KR20170006364A - 압전 나노박막의 물성 시험 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 나노박막의 물성 시험 장치 및 방법에 관한 것으로서, 자유지지된 압전 나노박막에 진공 및 전압을 인가해 압전 나노박막이 변형되도록 하고 그 변형되는 정도를 측정하여 압전 나노박막의 기계적 물성 및 압전 물성을 측정할 수 있는 압전 나노박막의 물성 시험 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

압전 나노박막의 물성 시험 장치 및 방법 {Property testing apparatus and method of piezoelectric thin film}
본 발명은 압전 나노박막의 물성 시험 장치 및 방법에 관한 것으로서, 자유지지된 압전 나노박막에 진공 및 전압을 인가해 압전 나노박막이 변형되도록 하고 그 변형되는 정도를 측정하여 압전 나노박막의 기계적 물성 및 압전 물성을 측정할 수 있는 압전 나노박막의 물성 시험 장치 및 방법에 관한 것이다.
압전 재료는 결정의 분극을 이용하여 전기적 에너지와 기계적 에너지의 전환을 행하는 재료로써, 압전(Piezo) 효과를 일으키는 재료이다. 그리고 이러한 압전 재료의 예를 들면 단결정인 수정, 탈탄산 리튬, 니오브산 리튬과 세라믹인 지르콘 티탄산염 및 티탄산 바륨 등이 있으며, 압전 재료는 압전 액추에이터, 압전 스피커, 압전 진동자, 압전 모터, 초정밀이동 스테이지, 압전 트랜스 및 점화기용 전원 등 다양한 부분에 사용되고 있다. 그리고 이러한 압전 재료는 박막으로 형성되어 소형화 및 경량화가 요구되는 휴대용 통신기기 및 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 디바이스 등에 이용되고 있다.
그리고 압전 재료의 압전성은 물질에 응력을 가할 때 발생하는 전기, 즉 전기분극(electric polarization)을 생기게 하는 성질 또는 이 전기 자체를 의미하는 것이다. 즉, 압전 효과는 응력에 의하여 이 물질 자체의 전기분극이 변하는 압전 정효과와 물질에 전계를 인가할 때 기계적 왜형이 생기는 압전 역효과가 있다. (응력에 의한 전기분극의 발생과 전계에 의한 왜형의 발생을 합쳐서 압전 현상 또는 압전 효과라 한다.)
이때, 일반적인 압전 재료의 두께방향 압전 물성(압전성)의 측정은 d33 meter라는 장비로 측정하고 있다. 그러나 d33 meter를 이용해 두께방향 압전 물성을 측정하기 위해서는 압전 재료 샘플의 두께를 최소 마이크로미터 단위에서 최대 밀리미터 단위로 형성해야 하는 제한이 있고, 또한 압전 물성을 측정하기 위해 측정 장비에 맞는 샘플의 형태로 제작해야 한다. 특히, 압전 재료가 나노박막으로 형성되는 경우 두께가 매우 얇아 취급이 용이하지 않으며, 압전 나노박막의 기계적인 물성 및 압전 물성을 측정하기 매우 어렵다.
그리고 일본공개특허(1994-258072)에 개시된 "압전체 박막 평가 장치"는 도 1과 같이 기판(101)상에 압전체 박막(103)이 지지된 상태에서 캔틸레버(106)의 자유단이 압전체 박막 상측의 전극에 접촉한 상태에서, 광원(109)으로부터 조사되어 캔틸레버(106)에 반사되는 반사광 빔의 위치를 검출할 수 있도록 하여, 압전체 박막에 전압이 인간되면 압전체 박막에 변위가 발생하고 이에 따라 반사광 빔의 위치 변화를 검출함으로써 압전체 박막의 압전성을 평가할 수 있도록 구성되어 있다.
그러나 이러한 종래 기술에서는 압전체 박막 전체가 기판에 의해 지지된 상태에서 물성이 측정되어야 하므로 압전체 박막 자체의 정확한 기계적인 물성 및 압전성을 평가하기 어렵고, 역시 압전체의 두께가 얇은 나노박막의 경우 기계적인 물성 및 압전성을 측정하기에는 어려움이 있다.
JP 1994-258072 A (1994.09.16.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 자유지지된 압전 나노박막에 진공 및 전압을 인가해 압전 나노박막이 변형되도록 하고 그 변형되는 정도를 측정하여 압전 나노박막의 기계적 물성 및 압전 물성을 측정할 수 있는 압전 나노박막의 물성 시험 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전 나노박막의 물성 시험 장치는, 상측이 개방된 중공부가 형성되며 상기 중공부와 연통되는 연결 포트가 형성되는 몸체 및 상기 몸체의 개방된 상측에 압전 나노박막이 형성된 기판이 밀착되도록 고정하는 고정 플레이트를 포함하는 메인 챔버; 상기 메인 챔버의 연결 포트에 연결되어 상기 중공부에 진공 압력을 인가하는 진공 인가부; 상기 압전 나노박막의 상면에 형성된 상부 전극 및 하면에 형성된 하부 전극에 연결되어 상기 압전 나노박막에 전압을 인가하는 전압 인가부; 및 상기 진공 인가부에 연결되어 상기 중공부에 가해지는 진공 압력을 조절하며, 상기 전압 인가부에 연결되어 압전 나노박막에 인가되는 전압을 조절하는 제어부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판에는 상하를 관통하는 관통공이 형성되며, 상기 기판이 상면에는 관통공의 일측에 이격되어 제1전극부가 형성되고 타측에 이격되어 제2전극부가 형성되며, 상기 압전 나노박막은 관통공을 포함하는 기판의 상면에 밀착되어 상기 관통공에 의해 압전 나노박막이 기판에 자유지지되며, 상기 압전 나노박막의 하면에 형성된 하부 전극이 제1전극부에 밀착되고 상면에 형성된 상부 전극은 제2전극부에 별도로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인 챔버의 일측에 구비되어 인가되는 진공 압력 및 전압에 따른 압전 나노박막의 변형 또는 변위를 측정할 수 있는 측정 수단인 원자현미경(Atomic force microscope) 또는 간섭계(Interferometer)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 압전 나노박막의 물성 시험 방법은, 상면에 압전 나노박막이 형성된 기판을 고정하는 단계(S10); 상기 기판의 관통공 내측을 미리 설정된 압력으로 진공을 형성하여 상기 압전 나노박막이 관통공의 내측으로 당겨지도록 하는 단계(S20); 측정 수단인 원자현미경(Atomic force microscope) 또는 간섭계(Interferometer)를 이용하여 상기 압전 나노박막이 관통공의 내측으로 들어간 제1깊이(h1)를 측정하는 단계(S30); 상기 진공 압력에 의해 압전 나노박막이 1차로 변형된 상태에서, 상기 압전 나노박막에 상하방향으로 전압을 인가하여 압전 나노박막이 2차로 변형되도록 하는 단계(S40); 및 측정 수단인 원자현미경(Atomic force microscope) 또는 간섭계(Interferometer)를 이용하여 상기 압전 나노박막이 관통공의 내측으로 들어간 제2깊이(h2)를 측정하는 단계(S50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S10단계는, 상기 압전 나노박막의 상면에 형성된 상부 전극 및 하면에 형성된 하부 전극을 전압 인가부에 연결하는 단계(S11)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전 나노박막에 작용하는 진공 압력(p), 인가된 전압(V) 및 상기 측정된 제2깊이(h2)와 제1깊이(h1)의 차인 변형량(δ33)을 이용해, 입력을 전압으로 하고 출력을 변형으로 나타내는 압전상수인 d33 및 입력을 변형으로 하고 출력을 전압으로 나타내는 압전상수인 g33 을 산출하는 단계(S60)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 압전상수 g33 은 아래의 식 1 또는 식 2를 이용해 산출되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
(식 1)
Figure pat00002
(식 2)
{여기에서, F는 외부에서 압전 나노박막에 작용하는 힘, A는 기판에 형성된 관통공의 수평방향 단면적, V는 압전 나노박막에 인가된 전압, t는 압전 나노박막의 두께, E는 압전 나노박막의 탄성계수}
또한, 상기 압전상수 d33 은 아래의 식 3을 이용해 산출되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00003
(식 3)
{여기에서, Q는 압전 나노박막에 인가된 전하량}
또한, 상기 압전상수 d33 은 아래의 식 4를 이용해 산출되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00004
(식 4)
{여기에서, ε은 압전 나노박막의 유전율}
본 발명의 압전 나노박막의 물성 시험 장치 및 방법은, 기판에 자유지지된 압전 나노박막에 진공에 의한 압력 및 전압을 인가해 나노박막이 변형되도록 하고 그 변형되는 정도를 측정함으로써, 압전 나노박막의 기계적 물성 및 압전 물성을 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 압전체 박막 평가 장치를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 나노박막의 물성 시험 장치를 나타낸 개략도.
도 3은 기판상에 자유지지된 압전 나노박막을 나타낸 정면 단면도.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 메인 챔버 및 압전 나노박막이 자유지지된 기판의 고정 구조를 나타낸 분해사시도 및 조립사시도.
도 6 및 도 7은 압전 나노박막에 진공 압력이 가해지기 전 초기 상태와 진공이 가해진 후 변형된 상태를 나타낸 단면 개략도.
도 8은 압전 나노박막에 진공 압력이 가해진 상태에서 전압이 인가된 후 변형된 상태를 나타낸 단면 개략도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 압전 나노박막의 물성 시험 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
[실시예 1] 물성 시험 장치
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 나노박막의 물성 시험 장치를 나타낸 개략도이고, 도 3은 기판상에 자유지지된 압전 나노박막을 나타낸 정면 단면도이며, 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 메인 챔버 및 압전 나노박막이 자유지지된 기판의 고정 구조를 나타낸 분해사시도 및 조립사시도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 압전 나노박막의 물성 시험 장치(1000)는, 상측이 개방된 중공부(211)가 형성되며 상기 중공부(211)와 연통되는 연결 포트(212)가 형성되는 몸체(210) 및 상기 몸체(210)의 개방된 상측에 압전 나노박막(20)이 형성된 기판(10)이 밀착되도록 고정하는 고정 플레이트(220)를 포함하는 메인 챔버(200); 상기 메인 챔버(200)의 연결 포트(212)에 연결되어 상기 중공부(211)에 진공 압력을 인가하는 진공 인가부(300); 상기 압전 나노박막(20)의 상측에 형성된 상부 전극(21) 및 하측에 형성된 하부 전극(22)에 연결되어 상기 압전 나노박막(20)에 전압을 인가하는 전압 인가부(400); 및 상기 진공 인가부(300)에 연결되어 상기 중공부(211)에 가해지는 진공 압력을 조절하며, 상기 전압 인가부(400)에 연결되어 압전 나노박막(20)에 인가되는 전압을 조절하는 제어부(500); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
우선, 메인 챔버(200)의 몸체(210)는 중공부(211)가 형성되어 상기 중공부(211)의 상측이 개방되며, 연결 포트(212)가 형성되어 상기 중공부(211)와 연결 포트(212)가 연통된다. 그리고 몸체(210)의 개방된 상측을 덮도록 기판(10)이 몸체(210)의 상면에 밀착 고정될 수 있으며, 고정 플레이트(220)가 기판(10)을 눌러 고정시킬 수 있도록 고정플레이트(220)가 몸체(210)의 상측에 결합될 수 있다. 이때, 기판(10)에는 상하를 관통하는 관통공(11)이 형성되며, 상기 관통공(11)을 덮도록 압전 나노박막(20)이 기판(10)의 상면에 형성되어, 관통공(11)에 의해 압전 나노박막(20)이 기판(10)에 자유지지된 형태로 형성될 수 있다.
그리고 메인 챔버(200)의 몸체(210)와 고정 플레이트(220) 사이에는 실링부재(230)가 개재되되, 몸체(210) 상면에 실링부재(230)가 형성되어 고정 플레이트(220)를 상측에서 결합하였을 때 기판(10)이 몸체(210) 상면에 밀착되어 실링되도록 결합될 수 있다. 그리고 몸체(210)에는 상면에 실링부재 안치홈(213)이 형성되어 실링부재 안치홈(213)에 실링부재(230)가 개재되어 기판(10)과 몸체(210) 사이의 기밀을 더욱 확실하게 할 수 있다.
진공 인가부(300)는 메인 챔버(200)의 중공부(211)에 연결되는 연결 포트(212)와 연결되어, 중공부(211)에 진공 압력이 가해지도록 할 수 있으며, 진공 인가부(300)는 진공 발생기(310), 솔레노이드 밸브(320) 및 압력 센서(330)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 버퍼 챔버(340) 및 리크 밸브(350)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 진공 발생기(310)는 진공 압력을 발생시키며, 진공 펌프 또는 블로워 등이 될 수 있다. 그리고 솔레노이드 밸브(320)는 진공 발생기(310)와 연결 포트(212) 사이에 설치되어, 연결되는 관로를 개폐함으로써 중공부(211)에 작용하는 진공 압력을 조절할 수 있다. 또한, 연결 포트(212)에는 압력 센서(330)가 연결되어 중공부(211)에 작용하는 진공 압력을 측정할 수 있다. 또한, 버퍼 챔버(340)는 솔레노이드 밸브(320)와 연결 포트(212) 사이에 설치되어 솔레노이드 밸브(320)의 작동에 따른 진공 압력의 충격을 흡수 할 수 있으며, 압력 조절을 위해 버퍼 챔버(340)에 리크 밸브(350)가 연결되어 외부 공기가 유입되도록 할 수 있다.
전압 인가부(400)는 압전 나노박막(20)의 상측에 형성된 상부 전극(21) 및 하측에 형성된 하부 전극(22)에 연결되어 압전 나노박막(20)에 전압을 인가할 수 있도록 구성된다. 이때, 베이스(100)의 일측에 메인 챔버(200)가 형성되고 타측에 전압 인가부(400)가 형성될 수 있으며, 전압 인가부(400)는 베이스(100)에 고정되는 고정부(410) 및 고정부(410)에 결합되는 터미널(420)들을 포함하여 이루어질 수 있다. 그리고 전압 인가부(400)는 직류 전류(DC)를 가할 수 있도록 양극 터미널과 음극 터미널로 구성될 수 있으며, 다수개의 터미널이 형성될 수도 있다. 여기에서 압전 나노박막(20)의 상면에 상부 전극(21)이 적층된 형태로 형성되고, 압전 나노박막(20)의 하면에 하부 전극(22)이 적층된 형태로 형성되어, 압전 나노박막(20)에 상하 방향으로 전압이 인가될 수 있도록 구성될 수 있다.
제어부(500)는 진공 인가부(300) 및 전압 인가부(400)에 연결되고, 제어부(500)는 진공 인가부(300)의 솔레노이드 밸브(320) 및 압력 센서(330)에 연결되어 메인 챔버(200)의 중공부(211)에 가해지는 진공 압력을 조절할 수 있으며, 제어부(500)는 전압 인가부(400)에 연결되어 압전 나노박막(20)에 인가되는 전압을 조절할 수 있도록 구성된다. 이때, 제어부(500)는 진공 및 전압을 인가하는 순서를 제어할 수 있으며, 제어부(500)는 자유지지된 압전 나노박막(20)에 진공 압력만이 작용하도록 하여 압전 나노박막(20)의 기계적 물성을 측정할 수 있으며, 진공 압력이 가해진 후 전압이 인가되도록 하여 압전 나노박막(20)의 압전물성을 측정할 수 있다.
그리하여 본 발명의 압전 나노박막의 물성 시험 장치는, 기판에 자유지지된 압전 나노박막을 메인 챔버에 밀착 고정하고 압전 나노박막에 진공 압력을 가해 변형되도록 할 수 있고, 압전 나노박막에 진공 압력이 가해진 상태에서 전압을 인가해 압전 나노박막이 변형되도록 할 수 있으며, 이때 압전 나노박막이 변형되는 정도를 측정함으로써 압전 나노박막의 기계적 물성 및 압전 물성을 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 기판(10)에는 상하를 관통하는 관통공(11)이 형성되며, 상기 기판(10)이 상면에는 관통공(11)의 일측에 이격되어 제1전극부(23)가 형성되고 타측에 이격되어 제2전극부(24)가 형성되며, 상기 압전 나노박막(20)은 관통공(11)을 포함하는 기판(10)의 상면에 밀착되어 상기 관통공(11)에 의해 압전 나노박막(20)이 기판(10)에 자유지지되며, 상기 압전 나노박막(20)의 하면에 형성된 하부 전극(22)이 제1전극부(23)에 밀착되고 상면에 형성된 상부 전극(21)은 제2전극부(24)에 별도로 연결될 수 있다.
보다 상세하게는, 기판(10)에 형성되는 관통공(11)은 수십에서 수백 마이크로미터 크기의 직경을 갖는 원형 또는 폭 및 길이를 갖는 사각형 등으로 형성될 수 있다. 그리고 압전 나노박막(20)은 상면에 상부 전극(21)이 형성되고 하면에 하부 전극(22)이 형성되어, 상부 전극(21)과 하부 전극(22) 사이에 압전 나노박막(20)이 개재되어 적층된 형태로 형성될 수 있으며, 이에 따라 압전 나노박막(20)은 상하 방향으로 전압이 인가되도록 구성될 수 있다. 또한, 압전 나노박막(20)은 기판(10)에 형성된 관통공(11)을 포함하도록 기판(10)의 상면에 밀착되어 관통공(11)이 형성된 부분에서는 압전 나노박막(20)이 떠있는 형태로 지지되어 기판(10)에 압전 나노박막(20)이 자유지지될 수 있다. 또한, 기판(10)의 상면에는 관통공(11)의 일측에 제1전극부(23)가 형성되고 타측에 제2전극부(24)가 형성되어, 압전 나노박막(20)이 기판(10)에 밀착되면 압전 나노박막(20)의 하면에 형성된 하부 전극(22)이 제1전극부(23)에 밀착되어 전기적으로 연결될 수 있고 하부 전극(22)과 제2전극부(24)는 이격되어 밀착되지 않도록 형성되며 별도로 상부 전극(21)과 제2전극부(24)가 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 상부 전극(21)에는 제2전극 연결부(25)가 형성되어, 제2전극 연결부(25)와 제2전극(24)이 연결될 수 있다. 또한, 기판(10)은 일반적인 이산화규소(SiO2) 재질로 형성될 수 있고, 제1전극부(23)와 제2전극부(24)는 금(Au) 등으로 형성되어 기판(10)에 증착 또는 전사될 수 있으며, 제2전극 연결부(25)는 실버 페이스트(silver paste) 등으로 형성되어 상부 전극(21)의 상측에 도포될 수 있다. 또한, 압전 나노박막(20)의 상면과 하면에 형성된 상부 전극(21) 및 하부 전극(22)은 압전 나노박막(20)의 두께에 비해 매우 얇은 나노박막으로 형성될 수 있으며, 압전 나노박막(20)은 전사에 의해 기판(10)에 밀착될 수 있다. 그리고 압전 나노박막(20)은 압전 재료 중 PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드, polyvinylidene fluoride)로 형성되어, 필름 형태의 나노박막으로 용이하게 형성될 수 있다.
그리하여 압전 나노박막(20)이 자유지지된 기판(10)을 메인 챔버(200)에 고정한 후 기판(10)에 형성된 제1전극부(23)와 제2전극부(24)가 전압 인가부(400)의 터미널(42)에 연결되도록 할 수 있으며, 이에 따라 압전 나노박막(20)에 전압을 인가하기 위한 전기적인 연결을 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기 메인 챔버(200)의 일측에 구비되어 인가되는 진공 압력 및 전압에 따른 압전 나노박막(20)의 변형 또는 변위를 측정할 수 있는 측정 수단(600)인 원자현미경(Atomic force microscope) 또는 간섭계(Interferometer)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 상기한 바와 같은 측정 수단(600)을 이용하여 압전 나노박막(20)이 형성된 기판(10)이 메인 챔버(200)에 고정된 상태에서 자유지지된 압전 나노박막(20)의 초기 위치(높이)를 측정할 수 있고, 압전 나노박막(20)에 진공 압력이 가해진 상태에서 압전 나노박막(20)이 변형된 상태의 높이를 측정할 수 있으며, 이후 압전 나노박막(20)에 전압이 인가되어 변형된 상태의 높이를 측정할 수 있다. 그리하여 압전 나노박막이 변형된 정도(변위)를 측정함으로써 이를 이용해 압전 나노박막의 기계적인 물성 및 압전 물성을 산출할 수 있다.
[실시예 2] 물성 시험 방법
도 6 및 도 7은 압전 나노박막에 진공 압력이 가해지기 전 초기 상태와 진공이 가해진 후 변형된 상태를 나타낸 단면 개략도이며, 도 8은 압전 나노박막에 진공 압력이 가해진 상태에서 전압이 인가된 후 변형된 상태를 나타낸 단면 개략도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 압전 나노박막의 물성 시험 방법은, 상면에 압전 나노박막(20)이 형성된 기판(10)을 고정하는 단계(S10); 상기 기판(10)의 관통공(11) 내측을 미리 설정된 압력으로 진공을 형성하여 상기 압전 나노박막(20)이 관통공(11)의 내측으로 당겨지도록 하는 단계(S20); 측정 수단(600)인 원자현미경(Atomic force microscope) 또는 간섭계(Interferometer)를 이용하여 상기 압전 나노박막(20)이 관통공(11)의 내측으로 들어간 제1깊이(h1)를 측정하는 단계(S30); 상기 진공 압력에 의해 압전 나노박막(20)이 1차로 변형된 상태에서, 상기 압전 나노박막(20)에 상하방향으로 전압을 인가하여 압전 나노박막(20)이 2차로 변형되도록 하는 단계(S40); 및 측정 수단(600)인 원자현미경(Atomic force microscope) 또는 간섭계(Interferometer)를 이용하여 상기 압전 나노박막(20)이 관통공(11)의 내측으로 들어간 제2깊이(h2)를 측정하는 단계(S50);를 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 압전 나노박막(20)은 관통공(11)이 형성된 기판(10)에 밀착되어 관통공(11)에 의해 압전 나노박막(20)이 자유지지될 수 있으며, 기판(10)이 메인 챔버(200)에 밀착 고정되어 메인 챔버(200)의 중공부(211)가 기밀이 유지된 상태에서 진공 압력을 가해 관통공(11) 부분의 압전 나노박막(20)이 관통공(11)의 내측으로 당겨져 1차로 변형될 수 있다. 그리고 진공 압력에 의해 1차로 변형된 압전 나노박막(20)의 깊이(h1)를 측정한다. 이때, 압전 나노박막(20)은 진공 압력이 가해지기 전에 관통공(11)의 내측으로 약간 들어가 있는 상태일 수 있으므로 기판(10)이 메인 챔버(200)에 고정된 상태에서 관통공(11) 부분에 위치하는 압전 나노박막(20)의 초기 높이를 먼저 측정하고 이 초기 높이를 기준으로 진공 압력에 의해 1차로 변형된 압전 나노 박막(20)의 깊이(h1)를 측정할 수 있다. 이후 진공 압력이 가해진 상태에서 압전 나노박막(20)에 전압을 인가하여 압전 나노박막(20)이 2차로 변형되도록 하며 이때 변형된 압전 나노박막(20)의 깊이(h2)를 측정할 수 있다.
그리하여 압전 나노박막에 가해진 진공 압력 및 변형된 정도인 깊이(h1)를 이용해 압전 나노박막의 기계적인 물성인 인장강도(σ), 탄성계수(E) 및 푸아송비(ν) 등을 산출할 수 있으며, 진공 압력 및 깊이(h1,h2)를 이용해 압전 나노박막의 압전 물성을 정확하게 산출할 수 있다.
또한, 상기 S10단계는, 상기 압전 나노박막(20)의 상면에 형성된 상부 전극(21) 및 하면에 형성된 하부 전극(22)을 전압 인가부(400)에 연결하는 단계(S11)를 포함할 수 있다.
즉, 압전 나노박막(20)이 형성된 기판(10)을 메인 챔버(200)에 고정하여 자유지지된 압전 나노박막(20)에 진공 압력을 가할 수 있도록 한 상태에서, 압전 나노박막(20)에 전압을 인가할 수 있도록 압전 나노박막(20)의 상면에 형성된 상부 전극(21) 및 하면에 형성된 하부 전극(22)을 전압 인가부(400)의 터미널(420)에 연결할 수 있다.
또한, 상기 압전 나노박막(20)에 작용하는 진공 압력(p), 인가된 전압(V) 및 상기 측정된 제2깊이(h2)와 제1깊이(h1)의 차인 변형량(δ33)을 이용해, 입력을 전압으로 하고 출력을 변형으로 나타내는 압전상수인 d33 및 입력을 변형으로 하고 출력을 전압으로 나타내는 압전상수인 g33 을 산출하는 단계(S60)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
이때, 상기 압전상수 g33 은 아래의 식 1 또는 식 2를 이용해 산출될 수 있다.
Figure pat00005
(식 1)
Figure pat00006
(식 2)
여기에서, F는 외부에서 압전 나노박막에 작용하는 힘이고, A는 기판에 형성된 관통공의 수평방향 단면적이며, V는 압전 나노박막에 인가된 전압이며, t는 압전 나노박막의 두께이며, E는 압전 나노박막의 탄성계수이다. 이때, 상기 F는 가해지는 진공 압력 및 인가되는 전압에 의해 압전 나노박막에 작용되는 힘이 될 수 있다.
그리고 기판(10)에 형성된 관통공(11)의 단면적인 A는 사각형 단면인 경우 폭×길이(W×L)가 될 수 있으며, 원형 단면인 경우 π×D(D는 관통공의 직경)가 될 수 있다. 또한, 압전 나노박막(20)의 두께인 t는 압전 나노박막(20)의 상면과 하면에 형성된 상부 전극(21) 및 하부 전극(22)의 두께가 압전 나노박막(20)의 두께에 비해 상대적으로 매우 얇게 형성되므로 압전 나노박막(20) 자체의 두께만으로 계산될 수도 있으며, 상부 전극(21) 및 하부 전극(22)의 두께를 포함한 압전 나노박막(20)의 두께로 계산될 수도 있다.
또한, 상기 진공 및 전압에 의해 압전 나노박막에 작용하는 힘인 F는 아래의 식 1-1 및 식 1-2를 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00007
(식 1-1)
Figure pat00008
(식 1-2)
여기에서, σ33은 압전 나노박막에 두께방향으로 작용하는 수직응력이며, ε33은 압전 나노박막의 두께방향 변형률이다.
또한, 압전 나노박막(20)의 탄성계수인 E는 아래의 응력 계산식 및 변형률 계산식을 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00009
(응력계산식-원형)
Figure pat00010
(변형률 계산식-원형)
Figure pat00011
(응력계산식-사각형)
Figure pat00012
(변형률 계산식-사각형)
여기에서, 상기 p는 압전 나노박막에 작용하는 진공 압력이고, D는 관통공의 직경이며, t는 압전 나노박막의 두께이며, h는 진공 압력이 가해져 압전 나노박막이 변형된 상태에서 관통공의 내측으로 들어간 깊이인 h1이며, σ는 압전 나노박막에 두께방향으로 작용하는 응력이며, ε은 압전 나노박막의 두께방향 변형률이다. 또한, W는 관통공이 정사각형 단면인 경우의 폭 및 길이이다.{직사각형인 경우 W2은 폭×길이(W×L)로 대체될 수 있다.}
위의 계산식을 유효하게 하는 가정으로, 관통공의 직경에 해당하는 자유지지된 부분의 압전 나노박막의 반지름 D/2는 변형된 높이 h에 비교하여 매우 큰 값을 가져야 한다. 그리고 진공압력이 가해질 때, 자유지지된 관통공 주위의 압전 나노박막은 박리가 발생하지 말아야 한다.
또한, 상기 압전상수 d33 은 아래의 식 3을 이용해 산출될 수 있다.
Figure pat00013
(식 3)
여기에서, Q는 압전 나노박막에 인가된 전하량이다.
이때, 전하량 Q는 아래의 식 3-1 및 식 3-2를 통해 계산될 수 있다.
Figure pat00014
(식 3-1)
Figure pat00015
(식 3-2)
여기에서, C는 압전 나노박막의 커패시턴스(Capacitance)이고, V는 압전 나노박막에 인가된 전압이며, ε은 압전 나노박막의 유전율(permittivity) 이다.
또한, 상기 압전상수 d33 은 아래의 식 4를 이용해 산출될 수 있다.
Figure pat00016
(식 4)
여기에서, ε은 압전 나노박막의 유전율이다.
즉, 먼저 산출된 압전상수 g33 및 유전율인 ε을 이용해 압전상수 d33 을 산출할 수 있으며, 아래의 식 4-1을 통해 식 4를 도출할 수 있다.
Figure pat00017
(식 4-1)
또한, 상기 압전 나노박막(20)은, 전압을 인가하면 변형이 발생하고 외력을 가해 변형되도록 하면 전압이 발생하는 일반적인 압전 나노박막으로 g33 및 d33 을 모두 산출할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 압전 나노박막의 물성 시험 장치
10 : 기판 11 : 관통공
20 : 압전 나노박막
21 : 상부 전극 22 : 하부 전극
23 : 제1전극부 24 : 제2전극부
25 : 제2전극 연결부
100 : 베이스
200 : 메인 챔버
210 : 몸체 211 : 중공부
212 : 연결 포트 213 : 실링부재 안치홈
220 : 고정 플레이트 230 : 실링부재
300 : 진공 인가부
310 : 진공 발생기 320 : 솔레노이드 밸브
330 : 압력 센서 340 : 버퍼 챔버
350 : 리크 밸브
400 : 전압 인가부
410 : 고정부 420 : 터미널
500 : 제어부
600 : 측정 수단

Claims (9)

  1. 상측이 개방된 중공부가 형성되며 상기 중공부와 연통되는 연결 포트가 형성되는 몸체 및 상기 몸체의 개방된 상측에 압전 나노박막이 형성된 기판이 밀착되도록 고정하는 고정 플레이트를 포함하는 메인 챔버;
    상기 메인 챔버의 연결 포트에 연결되어 상기 중공부에 진공 압력을 인가하는 진공 인가부;
    상기 압전 나노박막의 상면에 형성된 상부 전극 및 하면에 형성된 하부 전극에 연결되어 상기 압전 나노박막에 전압을 인가하는 전압 인가부; 및
    상기 진공 인가부에 연결되어 상기 중공부에 가해지는 진공 압력을 조절하며, 상기 전압 인가부에 연결되어 압전 나노박막에 인가되는 전압을 조절하는 제어부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 나노박막의 물성 시험 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판에는 상하를 관통하는 관통공이 형성되며, 상기 기판이 상면에는 관통공의 일측에 이격되어 제1전극부가 형성되고 타측에 이격되어 제2전극부가 형성되며,
    상기 압전 나노박막은 관통공을 포함하는 기판의 상면에 밀착되어 상기 관통공에 의해 압전 나노박막이 기판에 자유지지되며, 상기 압전 나노박막의 하면에 형성된 하부 전극이 제1전극부에 밀착되고 상면에 형성된 상부 전극은 제2전극부에 별도로 연결되는 것을 특징으로 하는 압전 나노박막의 물성 시험 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메인 챔버의 일측에 구비되어 인가되는 진공 압력 및 전압에 따른 압전 나노박막의 변형 또는 변위를 측정할 수 있는 측정 수단인 원자현미경(Atomic force microscope) 또는 간섭계(Interferometer)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 나노박막의 물성 시험 장치.
  4. 상면에 압전 나노박막이 형성된 기판을 고정하는 단계(S10);
    상기 기판의 관통공 내측을 미리 설정된 압력으로 진공을 형성하여 상기 압전 나노박막이 관통공의 내측으로 당겨지도록 하는 단계(S20);
    측정 수단인 원자현미경(Atomic force microscope) 또는 간섭계(Interferometer)를 이용하여 상기 압전 나노박막이 관통공의 내측으로 들어간 제1깊이(h1)를 측정하는 단계(S30);
    상기 진공 압력에 의해 압전 나노박막이 1차로 변형된 상태에서, 상기 압전 나노박막에 상하방향으로 전압을 인가하여 압전 나노박막이 2차로 변형되도록 하는 단계(S40); 및
    측정 수단인 원자현미경(Atomic force microscope) 또는 간섭계(Interferometer)를 이용하여 상기 압전 나노박막이 관통공의 내측으로 들어간 제2깊이(h2)를 측정하는 단계(S50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 나노박막의 물성 시험 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 S10단계는, 상기 압전 나노박막의 상면에 형성된 상부 전극 및 하면에 형성된 하부 전극을 전압 인가부에 연결하는 단계(S11)를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 나노박막의 물성 시험 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 압전 나노박막에 작용하는 진공 압력(p), 인가된 전압(V) 및 상기 측정된 제2깊이(h2)와 제1깊이(h1)의 차인 변형량(δ33)을 이용해, 입력을 전압으로 하고 출력을 변형으로 나타내는 압전상수인 d33 및 입력을 변형으로 하고 출력을 전압으로 나타내는 압전상수인 g33 을 산출하는 단계(S60)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 나노박막의 물성 시험 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압전상수 g33 은 아래의 식 1 또는 식 2를 이용해 산출되는 것을 특징으로 하는 압전 나노박막의 물성 시험 방법.
    Figure pat00018
    (식 1)
    Figure pat00019
    (식 2)
    {여기에서, F는 외부에서 압전 나노박막에 작용하는 힘, A는 기판에 형성된 관통공의 수평방향 단면적, t는 압전 나노박막의 두께, E는 압전 나노박막의 탄성계수}
  8. 제6항에 있어서,
    상기 압전상수 d33 은 아래의 식 3을 이용해 산출되는 것을 특징으로 하는 압전 나노박막의 물성 시험 방법.
    Figure pat00020
    (식 3)
    {여기에서, Q는 압전 나노박막에 인가된 전하량}
  9. 제7항에 있어서,
    상기 압전상수 d33 은 아래의 식 4를 이용해 산출되는 것을 특징으로 하는 압전 나노박막의 물성 시험 방법.
    Figure pat00021
    (식 4)
    {여기에서, ε은 압전 나노박막의 유전율}
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