KR20160084510A - Method for forming thick coating layer having improved surface roughness - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 후막 코팅방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 표면 거칠기가 개선된 후막 코팅방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thick film coating method, and more particularly, to a thick film coating method with improved surface roughness.
세라믹 코팅이란 세라믹 소재를 이용해 모재의 표면에 두께 수 ㎚ ~ 수십 ㎛의 기능성 층을 형성하는 것을 일컫는데, 현재 사용되는 세라믹 코팅 기술 중 상온 분사 공정으로도 알려져 있는 '에어로졸 데포지션(Aerosol Deposition method, AD)'은 미세한 세라믹 분말을 운송 가스에 실어 진공 챔버 내에 위치한 기판에 분사함으로써 기판 표면에 세라믹 코팅층을 형성하는 기술로서, 일본에서 개발되어 그 응용분야가 압전, 유전, 생체, 자성, 환경, 구조재료 등 다양한 기능, 구조 세라믹스의 코팅방법으로 응용영역이 확대되고 있다.The ceramic coating is used to form a functional layer having a thickness of several nanometers to several tens of micrometers on the surface of a base material by using a ceramic material. The 'Aerosol Deposition method', which is also known as a room temperature spraying process, AD) 'is a technology for forming a ceramic coating layer on a substrate surface by injecting a fine ceramic powder into a carrier gas and spraying it on a substrate placed in a vacuum chamber. It is developed in Japan and its application fields are piezoelectric, dielectric, biomedical, Application of various functionalities such as materials and coating method of structural ceramics is expanding.
이러한 AD 공정은 다른 박막 및 후막 제조공정 방법에 비하여 1) 상온에서 치밀하고 균열이 없는 코팅층을 분당 30 ㎛이상으로 고속코팅이 가능하고, 2) 금속/세라믹/고분자 등 다양한 기판에 세라믹 코팅이 가능하며, 3) 코팅층의 두께 제어 (1 ㎛ ~ 900 ㎛) 및 화학양론비의 제어가 용이하다는 등의 다양한 장점을 가지며, 특히, 치밀한 구조를 가지는 대면적의 세라믹 후막 코팅층을 상온에서 형성할 수 있다는 점은 다른 코팅법에 비해 크게 차별화되는 장점으로 작용한다. Compared to other thin film and thick film manufacturing processes, this AD process is capable of 1) coating a dense, crack-free coating layer at room temperature at a rate of more than 30 μm per minute, and 2) ceramic coatings on various substrates such as metals / ceramics / (3) control of the thickness of the coating layer (1 탆 to 900 탆) and easy control of the stoichiometric ratio, and in particular, a large-sized ceramic thick-film coating layer having a dense structure can be formed at room temperature The point is different from other coating methods.
하지만, AD 공정에 사용되는 원료분말은 일반적으로 수백 ㎚ ~ 수 ㎛ 크기의 미세 분말을 이용하기 때문에 코팅 공정 과정에서 분말의 응집현상이 발생되기 쉽고, 이는 형성되는 코팅층의 표면 거칠기(surface roughness)를 증가시켜 위치와 관계없이 균일한 물성을 가지는 코팅층을 얻는데 어려움이 생길 수 있다. 그리고, 상기한 문제점은 후막 코팅층을 얻고자 할 때 더욱 심화된다.However, as the raw material powder used in the AD process generally uses a fine powder having a size of several hundreds nm to several micrometers, the coagulation phenomenon of the powder tends to occur during the coating process, and the surface roughness of the formed coating layer Thereby making it difficult to obtain a coating layer having uniform physical properties irrespective of its position. The above problem is further exacerbated when a thick coat layer is desired to be obtained.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 에어로졸 데포지션으로 코팅층을 제조한 후, 졸겔법(sol-gel process) 등과 같은 화학용액증착법으로 추가로 코팅층을 형성시켜 코팅층의 표면 평탄도를 향상시킴으로써 위치에 관계없이 균일한 물성을 가지는 후막을 제조하는 방법의 제공을 그 목적으로 한다.DISCLOSURE Technical Problem The present invention has been devised to solve the problems as described above, and it is an object of the present invention to provide a method for producing a coating layer by aerosol deposition and then forming a coating layer by a chemical solution deposition method such as a sol- The present invention also provides a method for producing a thick film having uniform physical properties regardless of its position by improving the film thickness.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해, (a) 기판 상에 에어로졸 데포지션(aerosol deposition, AD)으로 제1 코팅층을 형성하는 단계; 및 (b) 상기 제1 코팅층 상에 화학용액증착법(chemical solution deposition, CSD)으로 제2 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 후막 코팅층 형성방법을 제안한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: (a) forming a first coating layer on an substrate by aerosol deposition (AD); And (b) forming a second coating layer by chemical solution deposition (CSD) on the first coating layer.
또한, 상기 단계 (a)는 (a-1) 1 종 이상의 원료 분말을 준비해 혼합, 하소 및 밀링(milling)하여 분말을 준비하는 단계; 및 (a-2) 상기 준비된 분말을 이용해 에어로졸 데포지션으로 기판 상에 제1 코팅층을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법을 제안한다.The step (a) may further comprise: (a-1) preparing at least one raw material powder, mixing, calcining and milling the powder to prepare a powder; And (a-2) forming a first coating layer on the substrate with an aerosol deposition using the prepared powder.
또한, 상기 단계 (a-2)를 수행한 후에, (a-3) 제1 코팅층을 열처리하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법을 제안한다.Further, after the step (a-2) is performed, a step of heat-treating the first coating layer (a-3) is further performed.
또한, 상기 단계 (b)는 졸겔법(sol-gel process)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법을 제안한다.Also, the step (b) is performed by a sol-gel process.
또한, 상기 단계 (b)는, (b-1) 전구체 화합물을 포함하는 졸(sol) 용액을 준비하는 단계; (b-2) 상기 졸 용액을 제1 코팅층 상에 도포하는 단계; (b-3) 도포된 코팅층을 건조하는 단계; 및 (b-4) 건조된 코팅층을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 후막 코팅층 형성방법을 제안한다.The step (b) may further comprise: (b-1) preparing a sol solution containing a precursor compound; (b-2) applying the sol solution onto the first coating layer; (b-3) drying the applied coating layer; And (b-4) heat-treating the dried coating layer.
또한, 상기 단계 (b-4)는 퍼니스 어닐링(furnace annealing, FA) 또는 급속 열처리법(rapid thermal annealing, RTA)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법을 제안한다.Also, the step (b-4) is performed by furnace annealing (FA) or rapid thermal annealing (RTA).
또한, 상기 제1 코팅층 및 상기 제2 코팅층은 강유전체(ferroelectrics)로 이루어진 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법을 제안한다.Also, the first coating layer and the second coating layer are formed of ferroelectrics.
또한, 상기 강유전체는 화학식 ABO3(단, A는 납(Pb), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 란탄(La), 칼륨(K) 및 나트륨(Na) 중에서 선택된 1종 이상이고, B는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 이트륨(Y), 디스프로슘(Dy), 망간(Mn), 가돌리늄(Gd), 코발트(Co) 및 철(Fe) 중에서 선택된 1종 이상임)로 표시되는 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법을 제안한다.The ferroelectric may be a ferroelectric of the formula ABO 3 wherein A is at least one selected from the group consisting of lead (Pb), barium (Ba), strontium (Sr), calcium (Ca), lanthanum (La), potassium (K) And B is at least one species selected from the group consisting of Ti, Zr, Nb, Ta, Y, Dy, Mn, Gd, ) And iron (Fe). The present invention also provides a method for forming a thick film coating layer.
또한, 상기 강유전체는 PBZ((Pb, Ba)ZrO3)인 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법을 제안한다.Also, the ferroelectric is PBZ ((Pb, Ba) ZrO 3 ).
그리고, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 후막 코팅층을 제안한다.And, the present invention proposes a thick film coating layer produced by the above method.
본 발명에 따르면, 에어로졸 데포지션(Aerosol Deposition method, AD)으로 형성된 코팅층의 상면에 졸겔법(sol-gel process) 등과 같은 화학용액증착법(Chemical Solution Deposition, CSD)을 통해 코팅층을 추가로 형성시킴으로써 코팅층의 두께 균일성(thickness uniformity)을 향상시킴으로써 위치에 관계없이 균일한 물성을 가지는 후막 코팅층을 얻을 수 있다.According to the present invention, a coating layer is further formed on the upper surface of a coating layer formed by an aerosol deposition method (AD) through a chemical solution deposition (CSD) such as a sol-gel process, It is possible to obtain a thick film coating layer having uniform physical properties regardless of its position.
도 1은 본원 실시예에서 제2 코팅층 형성을 위한 졸(sol) 용액의 제조 과정을 개략적으로 보여주는 공정도이다.
도 2는 본원 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 PBZ 코팅층 표면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 본원 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 PBZ 코팅층 종단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4(a) 내지 도 4(c)는 본원 실시예 1 내지 3에서 제조된 코팅층과 비교예 1 내지 3에서 제조된 코팅층 간의 분극 특성을 비교한 이력 곡선(hysteresis loop)이다.1 is a schematic view showing a process of manufacturing a sol solution for forming a second coating layer in the present embodiment.
2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of the PBZ coating layer prepared in Example 1 and Comparative Example 1 of the present application.
3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the longitudinal cross-section of the PBZ coating layer prepared in Example 1 and Comparative Example 1 of the present application.
4 (a) to 4 (c) are hysteresis loops comparing the polarization characteristics between the coating layer prepared in Examples 1 to 3 and the coating layers prepared in Comparative Examples 1 to 3.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다.
Embodiments in accordance with the concepts of the present invention can make various changes and have various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application.
그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
It should be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms of disclosure, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the invention, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
In this specification, the terms "comprises ",or" having ", and the like, are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.
본 발명에 따른 개선된 표면 거칠기를 가지는 후막 코팅층 형성방법은, (a) 기판 상에 에어로졸 데포지션(aerosol deposition, AD)으로 제1 코팅층을 형성하는 단계; (b) 상기 제1 코팅층 상에 화학용액증착법(chemical solution deposition, CSD)으로 제2 코팅층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 각 단계에 대해서는 이하에서 상세히 설명한다.
A method for forming a thick film coating having improved surface roughness according to the present invention includes the steps of: (a) forming a first coating layer on an substrate by aerosol deposition (AD); (b) forming a second coating layer by chemical solution deposition (CSD) on the first coating layer, each of which will be described in detail below.
상기 단계 (a)는 에어로졸 데포지션(aerosol deposition, AD)을 이용해 기판 상에 제1 코팅층을 형성하는 단계로서, 공지된 방법에 따라 1종 이상의 원료 분말을 준비해 이를 이용해 에어로졸 데포지션 공정을 통해 제1 코팅층을 얻는 단계이다.
The step (a) is a step of forming a first coating layer on a substrate by using an aerosol deposition (AD), and one or more kinds of raw material powders are prepared according to a known method, 1 < / RTI > coating layer.
본 단계 (a)는 예를 들면, (a-1) 1 종 이상의 원료 분말을 준비해 혼합(2 종 이상의 원료 분말을 사용하는 경우) 및 하소한 후 볼 밀링 등의 공지의 밀링 공정을 통해 에어로졸 데포지션에 적당한 입도를 가지는 분말을 제조하는 단계; 및 (a-2) 상기 단계 (a-1)에서 얻어진 분말을 이용해 에어로졸 데포지션으로 기판 상에 제1 코팅층을 형성시키는 단계를 순차적으로 수행하여 수행될 수 있다.In this step (a), for example, at least one kind of raw material powders (a-1) are prepared and mixed (when two or more kinds of raw material powders are used) and calcined and then subjected to a known milling process such as ball milling, Preparing a powder having an appropriate particle size at the position; And (a-2) sequentially forming a first coating layer on the substrate with an aerosol deposition using the powder obtained in the step (a-1).
또한, 코팅층의 결정성 및 치밀화를 달성하기 위해 필요에 따라 상기 단계 (a-2)를 수행한 후에, (a-3) 제1 코팅층을 열처리하는 단계를 추가로 실시할 수 있으며, 해당 열처리는 퍼니스 어닐링(furnace annealing, FA), 급속 열처리법(rapid thermal annealing, RTA), 엑시머 레이저 어닐링(excimer laser annealing, ELA), 스파크 어닐링(spark annealing) 및 플라즈마 어닐링(plasma annealing) 등의 방법을 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
Further, the step (a-3) may be further followed by a step of heat-treating the first coating layer after performing the step (a-2), if necessary, in order to achieve crystallization and densification of the coating layer. A method such as furnace annealing (FA), rapid thermal annealing (RTA), excimer laser annealing (ELA), spark annealing, and plasma annealing But is not limited thereto.
한편, 상기 제1 코팅층을 형성을 위해 에어로졸 데포지션 공정에 사용되는 1종 이상의 분말은 그 소재가 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 강유전체(ferroelectrics) 물질로 이루어질 수 있는데, 이러한 강유전체 물질로는 페로브스카이트(Peroveskite) 결정구조 또는 복합 페로브스카이트 구조를 가지는 소재를 그 대표적인 예로 들 수 있다.
The material of the at least one powder used in the aerosol deposition process for forming the first coating layer is not particularly limited and may be, for example, a ferroelectrics material. As the ferroelectric material, A representative example is a material having a perovskite structure or a perovskite crystal structure.
이때, 상기 페로브스카이트(Peroveskite) 결정구조를 가지는 물질은 하기 일반식 1)으로 표시될 수 있다.At this time, the material having the perovskite crystal structure may be represented by the following general formula (1).
1) ABO3 1) ABO 3
(단, 상기 1)에 있어서, A는 납(Pb), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 란탄(La), 칼륨(K) 및 나트륨(Na) 중에서 선택된 1종 이상이고, B는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 이트륨(Y), 디스프로슘(Dy), 망간(Mn), 가돌리늄(Gd), 코발트(Co) 및 철(Fe) 중에서 선택된 1종 이상임).
In the above 1), A is at least one selected from the group consisting of lead (Pb), barium (Ba), strontium (Sr), calcium (Ca), lanthanum (La), potassium (K) And B is at least one element selected from the group consisting of titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), tantalum (Ta), yttrium (Y), dysprosium (Dy), manganese (Mn), gadolinium (Gd), cobalt (Fe)).
또한, 상기 복합 페로브스카이트 구조를 가지는 물질은 아래의 2) 또는 3)의 조성을 가질 수 있다.Further, the material having the composite perovskite structure may have the following 2) or 3) composition.
2) xPb(A 1 , A 2 , …, B 1 , B 2 , …)03 + (1- x)PbTiO3 2) xPb (A 1, A 2, ..., B 1, B 2, ...) 0 3 + (1- x) PbTiO 3
3) xPb(A 1 , A 2 , …, B 1 , B 2 , …)03 + (1- x)Pb(Zr,Ti)O3 3) xPb (A 1, A 2, ..., B 1, B 2, ...) 0 3 + (1- x) Pb (Zr, Ti) O 3
(단, 상기 2) 및 3)에 있어서, x는 몰 분율로서 0< x<1 이고, A1, A2, …는, Zn, Mg, Ni, Lu, In 및 Sc로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소이고, B1, B2,…는, Nb, Ta, Mo 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 원소임)
(2) and 3), x is a molar fraction, 0 < x < 1, and A1, A2, ... Is at least one element selected from the group consisting of Zn, Mg, Ni, Lu, In and Sc, and B1, B2, ... Is at least one element selected from the group consisting of Nb, Ta, Mo and W)
다음으로, 상기 단계 (b)는 상기 단계 (a)에서 형성된 제1 코팅층 상에 화학용액증착법(chemical solution deposition, CSD)을 통해 제2 코팅층을 형성하는 단계이다.
Next, the step (b) is a step of forming a second coating layer on the first coating layer formed in the step (a) through a chemical solution deposition (CSD).
참고로, 화학용액증착법은 액상을 기반으로 화학 반응을 통해 원하는 조성의 코팅층을 증착시키는 방법으로서, 대표적으로 졸겔법(sol-gel method), 유기 금속 분해법(Metal Organic Decomposition Method, MOD) 등이 이에 속한다.For reference, the chemical solution deposition method is a method of depositing a coating layer having a desired composition through a chemical reaction based on a liquid phase. Typically, a sol-gel method, a metal organic decomposition method (MOD) Belongs.
특히, 졸겔법에서는 금속 알콕시드 등의 화합물을 가수분해 및 중축합(이를 "가수분해ㅇ축합"이라고도 함)함으로써 고분자화된 전구체 용액을 사용한다. 이러한 졸겔법에서는 금속 알콕시드 용액의 조성을 제어함으로써 조성의 제어가 양호하다는 이점을 갖는 반면, 가수분해ㅇ축합 반응이 비가역 반응이기 때문에 일단 가교되어 고분자화된 것은 졸겔 원료로서 사용할 수 없다는 점은 단점으로 작용한다.
Particularly, in the sol-gel method, a polymerized precursor solution is used by hydrolysis and polycondensation (also referred to as "hydrolysis condensation") of a compound such as a metal alkoxide. Such a sol-gel method has an advantage in that the composition of the metal alkoxide solution is controlled to be good, while the hydrolysis-condensation reaction is a non-reversible reaction, so that once crosslinked and polymerized, it can not be used as a sol-gel raw material .
본 발명에 있어서, 상기한 졸겔법을 이용해 제2 코팅층을 제1 코팅층 상에 형성하기 위한 구체적인 공정을 설명하면, (b-1) 전구체 화합물을 포함하는 졸 용액을 준비하는 단계; (b-2) 상기 졸 용액을 제1 코팅층 상에 도포하는 단계; (b-3) 도포된 코팅층을 건조하는 단계; 및 (b-4) 건조된 코팅층을 열처리하는 단계의 순서로 수행될 수 있다.
In the present invention, a specific process for forming the second coating layer on the first coating layer using the sol-gel method is as follows: (b-1) preparing a sol solution containing a precursor compound; (b-2) applying the sol solution onto the first coating layer; (b-3) drying the applied coating layer; And (b-4) heat-treating the dried coating layer.
상기 단계 (b-1)은 코팅층을 형성하는 활물질의 전구체가 되는 화합물을 포함하는 용액을 준비하는 단계로서, 본 단계에서는 당업계에서 통상적으로 이루어지는 공지의 방법에 따라, 전구체 화합물을 용매에 투입하고 이에 염산 등의 산 성분을 촉매로 첨가한 후 교반하여 가수분해 및 축합반응을 진행시켜 일정 부분 겔화(gelation)된 졸 용액을 형성시키고, 필요에 따라 추가적으로 가수분해 및 축합반응을 진행시켜 겔 용액이 형성되도록 일정 시간 동안 숙성(aging)시킬 수 있다.The step (b-1) is a step of preparing a solution containing a compound to be a precursor of the active material forming the coating layer. In this step, the precursor compound is introduced into a solvent according to a known method commonly used in the art Then, an acid component such as hydrochloric acid is added as a catalyst, and the mixture is stirred to proceed a hydrolysis and condensation reaction to form a gelated sol solution, and if necessary, further hydrolysis and condensation reaction are carried out, Aging can be carried out for a certain period of time.
이때, 상기 전구체 화합물은 금속 알콕사이드, 금속 아세틸아세테이트, 금속 유기산염 등의 금속 유기화합물이거나 질산염, 염화물 등의 금속 무기화합물 등 졸겔법에 있어서 졸 용액을 형성하기 위해 통상적으로 사용하는 공지의 형태의 화합물일 수 있다.At this time, the precursor compound may be a metal organic compound such as metal alkoxide, metal acetylacetate, or metal organic acid salt, or a metal inorganic compound such as nitrate, chloride, etc., a compound of a known type commonly used for forming a sol solution in a sol- Lt; / RTI >
예를 들어, 납계 페로브스카이트 압전 소재인 PBZ((Pb, Ba)ZrO3)로 이루어진 제2 코팅층을 형성할 경우, 납 전구체로는 아세트산 납(lead acetate), 바륨 전구체로는 아세트산 바륨(barium acetate), 지르코늄 전구체로서는 지르코늄 부톡시드(zirconium butoxide)를 사용할 수 있다.For example, in the case of forming a second coating layer composed of PBZ ((Pb, Ba) ZrO 3 ) as a lead-based perovskite piezoelectric material, lead acetate is used as the lead precursor and barium acetate barium acetate, and zirconium butoxide may be used as the zirconium precursor.
한편, 상기 용액은 필요에 따라 PMMA(polymethylmethacrylate), PAN(polyacrylonitrile), PVP(polyvinylpyrrolidone), PVA(polyvinylalcohol), PEO(polyethylene oxide), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 셀룰로오스 아세테이트(cellulose acetate), 시아노에틸폴리비닐알콜(cyanoethylpolyvinylalcohol), 플루란(pullulan), 카르복실 메틸 셀룰로오스(carboxyl methyl cellulose) 등을 결합제로서 더 포함할 수 있다.
If necessary, the solution may contain at least one selected from the group consisting of polymethylmethacrylate (PMMA), polyacrylonitrile (PAN), polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyethylene oxide (PEO), polyvinylacetate, cellulose acetate, Ethyl cellulose, ethyl polyvinyl alcohol, pullulan, carboxyl methyl cellulose and the like as binders.
상기 단계 (b-2)는 상기 단계 (b-1)에서 준비된 용액을 제1 코팅층 상에 도포하는 단계로서, 본 단계는 제1 코팅층 상에 단계 (b-1)에서 준비된 용액을 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coaitng) 또는 분무(spraying)함으로써 수행될 수 있다.
Wherein the step (b-2) is a step of applying the solution prepared in the step (b-1) on the first coating layer, wherein the step (b-1) spin coating, dip coaitng, or spraying.
그리고, 상기 단계 (b-3)는 제1 코팅층 상에 도포된 코팅층을 건조하는 단계로서, 본 단계는 분무 건조, 트레이 건조, 동결 건조, 용매건조, 섬광 건조 등 그 방법의 제한 없이 수행될 수 있다.
The step (b-3) is a step of drying the coating layer applied on the first coating layer. This step may be performed without limitation of spray drying, tray drying, freeze drying, solvent drying, have.
다음으로, 상기 단계 (b-4)는 메탈폼을 열처리하는 단계로서, 본 단계를 수행함으로써 상기 (c) 단계를 통해 메탈폼 표면 및 내부 기공벽에 형성된 비정질의 활물질 코팅층의 결정화 및 조밀화가 달성된다.Next, the step (b-4) is a step of heat-treating the metal foam, and the crystallization and densification of the amorphous active material coating layer formed on the metal foam surface and the inner pore wall through the step (c) do.
본 단계 (b-4)는 퍼니스 어닐링(furnace annealing, FA), 급속 열처리법(rapid thermal annealing, RTA), 엑시머 레이저 어닐링(excimer laser annealing, ELA), 스파크 어닐링(spark annealing) 및 플라즈마 어닐링(plasma annealing) 등의 방법을 이용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The step (b-4) may be performed by a method such as furnace annealing (FA), rapid thermal annealing (RTA), excimer laser annealing (ELA), spark annealing, and plasma annealing annealing, etc. However, the present invention is not limited thereto.
본 단계를 수행함으로써 제2 코팅층의 결정화는 물론, 에어로졸 데포지션에 의해 형성된 제1 코팅층의 결정성 향상, 코팅층 내 결함 제거의 효과도 동시에 달성할 수 있다.
By carrying out this step, not only the crystallization of the second coating layer but also the effect of improving the crystallinity of the first coating layer formed by the aerosol deposition and removing the defects in the coating layer can be achieved at the same time.
한편, 본 단계 (b)에서 형성되는 제2 코팅층을 이루는 소재는 상기 제1 코팅층을 이루는 소재와 상이해도 무방하나, 양 코팅층을 이루는 소재가 동일한 것이 보다 바람직하다.
The material forming the second coating layer formed in step (b) may be different from the material forming the first coating layer, but it is more preferable that the material forming both coating layers is the same.
본 발명에 따르면, 에어로졸 데포지션(Aerosol Deposition method, AD)으로 형성된 코팅층의 상면에 졸겔법(sol-gel process) 등과 같은 화학용액증착법(Chemical Solution Deposition, CSD)을 통해 코팅층을 추가로 형성시킴으로써 코팅층의 두께 균일성(thickness uniformity)을 향상시킴으로써 위치에 관계없이 균일한 물성을 가지는 후막 코팅층을 얻을 수 있다.According to the present invention, a coating layer is further formed on the upper surface of a coating layer formed by an aerosol deposition method (AD) through a chemical solution deposition (CSD) such as a sol-gel process, It is possible to obtain a thick film coating layer having uniform physical properties regardless of its position.
예를 들어, 본 발명을 이용해 강유전체층 소재로 이루어진 후막 코팅층을 형성할 경우에는, 표면 평탄도가 우수한 강유전체 코팅층이 형성되어 고전압 인가시에도 코팅층의 두께 불균일성에 기인한 절연 파괴(dielectric breakdown)가 방지되어 우수한 내전압(dielectric strength) 특성을 가지는 고신뢰성(high reliability)의 후막 코팅층을 구현할 수 있다.
For example, when a thick film coating layer made of a ferroelectric layer material is formed by using the present invention, a ferroelectric coating layer having excellent surface flatness is formed, thereby preventing dielectric breakdown due to thickness nonuniformity of the coating layer even when a high voltage is applied A high reliability thick film layer having excellent dielectric strength characteristics can be realized.
아래에서 본 발명에 대해 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail on the basis of embodiments. The presented embodiments are illustrative and are not intended to limit the scope of the invention.
<실시예 1> AD 공정-졸겔 공정을 통한 PBZ 후막 코팅층의 제조<Example 1> AD process - Preparation of PBZ thick film coating layer by sol-gel process
본 실시예 1에서는 아래와 같이 에어로졸 데포지션(aerosol deposition, AD) 및 졸겔 공정을 이용해 기판 상에 표면 평탄도가 뛰어난 PBZ((Pb, Ba)ZrO3) 후막을 제조하였다.
In Example 1, a PBZ ((Pb, Ba) ZrO 3 ) thick film having excellent surface flatness on a substrate was prepared by aerosol deposition (AD) and sol-gel process as described below.
1) AD 공정을 이용한 제1 코팅층의 형성1) Formation of first coating layer using AD process
우선, AD 공정을 통해 제1 코팅층을 형성하기 위해, 0.8몰의 PbO 분말, 0.2몰의 BaCO3 분말, 1몰의 ZrO2 분말과 에탄올을 사용하여 48시간동안 습식 볼밀링한 후, 건조 후 공기 중에서 1000℃ - 4시간 조건으로 열처리하여 Pb0.8Ba0.2ZrO3 분말을 얻고, 이를 에어로졸 증착 장치의 분말 공급기에 장입하고 AD 공정을 실시하였다.First, in order to form the first coating layer through the AD process, wet ball milling was performed for 48 hours using 0.8 mol of PbO powder, 0.2 mol of BaCO 3 powder, 1 mol of ZrO 2 powder and ethanol, And then annealed at 1000 ℃ for 4 hours to obtain Pb 0.8 Ba 0.2 ZrO3 powder, which was charged into a powder feeder of an aerosol deposition apparatus and subjected to an AD process.
구체적으로, 분말 공급기 내의 과립분말의 유동성과 비산성을 향상시키기 위하여 공급기는 진동기(vibrator)를 이용하여 약하게 흔들어 주었으며, 비산된 PBZ 분말은 20 ℓ/min 유속의 이송 가스로 에어로졸화시켜 노즐을 통해 수 토르(torr)의 진공도가 유지되는 챔버 내에 장착된 기판(Pt 코팅된 Si 기판)에 분사시켜 3 μm 두께의 PBZ 코팅층을 형성시켰다.
Specifically, the feeder was vigorously shaken using a vibrator in order to improve the fluidity and scattering of the granular powder in the powder feeder, and the scattered PBZ powder was aerosolized by the transfer gas at a flow rate of 20 l / min, (Pt coated Si substrate) mounted in a chamber in which a vacuum degree of several torr was maintained, thereby forming a PBZ coating layer having a thickness of 3 탆.
2) 졸겔 공정을 이용한 제2 코팅층의 형성2) Formation of second coating layer by sol-gel process
우선, 도 1에 나타낸 바와 같이 졸(sol) 용액을 준비하였다.First, as shown in Fig. 1, a sol solution was prepared.
즉, 아세트산 납(lead acetate) 1.5 g과 프로피온산(prepionic acid) 5.07g을 교반한 후, 110 ℃에서 2 시간 동안 리플럭싱(refluxing)하고, 80 % 지르코늄부톡사이드(Zr butoxide) 1.73g과 메톡시에탄올(methoxyethanol) 4.94g을 혼합 교반한 후, 90 ℃에서 2 시간 동안 리플럭싱한 후, 상기 용액을 혼합 교반한 후, 150 ℃에서 4 시간 동안 리플럭싱하여 Pb0.11ZrO3를 제조하였다.1.5 g of lead acetate and 5.07 g of prepionic acid were stirred and refluxed at 110 ° C. for 2 hours to obtain 1.73 g of 80% zirconium butoxide, 4.94 g of methoxyethanol were mixed and stirred. After refluxing at 90 ° C for 2 hours, the solution was mixed and stirred, and then refluxed at 150 ° C for 4 hours to prepare Pb 0.11 ZrO 3 .
그리고, 아세트산 바륨(Barium acetate) 0.61g과 프로피온산 3.38g을 혼합 교반한 후, 110 ℃에서 2 시간 동안 리플럭싱하고, 80 % 지르코늄부톡사이드 1.15g 메톡시에탄올 3.29g을 혼합 교반한 후, 90 ℃에서 2 시간 동안 리플럭싱한 후, 상기 용액을 혼합 교반한 후 150 ℃에서 4 시간 동안 리플럭싱하여 BaZrO3를 제조하였다.Then, 0.61 g of barium acetate and 3.38 g of propionic acid were mixed and stirred, then refluxed at 110 ° C. for 2 hours, and 3.29 g of 80% zirconium butoxide 1.15 g of methoxyethanol was mixed and stirred, For 2 hours, the solution was mixed and stirred, and then refluxed at 150 캜 for 4 hours to prepare BaZrO 3 .
다음으로, 상기에서 준비된 0.6몰의 Pb0.11ZrO3와 0.4몰의 BaZrO3를 혼합 교반 한 후, 150 ℃에서 1 시간 동안 리플럭싱하여 PBZ(Pb0.66Ba0.4ZrO3)가 분산된 졸 용액을 제조하였다.Next, 0.6 mol of Pb 0.11 ZrO 3 prepared above and 0.4 mol of BaZrO 3 were mixed and stirred, and then refluxed at 150 ° C for 1 hour to prepare a sol solution in which PBZ (Pb 0.66 Ba 0.4 ZrO 3 ) was dispersed Respectively.
그리고, 제1 코팅층이 형성된 기판 상을 상기 졸 용액을 스핀 코팅(3000 rpm, 1분)한 후, 350 ℃에서 건조시켰다.Then, the sol solution was spin-coated on the substrate on which the first coating layer was formed (3000 rpm, 1 minute), and then dried at 350 ° C.
마지막으로, 상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층이 형성된 기판을 700 ℃에서 5 분간 급속 열처리 (Rapid thermal annealing, RTA)하여 형성된 두께 0.3 μm의 제2 코팅층을 포함하는 총 두께 3.3 μm의 PBZ 후막 코팅층을 얻었다.
Finally, a substrate having the first coating layer and the second coating layer formed thereon was coated with a PBZ thick film coating layer having a total thickness of 3.3 占 퐉 including a second coating layer having a thickness of 0.3 占 퐉 formed by rapid thermal annealing (RTA) at 700 占 폚 for 5 minutes .
<실시예 2> AD 공정-졸겔 공정을 통한 PBZ 후막 코팅층의 제조≪ Example 2 > AD process - Preparation of PBZ thick film coating layer by sol-gel process
AD 공정 후 제1 코팅층이 형성된 기판에 대해 700 ℃에서 5 분간 급속 열처리 (Rapid thermal annealing, RTA)를 추가적으로 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PBZ 후막 코팅층을 얻었다.
A PBZ thick film coating layer was obtained in the same manner as in Example 1, except that the substrate on which the first coating layer was formed after the AD process was further subjected to rapid thermal annealing (RTA) at 700 캜 for 5 minutes.
<실시예 3> AD 공정-졸겔 공정을 통한 PBZ 후막 코팅층의 제조≪ Example 3 > AD process - Preparation of PBZ thick film coating layer by sol-gel process
상기 제1 코팅층 및 제2 코팅층이 형성된 기판에 대해 RTA 공정 대신에 700 ℃에서 1시간 동안 퍼니스 어닐링(furnace annealing)을 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 PBZ 후막 코팅층을 얻었다.
A PBZ thick film coating layer was obtained in the same manner as in Example 1, except that the substrate on which the first coating layer and the second coating layer were formed was subjected to furnace annealing at 700 ° C for one hour instead of the RTA process.
<비교예 1> AD 공정을 통한 PBZ 후막 코팅층의 제조≪ Comparative Example 1 > Preparation of PBZ thick film coating layer by AD process
AD 공정을 통해 코팅층을 형성하기 위해, 0.8몰의 PbO 분말, 0.2몰의 BaCO3 분말, 1몰의 ZrO2 분말과 에탄올을 사용하여 48시간 동안 습식 볼밀링한 후, 건조 후 공기 중에서 1000℃ - 4시간 조건으로 열처리하여 Pb0.8Ba0.2ZrO3 분말을 얻고 이를 에어로졸 증착 장치의 분말 공급기에 장입하고 AD 공정을 실시하였다.In order to form the coating layer through the AD process, wet ball milling was performed using 0.8 mol of PbO powder, 0.2 mol of BaCO 3 powder, 1 mol of ZrO 2 powder and ethanol for 48 hours, 4 hours to obtain Pb 0.8 Ba 0.2 ZrO 3 powder, which was charged into the powder feeder of the aerosol deposition apparatus and subjected to the AD process.
구체적으로, 분말 공급기 내의 과립분말의 유동성과 비산성을 향상시키기 위하여 공급기는 진동기(vibrator)를 이용하여 약하게 흔들어 주었으며, 비산된 PBZ 분말은 20 ℓ/min 유속의 이송 가스로 에어로졸화시켜 노즐을 통해 수 토르(torr)의 진공도가 유지되는 챔버 내에 장착된 기판(Pt 코팅된 Si 기판)에 분사시켜 3 μm 두께의 PBZ 코팅층을 형성시켰다.
Specifically, the feeder was vigorously shaken using a vibrator in order to improve the fluidity and scattering of the granular powder in the powder feeder, and the scattered PBZ powder was aerosolized by the transfer gas at a flow rate of 20 l / min, (Pt coated Si substrate) mounted in a chamber in which a vacuum degree of several torr was maintained, thereby forming a PBZ coating layer having a thickness of 3 탆.
<비교예 2> AD 공정을 통한 PBZ 후막 코팅층의 제조≪ Comparative Example 2 > Production of coating layer of PBZ thick film through AD process
AD 공정 후 코팅층이 형성된 기판에 대해 700 ℃에서 5 분간 급속 열처리 (Rapid thermal annealing, RTA)를 추가적으로 수행한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 PBZ 후막 코팅층을 얻었다.
A PBZ thick film coating layer was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that the substrate on which the coating layer was formed after the AD process was further subjected to rapid thermal annealing (RTA) at 700 ° C for 5 minutes.
<실험예 1> 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 PBZ 후막 코팅층의 미세구조 관찰Experimental Example 1 Microstructure observation of the PBZ thick film coating layer prepared in Example 1 and Comparative Example 1
도 2는 본원 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 PBZ 코팅층 표면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진으로서, 이로부터 본원 실시예 1에서 제조된 코팅층이 비교예 1에서 제조된 코팅층에 비해 표면이 매끄럽고 평탄한 것을 육안으로도 쉽게 확인 가능하다.FIG. 2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of the PBZ coating layer prepared in Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention, showing that the coating layer prepared in Example 1 of the present invention had a surface It is easy to see smooth and flat with the naked eye.
도 3은 본원 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 PBZ 코팅층 종단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 사진으로서, 이로부터 다소 거친 표면을 나타내는 비교예 1에서 제조된 코팅층과 달리 본원 실시예 1에서 제조된 코팅층은 코팅층의 수평 방향으로의 어느 위치에서나 거의 동일한 두께를 나타냄을 알 수 있다.
FIG. 3 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the longitudinal cross-section of the PBZ coating layer prepared in Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention, showing that the coating layer prepared in Comparative Example 1, It can be seen that the applied coating layer has almost the same thickness at any position in the horizontal direction of the coating layer.
<실험예 2> 실시예 1-3 및 비교예 1-2에서 제조된 PBZ 후막 코팅층의 분극 특성 관찰<Experimental Example 2> Observation of polarization characteristics of the PBZ thick film coating layers prepared in Examples 1-3 and 1-2
도 4(a) 내지 도 4(c)는 본원 실시예 1 내지 3에서 제조된 코팅층과 비교예 1 내지 3에서 제조된 코팅층 간의 분극 특성을 비교한 이력 곡선(hysteresis loop)이다.4 (a) to 4 (c) are hysteresis loops comparing the polarization characteristics between the coating layer prepared in Examples 1 to 3 and the coating layers prepared in Comparative Examples 1 to 3.
도 4(a) 내지 도 4(c)에 따르면, AD 공정에 의해 형성된 제1 코팅층 및 졸겔 공정을 통해 제2 코팅층을 구비한 본원 실시예 1 내지 3의 PBZ 후막 코팅층이, AD 공정에 의해 형성된 코팅층만으로 이루어진 비교예 1 및 2의 PBZ 후막 코팅층과 비교해, 예외 없이 더 높은 포화분극(saturated polarization, Ps) 및 잔류분극(remanent polarization, Pr)을 나타냄을 확인할 수 있다.4 (a) to 4 (c), the PBZ thick film coating layers of Examples 1 to 3 having the first coating layer formed by the AD process and the second coating layer through the sol-gel process were formed by the AD process It can be seen that a saturation polarization (Ps) and a remanent polarization (Pr) are exhibited without exception, as compared with the PBZ thick film coating layers of Comparative Examples 1 and 2 which are made of only the coating layer.
Claims (10)
(b) 상기 제1 코팅층 상에 화학용액증착법(chemical solution deposition, CSD)으로 제2 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 후막 코팅층 형성방법.(a) forming a first coating layer on the substrate by aerosol deposition (AD); And
(b) forming a second coating layer by chemical solution deposition (CSD) on the first coating layer.
상기 단계 (a)는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법:
(a-1) 1 종 이상의 원료 분말을 준비해 혼합, 하소 및 밀링(milling)하여 분말을 준비하는 단계; 및
(a-2) 상기 준비된 분말을 이용해 에어로졸 데포지션으로 기판 상에 제1 코팅층을 형성시키는 단계.The method according to claim 1,
Wherein the step (a) comprises the steps of:
(a-1) preparing at least one raw material powder, mixing, calcining and milling the powder to prepare a powder; And
(a-2) forming a first coating layer on the substrate with an aerosol deposition using the prepared powder.
상기 단계 (a-2)를 수행한 후에, (a-3) 제1 코팅층을 열처리하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법.3. The method of claim 2,
(A-3) after the step (a-2) is further performed, a step of heat-treating the first coating layer.
상기 단계 (b)는 졸겔법(sol-gel process)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법.The method according to claim 1,
Wherein the step (b) is performed by a sol-gel process.
상기 단계 (b)는 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법:
(b-1) 전구체 화합물을 포함하는 졸(sol) 용액을 준비하는 단계;
(b-2) 상기 졸 용액을 제1 코팅층 상에 도포하는 단계;
(b-3) 도포된 코팅층을 건조하는 단계; 및
(b-4) 건조된 코팅층을 열처리하는 단계.5. The method of claim 4,
Wherein the step (b) comprises the following steps:
(b-1) preparing a sol solution containing a precursor compound;
(b-2) applying the sol solution onto the first coating layer;
(b-3) drying the applied coating layer; And
(b-4) heat treating the dried coating layer.
단계 (b-4)는 퍼니스 어닐링(furnace annealing, FA) 또는 급속 열처리법(rapid thermal annealing, RTA)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법.6. The method of claim 5,
Wherein the step (b-4) is performed by furnace annealing (FA) or rapid thermal annealing (RTA).
상기 제1 코팅층 및 상기 제2 코팅층은 강유전체(ferroelectrics)로 이루어진 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법.The method according to claim 1,
Wherein the first coating layer and the second coating layer are made of ferroelectrics.
상기 강유전체는 하기 화학식으로 표시되는 것을 특징으로 하는 후막 코팅층 형성방법:
[화학식]
ABO3
(상기 식에서, A는 납(Pb), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr), 칼슘(Ca), 란탄(La), 칼륨(K) 및 나트륨(Na) 중에서 선택된 1종 이상이고, B는 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta), 이트륨(Y), 디스프로슘(Dy), 망간(Mn), 가돌리늄(Gd), 코발트(Co) 및 철(Fe) 중에서 선택된 1종 이상임).8. The method of claim 7,
Wherein the ferroelectric is represented by the following formula: < EMI ID =
[Chemical Formula]
ABO 3
Wherein A is at least one selected from the group consisting of lead (Pb), barium (Ba), strontium (Sr), calcium (Ca), lanthanum (La), potassium (K) and sodium (Na) (Ti), Zr, Nb, Ta, Y, Dy, Mn, Gd, Co and Fe One or more selected).
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