KR100209951B1 - 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치 - Google Patents

박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치 Download PDF

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Abstract

박막형 압전체의 압전 상수를 측정할 수 있는 장치가 개시되어 있다. 본 발명에 따른 상기 장치는, 상부 전극 및 하부 전극이 형성된 박막형 압전체, 상기 압전체에 소정의 압력을 가하기 위한 압력 인가 수단, 상기 압전체에 인접하여 압전체 상에 소정의 압력을 형성하고 이러한 압력을 일정한 시간 동안 유지할 수 있도록 하는 가압 탐침, 상기 가압 탐침에 연결되어 압전체 상에 가해지는 압력을 가시화하고 측정하기 위한 압력계, 상기 가압 탐침과 압력계 사이 및 상기 주밸브와 압전체 사이에 연결되어 압전체에 인가되는 압력을 변화시켜 압전 상수의 측정이 가능하도록 하는 해제 밸브, 일 단자가 상기 하부 전극에 연결되며 다른 단자가 상기 상부 전극에 연결되어 압전체로부터 발생하는 미소한 전하량을 측정하는 전하량 측정 수단, 그리고 일측이 상기 압력계에 연결되고 타측이 상기 전하량 측정 수단에 연결되어 상기 부재들을 제어하며, 상기 압전체의 압전 상수를 계산하는 컴퓨터 수단을 포함한다. 상기 장치는 시편의 특별한 준비 과정 없이 정밀하고 신뢰성 있게 압전체 박막의 압전 상수를 측정할 수 있으며, 압전체 박막의 단락이나 소성 변형을 유발하지 않고 박막의 표면 상태에 관계없이 대상 박막의 전면에 균일한 응력을 인가함으로써 박막의 압전 상수를 측정할 수 있다.

Description

박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치
본 발명은 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막형 압전체의 압전 상수를 측정할 때, 압전체 박막의 단락(short)이나 소성 변형을 유발하지 않으며 박막의 표면 상태(topology)에 관계없이 박막의 전면에 균일한 응력을 인가함으로서 정밀하고 신뢰성 있게 박막의 압전 상수를 측정할 수 있는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치에 관한 것이다.
현재까지 마이크로 프로세서(micro processor), 또는 메모리(memory) 장치 등의 전자 기기들을 소형화함으로서 그 제조 단가를 현저히 낮출 수 있었으며, 그 성능이 크게 개선되어 왔다. 액츄에이터(actuator)와 같은 기계 장치에 있어서도 이러한 이유로 소형화가 요구되며, 의료 또는 생화학적 용도 등과 같은 향후의 용도를 위해서도 마이크로 액츄에이터(microactuator)에 대한 필요성이 요구되고 있다. 일반적으로 미세 기계 장치들은 정전기적(electrostatic), 압전적(piezoelectric), 열적(thermal), 또는 전자기적(electromagnetic) 원리에 따라 구동한다.
압전 액츄에이터(piezoelectric actuator)는 압전 효과(piezoelectric effect)에 따라 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키거나, 역압전 효과(inverse piezoelectric effect)에 의해서 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치이다. 상기 압전 액츄에이터는 그 내부의 압전 물질이 가해진 전기장과 내부 분극의 방향에 따라 수축하거나 팽창함으로서 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환할 수 있게 된다. 상기 압전 물질의 팽창, 또는 수축은 압전 물질의 크기에 따라서 결정되는 것이 아니라 압전 물질에 가해지는 전압의 크기와 방향에 의해 결정된다. 상기 마이크로 액츄에이터를 제작함에 있어서 압전 박막(piezoelectric thin film)을 사용할 수 있다. 상기 압전 박막의 최대 팽창 길이는 그 항복 전압(breakdown voltage), 또는 최대 응력(stress)에 의해서 제한된다. 따라서, 상기 압전 박막을 포함하는 마이크로 액츄에이터는 대체로 10V 정도의 낮은 전압 범위에서 작동되어야 한다.
압전 장치들은 반도체 제조 공정을 이용하여 낮은 단가로 제조 할 수 있으며, 이러한 반도체 제조 공정을 이용하여 제조된 압전 박막의 다양한 응용은 이미 알려져 있다. 상기 압전 박막으로서는 대부분의 경우 산화아연(ZnO)이 사용된다. 그러나, 벌크형(bulk type) PZT(lead zirconate titanate, Pb(Zr, Ti)O3)가 산화아연 보다 더 우수한 압전 특성을 가진다는 사실이 근래에 알려져왔다. 상기 PZT는 PbZrO3와 PbTiO3의 완전 고용체(solid solution)로서 고온에서는 결정 구조가 입방정(cubic)인 상유전상(paraelectric phase)으로 존재하며, 상온에서는 Zr과 Ti의 조성비에 따라 결정 구조가 사방정(orthorhombic)인 반강유전상(antiferroelectric phase), 능면체정(rhombohedral)인 강유전상(ferroelectric phase), 그리고 정방정(tetragonal)인 강유전상으로 존재한다.
이러한 PZT의 이원 상태도(binary phase diagram)을 도 1에 도시하였다. 도 1을 참조하면, Zr과 Ti의 조성비가 약 1：1인 조성에서 정방정상(tetragonal phase)과 능면체정상(rhombohedral phase)의 상경계(morphotropic phase boundary：MPB)가 있으며, PZT는 상기 상경계(MPB)의 조성에서 최대의 유전 특성(dielectric property) 및 압전 특성을 나타낸다. 상기 상경계는 특정 조성에 위치하지 않고 비교적 넓은 조성 범위에 걸쳐 정방정상과 능면체정상이 공존하는 영역으로 되어 있으며, 상공존 영역(phase coexistent region)은 연구자에 따라 2∼3mol％에서 15mol％에 이르기까지 각기 다르게 보고되어 있다. 이러한 상공존의 원인으로서는 열역학적 안정성(thermodynamic stability), 조성의 불균일성(compositional fluctuation), 내부 응력(internal stress) 등의 여러 가지 이론들이 제시되고 있다. 현재, PZT 박막은 스핀 코팅(spin coating) 방법, 유기금속 화학 기상 증착(Organometallic Chemical Vapor Deposition：OMCVD) 방법, 스퍼터링(sputtering) 방법 등과 같은 다양한 공정을 이용하여 제조할 수 있다.
상기 압전 박막의 전기적 특성은 압전 진동자(vibrator)의 탄성 상수(elastic constant), 압전 상수(piezoelectric constant) 및 유전 상수(dielectric constant)등으로부터 결정된다. 통상 압전 상수는 세라믹 물질의 전기적 활동도 레벨(electrical activity level)을 나타낸다. 예들 들면, 압전 상수는 인가된 전기장에 대응하는 세라믹 물질의 팽창 또는 수축 정도를 나타낸다.
다층 압전 액츄에이터(multilayer piezoelectric actuator)의 압전 상수, Young's Modulus 및 커패시턴스(capacitance) 등의 특성들에 대한 테스팅(testing) 장치가 미합중국 특허 제5,301,558호(issued to Jeffrey A. Livingston et al.)에 개시되어 있다.
도 2는 상기 미합중국 특허에 개시된 다층 압전 액츄에이터의 압전 특성들을 테스팅하기 위한 테스팅 장치의 단면도를 도시한 것이며, 도 3은 상기 테스팅 장치의 회로도를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 상기 다층 압전 액츄에이터(15)는 하우징(housing)(18)과 하우징(18)의 내부에 L1의 길이를 갖는 원기둥 형태로 적층된 복 수개의 압전 물질들(20)을 포함한다. 그 단부에 부착된 격판(16)을 포함하는 상기 하우징(18)은 상기 액츄에이터(15)를 보호하며, 액츄에이터(15)를 상기 테스팅 장치(10)에 장착하는 데 이용된다. 상기 복 수개의 압전 물질들(20)은 축선(25)을 따라서 정렬되어 있으며, 각각의 압전 물질들(20)은 A의 단면적을 갖는 디스크(disk)의 형상으로 형성되어 있다. 각각의 압전 물질들(20)의 사이에는 압전 물질들(20)에 전기 에너지를 인가하기 위한 금속 전극들(30)이 삽입되어 있다. 상기 압전 물질들(20)은 인가된 전기 에너지의 크기에 비례하여 축선(25)을 따라 팽창하며, 따라서 압전 물질들(20)을 포함하는 액츄에이터(15)는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시킨다.
또한 도 2를 참조하면, 상기 테스팅 장치(10)는 각기 강철로 이루어진 전판(front plate)(40), 후판(rear plate)(45), 그리고 중간판(intermediate plate)(50)을 포함한다. 전판(40)은 상기 액츄에이터(15)를 수용하고, 후판(45)은 그 내부의 공동(cavity)(55)을 한정한다. 상기 공동(55) 내에는 피스톤(65)을 포함하는 공기 실린더(pneumatic cylinder)(60)가 배치되어 상기 중간판(50)에 견고하게 부착된다. 상기 전판(40), 중간판(50) 및 공기 실린더(60)는 상기 액츄에이터(15)의 하우징(18)과 함께 축선(25)을 따라 배열된 중공(central bore)을 한정한다. 상기 전판(40)의 중공 내에는 상기 하우징(18)의 격판(16)과 인접하도록 실린더형 판(70)이 배치된다. 바람직하게는, 상기 실린더형 판(70)은 고 장력 강철(high tensile steel)로 이루어지며, 그 한 쪽 단면은 연마된 표면(polished surface)을 갖는다.
강철로 된 필로우(pillow)(75)는 상기 중간판(50) 및 공기 실린더(60)의 공동 내부에 배치된다. 상기 필로우(75)의 일 단부는 상기 공기 실린더(60)의 피스톤(65)과 인접되어 있다. 상기 필로우(75)의 다른 단부와 실린더형 판(70)의 사이에는 로드 셀(load cell)(80)이 배치된다. 로드 셀(80)은 실린더형 링(ring)의 형상을 가지며, 상기 축선(25)에 대하여 동축선 상에 배치된다. 상기 필로우(75)와 피스톤(65)은 상기 축선(25)을 따라 배열된 작은 공동을 한정한다. 이러한 작은 공동 내에는 파이버 광 센서(fiber optic sensor)(85)가 배치된다. 상기 센서(85)는 상기 실린더형 판(70)의 연마된 표면의 중간에 위치한 센서 헤드를 포함한다. 도시한 바와 같이, 센서 하우징(90)은 상기 후판(45)에 고정 부착되어 있다. 상기 센서 하우징(90)은 상기 센서 헤드를 상기 실린더형 판(70)에 근접하게 조정 가능하도록 하는 마이크로미터(micrometer)(95)를 포함한다.
도 3을 참조하면, 상기 공기 실린더(60)에 조절 가능하게 가압 공기를 공급하는 압력 조절기(pressure regulator)(100)는 가압 공기 공급원(source of pressurized air)(105)과 연결된다. 상기 압력 조절기(100)는 수용된 가압 공기에 대응하여 상기 액츄에이터(15)에 축선(25)을 따라 힘(force)을 가한다. 부하 수단(load means)(110)은 상기 액츄에이터(15)에 인가된 힘을 측정하며, 이에 대응하여 Fn의 응력 신호를 발생시킨다. 상기 부하 수단(110)은 로드 셀(80)과 이중 모드 증폭기(dual mode amplifier)(115)를 포함한다. 상기 로드 셀(80)은 상기 액츄에이터(15)에 인가된 힘을 측정하고 이에 대응하는 감지 신호를 발생시킨다. 상기 증폭기(115)는 이러한 감지 신호를 수용하고 조절하여 소정의 전압 범위를 갖는 Fn의 응력 신호를 발생시킨다. 광 수단(optical means)(120)은 상기 액츄에이터(15)의 선형 변형을 측정하며, 이에 대응하여 Ln의 위치 신호를 발생시킨다. 상기 광 수단(120)은 상기 센서(85) 및 이와 관련된 신호 조절 회로부(125)를 포함한다. 상기 센서(85)는 상기 실린더형 판(70)의 연마된 표면에 임의의 빛을 방사한 후, 반사된 빛을 감지하고 이에 대응하는 광 신호를 발생시킨다. 상기 신호 조절 회로부(125)는 이러한 광 신호를 수용하며, 이를 변조하여 상기 광 신호에 비례하는 레벨의 전압을 갖는 Ln의 위치 신호를 발생시킨다.
고 전압 전원(130)은 일정 레벨의 전압을 상기 액츄에이터(15)에 인가한다. 감지 수단(sensing means)(135)은 상기 액츄에이터(15)를 통하여 흐르는 전류를 측정하는 전류 탐침(current probe)과 상기 액츄에이터(15)에 인가되는 전압을 측정하는 전압 탐침(voltage probe)을 포함한다. 데이타 수득부(140)는 다양한 신호 조절 회로부와 연결되어 있다. 컴퓨터 수단(computer means)(145)은 상기 데이터 수득부(140)를 통해 다양한 신호들을 수용하며, 상기 액츄에이터(15)의 여러 가지 특성들의 성능을 결정한다. 또한, 상기 컴퓨터 수단(145)은 데이터 수득부(140)를 통하여 고 전압 전원(130)과 압력 조절기(100)를 조정한다. 플로터(plotter)(150) 및 프린터(155)는 상기 컴퓨터 수단(145)에 연결되며, 테스트 결과를 출력한다.
이하 상기 다층 압전 액츄에이터의 압전 특성들을 테스팅하기 위한 테스팅 장치를 사용하여 다층 액츄에이터의 압전 상수를 측정하는 방법을 설명한다.
먼저 다층 압전 액츄에이터(15)의 압전 상수를 측정하기 전에 압전 상수 측정과 관련된 부하 수단(110)과 광 수단(120) 등의 테스트 기기들을 초기화한다. 즉, 상기 액츄에이터(15)에 어떤 힘, 또는 부하가 걸리지 않도록 하며, 증폭기(115)의 응력 신호(Fn)의 크기가 0이 되도록 하고, 상기 광 센서(85)와 관련된 신호 조절 회로부(125)를 초기화한다. 다음에, 공기 실린더(60)를 통해 액츄에이터(15)에 소정의 힘, 예를 들어 250lbs. 정도의 힘을 가한다. 계속하여, 고 전압 전원(130)을 통하여 처음에는 소정의 전압, 예를 들면 200V 정도의 전압을 5초 동안 액츄에이터(15)에 인가한다. 상기 컴퓨터 수단(145)은 고 전압 전원(130)이 액츄에이터(15)에 100V 내지 900V까지의 전압을 인가하도록 조절한다. 상기 액츄에이터(15)에 인가되는 전압의 크기는 Vm으로 표시한다. 따라서, 액츄에이터(15)는 인가되는 전압에 비례하여 소정의 길이를 갖고 변위를 일으킨다. 이 때, 광 센서 수단(120)이 액츄에이터(15)의 축선(25)에 따른 변위를 측정하며, 이에 대응하여 각각의 전압의 증가에 따른 위치 신호(Lm) 컴퓨터 수단(145)에 전달한다. 컴퓨터 수단(145)은 이러한 데이터를 수득하며, 다음의 분석을 위하여 데이터를 플로트한다. 상기 데이터가 수득되면, 데이터는 분석 및 계산된다. 압전 상수는 하기의 식 1에 따라 결정된다.
[식 1]
상기 식 1에서, m=0은 처음의 측정값을 나타내고, m=f는 최종 측정값을 나타낸다. 또한, N은 상기 액츄에이터(15)를 구성하는 디스크형 압전 물질(20)의 수를 나타낸다.
그러나, 상기 다층 압전 액츄에이터의 압전 특성들을 테스팅하기 위한 테스팅 장치에 있어서, 상기 테스팅 장치는 소정의 힘을 다층 압전 액츄에이터에 인가한 후 상기 액츄에이터에 전압을 인가하여 이로부터 발생하는 다층 압전체의 변위를 측정하여 압전 상수를 계산함으로서 압전체의 상태 및 위치와 광 센서 수단의 배열 상태 등에 따라 압전 상수의 측정치가 다르게 나타날 수 있는 문제점이 있었다. 또한, 압전체는 저전압 영역에서 변위량이 매우 작아서 이로 인한 압전 상수의 측정치에 오차가 발생할 확률이 상당히 높으며, 이러한 장치는 그 구성이 복잡하고 제조 비용이 높다는 문제점이 있다. 또한 상기 장치는 다층 압전체에만 적용할 수 있기 때문에 단층 박막 형상의 압전체의 압전 상수를 측정하기 위하여 상기 장치를 이용할 경우, 압전체에 힘을 가하는 과정에서 압전체가 단락(short)되거나 압전체의 소성 변형을 유발하기 쉬우며, 압전체 전면(全面)에 균일하게 응력을 인가하기 어렵다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 박막형 압전체의 압전 상수를 측정할 때, 기압 응력 인가법(pneumatic loading method)을 이용하여, 시편의 특별한 준비과정 없이 정밀하고 신뢰성 있게 압전체 박막의 압전 상수를 측정할 수 있으며, 압전체 박막의 단락이나 소성 변형을 유발하지 않고 박막의 표면 상태에 관계없이 대상 박막의 전면에 균일한 응력을 인가함으로써 박막의 압전 상수를 측정할 수 있는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치를 제공함에 있다.
도 1은 PZT의 이원 상태도이다.
도 2는 종래의 다층 압전 액츄에이터의 압전 특성 테스팅 장치의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 장치의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치의 평면도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
300：상부 전극 310：하부 전극
320：박막형 압전체 325：기판 홀더
330：압력 인가 수단 340：가압 탐침
350：압력계 360：해제 밸브
370：주밸브 380：전하량 측정 수단
390：컴퓨터 수단 400：압전 상수 측정 장치
410：커패시터 420：전압 측정 수단
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
상단 및 하단에 상부 전극 및 하부 전극이 각각 형성된 박막형 압전체;
상기 박막형 압전체에 소정의 압력을 가하기 위한 압력 인가 수단;
상기 박막형 압전체에 인접하여 상기 박막형 압전체 상에 소정의 압력을 형성하고 이러한 압력을 일정한 시간 동안 유지할 수 있도록 하는 가압 탐침;
상기 가압 탐침에 연결되어 상기 박막형 압전체 상에 가해지는 압력을 가시화하고 측정하기 위한 압력계;
그 일측으로부터 연장된 관이 상기 가압 탐침과 상기 압력계 사이에 연결되고 그 타측으로부터 연장된 관이 상기 주밸브와 상기 박막형 압전체 사이에 연결되어 상기 박막형 압전체에 인가되는 압력을 변화시켜 상기 박막형 압전체의 압전 상수의 측정이 가능하도록 하는 해제 밸브;
그 일 단자가 상기 박막형 압전체의 상기 하부 전극에 연결되며 다른 단자가 상기 상부 전극에 연결되어 상기 박막형 압전체로부터 발생하는 미소한 전하량을 측정하는 전하량 측정 수단; 그리고
그 일측이 상기 압력계에 연결되고 타측이 상기 전하량 측정 수단에 연결되어 상기 부재들을 제어하며, 상기 박막형 압전체의 압전 상수를 계산하는 컴퓨터 수단을 포함하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치를 제공한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
상단 및 하단에 상부 전극 및 하부 전극이 각각 형성된 박막형 압전체;
상기 박막형 압전체를 지지하는 지지 수단;
상기 박막형 압전체에 소정의 압력을 가하기 위한 압력 인가 수단;
상기 박막형 압전체에 인접하여 상기 박막형 압전체 상에 소정의 압력을 형성하고 이러한 압력을 일정한 시간 동안 유지할 수 있도록 하는 가압 탐침;
상기 가압 탐침에 연결되어 상기 박막형 압전체 상에 가해지는 압력을 가시화하고 측정하기 위한 압력계;
상기 압력 인가 수단 및 상기 지지 수단에 연결되어 상기 박막형 압전체에 가해지는 압력을 조절하기 위한 주밸브;
일측으로부터 연장된 관이 상기 가압 탐침과 상기 압력계 사이에 연결되고 그 타측으로부터 연장된 관이 상기 주밸브와 상기 지지 수단 사이에 연결되어 상기 박막형 압전체에 인가되는 압력을 변화시켜 상기 박막형 압전체의 압전 상수의 측정이 가능하도록 하는 해제 밸브;
일 단자가 상기 하부 전극에 연결되며 다른 단자가 상기 상부 전극에 연결되어 상기 박막형 압전체에 일정한 전기장을 유지하는 커패시터;
상기 커패시터와 병렬로 연결되어 상기 박막형 압전체로부터 발생하는 미소한 전하에 의한 전압을 측정하는 전압 측정 수단; 그리고
일측이 상기 압력계에 연결되고 타측이 상기 전압 측정 수단에 연결되어 상기 부재들을 정밀하게 제어하며, 상기 박막형 압전체의 압전 상수를 계산하는 컴퓨터 수단을 포함하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 상기 장치에 있어서, 박막형 압전체의 압전 상수를 측정하기 위하여, 먼저 박막형 압전체에 응력을 인가하기 전에 컴퓨터 수단, 압력계, 전하량 측정 수단, 그리고 압력 인가 수단을 포함한 측정 장치를 초기화한다. 다음에, 상부 전극과 하부 전극이 형성된 박막형 압전체를 지지 수단 상의 소정의 위치에 위치시킨 후, 상기 박막형 압전체의 상단에 부착된 상부 전극을 덮도록 가압 탐침을 상부 전극 위에 위치시킨다. 그리고, 상기 상부 전극을 전하량 측정 수단의 일 단자에 연결시키고 하부 전극을 전하량 측정 수단의 다른 단자에 연결시켜 상기 박막형 압전체로부터 발생하는 미소 전하량을 전하량 측정 수단이 측정할 수 있도록 한다. 이어서, 박막형 압전체에 소정의 압력을 인가하기 위하여 압력 인가 수단을 가동시키고 주밸브를 연다. 다음에, 박막형 압전체에 인가되는 압력의 크기를 변화시키기 위하여 해제 밸브를 조절한다. 동시에 상기 박막형 압전체에 인가되는 압력을 변화시킬 때, 박막형 압전체로부터 발생하는 전하량은 전하량 측정 수단이 측정하여 컴퓨터 수단에 기록하며, 그 때의 압력의 크기는 압력계로부터 컴퓨터 수단이 인지한다. 이 때, 상기 박막형 압전체에 인가되는 진공 압력의 크기는 압력계가 수치로 표시하며, 이를 통하여 박막형 압전체에 인가되는 진공 압력을 조절할 수 있다. 또한, 해제 밸브를 이용하여 진공 압력을 처음 값보다 증가시키거나 감소시켜 박막형 압전체에 인가되는 진공 압력의 크기를 변화시킬 때마다 박막형 압전체로부터 발생하는 크기가 서로 다른 전하량을 전하량 측정 수단이 측정하여 컴퓨터 수단에 전달한다. 계속하여, 상기 측정된 전하량 및 압력의 크기를 바탕으로 컴퓨터 수단이 박막형 압전체의 압전 상수를 계산한다. 그러므로, 본 발명에 따른 상기 장치는 진공 압력 또는 가스 압력을 박막형 압전체에 인가함으로서 박막형 압전체의 표면 상태에 관계없이 균일한 압력을 박막형 압전체의 전면에 인가할 수 있으며, 박막형 압전체가 단락되거나 소성 변형이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전하량 측정 수단을 사용하여 박막형 압전체로부터 발생하는 미소 전하량을 측정함으로서 압전 상수의 측정시 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예들를 중심으로 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
[실시예 1]
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치의 평면도를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치는, 그 상단(top end) 및 하단(bottom end)에 상부 전극(top electrode)(300) 및 하부 전극(bottom electrode)(310)이 각각 형성된 박막형 압전체(320)와, 상기 박막형 압전체(320)를 지지하는 지지 장치(supporting device)(325), 박막형 압전체(320)에 소정의 압력을 가하기 위한 압력 인가 장치(330), 상기 박막형 압전체(320)에 인접하여 상기 박막형 압전체(320) 상에 소정의 압력을 형성하고 이러한 압력을 일정한 시간 동안 유지할 수 있도록 하는 가압 탐침(pressing probe)(340), 가압 탐침(340)에 연결되어 상기 박막형 압전체(320) 상에 가해지는 압력을 가시화하고 측정하기 위한 압력계(pressure guage)(350), 상기 압력 인가 장치(330) 및 지지 장치(325)에 연결되어 박막형 압전체(320)에 가해지는 압력을 조절하기 위한 주밸브(main valve)(370), 그 일측으로부터 연장된 관(pipe)이 상기 가압 탐침(340)과 압력계(350) 사이에 연결되고 그 타측으로부터 연장된 관이 상기 주밸브(370)와 지지 장치(325) 사이에 연결되어 압력이 감소하는 경우 및 압력이 증가하는 경우에도 박막형 압전체(320)의 압전 상수의 측정이 가능하도록 하는 해제 밸브(release valve)(360), 그 일단자가 상기 박막형 압전체(320)의 하부 전극(310)에 연결되며 다른 단자가 상부 전극(300)에 연결되어 상기 박막형 압전체(320)으로부터 발생하는 미소한 전하량을 측정하는 전하량 측정 장치(charge measuring device)(380), 그리고 그 일측이 상기 압력계(350)에 연결되고 타측이 상기 전하량 측정 장치(380)에 연결되어 상기 부재들을 정밀하게 제어하며, 박막형 압전체(320)의 압전 상수를 계산하는 컴퓨터 장치(390)를 포함한다.
이하 본 실시예에 따른 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치를 이용하여 박막형 압전체의 압전 상수를 구하는 방법을 도면을 참조하여 설명한다. 종래에는 압전체에 전압을 인가한 후 압전체가 일으키는 변위를 측정하여 압전 상수를 계산하는 방법을 이용하였다. 이에 비하여 본 발명은, 박막형 압전체의 압전 상수를 구하는 방법으로서는 박막형 압전체에 소정의 응력을 인가한 후 압전체로부터 발생하는 전하량을 측정함으로서 압전 상수를 계산하는 기압 응력 인가법을 이용한다.
박막형 압전체(320)의 압전 상수를 측정하기 위하여, 먼저 박막형 압전체(320)에 응력을 인가하기 전에 컴퓨터 장치(390), 압력계(350), 전하량 측정 장치(380), 그리고 압력 인가 장치(330)를 포함한 측정 장치를 초기화한다. 다음에, 상부 전극(300)과 하부 전극(310)이 부착된 박막형 압전체(320)를 지지 장치(325) 상의 소정의 위치에 위치시킨 후, 상기 박막형 압전체(320)의 상단에 부착된 상부 전극(300)을 덮도록 가압 탐침(340)을 상부 전극(330) 위에 위치시킨다. 바람직하게는, 상기 지지 장치(325)는 기판 홀더(substrate holder)이다. 그리고, 상기 상부 전극(300)을 전하량 측정 장치(380)의 일 단자에 연결시키고 하부 전극(310)을 전하량 측정 장치(380)의 다른 단자에 연결시켜 상기 박막형 압전체(320)로부터 발생하는 미소 전하량을 전하량 측정 장치(380)가 측정할 수 있도록 한다. 바람직하게는, 상기 박막형 압전체(320)로부터 발생하는 미소 전하량을 측정하는 전하량 측정 장치(380)는 전하 증폭기(charge amplifier), 또는 피코 전류계(picoammeter)이다.
이어서, 박막형 압전체(320)에 소정의 압력을 인가하기 위하여 압력 인가 장치(330)를 가동시키고 주밸브(370)를 연다. 바람직하게는, 상기 소정의 압력을 인가하기 위한 압력 인가 장치(330)는, 진공 펌프(vacuum pump), 또는 압축기(compressor)이다. 다음에, 상기 박막형 압전체(320)에 인가되는 압력의 변화를 일으키기 위하여 해제 밸브(360)를 조작한다.
동시에 상기 박막형 압전체(320)에 인가되는 압력을 변화시킬 때, 박막형 압전체(320)로부터 발생하는 전하량은 전하량 측정 장치(380)가 측정하여 컴퓨터 장치(390)에 기록하며, 그 때의 압력의 크기는 압력계(350)로부터 컴퓨터 장치(390)가 인지한다. 즉, 압력 인가 장치(330)로부터 주밸브(370), 해제 밸브(360) 및 가압 탐침(340)을 통하여 상기 박막형 압전체(320)에 소정의 진공 압력을 인가한 후, 박막형 압전체(320)로부터 발생하는 전하량은 상부 전극(300) 및 하부 전극(310)을 통하여 전하량 측정 장치(380)에 의해 측정된다. 이 측정된 전하량은 컴퓨터 장치(390)에 기록된다. 이 때, 상기 박막형 압전체(320)에 인가되는 진공 압력의 크기는 압력계(350)가 수치로 표시하며, 이를 통하여 박막형 압전체(320)에 인가되는 진공 압력을 조절할 수 있다. 또한, 해제 밸브(360)를 이용하여 진공 압력을 처음 값보다 증가시키거나 감소시켜 박막형 압전체(320)에 인가되는 진공 압력의 크기를 변화시킬 때마다 박막형 압전체(320)로부터 발생하는 크기가 서로 다른 전하량을 전하량 측정 장치(380)가 측정하여 컴퓨터 장치(390)에 전달한다. 이 경우에 있어서, 압력 인가 장치(330)로서 진공 펌프 또는 압축기를 이용하면, 진공 압력뿐 아니라 고압을 인가하는 것이 가능하여 인가 압력의 범위가 증가되므로 보다 정밀한 측정을 할 수 있다. 종래에는 로드 셀을 통하여 응력을 인가하기 때문에 그 표면 상태가 일정하기 않고 두께가 얇은 박막형 압전체에 균일한 응력을 인가하기 어려웠다. 또한, 응력을 인가할 때, 박막형 압전체가 단락되거나 인가되는 응력에 의하여 박막형 압전체가 소성 변형을 일으켜 정확한 압전 상수를 측정하는 것이 어려웠으며, 응력 헤드(force head)에 의하여 압전체 박막이 구속됨으로 인하여 기계적 변형이 제한되어 압전 상수의 측정값이 매우 작아지는 문제점이 있었다. 더욱이, 광 센서 수단을 이용하여 다층 압전체로부터 발생하는 변위량을 측정하여 압전 상수를 계산할 경우, 광 센서 수단의 배열 상태와 다층 압전체 박막의 상태 및 위치에 따라 측정치가 다르게 나타날 수 있었으며, 인가되는 전압이 낮을 때 압전체의 변위량은 매우 작으므로 이로 인하여 압전 상수의 측정값에 오차가 포함될 확률이 높았으며, 측정 시편의 준비과정이 복잡하였다. 본 발명에서는 진공 압력 또는 가스 압력을 박막형 압전체에 인가함으로서 박막형 압전체의 표면 상태에 괸계없이 균일한 압력을 박막형 압전체의 전면에 인가할 수 있으며, 박막형 압전체가 단락되거나 소성 변형이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전하량 측정 장치를 사용하여 박막형 압전체로부터 발생하는 미소 전하량을 측정함으로써 압전 상수의 측정시 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
계속하여, 상기 측정된 전하량 및 압력의 크기를 바탕으로 컴퓨터 장치(380)가 박막형 압전체(320)의 압전 상수를 하기의 식 2에 따라 계산한다.
[식 2]
상기 식 2에서, D는 전하 밀도(charge density), F는 인가된 힘(즉, 진공 압력), P는 F로부터 야기된 응력(stress), Q는 압전체로부터 발생한 전하량, 그리고 A는 압전체의 면적을 의미한다. 예를 들어, 인가되는 압력이 760torr로부터 0torr로 변할 때, 10mm의 직경을 갖는 박막형 압전체의 면적은 7．85×10-5m2이므로 이 박막형 압전체의 상부 전극 및 하부 전극으로부터 측정되는 전하량이 약 0．8nF인 경우 상기 식 2에 따르면 이 박막형 압전체의 압전 상수는 약 100pC/N의 값을 가진다.
[실시예 2]
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치의 평면도이다. 도 5에서 도 4와 동일한 부재들에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용한다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치는, 그 상단 및 하단에 상부 전극(300) 및 하부 전극(310)이 각각 형성된 박막형 압전체(320)와, 상기 박막형 압전체(320)를 지지하는 지지 장치(325), 박막형 압전체(320)에 소정의 압력을 가하기 위한 압력 인가 장치(330), 상기 박막형 압전체(320)에 인접하여 상기 박막형 압전체(320) 상에 소정의 압력을 형성하고 이러한 압력을 일정한 시간 동안 유지할 수 있도록 하는 가압 탐침(340), 가압 탐침(340)에 연결되어 상기 박막형 압전체(320) 상에 가해지는 압력을 가시화하고 측정하기 위한 압력계(350), 상기 압력 인가 장치(330) 및 지지 장치(325)에 연결되어 박막형 압전체(320)에 가해지는 압력을 조절하기 위한 주밸브(370), 그 일측으로부터 연장된 관이 상기 가압 탐침(340)과 압력계(350) 사이에 연결되고 그 타측으로부터 연장된 관이 상기 주밸브(370)와 지지 장치(325) 사이에 연결되어 압력이 감소하는 경우 및 압력이 증가하는 경우에도 박막형 압전체(320)의 압전 상수의 측정이 가능하도록 하는 해제 밸브(360), 그 일 단자가 상기 박막형 압전체(320)의 하부 전극(310)에 연결되며 다른 단자가 상부 전극(300)에 연결되어 상기 박막형 압전체(320)에 일정한 전기장(electric field)을 유지하기 위한 커패시터(capacitor)(410), 커패시터(410)와 연결되어 상기 박막형 압전체(320)로부터 발생하는 미소한 전하에 의한 전압을 측정하는 전압 측정 장치(420), 그리고 그 일측이 상기 압력계(350)에 연결되고 타측이 상기 전압 측정 장치(420)에 연결되어 상기 부재들을 정밀하게 제어하며, 박막형 압전체(320)의 압전 상수를 계산하는 컴퓨터 장치(390)를 포함한다.
이하 본 실시예에 따른 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치를 이용하여 박막형 압전체의 압전 상수를 구하는 방법을 도면을 참조하여 설명한다.
박막형 압전체(320)의 압전 상수를 측정하기 위하여, 먼저 박막형 압전체(320)에 응력을 인가하기 전에 컴퓨터 장치(390), 압력계(350), 커패시터(410), 전압 측정 장치(420), 그리고 압력 인가 장치(330)를 포함한 측정 장치를 초기화한다. 다음에, 상부 전극(300)과 하부 전극(310)이 형성된 박막형 압전체(320)를 지지 장치(325) 상의 소정의 위치에 위치시킨 후, 상기 박막형 압전체(320)의 상단에 형성된 상부 전극(300)을 덮도록 가압 탐침(340)을 상부 전극(330) 위에 위치시킨다. 그리고, 상기 상부 전극(300)을 전압 측정 장치(420)의 일 단자에 연결시키고 하부 전극(310)을 전압 측정 장치(420)의 다른 단자에 연결시킨다. 이어서, 상기 상부 전극(300) 및 하부 전극(310)과 전압 측정 장치(420)의 사이에 커패시터(410)를 병렬로 연결하여 상기 박막형 압전체(320)에 일정한 전기장을 유지시킨다. 따라서 박막형 압전체(320)로부터 발생하는 미소 전하량은 커패시터(410)의 양단에 걸리는 전압을 상기 전압 측정 장치(420)에 의해 측정함으로서 알 수 있다. 이 때, 상기 커패시터(410)는 상기 박막형 압전체(320) 보다 큰 커패시턴스(capacitance)를 갖는 압전 물질을 이용함으로서 상기 박막형 압전체(320)의 전기장을 일정하게 유지할 수 있다. 바람직하게는, 상기 박막형 압전체(320)로부터 발생하는 미소 전하량에 의한 전압을 측정하는 전압 측정 장치(420)는 전압계(volt meter)이다.
이어서, 박막형 압전체(320)에 소정의 압력을 인가하기 위하여 압력 인가 장치(330)를 가동시키고 주밸브(370)를 연다. 바람직하게는, 상기 소정의 압력을 인가하기 위한 압력 인가 장치(330)로서 진공 펌프, 또는 압축기를 사용한다. 다음에, 상기 박막형 압전체(320)에 인가되는 압력의 변화를 일으키기 위하여 해제 밸브(360)를 조작한다.
동시에 상기 박막형 압전체(320)에 인가되는 압력을 변화시킬 때, 박막형 압전체(320)로부터 발생하는 전하에 의한 전압은 전압 측정 장치(420)가 측정하여 컴퓨터 장치(390)에 기록하며, 그 때의 압력의 크기는 압력계(350)로부터 컴퓨터 장치(390)가 인지한다. 즉, 압력 인가 장치(330)로부터 주밸브(370), 해제 밸브(360) 및 가압 탐침(340)을 통하여 상기 박막형 압전체(320)에 소정의 진공 압력을 인가한 후, 박막형 압전체(320)로부터 발생하는 전하량은 상부 전극(300), 하부 전극(310)으로부터 커패시터(410)를 통하여 전압 측정 장치(420)에 의해 측정된다. 이 측정된 전압은 컴퓨터 장치(390)에 기록된다. 이 때, 상기 박막형 압전체(320)에 인가되는 진공 압력의 크기는 압력계(350)가 수치로 표시하며, 이를 통하여 박막형 압전체(320)에 인가되는 진공 압력을 조절할 수 있다. 또한, 해제 밸브(360)를 이용하여 진공 압력을 처음 값보다 증가시키거나 감소시켜 박막형 압전체(320)에 인가되는 진공 압력의 크기를 변화시킬 때마다 박막형 압전체(320)로부터 발생하는 크기가 서로 다른 전압을 전압 측정 장치(420)가 측정하여 컴퓨터 장치(390)에 전달한다. 이 경우에 있어서, 압력 인가 장치(330)를 진공 펌프, 또는 압축기를 이용하면, 진공 압력뿐 아니라 고압을 인가하는 것이 가능하여 인가 압력의 범위가 증가되므로 보다 정밀한 측정을 할 수 있다. 본 실시예에서는 진공 압력 또는 가스 압력을 박막형 압전체에 인가함으로서 박막형 압전체의 표면 상태에 관계없이 균일한 압력을 박막형 압전체의 전면에 인가할 수 있으며, 박막형 압전체가 단락되거나 소성 변형이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전압 측정 장치를 사용하여 박막형 압전체로부터 발생하는 미소 전하에 의한 전압을 측정함으로서 압전 상수의 측정시 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 계속하여, 상기 측정된 전압 및 압력의 크기를 바탕으로 컴퓨터 장치(380)가 박막형 압전체(320)의 압전 상수를 하기의 식 3에 따라 계산한다.
[식 3]
상기 식 3에서, D는 전하 밀도(charge density), F는 인가된 힘(즉, 진공 압력), P는 F로부터 야기된 응력(stress), Q는 압전체로부터 발생한 전하량, A는 압전체의 면적, C는 커패시터의 커패시턴스, V는 측정된 전압을 의미한다. 인가되는 압력이 760torr로부터 0torr로 변할 때, 10mm의 직경을 갖는 박막형 압전체의 면적은 7．85×10-5m2이므로 이 박막형 압전체의 상부 전극 및 하부 전극으로부터 측정되는 커패시턴스가 약 1．0㎌이면, 전압이 약 0．8㎷이므로 상기 식 3에 따르면 이 박막형 압전체의 압전 상수는 약 100pC/N의 값을 가진다.
따라서, 상술한 본 발명에 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치에 있어서, 진공 압력뿐 아니라 고압을 인가하는 것이 가능하여 인가 할 수 있는 압력의 범위가 증가되므로 보더 정밀하게 박막형 압전체의 압전 계수를 측정 할 수 있으며, 그 표면 상태가 일정하기 않고 두께가 얇은 박막형 압전체에 박막형 압전체가 단락(short)되거나 인가되는 응력에 의하여 박막형 압전체가 소성 변형을 일으키는 일이 없이 균일한 응력을 인가할 수 있다. 또한, 응력 헤드(force head)에 의하여 압전체 박막이 구속됨으로 인하여 압전 상수의 측정값에 오차가 생기는 문제점을 해결하였으며, 압전체로부터 발생하는 변위량을 측정하여 압전 상수를 계산할 경우, 압전체 박막의 상태 및 위치에 따라 측정치가 다르게 나타날 수 있었으며, 인가되는 전압이 낮을 때 압전체의 변위량은 매우 작으므로 이로 인하여 압전 상수의 측정값에 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 상기 측정 장치는 진공 압력 또는 가스 압력을 박막형 압전체에 인가함으로서 박막형 압전체의 표면 상태(topology)에 관계없이 균일한 압력을 박막형 압전체의 전면에 인가할 수 있으며, 박막형 압전체가 단락되거나 소성 변형이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전하량 측정 장치 또는 커패시터(capacitor) 및 전압 측정 장치를 사용하여 박막형 압전체로부터 발생하는 미소 전하량, 또는 전압을 측정함으로서 압전 상수의 측정시 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예에 의하여 상세하게 설명 및 도시하였지만, 본 발명은 이에 의해 제한되는 것이 아니라 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적인 범위 내에서 이를 변형하는 것이나 개량하는 것이 가능하다.

Claims (13)

  1. 상단 및 하단에 상부 전극(300) 및 하부 전극(310)이 각각 형성된 박막형 압전체(320);
    상기 박막형 압전체(320)에 소정의 압력을 가하기 위한 압력 인가 수단(330);
    상기 박막형 압전체(320)에 인접하여 상기 박막형 압전체(320) 상에 소정의 압력을 형성하고 이러한 압력을 일정한 시간 동안 유지할 수 있도록 하는 가압 탐침(340);
    상기 가압 탐침(340)에 연결되어 상기 박막형 압전체(320) 상에 가해지는 압력을 가시화하고 측정하기 위한 압력계(350);
    그 일측으로부터 연장된 관이 상기 가압 탐침(340)과 상기 압력계(350) 사이에 연결되고 그 타측으로부터 연장된 관이 상기 주밸브(370)와 상기 박막형 압전체(320) 사이에 연결되어 상기 박막형 압전체(320)에 인가되는 압력을 변화시켜 상기 박막형 압전체(320)의 압전 상수의 측정이 가능하도록 하는 해제 밸브(360);
    그 일 단자가 상기 박막형 압전체(320)의 상기 하부 전극(310)에 연결되며 다른 단자가 상기 상부 전극(300)에 연결되어 상기 박막형 압전체(320)으로부터 발생하는 미소한 전하량을 측정하는 전하량 측정 수단(370); 그리고
    그 일측이 상기 압력계(350)에 연결되고 타측이 상기 전하량 측정 수단(370)에 연결되어 상기 부재들을 제어하며, 상기 박막형 압전체(320)의 압전 상수를 계산하는 컴퓨터 수단(380)을 포함하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400).
  2. 제1항에 있어서, 상기 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400)는 상기 박막형 압전체를 지지하는 지지 수단(supporting means)(325)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400).
  3. 제2항에 있어서, 상기 지지 수단(325)은 기판 홀더(substrate holder)인 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400).
  4. 제2항에 있어서, 상기 압력 인가 수단(330)은 상기 지지 수단(325)에 연결되어 상기 박막형 압전체(320)에 가해지는 압력을 조절하기 위한 주밸브(main valve)(370)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400).
  5. 제1항에 있어서, 상기 압력 인가 수단(330)은 진공 펌프(vacuum pump)인 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400).
  6. 제1항에 있어서, 상기 압력 인가 수단(330)은 압축기(compressor)인 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400).
  7. 제1항에 있어서, 상기 전하량 측정 수단(370)은 전하 증폭기(charge amplifier)인 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400).
  8. 제1항에 있어서, 상기 전하량 측정 수단(370)은 피코 전류계(picoammeter)인 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400).
  9. 상단 및 하단에 상부 전극(300) 및 하부 전극(310)이 각각 형성된 박막형 압전체(320);
    상기 박막형 압전체(320)를 지지하는 지지 수단(325);
    상기 박막형 압전체(320)에 소정의 압력을 가하기 위한 압력 인가 수단(330);
    상기 박막형 압전체(320)에 인접하여 상기 박막형 압전체(320) 상에 소정의 압력을 형성하고 이러한 압력을 일정한 시간 동안 유지할 수 있도록 하는 가압 탐침(340);
    상기 가압 탐침(340)에 연결되어 상기 박막형 압전체(320) 상에 가해지는 압력을 가시화하고 측정하기 위한 압력계(350);
    상기 압력 인가 수단(330) 및 상기 지지 수단(325)에 연결되어 상기 박막형 압전체(320)에 가해지는 압력을 조절하기 위한 주밸브(370);
    일측으로부터 연장된 관이 상기 가압 탐침(340)과 상기 압력계(350) 사이에 연결되고 그 타측으로부터 연장된 관이 상기 주밸브(370)와 상기 지지 수단(325) 사이에 연결되어 상기 박막형 압전체(320)에 인가되는 압력을 변화시켜 상기 박막형 압전체(320)의 압전 상수의 측정이 가능하도록 하는 해제 밸브(360);
    일 단자가 상기 하부 전극(310)에 연결되며 다른 단자가 상기 상부 전극(300)에 연결되어 상기 박막형 압전체(320)에 일정한 전기장을 유지토록 하는 커패시터(410);
    상기 커패시터(410)와 병렬로 연결되어 상기 박막형 압전체(320)로부터 발생하는 미소한 전하에 의한 전압을 측정하는 전압 측정 수단(420); 그리고
    일측이 상기 압력계(350)에 연결되고 타측이 상기 전압 측정 수단(420)에 연결되어 상기 부재들을 정밀하게 제어하며, 상기 박막형 압전체(320)의 압전 상수를 계산하는 컴퓨터 수단(390)을 포함하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400).
  10. 제9항에 있어서, 상기 지지 수단(325)은 기판 홀더이며, 상기 전압 측정 수단(420)은 전압계인 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400).
  11. 제9항에 있어서, 상기 압력 인가 수단(330)은 진공 펌프인 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400).
  12. 제9항에 있어서, 상기 압력 인가 수단(330)은 압축기인 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400).
  13. 제9항에 있어서, 상기 커패시터(410)는 상기 박막형 압전체(320) 보다 큰 커패시턴스를 가지는 것을 특징으로 하는 박막형 압전체의 압전 상수 측정 장치(400).
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