에어로졸 증착법에 의한 압전 PZT 후막의 제조와 특성평가

Abstract

우수한 유전 및 압전 특성을 가지는 Pb(Zr,Ti)O3(PZT)는 bulk와 film의 형태로 센서와 액츄에이 터등 다양한 분야에 적용되고 있다. 기존의 후막 제조 기술로 만들 수 있는 PZT 후막에는 한계가 있으므로 개발되어진 공정이 Aerosol deposition method (AD법)이다. AD법은 상온에서 원료의 고 체 입자를 사용하여 기판에 고속으로 충돌 시킴으로서 막을 제조하는 방법이다. 이 기술은 1㎛이 하의 박막 뿐아니라 수백㎛의 후막을 상온에서 단시간에 제조할 수 있다는 장점이 있다. AD법으 로 PZT 후막을 제조하기 위해서 PbO, ZrO2, TiO2의 혼합분말을 하소시켜 PZT 원료 분말을 만들었고 10㎛의 치밀한 막을 만들었다. 하지만, 20㎛가 넘는 두께의 PZT 후막의 경우, 전기적 특성 평가를 위 한 후열처리 때 막 내의 잔류 압축 응력으로 기판과 막사이의 이격 현상이 발생 하였다. 크랙이 없는 PZT 후막을 제조하기 위하여, sol-gel 기반의 5~12wt%의 유기물이 포함된 분말을 사용하여 AD로 실리 콘 기판에20~100㎛가량의 PZT 후막을 증착 하였다. 증착된 막은 RTA를 사용하여 700℃에서 5분동안 후열처리 하였으며, 100㎛의 두꺼운 막에서 조차도 균열이 발생하지 않았다. 후열처리 중에 유기물이 증발하면서 nano-size의 기공을 만들어 잔류 응력을 완화시킨 것으로 판단된다. 또한 잔여 유기물의 영향으로 5x12mm넓이의 막을 3.3㎛/s의 높은 증착속도로 제작할 수 있었다. 유기물의 양에 따라 증착 속도와 전기적 특성이 달라지는 것을 확인 할수ㅊ 있었다.

Lead zirconate titanate (PZT) has attracted considerable attention for various application such as sencer, actuators and transducers due to its excellent ferroelectric and piezoelectric properties in both bulk and film forms. Aerosol deposition process is a novel deposition technique for the fabrication of ceramic films having high density. In can produce crack-free, dense thin and thick films ranging in thickness between sub-micrometer and several hundreds of micrometer in a short time. It used solid particles as raw materials and formation was achieved by collision of particles onto a substrate at room temperature. The starting PZT powders with prepared by solid state reaction method. PZT thick film with 10㎛ thickness and high density were fabricated by aerosol deposition process. However, PZT thick film with thickness above 20 ㎛ is likely to be detached from the substrate by high intrinsic stress and extrinsic thermal stress during post-annealing of the film. Crack-free, PZT films with a thickness range of 20~100㎛ were deposited on silicon substrate by aerosol deposition process using a powder containing 5~12 wt% of organic species prepared by sol-gel route. The as-deposited films were annealed at 700oC for 5 min by rapid thermal annealing (RTA) to improve the electrical properties. No delaminations or cracks were observed in the annealed film, even for a 100 ㎛-thick film. The organic species was evaporated during the post-annealing process and generated nano-sized pores which seemed to alleviate the residual compressive stress. Furthermore, a high deposition rate of about 3.3 ㎛/s was achieved on the film area of 5 X 12 mm2due to the incorporation of organic residue.