KR20050106405A - 압전 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상부 전극, 압전(piezoeletric) 재료 및/또는 전왜(electrostrictive) 재료, 하부 전극을 포함하는 압전 소자에 관한 것이며, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 일반식으로서 ABO3으로 구성된 복합 산화물이며, 상기 압전 및/또는 전왜 재료는 쌍정(twin crystal)을 갖는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 압전 소자 및 압전 액튜에이터에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 잉크젯 기록 장치에 사용하기 위한 잉크젯 기록 헤드에 관한 것이다.
최근, 압전 액튜에이터는 모터의 미세화, 고밀도화를 달성할 수 있어서, 전자 모터에 대신에 새로운 모터로서, 휴대 정보 기기 분야, 화학 산업 및 의료 분야에서 주목받고 있다. 또한, 압전 액튜에이터는 그 구동에 있어서 전자 노이즈를 발생시키지도 않고, 노이즈의 영향도 받지 않는다. 더구나, 압전 액튜에이터는 마이크로 머신으로 대표되는 서브밀리미터 크기의 기기를 제조하는 기술로서 주목받고 있고, 그러한 마이크로머신의 구동원으로서 작은 압전 액튜에이터가 요구되고 있다.
종래의 압전 소자는 일반적으로 압전체로 구성되며, 벌크 소결체(bulk sintered member)를 사용하여 형성되며, 금속 또는 실리콘 등의 기판 상의 소정의 위치에 제공된다. 압전체는 벌크 소결체를 원하는 크기 및 두께로 폴리싱(polishing)하거나, 그린 시트(green sheet)로부터 펀칭(punching)한 후 열처리함으로써 얻어진다. 이러한 벌크 소결체 또는 그린 시트로부터의 성형체는 일반적으로 수 마이크로미터 또는 그 이상의 두께를 갖는다. 이러한 압전 액튜에이터는 일반적으로 압전체와 탄성체가 접착제로 접착되어 있는 기본 구조를 갖는다.
한편, 접착제로 접합하는 것 외에도, 예를 들어, 스퍼터법 또는 인쇄법에 의해 기판 상에 압전체를 직접 형성하는 방법이 공지되어 있다. 통상적으로, 인쇄법, 스퍼터법, M0CVD법, 졸겔법(sol-gel method), 가스 피착법에 의해 형성되는 압전체는, 약 수십 나노미터(수백 옹스트롬) 내지 수백 마이크로미터의 두께를 갖는다. 또한, 어느 구성에서도, 압전체에는 전압이 인가되는 전극이 제공되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 압전 소자는 기본적으로 압전체와 기판을 접착제로 접착한 구성, 또는 압전체를 기판 상에 직접 형성한 구성을 갖는다.
이러한 압전 소자를 이용한 잉크젯 기록 장치를 잉크 공급실에 연통한 압력실과 그 압력실에 연통한 잉크 토출구로 형성되어 있으며, 그 압력실에 압전 소자가 접합 또는 직접 형성된 진동판이 제공되어 있다. 이러한 구성에서, 압전 소자에 소정의 전압을 인가하여 신장 또는 수축을 야기함으로써, 굴곡 진동을 일으켜 압력실 내의 잉크를 압축하고 잉크 토출구에서 잉크 액적을 토출시킨다. 이러한 기능이 현재의 컬러 잉크젯 기록 장치에 이용되고 있지만, 그 인쇄 성능의 향상, 특히 보다 높은 해상도 및 보다 높은 인쇄 속도가 요구되고 있다. 이러한 목적 때문에, 보다 높은 해상도 및 보다 높은 인쇄 속도를 달성하기 위한 미세화된 잉크젯 헤드 구조에 멀티 노즐 헤드 구조를 시도하고 있다. 잉크젯 헤드를 미세화하기 위해, 잉크를 토출시키기 위한 압전 소자를 소형화하는 것이 필요하게 된다.
이러한 소형의 압전 소자는 예를 들어, 상기 설명된 바와 같이 절삭 및 연마함으로써 소결된 압전체의 미세 성형에 의해 제조되었으나, 압전체를 박막으로 형성하고 반도체 산업에서 개발된 정밀 가공 기술을 이용함으로써 고정밀도의 초소형 압전 소자를 생산하는 것이 연구 중에 있다. 또한, 보다 높은 성능을 달성하기 위해, 압전체는 단결정막 또는 단일 배향막에 의해 바람직하게 형성되고, 헤테로 에피택셜 성장 기술이 활발히 개발되고 있다.
한편, 일반식 ABO3으로 구성되는 페로브스카이트형(perovskite) 구조의 강유전체 재료(ferroelectric material)가 최근 압전 재료로서 주목받고 있다. 예를 들면 PZT로 대표되는 이 재료는, 강유전성(ferroelectric property), 초전성(pyroelectric property) 및 압전성이 우수하다. 또한, PZN-PT로 대표되는 릴렉서계 전왜 재료(relaxer type elecrostrictive material)가 그 우수한 압전성 때문에, 압전 재료로서 기대되고 있다. PZT 재료는 예를 들면 "세라믹 유전체 공학"(학헌사, 4판)의 333페이지에 설명되어 있다. 또한, 릴렉서 재료는 예를 들어 일본특개평 2001-328867호 공보에 기재되어 있다.
그러나, 앞서 언급된 바와 같은 높은 압전성을 갖는 재료라하더라도, 기대되는 고레벨의 압전성을 실현할 수 없으며, 배향성을 갖거나 단결정으로 형성되어 있어 보다 높은 압전성이 기대되는 압전 재료 및/또는 전왜 재료라하더라도 결정성의 단순한 증가에 의해, 배향성을 갖지 않거나 단결정으로 형성되어 있지 않은 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 다르지 않은 압전성을 야기하게 될 뿐임을 알아냈다. 또한, 압전성이 증가될 경우에 발생하는, 주로 큰 압전 왜곡으로 인한 압전 소자의 전극 박리(electrode peeling), 또는 기판 상에 압전 소자를 직접 형성할 경우에 발생하는 막 박리(film peeling)를 회피할 수 있는 압전 소자가 확립되어 있지 않다.
[특허 문헌1] 특개2001-328867호 공보
[비특허 문헌1]「세라믹 유전체 공학」(학헌사 제4판), 333페이지
도 1은 일실시예에 따른 액체 분사 헤드(liquid discharge head)를 도시하는 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 장치의 압전 액튜에이터의 구성을 도시하는 모식도.
도 3은 도 1에 도시된 액체 분사 헤드의 단면 구조를 도시한 일부 파단 부분 사시도.
도 4는 역 격자 공간 맵핑을 이용한 쌍정율을 규정하는 모식도.
도 5는 극점 측정을 이용한 쌍정율을 규정하는 모식도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예의 XRD 프로파일(2θ/θ 측정도).
도 7은 본 발명의 제1 실시예의 XRD 프로파일((204) 정극점도).
도 8은 본 발명의 제1 실시예의 XRD 프로파일((204) 역 격자 맵핑).
도 9는 본 발명의 비교예 1의 XRD 프로파일((204) 역 격자 맵핑).
도 10은 본 발명의 비교예 1의 XRD 프로파일((-204) 역 격자 맵핑).
본 발명의 목적은 우수한 압전성을 갖는 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 제공된 압전 소자를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 간의 만족스런 밀착성을 갖는 압전 소자를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 기판 상에 압전 소자를 직접 형성할 경우의 막 박리를 방지하기 위한 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 높은 신뢰성의 압전 액튜에이터 및 잉크젯 기록 헤드를 제공하기 위한 것이다.
[1] 앞서 언급한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 압전 소자는 상부 전극, 압전 재료 및/또는 전왜 재료, 및 하부 전극을 포함하고, 이 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 일반식 ABO3로 구성되는 복합 산화물이며, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 쌍정을 갖는 것을 특징으로 한다.
집중 조사의 결과로서, 본 발명자들은 압전 재료 및/또는 전왜 재료 내의 쌍정의 존재가 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 사이에 개선된 압전성 및 개선된 밀착성을 갖는 압전 소자를 획득하도록 허용함을 알아냈다.
그러므로, 이유는 명확하지 않지만, 압전 재료 및/또는 전왜 재료 내의 쌍정의 존재가 다양한 방법에 의해 재료 준비시에 발생되는 내부 응력을 완화시키므로, 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 사이의 만족스러운 밀착성을 제공하는 자체 재료에 고유한 압전성을 나타낸다고 추정된다.
본 발명에서, 쌍정(twin crystal)이란 동일한 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 둘 이상의 결정(crystal)이 면 또는 축에 대해 대칭 관계로 수반되어 통합된 결정 구조를 의미하며, 쌍정은 그러한 면 또는 축으로 쌍정 도메인 경계를 갖는다.
[2] 전술된 목적들은, [1]에 따른 압전 소자에 의해서 달성될 수 있으며, 상기 쌍정의 쌍정면은 {11O}으로 표시된 군으로부터 선택된 하나이다.
{11O}은 일반적으로 (11O), (1O1), (O11) 등으로 표시된 6개의 면을 총괄하여 표시한다. 또한, 쌍정면은 {110}의 양측의 격자점에서의 이온이 거울상 관계에 있는 경우에 {110}을 나타낸다.
[3] 전술된 목적들은, [1]에 따른 압전 소자에 의해서 달성될 수 있으며, 상기 쌍정의 쌍정면은 {1OO}으로 표시된 군으로부터 선택된 하나이다.
{1OO}은 일반적으로 (1OO), (O1O), (OO1) 등으로 표시된 6개의 면을 총괄하여 표시한다. 또한, 쌍정면은 {100}의 양측의 격자점에서의 이온이 거울상 관계에 있는 경우에 {100}을 나타낸다.
[4] 전술된 목적들은 [2]에 따른 압전 소자에 의해서 달성될 수 있으며, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 정방정계(tetragonal system)를 갖는다.
이러한 쌍정의 존재가 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 개선이나, 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 사이의 밀착성 개선에 기여하는 이유가 아직 명확하지는 않지만, 예를 들어 정방정계의 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 분극축 방향을 구성하는 [001]에 대하여 쌍정면(101)을 갖는 쌍정 도메인 [100]은 일반적으로 단지 수도 이하의 각을 형성하고, 그리하여 쌍정 도메인이 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 고유의 구조를 크게 손상시키지 않고도 내부 응력을 완화시키고, 그리하여 그 재료에 대해 고유한 압전성을 나타내며 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 사이의 밀착성을 개선하거나, 또는 전압 인가시의 쌍정 도메인 또는 도메인 벽의 변위의 스위칭이 격자의 용이한 왜곡을 허용하여 큰 압전성을 나타낼 것으로 추정된다.
[5] 전술된 목적들은 [2]에 따른 압전 소자에 의해서 달성될 수 있으며, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 사방정계(rhombic system)를 갖는다.
이러한 쌍정의 존재가 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 개선이나, 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 사이의 밀착성 개선에 기여하는 이유가 아직 명확하지는 않지만, 예를 들어 사방정계의 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 분극축 방향을 구성하는 [011]에 대하여 쌍정면(110)을 갖는 쌍정 도메인 [101]은 일반적으로 단지 몇도 이하의 각을 형성하고, 그리하여 쌍정 도메인이 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 고유의 구조를 크게 손상시키지 않고도 내부 응력을 완화시키고, 그리하여 그 재료에 대해 고유한 압전성을 나타내며 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 사이의 밀착성을 개선하거나, 또는 전압 인가시의 쌍정 도메인 또는 도메인 벽의 변위의 스위칭이 격자의 용이한 왜곡을 허용하여 큰 압전성을 나타낼 것으로 추정된다.
[6] 전술된 목적은 [3]에 따른 압전 소자에 의해 달성될 수 있으며, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 능면체정계(rhombohedral system)를 갖는다.
이러한 쌍정의 존재가 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 개선이나, 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 사이의 밀착성 개선에 기여하는 이유가 아직 명확하지는 않지만, 예를 들어 능면체정계의 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 분극축 방향을 구성하는 [111]에 대하여 쌍정면(100)을 갖는 쌍정 도메인 [-111]은 일반적으로 단지 몇도 이하의 각을 형성하고, 그리하여 쌍정 도메인이 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 고유의 구조를 크게 손상시키지 않고도 내부 응력을 완화시키고, 그리하여 그 재료에 대해 고유한 압전성을 나타내며 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 사이의 밀착성을 개선하거나, 또는 전압 인가시의 쌍정 도메인 또는 도메인 벽의 변위의 스위칭이 격자의 용이한 왜곡을 허용하여 큰 압전성을 나타낼 것으로 추정된다.
[7] 전술된 목적은 [1] 내지 [6] 중 어느 하나에 따른 압전 소자에 의해 달성될 수 있으며, 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 O.OO1 내지 1.O의 쌍정율을 갖는다. 이러한 쌍정율의 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 내부 응력을 완화시키므로, 재료 고유의 압전성을 나타내며, 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극과의 밀착성을 개선시킨다.
본 발명에서는, 쌍정율이란 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 결정 중의 쌍정 도메인의 비율을 의미하며, 예를 들어 고분해능 TEM 또는 X-선 회절에 의해 쌍정의 존재 또는 쌍정율을 확인할 수 있다.
[8] 전술된 목적은 [1] 내지 [7] 중 어느 하나에 따른 압전 소자에 의해 달성될 수 있으며, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 배향성을 갖는다.
[9] 전술된 목적은 [8]에 따른 압전 소자에 의해 달성될 수 있으며, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 적어도 일축 방향에서 99% 이상의 배향율을 갖는다.
배향성을 갖거나 단결정인 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 일반적으로 높은 압전성을 나타내는 것으로 생각되지만, 결정성의 단순한 증가에 의해, 압전성이 기대하는 고레벨에 도달할 수는 없지만 배향성 또는 단결정성이 없는 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 압전성과 동일하게 유지된다.
한편, 쌍정 구조의 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 배향성을 갖는 경우, 높은 압전성을 갖는 압전 소자가 얻어질 수 있다. 또한, 배향성을 갖거나 단결정인 압전 재료 및/또는 전왜 재료에서는, 하부 전극 또는 상부 전극에 대한 밀착성이 무 배향막의 밀착성보다도 나쁘게 되지만, 쌍정 구조를 갖는 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 배향성을 갖는 경우, 사실상 하부 전극 또는 상부 전극간의 밀착성이 좋은 압전 소자를 획득할 수 있다.
이러한 배향성은 예를 들면 한 축에 따른 배향 또는 모든 축에 따른 배향이 될 수 있다. 압전 재료 및/또는 전왜 재료에서는, 배향성이 가능한한 높은 것이 바람직하며, 가장 바람직한 것은 모든 축이 100%의 배향율을 갖는 배향성을 갖는 것이다.
본 발명에서, 배향율이란 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 모든 결정 입자 중 적어도 일축에 따라 동일한 방향을 갖는 결정 입자의 비율을 의미하고, 배향성의 존재 또는 배향율은 예를 들어, 고분해능 TEM 또는 X-선 회절에 의해 배향성의 유무나 배향율을 확인할 수 있다.
[10] 전술된 목적은 [8] 또는 [9]에 따른 압전 소자에 의해 달성되며, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 상부 전극과 접촉하는 주요 결정면 {1OO}을 갖는다.
[11] 전술된 목적은 [8] 또는 [9]에 따른 압전 소자에 의해 달성되며, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 상부 전극과 접촉하는 주요 결정면 {111}을 갖는 다.
[12] 전술된 목적은 [8] 또는 [9]에 따른 압전 소자에 의해 달성되며, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 상부 전극과 접촉하는 주요 결정면 {11O}을 갖는다.
주요 결정면이란 다른 상과 접촉하는 면에서의 배향성을 갖는 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 주요 결정면이며, 예를 들면, 그 주요 결정면은 [001] 배향의 경우에는 (001)이다.
[13] 전술된 목적은 [1] 내지 [12] 중 어느 하나에 따른 압전 소자에 의해 달성될 수 있으며, 하부 전극, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 기판 상에 직접 형성되어 있다.
압전 재료 및/또는 전왜 재료가 기판 상에 직접 형성되는 경우, 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극이나 기판과의 막 박리가 문제가 되지만, 쌍정 구조를 갖는 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 실제로 하부 전극 또는 상부 전극과 기판과의 밀착성이 좋은 압전 소자를 제공할 수 있다. 또한, 기판 상에 직접 형성된 압전 소자는 압전 재료 및/또는 전왜 재료을 얇게 할 수 있기 때문에, 압전 소자의 미세화 및 고밀도화를 달성하도록 적응되어 있다.
[14] 전술된 목적은 [13]에 따른 압전 소자에 의해서 달성될 수 있으며, 압전 재료 및/또는 전왜 재료를 포함하는 층이 1 내지 10㎛의 두께로 형성된다.
압전 재료 및/또는 전왜 재료가 쌍정을 갖는 경우, 압전성을 개선하기 위해서 1㎛ 이상의 막 두께가 필요하다. 또한, 압전 재료 및/또는 전왜 재료를 기판 상에 직접 형성하는 경우, 막 박리가 1㎛ 이상의 막 두께에서 문제가 되지만, 본원 발명의 압전 소자는 1㎛ 이상의 막 두께에서도 막 박리를 방지할 수 있다.
[15] 전술된 목적은 [1] 내지 [13] 중 어느 하나에 따른 압전 소자를 이용한 압전 액튜에이터에 의해서 달성될 수 있다.
본 발명의 압전 액튜에이터에는 우수한 압전성의 압전 소자가 제공된다. 또한, 본원 발명의 압전 액튜에이터에는 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 간의 밀착성이 좋은 압전 소자가 제공된다. 또한, 본 발명의 압전 액튜에이터에는 기판 상에 압전 소자를 직접 형성할 때 막 박리가 없는 압전 소자가 제공된다. 그러므로, 압전 소자의 소형화, 고기능화를 용이하게 달성할 수 있는 신뢰성이 높은 압전 액튜에이터를 얻을 수 있어서 고성능의 마이크로머신 또는 마이크로 센서를 얻을 수 있다.
[16] 전술된 목적은 [1] 내지 [14] 중 어느 하나에 따른 압전 소자를 이용한 잉크젯 기록 헤드에 의해 달성될 수 있다.
본 발명의 잉크젯 기록 헤드에는 우수한 압전성을 갖는 압전 소자가 제공된다. 또한, 본 발명의 잉크젯 기록 헤드에는 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 간의 밀착성이 좋은 압전 소자가 제공된다. 또한, 본 발명의 잉크젯 기록 헤드에는 기판 상에 압전 소자를 직접 형성할 때 막 박리가 없는 압전 소자가 제공된다. 그러므로, 압전 소자의 소형화, 고기능화를 용이하게 달성할 수 있는 신뢰성이 높은 잉크젯 기록 헤드를 얻을 수 있어서 여러 분야에서 미세하고 정밀한 잉크 방울 제어가 가능하게 된다.
본 발명에 따르면, 상부 전극, 압전 재료 및/또는 전왜 재료 및 하부 전극을 포함하는 압전 소자를 얻을 수 있고, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 내부 응력을 완화하기 위해 쌍정을 가지므로, 높은 압전성을 나타낸다. 또한, 상부 전극, 압전 재료 및/또는 전왜 재료 및 하부 전극을 포함하는 압전 소자를 얻을 수 있고, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 쌍정을 가지므로, 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 간에 만족스러운 밀착성을 나타낸다. 더구나, 상부 전극, 압전 재료 및/또는 전왜 재료 및 하부 전극을 포함하는 압전 소자를 얻을 수 있고, 기판 상에 하부 전극 또는 압전 재료 및/또는 전왜 재료를 직접 형성하는 경우, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 쌍정을 가지므로, 기판 상에 압전 소자를 직접 형성할 때의 막 박리를 방지할 수 있다. 또한, 상부 전극, 압전 재료 및/또는 전왜 재료 및 하부 전극을 포함하는 압전 소자를 이용하여 높은 신뢰성의 압전 액튜에이터 또는 잉크젯 기록 헤드를 얻을 수 있고, 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 쌍정을 갖는다.
이제 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 설명할 것이다.
도 1 내지 도 3은 일실시예의 잉크젯 기록 헤드를 도시한 것으로서, 상기 잉크젯 기록 헤드(M)은 기판을 구성하는 본체 기판(1)과, 복수의 액체 토출구(노즐)(2)와, 액체 토출구(2)에 각각 대응하는 설치된 복수의 압력실(액실)(3)과, 각 압력실(3)에 대응하여 배치된 액튜에이터(1O)로 구성되어 있고, 상기 액체 토출구(2)는 노즐 플레이트(4) 상에 소정의 간격으로 형성되어 있는 반면, 압력실(3)은 액체 토출구(2)에 각각 대응하기 위해 본체 기판(액실 기판)(1) 상에 병렬로 형성되어 있다.
본 실시예에서는 액체 토출구(2)가 하면에 형성되어 있지만, 옆면에 형성될 수도 있다.
본체 기판(1)의 상면에는 도시되지 않은 개구부(aperture)가 각 압력실(3)에 대응하여 형성되며, 각 액튜에이터(10)는 그러한 개구부를 막도록 위치되어, 진동판(11)과 압전 소자(15)로 구성되며, 압전 소자(15)는 압전 재료 및/또는 전왜 재료 및 한쌍의 전극(하부 전극(13) 및 상부 전극(14))으로 형성되어 있다.
본 발명의 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 특별히 제한되어 있지 않고, 본 발명의 압전 소자를 구성할 수 있는 임의의 재료가 될 수 있으며, 이러한 재료의 바람직한 특정 예는 PZT[Pb(ZrxTi1-x)O3], PMN[Pb(MgxNb1-x)O3], PNN[Pb(NbxNi1-x)O3], PSN[Pb(ScxNb1-x)O3], PZN[Pb(ZrxNb1-x)O3], PMN-PT[(1-y)[Pb(MgxNb1-x)O3]-y[PbTiO3]], PSN-PT[(1-y)[Pb(ScxNb1-x)O3]-y[PbTiO3]], PZN-PT[(1-y)[Pb(ZnxNb1-x)O3]-y[PbTiO3]] 등을 포함한다. 예를 들어, PZT는 대표적인 페로브스카이트형 압전 재료이고, PZN-PT와 PMN-PT는 대표적인 릴렉서 전왜 재료이다. 앞에서, x 및 y 각각은 1부터 0까지의 수이다. 예를 들어, 이러한 재료는 MPB라고 불리는 결정 상 경계를 가질 수 있으며, 일반적으로 MPB 영역의 만족할만한 압전성을 갖도록 공지되어 있다. MPB 영역에서, x는 PZT에 대해서는 0.4 내지 0.65, PMN에 대해서는 0.2 내지 0.5, PSN에 대해서는 0.4 내지 0.7 범위 내에 있는 것이 바람직하며, y는 PMN-PT에 대해서는 0.2 내지 0.4, PSN-PT에 대해서는 0.35 내지 0.5, PZN-PT에 대해서는 0.03 내지 0.35 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 납계 재료가 아닌 재료일 수 있고, 예를 들어 BTO(티탄산바륨), SBN(니오븀산스트론튬바륨), KNO(니오븀산칼륨), LNO(니오븀산리튬), 또는 비스무스 기반 페로브스카이트 화합물(예를 들어, BNT(비스무스티탄산소듐))이 있다. 이러한 재료는 납계 재료, 비연계 재료, 압전 재료, 전왜 재료 등으로 크게 분류될 수 있지만, 그 압전성이 가장 큰 것은 납계 릴렉서 타입 전왜 재료가 압전성이 가장 크므로, 예를 들어 PZN-PT 또는 PMN-PT를 선택하는 것이 특히 바람직하다. 또한, PMN-PT, PZN-PT, PNN-PT, PSN-PT 내의 Ti 대신에 Zr을 포함한 PMN-PZT, PZN-PZT, PNN-PZT, PSN-PZT를 선택하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 단일 구성 또는 2종류 이상의 조합을 가질 수 있다. 또한, 상기 주성분에 미량의 원소를 도핑함으로써 얻어진 구성물을 이용할 수도 있으며, 그 대표적인 예로는 La-도핑 PZT 또는 PLZT[(Pb, La)(Z, Ti)O3] 같은 것이 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 특정 재료에 제한되어 있는 것이 아니다. 바람직하게는, 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 일반식으로서 ABO3로 구성된 복합 산화물이 될 수 있다.
압전 재료 및/또는 전왜 재료가 형성 방법에 제한이 있는 것은 아니지만, 예를 들어, 원하는 크기 및 두께를 얻기 위해 플럭스법(flux method), 드로잉법(drawing method) 또는 브릿지맨법(Bridgman method)을 이용하여 압전 재료 및/또는 전왜 재료를 폴리싱하거나, 그린 시트를 펀칭하여 열처리함으로써 종종 형성된다. 이러한 성형체는 일반적으로 약 1OO㎛ 이상의 두께를 갖는다. 이러한 압전 소자가 구비된 압전 액튜에이터는 압전 소자와 기판 등의 탄성 재료를 접착제 혹은 각종 접합 방법으로 접합한 기본적인 구조를 갖는다.
한편, 1OO㎛ 이하의 성형체의 경우에는, 상술된 방법 이외에도, 예를 들어, 인쇄법에 의해 기판 상에 하부 전극(13), 압전 재료 및/또는 전왜 재료를 직접 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우, 압전 소자 형성 후에 원하는 패턴 형성을 행하는 것이 바람직하다. 또한, 두께가 1O㎛ 이하인 박막에 대해서는, 통상적으로, 졸겔법(sol-gel method), 수열 합성법(hydrothermal synthesis method), 가스 피착법(gas deposition method) 또는 전기영동법(electrophoresis method)과 같은 막 형성법을 이용하고, 또한 바람직하게는 스퍼터링법, CVD법, MOCVD법, 이온 빔 피착법, 분자 빔 에피택시법 또는 레이저 박리법(laser ablation method)을 이용한다. 이러한 박막 형성법에서는, 기판 또는 하부 전극으로부터의 에피택셜 성장에 의해 압전 재료 및/또는 전왜 재료에 고배향화가 확보될 수 있기 때문에, 더 상승된 압전성을 갖는 압전 소자를 형성하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 압전 소자에 이용하는 상부 전극 또는 하부 전극은, 앞서 말한 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 양호한 접합성을 갖고, 높은 도전성을 가지며, 보다 구체적으로는, 상부 전극 또는 하부 전극은 바람직하게 10-7∼10-2Ωㆍcm의 특정 저항을 갖는다. 이러한 재료는 일반적으로는 금속이지만, 예를 들어, 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 등의 Pt족 금속을 전극으로서 종종 이용한다. 또한 이러한 재료를 포함하는 합금, 예를 들어, 은 페이스트 또는 땜납도 높은 도전성을 가지며, 바람직하게는 소자 형성에 이용된다. 또한, IrO(산화 이리듐), SRO(루테늄산 스트론튬), ITO(도전성 산화 주석), BPO(납산 바륨)과 같은 도전성 산화물을 전극 재료로서 이용하는 것도 바람직하다.
하부 전극은 10 내지 2000㎚, 바람직하게는 100 내지 1OOO㎚의 두께를 갖는다. 하부 전극을 구성하는 재료는 형성 방법에 특별히 한정되어 있는 것은 아니며, 예를 들어, 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 상하로 인쇄법에 의해 하부 전극을 직접 형성하거나, 기판 또는 진동판 상에 인쇄법에 의해 하부 전극을 직접 형성하는 것이 가능하다. 또한, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 1O㎛ 이하의 박막인 경우에는, 통상적으로, 졸겔법, 수열 합성법, 가스 피착법 또는 전기 영동법과 같은 막 형성법, 또는 스퍼터링법, CVD법, MOCVD법, 이온 빔 피착법, 분자 빔 에피택시법, 레이저 박리법과 같은 진공 막 형성법에 의해 기판 또는 진동판 상에 직접 하부 전극을 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 막 형성법은, 기판 또는 진동판으로부터의 에피택셜 성장을 이용한 하부 전극의 단결정 구조 및 고배향화를 달성하게 하기 때문에, 더 높은 압전성의 압전 소자를 형성하는 것이 가능하게 된다. 또한, 상부 전극은 막 두께에 따라서 적절하게 형성될 수 있다.
더구나, 하부 전극과 진동판 사이에는 접합층으로서 하부 전극과는 다른 금속 재료 또는 금속 산화물 재료를 형성할 수 있다. 접합층은, 금속, 예를 들어 Ti, Cr 또는 Ir의 경우, 또는 금속 산화물, 예를 들어 TiO2 또는 IrO2의 경우에 구성될 수 있다. 접합층은 3 내지 300㎚, 바람직하게는 3 내지 70㎚의 막 두께를 갖는다. 또한, 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 상부 전극 사이에 마찬가지의 접합층이 제공될 수도 있다.
압전 재료 및/또는 전왜 재료 내의 쌍정의 존재는, 압전성을 향상시키고, 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 간의 양호한 접합성을 갖는 압전 소자를 얻도록 해준다.
특히, 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 정방적 결정 구조이며, 쌍정의 쌍정면(101)을 갖는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면, 유사하게, 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 결정이 능면체정 구조를 갖고, 쌍정의 쌍정면(100)을 갖는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면, 유사하게, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 사방정 구조를 갖고, 쌍정의 쌍정면(110)을 갖는 것이 바람직하다.
앞에서, 3가지 예를 들었지만, 기타, 마찬가지로 분극축으로부터 몇도 이내에 결정축을 갖는 임의의 다른 쌍정이 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 압전성의 개선이나, 압전 재료 및/또는 전왜 재료와 하부 전극 또는 상부 전극 간의 접합성의 개선에 기여하고, 또한 예를 들어 육방정이나 의사 입방정계와 같은 다른 결정계에서도 분극축으로부터 몇도 이내에 결정축을 갖는 임의의 쌍정이 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 압전성의 개선이나, 압전 압전 재료 및/또는 전왜 재료과 하부 전극 또는 상부 전극 간의 접합성의 개선에 기여한다.
압전 재료 및/또는 전왜 재료는 바람직하게는 0.001 내지 1.0 범위의 쌍정율을 갖고, 특히 바람직하게는 배향성을 갖는다.
압전 재료 및/또는 전왜 재료의 쌍정율은 X선 회절의 극점 측정이나 역격자 공간 맵핑에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 예를 들어, 정방정 구조의 (001) 배향의 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 (101) 쌍정면을 포함하는 쌍정을 갖는 경우, 역격자 공간 맵핑에 의해, 예를 들면 (204)와 같은 비대칭면의 관찰시에, 도 4와 같이, (204)에 기인한 회절의 근방에, 쌍정의 (402)에 기인한 회절이 나타난다. (204)에 기인한 회절의 피크 강도를 I1, 쌍정의(402)에 기인한 회절의 피크 강도를 I2, I3로 하면, 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 쌍정율은 (I2+I3)/(I1+I2+I3)로 정의된다.
마찬가지로, 예를 들면, 능면체 구조의 (100) 배향의 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 (010)의 쌍정면을 포함하는 쌍정을 갖는 경우에, 극점 측정에 의해, (400)과 같은 대칭면 관찰시에, 도 5에 도시된 바와 같이 (400)에 기인한 회절의 근방에, 쌍정의 (400)에 기인한 회절이 나타난다. (400)에 기인한 회절의 피크 강도를 I1, 쌍정의 (400)에 기인한 회절의 피크 강도를 I2, I3로 하면, 이 경우의 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 쌍정율은 (I2+I3)/(I1+I2+I3)로 정의된다.
앞서 설명한 바와 같이, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 쌍정을 갖는 경우, 쌍정율은 X선 회절에 의해 확인될 수 있지만, 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 쌍정의 존재는, 전술한 X선 회절 외에도, 예를 들어 TEM에 의한 단면 관찰이나 표면 관찰에 의해서 확인될 수 있다.
압전 재료 및/또는 전왜 재료는 90% 이상의 배향율을 가지며, 보다 바람직하게는, 99% 이상이다. 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 가능한한 높은 배향성을 가지며, 가장 바람직하게는 모든 축의 배향성이 100%의 배향율을 갖는다.
압전 재료 및/또는 전왜 재료의 배향율은 X선 회절의 2θ/θ 측정으로 결정될 수 있다.
예를 들어, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 정방정 구조의 [001] 배향을 갖는 경우, 정방정의 (001)의 회절이 가장 강하게 검출되도록 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 설정되어 있을 때, 배향율은 압전 재료 및/또는 전왜 재료에 기인하는 모든 반사 피크 강도의 합에 대한, (00L)면(L=1,2,3,...,n; n은 정수)에 기인하는 모든 반사 피크 강도의 합의 비율로 정의된다. 그러나, 쌍정 도메인을 포함하는 쌍정은 단지 쌍정으로써만 배향될 필요가 있으며, 쌍정의 쌍정 도메인에 기인한 피크 강도는 반사 피크 강도의 합에 포함되지 않는다.
쌍정의 쌍정 도메인에 기인한 피크 강도는 X선 회절에 의해 다른 피크 강도로부터 간단히 구별될 수 있다. 예를 들어, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 (101) 쌍정면의 정방정 구조를 갖는 경우, (001)에 기인한 반사 피크 및 쌍정 도메인의 (1OO)에 기인한 반사피크가 X선 회절의 2θ/θ 측정에서의 동일한 측정 축 상의 동일한 회절점 상에는 나타나지 않으므로, 용이하게 구별할 수 있다.
더구나, 예를 들면 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 99% 이상의 배향율을 갖는 경우, (001)에 기인한 반사 피크와 쌍정 도메인의 (100)에 기인한 반사 피크가 X선 회절의 2θ/θ 측정에서의 동일한 측정 축 상의 동일한 회절 점 상에는 나타나지 않으므로, 보다 더 용이하게 구별할 수 있다. 이 경우의 배향성은 하나의 축을 따라 존재할 수 있거나 모든 축 상에 존재할 수 있다.
마찬가지로, 예를 들면 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 모든 축 상에서 배향율 100%로 배향되어 있음을 X선 회절로 확인할 수 있다. 예를 들면, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 (1O1)의 쌍정면을 갖는 정방정 구조인 경우, X선 회절의 2θ/θ 측정으로 (OO1)의 회절이 가장 강하게 검출되도록 압전 재료 및/또는 전왜 재료를 설정했을 때, 모든 축 상에서의 배향율 1OO%의 배향은, X선 회절의 2θ/θ 측정으로 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 (00L)면(L=0, 1, 2, ..., n; n은 정수)에 기인하는 반사 피크만이 검출되고, (204)와 같은 비대칭면이 X선 회절의 극점 측정에서 4회 대칭의 반사 피크가 나타난다는 사실에 의해 간단히 확인될 수 있다. 그러나, 쌍정 도메인을 포함하는 쌍정은 단지 쌍정으로서만 배향될 필요가 있으며, 쌍정의 쌍정 도메인에 기인한 반사 피크도 확인할 수 있다.
쌍정의 쌍정 도메인에 기인한 피크 강도는 X선 회절에 의해 다른 피크 강도와 간단히 구별할 수 있다. 예를 들어, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 (101)의 쌍정면을 갖는 정방정 구조인 경우, (001)에 기인한 반사 피크 및 쌍정 도메인의 (1OO)에 기인한 반사 피크는 X선 회절의 2θ/θ 측정에서의 동일한 측정 축 상의 동일한 회절 점 상에 나타나지 않으므로 간단히 구별할 수 있다.
더구나, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 배향성을 갖는 경우, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 상부 전극과 접하는 주요 결정면이 {100}인 것, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 상부 전극과 접하는 주요 결정면이 {111}인 것, 또는 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 상부 전극과 접하는 주요 결정면이 {110}인 것이 특히 바람직하다.
주요 결정면이란 배향성을 갖는 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 배향면을 나타내고, 예를 들어, 주요 결정면은 [001] 배향의 경우에 (001)이다.
본 발명의 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 쌍정을 갖기 때문에, 예를 들어 [001] 배향을 갖는 정방정 결정의 경우, [100]은 (101)의 쌍정면을 갖는 쌍정 도메인의 영향으로 [001]로부터 수도만큼 기울어진 방향으로 존재하지만, 상부 전극과 접하는 면은 [001] 방향 또는 4개의 [1OO] 방향 중 어느 방향 또는 이들 사이의 방향에 있을 수 있다.
마찬가지로, 예를 들어, [111] 배향을 갖는 정방정에서, [111]은 쌍정 도메인의 영향으로 3방향으로 분열된다. (101)의 쌍정면의 경우, 분열 방향은 상호 수도만큼 기울어지고, 상부 전극과 접하는 면은 3개의 [111] 방향 중 임의의 방향으로 존재할 수 있다.
마찬가지로, 예를 들면, [100] 배향을 갖는 능면체정에서, [100]은 쌍정 도메인의 영향으로 4방향으로 분열된다. (100)의 쌍정면인 경우, 분열 방향은 상호 수도만큼 기울어지고, 상부 전극과 접하는 면은 4개의 [1OO] 방향 중 임의의 방향 또는 그 방향들 사이에 존재할 수 있다.
마찬가지로, 예를 들면, [111] 배향을 갖는 능면체정에서, [-111]은 (100)의 쌍정면을 갖는쌍정 도메인의 영향에 의해 [111]로부터 수도만큼 기울어진 방향으로 존재하지만, 상부 전극과 접하는 면은 [111] 방향 또는 3개의 [-111] 방향 중 임의의 방향 또는 그 방향들 사이의 방향으로 존재할 수 있다.
그러므로, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 쌍정을 갖는 경우, 상부 전극과 접하는 주요 결정면이란 결정의 배향 방향 또는 쌍정에 의해 분열된 배향 방향들 중 임의의 방향 또는 그 방향들 사이의 방향으로 존재할 수 있으므로, 수도의 기울기의 범위를 갖는다.
본 발명의 압전 소자는, 그 압전 소자가 미세화될 수 있기 때문에, 기판 상에 직접 형성되는 것이 특히 바람직하다. 압전 소자는 바람직하게는, 직접 형성을 위한 막 형성 프로세스로서, 졸겔법, 수열 합성법, 가스 피착법 또는 전기 영동법과 같은 막 형성법, 또는 스퍼터링법, CVD법, MOCVD법, 이온 빔 피착법, 분자 빔 에피택시법 또는 레이저 박리법과 같은 진공 막 형성법을 이용하여 형성된다. 이러한 막 형성법은 또한 기판이나 하부 전극의 결정성을 이용한 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 결정 배향성의 제어, 또는 에피택셜 성장을 이용한 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 고배향화의 달성이 더 용이해진다.
또한, 본 발명의 압전 소자가 바람직하게는 기판 상에 직접 형성되기 때문에, 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 바람직하게는 1 내지 1O㎛, 더 바람직하게는 1 내지 5㎛의 두께를 갖는다. 1O㎛ 이상의 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 두께를 갖는 박막 프로세스에 의해 기판 상에 직접 형성된 압전 소자에서는, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 쌍정 구조를 가지더라도 막 박리와 같은 난점들이 쌍정 구조를 갖기 때문에, 앞서 언급된 모든 압전 재료 및/또는 전왜 재료에 대하여 고배향성의 압전 소자를 얻는 것이 어렵다고 생각된다.
그러한 경우에 이용될 기판은, Si, SrTiO3,(La, Sr) TiO3, MgO, Al2 O3, SrRuO3, RuO 또는 Pt와 같은 단결정 기판이며, 특히 일반적으로 우수한 강유전체 특성을 나타내는 PZT 또는 PLZT와 같은 납계의 압전막, 또는 PZN-PT와 같은 전왜 재료에 가까운 격자 상수를 갖는 SrTiO3, (La, Sr)TiO3, MgO, SrRuO3와 같은 단결정 기판이 바람직하다. 그러나, 예를 들면 Si 기판은 큰 면적을 쉽게 얻을 수 있기 때문에 기판으로서 바람직하다. 예를 들면 Si 기판을 이용하는 경우, 기판과 압전 재료 및/또는 전왜 재료 사이의 중간층을 제어하거나, 전극으로서 종종 이용되는 Pt 전극의 자연 배향성을 이용하거나, 전극의 막 형성 조건을 제어함으로써, 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 단결정화 및 고배향화를 달성하는 것이 가능하므로, 훨씬 더 높은 압전성의 압전 소자를 제공할 수 있다. 마찬가지로, 예를 들면 단결정이 아닌 유리 또는 스테인레스 강의 기판과 같은 단결정이 아닌 기판을 이용할 수도 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에서 설명하는 잉크젯 기록 헤드 M의 액튜에이터(10)는 유니모프(unimorph) 진동자형의 압전 액튜에이터이다. 이 경우에, 압전 소자(15)와 진동판(11)으로 압전 액튜에이터가 구성되며, 진동판은 바람직하게는 실리콘과 같은 반도체, 금속, 금속 산화물 또는 유리로 구성된다. 앞서 언급된 압전 소자는 진동판에 접합 또는 접착될 수 있거나, 또는 하부 전극 및 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 기판을 구성하고 있는 진동판 상에 직접 형성될 수 있다. 또한, 기판 상에 진동판을 직접 형성하는 것도 가능하다. 더구나, 기판과 본체 기판(1)은 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 설명하는 잉크젯 기록 헤드 M의 액튜에이터(10)에서는, 진동판(11)은 바람직하게는 10 내지 300GPa의 영율(Young's modulus)을 가지며, 10㎛ 이하의 두께를 갖는다.
압전 액튜에이터는 여러가지 다른 형태를 가질 수 있지만, 예를 들면 적층형 진동자를 이용한 잉크젯 기록 헤드에서는, 진동판은 바람직하게 200㎛ 이하의 두께를 갖는다. 압전 액튜에이터의 용도에 따라서 진동판의 재료 및 물성을 적절하게 선택할 수 있다. 또한, 앞서 언급한 압전 소자는, 상기 잉크젯 기록 헤드에 대한 압전 액튜에이터 외에도, 마이크로 펌프, 초음파 모터, 초음파 진동자, 압전 트랜스포머, 주파수 필터, 압전 센서, 압전 스피커, 압전 릴레이, 마이크로머신, 마이크로미러 디바이스 등의 압전 액튜에이터에도 이용할 수 있다.
박막 프로세스로 기판 상에 순차적으로, 진동판, 하부 전극, 압전체 및 상부 전극의 전부 또는 그 부분을 직접 형성함으로써, 잉크젯 기록 헤드의 노즐의 압전 액튜에이터의 성능 변동을 줄일 수 있고, 하부 전극 또는 상부 전극과의 양호한 접합성을 얻을 수 있고, 압전 소자의 미세화 및 고밀도화를 달성할 수 있다. 또한, 압전 소자의 압전성이, 압전 소자에서 미세화 및 고밀도화가 더 달성될 수 있도록 압전 재료 및/또는 전왜 재료을 이용함으로써, 더욱 개선될 수 있다. 그러므로, 본 실시예는 잉크젯 기록 헤드에 대해 특히 바람직하다.
이하에는, 본 실시예의 압전 소자에 대한 상세한 설명을 제공할 것이며, 액튜에이터 및 이를 이용한 잉크젯 기록 헤드를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명할 것이다.
<<제1 실시예, 비교예1>>
제1실시예의 압전 소자를 제작하는 절차는 다음과 같다.
단결정 전왜 재료 PZN-PT[0.91[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]-0.09[PbTiO3]]를 플럭스법으로 제작하여, 상하 전극면과 접하는 주요 결정면이 (001)이 되도록 결정체를 300㎛ 두께의 얇은 판으로 잘라내었다. 이 전왜 재료는 PZN-PT의 얇은 판자를 리가쿠(Rigaku)사에서 제조한 다축 X선 회절 장치 Rint-Inplane로 X선 회절을 행하였다. 2θ/θ 측정은, 도 6에 도시한 바와 같이, (00L)면(L=1, 2, 3, ..., n; n은 정수)에 기인하는 반사 피크만을 검출했다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 비대칭판(204)의 정극점(positive polar point) 측정은 4회 대칭으로 반사 피크를 나타내었다. 그 결과, 전왜 재료 PZN-PT의 얇은 판이 모든 축으로 배향율 100%로 배향되었음을 확인했다. 또한, 도 8에 도시된 바와 같이, (204)의 역격자 공간 맵핑으로 제1 실시예의 전왜 재료 PZN-PT가 (101)의 쌍정면과 약 0.6의 쌍정율을 갖는 쌍정을 구비한 정방정임을 확인했다.
또한, 얇은 판의 위아래로 Pt/Ti 전극을 스퍼터링함으로써 형성하여 제1 실시예의 압전 소자를 획득했다.
마찬가지로 비교예1의 압전 소자를 제작하는 절차는 다음과 같다.
단결정 전왜 재료 PZN-PT[0.91[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]-0.09[PbTiO3]]는 제1 실시예와는 다른 온도 조건의 플럭스법으로 제작하여, 상하 전극과 접하는 주요 결정면이(001)이 되도록 300㎛ 두께의 얇은 판으로 잘라내었다. 그 전왜 재료에 X선 회절을 행하였다. 2θ/θ 측정은, (00L)면(L=1, 2, 3, ..., n; n은 정수)에 기인하는 반사 피크만을 검출하였다. 또한, 비대칭면(204)의 정극점 측정은 4회 대칭으로 반사 피크를 나타내었다. 그 결과, 전왜 재료 PZN-PT의 얇은 판이 모든 축으로 배향율 100%로 배향되었음을 확인했다. 또한, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, (204)와 (-204)의 역격자 공간 맵핑으로 비교예1의 전왜 재료 PZN-PT가 쌍정이 없는 정방정임을 확인했다.
이어서, 얇은 판의 위아래로 Pt/Ti 전극을 스퍼터링함으로써 형성하여 비교예1의 압전 소자를 획득했다.
표 1은 제1 실시예 및 비교예1의 압전 소자의 압전 상수 측정의 결과를 나타낸다.
| 제1 실시예 | 비교예1 | |
| 쌍정(쌍정율) | 있음 (1.0) | 없음 |
| 압전 상수(pC/N) | 2500 | 1800 |
결과적으로, 제1 실시예는 비교예1과 비교하여 압전 상수 면에서 매우 우수함을 확인하였다.
<<제2 실시예, 제3 실시예, 비교예2>>
제2 실시예의 압전 소자의 제작 절차는 다음과 같다.
하부 전극으로도 역할하는 La 도핑된 SrTiO3(100) 기판 상에, 압전 재료 PZN[Pb(Zr0.55Ti0.45)O3]를 400℃ 이상의 기판 온도에서 MO-CVD법으로 3㎛의 두께로 제작하여, 압전 재료 PZT에 X선 회절을 행하였다. 2θ/θ 측정은, (00L)면(L=1, 2, 3, ..., n; n은 정수)에 기인하는 반사 피크만을 검출하였다. 또한, 비대칭면(204)의 정극점 측정은 4회 대칭으로 반사피크를 제공했다. 이 결과, 압전 PZT 막이 모든 축으로 배향율 100%로 배향되었음을 확인했다. 또한 대칭면(004)의 정극점 측정은 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같은 회절 패턴을 제공하여, (204)의 역격자 공간 맵핑으로 기판과 실질적으로 동일한 α-축 상에 PZT의 회절점을 나타내었다. 결과적으로, 제2 실시예의 압전 재료 PZN은 (100)의 쌍정면 및 약 0.8의 쌍정율을 갖는 쌍정을 구비한 능면체정임을 확인했다.
이어서, 막 상에 Pt/Ti 전극을 제작하여, 제2 실시예의 압전 소자를 획득했다.
제3 실시예의 압전 소자를 제작하는 절차는 다음과 같다.
하부 전극으로도 역할하는 La 도핑된 SrTiO3(100) 기판 상에, 압전 재료 PZN[Pb(Zr0.45Ti0.55)O3]를 400℃ 이상의 기판 온도에서 MO-CVD법으로 3㎛ 두께로 제작하여, 이 압전 재료에 X선 회절을 행하였다. 2θ/θ 측정은 (00L)면(L=1, 2, 3, ..., n; n은 정수)에 기인하는 반사 피크만을 검출하였다. 또한, 비대칭면(204)의 정극점 측정은 4회 대칭으로 반사 피크를 제공했다. 결과적으로, 압전 PZT 막이 모든 축으로 배향율 100%로 배향되었음을 확인했다. 또한 (204)의 역격자 공간 맵핑으로 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같은 회절 패턴을 제공했다. 이 결과, 제3 실시예의 압전 재료 PZN은 (101)의 쌍정면 및 약 0.01 의 쌍정율을 갖는 쌍정을 구비한 정방정임을 확인했다.
이어서 막 상에 Pt/Ti 전극을 제작하여, 제3 실시예의 압전 소자를 획득했다.
비교예2의 압전 소자를 제작하는 절차는 다음과 같다.
하부 전극으로서도 역할하는 La 도핑된 SrTiO3(111) 기판 상에 압전 재료 PZN[Pb(Zr0.58Ti0.42)O3]를 400℃ 이상의 기판 온도에서 예를 들어 스퍼터링법으로 3㎛의 두께로 제작했으며, 이 압전 재료에 X선 회절을 행하였다. 2θ/θ 측정은, (00L)면(L=1, 2, 3, ..., n; n은 정수)에 기인한 반사 피크만을 검출하였다. 또한, 비대칭면(204)의 정극점 측정은 3회 대칭으로 반사 피크를 제공했다. 이 결과, 압전 PZT 막은 단결정임을 확인했다. 또한 대칭면(004)의 정극점 측정은 α=90° 상에 단지 하나의 동심원 회절 패턴을 제공했으며, (204)의 역격자 공간 맵핑으로 기판과 실질적으로 동일한 α-축 상에 PZT 회절점을 나타내었다. 결과적으로, 비교예2의 압전 재료 PZN은 쌍정이 없는 능면체정임을 확인했다.
이어서 막 상에 Pt/Ti 전극을 제작하여, 비교예2의 압전 소자를 획득했다.
표 2에는 제2 실시예 및 제3 실시예 및 비교예2의 압전 소자의 압전 상수 측정의 결과를 도시한다.
| 제2 실시예 | 제3 실시예 | 비교예2 | |
| 쌍정(쌍정율) | 있음 (1.0) | 있음 (0.01) | 없음 |
| 압전 상수 (pC/N) | 600 | 500 | 300 |
이 결과, 제2 실시예 및 제3 실시예는 비교예2와 비교하여 압전 상수 면에서 매우 우수함을 확인했다.
<<제4 실시예, 비교예3>>
제4 실시예의 압전 소자를 제작하는 절차는 다음과 같다.
먼저, 기판을 구성하고 있는 본체 기판(Si 기판) 상에, 진동판의 막을 스퍼터링법으로 형성했다. 이 동작에서, 막 형성은 500℃ 이상의 온도로 기판을 가열하여 수행되므로, 진동판은 결정 성장하고 단방향으로 배향되었다. 유사한 방법으로 하부 전극의 막을 진동판 상에 형성으로써, 고배향성의 결정막을 얻었다. 또한, 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 막을 하부 전극에 형성함으로써, 고배향성의 압전 재료 및/또는 전왜 재료를 얻었다. 상부 전극도 스퍼터링법으로 형성했다.
이어서 Si 기판 상에 습식 이방성 에칭을 수행하여 후방에서 중앙부를 제거함으로써 도 2에 도시된 압전 액튜에이터를 제공했다. 각 압전 액튜에이터의 진동부는 5000㎛의 길이 및 200㎛의 폭을 가졌다.
제4 실시예의 압전 액튜에이터에서, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 쌍정을 가짐을 확인했다. 또한, 비교예3의 압전 액튜에이터에서, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 쌍정을 갖고 있지 않음을 확인했다.
제4 실시예 및 비교예3은 이후에 층의 구성 및 두께를 설명하며, ()는 우선배향 방향을 나타내고, []은 막 두께를 나타낸다:
상부 전극 Pt[0.25㎛]/Ti[0.05㎛]//압전 재료 PZT(001)[3㎛]//하부 전극 Pt[0.5㎛]/Ti[0.05㎛]/진동판 YSZ(100)[2㎛]/기판 Si(100)[60O㎛]; 여기서, PZT는 65/35의 Zr/Ti 혼합물이었으며, YSZ는 산화이트륨-안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia)를 나타낸다.
표 3은 제4 실시예 및 비교예3의 압전 재료 PZT의 쌍정의 유무, 진동 진폭이 각 압전 액튜에이터에 10kHz의 주파수의 인가를 증가시킬 경우의 최대 변위량, 및 크로스컷 박리 테스트의 결과를 나타낸다.
| 제4 실시예 | 비교예3 | |
| 쌍정 | 있음 | 없음 |
| 변위량 (㎛) | 0.45 | 0.25 |
| 박리 테스트 | 우수함 | 나쁘지도 좋지도 않음 |
결과적으로, 실시예4의 압전 액튜에이터는 비교예3와 비교하여, 보다 큰 변위량 및 보다 높은 접합성을 가짐이 확인되었다.
<<제5 실시예, 비교예4>>
제4 실시예 및 비교예3의 압전 액튜에이터를 각각 이용하여 도 3에 도시된 잉크젯 기록 헤드를 제5 실시예 및 비교예4를 제작하였다.
도 3을 참조하면, 본체 기판 상에 적층된 진동판, 하부 전극, 압전 재료 및/또는 전왜 재료 및 상부 전극은 상술한 바와 같은, 상부 전극 0.3㎛/압전 재료 및/또는 전왜 재료 3㎛/하부 전극0.5㎛/진동판 2㎛/기판 600㎛의 막 두께를 가진다. 또한, 압력실은 90㎛의 폭, 50㎛의 벽 두께를 가지며, 액체 토출구는 180dpi의 밀도를 갖는다.
압전 액튜에이터는, 상술한 바와 같이, 본체 기판을 구성하고 있는 Si 기판 상에 스퍼터링법에 의해 진동판을 형성함으로써 제작되었다.
이 동작에서, 500℃ 이상의 온도로 기판을 가열하여 막 형성을 수행함으로써, 진동판은 결정 성장을 나타내며 단일 방향으로 배향되었다. 유사한 방법으로 하부 전극의 막을 진동판에 형성함으로써, 고배향성의 결정막을 얻었다. 또한, 압전 재료 및/또는 전왜 재료의 막을 하부 전극에 형성함으로써, 고배향성의 압전 재료 및/또는 전왜 재료를 얻었다. 또한 상부 전극을 스퍼터링법으로 형성했다.
이어서, ICP를 이용하여 Si 기판 상에 압력실, 액체 공급로를 형성하고, 액체 토출구가 제공된 노즐판을 각 압력실에 대응하여 접합함으로써, 잉크젯 기록 헤드를 제조했다. 제5 실시예의 압전 액튜에이터에서, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 쌍정을 가짐을 확인했다. 또한, 비교예4의 압전 액튜에이터에서, 압전 재료 및/또는 전왜 재료가 쌍정을 가지고 있지 않음을 확인했다.
표 4는 20V 및 10kHz의 신호 인가시에 제5 실시예 및 비교예4의 잉크젯 기록 헤드의 액적의 토출량과 토출 속도를 나타낸다.
| 제5 실시예 | 비교예4 | |
| 쌍정 | 있음 | 없음 |
| 토출량 (pl) | 19 | 15 |
| 토출 속도 (m/sec) | 15 | 12 |
결과적으로, 20V(10kHz) 인가시 제5 실시예는 19pl의 토출량과 15m/sec의 토출 속도를 나타내었다. 한편, 비교예4는 15pl의 토출량과 12m/sec의 토출 속도를 나타내었으므로, 토출 성능은 쌍정의 존재에 의해 명확하게 개선되었다.
또한, 내구성 테스트에서, 비교예4의 잉크젯 기록 헤드는 박리를 나타내었으며, 107 내지 108회 토출 후에 불토출의 노즐(non-discharging nozzle)들이 발생했다. 한편, 제5 실시예의 잉크젯 기록 헤드는 108회 토출 후에도 불토출 노즐을 나타내지 않았다.
Claims (16)
- 상부 전극, 압전 재료(piezoelectric material) 및/또는 전왜 재료(electrostrictive material) 및 하부 전극을 포함하는 압전 소자이며,상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 일반식 ABO3으로 구성된 복합 산화물이고 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 쌍정을 갖는 것을 특징으로 하는 압전 소자.
- 제1항에 있어서,상기 쌍정은 {110}으로 표시된 군으로부터 선택된 쌍정면을 갖는 압전 소자.
- 제1항에 있어서,상기 쌍정은 {100}으로 표시된 군으로부터 선택된 쌍정면을 갖는 압전 소자.
- 제2항에 있어서,상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 정방정 결정(tetragonal crystal)인 압전 소자.
- 제2항에 있어서,상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 사방정 결정(rhombic crystal)인 압전 소자.
- 제2항에 있어서,상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 마름모 결정(rhombohedral crystal)인 압전 소자.
- 제1항에 있어서,상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 0.001 내지 1.0의 쌍정율을 갖는 압전 소자.
- 제1항에 있어서,상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 배향성(orientation property)을 갖는 압전 소자.
- 제8항에 있어서,상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 적어도 한 축 방향으로 99% 이상의 배향율을 갖는 압전 소자.
- 제8항에 있어서,상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 상기 상부 전극과 접촉하는 주요 결정면 {100}을 갖는 압전 소자.
- 제8항에 있어서,상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 상기 상부 전극과 접촉하는 주요 결정면 {111}을 갖는 압전 소자.
- 제8항에 있어서,상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 상기 상부 전극과 접촉하는 주요 결정면 {110}을 갖는 압전 소자.
- 제1항에 있어서,상기 하부 전극 및 상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료는 상기 기판 상에 직접 형성되는 압전 소자.
- 제13항에 있어서,상기 압전 재료 및/또는 전왜 재료를 구비한 층이 1 내지 10㎛ 두께로 형성되는 압전 소자.
- 제1항에 따른 압전 소자를 이용한 압전 액튜에이터.
- 제1항에 따른 압전 소자를 이용한 잉크젯 기록 헤드.
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