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WO2022215761A1 - 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법 및 이를 이용한 압전 박막 제조 방법 - Google Patents

가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법 및 이를 이용한 압전 박막 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2022215761A1
WO2022215761A1 PCT/KR2021/004214 KR2021004214W WO2022215761A1 WO 2022215761 A1 WO2022215761 A1 WO 2022215761A1 KR 2021004214 W KR2021004214 W KR 2021004214W WO 2022215761 A1 WO2022215761 A1 WO 2022215761A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piezoelectric precursor
piezoelectric
organic solvent
solid
thin film
Prior art date
Application number
PCT/KR2021/004214
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
구창영
Original Assignee
(주)퀸테스
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)퀸테스 filed Critical (주)퀸테스
Publication of WO2022215761A1 publication Critical patent/WO2022215761A1/ko

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/07—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base
    • H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
    • H10N30/077—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing by liquid phase deposition
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
    • H10N30/092—Forming composite materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H10N35/01—Manufacture or treatment

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a solid piezoelectric precursor polymer capable of a reversible reaction and a method for manufacturing a piezoelectric thin film using the same, and more particularly, to a piezoelectric precursor solution prepared by a chemical solution synthesis method such as a sol-gel method and an organometallic decomposition method. It relates to a method for manufacturing a solid piezoelectric precursor polymer capable of reversible reaction capable of maintaining a chemically stable state without changing over time by separating and extracting this strong organic solvent component, and a method for manufacturing a piezoelectric thin film using the same.
  • Pb(Zr , Ti)O 3 (PZT)-based and lead-free which are the main raw materials for piezoelectric micro-electro-mechanical systems (P-MEMS) and piezoelectric sensors, occupying a market of more than 30 trillion won as of 2020
  • Multi-component metal oxide materials such as (K,Na)NbO 3 (KNN), Bi(Na,K)TiO 3 (BNKT), and BaTiO 3 (BT) materials with a (lead-free) composition are non-volatile using ferroelectricity. It is widely used in memory devices (FeRAM), core components of mobile communication devices using dielectric properties, actuators using piezoelectricity, gyro (GYRO) and acceleration sensors, and infrared sensors using pyroelectricity.
  • FeRAM memory devices
  • GYRO gyro
  • acceleration sensors and infrared sensors using pyroelectricity.
  • piezoelectric materials are coated with a thin film on a silicon substrate using LIQUID PHASE raw materials or made into a ceramic target using a powder material, which is one of the PHYSICAL VAPOR DEPOSITION (PVD) methods, sputtering (SPUTTERING). ) method to produce a thin film.
  • PVD PHYSICAL VAPOR DEPOSITION
  • SPUTTERING sputtering
  • CSD CHEMICAL SOLUTION DEPOSITION
  • CSD CHEMICAL SOLUTION DEPOSITION
  • It is commonly used in the industry in the field of THIN FILM PIEZO-MEMS.
  • liquid raw material solutions are mainly prepared by mixing and dissolving multi-component metal ion compositions in organic solvents such as alcohol through sol-gel (SOL-GEL) method, followed by hydrolysis, condensation, and polymerization, and partially (M-O-M).
  • organic solvents such as alcohol through sol-gel (SOL-GEL) method
  • M-O-M partially
  • )n refers to a chemically synthesized solution with n bonds.
  • a chemical reaction occurs gradually over time and hardens to become a solid gel (GEL), or some metal ions are oxidized and precipitated to cause precipitation.
  • beta-diketone such as acetylacetone (ACETYLACETON) or an amine (AMINE) complexing agent such as ethanolamine (ETHANOLAMINE) is sometimes added.
  • ACETYLACETON acetylacetone
  • AMINE amine complexing agent
  • ETHANOLAMINE ethanolamine
  • alcohol solvents, complexing agents, and other additives used as main organic solvents are liquid organic solvents that are harmful to the human body or explosive, they are classified as dangerous goods during handling and transportation such as import and export, Until delivery, additional costs and safety concerns are inevitable.
  • the present invention intends to present a manufacturing technique for separating and extracting a piezoelectric precursor polymer capable of a reversible reaction from a chemical synthesis solution.
  • An object of the present invention is to separate and extract toxic and explosive organic solvent components from a piezoelectric precursor solution prepared by a chemical solution synthesis method such as a sol-gel method and an organometallic decomposition method, thereby maintaining a chemically stable state without changing over time.
  • a chemical solution synthesis method such as a sol-gel method and an organometallic decomposition method
  • a method for preparing a solid piezoelectric precursor polymer capable of a reversible reaction includes the steps of: (a) preparing a piezoelectric precursor solution synthesized by a chemical solution synthesis method; (b) filtering the piezoelectric precursor solution to remove impurities in the piezoelectric precursor solution; and (c) reducing and heating the filtered piezoelectric precursor solution by vacuum distillation to separate and extract the organic solvent in the piezoelectric precursor solution to obtain a solid piezoelectric precursor polymer.
  • step (c) when the organic solvent in the piezoelectric precursor solution is reduced pressure and heated by a reduced pressure distillation method, the organic solvent in the piezoelectric precursor solution is selectively volatilized, so that the organic solvent separated and extracted in the extraction vessel is are kept
  • step (c) the pressure reduction and heating is carried out at a pressure of 6 mbar or less at 60 ⁇ 90 °C.
  • the solid piezoelectric precursor polymer is synthesized by the chemical solution synthesis method through a reversible reaction of mixing using the same organic solvent as the organic solvent used in the chemical solution synthesis method, or the organic solvent separated and extracted by the reduced pressure and heating. It is prepared from the same solution as the precursor solution.
  • step (d) injecting an inert gas into the obtained solid piezoelectric precursor polymer, sealing and packaging; may be further included.
  • a method for manufacturing a piezoelectric thin film using a solid piezoelectric precursor polymer capable of a reversible reaction includes (a) preparing a piezoelectric precursor solution synthesized by a chemical solution synthesis method; (b) filtering the piezoelectric precursor solution to remove impurities in the piezoelectric precursor solution; (c) reducing and heating the filtered piezoelectric precursor solution by vacuum distillation to separate and extract an organic solvent in the piezoelectric precursor solution to obtain a solid piezoelectric precursor polymer; (d) re-injecting an organic solvent into the solid piezoelectric precursor polymer, and resynthesizing a piezoelectric precursor solution through a reversible dissolution reaction; and (e) coating the resynthesized piezoelectric precursor solution on a substrate by a chemical solution deposition method and heat-treating to form a piezoelectric thin film.
  • step (d) as the organic solvent, the same organic solvent as the organic solvent used in the chemical solution synthesis method, or the organic solvent separated and extracted by the reduced pressure and heating is used.
  • step (d) the reversible reaction is reacted for 1-2 hours at 60-120° C. at a rate of 200-300 rpm, and then stirred at room temperature at a speed of 200-300 rpm for 1 to 3 hours.
  • the step (e) includes: (e-1) forming a coating thin film on the resynthesized piezoelectric precursor solution substrate by coating at a rate of 500 to 4,000 rpm by a chemical solution deposition method; (e-2) first intermediate heat treatment of the coating thin film at 150 to 500° C. for 2 to 10 minutes; (e-3) partially crystallizing the first intermediate heat treatment of the coating heat treatment thin film by performing a second intermediate heat treatment at 600 to 800° C. for 3 to 5 minutes; and (e-4) forming a piezoelectric thin film by crystallizing the secondary intermediate heat-treated coating heat treatment thin film at 600 to 800° C. for 3 minutes to 2 hours.
  • a piezoelectric precursor polymer capable of reversible chemical solution synthesis by separating and extracting a solid piezoelectric precursor polymer in which an organic solvent such as alcohol and a liquid complexing agent, and a piezoelectric metal ion and a polymer are bonded from a chemical solution synthesis method is organic.
  • the extract-distilled organic solvent component is used as a solvent for EBR (EDGE BEAD REMOVING) or a solvent for substrate cleaning during the manufacturing process of a piezoelectric thin film by a chemical solution coating (CHEMICAL SOLUTION DEPOSITION: CSD) method, or It can be reused as a solvent for the preparation of a synthetic solution.
  • EBR EDGE BEAD REMOVING
  • CSD chemical solution coating
  • the piezoelectric precursor polymer prepared by extracting the organic solvent component from the piezoelectric precursor solution can have a reversible chemical reaction.
  • the same solution as the piezoelectric precursor solution can be simply prepared again, and by adjusting the amount of organic solvent added, it is possible to even control the desired molar concentration (MOL CONCENTRATION) of the piezoelectric precursor solution.
  • the piezoelectric precursor polymer is a chemically stable solid phase compared to a liquid piezoelectric precursor solution classified as a dangerous substance, and it is possible to dramatically reduce the time and cost for handling, packaging and transportation.
  • the present invention by extracting and separating organic solvent components such as alcohol in the piezoelectric precursor solution without changing the chemical structure of the chemical synthesis solution such as sol-gel and MOD, the gradual and continuous chemical reaction of the piezoelectric precursor solution and the organic solvent itself It is possible to manufacture a stable solid piezoelectric precursor polymer that removes hazardous factors such as harmfulness and explosiveness.
  • flexible PZT series which are core materials in the piezoelectric MEMS field
  • K,Na)NbO 3 (KNN) series which are lead-free piezoelectric materials
  • the piezoelectric precursor polymer of the present invention can be easily resynthesized into a liquid piezoelectric precursor solution by simply injecting an organic solvent again without a complicated chemical reaction process at the time required by the user, there is no cracking without degradation of ferroelectric and piezoelectric performance. It may become possible to effectively form a piezoelectric thin film several micrometers thick.
  • FIG. 1 is a process flow chart showing a method for preparing a solid-state piezoelectric precursor polymer capable of a reversible reaction according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a schematic diagram for explaining the vacuum distillation apparatus used during the separation and extraction process of Figure 1;
  • FIG. 3 is a process flow chart showing a method for manufacturing a piezoelectric thin film using a solid-state piezoelectric precursor polymer capable of a reversible reaction according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a resynthesis processing apparatus used during the resynthesis process of FIG. 3 ;
  • 9 and 10 are graphs showing XRD measurement results of the piezoelectric thin films prepared according to Comparative Examples 1 and 1;
  • 11 and 12 are graphs showing the results of measuring electrical properties of the piezoelectric thin films prepared according to Comparative Examples 1 and 2;
  • FIG. 1 is a process flowchart illustrating a method for preparing a solid-state piezoelectric precursor polymer capable of a reversible reaction according to an embodiment of the present invention.
  • the method for preparing a solid piezoelectric precursor polymer capable of a reversible reaction includes a synthesis step (S110), a filtering step (S120), and a separation and extraction step (S130).
  • a piezoelectric precursor solution synthesized by a chemical solution synthesis method is prepared.
  • the piezoelectric precursor solution is methanol (Methyl alcohol), ethanol (Ethyl alcohol), butanol (Butyl alcohol), propanol (Propyl alcohol) methoxyethanol (2-methoxiethanol), propanediol (2,4-Propandiol), xyl
  • the catalyst and other additives may be a solution for manufacturing a perovskite piezoelectric material prepared by a chemical solution synthesis method such as a sol-gel method and an organic chemical synthesis method (MOD), but is not limited thereto.
  • the piezoelectric precursor solution is not limited to one material property such as dielectric, piezoelectric, conductive, and semiconducting properties. That is, the piezoelectric precursor solution includes a solution for manufacturing a conductive material such as Indium Tin Oxide (ITO) and Indium Zinc Oxide (IZO), a solution for manufacturing a semiconducting material such as Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO), etc., as well as a chemical solution synthesis method It may include a solution for manufacturing all high-purity ceramic materials manufactured by .
  • ITO Indium Tin Oxide
  • IZO Indium Zinc Oxide
  • IGZO Indium Gallium Zinc Oxide
  • impurities in the piezoelectric precursor solution are removed by filtering the piezoelectric precursor solution.
  • the filtering removes impurities by setting the mesh size of the filter differently according to the particle size of the impurities to be removed.
  • the filter may be formed of a fluororesin (Polytetrafluoroethylene: PTFE) material having a mesh size of 0.1 to 0.3 ⁇ m.
  • the filtered piezoelectric precursor solution is reduced pressure and heated by vacuum distillation to separate and extract the organic solvent in the piezoelectric precursor solution to obtain a solid piezoelectric precursor polymer.
  • FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a vacuum distillation apparatus used during the separation and extraction process of FIG. 1 , and will be described in more detail with reference to this.
  • the vacuum distillation apparatus 100 includes a reaction vessel 110, a heating body 120, a heating panel 130, a thermometer 140, a reduced pressure distillation tube 150, a condenser ( 160 ) and an extraction vessel 170 .
  • the filtered piezoelectric precursor solution 10 is filled in the reaction vessel 110 , and the heating panel 130 is mounted on the heating body 120 .
  • the heating body 120 receives power from the power wiring 125 and heats the piezoelectric precursor solution 10 inside the reaction vessel 110 through the heating panel 130 mounted on the heating body 120 .
  • the heating panel 130 may be a hot plate or a heating mantle, but is not limited thereto.
  • the reduced pressure distillation tube 150 is mounted on the upper side so as to be coupled to the reaction vessel 110, and is mounted to be inclined in the form of an oblique line.
  • the thermometer 140 is mounted on the reduced pressure distillation tube 150 to measure the temperature inside the reaction vessel 110 and the reduced pressure distillation tube 150 .
  • the organic solvent in the piezoelectric precursor solution 10 is volatilized and introduced into the vacuum distillation tube 150 .
  • the organic solvent 20 cooled by the condenser 160 disposed to surround the separated and extracted organic solvent 20 is filled in the extraction vessel 170 .
  • the condenser 160 receives cooling water from the outside through the cooling water supply port 162 disposed on one side, and discharges the cooling water through the cooling water discharge port 164 disposed on the other side.
  • the vacuum is discharged through the vacuum outlet 166 and the pressure is reduced.
  • the organic solvent in the piezoelectric precursor solution 10 when the organic solvent in the piezoelectric precursor solution 10 is pressure-reduced and heated by a reduced pressure distillation method, the organic solvent in the piezoelectric precursor solution 10 is selectively volatilized, thereby separating into the extraction vessel 170 . and the extracted organic solvent 20 is stored.
  • a vacuum distillation apparatus 100 capable of distilling the piezoelectric precursor solution 10 under reduced pressure and heating is used.
  • the organic solvent is separated and extracted and stored, and only the solid piezoelectric precursor polymer component remaining in the reaction vessel 110 is placed in a separate glass bottle. It is stored in a sealed container or filled with an inert gas (Ar gas).
  • Ar gas an inert gas
  • the temperature during the reduced pressure distillation process is performed at a temperature lower than the boiling point of the organic solvent at normal pressure, and the distillation process temperature can be further lowered during the reduced pressure.
  • the pressure reduction and heating is preferably carried out under the conditions of 60 ⁇ 90 °C at a pressure of 6 mbar or less.
  • the pressure is lowered to 6 mbar or less at a temperature of 60 to 90° C., it is possible to effectively volatilize and distill the organic solvent, thereby separating and extracting the liquid component.
  • phase change or thermal decomposition of the solid polymer may occur when it exceeds 90°C, especially when it exceeds 120°C for rapid separation and extraction, and in this case, a reversible reaction in the next step Resynthesis into a piezoelectric precursor solution may not be possible.
  • the heating body 120 and the heating panel 130 may be used to prepare a solid piezoelectric precursor polymer, but the volatilized organic solvent cannot be distilled or the boiling point of the organic solvent cannot be lowered at normal pressure.
  • the extraction and separation process may take a lot of time. Therefore, it should be noted that precipitation or gelation of the piezoelectric precursor solution may proceed due to additional hydrolysis, condensation, and polymerization between atmospheric moisture and the piezoelectric precursor solution.
  • the piezoelectric precursor solution 10 is transferred to a dedicated glass for the vacuum distillation apparatus 100, and the process of transferring the manufactured solid piezoelectric precursor polymer to a glass bottle is omitted to increase stability and process efficiency.
  • a method of preparing a solid piezoelectric precursor polymer by directly attaching a glass bottle, not a flask-shaped glass bottle, to the vacuum distillation apparatus 100 is also applicable.
  • the solid piezoelectric precursor polymer is synthesized by the chemical solution synthesis method through a reversible reaction in which the same organic solvent as the organic solvent used in the chemical solution synthesis method, or the organic solvent 20 separated and extracted by reduced pressure and heating is used and mixed. It can be prepared with the same solution as one piezoelectric precursor solution.
  • the filtered piezoelectric precursor solution 10 is filled in the reaction vessel 110 , and the organic solvent in the piezoelectric precursor solution 10 is under reduced pressure using the heating body 120 and the heating panel 130 .
  • a solid piezoelectric precursor polymer is prepared.
  • an inert gas such as Ar or N 2 is injected so as not to be exposed to external air, so that the chemical synthesis solution does not react with the external atmosphere (oxygen and moisture) or deteriorate.
  • the condenser 160 and the vacuum pump are used to lower the boiling point of the organic solvent so that the organic solvent can be more effectively volatilized, and the volatilized organic solvent is again separated-cooled-condensed to organically
  • the solvent can be synthesized with a chemical solution or recycled as a cleaning solvent in the CSD process.
  • an organic solvent including an alcohol solvent (2-methoxyethanol, Butanol, Isopropylalcohol), a complexing agent (Acetylacetone, Ethanolamine), and an additive/accelerator (Acetic acid, Polyethylene glycol) is used to form a sol-gel (Sol) -From a piezoelectric precursor solution of lead (Pb-based) and lead-free (Non-Pb-based) composition prepared by chemical solution synthesis methods such as -Gel) method or MOD (metal organic decomposition) method, toxic and explosive alcohol and other organic solvents By separating and extracting the components, a stable solid piezoelectric precursor polymer is formed without change with time.
  • an alcohol solvent (2-methoxyethanol, Butanol, Isopropylalcohol
  • a complexing agent Alcohol, Ethanolamine
  • an additive/accelerator Acetic acid, Polyethylene glycol
  • the piezoelectric precursor polymer can be easily prepared in the same solution as the piezoelectric precursor solution through a reversible reaction using the main organic solvent used in synthesizing the chemical solution or the separated and extracted organic solvent 20, and the amount of organic solvent added It is possible to even control the molar concentration of the piezoelectric precursor solution desired by the user. Above all, the piezoelectric precursor polymer exists in a chemically stable solid phase compared to the liquid piezoelectric precursor solution classified and handled as Dangerous Goods (DG), so it is possible to significantly reduce the time and cost for handling, packaging and transportation can be done
  • DG Dangerous Goods
  • the method for preparing a solid piezoelectric precursor polymer capable of a reversible reaction may further include sealing and packaging steps (not shown).
  • an inert gas is injected into the obtained solid piezoelectric precursor polymer, followed by sealing and packaging.
  • an inert gas such as Ar or N 2 is injected to block contact with the atmosphere, thereby sealing and packaging to prevent unnecessary chemical reactions from occurring.
  • the solid piezoelectric precursor polymer prepared by the method according to the embodiment of the present invention and capable of a reversible reaction from which the organic solvent is removed is PZT, doped-PZT (PLZT, PMN-PT, PMN-PNN-PZT, etc.), lead- It has a piezoelectric composition such as free KNN, doped-KNN (KNMN), BNKT, doped-BNKT (BNKZT), or a dielectric composition based on BaTiO 3 and BST (BaSrTiO 3 ) and semiconducting GIZO (GaInZnOx), conductive ITO (InSnO x ) and IZO(InZnO x ).
  • the solid piezoelectric precursor polymer prepared by the method according to an embodiment of the present invention and capable of a reversible reaction from which the organic solvent is removed reacts reversibly with the main organic solvent or the organic solvent separated and extracted to achieve the physical properties of the initial sol-gel solution. It can be prepared in the same solution, and additionally, it can be easily synthesized into ceramic nanopowders through pyrolysis and calcination of the piezoelectric precursor polymer.
  • FIG. 3 is a process flowchart illustrating a method for manufacturing a piezoelectric thin film using a solid piezoelectric precursor polymer capable of a reversible reaction according to an embodiment of the present invention.
  • the method for manufacturing a piezoelectric thin film using a solid-state piezoelectric precursor polymer capable of a reversible reaction includes a synthesis step (S210), a filtering step (S220), a separation and extraction step (S230). , including a resynthesis step (S240) and a coating and heat treatment step (S250).
  • the synthesis step (S210), the filtering step (S220), and the separation and extraction step (S230) of the piezoelectric thin film manufacturing method of the present invention are the synthesis step (S110) of the solid-state piezoelectric precursor polymer manufacturing method described with reference to FIGS. 1 and 2 .
  • the filtering step ( S120 ) and the separation and extraction step ( S130 ) are substantially the same, the overlapping description will be omitted and the differences will be mainly described.
  • the organic solvent is re-injected into the solid piezoelectric precursor polymer to resynthesize the piezoelectric precursor solution through a reversible dissolution reaction.
  • the organic solvent may be the same organic solvent as the organic solvent used in the chemical solution synthesis method, or an organic solvent separated and extracted by reduced pressure and heating.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a resynthesis processing apparatus used in the resynthesis process of FIG. 3 , which will be described in more detail with reference to the same.
  • the resynthesis processing apparatus 200 includes a reaction vessel 210 , a heating body 220 , a heating panel 230 , a thermometer 240 , an organic solvent inlet 250 , and a condenser. (260).
  • the solid piezoelectric precursor polymer 30 is filled in the reaction vessel 210 , and the heating panel 230 is mounted on the heating body 220 .
  • an organic solvent inlet 250 is disposed at the upper end of the reaction vessel 210 .
  • the heating body 220 receives power from the power supply wiring 225 and through the heating panel 230 mounted on the heating body 220 , the piezoelectric precursor polymer 30 and the organic solvent inlet inside the reaction vessel 210 .
  • the organic solvent injected into the reaction vessel 210 through 250 is heated, and the piezoelectric precursor solution is resynthesized through this reversible dissolution reaction.
  • thermometer 240 is mounted on the upper side of the reaction vessel 210 to measure the temperature inside the reaction vessel 210 .
  • the condenser 260 receives cooling water from the outside through the cooling water supply port 262 disposed on one side, and discharges the cooling water through the cooling water discharge port 264 disposed on the other side.
  • the reversible reaction temperature may be set to be 10 to 20° C. lower than the temperature at the time of synthesizing the piezoelectric precursor solution or the boiling point of the organic solvent to increase the reaction efficiency.
  • the reversible reaction is preferably performed at 60 to 120° C. at a rate of 200 to 300 rpm for 1 to 2 hours, followed by stirring at room temperature at a speed of 200 to 300 rpm for 1 to 3 hours.
  • the room temperature may be -10 ⁇ 40 °C, but is not limited thereto.
  • the piezoelectric precursor solution is prepared to have a molar concentration desired by the user by adjusting the amount of the organic solvent added in a reversible reaction.
  • the resynthesized piezoelectric precursor solution is coated on a substrate by a chemical solution deposition method and heat-treated to form a piezoelectric thin film.
  • the substrate may be selected from a Si substrate on which the lower electrode is deposited, a single crystal substrate, a metal substrate, and the like, but is not limited thereto.
  • the coating and heat treatment step (S250) may be subdivided into a coating thin film formation process, a first intermediate heat treatment process, a second intermediate heat treatment process, and a crystallization heat treatment process.
  • the resynthesized piezoelectric precursor solution is coated on a substrate by a chemical solution deposition method at a speed of 500 to 4,000 rpm to form a coating thin film.
  • the spin coating speed is less than 500 rpm, there is a fear that a thin film having a uniform thickness may not be obtained.
  • the spin coating speed exceeds 4,000 rpm, the thickness of the thin film per layer may be too thin or the resynthesized piezoelectric precursor solution may not be evenly distributed.
  • the coating thin film is subjected to the first intermediate heat treatment at 150 ⁇ 500 °C for 2 ⁇ 10 minutes.
  • the coating heat treatment thin film that has been subjected to the first intermediate heat treatment is partially crystallized by the second intermediate heat treatment at 600 to 800° C. for 3 to 5 minutes.
  • a porous piezoelectric thin film having a plurality of pores is formed by crystallizing the second intermediate heat treatment of the coating heat treatment thin film at 600 to 800° C. for 3 minutes to 2 hours.
  • the coating thin film forming process, the first intermediate heat treatment process and the second intermediate heat treatment process are preferably repeated at least 5 times or more. That is, after performing the first intermediate heat treatment for 2 to 10 minutes at 150 ⁇ 500 ° C for 2 to 10 minutes at each coating time to form a low-stress amorphous coating heat treatment thin film through thermal decomposition of organic matter, then 3 to 5 at 600 ⁇ 800 ° C.
  • the shape of the coated heat treatment thin film without defects such as cracks is stabilized by performing partial crystallization by performing secondary intermediate heat treatment for minutes.
  • the coating thin film formation, the first intermediate heat treatment, and the second intermediate heat treatment are repeatedly performed 5 times or more and the target thickness is formed, finally crystallization heat treatment is performed at 600 to 800 ° C for 3 minutes to 2 hours to obtain the final crystalline phase.
  • a piezoelectric thin film is formed.
  • a reversible chemical solution is synthesized by separating and extracting a solid piezoelectric precursor polymer in which an organic solvent such as alcohol and a liquid complexing agent, and a piezoelectric metal ion and a polymer are combined from a chemical solution synthesis method.
  • This possible piezoelectric precursor polymer can be effectively separated and prepared by using a rotary evaporator at a temperature lower than the boiling point of the organic solvent in the manner of normal pressure or reduced pressure.
  • the extract-distilled organic solvent component is used as a solvent for EBR (EDGE BEAD REMOVING) or substrate cleaning in the manufacturing process of a piezoelectric thin film by a chemical solution coating (CHEMICAL SOLUTION DEPOSITION: CSD) method Alternatively, it can be reused as a solvent for the preparation of a chemical synthesis solution.
  • EBR EDGE BEAD REMOVING
  • CSD chemical solution coating
  • the piezoelectric precursor polymer prepared by extracting the organic solvent component from the piezoelectric precursor solution can have a reversible chemical reaction, so the organic solvent used in synthesizing the piezoelectric precursor polymer or the organic solvent separated and extracted Using a solvent, the same solution as the piezoelectric precursor solution can be easily prepared again, and by controlling the amount of organic solvent added, it is possible to even control the desired molar concentration (MOL CONCENTRATION) of the piezoelectric precursor solution.
  • MOL CONCENTRATION desired molar concentration
  • the piezoelectric precursor polymer is a chemically stable solid phase compared to a liquid piezoelectric precursor solution classified as a dangerous substance, and it is possible to dramatically reduce time and cost for handling, packaging and transportation.
  • the gradual and continuous chemical reaction of the piezoelectric precursor solution by extracting and separating organic solvent components such as alcohol in the piezoelectric precursor solution without changing the chemical structure of the chemical synthesis solution such as sol-gel and MOD, It is possible to manufacture a stable solid piezoelectric precursor polymer that removes hazardous factors such as the harmfulness and explosiveness of the organic solvent itself.
  • flexible PZT-based material which is a core material in the field of piezoelectric MEMS, and (K,Na)NbO 3 (KNN)-based, lead-free piezoelectric material, Bi(Na,K)TiO 3 (BNKT) series, BaTiO 3 (BT) series of piezoelectric raw materials manufactured by chemical solution synthesis method such as SOL-GEL method, changes with time and harmfulness due to organic solvents and instability due to handling temperature It can be manufactured as a solid piezoelectric precursor polymer from which problems such as these have been removed.
  • the piezoelectric precursor polymer can be easily resynthesized into a liquid piezoelectric precursor solution by simply injecting an organic solvent again without a complicated chemical reaction process at a time when the user needs it, so ferroelectric and piezoelectric performance It may become possible to effectively form a piezoelectric thin film with a thickness of several micrometers without cracks without degradation of the .
  • a piezoelectric precursor solution having a concentration of 0.4M was prepared by synthesizing it by a sol-gel method at 90° C. to have a composition of O 3 .
  • the piezoelectric precursor solution was put into the reaction vessel of the rotary evaporator, and then reduced and heated by vacuum distillation to separate, extract, and store only the organic solvent, thereby obtaining a solid piezoelectric precursor polymer remaining in the reaction vessel.
  • the same organic solvent as the organic solvent used in synthesizing the piezoelectric precursor solution is re-injected into the solid piezoelectric precursor polymer, and then the reversible dissolution reaction is stirred at 100° C. at a speed of 250 rpm to have the same 0.4M concentration as the initial concentration.
  • the piezoelectric precursor solution was resynthesized.
  • a piezoelectric precursor solution resynthesized through a reversible reaction was spin-coated on a substrate 10 times at a speed of 3,000 rpm for 25 sec, and heat-treated to prepare a piezoelectric thin film.
  • the heat treatment was a primary heat treatment at 150 ° C. for 1 min, 450 ° C. for 6 min in an atmospheric atmosphere, and a secondary heat treatment at 650 ° C. for 3 min for partial crystallization, followed by a final crystallization heat treatment at 650 ° C. for 30 min.
  • a piezoelectric thin film was prepared in the same manner as in Example 1, except that the piezoelectric precursor solution was resynthesized by re-injecting the organic solvent separated and extracted by vacuum distillation into the solid piezoelectric precursor polymer.
  • a piezoelectric precursor solution having a concentration of 0.4M was prepared by synthesizing it by a sol-gel method at 90° C. to have a composition of O 3 .
  • the piezoelectric precursor solution was spin-coated on the substrate 10 times at a speed of 3,000 rpm for 25 sec, and heat-treated to prepare a piezoelectric thin film.
  • the heat treatment was a primary heat treatment at 150 ° C. for 1 min, 450 ° C. for 6 min in an atmospheric atmosphere, and a secondary heat treatment at 650 ° C. for 3 min for partial crystallization, followed by a final crystallization heat treatment at 650 ° C. for 30 min.
  • FIGS. 5 and 6 are SEM photographs showing the piezoelectric thin film prepared according to Comparative Example 1
  • FIGS. 7 and 8 are SEM photographs showing the piezoelectric thin film prepared according to Example 1.
  • FIGS. 5 and 7 show the surfaces of the piezoelectric thin films of Comparative Examples 1 and 1 by photographing them
  • FIGS. 6 and 8 show cross-sections of the cut surfaces of the piezoelectric thin films of Comparative Examples 1 and 1.
  • a piezoelectric thin film prepared using Comparative Example 1 which is a piezoelectric thin film prepared using a primary piezoelectric precursor solution, and a secondary piezoelectric precursor solution resynthesized from a solid piezoelectric precursor polymer.
  • the results of comparative analysis of the SEM photographs for Example 1 are shown.
  • Example 1 and Comparative Example 1 have the same fine surface microstructure of the piezoelectric thin film without cracks and a cross section of a uniformly grown columnar structure.
  • 9 and 10 are graphs showing XRD measurement results of the piezoelectric thin films prepared according to Comparative Examples 1 and 1;
  • Example 9 a piezoelectric thin film prepared using Comparative Example 1, which is a piezoelectric thin film prepared using a primary piezoelectric precursor solution, and a secondary piezoelectric precursor solution resynthesized from a solid piezoelectric precursor polymer.
  • the XRD (X-ray diffraction) measurement results for Example 1 are shown.
  • Example 1 and Comparative Example 1 represent a pure piezoelectric perovskite phase that does not contain an impurity phase such as a secondary phase.
  • FIGS. 11 and 12 are graphs showing the results of measuring electrical properties of the piezoelectric thin films prepared according to Comparative Examples 1 and 2;
  • platinum Pt
  • a perovskite piezoelectric material was formed on the piezoelectric thin film prepared according to Comparative Examples 1 and 2 by sputtering to form an upper electrode, and among the electrical characteristics, a perovskite piezoelectric material was formed.
  • the typical characteristic of ferroelectric (P-V hysteresis loop) was measured.
  • the ferroelectric properties of the piezoelectric thin films according to Comparative Examples 1 and 2 showed excellent saturation polarization even at a voltage of 70 V or higher, respectively. That is, according to Comparative Examples 1 and 2, the ferroelectric properties of the piezoelectric thin film are saturated polarization (Ps; Saturation Polarization) 50 ⁇ mC/cm2 or more, and residual polarization (Pr; Remanent Polarization) 20-50 ⁇ mC/cm2, It can be seen that each exhibits excellent electrical characteristics without leakage current characteristics.
  • Ps saturated polarization
  • Pr Remanent Polarization

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Abstract

졸겔법, 유기금속 분해법 등의 화학용액 합성법으로 제조된 압전 전구체 용액으로부터 유독하고 폭발성이 강한 유기용제 성분을 분리 및 추출하여 시간에 따른 경시변화 없이 화학적으로 안정한 상태를 유지할 수 있는 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법 및 이를 이용한 압전 박막 제조 방법에 대하여 개시한다.

Description

가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법 및 이를 이용한 압전 박막 제조 방법
본 발명은 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법 및 이를 이용한 압전 박막 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 졸겔법, 유기금속 분해법 등의 화학용액 합성법으로 제조된 압전 전구체 용액으로부터 유독하고 폭발성이 강한 유기용제 성분을 분리 및 추출하여 시간에 따른 경시변화 없이 화학적으로 안정한 상태를 유지할 수 있는 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법 및 이를 이용한 압전 박막 제조 방법에 관한 것이다.
2020년 현재 약 30조원 이상의 시장을 점유한 압전 미세구동 소자(Piezoelectric Micro -Electro - Mechanical System : P-MEMS) 및 압전 센서분야의 주요 원료인 Pb(Zr ,Ti)O 3 (PZT)계 및 무연(lead-free) 조성의 (K,Na)NbO 3 (KNN)계, Bi(Na,K)TiO 3 (BNKT)계, BaTiO 3 (BT)계 등 다성분계 금속 산화물 소재는 강유전성을 이용한 비휘발성 기억소자(FeRAM), 유전특성을 이용한 이동통신기기의 핵심 소자부품, 압전성을 이용한 엑츄에이터(ACTUATOR)와 자이로(GYRO) 및 가속도 센서, 그리고 초전성을 이용한 적외선 센서 등에 널리 이용되고 있다.
이러한 압전 소재는 액상(LIQUID PHASE)의 원재료를 사용해 실리콘 기판 상에 박막으로 코팅을 하거나, 분말 소재를 사용하여 세라믹 타겟으로 제작하여 물리 기상증착(PVD; PHYSICAL VAPOR DEPOSITION)법의 하나인 스퍼터링(SPUTTERING) 방식으로 박막을 제작하고 있다. 이 중, 액상 원재료를 사용한 CSD(CHEMICAL SOLUTION DEPOSITION)법이 장치 의존성이 적고 복잡한 조성의 박막을 비교적 단순한 공정으로 제조할 수 있으며, 용액 제조 시 분자 단위의 혼합을 통하여 막의 균질도를 높일 수 있기 때문에 압전 박막멤스(THIN FILM PIEZO-MEMS) 분야의 산업에서 보편적으로 사용되고 있다.
현재까지 액상 형태의 원재료 용액은 주로 졸겔(SOL-GEL)법을 통해 알코올 등 유기용제에 다성분계 금속이온 조성을 정밀하게 혼합 및 용해하여 가수분해와 축합 및 중합반응을 시켜 제조하는 것으로, 부분적 (M-O-M)n 결합을 가진 화학합성 용액을 지칭한다. 이러한 화학합성 용액은 시간이 경과함에 따라 화학반응이 점진적으로 일어나 경화되어 고상의 겔(GEL)로 변하거나, 일부 금속이온들이 산화 및 석출되어 침전이 발생하기도 한다.
이에, 경시변화를 방지하기 위하여, 아세틸아세톤(ACETYLACETON) 등 베타 디케톤(β-DEKETON)계나 에탄올아민(ETHANOLAMINE) 등 아민(AMINE)계 착화제를 첨가하기도 한다.
그러나, 기본적으로 주 유기용제로 사용되는 알코올계 용매와 착화제 및 기타 첨가제들이 인체에 유해하거나 폭발성이 있는 액상 유기용제인 관계로 수출입 등 취급과 운송시 위험물로 분류되어 제품의 생산 이후 실사용자에게 인도되기까지 추가적인 비용의 발생과 안전상 문제 등의 제약이 필연적인 상황이다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 화학합성 용액으로부터 가역적 반응이 가능한 압전 전구체 폴리머를 분리 및 추출하는 제조기술을 제시하고자 한다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0017847호(2020.02.19. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 압전 박막의 제조 방법 및 압전 박막을 이용한 압전 센서가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 졸겔법, 유기금속 분해법 등의 화학용액 합성법으로 제조된 압전 전구체 용액으로부터 유독하고 폭발성이 강한 유기용제 성분을 분리 및 추출하여 시간에 따른 경시변화 없이 화학적으로 안정한 상태를 유지할 수 있는 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법 및 이를 이용한 압전 박막 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법은 (a) 화학용액 합성법으로 합성한 압전 전구체 용액을 준비하는 단계; (b) 상기 압전 전구체 용액을 필터링하여 압전 전구체 용액 내의 불순물을 제거하는 단계; 및 (c) 상기 필터링 처리된 압전 전구체 용액을 감압 증류법으로 감압 및 가열하여, 상기 압전 전구체 용액 내의 유기용제를 분리 및 추출하여 고체상의 압전 전구체 폴리머를 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (c) 단계에서, 상기 압전 전구체 용액 내의 유기용제가 감압 증류법으로 감압 및 가열하는 과정시, 상기 압전 전구체 용액 내의 유기용제가 선택적으로 휘발되는 것에 의해, 추출 용기 내에 분리 및 추출된 유기용제가 보관된다.
상기 (c) 단계에서, 상기 감압 및 가열은 6mbar 이하의 압력에서 60 ~ 90℃ 조건으로 실시한다.
상기 고체상의 압전 전구체 폴리머는 상기 화학용액 합성법에서 사용한 유기용제와 동일한 유기용제, 또는 상기 감압 및 가열에 의해 분리 추출된 유기용제를 사용하여 혼합하는 가역적 반응을 통하여, 상기 화학용액 합성법으로 합성한 압전 전구체 용액과 동일한 용액으로 제조된다.
상기 (c) 단계 이후, (d) 상기 수득된 고체상의 압전 전구체 폴리머에 불활성 가스를 주입한 후, 밀봉 및 포장하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머를 이용한 압전 박막 제조 방법은 (a) 화학용액 합성법으로 합성한 압전 전구체 용액을 준비하는 단계; (b) 상기 압전 전구체 용액을 필터링하여 압전 전구체 용액 내의 불순물을 제거하는 단계; (c) 상기 필터링 처리된 압전 전구체 용액을 감압 증류법으로 감압 및 가열하여, 상기 압전 전구체 용액 내의 유기용제를 분리 및 추출하여 고체상의 압전 전구체 폴리머를 수득하는 단계; (d) 상기 고체상의 압전 전구체 폴리머에 유기용제를 재 투입하여, 가역적 용해 반응으로 압전 전구체 용액을 재합성하는 단계; 및 (e) 상기 재합성된 압전 전구체 용액을 화학용액 증착법으로 기재에 코팅하고 열처리하여 압전 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (d) 단계에서, 상기 유기용제는 상기 화학용액 합성법에서 사용한 유기용제와 동일한 유기용제, 또는 상기 감압 및 가열에 의해 분리 추출된 유기용제를 사용한다.
상기 (d) 단계에서, 상기 가역적 반응은 60 ~ 120℃에서 200 ~ 300rpm의 속도로 1 ~ 2시간 반응시킨 후, 상온에서 200 ~ 300rpm의 속도로 1 ~ 3시간 동안 교반한다.
상기 (e) 단계는, (e-1) 상기 재합성된 압전 전구체 용액 기재 상에 화학용액 증착법으로 500 ~ 4,000rpm의 속도로 코팅하여 코팅 박막을 형성하는 단계; (e-2) 상기 코팅 박막을 150 ~ 500℃에서 2 ~ 10분 동안 1차 중간 열처리하는 단계; (e-3) 상기 1차 중간 열처리된 코팅 열처리 박막을 600 ~ 800℃에서 3 ~ 5분 동안 2차 중간 열처리하여 부분 결정화시키는 단계; 및 (e-4) 상기 2차 중간 열처리된 코팅 열처리 박막을 600 ~ 800℃에서 3분 ~ 2시간 동안 결정화 열처리하여 압전 박막을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 화학용액 합성법으로부터 알코올 및 액상 착화제 등의 유기용제와 압전 금속이온 및 고분자가 결합된 고체상의 압전 전구체 폴리머를 분리 및 추출하여 가역적 화학용액 합성이 가능한 압전 전구체 폴리머의 제조는 유기용제의 끓는점 보다 낮은 온도에서 회전증발농축기를 사용하여 상압 또는 감압의 방식으로 효과적으로 분리 및 제조가 가능하다.
아울러, 본 발명에 따르면, 추출 증류된 유기용제 성분은 화학용액 코팅(CHEMICAL SOLUTION DEPOSITION : CSD)법으로 압전 박막의 제조 공정시 EBR(EDGE BEAD REMOVING)용 용제 또는 기판 세정용 용제로 사용하거나, 화학합성 용액의 제조를 위한 용매로 재사용이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 압전 전구체 용액으로부터 유기용제 성분을 추출하여 제조한 압전 전구체 폴리머는 가역적 화학반응이 가능하여, 압전 전구체 폴리머를 화학용액 합성시에 사용한 유기용제 또는 분리 및 추출한 유기용제를 사용하여 간단하게 압전 전구체 용액과 동일한 용액을 다시 제조할 수 있으며, 유기용제의 첨가량을 조절하여 사용자가 원하는 압전 전구체 용액의 몰농도(MOL CONCENTRATION) 조절까지도 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 압전 전구체 폴리머는 위험물로 분류되는 액상의 압전 전구체 용액 대비 화학적으로 안정한 고체상으로서 취급, 포장 및 운송을 위한 시간과 비용을 획기적으로 절감하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명에 따르면, 졸겔 및 MOD 등 화학합성 용액의 화학적 구조의 변화 없이 압전 전구체 용액 내의 알코올 등의 유기용제 성분을 추출 및 분리함으로써 압전 전구체 용액이 가지는 점진적이고 지속적 화학반응과, 유기용제 자체의 유해성과 폭발성 등의 위험요소를 제거한 안정한 고체상의 압전 전구체 폴리머를 제조하는 것이 가능한 것이다.
이 결과, 본 발명에 따르면, 압전 MEMS 분야 핵심 재료인 유연 PZT계열 및 무연(lead-free) 압전 재료인 (K,Na)NbO 3 (KNN)계열, Bi(Na,K)TiO 3 (BNKT)계열, BaTiO 3 (BT)계열 등의 압전 원재료 소재를 졸겔(SOL-GEL)법 등 화학용액 합성법으로 제조한 압전 전구체 용액이 가진 경시변화 및 유기용제로 인한 유해성과 취급온도에 따른 불안정성 등의 문제점이 제거된 고체상의 압전 전구체 폴리머로 제조할 수 있는 것이다.
아울러, 본 발명의 압전 전구체 폴리머는 사용자가 필요한 시점에 복잡한 화학 반응공정 없이 단순히 유기용제를 다시 주입하는 것만으로 액상의 압전 전구체 용액으로 쉽게 재합성할 수 있으므로, 강유전 및 압전 성능의 저하 없이 균열 없는 수 마이크로미터 두께의 압전 박막을 효과적으로 형성하는 것이 가능해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 도 1의 분리 및 추출 과정시 사용되는 감압 증류장치를 설명하기 위한 모식도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머를 이용한 압전 박막 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 4는 도 3의 재합성 과정시 사용되는 재합성 처리 장치를 설명하기 위한 모식도.
도 5 및 도 6은 비교예 1에 따라 제조된 압전 박막을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 7 및 도 8은 실시예 1에 따라 제조된 압전 박막을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 9 및 도 10은 비교예 1 및 실시예 1에 따라 제조된 압전 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 11 및 도 12는 비교예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 압전 박막에 대한 전기적 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법 및 이를 이용한 압전 박막 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법은 합성 단계(S110), 필터링 단계(S120)와 분리 및 추출 단계(S130)를 포함한다.
합성
합성 단계(S110)에서는 화학용액 합성법으로 합성한 압전 전구체 용액을 준비한다.
여기서, 압전 전구체 용액은 메탄올(Methyl alcohol), 에탄올(Ethyl alcohol), 부탄올(Butyl alcohol), 프로판올(Propyl alcohol) 메톡시에탄올(2-methoxiethanol), 프로판다이올(2,4-Propandiol), 자일렌(Xylene) 등을 포함하는 유기용제와 아세틸아세톤(Acetylacetone), 에탄올아민(1,2,3-Ethanolamine) 등을 포함하는 유기 착화제와, 초산(Acetic acid), 질산(Nitric acid) 등을 포함하는 촉매 및 기타 첨가제를 졸겔(Sol-Gel)법 및 유기화학합성법(MOD) 등의 화학용액 합성법으로 제조한 페로브스카이트 압전 소재 제조용 용액일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
즉, 본 발명에서, 압전 전구체 용액은 유전, 압전, 전도성, 반도성 등의 하나의 물질특성에 한정되는 것은 아니다. 즉, 압전 전구체 용액은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 전도성 소재 제조용 용액, IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide) 등의 반도성 소재 제조용 용액 등을 포함할 뿐만 아니라, 화학용액 합성법으로 제조한 모든 고순도 세라믹 소재 제조용 용액을 포함할 수 있다.
필터링
필터링 단계(S120)에서는 압전 전구체 용액을 필터링하여 압전 전구체 용액 내의 불순물을 제거한다.
본 단계에서, 필터링은 제거하고자 하는 불순물의 입자크기에 따라 필터의 메쉬 사이즈를 상이하게 설정하여 불순물을 제거하게 된다. 일 예로, 필터는 0.1 ~ 0.3㎛의 메쉬 사이즈를 갖는 불소수지(Polytetrafluoroethylene : PTFE) 재질로 형성된 것이 이용될 수 있다.
분리 및 추출
분리 및 추출 단계(S130)에서는 필터링 처리된 압전 전구체 용액을 감압 증류법으로 감압 및 가열하여, 압전 전구체 용액 내의 유기용제를 분리 및 추출하여 고체상의 압전 전구체 폴리머를 수득한다.
도 2는 도 1의 분리 및 추출 과정시 사용되는 감압 증류장치를 설명하기 위한 모식도로, 이를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 감압 증류장치(100)는 반응 용기(110), 가열 본체(120), 히팅 패널(130), 온도계(140), 감압 증류관(150), 콘덴서(160) 및 추출 용기(170)를 포함한다.
여기서, 반응 용기(110) 내에는 필터링 처리된 압전 전구체 용액(10)이 채워지고, 가열 본체(120) 상에는 히팅 패널(130)이 장착된다. 이러한 가열 본체(120)는 전원 배선(125)으로부터 전원을 공급받아 가열 본체(120) 상에 장착된 히팅 패널(130)을 통하여 반응 용기(110) 내부의 압전 전구체 용액(10)을 가열하게 된다. 여기서, 히팅 패널(130)은 핫 플레이트(Hot-Plate) 또는 히팅 멘틀(Heating mantle)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
감압 증류관(150)은 반응 용기(110)와 결합되도록 상측에 장착되어, 사선 형태로 기울어지도록 장착된다. 아울러, 온도계(140)는 감압 증류관(150)에 장착되어, 반응 용기(110) 및 감압 증류관(150) 내부의 온도를 측정하게 된다.
이때, 감압 증류관(150)의 내부로는 압전 전구체 용액(10)이 히팅 패널(130)에 의해 가열되면서 압전 전구체 용액(10) 내의 유기용제가 휘발되어 유입되게 되고, 감압 증류관(150)을 감싸도록 배치된 콘덴서(160)에 의해 냉각되어 분리 및 추출된 유기용매(20)가 추출 용기(170)의 내부에 채워지게 된다. 여기서, 콘덴서(160)는 일측에 배치된 냉각수 공급구(162)를 통하여 외부로부터의 냉각수를 공급받고, 타측에 배치된 냉각수 배출구(164)를 통하여 냉각수를 배출한다. 또한, 감압 증류법으로 감압 및 가열하는 과정시, 진공 배출구(166)를 통하여 진공이 빠져나가면서 감압이 이루어지게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는 압전 전구체 용액(10) 내의 유기용제가 감압 증류법으로 감압 및 가열하는 과정시, 압전 전구체 용액(10) 내의 유기용제가 선택적으로 휘발되는 것에 의해, 추출 용기(170) 내에 분리 및 추출된 유기용제(20)가 보관된다.
즉, 본 단계에서는 금속이온 화합물 성분의 침전이나 석출이 없는 안정한 압전 전구체 폴리머의 제조를 위해, 압전 전구체 용액(10)을 감압 및 가열하여 증류할 수 있는 감압 증류장치(100)가 이용된다.
이때, 압전 전구체 용액(10)에 함유된 유기용제의 끓는점을 낮추어 휘발 및 증류시켜 유기용제를 분리 및 추출하여 보관하고, 반응 용기(110) 내에 잔류하는 고체상의 압전 전구체 폴리머 성분만을 따로 유리병에 담아 보관하거나, 불활성 가스(Ar gas)로 충진 후 밀폐하여 보관하게 된다.
이러한 감압 증류 공정시 온도는 상압에서의 유기용제의 끓는점보다 낮은 온도에서 진행하며, 감압시에는 증류공정 온도를 더 낮추어 진행할 수 있다.
본 단계에서, 감압 및 가열은 6mbar 이하의 압력에서 60 ~ 90℃ 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 60 ~ 90℃의 온도에서 6mbar 이하의 압력까지 낮추게 되면, 효과적으로 유기용제의 휘발 및 증류가 가능하여 액상 성분을 분리 및 추출하는 것이 가능해진다.
단, 감압 및 가열시, 급속적인 분리 및 추출을 위해 90℃ 초과, 특히 120℃를 초과할 시 고상의 고분자 폴리머의 상(Phase) 변화나 열분해가 일어날 수 있으며, 이 경우 다음 단계에서 가역적 반응을 통한 압전 전구체 용액으로의 재합성이 불가능할 수 있다.
아울러, 본 단계에서는 가열 본체(120) 및 히팅 패널(130)만을 사용하여 고체상의 압전 전구체 폴리머를 제조할 수도 있으나, 휘발된 유기용제를 증류할 수 없거나, 상압에서는 유기용제의 끓는점을 낮출 수 없어서 추출 및 분리 공정시간이 많이 소요될 수 있다. 따라서, 대기 중 수분과 압전 전구체 용액 간의 추가적인 가수분해, 축합 및 중합반응 등으로 인해 압전 전구체 용액의 침전 석출 또는 겔화가 진행될 수 있으므로 주의해야 한다.
따라서, 본 단계에서는 압전 전구체 용액(10)을 감압 증류장치(100)를 위한 전용 초자에 옮겨 담고, 제조된 고체상의 압전 전구체 폴리머를 유리병에 옮겨 담는 과정을 생략하여 안정성과 공정 효율을 높이기 위해, 플라스크 형태의 초자가 아닌 유리병을 직접적으로 감압 증류장치(100)에 부착하여 고체상의 안정한 압전 전구체 폴리머를 제조하는 방법도 적용이 가능하다.
이와 같이, 고체상의 압전 전구체 폴리머는 화학용액 합성법에서 사용한 유기용제와 동일한 유기용제, 또는 감압 및 가열에 의해 분리 추출된 유기용제(20)를 사용하여 혼합하는 가역적 반응을 통하여, 화학용액 합성법으로 합성한 압전 전구체 용액과 동일한 용액으로 제조될 수 있다.
즉, 본 단계에서, 필터링된 압전 전구체 용액(10)은 반응 용기(110) 내에 채워지고, 가열 본체(120) 및 히팅 패널(130)을 이용하여 감압 상태에서 압전 전구체 용액(10) 내의 유기용제의 끓는점 이하의 온도로 가열하여 액상의 유기용제 성분을 제거함으로써 고체상의 압전 전구체 폴리머를 제조하게 되는 것이다. 여기서, 유기용제를 휘발 및 증류시켜 압전 전구체 폴리머만을 추출할 시, 외부 공기에 노출되지 않도록 Ar, N 2 등의 불활성 가스를 주입시켜 화학합성 용액이 외부 대기(산소 및 수분)와 반응하거나 변질되지 않도록 해야 한다. 이를 위해, 보다 효과적으로는 콘덴서(160) 및 감압 펌프(Vacuum Pump)를 사용하여 유기용제의 끓는점을 낮추어 보다 효과적으로 유기용제가 휘발될 수 있도록 하고, 휘발된 유기용제를 다시 분리-냉각-응축시켜 유기용제를 화학용액 합성하거나, 또는 CSD 공정에서 세정용 용제(Cleaning Solvent)로 재활용할 수 있게 되는 것이다.
이와 같이, 본 발명에서는 알코올계 용매(2-methoxyethanol, Butanol, Isopropylalcohol)와 착화제 (Acetylacetone, Ethanolamine), 첨가제/촉진제(Acetic acid, Polyethylene glycol)를 포괄적으로 포함하는 유기용제를 사용하여 졸겔(Sol-Gel)법 또는 MOD(metal Organic Decomposition)법 등의 화학용액 합성법으로 제조한 유연(Pb계) 및 무연(Non-Pb계) 조성의 압전 전구체 용액으로부터, 유독하고 폭발성이 강한 알코올 및 기타 유기용제 성분을 분리 및 추출하여 시간에 따른 경시변화 없이 안정한 고체상의 압전 전구체 폴리머를 형성하게 되는 것이다.
이 결과, 압전 전구체 폴리머를 화학용액 합성시에 사용한 주 유기용제 또는 분리 및 추출한 유기용제(20)를 사용한 가역적 반응을 통해 간단하게 압전 전구체 용액과 동일한 용액으로 제조할 수 있으며, 유기용제의 첨가량을 조절하여 사용자가 원하는 압전 전구체 용액의 몰농도 조절까지도 가능하다. 무엇보다, 압전 전구체 폴리머는 위험물(DG; Dangerous Goods)로 분류 및 취급되는 액상의 압전 전구체 용액 대비 화학적으로 안정한 고체상으로 존재하므로, 취급, 포장 및 운송을 위한 시간과 비용을 획기적으로 절감하는 것이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법은 밀봉 및 포장 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다.
밀봉 및 포장 단계에서는 수득된 고체상의 압전 전구체 폴리머에 불활성 가스를 주입한 후, 밀봉 및 포장한다.
본 단계에서는 유기용제가 제거되어 건조된 고체상의 압전 전구체 폴리머를 추출한 후, Ar, N 2 등의 불활성 가스를 주입하여 대기와 접촉을 차단함으로써 불필요한 화학반응이 일어나지 않도록 밀봉하고 포장하는 것이다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되어 유기용제가 제거된 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머는 PZT, doped-PZT(PLZT, PMN-PT, PMN-PNN-PZT 등), lead-free KNN, doped-KNN(KNMN), BNKT, doped-BNKT(BNKZT) 등의 압전 조성을 갖거나, BaTiO 3 및 BST(BaSrTiO 3)계 유전 조성과 반도성 GIZO(GaInZnOx), 전도성 ITO(InSnO x)와 IZO(InZnO x)의 조성을 가질 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되어 유기용제가 제거된 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머는 주 유기용제 또는 분리 및 추출한 유기용제에 의해 가역적으로 반응하여 초기의 졸겔 용액의 물성과 동일한 용액으로 제조될 수 있으며, 부가적으로 압전 전구체 폴리머의 열분해 및 하소 공정을 통해 세라믹 나노 분말로도 쉽게 합성될 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머를 이용한 압전 박막 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머를 이용한 압전 박막 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머를 이용한 압전 박막 제조 방법은 합성 단계(S210), 필터링 단계(S220), 분리 및 추출 단계(S230), 재합성 단계(S240)와 코팅 및 열처리 단계(S250)를 포함한다.
본 발명의 압전 박막 제조 방법의 합성 단계(S210), 필터링 단계(S220)와 분리 및 추출 단계(S230)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법의 합성 단계(S110), 필터링 단계(S120)와 분리 및 추출 단계(S130)와 실질적으로 동일하므로, 중복 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.
재합성 단계
재합성 단계(S240)에서는 고체상의 압전 전구체 폴리머에 유기용제를 재 투입하여, 가역적 용해 반응으로 압전 전구체 용액을 재합성한다.
여기서, 유기용제는 화학용액 합성법에서 사용한 유기용제와 동일한 유기용제, 또는 감압 및 가열에 의해 분리 추출된 유기용제를 사용할 수 있다.
도 4는 도 3의 재합성 과정시 사용되는 재합성 처리 장치를 설명하기 위한 모식도로, 이를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 재합성 처리 장치(200)는 반응 용기(210), 가열 본체(220), 히팅 패널(230), 온도계(240), 유기용제 투입구(250) 및 콘덴서(260)를 포함한다.
여기서, 반응 용기(210) 내에는 고체상의 압전 전구체 폴리머(30)가 채워지고, 가열 본체(220) 상에는 히팅 패널(230)이 장착된다. 아울러, 반응 용기(210)의 상단에는 유기용제 투입구(250)가 배치된다. 이러한 가열 본체(220)는 전원 배선(225)으로부터 전원을 공급받아 가열 본체(220) 상에 장착된 히팅 패널(230)을 통하여 반응 용기(210) 내부의 압전 전구체 폴리머(30)와 유기용제 투입구(250)를 통하여 반응 용기(210)의 내부로 투입된 유기용제를 가열하게 되고, 이러한 가역적 용해 반응으로 압전 전구체 용액을 재합성하게 된다.
아울러, 온도계(240)는 반응 용기(210)의 상측에 장착되어, 반응 용기(210) 내부의 온도를 측정하게 된다. 여기서, 콘덴서(260)는 일측에 배치된 냉각수 공급구(262)를 통하여 외부로부터의 냉각수를 공급받고, 타측에 배치된 냉각수 배출구(264)를 통하여 냉각수를 배출한다.
이때, 가역적 반응 온도는 압전 전구체 용액의 합성시의 온도 또는 유기용제의 끓는점보다 10 ~ 20℃ 낮게 설정하여 반응효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 반응 용기(210)의 내부에 마그네틱바(Teflon-coated Magnetic Bar)를 주입한 후, 스터링(Stirring)하여 보다 빠른 고체상의 압전 전구체 폴리머(30)의 용해와 가역반응을 진행시킬 수 있게 된다.
이를 위해, 가역적 반응은 60 ~ 120℃에서 200 ~ 300rpm의 속도로 1 ~ 2시간 반응시킨 후, 상온에서 200 ~ 300rpm의 속도로 1 ~ 3시간 동안 교반하는 것이 바람직하다. 여기서, 상온은 -10 ~ 40℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 단계에서, 가역적 반응으로 유기용제의 첨가량을 조절하는 것에 의해, 사용자가 원하는 몰농도를 갖도록 압전 전구체 용액을 제조하게 된다.
코팅 및 열처리
코팅 및 열처리 단계(S250)에서는 재합성된 압전 전구체 용액을 화학용액 증착법으로 기재에 코팅하고 열처리하여 압전 박막을 형성한다.
이때, 기재는 하부전극이 증착된 Si 기판, 단결정 기판, 금속 기판 등에서 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이러한 코팅 및 열처리 단계(S250)는 코팅 박막 형성 과정, 1차 중간 열처리 과정, 2차 중간 열처리 과정과 결정화 열처리 과정으로 세분화될 수 있다.
코팅 박막 형성 과정에서는 재합성된 압전 전구체 용액을 기재 상에 화학용액 증착법으로 500 ~ 4,000rpm의 속도로 코팅하여 코팅 박막을 형성한다. 이때, 스핀 코팅속도가 500rpm 미만일 경우에는 균일한 두께를 가지는 박막을 얻지 못할 우려가 있다. 반대로, 스핀 코팅속도가 4,000rpm을 초과할 경우 층당 박막의 두께가 너무 얇거나 재합성된 압전 전구체 용액이 고르게 분포되지 못할 수 있다.
1차 중간 열처리 과정에서는 코팅 박막을 150 ~ 500℃에서 2 ~ 10분 동안 1차 중간 열처리한다.
2차 중간 열처리 과정에서는 1차 중간 열처리된 코팅 열처리 박막을 600 ~ 800℃에서 3 ~ 5분 동안 2차 중간 열처리하여 부분 결정화시킨다.
결정화 열처리 과정에서는 2차 중간 열처리된 코팅 열처리 박막을 600 ~ 800℃에서 3분 ~ 2시간 동안 결정화 열처리하여 복수의 기공을 갖는 다공성 압전 박막을 형성한다.
여기서, 코팅 박막 형성 과정, 1차 중간 열처리 과정 및 2차 중간 열처리 과정은 적어도 5회 이상 반복 실시하는 것이 바람직하다. 즉, 1회의 코팅시 마다 150 ~ 500℃에서 2 ~ 10분 동안 1차 중간 열처리를 실시하여 유기물의 열분해를 통해 저응력의 비결정질의 코팅 열처리 박막을 형성한 후, 600 ~ 800℃에서 3 ~ 5분 동안 2차 중간 열처리를 실시하여 부분 결정화를 시킴으로써 크랙 등의 결함이 없는 코팅 열처리 박막의 형상을 안정화시킨다.
이와 같이, 코팅 박막 형성, 1차 중간 열처리 및 2차 중간 열처리를 5회 이상 반복 실시한 후 목표 두께로 형성되면, 최종적으로 600 ~ 800℃에서 3분 ~ 2시간 동안 결정화 열처리를 실시하여 최종 결정상의 압전 박막을 형성한다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 화학용액 합성법으로부터 알코올 및 액상 착화제 등의 유기용제와 압전 금속이온 및 고분자가 결합된 고체상의 압전 전구체 폴리머를 분리 및 추출하여 가역적 화학용액 합성이 가능한 압전 전구체 폴리머의 제조는 유기용제의 끓는점 보다 낮은 온도에서 회전증발농축기를 사용하여 상압 또는 감압의 방식으로 효과적으로 분리 및 제조가 가능하다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따르면, 추출 증류된 유기용제 성분은 화학용액 코팅(CHEMICAL SOLUTION DEPOSITION : CSD)법으로 압전 박막의 제조 공정시 EBR(EDGE BEAD REMOVING)용 용제 또는 기판 세정용 용제로 사용하거나, 화학합성 용액의 제조를 위한 용매로 재사용이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 압전 전구체 용액으로부터 유기용제 성분을 추출하여 제조한 압전 전구체 폴리머는 가역적 화학반응이 가능하여, 압전 전구체 폴리머를 화학용액 합성시에 사용한 유기용제 또는 분리 및 추출한 유기용제를 사용하여 간단하게 압전 전구체 용액과 동일한 용액을 다시 제조할 수 있으며, 유기용제의 첨가량을 조절하여 사용자가 원하는 압전 전구체 용액의 몰농도(MOL CONCENTRATION) 조절까지도 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 압전 전구체 폴리머는 위험물로 분류되는 액상의 압전 전구체 용액 대비 화학적으로 안정한 고체상으로서 취급, 포장 및 운송을 위한 시간과 비용을 획기적으로 절감하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 졸겔 및 MOD 등 화학합성 용액의 화학적 구조의 변화 없이 압전 전구체 용액 내의 알코올 등의 유기용제 성분을 추출 및 분리함으로써 압전 전구체 용액이 가지는 점진적이고 지속적 화학반응과, 유기용제 자체의 유해성과 폭발성 등의 위험요소를 제거한 안정한 고체상의 압전 전구체 폴리머를 제조하는 것이 가능한 것이다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따르면, 압전 MEMS 분야 핵심 재료인 유연 PZT계열 및 무연(lead-free) 압전 재료인 (K,Na)NbO 3 (KNN)계열, Bi(Na,K)TiO 3 (BNKT)계열, BaTiO 3 (BT)계열 등의 압전 원재료 소재를 졸겔(SOL-GEL)법 등 화학용액 합성법으로 제조한 압전 전구체 용액이 가진 경시변화 및 유기용제로 인한 유해성과 취급온도에 따른 불안정성 등의 문제점이 제거된 고체상의 압전 전구체 폴리머로 제조할 수 있는 것이다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따르면, 압전 전구체 폴리머는 사용자가 필요한 시점에 복잡한 화학 반응공정 없이 단순히 유기용제를 다시 주입하는 것만으로 액상의 압전 전구체 용액으로 쉽게 재합성할 수 있으므로, 강유전 및 압전 성능의 저하 없이 균열 없는 수 마이크로미터 두께의 압전 박막을 효과적으로 형성하는 것이 가능해질 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 압전 박막 제조
실시예 1
Pb(Zr 0.52Ti 0.48)O 3의 조성을 갖도록 90℃에서 졸겔(Sol-Gel)법으로 합성하여 0.4M 농도를 갖는 압전 전구체 용액을 제조하였다.
다음으로, 압전 전구체 용액을 회전증발농축기의 반응 용기에 투입한 후, 감압 증류법으로 감압 및 가열하여 유기용제만을 분리 및 추출하여 보관하고, 반응 용기에 잔류하는 고체상의 압전 전구체 폴리머를 수득하였다.
다음으로, 고체상의 압전 전구체 폴리머에 압전 전구체 용액 합성시에 사용한 유기용제와 동일한 유기용제를 재 투입한 후, 100℃에서 250rpm의 속도로 교반하는 가역적 용해 반응으로 초기 농도와 동일한 0.4M 농도를 갖도록 압전 전구체 용액을 재합성하였다.
다음으로, 가역반응을 통해 재합성된 압전 전구체 용액을 기재 상에 3,000rpm의 속도로 25sec 동안 10회 스핀 코팅하고, 열처리하여 압전 박막을 제조하였다. 이때, 열처리는 150℃에서 1min, 450℃에서 6min 동안 대기분위기에서 1차 열처리하고, 부분 결정화를 위하여 650℃에서 3min 동안 2차 열처리한 후, 최종 결정화 열처리를 650℃에서 30min 동안 실시하였다.
실시예 2
고체상의 압전 전구체 폴리머에 감압 증류법으로 분리 및 추출된 유기용제를 재 투입하여 압전 전구체 용액을 재합성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 압전 박막을 제조하였다.
비교예 1
Pb(Zr 0.52Ti 0.48)O 3의 조성을 갖도록 90℃에서 졸겔(Sol-Gel)법으로 합성하여 0.4M 농도를 갖는 압전 전구체 용액을 제조하였다.
다음으로, 압전 전구체 용액을 기판 상에 3,000rpm의 속도로 25sec 동안 10회 스핀 코팅하고, 열처리하여 압전 박막을 제조하였다. 이때, 열처리는 150℃에서 1min, 450℃에서 6min 동안 대기분위기에서 1차 열처리하고, 부분 결정화를 위하여 650℃에서 3min 동안 2차 열처리한 후, 최종 결정화 열처리를 650℃에서 30min 동안 실시하였다.
2. 미세조직 관찰
도 5 및 도 6은 비교예 1에 따라 제조된 압전 박막을 촬영하여 나타낸 SEM 사진이고, 도 7 및 도 8은 실시예 1에 따라 제조된 압전 박막을 촬영하여 나타낸 SEM 사진이다. 이때, 도 5 및 도 7은 비교예 1 및 실시예 1의 압전 박막의 표면을 촬영하여 나타낸 것이고, 도 6 및 도 8은 비교예 1 및 실시예 1의 압전 박막의 절단면을 단면부를 나타낸 것이다.
도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 1차 압전 전구체 용액을 이용하여 제조된 압전 박막인 비교예 1과 고체상의 압전 전구체 폴리머로부터 재합성한 2차 압전 전구체 용액을 이용하여 제조된 압전 박막인 실시예 1에 대한 SEM 사진을 비교 분석한 결과를 나타내고 있다.
SEM 사진 분석 결과에서 알 수 있듯이, 실시예 1 및 비교예 1 모두 동일하게 균열 없이 치밀한 압전 박막의 표면 미세구조와 균일하게 성장된 원주형(Columnar) 구조의 단면을 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 10은 비교예 1 및 실시예 1에 따라 제조된 압전 박막에 대한 XRD 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 1차 압전 전구체 용액을 이용하여 제조된 압전 박막인 비교예 1과 고체상의 압전 전구체 폴리머로부터 재합성한 2차 압전 전구체 용액을 이용하여 제조된 압전 박막인 실시예 1에 대한 XRD(X-ray diffraction) 측정 결과를 나타내고 있다.
XRD 측정 결과에서 알 수 있듯이, 실시예 1 및 비교예 1 모두 2차상(Secondary Phase) 등의 불순물 상이 포함되어 있지 않은 순수한 압전 페로브스카이트 상을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 11 및 도 12는 비교예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 압전 박막에 대한 전기적 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 이때, 압전 소자의 특성 평가를 실시하기 위해, 비교예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 압전 박막에 백금 (Pt)을 스퍼터링법으로 증착하여 상부전극을 형성하고, 전기적 특성 중 페로브스카이트 압전체의 대표적인 특성인 강유전(P-V hysteresis loop) 특성을 측정하였다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 비교예 1 및 실시예 2에 따라 압전 박막의 강유전 특성은 70V 이상의 전압에서도 우수한 포화 분극특성(Saturation Polarization)을 각각 나타내었다. 즉, 비교예 1 및 실시예 2에 따라 압전 박막의 강유전 특성은 포화분극(Ps; Saturation Polarization) 50㎛C/㎠ 이상이고, 잔류분극(Pr; Remanent Polarization) 20 ~ 50㎛C/㎠이며, 누설전류 특성 없이 우수한 전기적 특성을 각각 나타내고 있는 것을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
[부호의 설명]
S110 : 합성 단계
S120 : 필터링 단계
S130 : 분리 및 추출 단계
S210 : 합성 단계
S220 : 필터링 단계
S230 : 분리 및 추출 단계
S240 : 재합성 단계
S250 : 코팅 및 열처리 단계

Claims (9)

  1. (a) 화학용액 합성법으로 합성한 압전 전구체 용액을 준비하는 단계;
    (b) 상기 압전 전구체 용액을 필터링하여 압전 전구체 용액 내의 불순물을 제거하는 단계; 및
    (c) 상기 필터링 처리된 압전 전구체 용액을 감압 증류법으로 감압 및 가열하여, 상기 압전 전구체 용액 내의 유기용제를 분리 및 추출하여 고체상의 압전 전구체 폴리머를 수득하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 압전 전구체 용액 내의 유기용제가 감압 증류법으로 감압 및 가열하는 과정시, 상기 압전 전구체 용액 내의 유기용제가 선택적으로 휘발되는 것에 의해, 추출 용기 내에 분리 및 추출된 유기용제가 보관되는 것을 특징으로 하는 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 감압 및 가열은
    6mbar 이하의 압력에서 60 ~ 90℃ 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고체상의 압전 전구체 폴리머는
    상기 화학용액 합성법에서 사용한 유기용제와 동일한 유기용제, 또는 상기 감압 및 가열에 의해 분리 추출된 유기용제를 사용하여 혼합하는 가역적 반응을 통하여, 상기 화학용액 합성법으로 합성한 압전 전구체 용액과 동일한 용액으로 제조되는 것을 특징으로 하는 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후,
    (d) 상기 수득된 고체상의 압전 전구체 폴리머에 불활성 가스를 주입한 후, 밀봉 및 포장하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법.
  6. (a) 화학용액 합성법으로 합성한 압전 전구체 용액을 준비하는 단계;
    (b) 상기 압전 전구체 용액을 필터링하여 압전 전구체 용액 내의 불순물을 제거하는 단계;
    (c) 상기 필터링 처리된 압전 전구체 용액을 감압 증류법으로 감압 및 가열하여, 상기 압전 전구체 용액 내의 유기용제를 분리 및 추출하여 고체상의 압전 전구체 폴리머를 수득하는 단계;
    (d) 상기 고체상의 압전 전구체 폴리머에 유기용제를 재 투입하여, 가역적 용해 반응으로 압전 전구체 용액을 재합성하는 단계; 및
    (e) 상기 재합성된 압전 전구체 용액을 화학용액 증착법으로 기재에 코팅하고 열처리하여 압전 박막을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머를 이용한 압전 박막 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 유기용제는
    상기 화학용액 합성법에서 사용한 유기용제와 동일한 유기용제, 또는 상기 감압 및 가열에 의해 분리 추출된 유기용제를 사용하는 것을 특징으로 하는 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머를 이용한 압전 박막 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 가역적 반응은
    60 ~ 120℃에서 200 ~ 300rpm의 속도로 1 ~ 2시간 반응시킨 후, 상온에서 200 ~ 300rpm의 속도로 1 ~ 3시간 동안 교반하는 것을 특징으로 하는 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머를 이용한 압전 박막 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    (e-1) 상기 재합성된 압전 전구체 용액을 기재 상에 화학용액 증착법으로 500 ~ 4,000rpm의 속도로 코팅하여 코팅 박막을 형성하는 단계;
    (e-2) 상기 코팅 박막을 150 ~ 500℃에서 2 ~ 10분 동안 1차 중간 열처리하는 단계;
    (e-3) 상기 1차 중간 열처리된 코팅 열처리 박막을 600 ~ 800℃에서 3 ~ 5분 동안 2차 중간 열처리하여 부분 결정화시키는 단계; 및
    (e-4) 상기 2차 중간 열처리된 코팅 열처리 박막을 600 ~ 800℃에서 3분 ~ 2시간 동안 결정화 열처리하여 압전 박막을 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머를 이용한 압전 박막 제조 방법.
PCT/KR2021/004214 2021-04-05 2021-04-05 가역반응이 가능한 고체상의 압전 전구체 폴리머 제조 방법 및 이를 이용한 압전 박막 제조 방법 WO2022215761A1 (ko)

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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000328223A (ja) * 1999-05-25 2000-11-28 Agency Of Ind Science & Technol 積層構造体及びその原料粉、及び、圧電アクチュエータ
KR20110036889A (ko) * 2008-06-27 2011-04-12 파나소닉 주식회사 압전체 소자와 그 제조 방법
KR101352246B1 (ko) * 2007-07-31 2014-01-17 삼성전자주식회사 산화아연 박막의 제조방법
JP2015193524A (ja) * 2014-03-27 2015-11-05 三菱マテリアル株式会社 Ｐｚｔ系強誘電体薄膜及びその形成方法
KR20170117408A (ko) * 2015-02-16 2017-10-23 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Ptzt 압전체막 및 그 압전체막 형성용 액 조성물의 제조 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000328223A (ja) * 1999-05-25 2000-11-28 Agency Of Ind Science & Technol 積層構造体及びその原料粉、及び、圧電アクチュエータ
KR101352246B1 (ko) * 2007-07-31 2014-01-17 삼성전자주식회사 산화아연 박막의 제조방법
KR20110036889A (ko) * 2008-06-27 2011-04-12 파나소닉 주식회사 압전체 소자와 그 제조 방법
JP2015193524A (ja) * 2014-03-27 2015-11-05 三菱マテリアル株式会社 Ｐｚｔ系強誘電体薄膜及びその形成方法
KR20170117408A (ko) * 2015-02-16 2017-10-23 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 Ptzt 압전체막 및 그 압전체막 형성용 액 조성물의 제조 방법

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