듈

Claims (10)

  1. 전도성 물질을 포함하는 내부 전극용 전도성 페이스트에서,
    유전체 및 공융 혼합물로 구성되는 공재;
    를 더 포함하며,
    상기 공융 혼합물은
    산화납(PbO) 및 산화구리(CuO)를 포함하고, 공융점은 상기 전도성 물질의 소결 온도 보다 높은, 내부 전극용 전도성 페이스트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공재는
    상기 전도성 페이스트의 전체 중량에 대하여 1wt% 이상 8wt% 이하로 함유되는, 내부 전극용 전도성 페이스트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공융 혼합물은
    상기 공재의 전체 중량에 대하여 0.1wt % 이상 3wt% 이하로 함유되는, 내부 전극용 전도성 페이스트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 팔라듐(Pd)-은(Ag) 합금을 포함하는, 내부 전극용 전도성 페이스트.
  5. 압전 세라믹을 포함하는 압전체층; 및
    인접하는 상기 압전체층 사이에 형성되며, 전도성 물질, 및 유전체와 공융 혼합물로 구성되는 공재를 포함하는 전도성 페이스트로 형성되는 내부 전극층;
    을 포함하고,
    상기 공융 혼합물은
    산화납(PbO) 및 산화구리(CuO)를 포함하고, 공융점은 상기 전도성 물질의 소결 온도 보다 높은, 압전 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유전체는,
    상기 압전 세라믹과 동일 조성을 가지는, 압전 소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 공재는
    상기 전도성 페이스트층의 전체 중량에 대하여 1wt% 이상 8wt% 이하로 함유되는, 압전 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공융 혼합물은
    상기 공재의 전체 중량에 대하여 0.1wt % 이상 3wt% 이하로 함유되는, 압전 소자.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 팔라듐(Pd)-은(Ag) 합금을 포함하는, 압전 소자.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항의 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 진동 소자에 결합되는 기판;
    을 포함하는 압전 진동 모듈.
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