KR20200138488A - 압전체, 압전체를 포함하는 압전 소자, 압전 소자를 포함하는 진동 모듈 및 표시장치 - Google Patents

압전체, 압전체를 포함하는 압전 소자, 압전 소자를 포함하는 진동 모듈 및 표시장치 Download PDF

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Abstract

본 명세서의 실시예는, 하기 화학식 1로 표현되는 압전체, 압전체를 포함하는 압전 소자, 압전 소자를 포함하는 진동 모듈 및 압전 소자를 포함하는 표시장치를 제공한다.
[화학식 1]
(1-x)(LizNa0 .5- zK0 .5)(Nb1 - ySby)O3·xCaZrO3
여기서, 상기 x, y, 및 z는 각각 0.001 ≤ x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2 의 범위이다.

Description

압전체, 압전체를 포함하는 압전 소자, 압전 소자를 포함하는 진동 모듈 및 표시장치{PIEZOELECTRIC ELEMENT, PIEZOELECTRIC DEVICE COMPRISING THE PIEZOELECTRIC ELEMENT, VIBRATING MODULE COMPRISING THE PIEZOELECTRIC DEVICE, AND DISPLAY APPARTUS COMPRISING THE PIEZOELECTRIC DEVICE}
본 명세서는 압전체, 압전체를 포함하는 압전 소자, 압전 소자를 포함하는 진동 모듈 및 표시장치에 대한 것이다.
표시장치는 영상을 표시하는 표시패널 및 소리를 제공하는 스피커를 포함한다. 표시장치에 스피커를 배치할 경우, 스피커가 공간을 차지하게 되므로 표시장치의 디자인 및 공간 배치에 제약이 발생될 수 있다.
표시장치에 적용되는 스피커로, 예를 들면, 마그네트와 코일을 포함하는 액츄에이터가 있다. 그러나, 액츄에이터를 표시장치에 적용할 경우, 표시장치의 두께가 두꺼워지는 단점이 있다. 이에, 얇은 두께를 구현할 수 있는 압전체 및 압전 소자가 표시장치의 스피커로 주목을 받고 있다.
본 명세서의 일 실시예는 납(Pb)을 포함하지 않으면서도 우수한 압전 특성을 갖는 압전체를 제공하고자 한다.
본 명세서의 다른 실시예는 압전체를 포함하는 압전 소자를 제공하고자 한다.
본 명세서의 다른 실시예는 압전 소자를 포함하는 진동 모듈 및 표시장치를 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시예는, 하기 화학식 1로 표현되는 압전체를 제공한다.
[화학식 1]
(1-x)(LizNa0 .5- zK0 .5)(Nb1 - ySby)O3·xCaZrO3
여기서, x, y, 및 z는 각각 0.001≤x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2 의 범위이다.
본 명세서의 다른 실시예는, 제1 전극, 제1 전극 상의 압전체 층 및 압전체 상의 제2 전극을 포함하며, 압전체 층은 압전체를 포함하며, 압전체는 상기 화학식 1로 표현되는 압전 소자를 제공한다.
본 명세서의 다른 실시예는, 제1 전극, 제1 전극 상의 압전체 층, 압전체 층 상의 제2 전극 및 제2 전극 상의 진동부재를 포함하며, 압전체 층은 압전체를 포함하며, 압전체는 상기 화학식 1로 표현되는 진동모듈을 제공한다.
본 명세서의 다른 실시예는, 표시패널 및 표시패널에 실장된 압전 소자를 포함하며, 압전 소자는 제1 전극, 제1 전극 상의 압전체 층 및 압전체 상의 제2 전극을 포함하고, 압전체 층은 압전체를 포함하며, 압전체는 상기 화학식 1로 표현되는 표시장치를 제공한다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 압전체는 납(Pb)을 포함하지 않으면서도 우수한 압전 특성을 가지며, 고온에서도 우수한 압전 특성을 유지할 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 압전체를 구성하는 금속 원소들의 함량을 조절하여, 압전체의 상전이 온도를 변화시킬 수 있고, 압전체의 상공존 온도를 이동시켜 원하는 온도에서 압전체에 상공존 영역이 형성되도록 할 수 있다. 따라서, 본 명세서의 실시예에 따르면, 사방정계(Orthorhombic), 정방정계(Tetragonal) 및 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조의 상공존 경계(morphotorpic phase boundary, MPB)를 이동시켜, 상온에서 상공존 영역이 형성되도록 함으로써, 납(Pb)을 포함하지 않으면서도 우수한 압전 특성을 갖는 압전체 및 이를 포함하는 표시장치를 제공할 수 있다.
위에서 언급된 효과 외에도, 본 명세서의 다른 특징 및 이점들이 이하에서 기술되거나, 그러한 기술 및 설명으로부터 본 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 결정구조에 따른 분극 방향을 예시하는 도면이다.
도 2는 PPB(polymorphic phase boundary)를 설명하는 도면이다.
도 3a 내지 3i는 실험예 1 및 본 명세서의 실시예에 따른 압전체에 대한 온도-유전상수(dielectric constant) 그래프이다.
도 4는 실험예 1 및 본 명세서의 실시예에서 x 값 변화에 따른 압전 상수(d33)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 5o는 본 명세서의 실시예에 따른 압전체에 대한 온도-유전상수(dielectric constant) 그래프이다.
도 6은 본 명세서의 실시예에서 y 값 변화에 따른 압전 상수 (d33)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 어닐링 온도에 따른 압전체의 압전 상수(d33)의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 8a 내지 8e는 본 명세서의 실시예에서 제조된 압전체에 대한 온도-유전상수 그래프이다.
도 9는 본 명세서의 실시예에서 z 값 변화에 따른 압전 상수(d33)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 10은 어닐링 온도에 따른 압전체의 압전 상수(d33)의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 11은 본 명세서의 다른 실시예에 따른 압전 소자에 대한 단면도이다.
도 12는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 압전 소자에 대한 단면도이다.
도 13은 본 명세서의 다른 실시예에 따른 진동 모듈에 대한 사시도이다.
도 14는 도 13의 I-I'를 따라 자른 단면도이다.
도 15는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치에 대한 사시도이다.
도 16a는 도 15의 II-II'를 따라 자른 단면도이다.
도 16b는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치의 단면도이다.
도 17은 본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치의 단면도이다.
본 명세서의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 명세서는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 본 실시예들은 단지, 본 명세서의 개시가 완전하도록 하며, 본 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 명세서는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서의 실시예들을 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로, 본 명세서가 도면에 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 구성 요소는 동일 참조 부호로 지칭될 수 있다. 또한, 본 명세서를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명은 생략된다.
본 명세서에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소가 단수로 표현된 경우, 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수 있다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below, beneath)", "하부 (lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해 되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 마찬가지로, 예시적인 용어인 "위" 또는 "상"은 위와 아래의 방향을 모두 포함할 수 있다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이라는 표현이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 명세서의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
"적어도 하나"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및 제 3 항목 중에서 적어도 하나"의 의미는 제1 항목, 제2 항목 또는 제 3 항목 각각 뿐만 아니라 제1 항목, 제2 항목 및 제 3 항목 중에서 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미할 수 있다.
본 명세서의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시될 수도 있다.
본 명세서의 실시예들을 설명하는 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다.
도 1은 결정구조에 따른 분극 방향을 예시하는 도면이다.
페로브스카이트 결정 구조는 외부 응력 또는 자기장에 의하여 중앙 이온의 위치가 변동되어 분극(polarization)이 변화되고, 분극의 변화에 따라 압전 효과가 발생될 수 있다. PbTiO3로 이루어진 페로브스카이트 결정 구조의 경우, 중앙 이온인 Ti 이온의 위치가 변동되어 분극(polarization)이 변화하여, 압전 효과가 발생될 수 있다. 예를 들면, 페로브스카이트 결정 구조는 외부 응력 또는 자기장에 의해 대칭인(symmetric) 구조인 정육면체(cubic) 형상에서 대칭이 아닌(unsymmetric) 구조인 정방정계(tetragonal), 사방정계(orthorhombic) 및 능면체(rhombohedral) 등의 형상으로 변함으로써 압전 효과를 발생할 수 있다. 대칭이 아닌 구조를 갖는 정방정계(tetragonal) 및 능면체(rhombohedral)의 상전이 경계(Morphotropic Phase Boundary; MPB)에서 분극이 높고, 분극의 재배열이 용이하므로 높은 압전 특성을 가질 수 있다.
도 1을 참조하면, 능면체(rhombohedral) 구조에서는 [111] 방향(실선 화살표 방향)으로 분극이 정렬될 수 있으며, 정방정계(Tetragonal) 구조에서는 [001] 방향 (점선 화살표 방향)으로 분극이 정렬될 수 있다. 능면체(rhombohedral) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조로 된 두 개의 상이 공존하는 경우, [111] 방향과 [001] 방향 모두에서 분극이 형성될 수 있다. 따라서, 압전체에 복수의 상이 공존하는 경우, 압전체에 전기장이 인가되어 분극이 정렬될 때, 압전체가 하나의 상을 가지는 경우보다 인가된 전기장의 방향에 더 가깝게 분극의 정렬이 이루어질 수 있다. 따라서, 압전체가 복수의 상이 공존하는 상전이 경계(MPB)를 가지는 경우, 분극 방향의 이동이 더 자유롭기 때문에, 압전체가 보다 큰 압전상수를 가질 수 있다. 이와 같이, 압전체가 큰 압전상수를 가지는 경우, 전계 방향으로의 변위가 증가하기 때문에, 우수한 진동 특성을 갖는다. 따라서, 압전체는 다양한 진동소자 또는 진동소자를 포함하는 표시장치에 적용될 수 있다.
따라서, 진동 특성을 향상시키기 위해서 복수의 상이 공존하는 경계인 상전이 경계(morphotropic phase boundary; MPB)에 해당하는 압전체를 구성하여야 한다. 압전체에 복수의 상이 공존하는 경우, 분극이 효율적으로 이루어질 수 있으므로, 전계가 인가되는 경우 소정의 방향, 예를 들어, 두께 방향(z 방향)으로의 압전체의 변위가 증가될 수 있다. 따라서, 압전체가 큰 압전상수(piezoelectric constant, d33)를 가질 수 있다. 큰 압전상수를 가지는 압전체는 적은 전력으로도 큰 진동을 발생시킬 수 있기 때문에 압전체가 적용된 제품의 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 큰 압전상수를 가지는 압전체는 작은 두께로도 큰 진동을 발생시킬 수 있기 때문에 압전체가 적용된 제품의 두께를 감소시킬 수 있다.
높은 압전 상수를 갖는 압전체는 PZT(Lead Zirconium Titanate, Pb-Zr-Ti) 계열의 세라믹을 예로 들 수 있다. PZT 계열의 세라믹으로 된 압전체는 높은 압전 특성을 가지지만, 납(Pb)을 포함하고 있으므로, 환경 오염의 문제를 가지고 있다.
납(Pb)을 포함하지 않는(lead free) 압전체는, BCT-BZT(Barium Zirconate Titanate-Barium Calcium Titanate 계열의 세라믹을 예로 들 수 있다. 그러나, BCT-BZT 계열의 세라믹으로 이루어진 압전체는 낮은 퀴리온도(Tc)를 가지기 때문에 우수한 압전특성을 가지는데 한계가 있다. 납(Pb)을 포함하지 않는(lead free) 압전체의 다른 예로, Na-K-Nb계(NKN계)의 세라믹 물질로 된 압전체가 있다. NKN계 세라믹 물질로 된 압전체는 낮은 압전특성으로 인하여 표시장치에 적용하는데 어려움이 있다.
압전특성을 나타내는 압전 상수는 상공존 온도에 영향을 받는다. 압전체의 상전이 온도를 변화시킴으로써 상공존 온도를 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 원하는 온도에서 압전체에 상공존 영역이 형성되도록 할 수 있다. 이와 같이, 상공존 온도를 이동시켜 원하는 온도에서 상공존 영역이 형성되는 것 또는 복수 개 상의 경계를 PPB(polymorphic phase boundary)라고 한다. PPB가 형성되는 경우, 한 물질에 여러 개의 상이 공존할 수 있다. 이에 대해서 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 PPB(polymorphic phase boundary)를 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 능면체(rhombohedron) 구조와 사방정계(Orthorhombic) 구조의 상공존 온도(TR-O) 및 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존 온도(TO-T)를 이동시킬 수 있다. 상공존 온도(TR-O, TO-T)의 이동에 의해 능면체(rhombohedral) 구조와 사방정계(Orthorhombic) 구조 사이의 상공존 경계 및 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조 사이의 상공존 경계가 상온(Room Temperature)에서 서로 만나도록 함으로써, 상온에서 PPB(polymorphic phase boundary)가 형성되도록 할 수 있다. 이에 의해, 압전체가 상온에서 우수한 압전특성을 가질 수 있다.
압전체의 조성의 변화에 따라 상공존 경계가 변하면서 PPB가 형성되며, PPB가 형성된 온도에서 압전체는 여러 상(phase)이 공존하는 상태를 가지게 된다. 이러한 압전체는 각각의 상에 대응되는 분극 방향을 가질 수 있다. 또한, 압전체의 조성을 조절하여 고온에서도 PPB가 유지되도록 함으로써, 압전체가 고온에서도 우수한 압전특성을 가지도록 할 수 있다.
본 명세서의 발명자들은, 압전체가 사방정계(Orthorhombic), 정방정계(Tetragonal), 능면체(rhombohedral), 및 의사 입방정계(Pseudocubic) 등의 여러 구조를 가질 경우, 압전 특성이 향상됨을 인식하였다. PZT 계열의 세라믹은 우수한 압전 특성을 가지고 있으나, 납을 포함하고 있으므로 환경오염의 문제가 있다. Na-K-Nb(NKN)계열의 세라믹은 사방정계(Orthorhombic) 구조를 가지나, PZT 계열의 세라믹과 비교하여 압전 특성이 낮음을 인식하였다. 그리고, 압전상수는 온도에 영향을 받게 되며, PZT 계열의 세라믹 및 Na-K-Nb(NKN)계열의 세라믹은 높은 온도에서 압전특성을 유지하기는 어렵다는 것을 인식하였다.
이에 본 명세서의 발명자들은 큰 압전상수를 갖고, PPB구조를 가질 수 있으며, 고온에서 압전특성을 가질 수 있는 압전체에 대한 여러 실험을 하였다. 여러 실험을 통하여 큰 압전상수를 갖고, PPB구조를 가질 수 있으며, 고온에서 압전특성을 가질 수 있는 새로운 구조의 압전체를 발명하였다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 납을 포함하지 않으며, 사방정계(Orthorhombic) 구조를 갖는 Na-K-Nb(NKN)계열의 압전체로 구성하여 실험을 하였다. 사방정계(Orthorhombic) 구조를 가질 경우, 정방정계(Tetragonal) 구조, 능면체(rhombohedral) 구조, 및 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조 등으로 상공존 온도를 이동시킬 수 있다. 예를 들면, Na-K-Nb(NKN)계열의 압전체는 Na0.5K0.5NbO3일 수 있다. Na-K-Nb(NKN)계열의 압전체에서 나트륨(Na)과 칼륨(K)이 몰비가 0.5일 경우에 여러 개의 상이 공존할 수 있음을 인식하였다. 예를 들면, 사방정계(Orthorhombic), 정방정계(Tetragonal), 능면체(rhombohedral), 및 의사 입방정계(Pseudocubic) 등의 여러 개의 상이 공존하는 것은 PPB구조를 가질 수 있다. 여러 실험을 통하여, 압전특성을 향상시키기 위해서 Na-K-Nb(NKN)계열에 Ca-Zr(CZ)을 추가할 경우 압전상수가 향상됨을 알 수 있었다. 이에 대해서 도 3a 내지 3i 및 도 4를 참조하여 설명한다.
도 3a 내지 도 3i는 본 명세서의 실험예 1 및 실시예에 따른 압전체의 유전상수(dielectric constant)를 측정한 그래프이다. 도 4는 본 명세서의 실험예 1 및 실시예에 따른 압전체의 압전 상수(d33)를 측정한 도면이다.
도 3a 내지 도 3i와 도 4는 아래에 설명하는 압전체를 구성하여 유전상수 및 퀴리온도(Tc)를 측정하였다. 압전체의 제조 방법이 본 명세서의 내용을 제한하는 것은 아니다. 그리고, 압전체를 제조하는 시간, 온도, 및 메쉬의 크기 등이 본 명에서의 내용을 제한하는 것은 아니다. 이에 대한 내용은 도 5a 내지 도 5o, 도 6, 도 7, 도 8a 내지 8e, 도 9 및 도 10에도 동일하게 적용될 수 있다. 그리고, 퀴리 온도(Tc)는, 임피던스 애널라이저(Zurich Instruments, Impedance Analyzer)를 이용한 유전 상수의 온도 특성 측정에서, 비유전율의 극대 온도로부터 산출되었다.
압전체를 제조하기 위하여, 파우더 상태의 산화물인 Na2CO3, K2CO3, Nb2O5, Li2CO3, Sb2O5, CaCO3, 및 ZrO2를 해당 조성의 몰비에 맞게 평량하여 나일론 자(jar)에 넣고, 여기에 용매인 에탄올을 혼합하였다(배치 및 평량). 파우더 상태의 산화물은 압전체에 따라 다르게 구성할 수 있다. 예를 들면, Na0.5K0.5NbO3를 제조할 경우에는 Na2CO3, K2CO3, 및 Nb2O5로 구성할 수 있다.
다음, 파우더 상태의 산화물과 용매인 에탄올을 24시간 동안 볼밀링하여 혼합물을 제조하였다(1차 볼밀링).
다음, 24시간 동안 볼밀링된 혼합물을 디쉬에 담아, 100℃의 온도로 약 3시간 동안 건조시켰다(건조).
건조된 혼합물을 유발로 잘게 갈고, 전기로에 넣고 850℃의 온도로 3시간 하소하여 상합성된 파우더를 제조하였다(상합성).
상합성된 파우더와 CuO를 혼합하고, 입자를 작게 만들기 위하여 용매인 에탄올을 첨가하고 72시간동안 볼밀링하여 혼합물을 제조하였다(2차 볼밀링). CuO의 함량은, 화학식 1의 100 중량부에 대하여, 1 중량부가 되도록 하였다.
72시간 동안 볼밀링된 혼합물을 디쉬에 넣고 100℃의 온도로 약 3시간 동안 건조시켰다(건조).
40메시(mesh)의 크기를 갖는 채를 이용하여, 유발로 잘게 간 건조된 파우더를 걸러낸 후, 40메시(mesh) 이하의 입자 크기를 갖는 입자들로 이루어진 파우더를 얻었다(선별).
선별된 파우더를 원형 모양의 성형 몰드에 넣고, 100kg/f 로 가압 압축하여 성형체를 제조였다(압축성형).
성형체를 약 1,020℃ 내지 1,120℃의 온도 범위에서 6시간 동안 소결하여 시편을 제작하였다(소결).
소결된 시편에 전계를 가하여 분극을 정렬시켰다(폴링). 이에 의해, 본 명세서의 실험예 1 및 실시예에 따른 압전체가 제조되었다.
도 3a 내지 도 3i는 아래의 화학식 2로 구성하였으며, CaZrO3의 양에 따라 온도에 따른 유전 상수를 측정하였다. 도 4는 CaZrO3의 양에 따른 압전상수(d33)를 측정한 결과를 나타낸다. 예를 들면, 도 3a는 실험예이며, x가 0이다. 도 3b 내지 도 3i는 본 명세서의 실시예 1 내지 8이며, x가 각각 0.01 내지 0.08일 수 있다.
[화학식 2]
(1-x)(Na0.5K0.5NbO3)·xCaZrO3
화학식 2가 고온에서 소결될 때, 나트륨(Na)과 칼륨(K)은 고온에서 Na2O 및 K2O로 각각 휘발할 수 있다. 이에 의해, 정확한 평량을 하더라도, 소결 과정에서의 나트륨(Na)과 칼륨(K)의 손실로 인해, 원하는 나트륨(Na)과 칼륨(K)의 조성을 갖는 압전체를 제조하기 어려운 문제점이 있음을 인식하였다. 따라서, 본 명세서의 발명자들은 소결온도를 낮추어, 휘발되는 나트륨(Na)과 칼륨(K)의 양을 줄임으로써, 소결 후 나트륨(Na)과 칼륨(K)의 양이 줄어드는 것을 방지 수 있는 방법을 찾기 위한 여러 실험을 하였다. 여러 실험을 거쳐, CuO가 첨가되는 경우, 압전체의 소결 온도가 낮아짐을 인식하였다. 나트륨(Na)과 칼륨(K)의 휘발하는 양이 크게 줄어들어, 소결 후 나트륨(Na)과 칼륨(K)의 조성비가 소정의 비로 유지될 수 있음을 알 수 있었다. 따라서, 도 3a 내지 도 3i에서 CuO가 1중량비(mol %)로 포함될 수 있다. 예를 들면, CuO의 함량은, 화학식 2의 100 중량부에 대하여, 1 중량부일 수 있다.
표 1은 실험예 1 및 본 명세서의 실시예 1 내지 8에서 제조된 압전체에 있어서, x값에 따른 압전상수(d33) 및 퀴리온도(Tc)의 측정결과를 나타낸다.
구분 X d33 (pC/N) Tc (℃)
실험예 1 0 108 416
실시예 1 0.01 101 388
실시예 2 0.02 113 367
실시예 3 0.03 161 335
실시예 4 0.04 168 318
실시예 5 0.05 171 303
실시예 6 0.06 82 282
실시예 7 0.07 52 238
실시예 8 0.08 37 201
도 3a 내지 3i에서 "TO-T"는 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존 온도를 나타낸다. 도 3a 내지 도 3i에서 도시한 바와 같이, CaZrO3의 함량이 증가할수록 압전체의 퀴리온도(Tc)가 감소하며, 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존 온도(TO-T)가 상온에 가깝게 이동할 수 있다. 이에 의해, 압전체의 압전상수(d33)와 전기기계 결합계수의 값이 커질 수 있다. 이는 CaZrO3가 NKN계열에 고용되면서 국부적으로 격자 결함이 유발되어 나타날 수 있다. 전기기계 결합계수(k33)는 인가된 전기에너지 대비 변화된 전기에너지의 비율일 수 있다. 따라서, CaZrO3의 함량인 x가 0.001보다 작은 경우에는 압전체의 퀴리온도(Tc)가 상승함을 알 수 있다. 또한, 도 3g 내지 도 3i에 도시한 바와 같이, CaZrO3의 함량이 6mol% 이상, 예를 들면, x가 0.06 이상이 될 경우 압전상수가 급격히 낮아지며 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존영역, 예를 들면, TO-T 영역이 사라지고, 상온에서 큐빅(cubic) 구조로 상전이가 일어남을 알 수 있다. 따라서, CaZrO3가 과량 치환될 경우 유전상수가 저하됨을 알 수 있으며, 이에 의해 압전체의 압전특성이 저하됨을 알 수 있다.
도 4에서 압전 상수는 1020℃ 내지 1060℃의 소결 온도에서 6시간 동안 소결하여 측정한 것이며, 소결 온도 및 소결 시간이 본 명세서의 내용을 제한하는 것은 아니다. 압전상수(d33)는, d33 미터(APCI Wide Range d33 Tester)를 사용하여, 0.25Nrms의 힘을 가할 때 발생되는 전하량으로 측정하였다.
도 4에 도시한 바와 같이, Na-K-Nb(NKN)계열에 Ca-Zr(CZ) 계열이 4 mol%(x = 0.04) 정도 포함된 경우, 순수 NKN계열과 비교하여, 약 160pC/N의 압전상수를 가짐을 알 수 있다.
따라서, 본 명세서의 발명자들은 CuO는 압전체의 소결 온도를 낮추는 저온 소결제 역할을 할 수 있음을 인식하였다. 그리고, 압전특성을 향상시키기 위해서 CaZrO3의 함량은 과량으로 첨가하지 않아야 함을 인식하였다. 예를 들면, CaZrO3의 함량은 5mol% 이하, 예를 들면, x가 0.05이하일 경우, 압전특성이 향상될 수 있다.
압전상수가 150pC/N 이상 또는 200pC/N이상일 경우, 압전체는 충분한 압전특성을 가질 수 있으며, 표시장치 또는 진동모듈에 적용될 수 있다. 여러 실험을 통하여 본 명세서의 발명자들은 압전상수를 향상시키기 위해서, NKN계열의 주변에 안티몬(Sb)이 구성될 수 있음을 인식하였다. 예를 들면, 니오븀(Nb)의 일부가 안티몬(Sb)으로 치환될 수 있다. 안티몬(Sb)은 원자크기가 유사한 니오븀(Nb)과 치환될 수 있다. 유사한 원자크기로 치환될 경우 퀴리온도(Tc)를 급격히 감소시킬 수 있으므로, 상온에서 PPB형성에 유리할 수 있다. 이에 대해서 도 5a 내지 도 5o, 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다.
도 5a 내지 도 5o는 본 명세서의 실시예에 따른 압전체의 유전상수(dielectric constant)를 측정한 그래프이다. 도 6은 본 명세서의 실시예에 따른 압전체의 압전상수(d33)를 측정한 도면이다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 니오븀(Nb)의 일부가 안티몬(Sb)으로 치환될 수 있으며, 압전체는 아래의 화학식 3와 같이 표현될 수 있다. 압전체의 제조방법은 도 3a 내지 3i에서 설명한 내용과 동일하다. 그리고, 본 명세서의 실시예 9 내지 실시예 23에서는 x값이 0.03인 경우를 예로 들어 설명한다. x값이 0.03인 경우에 y값에 따른 압전상수(d33) 및 퀴리온도(Tc)를 측정하였다.
[화학식 3]
(1-x)(Na0.5K0.5)(Nb1-ySby)O3·xCaZrO3
표 2는 본 명세서의 실시예 9 내지 실시예 23에서 제조된 압전체의 x, y값과 압전상수(d33) 및 퀴리온도(Tc)의 측정결과를 나타낸다. 그리고, 도 3a 내지 3i에서 설명한 바와 같이, 소결온도를 낮추기 위해서 CuO가 1중량비(mol %)로 포함될 수 있다.
구분 x y d33 (pC/N) Tc (℃)
실시예 9 0.03 0.01 152 313
실시예 10 0.03 0.02 166 286
실시예 11 0.03 0.03 186 248
실시예 12 0.03 0.04 207 212
실시예 13 0.03 0.05 238 196
실시예 14 0.03 0.06 286 152
실시예 15 0.03 0.065 328 141
실시예 16 0.03 0.07 341 134
실시예 17 0.03 0.075 411 103
실시예 18 0.03 0.08 406 102
실시예 19 0.03 0.085 489 84
실시예 20 0.03 0.09 518 88
실시예 21 0.03 0.095 486 59
실시예 22 0.03 0.10 314 61
실시예 23 0.03 0.11 122 50
도 5a 내지 5o에서 "TO-T"는 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존 온도를 나타내고, "TO-P"는 사방정계(Orthorhombic) 구조와 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조의 상공존 온도를 나타낸다.
표 2, 도 5a 내지 5o 및 도 6을 참조하면, 니오븀(Nb)의 일부가 안티몬(Sb)에 의하여 치환되어 안티몬(Sb)이 니오븀(Nb)의 자리에 고용됨에 따라, 퀴리온도(Tc)는 급격히 낮아지고, 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존 온도(TO-T)는 상대적으로 천천히 낮아짐을 알 수 있다. 안티몬(Sb)의 함량이 증가하면, 정방정계(Tetragonal) 구조의 영역이 점차 좁아지게 되고, 어느 정도의 함량(y=0.08)에 도달하면(실시예 18) 정방정계(Tetragonal) 구조의 영역이 사라지게 된다.
도 5a 내지 5o를 참조하면, 압전체는, y=0.02가 될 때까지(실시예 9 및 10) 사방정계(Orthorhombic) 구조를 가지며, 0.02<y≤0.06의 범위(실시예 11 내지 14)에서 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존 구조(Orthorhombic-Tetragonal PPB)를 가질 수 있다. 0.06<y<0.08의 범위(실시예 15 내지 실시예 17)에서 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal)와 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조의 상공존 구조(Orthorhombic-Tetragonal-Pseudocubic PPB)를 가지며, 0.08≤y<0.095의 범위(실시예 18 내지 실시예 20)에서 사방정계(Orthorhombic) 구조와 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조의 상공존 구조(Orthorhombic-Pseudocubic PPB)를 가질 수 있다. y=0.095 이상(실시예 21 내지 실시예 23)일 때 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, y가 0.2를 초과할 경우에는 상 자체가 사라지게 되므로, 압전특성이 사라질 수 있다. 예를 들면, y가 0.07 내지 0.2일 경우 퀴리온도(Tc)가 낮아질 수 있다.
도 7은 본 명세서의 실시예에서 어닐링 온도에 따른 압전체의 압전 상수(d33)를 측정한 도면이다. 예를 들면, 도 7은 본 명세서의 실시예 19, 20 및 21에 따른 압전체의 압전상수(d33)를 측정한 도면이다.
도 7을 참조하면, 안티몬(Sb)의 양을 나타내는 y가 0.09인 실시예 20의 압전체는 약 518 pC/N의 높은 압전 상수를 가짐을 알 수 있다. 높은 압전 상수를 갖는 실시예 20의 압전체는 약 88℃의 어닐링(annealing) 온도를 갖는다는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 7에 도시한 바와 같이, 100℃ 이하의 어닐링 온도에서 압전 상수가 약 500 pC/N 임을 알 수 있다. 예를 들면, 압전체를 모바일 표시장치 등에 적용할 경우 신뢰성 측정의 온도가 80℃이므로, 낮은 어닐링 온도에서 압전특성을 가질 경우 유리할 수 있다. 본 명세서의 실시예에 따른 압전체는, 표시장치의 신뢰성 측정의 온도(80℃)에서도 우수한 압전 특성을 유지할 수 있다.
따라서, 안티몬(Sb)을 NKN계열에 추가할 경우, 압전 상수가 증가할 수 있다. 예를 들면, 안티몬(Sb)의 양인 y가 0.02≤y≤0.06의 범위에서 상공존 구조를 가질 수 있으므로, 압전 특성이 향상될 수 있다.
도 5a 내지 5o, 도 6 및 도 7에서 설명한 바와 같이, 안티몬(Sb)을 추가할 경우 압전 상수는 증가할 수 있으나, 정방정계(Tetragonal) 구조의 영역이 좁아지게 되므로, 상공존 구조인 TO-T 구조를 형성하기 어려운 문제점이 있었다. 이에 본 명세서의 발명자들은 여러 실험을 거쳐 정방정계(Tetragonal) 구조의 영역을 구현하기 위해서 리튬(Li)을 추가하는 구조를 발명하였다. 예를 들면, 낮은 퀴리온도를 갖는 안티몬(Sb)의 양인 0.07≤y≤0.2의 범위에서 정방정계(Tetragonal) 구조의 영역을 구현하기 위해서 리튬(Li)을 추가하는 구조를 발명하였다. 리튬(Li)을 추가할 경우, 원자크기가 유사한 나트륨(Na)이 리튬(Li)으로 치환될 수 있다. 예를 들면, Li와 Na의 함량의 합은 K의 함량과 동일할 수 있다. 리튬(Li)을 칼륨(K)에 추가할 경우, 칼륨(K)이 리튬(Li)으로 치환되기 어려울 수 있다. 유사한 원자크기를 갖는 원자로 치환이 이루어질 경우 다른 크기를 갖는 원자로 치환되는 경우와 비교하여 퀴리온도(Tc)의 증가폭이 크므로, 상온에서 PPB형성이 유리할 수 있다. 이에 대해서 도 8a 내지 8e, 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한다.
도 8a 내지 도 8e는 본 명세서의 실시예에 따른 압전체의 유전 상수(dielectric constant)를 측정한 그래프이다. 도 9는 본 명세서의 실시예에 따른 압전체의 압전 상수(d33)를 측정한 도면이다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 나트륨(Na)의 일부가 리튬(Li)으로 치환될 수 있으며, 아래의 화학식 1과 같이 표현될 수 있다. 압전체의 제조방법은 도 3a 내지 3i에서 설명한 내용과 동일하다. 그리고, 본 명세서의 실시예 24 내지 실시예 28에서는 x값이 0.03이고, y값이 0.11인 경우를 예로 들어 설명한다. x값이 0.03이고, y값이 0.11인 경우에 z값에 따른 압전상수(d33) 및 퀴리온도(Tc)를 측정하였다.
[화학식 1]
(1-x)(LizNa0.5-zK0.5)(Nb1-ySby)O3·xCaZrO3
화학식 1에서 Li와 Na의 함량의 합은 K의 함량과 동일할 수 있다.
표 3은 실시예 24 내지 28에서 제조된 압전체의 x, y, z 값과 압전 상수(d33) 및 퀴리 온도(Tc)의 측정결과를 나타낸다.
구분 X y Z d33 (pC/N) Tc (℃)
실시예 24 0.03 0.11 0.01 204 52
실시예 25 0.03 0.11 0.02 416 66
실시예 26 0.03 0.11 0.03 479 101
실시예 27 0.03 0.11 0.04 502 143
실시예 28 0.03 0.11 0.05 316 155
표 3에서 x는 모두 0.03이고, y는 모두 0.11이므로, 압전체는 하기 화학식 4로 표현될 수 있다.
[화학식 4]
0.97(LizNa0.5-zK0.5)(Nb0.89Sb0.11)O3·0.03CaZrO3
도 8a 내지 8e에서 "TO-T"는 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존 온도를 나타내고, "TO-P"는 사방정계(Orthorhombic) 구조와 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조의 상공존 온도를 나타낸다.
도 9는 본 명세서의 실시예 24 내지 28에서 제조된 압전체에 있어서, z 값 변화에 따른 압전 상수(d33)를 측정한 도면이다.
표 3 및 화학식 4에서, "z"는 나트륨(Na)이 리튬(Li)에 의하여 치환된 정도를 나타낸다.
본 명세서의 실시예 24 내지 실시예 28에서는 정방정계(Tetragonal) 구조를 구현하기 위해, 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조를 갖는 실시예 23의 압전체 조성(x=0.03, y=0.11)에 대하여, 나트륨(Na)의 자리에 리튬(Li)을 고용하여 압전체를 제조하였다.
표 3, 도 8a 내지 8e, 및 도 9를 참조하면, 나트륨(Na)과 치환된 리튬(Li)의 함량이 증가하면, 압전체에서 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조에서 정방정계(Tetragonal) 구조가 되살아나고, 그에 따라 퀴리 온도(Tc)가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 도 8a 내지 8e를 참조하면, 리튬(Li)의 함량을 나타내는 z가 0.02 내지 0.03일 때(실시예 25 및 26) 사방정계(Orthorhombic) 구조와 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조의 상공존 구조(PPB)가 되고, z가 0.04일 때(실시예 27) 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal)와 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조의 상공존 구조(PPB)가 되고, z가 0.05일 때(실시예 28) 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존 구조(PPB)가 된다.
표 3 및 도 9를 참조하면, z가 0.04일 때(실시예 27), 압전체는 502 pC/N의 압전 상수(d33) 및 143℃의 퀴리 온도(Tc)를 가질 수 있다. 예를 들면, z가 0.2를 초과할 경우에는 상 자체가 사라지게 되므로, 압전특성이 사라질 수 있다. 예를 들면, z가 0.01 내지 0.05일 경우 낮은 퀴리온도(Tc)를 가질 수 있으며, 압전체의 압전특성이 향상될 수 있다.
도 10은 어닐링 온도에 따른 압전체의 압전 상수(d33)를 측정한 그래프이다. 예를 들면, 도 10은 본 명세서의 실시예 23 내지 28에 따른 압전체의 압전 상수(d33)를 측정한 도면이다.
도 10을 참조하면, z가 0.04인 본 명세서의 실시예 27에 따른 압전체는 500pC/N 정도의 압전상수(d33)를 가질 수 있으며, 150℃의 어닐링 온도에서 400 pC/N 정도의 높은 압전상수(d33)를 가지므로, 압전체가 우수한 압전특성을 가지는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 100℃ 이하의 어닐링 온도에서 z가 0.02 내지 0.05인 경우에 압전특성이 향상됨을 알 수 있다.
본 명세서의 실시예는 Li-Na-K-Nb-Sb(LNKNS)와 Ca-Zr(CZ)의 조성을 변화시켜, 상전이 온도를 변화시킴으로써 상온에서 압전체에 상공존이 발생되도록 한다. 따라서, 본 명세서의 실시예에 따른 압전체에 전계가 인가되는 경우, 분극이 효율적으로 이루어지며, 압전체가 큰 압전 상수를 가질 수 있다. 따라서, 본 명세서의 실시예에 따른 압전체는 우수한 압전 특성 및 진동 특성을 가질 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시예에 따르면, 압전체를 구성하는 Li-Na-K-Nb-Sb(LNKNS)와 Ca-Zr(CZ)의 조성을 변화시켜, 상전이 온도를 변화시킴으로써 고온에서 상공존이 유지될 수 있다. 따라서, 본 명세서의 일 실시예에 따른 압전체는 고온에서도 큰 압전 상수를 가질 수 있으며, 고온에서도 우수한 압전 특성이 유지될 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 압전체는, 예를 들어, 150℃ 정도의 고온에서도 큰 압전 상수를 가져, 상온 뿐 아니라 고온에서도 우수한 압전 특성을 가질 수 있다,
상온뿐 아니라 고온에서도 우수한 압전 특성을 갖는 본 명세서의 일 실시예에 따른 압전체는 하기 화학식 1으로 표현되며, CuO를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
(1-x)(LizNa0 .5- zK0 .5)(Nb1 - ySby)O3·xCaZrO3
화학식 1에서, 상기 x, y, 및 z는 각각 0.001≤x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2 의 범위일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 압전체가 상온 및 고온에서 상공존 경계(morphotropic phase boundary, MPB)을 가지도록 화학식 1의 x, y 및 z의 범위가 조정될 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 압전체는 납(Pb)을 포함하지 않아 친환경적이면서도, 상공존에 의하여 500pC/N 정도의 높은 압전상수를 가질 수 있고, 150℃ 정도의 고온에서도 압전상수가 높게 유지될 수 있다. 따라서, 압전특성이 확보된 압전체를 제공할 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, CaZrO3는 LizNa0.5-zK0.5Nb1-ySbyO3와 고용체(solid solution)를 형성할 수 있다. CaZrO3가 LizNa0.5-zK0.5Nb1-ySbyO3에 고용된다고 할 수 있다. CaZrO3가 LizNa0.5-zK0.5Nb1-ySbyO3에 고용되는 양이 증가할수록, 본 명세서의 실시예에 따른 압전체의 퀴리온도(Tc)가 감소하며, 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존 온도(TO-T)가 상온에 가깝게 이동할 수 있다. 따라서, 압전체의 압전상수(d33)와 전기기계결합계수의 값이 커질 수 있다.
CaZrO3의 함량이 소정의 범위를 초과하여 증가하는 경우 압전체의 유전율이 급격히 낮아지며, 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존 영역이 사라지고, 상온에서 입방정계(cubic) 구조로 상전이가 일어난다. 따라서, 압전 특성이 저하된다. CaZrO3가 과량이 되는 경우, 압전체의 압전 특성이 저하될 수 있다.
따라서, 본 명세서의 실시예에 따르면, CaZrO3의 함량을 표시하는 x는 0.001≤x≤0.2의 범위를 가질 수 있다.
PPB를 구현하기 위해서, x는 0.001≤x≤0.15의 범위를 가질 수 있다. 예를 들면, x는 0.001≤x≤0.1의 범위를 가질 수 있다. 또는, x는 0.001≤x≤0.03일 수 있다.
화학식 1에서, "y"는 니오븀(Nb)이 안티몬(Sb)에 의하여 치환된 정도를 나타낸다. 본 명세서의 실시예에 따르면, 니오븀(Nb)이 안티몬(Sb)에 의하여 치환되지 않을 수도 있다(y = 0).
니오븀(Nb)의 일부가 안티몬(Sb)으로 치환되어 안티몬(Sb)이 니오븀(Nb)의 자리에 고용되는 경우, 퀴리 온도(Tc)가 급격히 낮아지며, 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존 온도(TO-T)도 낮아진다. 다만, 상공존 온도(TO-T)는 상대적으로 천천히 낮아진다. 안티몬(Sb)의 고용량이 증가하면, 정방정계(Tetragonal) 구조의 영역이 점차 좁아지게 되고, 임계값에 도달하면 정방정계(Tetragonal) 구조의 영역이 완전히 사라지게 된다. 또한, 안티몬(Sb)의 함량이 니오븀(Nb)의 함량보다 많은 경우, 압전체의 압전 특성이 저하된다.
따라서, 본 명세서의 실시예에 따르면, y는 0≤y≤0.5의 범위를 가질 수 있다. 원활한 상공존 영역 형성을 위하여, y는 0≤y≤0.3의 범위를 가질 수 있다. 예를 들면, y는, 0≤y≤0.2의 범위를 가질 수도 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 압전체는, 예를 들어, 0≤y≤0.02 일 때 사방정계(Orthorhombic) 구조를 가질 수 있고, 0.02<y≤0.06 일 때 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존 구조를 가질 수 있고(Orthorhombic-Tetragonal PPB), 0.06<y<0.08 일 때 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조와 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조의 상공존 구조를 가질 수 있고(Orthorhombic-Tetragonal-Pseudocubic PPB), 0.08≤y<0.095 일 때 사방정계(Orthorhombic) 구조와 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조의 상공존 구조를 가질 수 있고(Orthorhombic-Pseudocubic PPB), y ≥ 0.095 일 때 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조를 가질 수 있다. 따라서, 본 명세서의 일 실시예에 따르면, y는, 예를 들어, 0.02≤y<0.095의 범위를 가질 수 있다. 또한, y는 0.07≤y≤0.2일 수 있고, 보다 구체적으로 0.07≤y≤0.11일 수 있다.
화학식 1에서, "z"는 나트륨(Na)이 리튬(Li)에 의하여 치환된 정도를 나타낸다. 본 명세서의 실시예에 따르면, 나트륨(Na)이 리튬(Li)에 의하여 치환되지 않을 수도 있다(z = 0).
본 명세서의 실시예에 따르면, 화학식 1의 y가 0.1을 초과하더라도, 나트륨(Na)과 치환된 리튬(Li)의 함량을 조절하여 압전체가 상공존 구조를 가지도록 할 수 있다. 예를 들어, y가 0.1을 초과하는 경우 압전체가 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조를 가질 수 있지만, 나트륨(Na)과 치환된 리튬(Li)의 함량이 증가하면, 압전체에서 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조 대신 정방정계(Tetragonal) 구조가 되살아 나고, 그에 따라 퀴리 온도(Tc)가 증가한다.
나트륨(Na)과 치환된 리튬(Li)의 함량이 과도하게 증가하면, 압전체의 압전 특성이 저하될 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, z는 0≤z≤0.2의 범위를 가질 수 있다. 원활한 상공존 영역 형성을 위해, z는 0≤z≤0.15의 범위를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, z는 0≤z≤0.1의 범위를 가질 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, y가 0.11인 압전체에 있어서, 나트륨(Na)이 리튬(Li)에 의하여 치환되어 z가 0.02 내지 0.03이 되는 경우 압전체에 사방정계(Orthorhombic) 구조와 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조의 상공존 구조(Orthorhombic-Pseudocubic PPB)가 형성되고, z가 0.04인 경우 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal)와 의사 입방정계(Pseudocubic) 구조의 상공존 구조(Orthorhombic-Tetragonal-Pseudocubic PPB)가 형성되고, z가 0.05인 경우 사방정계(Orthorhombic) 구조와 정방정계(Tetragonal) 구조의 상공존 구조가 형성될 수 있다. 따라서, z는 0.02≤y≤0.05의 범위를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, z는 0.01≤z≤0.05일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, CuO는 압전체의 소결 온도를 낮추는 저온 소결제 역할을 할 수 있다. 예를 들면, 화학식 1의 소결에 의하여 압전체가 형성할 때, 구리(Cu)와 니오븀(Nb)이 반응하여 액상이 형성되고, 이러한 액상은 압전체의 소결이 원활해지도록 한다.
예를 들어, 압전체가 고온에서 소결될 때, 나트륨(Na)과 칼륨(K)은 고온에서 Na2O 및 K2O로 각각 휘발할 수 있다. 압전체에 CuO가 첨가되는 경우, 압전체의 소결 온도가 낮아져, 휘발하는 나트륨(Na)과 칼륨(K)의 양이 큰 폭으로 줄어든다. 따라서, 압전체에서의 나트륨(Na)과 칼륨(K) 함량 조절이 용이해져, 의도한 조성을 갖는 압전체를 제조하는 것이 용이해진다. 또한, CuO의 첨가로 인하여 소결 온도가 낮아짐에 따라, 공정 온도가 낮아져 공정 단가가 감소될 수 있다.
CuO의 함량이, 압전체의 100 중량부에 대하여 10 중량부를 초과하는 경우, 과량의 CuO로 인하여 압전체의 압전특성이 저하될 수 있다.
따라서, 본 명세서의 실시예에 따르면, CuO는 화학식 1의 100 중량부에 대하여 10 중량부 이하의 함량을 가질 수 있다. 예를 들면, CuO는 압전체의 100 중량부에 대하여 0 초과 10 중량부 이하의 함량을 가질 수 있다.
보다 우수한 압전 특성 확보를 위하여, CuO는 화학식 1의 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하의 함량을 가질 수 있다. 예를 들면, CuO는 압전체의 100 중량부에 대하여 0 초과 5 중량부 이하의 함량을 가질 수 있다.
도 11은 본 명세서의 다른 실시예에 따른 압전 소자(100)에 대한 단면도이다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 압전 소자(100)는, 제1 전극(110), 제1 전극(110) 상의 압전체 층(120) 및 압전체 층(120) 상의 제2 전극(130)을 포함한다.
제1 전극(110)과 제2 전극(130)은 압전체 층(120)을 사이에 두고 이격되어 배치되며, 적어도 일부가 서로 중첩할 수 있다. 제1 전극(110)과 제2 전극(130)은 낮은 저항 및 우수한 방열 특성을 갖는 금속 물질로 이루어질 수 있다. 본 명세서의 다른 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 전극(110)과 제2 전극(130)은 투명 전도성 산화물 또는 도전성 폴리머를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 제1 전극(110)과 제2 전극(130)은, 은(Ag), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 니켈(Ni), 네오디뮴(Nd), 이리듐(Ir) 및 크롬(Cr)을 포함하는 금속; ITO(InSnO), IZO(InZnO), IZTO(InZnSnO), ZnO 및 In2O3를 포함하는 투명 도전성 산화물; 및 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole) 및 폴리티오펜(polythiopene)을 포함하는 도전성 폴리머 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
압전체 층(120)은 압전체를 포함한다. 압전체 층(120)은 압전체로 이루어질 수 있다. 압전체는 전계에 의해 진동을 발생할 수 있다. 예를 들면, 외력에 의해 압전체의 결정 구조에 압력 또는 비틀림 현상이 작용하면, 양(+) 이온과 음(-) 이온의 상대적인 위치 변화에 따른 유전 분극에 의해 압전체에 전위차가 발생될 수 있다. 반대로 압전체에 전계가 인가되는 경우 진동이 발생될 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 압전체는 하기 화학식 1 및 CuO를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
(1-x)LizNa0 .5- zK0 . 5Nb1 - ySbyO3·xCaZrO3
화학식 1에서 x, y, 및 z는 각각 0.001≤x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2 의 범위를 갖는다.
이하, 중복을 피하기 위하여, 압전체에 대한 설명은 생략될 수 있다.
도 12는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 압전 소자(200)에 대한 단면도이다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 압전 소자(200)는, 제1 전극(110), 제1 전극(110) 상의 압전체 층(120) 및 압전체 층(120) 상의 제2 전극(130)을 포함한다.
도 12를 참조하면, 제1 전극(110) 및/또는 제2 전극(130)은 각각 압전체 층(120)과 중첩되는 영역 이외의 영역으로 연장될 수 있다. 압전체 층(120)과 중첩되는 영역 이외의 영역으로 연장된 제1 전극(110)과 제2 전극(130) 일부는 각각 외부 단자와 연결되는 패드일 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제1 전극(110)과 제2 전극(130)은 다른 형상을 가질 수도 있다. 제1 전극(110)과 제2 전극(130)이 다층으로 적층된 구조를 가지며, 제1 전극(110)과 제2 전극(130) 사이에 복수개의 압전체 층(120)이 배치될 수도 있다.
본 명세서의 다른 실시예는 압전 소자(100)를 포함하는 진동 모듈(300)을 제공할 수 있다.
도 13은 본 명세서의 다른 실시예에 따른 진동 모듈(300)에 대한 사시도이고, 도 14는 도 13의 I-I'를 따라 자른 단면도이다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 진동 모듈(300)은 압전 소자(100) 및 압전 소자(100) 상의 진동부재(320)를 포함할 수 있다. 압전 소자(100)는, 제1 전극(110), 제1 전극(110) 상의 압전체 층(120) 및 압전체 층(120) 상의 제2 전극(130)을 포함하며, 진동부재(320)는 제2 전극(130) 상에 배치될 수 있다.
도 14를 참조하면, 제1 전극(110)은 기판(310) 상에 배치된다. 압전체 층(120)은 제1 전극(110) 상에 배치된다. 제2 전극(130)은 압전체 층(120) 상에 배치된다. 진동부재(320)는 제2 전극 상에 배치된다. 이에 한정하지 않고, 기판(310) 상에 도 11의 압전 소자(100)가 구성된 진동 모듈을 구성할 수 있다.
압전체 층(120)은 압전체를 포함하며, 압전체는 하기 화학식 1및 CuO를 포함한다.
[화학식 1]
(1-x)Liz(Na0.5-zK0.5)(Nb1 - ySby)O3·xCaZrO3
화학식 1에서 x, y, 및 z는 각각 0.001≤x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2 의 범위를 갖는다.
기판(310)은 압전 소자(100)를 지지한다. 압전 소자(100)와 중첩되는 기판(310)의 일부에는 빈 공간이 형성될 수 있다. 기판(310)은 압전 소자(100)의 가장자리를 지지할 수 있다. 기판(310)에 형성된 공간으로 인하여, 압전 소자(100)의 진동이 원활해지고, 압전 소자(100)에 의한 음향 발생 효율이 향상될 수 있다.
진동부재(320)는 압전 소자(100)의 측면과 상면을 커버하여 감싸는 형태를 가질 수 있다. 이에 한정하지 않고, 진동부재(320)는 압전 소자(100) 상에 배치될 수 있다.
전압 또는 전계의 인가에 의하여 압전 소자(100)에 발생된 진동은 압전 소자(100)를 감싸고 있는 진동부재(320)에 전달되어 진동부재(320)를 진동시킨다. 진동부재(320)가 진동하면서 진동부재(320)의 상부 및 하부에 존재하는 공기를 밀어내어 음향이 생성될 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 진동 모듈(300)은 음향을 발생시킬 수 있기 때문에 스피커 또는 리시버로 사용될 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예는 압전 소자(100)를 포함하는 표시장치(400)를 제공한다.
도 15는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치(400)에 대한 사시도이고, 도 16a는 도 15의 II-II'를 따라 자른 단면도이다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치(400)는 표시패널(410) 및 표시패널(410)에 배치된 압전 소자(100)를 포함한다.
압전 소자(100)는, 제1 전극(110), 제1 전극(110) 상의 압전체 층(120) 및 압전체 층(120) 상의 제2 전극(130)을 포함한다.
압전체 층(120)은 전계에 의해 진동을 발생하는 압전체를 포함한다. 압전체는 하기 화학식 1및 CuO를 포함한다.
[화학식 1]
(1-x)(LizNa0 .5- zK0 .5)(Nb1 - ySby)O3·xCaZrO3
화학식 1에서 x, y, 및 z는 각각 0.001≤x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2 의 범위를 갖는다.
표시패널(410)은 화면 또는 영상을 표시하는 표시면(410a) 및 표시면(410a)과 대향하는 배면(410b)을 포함할 수 있다. 압전 소자(100)는 표시패널(410)의 배면(410b)에 배치될 수 있다. 압전 소자(100)는 표시패널(410)의 일부분에 배치될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 압전 소자(100)는 표시패널(410)의 크기와 동일한 크기로 배치되거나 표시패널(410)의 크기보다 작은 크기로 배치될 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 압전 소자(100)는 표시패널(410)을 진동시켜 음향을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 압전 소자(100)는 표시패널(410)을 진동시켜 표시패널의 전방으로 음향을 발생시킬 수 있다. 표시패널(410)이 진동판으로 되므로, 압전 소자(100)의 진동에 의해 표시패널(410)을 진동시켜 음향을 발생시킬 수 있다. 따라서, 표시장치의 전방으로 음향을 발생할 수 있으므로, 표시장치의 사용자 또는 시청자의 몰입감을 향상시킬 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 표시패널(410)의 형태나 크기에 제한이 있는 것은 아니다. 압전 소자(100)의 진동에 의하여 음향을 발생할 수 있는 표시패널이라면 제한 없이 본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시패널(410)이 될 수 있다. 표시패널(410)은, 예를 들어, 액정표시패널, 유기전계발광(OLED: Organic Light Emitting Diode) 표시패널, 및 전계발광 표시패널(electroluminescent display panel)을 포함할 수 있다. 다른 예로는, 양자점 발광 표시패널, 마이크로 발광 다이오드 표시패널, 및 곡면형 표시패널 등을 포함할 수도 있다.
압전 소자(100)를 표시패널(410)에 부착 또는 실장시키기 위한 별도의 부재가 사용될 수도 있다. 도 16a를 참조하면, 압전 소자(100)는 접착 부재(430)에 의하여 표시패널(410)에 부착될 수 있다. 접착 부재(430)로, 예를 들어, 접착제 또는 접착 시트가 사용될 수 있다.
도 16b는 본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치의 단면도이다. 도 8b를 참조하면, 표시패널(410)에 진동 플레이트(420)가 배치되고, 압전 소자(100)는 진동 플레이트(420)에 부착 또는 실장될 수 있다. 진동 플레이트(420)의 크기는 표시패널(410)의 크기와 동일할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 진동 플레이트(420)의 크기는 표시패널(410)의 크기보다 작을 수 있다. 압전 소자(100)는 표시패널(410)의 일부분에 배치될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 압전 소자(100)는 표시패널(410)의 크기와 동일한 크기로 배치되거나 표시패널(410)의 크기보다 작은 크기로 배치될 수 있다.
도 17은 본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치(500)의 단면도이다.
도 17의 표시장치(500)는 표시패널(410), 접착부재(430) 및 압전 소자(100)를 포함한다.
표시패널(410)은 액정 표시패널, 유기 발광 표시패널, 양자점 발광 표시패널, 마이크로 발광 다이오드 표시패널, 및 전기 영동 표시패널 등과 같은 모든 형태의 표시패널 또는 곡면형 표시패널일 수 있다. 압전 소자(100)에 의해 진동됨으로써 음파(또는 음향)를 발생하거나 터치에 응답하는 햅틱 피드백을 발생할 수 있는 표시패널이라면, 제한 없이 본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시패널(410)로 사용될 수 있다.
표시패널(410)은 복수의 게이트 라인과 복수의 데이터 라인에 의해 정의되는 복수의 픽셀과 각 픽셀을 구동하기 위해 각 픽셀에 마련된 박막 트랜지스터를 포함하는 박막 트랜지스터 어레이 기판, 박막 트랜지스터 어레이 기판 상에 마련된 발광 소자층, 및 발광 소자층을 덮는 봉지(encapsulation)층 등을 포함할 수 있다. 봉지층은 외부의 충격으로부터 박막 트랜지스터 및 발광 소자층 등을 보호하고, 발광 소자층으로 수분이 침투하는 것을 방지할 수 있다.
표시패널(410)은 복수의 픽셀 각각의 구동에 따라 영상을 표시하는 표시 영역, 및 표시 영역을 둘러싸는 비표시 영역을 포함할 수 있다.
표시패널(410)은 곡면 형태 또는 일정한 곡률 반경을 가지도록 벤딩되거나 휘어진 벤딩부를 포함할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치는 표시패널(410) 상에 배치된 기능성 필름(450)을 더 포함할 수 있다.
기능성 필름(450)은 표시패널(410)의 전면(前面)에 배치될 수 있다. 기능성 필름(450)은 필름 점착 부재를 매개로 표시패널(410)의 전면(前面)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 필름 점착 부재는 PSA(pressure sensitive adhesive), OCA(optically cleared adhesive) 또는 OCR(optically cleared resin)을 포함할 수 있다.
기능성 필름(450)은 외부 광의 반사를 방지하기 위한 반사 방지층(또는 반사 방지 필름), 수분 또는 산소 침투를 1차적으로 방지하기 위한 배리어층(또는 배리어 필름), 및 광의 경로(또는 시야각)를 제어하기 위한 광 경로 제어층(또는 광 경로 제어 필름) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치(500)는 표시패널(410)에 대한 사용자 터치를 센싱하기 위한 터치 패널(또는 터치 전극층)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 터치 패널은 표시 영역과 중첩되도록 배치되어 표시패널(410)에 대한 사용자 터치를 센싱하는 터치 센서의 역할을 한다. 예를 들어, 터치 패널은 표시패널(410) 내에 배치될 수도 있고, 표시패널(410)과 기능성 필름(450) 사이에 배치될 수도 있다. 터치 패널은 사용자의 터치에 따른 정전 용량을 변화를 센싱하기 위한 복수의 터치 전극을 포함할 수 있다.
압전 소자(100)는 표시패널(410)의 배면(또는 후면)에 배치되어 표시패널(410)을 진동시킬 수 있다. 압전 소자(100)는 압전 특성에 따른 다양한 고유 진동수(또는 고유 주파수)를 가지면서 상대적으로 높은 유연성(flexibility)을 갖는 박막의 필름 형태로 구현될 수 있다. 압전 소자(100)는 표시패널(410)보다 얇은 두께를 가질 수 있다. 압전 소자(100)는 표시패널(410)을 진동판으로 사용하는 음향 발생 모듈, 음향 발생 장치, 진동 모듈, 액츄에이터, 압전 복합체 액츄에이터, 스피커, 압전 스피커, 또는 압전 복합체 스피커 등으로 표현될 수 있으나, 이 용어에 한정되는 것은 아니다.
압전 소자(100)는 전기 신호에 의해 진동하여 표시패널(410)을 다양한 진동수로 진동시킬 수 있다. 예를 들어, 압전 소자(100)는 표시패널(410)에 표시되는 영상과 동기되는 보이스 신호에 따라 진동하여 표시패널(410)을 진동시킬 수 있으며, 표시패널(410)의 진동에 따라 표시패널(410)에서 음향이 발생된다. 또한, 압전 소자(100)는 표시패널(410)에 배치된 터치 패널에 대한 사용자 터치에 동기되는 햅틱 피드백 신호(또는 촉각 피드백 신호)에 따라 진동하여 표시패널(410)을 진동시킬 수 있다. 이에 따라, 표시패널(410)은 압전 소자(100)의 진동에 따라 진동하여 음향 및 햅틱 피드백 중 적어도 하나를 사용자(또는 시청자)에게 제공할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 압전 소자(100)는 표시패널(410)의 표시 영역과 대응되는 크기를 가질 수도 있다. 예를 들면, 압전 소자(100)는 표시패널(410)의 표시 영역과 유사한 크기를 가질 수 있다. 예를 들면, 압전 소자(100)의 크기는 표시패널(410)의 표시 영역의 크기에 대하여 0.9배 내지 1.1배일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 압전 소자(100)가 표시패널(410)의 표시 영역과 동일하거나 유사한 크기를 가지므로, 표시패널(410)의 대부분 영역을 커버할 수 있고, 압전 소자(100)에서 발생하는 진동이 표시패널(410)의 전체를 진동시킬 수 있으므로, 음향의 정위감이 높고 사용자 또는 시청자의 만족도가 개선될 수 있다. 또한, 표시패널(410)과 압전 소자(100) 간의 접촉 면적이 증가하여 표시패널(410)의 진동 영역이 증가함에 따라 표시패널(410)의 진동에 따라 발생되는 중저음역대 음향이 개선될 수 있다. 고음역대는 3kHZ 이상, 중음역대는 200Hz 내지 3kHZ, 저음역대는 200Hz이하일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 압전 소자(100)는 접착 부재(430)를 매개로 표시패널(410)의 배면 또는 후면에 접착될 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 접착 부재(430)는 표시패널(410)의 배면과 압전 소자(100) 사이에 개재될 수 있다. 접착 부재(430)는 표시패널(410)의 배면과 압전 소자(100) 각각과 밀착력이 우수한 접착층을 포함하는 양면 테이프 또는 접착제일 수 있다. 예를 들어, 접착 부재(430)의 접착층은 에폭시(epoxy), 아크릴(acryl), 실리콘(silicon), 또는 우레탄(urethane)을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 접착 부재(430)의 접착층은 점착 부여제, 왁스 성분, 또는 산화 방지제 등과 같은 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 첨가제는 압전 소자(100)의 진동에 의해 표시패널(410)로부터 접착 부재(430)가 떨어지는(또는 박리) 것을 방지할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 접착 부재(430)는 표시패널(410)과 압전 소자(100) 사이에 위치하는 중공부를 더 포함할 수 있다. 접착 부재(430)의 중공부는 표시패널(410)과 압전 소자(100) 사이에 에어 갭을 형성할 수 있다. 에어 갭은 압전 소자(100)의 진동에 따른 음파(또는 음압)가 접착 부재(430)에 의해 분산되지 않고 표시패널(410)에 집중되도록 함으로써 접착 부재(430)에 의한 진동의 손실을 최소화거나 줄일 수 있으므로, 표시패널(410)의 진동에 따라 발생되는 음향의 음압 특성을 증가시킬 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치(500)는 표시패널(410)을 지지하는 후면 구조물(510)을 더 포함할 수 있다.
후면 구조물(510)은 후면 커버(Rear Cover), 커버 바텀(Cover Bottom), 플레이트 바텀(Plate Bottom), 백 커버(Back Cover), 베이스 프레임(Base Frame), 메탈 프레임(Metal Frame), 메탈 샤시(Metal Chassis), 샤시 베이스(Chassis Base), 또는 m-샤시 등 다른 용어로 표현될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 후면 구조물(510)은 표시패널(410)을 지지하는 지지체로서 표시패널(410)의 후면에 배치되는 모든 형태의 프레임 또는 판상 구조물 등으로 구현될 수 있다.
도 17을 참조하면, 후면 구조물(510)은 제1 후면 커버(511) 및 제2 후면 커버(515)를 포함할 수 있다.
제1 후면 커버(511)는 표시패널(410)의 후면 전체를 덮는 판상 부재일 수 있다. 제1 후면 커버(511)는 갭 공간(GS)을 사이에 두고 표시패널(410)의 최후면으로부터 이격될 수 있다. 예를 들어, 갭 공간(GS)은 에어 갭, 진동 공간, 음향 울림통 등으로 표현될 수 있으며, 용어에 한정되는 것은 아니다.
제2 후면 커버(515)는 제1 후면 커버(511)의 후면에 배치되어 제1 후면 커버(511)의 후면 전체를 덮는 판상 부재일 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따르면, 제1 후면 커버(511)와 제2 후면 커버(515)는 결합 부재(513)를 매개로 서로 결합될 수 있다. 예를 들어, 결합 부재(513)는 접착 레진, 양면 테이프 또는 양면 접착 폼 패드일 수 있으며, 충격 흡수를 위해 탄성을 가질 수 있다. 도 17을 참조하면, 결합 부재(513)는 제1 후면 커버(511)와 제2 후면 커버(515) 사이의 전체 영역에 개재될 수 있다. 다른 예로서, 결합 부재(513)는 제1 후면 커버(511)와 제2 후면 커버(515) 사이에 에어 갭을 갖는 그물망 구조로 형성될 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치(500)는 미들 프레임(520)을 더 포함할 수 있다.
미들 프레임(520)은 표시패널(410)과 후면 구조물(510) 각각의 가장자리를 지지하고, 표시패널(410)과 후면 구조물(510)의 각각의 측면을 둘러쌀 수 있다. 또한, 미들 프레임(520)의 일부는 표시패널(410)의 후면 가장자리와 후면 구조물(510)의 전면(前面) 가장자리 사이에 배치될 수 있다. 미들 프레임(520)은 표시패널(410)과 후면 구조물(510) 사이에 갭 공간(GS)을 마련한다. 이러한 미들 프레임(520)은 미들 캐비넷, 미들 커버, 또는 미들 샤시 등으로 표현될 수 있으며, 용어에 한정되는 것은 아니다.
도 17을 참조하면, 미들 프레임(520)은 지지부(521)와 측벽부(523)를 포함할 수 있다.
지지부(521)는 표시패널(410)의 후면 가장자리와 후면 구조물(510)의 전면(前面) 가장자리 사이에 개재됨으로써 표시패널(410)과 후면 구조물(510) 사이에 갭 공간(GS)을 마련할 수 있다. 지지부(521)의 전면은 제1 접착 부재(531)를 매개로 표시패널(410)의 후면 가장자리와 결합되고, 지지부(521)의 후면은 제2 접착 부재(533)를 매개로 후면 구조물(510)의 전면 가장자리와 결합된다. 예를 들어, 지지부(521)는 사각 형태의 단일 액자 구조를 가지거나 복수의 분할 바 형태를 가질 수 있다.
측벽부(523)는 표시장치의 두께 방향(Z)과 나란하도록 지지부(521)의 외측면에 수직하게 결합된다. 측벽부(523)는 표시패널(410)의 외측면과 후면 구조물(510)의 외측면 모두를 둘러쌈으로써 표시패널(410)과 후면 구조물(510) 각각의 외측면을 보호할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 미들 프레임(520)은 지지부(521)와 측벽부(523)가 단일 몸체를 이루도록 서로 결합됨에 따라 "┣" 형태의 단면 구조를 갖는 액자 구조를 가질 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치(500)는 미들 프레임(520) 대신 패널 결합 부재를 포함할 수도 있다. 패널 결합 부재는 표시패널(410)의 후면 가장자리와 후면 구조물(510)의 전면(前面) 가장자리 사이에 개재됨으로써 표시패널(410)과 후면 구조물(510) 사이에 갭 공간(GS)을 마련할 수 있다. 이러한 패널 결합 부재는 표시패널(410)의 후면 가장자리와 후면 구조물(510)의 가장자리 사이에 배치되어 표시패널(410)과 후면 구조물(510)을 접착시킬 수 있다. 예를 들어, 패널 결합 부재는 양면 테이프, 단면 테이프, 또는 양면 접착 폼 패드로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치(500)는 표시패널(410)의 배면에 배치된 압전 소자(100)의 진동에 따른 표시패널(410)의 진동에 의해 발생되는 음향을 표시패널(410)의 전방(FD)으로 출력할 수 있고, 이를 통해 표시패널(410)에 표시되는 영상을 시청하는 시청자의 몰입감을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치(500)는 별도의 햅틱 구동 장치를 구성하지 않고도 표시패널(410)의 배면에 배치된 압전 소자(100)의 진동에 따라 표시패널(410)을 진동시켜 표시패널(410)에 대한 사용자 터치에 응답하는 햅틱 패드백을 사용자에게 제공할 수 있다.
본 명세서에 따른 압전체는 표시장치에 배치되는 음향 발생 장치에 적용하는 것이 가능하다. 본 명세서에 따른 표시 장치는 모바일 디바이스, 영상전화기, 스마트 와치(smart watch), 와치 폰(watch phone), 웨어러블 기기(wearable apparatus), 폴더블 기기(foldable apparatus), 롤러블 기기(rollable apparatus), 벤더블 기기(bendable apparatus), 플렉서블 기기(flexible apparatus), 커브드 기기(curved apparatus), 전자 수첩, 전자 책, PMP(portable multimedia player), PDA(personal digital assistant), MP3 플레이어, 모바일 의료기기, 데스크탑 PC(desktop PC), 랩탑 PC(laptop PC), 넷북컴퓨터(netbook computer), 워크스테이션(workstation), 네비게이션, 차량용 네비게이션, 차량용 표시 장치, 텔레비전, 월페이퍼(wallpaper) 기기, 샤이니지(signage) 기기, 게임기기, 노트북, 모니터, 카메라, 캠코더, 및 가전 기기 등에 적용될 수 있다. 그리고, 본 명세서의 진동 모듈은 유기 발광 조명장치 또는 무기 발광 조명 장치에 적용할 수 있다. 진동 모듈이 조명 장치에 적용될 경우, 조명 및 스피커의 역할을 할 수 있다. 그리고, 본 명세서의 진동 모듈이 모바일 디바이스 등에 적용될 경우 스피커 또는 리시버일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서의 실시예들에 따른 압전체, 압전 소자, 진동 모듈 및 표시 장치는 아래와 같이 설명될 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 압전체는, 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.
[화학식 1]
(1-x)(LizNa0 .5- zK0 .5)(Nb1 - ySby)O3·xCaZrO3
여기서, x, y, 및 z는 각각 0≤x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2 의 범위이다.
본 명세서의 실시예에 따르면, x는 0.001≤x≤0.2일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, x는 0.001≤x≤0.15일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, x는 0.001≤x≤0.1일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, x는 0.001≤x≤0.03일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, y는 0≤y≤0.3일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, y는 0≤y≤0.2일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, y는 0.07≤y≤0.2일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, y는 0.07≤y≤0.11일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, z는 0≤z≤0.15일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, z는 0≤z≤0.1일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, z는 0.01≤z≤0.05일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 압전체는 CuO를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, CuO의 함량은 화학식 1의 성분 100 중량부에 대하여 10 중량부 이하일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, CuO의 함량은 화학식 1의 성분 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 압전체는, 하기 화학식 3으로 표현될 수 있다.
[화학식 3]
(1-x)(Na0.5K0.5)(Nb1-ySby)O3)·xCaZrO3
여기서, x 및 y는 각각 0.001≤x≤0.2 및 0≤y≤0.5의 범위이다.
본 명세서의 실시예에 따르면, x는 0.001≤x≤0.1일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, y는 0.07≤y≤0.2일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 압전체는 화학식 3에 CuO를 더 포함하며, CuO의 함량은 화학식 3의 성분 100 중량부에 대하여 10 중량부 이하일 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 압전체는 화학식 3에 CuO를 더 포함하며, CuO의 함량은 화학식 3의 성분 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하일 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 압전 소자는, 제1 전극, 제1 전극 상에 있으며 압전체를 포함하는 압전체 층 및 압전체 상의 제2 전극을 포함하며, 압전체는 하기 화학식 1로 표현된다.
[화학식 1]
(1-x)(LizNa0.5-zK0.5)(Nb1-ySby)O3·xCaZrO3
여기서, x, y, 및 z는 각각 0.001≤x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2 의 범위이다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 압전 소자의 압전체는 CuO를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 진동모듈은, 제1 전극, 제1 전극 상의 압전체 층, 압전체 층 상의 제2 전극 및 제2 전극 상의 진동부재를 포함하며, 압전체 층은 압전체를 포함하며, 압전체는 하기 화학식 1로 표현된다.
[화학식 1]
(1-x)(LizNa0.5-zK0.5)(Nb1-ySby)O3·xCaZrO3
여기서, x, y, 및 z는 각각 0.001≤x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2 의 범위이다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 진동모듈의 압전체는 CuO를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 다른 실시예에 따른 표시장치는, 영상을 표시하는 표시패널 및 표시패널에 배치된 압전 소자를 포함하며, 압전 소자는 제1 전극, 제1 전극 상의 압전체 층 및 압전체 상의 제2 전극을 포함하고, 압전체 층은 압전체를 포함하며, 압전체는 하기 화학식 1로 표현된다.
[화학식 1]
(1-x)(LizNa0.5-zK0.5)(Nb1-ySby)O3·xCaZrO3
여기서, x, y, 및 z는 각각 0.001≤x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2 의 범위이다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 압전체는 CuO를 더 포함할 수 있다.
본 명세서의 또 다른 실시예에 따르면, 표시패널은 상기 영상을 표시하는 표시면 및 표시면과 대향하는 배면을 포함하며, 압전 소자는 표시패널의 배면에 배치될 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 표시장치는 표시패널에 배치되는 터치 패널을 더 포함하며, 압전 소자는 터치 패널의 하면 또는 상면에 배치될 수 있다.
본 명세서의 실시예에 따르면, 압전 소자의 진동에 의해 터치 패널이 진동하며, 터치 패널의 진동으로 햅틱 피드백이 발생할 수 있다.
이상에서 설명한 본 명세서는 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 명세서의 기술적 사항을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. 그러므로, 본 명세서의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 200: 압전 소자 110: 제1 전극
120: 압전체 층 130: 제2 전극
300: 진동 모듈 310: 기판
320: 진동부재 400: 표시장치
410: 표시패널 420: 진동 플레이트
430: 접착 부재 510: 후면 구조물
520: 미들 프레임

Claims (28)

  1. 하기 화학식 1로 표현되는 압전체.
    [화학식 1]
    (1-x)(LizNa0.5-zK0.5)(Nb1-ySby)O3·xCaZrO3
    여기서, 상기 x, y, 및 z는 각각 0.001≤x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2 의 범위이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 x는, 0.001≤x≤0.15인 압전체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 x는, 0.001≤x≤0.1인 압전체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 x는, 0.001≤x≤0.03인 압전체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 y는, 0≤y≤0.3인 압전체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 y는, 0≤y≤0.2인 압전체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 y는, 0.07≤y≤0.2인 압전체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 y는, 0.07≤y≤0.11인 압전체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 z는, 0≤z≤0.15인 압전체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 z는, 0≤z≤0.1인 압전체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 z는, 0.01≤z≤0.05인 압전체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1에 CuO를 더 포함하는 압전체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 CuO의 함량은 상기 화학식 1의 성분 100 중량부에 대하여 10 중량부 이하인, 압전체.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 CuO의 함량은 상기 화학식 1의 성분 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하인, 압전체.
  15. 하기 화학식 3으로 표현되는 압전체.
    [화학식 3]
    (1-x)(Na0.5K0.5)(Nb1-ySby)O3)·xCaZrO3
    여기서, 상기 x 및 y는 각각 0.001≤x≤0.2 및 0≤y≤0.5의 범위이다.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 x는 0.001≤x≤0.1인 압전체.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 y는 0.07≤y≤0.2인 압전체.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 화학식 3에 CuO를 더 포함하며, CuO의 함량은 상기 화학식 2의 성분 100 중량부에 대하여 10 중량부 이하인, 압전체.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 화학식 3에 CuO를 더 포함하며, 상기 CuO의 함량은 상기 화학식 2의 성분 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하인, 압전체.
  20. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 있으며, 압전체를 포함하는 압전체 층; 및
    상기 압전체 상의 제2 전극을 포함하며,
    상기 압전체는 하기 화학식 1로 표현되며,
    [화학식 1]
    (1-x)(LizNa0.5-zK0.5)(Nb1-ySby)O3·xCaZrO3
    상기 x, y, 및 z는 각각 0.001≤x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2 의 범위인, 압전 소자.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 압전체는 CuO를 더 포함하는, 압전 소자.
  22. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상의 압전체 층;
    상기 압전체 층 상의 제2 전극; 및
    상기 제2 전극 상의 진동부재를 포함하며,
    상기 압전체 층은 압전체를 포함하며,
    상기 압전체는 하기 화학식 1로 표현되며,
    [화학식 1]
    (1-x)(LizNa0.5-zK0.5)(Nb1-ySby)O3·xCaZrO3
    상기 x, y, 및 z는 각각 0.001≤x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2의 범위인, 진동 모듈.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 압전체는 CuO를 더 포함하는, 진동 모듈.
  24. 영상을 표시하는 표시패널; 및
    상기 표시패널에 배치된 압전 소자를 포함하며,
    상기 압전 소자는,
    제1 전극;
    상기 제1 전극 상의 압전체 층; 및
    상기 압전체 상의 제2 전극을 포함하고,
    상기 압전체 층은 압전체를 포함하며,
    상기 압전체는 하기 화학식 1로 표현되며,
    [화학식 1]
    (1-x)(LizNa0.5-zK0.5)(Nb1-ySby)O3·xCaZrO3
    상기 x, y, 및 z는 각각 0.001≤x≤0.2, 0≤y≤0.5 및 0≤z≤0.2 의 범위인, 표시장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 압전체는 CuO를 더 포함하는, 표시장치.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 표시패널은 상기 영상을 표시하는 표시면 및 상기 표시면과 대향하는 배면을 포함하며,
    상기 압전 소자는 상기 표시패널의 배면에 배치되는, 표시장치.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 표시패널에 배치되는 터치 패널을 더 포함하며,
    상기 압전 소자는 상기 터치 패널의 하면 또는 상면에 배치되는, 표시장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 압전 소자의 진동에 의해 상기 터치 패널이 진동하며, 상기 터치 패널의 진동으로 햅틱 피드백이 발생하는, 표시장치.
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