(57)【要約】【課題】本発明は圧電素子、インクジェットプリントヘッド及びその製造方法に関する。【解決手段】本発明の一実施例による圧電素子は、圧電素子用圧電体組成物１００重量部に対し、９０重量部以上１００重量部未満のＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３を含む圧電セラミックパウダーと、０重量部超過１０重量部以下のガラスフリットとを含み、ガラスフリット１００重量部に１０から２０重量部のＺｎＯを含むことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子用圧電体組成物１００重量部に対し、９０重量部以上１００重量部未満のＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３を含む圧電セラミックパウダーと、０重量部超過１０重量部以下のガラスフリットとを含む圧電体組成物を含んで構成され、
上記ガラスフリット１００重量部に１０から２０重量部のＺｎＯを含む圧電素子。
【請求項２】
上記圧電セラミックパウダーはｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）−ｙ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）−ｚＺｒ−ｗＴｉ−Ｏ３の組成で、上記ｘ、ｙ、ｚ及びｗはｍｏｌ％であって、０．１５≦ｘ≦０．４０、０．０５≦ｙ≦０．２０、０．２０≦ｚ≦０．３５及び０．３０≦ｗ≦０．４５を満たす請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
上記ガラスフリット１００重量部に対し、６５から８５重量部のＢｉ２Ｏ３と５から１５重量部のＢ２Ｏ３を含む請求項１または２に記載の圧電素子。
【請求項４】
圧電体ペースト１００重量部に対し、８０から８５重量部の圧電体組成物と、１０から１４重量部の溶剤と、１から１０重量部の添加剤とを含む圧電体製造用圧電体ペーストが印刷されて形成された請求項１から３の何れか１項に記載の圧電素子。
【請求項５】
上記圧電体ペーストの焼結温度は９００から１０００℃である請求項４に記載の圧電素子。
【請求項６】
内部に圧力チャンバを含む基板と、
上記基板の上記圧力チャンバ上に形成された第１電極と、
請求項１から５の何れか１項に記載の圧電素子用圧電体組成物を含む圧電体と、
上記圧電体に形成される第２電極と
を含む圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
【請求項７】
第１電極を形成する段階と、
前記第１電極に、圧電体組成物１００重量部に対し、９０重量部以上１００重量部未満のＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３を含む圧電セラミックパウダー及び０重量部超過１０重量部以下のガラスフリットを含み、前記ガラスフリット１００重量部に１０から２０重量部のＺｎＯを含む圧電体組成物を含む圧電体ペーストを印刷して圧電体を形成する段階と、
前記圧電体上に第２電極を形成する段階と、
前記第１電極、前記圧電体及び前記第２電極を焼結する段階と
を含む圧電素子の製造方法。
【請求項８】
前記圧電体ペースト１００重量部に対し、８０から８５重量部の圧電体組成物と、１０から１４重量部の溶剤と、１から１０重量部の添加剤とを含む請求項７に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項９】
前記圧電体ペーストの焼結温度は９００から１０００℃である請求項７または８に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項１０】
前記圧電セラミックパウダーはｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）−ｙ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）−ｚＺｒ−ｗＴｉ−Ｏ３の組成で、前記ｘ、ｙ、ｚ及びｗはｍｏｌ％であって、０．１５≦ｘ≦０．４０、０．０５≦ｙ≦０．２０、０．２０≦ｚ≦０．３５及び０．３０≦ｗ≦０．４５を満たす請求項７から９の何れか１項に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項１１】
前記ガラスフリット１００重量部に対し、６５から８５重量部のＢｉ２Ｏ３と５から１５重量部のＢ２Ｏ３を含む請求項７から１０の何れか１項に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項１２】
単結晶シリコーンからなり、内部にインク流路が形成された基板を設ける段階と、
前記基板に請求項７から１１の何れか１項に記載の圧電素子の製造方法により圧電素子を形成する段階と
を含むインクジェットプリントヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子、インクジェットプリントヘッド及びその製造方法に関し、より具体的には、環境に無害ながらも圧電特性が向上した圧電素子、インクジェットプリントヘッド及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にインクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微小液滴（ｄｒｏｐｌｅｔ）を記録用紙上の所望位置に吐出させ、所定色相の画像で印刷する装置である。該インクジェットプリンターのインク吐出方式には、熱源を利用してインクにバブル（ｂｕｂｂｌｅ）を発生させ、この力でインクを吐出させる電気熱変換方式（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｔｈｅｒｍａｌ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ、バブルジェット（登録商標）方式）と、圧電体を利用して圧電体の変形により生じるインクの体積変化によってインクを吐出させる電気機械変換方式（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ、圧電方式）とがある。
【０００３】
上記圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、主にセラミック材料、金属材料または合成樹脂材料などで構成された複数の薄板を切削加工してインク流路を形成し、複数の薄板を積層して製造する。上記インク流路に圧力を加えるようにインクジェットプリントヘッドに圧電素子が搭載される。上記圧電素子に電圧を印加してインク流路に圧力を加えることで、インクを吐出させることができる。
【０００４】
上記圧電素子は異なる極に帯電される二つの電極の間に圧電体が配置された構造であり、上記圧電体は圧電体組成物を含む圧電体ペーストが印刷されて形成されることができる。そして、圧電体ペーストを焼結して圧電素子を製造することができる。
【０００５】
一般的な圧電体組成物の場合、１０００℃以上の焼成温度が求められる。焼成温度が高いと、電極を形成する物質が揮発したり、基板を形成する物質が変性して物性が低下するという問題点が発生し得る。また、焼成温度を低くするために、一般的にＣｄを用いるが、Ｃｄを用いると、環境規制の対象となる。従って、Ｃｄに代わり、且つ、優れた圧電特性が具現できる多様な物質に対する研究が行われている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の一実施様態は、Ｃｄを用いなくとも低温焼結が可能な圧電体を提供することである。これによって、高温焼結により発生する数多くの問題点を解決する。
【０００７】
本発明の他の実施様態は、優れた圧電特性を有する圧電素子を提供することである。印加される電圧により繰り返し性が保障され、微細変位を容易に具現できる圧電素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施例による圧電素子は圧電素子用圧電体組成物１００重量部に対し、９０重量部以上１００重量部未満のＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３を含む圧電セラミックパウダーと、０重量部超過１０重量部以下のガラスフリットとを含み、ガラスフリット１００重量部に１０から２０重量部のＺｎＯを含むことができる。
【０００９】
上記圧電セラミックパウダーはｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）−ｙ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）−ｚＺｒ−ｗＴｉ−Ｏ３の組成であり、ｘ、ｙ、ｚ及びｗはｍｏｌ％で、０．１５≦ｘ≦０．４０、０．０５≦ｙ≦０．２０、０．２０≦ｚ≦０．３５及び０．３０≦ｗ≦０．４５を満たすことができる。
【００１０】
上記ガラスフリット１００重量部に対し、６５から８５重量部のＢｉ２Ｏ３と５から１５重量部のＢ２Ｏ３を含むことができる。
【００１１】
上記圧電体ペースト１００重量部に対し、８０から８５重量部の圧電体組成物と、１０から１４重量部の溶剤と、１から１０重量部の添加剤とを含むことができる。
【００１２】
上記圧電体ペーストの焼結温度は９００から１０００℃であってよい。
【００１３】
本発明の他の実施例によるインクジェットプリントヘッドは、内部に圧力チャンバを含む基板と、上記基板の上記圧力チャンバ上に形成された第１電極と、本発明の一実施例による圧電素子用圧電体組成物を含む圧電体と、上記圧電体に形成される第２電極とを含むことができる。
【００１４】
本発明のさらに他の実施例による圧電素子の製造方法は、第１電極を形成する段階と、圧電体組成物１００重量部に対し、９０重量部以上１００重量部未満のＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３を含む圧電セラミックパウダーと、０重量部超過１０重量部以下のガラスフリットを含み、上記ガラスフリット１００重量部に１０から２０重量部（ｗｔ％）のＺｎＯを含む圧電体組成物を含む圧電体ペーストを第１電極に印刷して圧電体を形成する段階と、圧電体上に第２電極を形成する段階と、基板、上記第１電極、上記圧電体及び上記第２電極を焼結する段階とを含むことができる。
【００１５】
上記圧電体ペースト１００重量部に対し、８０から８５重量部の圧電体組成物と、１０から１４重量部の溶剤と、１から１０重量部の添加剤とを含むことができる。
【００１６】
上記圧電体ペーストの焼結温度は９００から１０００℃であってよい。
【００１７】
上記圧電セラミックパウダーはｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）−ｙ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）−ｚＺｒ−ｗＴｉ−Ｏ３の組成であり、上記ｘ、ｙ、ｚ及びｗはｍｏｌ％で、０．１５≦ｘ≦０．４０、０．０５≦ｙ≦０．２０、０．２０≦ｚ≦０．３５及び０．３０≦ｗ≦０．４５を満たすことができる。
【００１８】
上記ガラスフリット１００重量部に対し、６５から８５重量部のＢｉ２Ｏ３と５から１５重量部のＢ２Ｏ３を含むことができる。
【００１９】
本発明の他の実施例によるインクジェットプリントヘッドの製造方法は、単結晶シリコーンからなり、内部にインク流路が形成された基板を設ける段階と、上記基板に本発明の一実施例による圧電素子を形成する段階とを含むことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の一実施例によると、Ｃｄを用いなくとも低温焼結が可能な圧電体を提供することができる。これにより、環境規制の対象となるＣｄを用いなくとも高温焼結により発生する数多くの問題点を解決することができる。即ち、環境に有害な物質を使用しないため、環境に有害な物質を発生させず、安全性が保障される圧電素子を提供することができる。
【００２１】
本発明の他の実施例によると、優れた圧電特性を有する圧電素子を提供することができる。優れた誘電率を有する圧電素子を製造することができ、印加される電圧により微細変位運動の繰り返し性が保障されることができる。これにより、微細変位運動を具現すべき多様な電子部品に適用できる圧電素子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッドの概略断面図である。
【図２ａ】本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッドの製造工程図である。
【図２ｂ】本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッドの製造工程図である。
【図２ｃ】本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッドの製造工程図である。
【図２ｄ】本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッドの製造工程図である。
【図３】本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッドの焼成工程における温度変化を示すグラフである。
【図４ａ】本発明の一実施例と比較例による圧電素子の断面を示す電子走査顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図４ｂ】本発明の一実施例と比較例による圧電素子の断面を示す電子走査顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図４ｃ】本発明の一実施例と比較例による圧電素子の断面を示す電子走査顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図５】本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッドの位置による平均変位を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下では、本発明の好ましい実施例を添付の図面に基づいて詳しく説明する。
【００２４】
本発明を説明するにおいて、本発明の構成要素を指し示す用語は各々の構成要素の機能を考慮して名づけられたものであるため、本発明の技術的構成要素を限定する意味と理解してはならない。
【００２５】
図１は、本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッド１の概略断面図である。
【００２６】
以下、本発明をさらに具体的に説明する。
【００２７】
本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッド１は、インク流路が形成された上部基板１００、中間基板２００及び下部基板３００を含み、上記上部基板１００に形成された第１電極１２０、圧電体１３０及び第２電極１４０を含む。そして、上記第２電極１４０に印刷回路基板１５０を連結して圧電体１３０に印加される電圧を調節することで、微小液滴（ｄｒｏｐｌｅｔ）を具現するインクジェットプリントヘッド１を提供することができる。
【００２８】
本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッド１は、複数の薄いプレートが積層及び接合されて形成されることができる。
【００２９】
上記インクジェットプリントヘッド１は上部基板１００、中間基板２００及び下部基板３００が順に積層及び接合されて形成されることができる。
【００３０】
上記上部基板１００には圧電素子の変化によってインク流路に圧力を加える圧力チャンバ１１１を含み、上部基板１００の薄い部分は振動部１０３であって、圧電素子の変化を圧力チャンバ１１１に伝達する役割をする。
【００３１】
上記中間基板２００は上記圧力チャンバ１１１に連結されるリザーバー２０１を含むことができる。上記リザーバー２０１はインクコンテナ（不図示）から流入されたインクを貯蔵し、吐出されるインクが充填される所である。
【００３２】
上記下部基板３００にはインク誘導部３０３及びインク吐出部３０１からなるノズル部が形成される。上記インク誘導部３０３は上記リザーバー２０１に連結され、圧力チャンバに圧力が加わると、吐出されるインクをノズル部に誘導する役割をする。また、上記インク吐出部３０１は外部へインクを吐出させる役割をする。
【００３３】
上記上部基板１００、上記中間基板２００及び上記下部基板３００は積層されてインクを吐出させるためのインク流路を形成することができる。上記上部基板１００には圧電素子が搭載され、圧電素子は印加された電圧によってその形状が変形され、インク流路に圧力を加えることで、インクを吐出させることができる。
【００３４】
本発明の一実施例による圧電素子は第１電極１２０、圧電体１３０及び第２電極１４０からなることができる。
【００３５】
圧電素子とは、印加された電圧により圧電物質の収縮及び膨脹を具現することができる素子のことである。圧電素子は印加された電圧の大きさを調節して微細な動きを繰り返して具現することができる。本発明の一実施例によると、圧電素子がインクジェットプリントヘッド１に装着され、インク流路に圧力を加えるのに用いられることを開示したが、必ずしもこれに制限されず、繰り返される微細変位運動を具現すべき多様な製品に適用されることができる。
【００３６】
本発明の一実施例によると、上記圧電素子の圧電体としてジルコンチタン酸鉛磁器（ＰＺＴ；ｌｅａｄ  Ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ  Ｔｉｔａｎｉｔｅ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ）を使用することができる。ＰＺＴはＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３の組成で、複合ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）構造を有する物質であって、強誘電体または反強誘電体特性を有する物質である。ＰＺＴは電気的エネルギーを機械的エネルギーに転換する効率に優れた材料であり、繰り返される微細運動を具現するのに適用することができる。
【００３７】
本発明の一実施例によると、圧電素子は圧電体組成物１００重量部に対し、９０重量部以上１００重量部未満のＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３を含む圧電セラミックパウダー及び０重量部超過１０重量部以下のガラスフリットを含むことができる。ガラスフリットの含量が１０重量部を超えると、圧電体固有の圧電特性が低下することがある。そして、上記ガラスフリットはガラスフリット１００重量部に対し、１０から２０重量部（ｗｔ％）のＺｎＯを含むことができる。
【００３８】
本発明の一実施例による圧電体を形成する圧電体組成物は、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３を含む圧電セラミックパウダー、即ち、ジルコンチタン酸鉛磁器（ＰＺＴ；ｌｅａｄ  Ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ  Ｔｉｔａｎｉｔｅ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ）を含むことができる。ＰＺＴパウダーは、優れた圧電特性を具現することができる。
【００３９】
本発明の一実施例によると、上記圧電セラミックパウダーはｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）−ｙ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）−ｚＺｒ−ｗＴｉ−Ｏ３の組成で、上記ｘ、ｙ、ｚ及びｗはｍｏｌ％であって、０．１５≦ｘ≦０．４０、０．０５≦ｙ≦０．２０、０．２０≦ｚ≦０．３５及び０．３０≦ｗ≦０．４５を満たすことができる。
【００４０】
上記のような組成を有する圧電セラミックパウダーを用いると、優れた圧電特性を有する圧電素子を具現することができ、繰り返される微細運動を容易に具現することができる。
【００４１】
本発明の一実施例によると、ガラスは圧電セラミックパウダー間の結合を補助するようにフリット（ｆｒｉｔ）の状態で提供され、圧電セラミックパウダーの焼結温度を低くすることができ、優れた緻密性を有する圧電体を提供することができる。
【００４２】
ガラスフリットは組成通りに、原材料を秤量してから蒸留水とジルコニアボールを入れ、１２時間均一に混合する。混合したスラリーは乾燥し、乾燥された粉末をアルミニウム坩堝に入れ、１０００℃以上の高温で溶融した後、蒸留水を入れて急冷させてガラス相を作って分解することで、ガラスフリット状態の粉末を提供することができる。本発明の圧電体組成物は上記のような圧電セラミックパウダーとガラスフリットを混合して製造することができる。
【００４３】
本発明の一実施例によると、上記ガラスフリットはガラスフリット１００重量部に対し、１０から２０重量部のＺｎＯを含むことができる。
【００４４】
上記ＺｎＯは圧電セラミックパウダーの優れた圧電特性を具現し、圧電セラミックパウダーの焼結温度を低くする役割をする。
【００４５】
ガラスフリット１００重量部に対し、１０から２０重量部のＺｎＯを含み、１０重量部未満では、焼結温度を９００℃以下に低くすることができず、２０重量部を超えると、圧電特性に影響を及ぼすことがある。従って、９００から１０００℃の焼結温度を維持し、優れた圧電特性を具現するために、ガラスフリット１００重量部に対し、１０から２０重量部のＺｎＯを含むことができる。
【００４６】
本発明の一実施例によると、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ系のガラスフリットを使用することができ、これに制限されるものではないが、本発明の圧電体組成物の焼結温度の範囲を満たすために、ガラスフリット１００重量部に対し、６５から８５重量部のＢｉ２Ｏ３と５から１５重量部のＢ２Ｏ３を含むことができる。Ｂｉ２Ｏ３の場合、Ｂ２Ｏ３、ＺｎＯより溶融温度が低くてガラスフリットに含まれる比率が高くなる。しかし、Ｂｉ２Ｏ３が多くなりすぎると、ガラスフリットの性質を失うため、上記のように、６５から８５重量部のＢｉ２Ｏ３と５から１５重量部のＢ２Ｏ３を含むことができる。
【００４７】
本発明の一実施例による圧電体組成物は、９００から１０００℃の焼結温度を有するように形成され、圧電体を介して第１電極及び第２電極を形成して一緒に焼結しても第１及び第２電極を構成する物質が揮発する現象を防止することができる。また、電極を構成する物質がシリコン基板のような隣接する物質と反応するという問題点を解決することができる。
【００４８】
また、上記圧電体組成物は、Ｃｄを含まなくても優れた圧電特性を保持し、低温焼結できる圧電体を製造することができる。これによって、環境に有害なＣｄを放出せずに優れた圧電特性が具現できる圧電素子を製造することができる。
【００４９】
本発明の一実施例によると、圧電体を製造するために、上記圧電体組成物、溶剤及び添加剤を含む圧電体ペーストが用いられる。
【００５０】
圧電体組成物は上述のように圧電セラミックパウダーとガラスフリットで構成された組成物で、溶剤は上記圧電セラミックパウダーとガラスフリットをペースト状に分散させるために用いられる。添加剤としては、バインダーまたは分散剤のように圧電体ペーストの粘性及び分散性を補助する役割をする多様な添加剤を用いてよい。
【００５１】
本発明の一実施例によると、上記溶剤としてテルピネオール（ｔｅｒｐｉｎｅｏｌ）またはブチルカルビトールアセテート（ｂｕｔｙｌ  ｃａｒｂｉｔｏｌ  ａｃｅｔａｔｅ）を用いることができ、これに制限されず、多様な溶剤を用いることができる。
【００５２】
添加剤として、分散剤、エチルセルロース（ｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）のようなバインダーを用いることができるが、必ずしもこれに制限されず、多様な分散剤とバインダーを適用してよい。
【００５３】
上記圧電体ペーストは圧電体ペースト１００重量部に対し、８０から８５重量部の圧電体組成物、１０から１４重量部の溶剤及び１から１０重量部の添加剤を含むことができる。
【００５４】
本発明の一実施例に従って圧電セラミックパウダーとガラスフリットが混合された圧電体組成物は、圧電素子の圧電特性を具現することができる。上記圧電体組成物として上述したＰＺＴパウダーとＺｎを含むガラスフリットを使用することができる。
【００５５】
圧電体ペースト１００重量部に対し、８０から８５重量部の圧電体組成物を含むことができる。８０重量部未満では、圧電体ペーストの粘度が低下してスクリーン印刷などの印刷工程の際、ある程度の厚さが確保しにくくなる。即ち、印刷工程の際、厚さが薄くなり、圧電体に電圧を印加すると、圧電体が破壊（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）し、安定的に駆動できなくなる。８５重量部を超えると、圧電体ペーストの粘性が増加してスクリーン印刷などの印刷工程に適用しにくくなることがある。
【００５６】
圧電体ペースト１００重量部に対し、１０から１４重量部の溶剤を含むことができる。溶剤が１０重量部未満では、圧電体組成物の分散性が低下し、１４重量部を超えると、焼結体に不純物が含まれたり、圧電体組成物の密度が低下して圧電特性が低下する虞がある。
【００５７】
図２ａから図２ｄは、本発明の一実施例によるインクジェットプリントヘッド用圧電素子の製造方法を示す工程図である。
【００５８】
図２ａから図２ｄはインクジェットプリントヘッド用圧電素子の製造方法を一実施例で説明したが、必ずしもこれに制限されず、多様な圧電素子の製造方法に適用されることができる。
【００５９】
本発明の一実施例による圧電素子の製造方法は、第１電極を形成する段階（図２ｂ）と、上記第１電極に総重量に対して９０重量部以上１００重量部未満のＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３を含む圧電セラミックパウダー及び０重量部超過１０重量部以下のガラスフリットを含み、上記ガラスフリット１００重量部に１０から２０重量部のＺｎＯを含む圧電体組成物を含む圧電体ペーストを印刷して圧電体を形成する段階（図２ｃ）と、上記圧電体上に第２電極を形成する段階（図２ｄ）と、上記基板、上記第１電極、上記圧電体及び上記第２電極を焼結する段階とを含むことができる。
【００６０】
また、本発明の一実施例による圧電素子の製造方法は、特に、インクジェットプリントヘッドを製造するのに用いることができる。この場合、単結晶シリコーンからなり、内部にインク流路が形成された基板を設ける段階（図２ａ）をさらに含むことができる。
【００６１】
図２ａを参照すると、インクジェットプリントヘッド用上部基板１１０を設けることができる。本発明の一実施例に従ってインクジェットプリントヘッドの圧力チャンバ上に圧電素子を形成することができるが、必ずしもこれに制限されず、微細変位運動を具現すべき多様な製品に適用されることができる。
【００６２】
より具体的には、内部に圧力チャンバが形成され、圧電素子と結合し振動板として作用できる上記上部基板１１０を設けることができる。上記上部基板はこれに制限されないが、単結晶シリコンからなる基板を用いることができる。
【００６３】
図２ｂを参照すると、上記上部基板１１０に第１電極１２０を形成することができる。上記第１電極１２０は上部基板１１０にＴｉ／Ｐｔをスパッタ（ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）方式で蒸着して形成することができるが、これに制限されない。
【００６４】
より具体的には、Ｔｉスパッタ層上にＰｔスパッタ層を形成して第１電極を製造することができる。
【００６５】
図２ｃを参照すると、上記第１電極１２０に圧電体ペースト１３１をスクリーン印刷（ｓｃｒｅｅｎ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ）方式で印刷して圧電体１３０を形成することができる。上記第１電極１２０をマスク４００で覆ってスクイザー４１０を用いて圧電体ペースト１３１を押す方式により圧電体１３０を形成することができる。この場合、マスク４００に形成された開口部Ｏの形状に従って圧電体１３０が形成されることができる。
【００６６】
上記圧電体ペースト１３１は圧電体ペースト１００重量部に対し、９０重量部以上１００重量部未満のＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３を含む圧電セラミックパウダー及び０重量部超過１０重量部以下のガラスフリットを含み、上記ガラスフリット１００重量部に１０から２０重量部のＺｎＯを含む圧電体組成物を含むことができる。
【００６７】
本発明の一実施例によると、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３を含む圧電セラミックパウダーを含むため、優れた圧電特性を有する圧電素子を具現することができ、圧電体ペースト１００重量部に対し、０重量部超過１０重量部以下のガラスフリットを含むため、低温焼結が可能な圧電体ペーストを提供することができる。
【００６８】
また、ガラスフリットはＺｎＯを含むため、環境に有害なＣｄのような物質を用いなくても優れた誘電特性及び圧電特性を具現し、低温焼結が可能な圧電体ペーストを提供することができる。
【００６９】
そして、ガラスフリット１００重量部に対し、１０から２０重量部のＺｎＯを含むことができる。１０重量部未満では、焼結温度が９００℃を超えることがあり、２０重量部を超えると、圧電素子の誘電特性及び圧電特性を悪くする原因となり得るため、１０から２０重量部のＺｎＯを含むことができる。
【００７０】
本発明の一実施例によると、上記圧電セラミックパウダーはｘＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）−ｙ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）−ｚＺｒ−ｗＴｉ−Ｏ３の組成で、上記ｘ、ｙ、ｚ及びｗはｍｏｌ％であって、０．１５≦ｘ≦０．４０、０．０５≦ｙ≦０．２０、０．２０≦ｚ≦０．３５及び０．３０≦ｗ≦０．４５を満たすことができる。
【００７１】
上記のような組成を有する圧電セラミックパウダーを用いるため、優れた圧電特性を有する圧電素子を提供することができ、繰り返し性を有する微細変位運動を容易に具現することができる。
【００７２】
本発明の一実施例によると、Ｂｉ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３−ＺｎＯ系のガラスフリットを使用することができ、これに制限されるものではないが、本発明の圧電体組成物の焼結温度の範囲を満たすために、ガラスフリット１００重量部に対し、６５から８５重量部のＢｉ２Ｏ３と５から１５重量部のＢ２Ｏ３を含むことができる。
【００７３】
本発明の一実施例によると、ＺｎＯがＢｉ２Ｏ３及びＢ２Ｏ３とともに混合されてガラスフリット（ｇｌａｓｓ  ｆｒｉｔ）の状態で提供されるため、圧電素子の圧電体の焼結温度を容易に低くすることができ、結晶性に優れた圧電体を製造することができる。
【００７４】
図２ｄを参照すると、上記圧電体１３０上に第２電極１４０を印刷することができる。上記第２電極１４０はこれに制限されず、スクリーン印刷（ｓｃｒｅｅｎ  ｐｒｉｎｔｉｎｇ）方式で形成されることができる。スクリーン印刷には、Ａｇ−Ｐｄ系の電極ペーストを用いることができ、圧電体と同時焼結することができる。
【００７５】
本発明の一実施例によると、インクジェットプリントヘッドに形成された圧電素子は、長さＬが５０００μｍで、幅Ｗが３５０μｍの大きさを有するように印刷されることができる。
【００７６】
上記第１電極１２０と第２電極１４０に電気が印加されると、その間に配置された圧電体１３０はその大きさと形状が変形されることがある。それにより、振動板１０３に該当する部分に圧力が加わってインクが吐出される。印加される電圧の大きさ及び種類を調節することで、圧力の大きさを調節することができる。
【００７７】
図３は、本発明の一実施例による圧電体の時間による加工温度を示すグラフである。
【００７８】
第１電極１２０、圧電体１３０及び第２電極１４０を含む圧電素子を形成した後、焼結工程に導入するために、圧電素子の温度を次第に高めることができる（区間ａ）。
【００７９】
上記圧電素子は１２０℃近くでソフトベーキング（ｓｏｆｔ  ｂａｋｉｎｇ）でき、ソフトベーキングを通じて圧電素子をあらかじめ仮硬化させ、加工をより容易にすることができる。
【００８０】
圧電素子は４００から４５０℃近くで１次焼結が行われる（区間ｂ）。１次焼結過程において、圧電素子に含まれたバインダーと添加剤のような物質が除去されることができる。圧電体はペースト状態に製造されるため、１次焼結を行わないと、圧電体内部に不純物が形成されることがある。しかし、１次焼結により不純物の含まれない圧電素子を製造することができる。
【００８１】
圧電素子の温度を次第に高くし、２次焼結工程に導入することができる（区間ｃ）。また、９００から１０００℃で２次焼結を行うことができる（区間ｄ）。２次焼結工程で圧電体は結晶化される。
【００８２】
本発明の一実施例によると、所定の組成を有する圧電体セラミックパウダーを用い、ＺｎＯを含むガラスフリットを使用するため、９００から１０００℃の低温で２次焼結を行うことができる。
【００８３】
低温で２次焼結が行われるため、第１電極１２０が多結晶シリコンで形成された上部基板１１０と反応する現象を防ぐことができ、第２電極１４０が揮発する現象も防ぐことができる。また、２次焼結後の圧電素子は冷却することができる（区間ｅ）。
【００８４】
本発明の一実施例によると、Ｃｄを用いなくてもＺｎＯをガラスフリット状態で圧電体セラミックと混合するため、９００から１０００℃の低温で焼結を行うことができる。
【００８５】
圧電体の圧電特性は圧電体の誘電率を通じて確認できる。第１電極と第２電極の間に圧電体が形成されてキャパシタンスを形成するため、圧電体の誘電率は次のような式で表されることができる。
【００８６】
Ｃ＝εＡ／ｔ
【００８７】
Ｃは圧電素子のキャパシタンスで、εは圧電体の誘電率を示す誘電定数で、Ａは電極の対向面積を示し、ｔは圧電体の厚さを示す。
【００８８】
圧電素子の電気的特性及び焼結性は、圧電素子のキャパシタンス値を利用して、下記のような式を通じて確認することができる。
【００８９】
εＡ＝Ｃｔ
【００９０】
電極の対向面積Ａが同じ値を有する場合、誘電定数εはキャパシタンスＣと圧電体の厚さｔを掛けた値に比例することが分かる。即ち、キャパシタンスＣと圧電体の厚さｔの掛けた値が大きくなるほど、誘電定数εの大きい圧電体を具現することができる。即ち、優れた誘電率を有し、焼結性に優れた圧電体を製造することができる。
【００９１】
［実施例１］
同じ圧電セラミックパウダーに、本発明の一実施例によるガラスフリットと、従来技術の一実施例によるガラスフリットを混合して圧電体組成物を製造した。
【００９２】
ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）構造を有し、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３の組成を有するＰＺＴパウダーである圧電セラミックパウダーとガラスフリットを１：９９ｗｔ％で混合して圧電体組成物を製造した。
【００９３】
本発明の一実施例である実施例１によるガラスフリットは、Ｂｉ２Ｏ３７５ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３１０ｗｔ％及びＺｎＯ１５ｗｔ％の組成を有するガラスフリットを使用し、比較例１のガラスフリットとしては、Ｂｉ２Ｏ３６０ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３１０ｗｔ％及びＣｄＯ３０ｗｔ％の組成を有するガラスフリットを使用した。また、比較例２のガラスフリットとしては、Ｂｉ２Ｏ３６５ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３１０ｗｔ％、ＳｉＯ２１２．５ｗｔ％及びＡｌ２Ｏ３１２．５ｗｔ％の組成を有するガラスフリットを使用した。
【００９４】
【表１】
2013048206.tif 000003
【００９５】
上述のように、圧電素子の焼結性に優れ、優れた圧電特性を有するほど、キャパシタンスと圧電体の厚さを掛けた値が大きくなる。上記表１は実施例１、比較例１及び比較例２の圧電体の厚さｔ、キャパシタンスＣ及びｔ×Ｃ値を示したものである。
【００９６】
実施例１はｔ×Ｃ値が最も大きく、比較例１は実施例１より１０％小さい値で、比較例２は実施例１より２７％小さい値であることが分かる。
【００９７】
即ち、本発明の一実施例によるＺｎＯを含むガラスフリットを使用すると、Ｃｄ（比較例１）又はＳｉ及びＡｌ（比較例２）を含むガラスフリットより優れた誘電特性及び焼結性を有する圧電体を製造することができることが分かる。
【００９８】
図４ａは本発明の実施例１による圧電体の断面を示す走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）であり、図４ａ及び図４ｂは本発明の比較例１、２による圧電体の断面を示す走査電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【００９９】
図４ｂ（比較例１）及び図４ｃ（比較例２）は、粒子間の隙間が大きくなり、焼結性が図４ａ（実施例１）より低下することが確認できる。
【０１００】
本発明の一実施例によると、Ｃｄを含まなくともＺｎＯを含むガラスフリットを用いて焼結温度を低くすることができ、また、焼結性に優れ、圧電特性に優れる圧電体を製造することができる。
【０１０１】
［実施例２］
本発明の実施例２として、ペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）構造を有し、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３の組成を有するＰＺＴパウダーである圧電セラミックパウダーとガラスフリットを１：９９ｗｔ％で混合して圧電体組成物を製造した。また、ガラスフリットは、Ｂｉ２Ｏ３７５ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３１０ｗｔ％及びＺｎＯ１５ｗｔ％の組成を有するものを使用した。
【０１０２】
また、圧電体組成物８２ｗｔ％、溶剤としてテルピネオール（ｔｅｒｐｉｎｅｏｌ）５ｗｔ％とブチルカルビトールアセテート（ｂｕｔｙｌ  ｃａｒｂｉｔｏｌ  ａｃｅｔａｔｅ）７ｗｔ％を使用し、分散剤としてＢＹＫ社の分散剤であるＢＹＫ−１１１を１ｗｔ％、バインダーとしてエチルセルロース（ｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）５ｗｔ％を使用して圧電体ペーストを製造した。
【０１０３】
上記圧電体ペーストは２５万ｃｐｓを有するようにミリング（ｍｉｌｌｉｎｇ）工程を経て所定の粘性を有するように製造され、スクリーン印刷方式により塗布された。
【０１０４】
インクジェットプリントヘッドに圧電素子が適用された状態であり、レーザードップラー速度計（ｌａｓｅｒ  ｄｏｐｐｌｅｒ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｍｅｔｅｒ；ＬＤＶ）を用いて、インクのない状態で振動板上で圧電素子に電圧を印加して変形量をスキャンしながら測定した。２ｋＨｚの７０Ｖの電圧を印加して平均変位を測定した。
【０１０５】
スキャンしたデータから圧電素子の変形量を平均すると、特定地点での圧電素子の平均変位が計算された。そして、圧電素子の位置によって一地点毎に平均変位を測定した。このような圧電素子の位置による平均変位は図５にグラフで示した。
【０１０６】
図５を参照すると、圧電素子の位置による平均変位は略全領域で一定の値を有することが分かる。即ち、本発明の一実施例によると、圧電素子により具現される微細変位運動は均一で、繰り返し性のある信頼性の高い運動を具現することができることが分かる。
【０１０７】
また、同じ圧電ペーストの組成からガラスフリットのみを変えて比較例３及び比較例４を製造した。比較例３のガラスフリットとしてはＢｉ２Ｏ３６０ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３１０ｗｔ％及びＣｄＯ３０ｗｔ％の組成を有するガラスフリットを使用し、比較例４のガラスフリットとしてはＢｉ２Ｏ３６５ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３１０ｗｔ％、ＳｉＯ２１２．５ｗｔ％及びＡｌ２Ｏ３１２．５ｗｔ％の組成を有するガラスフリットを使用した。
【０１０８】
実施例２、比較例３、比較例４の圧電体の厚さｔ、平均変位及びｔ×平均変位値は下記表２に示した。
【０１０９】
【表２】
2013048206.tif 000004
【０１１０】
本発明の実施例２は、平均変位が１７９ｎｍと最も大きく、比較例３は本発明の実施例２より４％小さい値で、比較例４は本発明の実施例２より４８％以上大きい値であることが分かる。
【０１１１】
即ち、本発明の場合、微細変位も他の比較例より大きく具現することができた。即ち、さらに精密な範囲の微細運動の調節が可能となることが分かった。
【０１１２】
本発明の一実施例による圧電素子をインクジェットプリントヘッドに具現される場合、吐出されるインクの量をより精密に調節することができる。
【符号の説明】
【０１１３】
１  インクジェットプリントヘッド
１００  上部基板
１０３  振動部
１１１  圧力チャンバ
１２０  第１電極
１３０  圧電体
１４０  第２電極
１５０  印刷回路基板
２００  中間基板
２０１  リザーバー
３００  下部基板
３０１  インク吐出部
３０３  インク誘導部
【図１】
2013048206.tif 000005
【図２ａ】
2013048206.tif 000006
【図２ｂ】
2013048206.tif 000007
【図２ｃ】
2013048206.tif 000008
【図２ｄ】
2013048206.tif 000009
【図３】
2013048206.tif 000010
【図５】
2013048206.tif 000011
【図４ａ】
2013048206.tif 000012
【図４ｂ】
2013048206.tif 000013
【図４ｃ】
2013048206.tif 000014