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KR20220089954A - Lead-free piezoelectric material and its manufacturing method - Google Patents

Lead-free piezoelectric material and its manufacturing method Download PDF

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KR20220089954A
KR20220089954A KR1020200180653A KR20200180653A KR20220089954A KR 20220089954 A KR20220089954 A KR 20220089954A KR 1020200180653 A KR1020200180653 A KR 1020200180653A KR 20200180653 A KR20200180653 A KR 20200180653A KR 20220089954 A KR20220089954 A KR 20220089954A
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KR
South Korea
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lead
free piezoelectric
piezoelectric material
material layer
etched
Prior art date
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KR1020200180653A
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Korean (ko)
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Inventor
김형함
임해균
유진희
김경민
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은, 무연 압전물질 및 고유전 물질을 포함하는 무연압전체로서, 상기 무연 압전물질은 상기 고유전 물질층에 로드(rod) 또는 바(bar) 형태로 이격되어 내삽되는 무연압전체 및 그 제조방법을 제공하며, 이에 따라 무연압전체의 유전율, 밀도 등의 특성을 자유로이 조절할 수 있다.The present invention provides a lead-free piezoelectric material comprising a lead-free piezoelectric material and a high-k material, wherein the lead-free piezoelectric material is interpolated in the form of a rod or bar in the high-k material layer, and a lead-free piezoelectric material and a method for manufacturing the same and, accordingly, characteristics such as permittivity and density of the lead-free piezoelectric body can be freely adjusted.

Description

무연압전체 및 그 제조방법{Lead-free piezoelectric material and its manufacturing method}Lead-free piezoelectric material and its manufacturing method

본 발명은 무연압전체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유전율과 밀도 등을 자유로이 조절할 수 있으면서도 동시에 납 등의 사용을 피할 수 있는 무연압전체 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lead-free piezoelectric body and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a lead-free piezoelectric body capable of freely controlling dielectric constant and density while avoiding the use of lead and the like, and a method for manufacturing the same.

오늘날 통신, 의료, 센서, 정밀계측, 디스플레이, 군수 산업 등 매우 넓은 분야에서 압전재료가 사용되고 있으며, 가장 일반적으로 쓰이는 압전물질은 위해물질인 납 성분을 포함한 Lead zirconate titanate (PZT) 계열의 압전물질이다.Today, piezoelectric materials are used in very wide fields such as communication, medical care, sensors, precision measurement, display, and military industries. .

PZT 계열의 압전물질은 압전계수가 크고 전기기계 결합계수 등이 우수하여 에너지 변환소자로서 널리 이용되고 있으나, 밀도가 크고 유전율이 낮으며 성형성이 제한되어 압전재료로서 많은 단점들이 존재한다.PZT-based piezoelectric materials are widely used as energy conversion devices due to their large piezoelectric coefficients and excellent electromechanical coupling coefficients.

또한, 유럽연합을 시작으로 세계 곳곳에서 위해물질을 배재하기 위한 규제가 실시되고 있고, 이에 따라 압전물질 또한 납이 포함되어 있지 않는 새로운 압전물질을 만들어내기 위해서 많은 연구와 개발이 진행되어오고 있다. 그러나, 아직 기존 PZT 계열의 압전물질을 대체할 만큼의 성능 및 생산성 등을 갖춘 압전물질은 개발되지 못하고 있어, 예외조항으로 사용되고 있는 납이 포함된 압전체를 대체할 수 있으며, 동시에 높은 압전 성능과 고유전율을 가진 무연합성압전체의 개발이 요구되고 있는 상황이다.In addition, regulations to exclude hazardous substances are being enforced all over the world, starting with the European Union, and accordingly, a lot of research and development has been conducted to create a new piezoelectric material that does not contain lead. However, a piezoelectric material with performance and productivity sufficient to replace the existing PZT series piezoelectric material has not yet been developed. The development of a non-associated piezoelectric body with electric current is required.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 무연 압전물질과 고유전 물질을 동시에 사용하여 두 물질 사이의 틈에 경화제를 넣어 경화시킴으로써 유전율과 밀도 등을 자유로이 조절할 수 있으면서도 동시에 납 등의 사용을 피할 수 있는 무연압전체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems of the prior art, and by using a lead-free piezoelectric material and a high dielectric material at the same time to put a curing agent in the gap between the two materials to cure it, so that the dielectric constant and density can be freely adjusted while at the same time the use of lead, etc. It is to provide a lead-free piezoelectric body and a method for manufacturing the same.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 무연 압전물질 및 고유전 물질을 포함하는 무연압전체로서, 상기 무연 압전물질은 상기 고유전 물질층에 로드(rod) 또는 바(bar) 형태로 이격되어 내삽되는 무연압전체를 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a lead-free piezoelectric material including a lead-free piezoelectric material and a high-k material, wherein the lead-free piezoelectric material is spaced apart from the high-k material layer in the form of a rod or bar and is interpolated. It provides a lead-free pneumatic body that can be used.

또한, 상기 무연 압전물질 로드 또는 바는 적어도 2개 이상인 무연압전체를 제공한다.In addition, the lead-free piezoelectric material rod or bar provides at least two or more lead-free piezoelectric body.

또한, 상기 무연 압전물질은 Lithium Niobate(LN)을 포함하는 무연압전체를 제공한다.In addition, the lead-free piezoelectric material provides a lead-free piezoelectric body including lithium niobate (LN).

또한, 상기 무연 압전물질 로드 또는 바와 상기 고유전 물질층 사이에 경화제가 침투되어 경화되는 무연압전체를 제공한다.In addition, there is provided a lead-free piezoelectric material that is cured by penetration of a curing agent between the lead-free piezoelectric material rod or bar and the high dielectric material layer.

또한, 상기 무연압전체의 유전율 또는 밀도는 상기 무연 압전물질 로드 또는 바의 개수, 크기 및 무연 압전물질 대비 고유전 물질층의 부피비 중 적어도 어느 하나에 따라 결정되는 무연압전체를 제공한다.In addition, the dielectric constant or density of the lead-free piezoelectric material is determined according to at least one of the number and size of the lead-free piezoelectric material rods or bars, and the volume ratio of the lead-free piezoelectric material to the high-k material layer.

또한, 본 발명은, 무연압전체의 제조방법으로서 고유전 물질층을 제 1 방향으로 식각하여 패터닝 하는 단계, 상기 제 1 방향으로 식각된 고유전 물질층에 대응되도록 무연 압전물질층을 식각하여 패터닝 하는 단계, 상기 식각된 고유전 물질층과 무연 압전물질층 사이에 경화제를 침투시킨 후 맞춰 끼워 제 1 구조물을 제조하는 단계, 상기 제 1 방향과 수직되는 제 2 방향으로 상기 제 1 구조물을 식각하는 단계 및 상기 제 2 방향으로 식각된 상기 제 1 구조물에 대응되도록 식각된 또 다른 고유전 물질층을 맞춰 끼우는 단계를 포함하는 무연압전체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for manufacturing a lead-free piezoelectric material, comprising: etching a high-k material layer in a first direction to pattern it; etching and patterning a lead-free piezoelectric material layer to correspond to the high-k material layer etched in the first direction Step, manufacturing a first structure by inserting after penetrating a curing agent between the etched high-k material layer and the lead-free piezoelectric material layer, etching the first structure in a second direction perpendicular to the first direction and fitting another high-k material layer etched to correspond to the first structure etched in the second direction.

본 발명은 무연 압전물질과 고유전 물질과의 무연압전체를 구현하여 무연 압전물질의 단점을 개선하면서도 기존의 납 기반의 압전물질을 대체할 수 있어 성능이 우수하고 친환경적인 무연압전체를 제공할 수 있으며, 무연 압전물질과 고유전 물질의 부피비를 조절하여 무연압전체의 유전율, 밀도 등의 특성을 조절할 수 있다.The present invention implements a lead-free piezoelectric material of a lead-free piezoelectric material and a high dielectric material, thereby improving the disadvantages of the lead-free piezoelectric material, and can replace the existing lead-based piezoelectric material, thereby providing an environmentally friendly lead-free piezoelectric material with excellent performance. , by adjusting the volume ratio of the lead-free piezoelectric material and the high-k material, it is possible to control the characteristics such as dielectric constant and density of the lead-free piezoelectric material.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무연압전체의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1 a 부분의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 실시예에 따른 무연압전체의 제조방법의 흐름도와 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 무연압전체의 부피 분율에 따른 유전 상수를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 제조된 80% 부피 분율을 갖는 무연압전체 및 이와 동일한 면적과 두께를 갖는 LN, BTO, PZT 샘플의 전기 임피던스를 나타내는 도면이다.
1 is a view showing the structure of a lead-free piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a cross section of a portion of FIG. 1A .
3 and 4 are a flowchart and a schematic diagram of a method of manufacturing a lead-free piezoelectric body according to an embodiment of the present invention, respectively.
5 is a view showing the result of measuring the dielectric constant according to the volume fraction of the lead-free piezoelectric body manufactured according to the present invention.
6 is a diagram showing the electrical impedance of the prepared lead-free piezoelectric body having 80% volume fraction and LN, BTO, and PZT samples having the same area and thickness.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can apply various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, the terms include or have is intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features, number, step , it should be understood that it does not preclude the possibility of the existence or addition of , operation, components, parts, or combinations thereof.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무연압전체의 구조를 나타내는 도면이다.1 is a view showing the structure of a lead-free piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여, 무연 압전물질 및 고유전 물질을 포함하며, 상기 무연 압전물질은 상기 고유전 물질층에 로드(rod) 또는 바(Bar) 형태로 이격되어 내삽되는 무연압전체를 제공한다.Referring to FIG. 1 , the present invention includes a lead-free piezoelectric material and a high-k material in order to solve the above-described problem, and the lead-free piezoelectric material is formed in the form of a rod or a bar on the high-k material layer. To provide a lead-free piezoelectric body spaced apart and interpolated.

상기 무연 압전물질은 압전 현상을 발생시키며 납 성분을 포함하지 않는 물질을 모두 의미하는 것으로서, 특히 본 발명의 실시예에서는 Lithium Niobate(이하, LN) 인 것을 일 예로 하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The lead-free piezoelectric material refers to any material that generates a piezoelectric phenomenon and does not contain a lead component. In particular, in the embodiment of the present invention, Lithium Niobate (hereinafter, LN) is an example, but is not limited thereto.

상기 무연 압전물질은 우수한 압전성, 높은 큐리에 온도(Curie temperature), 높은 기계적 품질계수 및 낮은 탄성손실을 갖는 반면, 유전율이 매우 낮고 전기적 임피던스가 매우 높아 소형화 등에 있어 성형성이 제한되는 단점이 존재한다.The lead-free piezoelectric material has excellent piezoelectric properties, high Curie temperature, high mechanical quality factor, and low elastic loss, while the dielectric constant is very low and the electrical impedance is very high, so moldability is limited in miniaturization. .

이에, 본 발명의 실시예에 따른 무연압전체는 무연 압전물질이 갖는 우수한 특성을 유지하면서도 상기와 같은 단점들을 개선할 수 있도록 무연 압전물질과 유전율이 높고 유연성이 좋은 고유전 물질을 포함한다.Accordingly, the lead-free piezoelectric material according to the embodiment of the present invention includes a lead-free piezoelectric material and a high dielectric material having a high dielectric constant and good flexibility so as to improve the above disadvantages while maintaining excellent characteristics of the lead-free piezoelectric material.

상기 고유전 물질은 무연 압전물질보다 유전율이 높은 물질을 의미하는 것으로서, Barium Titanate, Potassium Sodium Niobate, Calcium Copper Titanate 등을 사용할 수 있으며, 특히 본 발명의 실시예에서는 Barium Titanate (BaTiO3) 인 것을 일 예로 하나, 이에 제한되는 것은 아니다.The high dielectric material refers to a material having a higher dielectric constant than that of a lead-free piezoelectric material, and Barium Titanate, Potassium Sodium Niobate, Calcium Copper Titanate, etc. may be used, and in particular, in an embodiment of the present invention, Barium Titanate (BaTiO 3 ) One example, but not limited thereto.

여기서, 상기 무연 압전물질과 고유전 물질은 각각 식각되어 패터닝 됨으로써 서로 접합되도록 형성된 로드(rod) 또는 바(bar) 형태의 절단된 홈을 가지며, 무연 압전물질이 고유전 물질층에 로드(rod) 또는 바(bar) 형태로 이격되어 내삽됨으로써 두 물질이 깍지 형태로(interdigital) 접합된다.Here, the lead-free piezoelectric material and the high-k material have a rod or bar-shaped cut groove formed to be bonded to each other by being etched and patterned, respectively, and the lead-free piezoelectric material is applied to the high-k material layer as a rod. Alternatively, the two materials are interdigital joined by being spaced apart in the form of a bar and interpolated.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 무연압전체는 상기 무연 압전물질과 고유전 물질이 식각되어 패터닝 되는 방식에 따라 부피비를 조절함으로써 구현하고자 하는 무연압전체의 유전율, 밀도 등과 같은 물리적, 전기적 특성을 자유롭게 조절할 수 있다.In addition, in the lead-free piezoelectric body according to an embodiment of the present invention, by adjusting the volume ratio according to the method in which the lead-free piezoelectric material and the high dielectric material are etched and patterned, the physical and electrical properties such as the dielectric constant and density of the lead-free piezoelectric body to be implemented can be freely adjusted. can

또한, 상기 무연압전체의 유전율, 밀도는 상기 무연 압전물질 로드 또는 바 의 개수, 크기 및 무연 압전물질 대비 고유전 물질층의 부피비에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 무연 압전물질 로드 또는 바는 적어도 2개 이상 존재할 수 있으며, 로드 또는 바의 개수는 구현하고자 하는 무연압전체의 유전율, 밀도에 따라 달라질 수 있다.In addition, the dielectric constant and density of the lead-free piezoelectric material may be determined according to the number and size of the lead-free piezoelectric material rods or bars, and the volume ratio of the lead-free piezoelectric material to the high-k material layer. For example, at least two rods or bars of the lead-free piezoelectric material may exist, and the number of rods or bars may vary depending on the dielectric constant and density of the lead-free piezoelectric body to be implemented.

도 2는 도 1 a 부분의 단면을 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a view showing a cross section of a portion of FIG. 1A .

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에서 무연압전체는 무연 압전물질과 고유전 물질 사이에 경화제를 포함하며, 상기 경화제는 무연 압전물질 로드 또는 바와 고유전 물질층 사이에 침투하여 경화함으로써, 상기 두 물질을 연결하며 고정시킬 수 있다.Referring to FIG. 2 , in the embodiment of the present invention, the lead-free piezoelectric body includes a curing agent between the lead-free piezoelectric material and the high-k material, and the curing agent penetrates and hardens between the lead-free piezoelectric material rod or bar and the high-k material layer, so that the Two materials can be connected and fixed.

이하, 도 3 및 도 4을 참조하여, 본 발명에 따른 무연압전체의 제조방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a lead-free piezoelectric body according to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4 .

현재 압전복합체를 제조하기 위한 방법으로, 압전세라믹을 여러 차례 절삭하여 생긴 공간에 폴리머를 채워 넣는 가공-충진(Dice and fill) 방식이 사용되고 있다. 그러나 압전세라믹을 절삭하여 형성한 공간에 고유전물질을 유동체로 만들어 가공-충진(Dice and fill) 방식으로 채우고자 할 경우 유동체의 점도가 높아 균일한 충진이 어려울 뿐만 아니라 고 유전율을 얻기 위해서 고온 고압의 소결 공정이 필요하기 때문에, 압전복합체의 균일한 고 유전율을 얻기 위하여 고체상(solid)의 고유전물질을 절삭한 후 이미 절삭된 압전세라믹과 깍지 형태로(interdigital) 접합하는 방식이 필요하다.Currently, as a method for manufacturing a piezoelectric composite, a die and fill method in which a polymer is filled in a space created by cutting a piezoelectric ceramic several times is used. However, if you want to fill the space formed by cutting piezoceramics by making a high-k material as a fluid and filling it with the die-and-fill method, the viscosity of the fluid is high, so it is difficult to fill uniformly, and in order to obtain high dielectric constant, high-temperature and high-pressure In order to obtain a uniform high dielectric constant of the piezoelectric composite, a method of interdigital bonding with the already cut piezoelectric ceramic after cutting a solid high dielectric material is required.

이에, 본 발명은 서로 접합 가능하도록 식각된 고체상(solid)의 무연압전 물질과 고유전 물질을 준비한 후, 상기 두 물질 사이에 경화제를 침투시켜 접합시킴으로써 무연압전체를 제조함으로써, 가공-충진 방식에서 생길 수 있는 문제점을 해결하고 압전특성이 균일하며 높은 유전율을 갖는 무연압전체를 제공할 수 있다.Accordingly, the present invention prepares a lead-free piezoelectric material and a high-k material etched so as to be able to bond to each other, and then permeates and bonds a curing agent between the two materials to produce a lead-free piezoelectric body, which can be generated in the process-filling method. It is possible to provide a lead-free piezoelectric body having uniform piezoelectric properties and high dielectric constant by solving possible problems.

도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 실시예에 따른 무연압전체의 제조방법의 흐름도와 모식도이다.3 and 4 are a flowchart and a schematic diagram of a method for manufacturing a lead-free piezoelectric body according to an embodiment of the present invention, respectively.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무연압전체의 제조방법은 고유전 물질층을 제 1 방향으로 식각하여 패터닝 하는 단계(S10), 상기 제 1 방향으로 식각된 고유전 물질층에 대응되도록 무연압전 물질층을 식각하여 패터닝 하는 단계(S20), 상기 식각된 고유전 물질층과 무연압전 물질층 사이에 경화제를 침투시킨 후 맞춰 끼워 제 1 구조물을 제조하는 단계(S30), 상기 제 1 구조물의 양면에 있는 일정 부분을 래핑을 통해 제거하는 단계(S40), 상기 제 1 방향과 수직되는 제 2 방향으로 상기 제 1 구조물을 식각하는 단계(S50) 및 상기 제 2 방향으로 식각된 상기 제 1 구조물에 대응되도록 식각된 또 다른 고유전 물질층을 맞춰 끼우는 단계(S60)를 포함한다.3 and 4, the method of manufacturing a lead-free piezoelectric material according to an embodiment of the present invention includes the steps of patterning a high-k material layer by etching in a first direction (S10), and the high-k material etched in the first direction. A step of etching and patterning the lead-free piezoelectric material layer to correspond to the layer (S20), impregnating the curing agent between the etched high-k material layer and the lead-free piezoelectric material layer, and then fitting the first structure (S30), Removing certain portions on both sides of the first structure through lapping (S40), etching the first structure in a second direction perpendicular to the first direction (S50), and etching in the second direction and fitting another high-k material layer etched to correspond to the first structure (S60).

먼저 고유전 물질층을 제 1 방향으로 식각하여 홈이 생기도록 패터닝 한 후(S10), 상기 제 1 방향으로 식각된 고유전 물질층에 대응되어 끼워질 수 있도록 무연압전 물질층을 식각하여 홈이 생기도록 패터닝 한다(S20).First, the high-k material layer is etched in the first direction to form grooves (S10), and then the lead-free piezoelectric material layer is etched so that the grooves are formed to correspond to the high-k material layer etched in the first direction. It is patterned to occur (S20).

여기서, 상기 고유전 물질층과 무연압전 물질층의 식각 방식에 따라 유전 물질의 부피비를 조절할 수 있으며, 이를 통해 제조되는 무연압전체의 유전율, 밀도 등의 특성을 자유로이 조절할 수 있다.Here, the volume ratio of the dielectric material can be adjusted according to the etching method of the high-dielectric material layer and the lead-free piezoelectric material layer, and properties such as dielectric constant and density of the lead-free piezoelectric material can be freely adjusted through this.

또한, 상기 고유전 물질층과 무연압전 물질층에 패터닝된 홈은 로드(rod) 또는 바(bar) 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제조하고자 하는 무연압전체의 유전율, 밀도 등을 고려하여 다양한 형태로 식각될 수 있다.In addition, the grooves patterned on the high-k material layer and the lead-free piezoelectric material layer may be in the form of rods or bars, but are not limited thereto. Considering the dielectric constant, density, etc. of the lead-free piezoelectric material to be manufactured It may be etched in various forms.

다음으로, 상기 식각된 고유전 물질층과 무연압전 물질층 사이에 경화제를 침투시킨 후 맞춰 끼워 제 1 구조물을 제조하며(S30), 상기 침투된 경화제에 의해 경화가 진행됨에 따라 상기 두 물질층이 연결되어 제 1 구조물 상에 고정된다.Next, a curing agent is penetrated between the etched high-k material layer and the lead-free piezoelectric material layer, and then fitted to prepare a first structure (S30), and as curing is progressed by the infiltrated curing agent, the two material layers are connected and fixed on the first structure.

다음으로, 제 1 구조물을 제조한 후 제 1 구조물을 식각하기 전에 제 1 구조물의 양면에 있는 일정 부분을 래핑(lapping)을 통해 제거하며(S40), 이를 통해 밀도, 부피 등을 조절하고 제 1 구조물의 양면의 불필요한 부분을 제거할 수 있다. 상기 래핑을 통해 바(bar) 형태의 패터닝이 가능하며, 래핑은 제조하고자 하는 무연압전체의 밀도, 부피 등과 불필요한 부분의 정도에 따라 적절하게 수행될 수 있다.Next, after manufacturing the first structure and before etching the first structure, a certain portion on both sides of the first structure is removed through lapping (S40), and through this, the density, volume, etc. are adjusted and the first structure is etched. Unnecessary parts on both sides of the structure can be removed. Bar-shaped patterning is possible through the lapping, and lapping may be appropriately performed depending on the density, volume, and the like of the lead-free piezoelectric body to be manufactured, and the degree of unnecessary parts.

다음으로, 상기 제 1 방향과 수직되는 제 2 방향으로 상기 제 1 구조물을 식각하며(S50), 이는 식각방향만 상이할 뿐, 상기 무연압전 물질층을 식각하는 것과 동일한 방식으로 진행되어 또 다른 고유전 물질층과 대응되어 끼워질 수 있도록 홈을 형성한다.Next, the first structure is etched in a second direction perpendicular to the first direction (S50), which is different only in the etching direction, and proceeds in the same manner as in etching the lead-free piezoelectric material layer, and thus another unique A groove is formed so that it can be fitted in correspondence with the entire material layer.

다음으로, 상기 제 2 방향으로 식각된 상기 제 1 구조물에 대응되도록 식각된 또 다른 고유전 물질층을 맞춰 끼워(S60) 무연압전체를 제조할 수 있다.Next, another high-k material layer etched to correspond to the first structure etched in the second direction is fitted (S60) to manufacture a lead-free piezoelectric body.

여기서, 또 다른 고유전 물질층은 제 2 방향으로 식각된 고유전 물질층을 의미하며 상기 제 1 방향으로 식각된 고유전 물질층과 식각 방향이 상이한 것을 뜻하는 것으로서, 또 다른 고유전 물질층은 상기 제 1 방향으로 식각된 고유전 물질층과 동일하거나 상이한 고유전 물질로 구성될 수 있으며, 상기 과정을 통해 로드(rod) 형태의 패터닝이 가능하다.Here, the other high-k material layer means a high-k material layer etched in the second direction, and the etching direction is different from that of the high-k material layer etched in the first direction, and the other high-k material layer is The high-k material layer etched in the first direction may be made of the same or different high-k material, and rod-shaped patterning is possible through the above process.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on preferred embodiments of the present invention. However, it goes without saying that the technical spirit of the present invention is not limited thereto and may be variously implemented by those skilled in the art.

제조예production example

LN (Lithium niobate 36 ° rotated Y-cut, Boston Piezo-Optics, Inc., Bellingham, MA, USA), BTO (Barium titanate, RNDKOREA, Inc., Seoul, South Korea) 및 에폭시 (Epo-Tek 301, Epoxy Technology, Inc., Billerica, MA, USA)를 사용하여 다양한 부피 분율(50%, 60%, 70,% ,80%)을 갖는 2-2 무연압전체를 설계 및 제조하였으며, 여기서 상기 부피 분율은 LN이 차지하는 체적 대 모든 재료가 차지하는 체적의 비율을 의미한다.LN (Lithium niobate 36° rotated Y-cut, Boston Piezo-Optics, Inc., Bellingham, MA, USA), BTO (Barium titanate, RNDKOREA, Inc., Seoul, South Korea) and Epoxy (Epo-Tek 301, Epoxy) Technology, Inc., Billerica, MA, USA) was used to design and manufacture 2-2 lead-free piezoelectric bodies having various volume fractions (50%, 60%, 70,%, 80%), where the volume fraction is LN It is the ratio of the volume occupied by this to the volume occupied by all materials.

먼저 사전에 식각된 LN과 BTO를 준비한 다음, 에폭시를 충전하여 포스트 사이의 간격을 채우고 경화시켰다. 이후, 정밀 래핑 시스템을 통해 양면을 설계 두께로 래핑하고 양측에 크롬과 금 전극을 증착한 후 완성된 무연압전체를 최종 크기로 절단하여 제조하였으며, 절단된 무연압전체의 크기는 약 8.6mm x 8.1mm x 0.38mm 였다.First, pre-etched LN and BTO were prepared, and then the epoxy was filled to fill the gap between the posts and cured. After that, both sides were wrapped to the design thickness through a precision lapping system, chromium and gold electrodes were deposited on both sides, and the finished lead-free piezoelectric body was cut to the final size and manufactured. x 0.38 mm.

실시예 1Example 1

도 5는 본 발명에 따라 제조된 무연압전체의 부피 분율에 따른 유전 상수를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.5 is a view showing the result of measuring the dielectric constant according to the volume fraction of the lead-free piezoelectric body manufactured according to the present invention.

유전 상수는 Impedance analyzer(Keysight Inc. E4990A)를 이용하여 측정하였으며, 제조된 다양한 부피 분율을 갖는 무연압전체와 PZT, BTO, LN 의 유전 상수를 비교하여 나타내었다.The dielectric constant was measured using an impedance analyzer (Keysight Inc. E4990A), and the dielectric constants of PZT, BTO, and LN were compared with lead-free piezoelectric materials having various volume fractions.

도 5를 참조하면, 제조된 무연압전체의 유전 상수는 압전 재료의 부피 분율에 따라 상이하며, BTO 와 LN 의 유전 상수 사이의 값에서 결정된다. 이를 통해, 본 발명의 제조방법에 따라 무연 압전물질과 고유전 물질의 부피비를 조절하여 무연압전체의 유전율, 밀도 등의 특성을 다양하게 제어할 수 있으며, 나아가 BTO 보다 유전율이 높은 물질을 사용함으로써, 무연압전체의 유전율을 향상시킬 수 있을 것으로 예상할 수 있었다.Referring to FIG. 5 , the dielectric constant of the manufactured lead-free piezoelectric body is different depending on the volume fraction of the piezoelectric material, and is determined from a value between the dielectric constants of BTO and LN. Through this, by adjusting the volume ratio of the lead-free piezoelectric material and the high dielectric material according to the manufacturing method of the present invention, characteristics such as dielectric constant and density of the lead-free piezoelectric body can be variously controlled, and furthermore, by using a material having a higher dielectric constant than BTO, It could be expected that the dielectric constant of the lead-free piezoelectric body could be improved.

실시예 2Example 2

도 6은 제조된 80% 부피 분율을 갖는 무연압전체 및 이와 동일한 면적과 두께를 갖는 LN, BTO, PZT 샘플의 전기 임피던스를 나타내는 도면이다.6 is a diagram showing the electrical impedance of the prepared lead-free piezoelectric body having 80% volume fraction and LN, BTO, and PZT samples having the same area and thickness.

전기 임피던스는 실시예 1과 마찬가지로 Impedance analyzer(Keysight Inc. E4990A)를 이용하여 측정하였으며, 제조된 80% 부피 분율을 갖는 무연압전체의 전기 임피던스(a)와 이를 PZT, BTO, LN 의 전기 임피던스와 비교하여 나타내었다(b).The electrical impedance was measured using an impedance analyzer (Keysight Inc. E4990A) as in Example 1, and the electrical impedance (a) of the produced lead-free piezoelectric body having 80% volume fraction and it were compared with the electrical impedance of PZT, BTO, and LN and (b).

도 6을 참조하면, 제조된 80% 부피 분율을 갖는 무연압전체의 전기 임피던스가 LN 과 비교하여 대폭 감소하였다. 따라서, LN-BTO 무연압전체를 통해 압전 재료의 성능이 유지되면서도 LN 이 갖는 높은 전기 임피던스의 단점을 해결하여 전기 임피던스 매칭이 쉽게 수행될 수 있음을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 6 , the electrical impedance of the prepared lead-free piezoelectric body having an 80% volume fraction was significantly reduced compared to that of LN. Therefore, it was confirmed that the electrical impedance matching can be easily performed by solving the disadvantage of the high electrical impedance of LN while maintaining the performance of the piezoelectric material through the LN-BTO lead-free piezoelectric body.

이상과 같이 본 발명에 따른 무연압전체 및 그 제조방법에 따르면, 유해물질인 납을 사용하지 아니하여 규제가 없고 친환경적이며, 무연 압전물질의 장점을 그대로 유지하면서 유전율이 낮고 성형성이 제한되는 등의 단점을 보완할 수 있으며, 무연압전체의 유전율, 밀도 등을 자유롭게 조절할 수 있기 때문에 여러 분야에서 적용될 수 있다.As described above, according to the lead-free piezoelectric body and its manufacturing method according to the present invention, it does not use lead, which is a hazardous material, so there is no regulation and is eco-friendly. It can compensate for the shortcomings, and since the dielectric constant and density of the lead-free piezoelectric body can be freely adjusted, it can be applied in various fields.

Claims (6)

무연 압전물질 및 고유전 물질을 포함하는 무연압전체로서,
상기 무연 압전물질은 상기 고유전 물질층에 로드(rod) 또는 바(bar) 형태로 이격되어 내삽된 것을 특징으로 하는 무연압전체.
A lead-free piezoelectric material comprising a lead-free piezoelectric material and a high dielectric material, comprising:
The lead-free piezoelectric material is a lead-free piezoelectric material, characterized in that the interpolation spaced apart in the form of a rod (rod) or bar (bar) in the high dielectric material layer.
제 1항에 있어서,
상기 무연 압전물질 로드 또는 바는 적어도 2개 이상인 것을 특징으로 하는 무연압전체.
The method of claim 1,
The lead-free piezoelectric material, characterized in that at least two or more rods or bars.
제 1항에 있어서,
상기 무연 압전물질은 Lithium Niobate(LN)을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연압전체.
The method of claim 1,
The lead-free piezoelectric material is lead-free piezoelectric body, characterized in that it comprises lithium niobate (LN).
제 1항에 있어서, 상기 무연압전체는,
상기 무연 압전물질 로드 또는 바와 상기 고유전 물질층 사이에 경화제가 침투되어 경화된 것을 특징으로 하는 무연압전체.
According to claim 1, wherein the lead-free piezoelectric body,
A lead-free piezoelectric material, characterized in that the curing agent is penetrated between the lead-free piezoelectric material rod or bar and the high dielectric material layer to be cured.
제 1항에 있어서,
상기 무연압전체의 유전율 또는 밀도는 상기 무연 압전물질 로드 또는 바의 개수, 크기 및 무연 압전물질 대비 고유전 물질층의 부피비 중 적어도 어느 하나에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 무연압전체.
The method of claim 1,
The dielectric constant or density of the lead-free piezoelectric material is determined according to at least one of the number and size of the lead-free piezoelectric material rods or bars, and the volume ratio of the lead-free piezoelectric material to the high-k material layer.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 무연압전체의 제조방법으로,
고유전 물질층을 제 1 방향으로 식각하여 패터닝 하는 단계;
상기 제 1 방향으로 식각된 고유전 물질층에 대응되도록 무연 압전물질층을 식각하여 패터닝 하는 단계;
상기 식각된 고유전 물질층과 무연 압전물질층 사이에 경화제를 침투시킨 후 맞춰 끼워 제 1 구조물을 제조하는 단계;
상기 제 1 구조물의 양면에 있는 일정 부분을 래핑을 통해 제거하는 단계;
상기 제 1 방향과 수직되는 제 2 방향으로 상기 제 1 구조물을 식각하는 단계; 및
상기 제 2 방향으로 식각된 상기 제 1 구조물에 대응되도록 식각된 또 다른 고유전 물질층을 맞춰 끼우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연압전체의 제조방법.
A method for manufacturing a lead-free piezoelectric body according to any one of claims 1 to 5,
patterning the high-k material layer by etching in a first direction;
etching and patterning the lead-free piezoelectric material layer to correspond to the high-k material layer etched in the first direction;
manufacturing a first structure by impregnating and fitting a curing agent between the etched high-k material layer and the lead-free piezoelectric material layer;
removing certain portions on both sides of the first structure through lapping;
etching the first structure in a second direction perpendicular to the first direction; and
and fitting another high-k material layer etched to correspond to the first structure etched in the second direction.
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