KR101187465B1 - 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자 - Google Patents

다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 압전 세라믹 소자는 압전 세라믹 소재층과, 각각 휘발성을 갖는 휘발성 압전 성분을 포함하여 구성되며, 상기 압전 세라믹 소재층의 일측 표면에 순차적으로 적층되는 복수의 제1 졸겔층과, 상기 휘발성 압전 성분을 포함하여 구성되며, 상기 압전 세라믹 소재층의 타측 표면에 순차적으로 적층되는 복수의 제2 졸겔층과, 상기 복수의 제1 졸겔층 중 최외곽에 위치하는 제1 졸겔층의 표면에 형성되는 제1 전극과, 상기 복수의 제2 졸겔층 중 최외곽에 위치하는 제2 졸겔층의 표면에 형성되는 제2 전극을 포함하며; 상기 각 제1 졸겔층의 상기 휘발성 압전 성분의 함량은 상기 압전 세라믹 소재층으로부터 상기 제1 전극으로 갈수록 낮아지며; 상기 각 제2 졸겔층의 상기 휘발성 압전 성분의 함량은 상기 압전 세라막 소재층으로부터 상기 제2 전극으로 갈수록 낮아지는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, PZT 계열이나 NKN 계열 등의 압전 세라믹 소자의 특성 향상, 예를 들어 공공 및 결정립계에 의한 특성 저하의 영향을 감소시키고 누설 전류의 증가 없이 전기적 신호 연결을 위한 전극이 형성 가능하게 된다.

Description

다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자{PIEZOELECTRIC CERAMIC ELEMENT HAVING MULTI SOL-GEL LAYER}
본 발명은 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다층 졸겔층을 이용하여 공공 및 결정립계에 의한 특성 저하의 영향을 감소시키고 누설 전류의 증가 없이 전기적 신호 연결을 위한 전극이 형성 가능한 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자에 관한 것이다.
압전성은 재료에 기계적인 응력을 가하면 전하 또는 전위차가 발생하는 것으로 19세기 후반에 발견된 성질이며, 이러한 물리적인 현상을 압전 효과라고 한다. 역으로, 재료에 전기장을 인가하면 기계적 변형 또는 힘이 발생하는데, 이러한 현상을 역압전 효과라 부른다.
압전 효과 또는 역압전 효과를 나타내는 압전 소자, 예를 들어 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열이나 NKN((Na,K)NbO3) 계열의 압전 소자는 높은 에너리 밀도, 큰 힘 및 토크, 빠른 응답 속도를 가질 뿐만 아니라, 높은 감도를 가짐으로서 미세 신호의 측정이 가능한 장점을 가지므로, 액츄에이터나 센서 등에 널리 사용되고 있다.
근래에, 압전 소자는 탄성 변환기, 유체 및 입자의 이송 및 제어를 위한 펌프나 밸브, 가속도계, 마이크로 스피커와 마이크로폰, 물리 센서 또는 화학 센서분야 등 센서, 구동기 및 에너지 하베스팅 분야 등에 그 활용 범위가 넓어지고 있는 추세이다.
압전 센서나 구동기는 압전 구동 방식이 가지는 빠른 응답 속도, 낮은 구동 전압 및 높은 선형성 및 감지 감도, 낮은 소모의 전력 등의 장점 때문에 꾸준히 연구되고 있지만, 그 응용 범위를 확대하기 위해서는 높은 압전 계수를 갖는 것이 필요하다.
현재 가장 높은 압전 계수를 갖는다고 알려진 Pb 성분을 포함하는 PZT 계열 재료는 세라믹 소재를 제작하는 과정에서 결정립계가 형성되는 다결정 구조를 가지며 Pb 및 바인더 재료의 휘발성에 의한 공공 등의 결함 또한 대부분 동반하고 있다.
이와 같은, 압전 소자에서의 결정립계 및 공공 등의 결함은 외부에서 전기적 신호가 인가하였을 때 결정 내에서 분극의 형성을 완화시키게 되고, 분극 형성의 완화는 구동 특성의 저하를 야기시킨다. 또한, 결정립계 및 공공 등의 결합은 외부의 기계적 응력에 대해서도 완충 역할을 하여 센서의 감도를 크게 감소시키는 요인으로 작용한다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, PZT 계열이나 NKN 계열 등의 압전 세라믹 소자의 특성 향상, 예를 들어 공공 및 결정립계에 의한 특성 저하의 영향을 감소시키고 누설 전류의 증가 없이 전기적 신호 연결을 위한 전극이 형성 가능한 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자에 있어서, 압전 세라믹 소재층과, 각각 휘발성을 갖는 휘발성 압전 성분을 포함하여 구성되며, 상기 압전 세라믹 소재층의 일측 표면에 순차적으로 적층되는 복수의 제1 졸겔층과, 상기 휘발성 압전 성분을 포함하여 구성되며, 상기 압전 세라믹 소재층의 타측 표면에 순차적으로 적층되는 복수의 제2 졸겔층과, 상기 복수의 제1 졸겔층 중 최외곽에 위치하는 제1 졸겔층의 표면에 형성되는 제1 전극과, 상기 복수의 제2 졸겔층 중 최외곽에 위치하는 제2 졸겔층의 표면에 형성되는 제2 전극을 포함하며; 상기 각 제1 졸겔층의 상기 휘발성 압전 성분의 함량은 상기 압전 세라믹 소재층으로부터 상기 제1 전극으로 갈수록 낮아지며; 상기 각 제2 졸겔층의 상기 휘발성 압전 성분의 함량은 상기 압전 세라막 소재층으로부터 상기 제2 전극으로 갈수록 낮아지는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 제1 졸겔층 및 상기 제2 졸겔층은 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열 또는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열의 압전 소재로 형성되며; 상기 휘발성 압전 성분은 Pb 성분을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 졸겔층 및 상기 제2 졸겔층은 NKN((Na,K)NbO3) 계열의 압전 소재로 형성되며; 상기 휘발성 압전 성분은 Na 성분을 포함할 수 있다.
또한, 상기 각 제1 졸겔층을 구성하는 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 상기 압전 세라믹 소재층으로부터 상기 제1 전극으로 갈수록 점진적으로 높아지며; 상기 각 제2 졸겔층을 구성하는 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 상기 압전 세라막 소재층으로부터 상기 제2 전극으로 갈수록 점진적으로 높아질 수 있다.
그리고, 상기 압전 세라믹 소재층에 인접한 제1 졸겔층 및 제2 졸겔층의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 20% 정도로 형성되며; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각에 인접한 제1 졸겔층 및 제2 졸겔층의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 50% 정도로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 휘발성 압전 성분의 함량은 상기 제1 졸겔층 및 상기 제2 졸겔층의 전체 용질 성분 중 상기 휘발성 압전 성분의 비율로 결정될 수 있다.
여기서, 상기 압전 세라믹 소재층에 인접한 제1 졸겔층 및 제2 졸겔층의 전체 용질 성분 중 상기 휘발성 압전 성분의 비율은 1.2 내외로 형성되며; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각에 인접한 제1 졸겔층 및 제2 졸겔층의 전체 용질 성분 중 상기 휘발성 압전 성분의 비율은 화학적 양론비에 대응하도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 실시 형태에 따라, 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자에 있어서, 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 상에 형성되는 압전 세라믹 후막층과, 각각 휘발성을 갖는 휘발성 압전 성분을 포함하여 구성되며, 상기 압전 세라믹 소재층의 일측 표면에 순차적으로 적층되는 복수의 졸겔층과, 상기 복수의 졸겔층 중 최외곽에 위치하는 졸겔층의 표면에 형성되는 전극을 포함하며; 상기 졸겔층의 상기 휘발성 압전 성분의 함량은 상기 압전 세라믹 후막층으로부터 상기 전극으로 갈수록 낮아지는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자에 의해서도 달성될 수 있다.
여기서, 상기 졸겔층은 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열 또는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열의 압전 소재로 형성되며; 상기 휘발성 압전 성분은 Pb 성분을 포함할 수 있다.
또한, 상기 졸겔층은 NKN((Na,K)NbO3) 계열의 압전 소재로 형성되며; 상기 휘발성 압전 성분은 Na 성분을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 각 졸겔층을 구성하는 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 상기 압전 세라믹 후막층으로부터 상기 전극으로 갈수록 점진적으로 높아질 수 있다.
그리고, 상기 압전 세라믹 후막층에 인접한 졸겔층의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 20% 정도로 형성되며; 상기 전극에 인접한 졸겔층의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 50% 정도로 형성될 수 있다.
여기서, 상기 휘발성 압전 성분의 함량은 상기 졸겔층의 전체 용질 성분 중 상기 휘발성 압전 성분의 비율로 결정될 수 있다.
그리고, 상기 압전 세라믹 후막층에 인접한 졸겔층의 전체 용질 성분 중 상기 휘발성 압전 성분의 비율은 1.2 내외로 형성되며; 상기 전극에 인접한 졸겔층의 전체 용질 성분 중 상기 휘발성 압전 성분의 비율은 화학적 양론비에 대응하도록 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성을 통해, 본 발명에 따르면, PZT 계열이나 NKN 계열 등의 압전 세라믹 소자의 특성 향상, 예를 들어 공공 및 결정립계에 의한 특성 저하의 영향을 감소시키고 누설 전류의 증가 없이 전기적 신호 연결을 위한 전극이 형성 가능한 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자가 제공된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 세라믹 소자의 단면을 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 세라믹 소자의 표면 특성을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 세라믹 소자의 단면을 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다. 여기서, 본 발명을 설명하는데 있어, 용매나 용질 등의 농도와 같이, 숫자를 통해 표기할 때 수치적으로 표기된 해당 숫자에 본 발명의 권리가 한정되는 것으로 해석되지 않으며, 당업자가 표기된 해당 숫자로 인식할 수 있는 정도의 범위를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 예컨대, 20%의 농도는 수치적으로 정확한 20%를 의미하는 것으로 해석되어서는 않되며, 20%로 인식할 수 있는 정도의 농도도 20%의 범위 안에 포함될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 세라믹 소자(100)의 단면을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 세라믹 소자(100)는 다층의 졸겔층(21a,21b,21c)을 갖는다.
도 1을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 압전 세라믹 소자(100)는 압전 세라믹 소재층(10), 복수의 제1 졸겔층(21,22,23), 복수의 제2 졸겔층(31,32,33), 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)를 포함한다.
압전 세라믹 소재층(10)은 압전성을 갖는 재질로 마련된다. 본 발명에 따른 압전 세라믹 소재층(10)은 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열 또는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열의 압전 소재로 마련되는 것을 예로 한다.
복수의 제1 졸겔층(21,22,23)은 압전 세라믹 소재층(10)의 일측 표면, 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 압전 세라믹 소재층(10)의 상부 표면에 순차적으로 적층되어 형성된다.
여기서, 복수의 제1 졸겔층(21,22,23)의 성분은 압전 세라믹 소재층(10)을 형성하는 소재와 동일한 소재, 예를 들어 압전 세라믹 소재층(10)이 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열의 압전 소재로 형성되는 경우, 복수의 제1 졸겔층(21,22,23)도 각각 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열의 압전 소재로 형성된다. 또한, 압전 세라믹 소재층(10)이 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열의 압전 소재로 형성되는 경우, 복수의 제1 졸겔층(21,22,23) 또한 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열의 압전 소재로 형성될 수 있다.
이 때, 복수의 제1 졸겔층(21,22,23)을 구성하는 성분에는 휘발성을 갖는 휘발성 압전 성분이 포함되는데, 상기와 같이 각각의 제1 졸겔층(21,22,23)이 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열 또는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열로 형성되는 경우, 휘발성 압전 성분은 Pb 성분이 된다.
한편, 복수의 제2 졸겔층(31,32,33)은 압전 세라믹 소재층(10)의 타측 표면, 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 압전 세라믹 소재층(10)의 하부 표면에 순차적으로 적층되어 형성된다.
여기서, 복수의 제2 졸겔층(31,32,33)의 성분은, 복수의 제1 졸겔층(21,22,23)과 마찬가지로, 압전 세라믹 소재층(10)을 형성하는 소재와 동일한 소재, 예를 들어 압전 세라믹 소재층(10)이 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열의 압전 소재로 형성되는 경우, 복수의 제2 졸겔층(31,32,33)도 각각 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열의 압전 소재로 형성된다. 또한, 압전 세라믹 소재층(10)이 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열의 압전 소재로 형성되는 경우, 복수의 제2 졸겔층(31,32,33) 또한 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열의 압전 소재로 형성될 수 있다.
이 때, 복수의 제2 졸겔층(31,32,33)을 구성하는 성분에는 휘발성을 갖는 휘발성 압전 성분이 포함되는데, 상기와 같이 각각의 제2 졸겔층(31,32,33)이 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열 또는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열로 형성되는 경우, 제1 졸겔층(21,22,23)의 휘발성 압전 성분과 동일하게 Pb 성분이 된다.
본 발명의 제1 실시예에서는 제1 졸겔층(21,22,23) 및 제2 졸겔층(31,32,33)이 각각 3층 구조를 갖는 것을 예로 하고 있다. 이 때, 각각의 제1 졸겔층(21,22,23)의 휘발성 압전 성분, 즉 Pb 성분의 함량은 압전 세라믹 소재층(10)으로부터 제1 전극(40) 측으로 갈수록 낮아지도록 마련된다. 마찬가지로 각각의 제2 졸겔층(31,32,33)의 휘발성 압전 성분, 즉 Pb 성분의 함량은 압전 세라믹 소재층(10)으로부터 제2 전극(50) 측으로 갈수록 낮아지도록 마련된다.
여기서, 휘발성 압전 성분의 함량, 즉 Pb의 함량은 제1 졸겔층(21,22,23) 또는 제2 졸겔층(31,32,33)의 전체 용질 성분 중 휘발상 압전 성분의 비율로 결정된다. 예를 들어 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열의 경우 Pb 성분, Zn 성분, Nb 성분 중 휘발성 압전 성분인 Pb 성분의 비율, 즉 Pb 성분/(Zn 성분+Nb 성분)로 결정되며, PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열의 경우 Pb 성분, Zn 성분, Ti 성분 중 Pb 성분의 비율, 즉 Pb 성분/(Zn 성분+Ti 성분)로 결정된다.
이와 같이, 압전 세라믹 소재층(10)과 인접한 제1 졸겔층(21) 및 제2 졸겔층(31)의 Pb 성분의 함량을 높여 Pb 성분의 휘발성으로 인한 Pb 성분의 감소의 영향을 완화시킬 수 있다. 본 발명에서는 압전 세라믹 소재층(10)과 인접한 제1 졸겔층(21) 및 제2 졸겔층(31)의 Pb 성분의 함량, 즉 Pb 성분/(Zn 성분+Nb 성분) 또는 Pb 성분/(Zn 성분+Ti 성분) 값이 1.2 내외인 것을 예로 한다.
한편, 제1 졸겔층(21,22,23) 및 제2 졸겔층(31,32,33) 중 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)에 각각 인접한 제1 졸겔층(23) 및 제2 졸겔층(33)의 전체 용질 성분 중 휘발성 압전 성분의 비율은 화학적 양론비에 대응하도록 형성된다. 본 발명에서는 Pb 성분/(Zn 성분+Nb 성분) 또는 Pb 성분/(Zn 성분+Ti 성분) 값이 1 내외가 되도록 형성하는 것을 예로 한다.
이와 같이, 제1 졸겔층(21,22,23) 및 제2 졸겔층(31,32,33) 중 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)에 각각 인접한 제1 졸겔층(23) 및 제2 졸겔층(33)의 전체 용질 성분 중 휘발성 압전 성분의 비율은 화학적 양론비에 대응하도록 형성함으로써, 잉여 Pb 성분이 제1 전극(40) 및 제2 전극(50)과 반응하여 전도성 막이 형성되는 것을 차단하게 된다.
여기서, Pb 성분의 함량은 각각의 제1 졸겔층(21,22,23) 및 각각의 제2 졸겔층(31,32,33)을 형성하기 위한 전구체 용액의 형성시 Pb 전구체 용액, 즉 Pb 전구체와 용매인 2-메톡시에탄올에 의해 형성되는 Pb 전구체 용액의 양을 조절함으로써 조절 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 압전 세라믹 소자(100)에서, 각각의 제1 졸겔층(21,22,23)을 구성하는 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 압전 세라믹 소재층(10)으로부터 제1 전극(40)으로 갈수록 점진적으로 높아지도록 형성된다. 마찬가지로, 각각의 제2 졸겔층(31,32,33)을 구성하는 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 압전 세라믹 소재층(10)으로부터 제2 전극(50)으로 갈수록 점진적으로 높아지도록 형성된다.
본 발명에서는 압전 세라믹 소재층(10)에 인접한 제1 졸겔층(21) 및 제2 졸겔층(31)의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 20% 정도로 형성되고, 제1 전극(40) 및 제2 전극(50) 각각에 인접한 제1 졸겔층(23) 및 제2 졸겔층(33)의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 50% 정도로 형성되는 것을 예로 한다.
이 때, 복수의 제1 졸겔층(21,22,23) 및 복수의 제2 졸겔층(31,32,33) 중 중간에 위치하는 제1 졸겔층(22) 및 제2 졸겔층(32)의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 20% ~ 50% 사이의 값을 갖도록 형성되며, 중간에 위치하는 제1 졸겔층(22) 및 제2 졸겔층(32)이 다층으로 형성되는 경우 제1 전극(40) 또는 제2 전극(50)으로 갈수록 20% ~ 50% 사이에서 농도가 점진적으로 높아지도록 형성된다.
여기서, 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 PZN 졸-겔 용액이나 PZT 졸-겔 용액의 형성시 증류량의 조절을 통해 농도의 조절이 가능하다. 상기와 같이 압전 세라믹 소재층(10)의 용질 성분의 농도를 상대적으로 낮게 형성함으로써, 공공 등의 결합 발생을 제거할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 압전 세라믹 소자(100)와, 기존의 압전 세라믹 소자(100)의 표면 특성을 촬영한 도면이다. 표면 특성은 주사전자 현미경을 통해 촬영된 것으로, 도 2의 (a)는 기존의 압전 세라믹 소자(100), 즉 졸겔층이 형성되지 않은 압전 세라믹 소자(100)의 표면 특성을 나타낸 것이고, 도 2의 (b)는 본 발명에 따른 압전 세라믹 소자(100)의 표면 특성을 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 세라믹 소자(100)에서는 결정립계 및 공공 등의 결함이 나타나지 않고 매끄러운 표면 특성을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 표면 특성은 제1 전극(40) 또는 제2 전극(50)과 접촉하였을 때 일정한 전기장이 발생하여 우수한 압전 소자 특성을 나타내게 된다.
전술한 제1 실시예에서는 압전 세라믹 소재층(10), 제1 졸겔층(21,22,23), 제2 졸겔층(31,32,33)이 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열 또는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열의 압전 소재로 형성되는 것을 예로 하였다. 이외에도, 압전 세라믹 소재층(10), 제1 졸겔층(21,22,23), 제2 졸겔층(31,32,33)은 NKN((Na,K)NbO3) 계열의 압전 소재로 형성될 수 있다. 이 때, NKN((Na,K)NbO3) 계열의 압전 소재로 적용되는 경우 상술한 휘발성 압전 성분은 Na 성분이 된다.
또한, 전술한 제1 실시예에서는 제1 졸겔층(21,22,23) 및 제2 졸겔층(31,32,33)이 3층 구조로 갖는 것을 예로 하고 있으나, 2층 구조나 4층 이상의 구조로 마련될 수 있음은 물론이다. 이 경우에도 Pb 성분이나 Na 성분과 같은 휘발성 압전 성분은 압전 세라믹 소재층(10)으로부터 멀어질수록 그 함량이 감소하도록 마련되며, 전체 용질 성분의 농도는 압전 세라믹 소재층(10)으로부터 멀어질수록 높아지도록 마련될 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 세라믹 소자(200)에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 세라믹 소자(200)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 후막 구조를 가지며 제1 실시예와 마찬가지로 다층 졸겔층(21a,22a,23a)을 갖는다.
도 3응을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 세라믹 소자(200)는 베이스 기판(210), 압전 세라믹 후막층(10a), 복수의 졸겔층(21a,22a,23a), 및 전극(40a)을 포함한다.
베이스 기판(210)으로는 실리콘 기판, 금속 기판, 유리 기판 등 다양한 종류의 기판이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 실리콘 기판이 적용되는 것을 예로 한다.
압전 세라믹 후막층(10a)은 베이스 기판(210) 상에 형성된다. 여기서, 본 발명에 따른 압전 세라믹 후막층(10a)은 압전성을 갖는 재질로 마련된다. 본 발명에서는 압전 세라믹 후막층(10a)이 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열 또는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열의 압전 소재로 마련되는 것을 예로 한다.
복수의 졸겔층(21a,22a,23a)은 압전 세라믹 후막층(10a)으로부터 순차적으로 적층된다. 여기서, 졸겔층(21a,22a,23a)의 성분은 압전 세라믹 후막층(10a)을 형성하는 소재와 동일한 소재, 예를 들어 압전 세라믹 후막층(10a)이 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열의 압전 소재로 형성되는 경우, 복수의 졸겔층(21a,22a,23a)도 각각 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열의 압전 소재로 형성된다. 또한, 압전 세라믹 후막층(10a)이 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열의 압전 소재로 형성되는 경우, 복수의 졸겔층(21a,22a,23a) 또한 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열의 압전 소재로 형성될 수 있다.
이 때, 복수의 졸겔층(21a,22a,23a)을 구성하는 성분에는 휘발성을 갖는 휘발성 압전 성분이 포함되는데, 상기와 같이 각각의 졸겔층(21a,22a,23a)이 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열 또는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열로 형성되는 경우, 휘발성 압전 성분은 Pb 성분이 된다.
여기서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 세라믹 소자(200)의 졸겔층(21a,22a,23a)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 3층 구조를 갖는 것을 예로 하고 있다. 이 때, 각각의 졸겔층(21a,22a,23a)의 휘발성 압전 성분, 즉 Pb 성분의 함량은 압전 세라믹 후막층(10a)으로부터 전극(40a) 측으로 갈수록 낮아지도록 마련된다.
그리고, 휘발성 압전 성분의 함량, 즉 Pb의 함량은 상술한 제1 실시예에서와 동일하게, 졸겔층(21a,22a,23a)의 전체 용질 성분 중 휘발상 압전 성분의 비율로 결정된다. 예를 들어 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열의 경우 Pb 성분, Zn 성분, Nb 성분 중 휘발성 압전 성분인 Pb 성분의 비율, 즉 Pb 성분/(Zn 성분+Nb 성분)로 결정되며, PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열의 경우 Pb 성분, Zn 성분, Ti 성분 중 Pb 성분의 비율, 즉 Pb 성분/(Zn 성분+Ti 성분)로 결정된다.
이와 같이, 압전 세라믹 후막층(10a)과 인접한 졸겔층(21a)의 Pb 성분의 함량을 높여 Pb 성분의 휘발성으로 인한 Pb 성분의 감소의 영향을 완화시킬 수 있다. 본 발명에서는 압전 세라믹 후막층(10a)과 인접한 졸겔층(21a)의 Pb 성분의 함량, 즉 Pb 성분/(Zn 성분+Nb 성분) 또는 Pb 성분/(Zn 성분+Ti 성분) 값이 1.2 내외인 것을 예로 한다.
한편, 졸겔층(21a,22a,23a) 중 전극(40a)에 각각 인접한 졸겔층(23a)의 전체 용질 성분 중 휘발성 압전 성분의 비율은 화학적 양론비에 대응하도록 형성된다. 본 발명에서는 Pb 성분/(Zn 성분+Nb 성분) 또는 Pb 성분/(Zn 성분+Ti 성분) 값이 1 내외가 되도록 형성하는 것을 예로 한다. 이를 통해, 제1 실시예에서와 같이 잉여 Pb 성분이 전극(40a)과 반응하여 전도성 막이 형성되는 것을 차단하게 된다.
여기서, Pb 성분의 함량은 각각의 졸겔층(21a,22a,23a)을 형성하기 위한 전구체 용액의 형성시 Pb 전구체 용액, 즉 Pb 전구체와 용매인 2-메톡시에탄올에 의해 형성되는 Pb 전구체 용액의 양을 조절함으로써 조절 가능하다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 압전 세라믹 소자(200)에서, 각각의 졸겔층(21a,22a,23a)을 구성하는 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 압전 세라믹 후막층(10a)으로부터 전극(40a)으로 갈수록 점진적으로 높아지도록 형성된다. 본 발명에서는 압전 세라믹 후막층(10a)에 인접한 졸겔층(21a)의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 20% 정도로 형성되고, 전극(40a)에 인접한 졸겔층(23a)의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 50% 정도로 형성되는 것을 예로 한다.
이 때, 복수의 졸겔층(21a,22a,23a) 중 중간에 위치하는 졸겔층(22a)의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 20% ~ 50% 사이의 값을 갖도록 형성되며, 중간에 위치하는 졸겔층(22a)이 다층으로 형성되는 경우 전극(40a)으로 갈수록 20% ~ 50% 사이에서 농도가 점진적으로 높아지도록 형성된다.
여기서, 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 PZN 졸-겔 용액이나 PZT 졸-겔 용액의 형성시 증류량의 조절을 통해 농도의 조절이 가능하다. 상기와 같이 압전 세라믹 후막층(10a)의 용질 성분의 농도를 상대적으로 낮게 형성함으로써, 공공 등의 결합 발생을 제거할 수 있게 된다.
전술한 제2 실시예에서도 압전 세라믹 후막층(10a) 및 졸겔층(21a,22a,23a)이 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열 또는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열의 압전 소재로 형성되는 것을 예로 하였다. 이외에도, 압전 세라믹 후막층(10a) 및 졸겔층(21a,22a,23a)은 NKN((Na,K)NbO3) 계열의 압전 소재로 형성될 수 있다. 이 때, NKN((Na,K)NbO3) 계열의 압전 소재로 적용되는 경우 상술한 휘발성 압전 성분은 Na 성분이 된다.
또한, 전술한 제2 실시예에서는 졸겔층(21a,22a,23a)이 3층 구조로 갖는 것을 예로 하고 있으나, 2층 구조나 4층 이상의 구조로 마련될 수 있음은 물론이다. 이 경우에도 Pb 성분이나 Na 성분과 같은 휘발성 압전 성분은 압전 세라믹 후막층(10a)으로부터 멀어질수록 그 함량이 감소하도록 마련되며, 전체 용질 성분의 농도는 압전 세라믹 후막층(10a)으로부터 멀어질수록 높아지도록 마련될 수 있다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
100 : 압전 세라믹 소자 10 : 압전 세라믹 소재층
21,22,23 : 제1 졸겔층 31,32,33 : 제2 졸겔층
40 : 제1 전극 50 : 제2 전극

Claims (14)

  1. 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자에 있어서,
    압전 세라믹 소재층과,
    각각 휘발성을 갖는 휘발성 압전 성분을 포함하여 구성되며, 상기 압전 세라믹 소재층의 일측 표면에 순차적으로 적층되는 복수의 제1 졸겔층과,
    상기 휘발성 압전 성분을 포함하여 구성되며, 상기 압전 세라믹 소재층의 타측 표면에 순차적으로 적층되는 복수의 제2 졸겔층과,
    상기 복수의 제1 졸겔층 중 최외곽에 위치하는 제1 졸겔층의 표면에 형성되는 제1 전극과,
    상기 복수의 제2 졸겔층 중 최외곽에 위치하는 제2 졸겔층의 표면에 형성되는 제2 전극을 포함하며;
    상기 각 제1 졸겔층의 상기 휘발성 압전 성분의 함량은 상기 압전 세라믹 소재층으로부터 상기 제1 전극으로 갈수록 낮아지며;
    상기 각 제2 졸겔층의 상기 휘발성 압전 성분의 함량은 상기 압전 세라막 소재층으로부터 상기 제2 전극으로 갈수록 낮아지는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 졸겔층 및 상기 제2 졸겔층은 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열 또는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열의 압전 소재로 형성되며;
    상기 휘발성 압전 성분은 Pb 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 졸겔층 및 상기 제2 졸겔층은 NKN((Na,K)NbO3) 계열의 압전 소재로 형성되며;
    상기 휘발성 압전 성분은 Na 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 각 제1 졸겔층을 구성하는 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 상기 압전 세라믹 소재층으로부터 상기 제1 전극으로 갈수록 점진적으로 높아지며;
    상기 각 제2 졸겔층을 구성하는 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 상기 압전 세라막 소재층으로부터 상기 제2 전극으로 갈수록 점진적으로 높아지는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압전 세라믹 소재층에 인접한 제1 졸겔층 및 제2 졸겔층의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 20%로 형성되며;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각에 인접한 제1 졸겔층 및 제2 졸겔층의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 50%로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 휘발성 압전 성분의 함량은 상기 제1 졸겔층 및 상기 제2 졸겔층의 전체 용질 성분 중 상기 휘발성 압전 성분의 비율로 결정되는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압전 세라믹 소재층에 인접한 제1 졸겔층 및 제2 졸겔층의 전체 용질 성분 중 상기 휘발성 압전 성분의 비율은 1.2로 형성되며;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각에 인접한 제1 졸겔층 및 제2 졸겔층의 전체 용질 성분 중 상기 휘발성 압전 성분의 비율은 화학적 양론비에 대응하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
  8. 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자에 있어서,
    베이스 기판과,
    상기 베이스 기판 상에 형성되는 압전 세라믹 후막층과,
    각각 휘발성을 갖는 휘발성 압전 성분을 포함하여 구성되며, 상기 압전 세라믹 소재층의 일측 표면에 순차적으로 적층되는 복수의 졸겔층과,
    상기 복수의 졸겔층 중 최외곽에 위치하는 졸겔층의 표면에 형성되는 전극을 포함하며;
    상기 졸겔층의 상기 휘발성 압전 성분의 함량은 상기 압전 세라믹 후막층으로부터 상기 전극으로 갈수록 낮아지는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 졸겔층은 PZN(Pb(Zn, Nb)O3) 계열 또는 PZT(Pb(Zr, Ti)O3) 계열의 압전 소재로 형성되며;
    상기 휘발성 압전 성분은 Pb 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 졸겔층은 NKN((Na,K)NbO3) 계열의 압전 소재로 형성되며;
    상기 휘발성 압전 성분은 Na 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 각 졸겔층을 구성하는 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 상기 압전 세라믹 후막층으로부터 상기 전극으로 갈수록 점진적으로 높아지는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 압전 세라믹 후막층에 인접한 졸겔층의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 20%로 형성되며;
    상기 전극에 인접한 졸겔층의 용매에 대한 전체 용질 성분의 농도는 50%로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 휘발성 압전 성분의 함량은 상기 졸겔층의 전체 용질 성분 중 상기 휘발성 압전 성분의 비율로 결정되는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 압전 세라믹 후막층에 인접한 졸겔층의 전체 용질 성분 중 상기 휘발성 압전 성분의 비율은 1.2로 형성되며;
    상기 전극에 인접한 졸겔층의 전체 용질 성분 중 상기 휘발성 압전 성분의 비율은 화학적 양론비에 대응하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 졸겔층을 갖는 압전 세라믹 소자.
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