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국문 초록
ABSTRACT
목차
1. 서론 16
2. 이론적 배경 및 연구 동향 21
2.1. 고주파수 초음파 변환기 21
2.1.1. 고주파수 초음파 변환기 구조 및 동작 원리 21
2.1.2. 고주파수 초음파 변환기 연구 동향 23
2.2. PIN-PMN-PT 박막 분석 31
2.2.1. 압전 박막 특성 31
2.2.2. 완화형 강유전체 특성 37
2.2.3. PIN-PMN-PT 특성 42
2.2.4. PIN-PMN-PT/PMN-PT 초음파 변환기 연구 동향 48
3. PIN-PMN-PT 박막 증착 및 구조적 특성 분석 51
3.1. 서론 51
3.2. 재료 및 방법 53
3.2.1. RF 마그네트론 스퍼터링 증착 방법 53
3.2.2. PIN-PMN-PT 타겟 제작 및 기판 준비 63
3.2.3. PIN-PMN-PT 박막 증착 조건 분석 72
3.2.4. PIN-PMN-PT 박막 구조적 특성 분석 방법 80
3.3. 결과 및 고찰 83
3.3.1. 결정학적 분석결과 83
3.3.2. 구조적 분석 결과 87
3.4. 결론 91
4. 시뮬레이션에 의한 PIN-PMN-PT 박막 초음파 변환기 특성 분석 92
4.1. 서론 92
4.2. 재료 및 방법 94
4.2.1. PIN-PMN-PT 전기적 특성 측정 94
4.2.2. KLM 모델에 의한 펄스-에코 응답 시뮬레이션 96
4.3. 결과 및 고찰 105
4.3.1. 초음파 변환기 A 구조 분석결과 109
4.3.2. 초음파 변환기 B 구조 분석결과 114
4.4. 결론 120
5. 최종 요약 및 결론 122
참고 문헌 125
표 1. 압전물질 종류와 압전특성 27
표 2. PZT와 PMN-PT, PIN-PMN-PT의 특성 비교 28
표 3. 대표적인 압전물질들의 압전상수와 전기기계결합계수 비교 35
표 4. 완화형 강유전체 종류 41
표 5. PZT 세라믹스와 PMN-PT 단결정의 압전변형상수 비교 41
표 6. 결정 방향에 따른 PMN-PT 단결정의 압전변형상수 비교 41
표 7. 단결정 PIN-PMN-PT와 PMN-PT, PZT의 압전특성 비교 46
표 8. (011) 분극 방향일 때 다른 조성의 PIN-PMN-PT 압전특성 결과 47
표 9. RF 마그네트론 스퍼터 및 퍼니스 사양 62
표 10. XRD 측정 조건 68
표 11. 단결정-단일상 스퍼터링 타겟의 XRF 분석결과 68
표 12. RF 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용한 PMN-PT, PIN-PMN-PT... 76
표 13. 최종 RF 마그네트론 스퍼터링 공정 조건 확립 80
표 14. 최종 공정 조건을 적용하여 증착한 PIN-PMN-PT 박막 소자의... 85
표 15. 선행연구에 따른 압전 박막의 PE 이력 곡선 측정결과 90
표 16. KLM 모델에 필요한 입력변수 100
표 17. 제작한 PIN-PMN-PT 박막의 물성 측정값 107
표 18. 후면재 음향 임피던스에 따른 PIN-PMN-PT 고주파수 초음파 변... 110
표 19. 알루미늄 포일을 초음파 변환기의 후면재로 적용할 때, 전면 정... 115
표 20. 정면 정합층의 종류와 두께의 따른 PIN-PMN-PT 고주파수 초음... 116
그림 1. 미세가공 압전 박막 소자의 (a) 측면 구조 및 상부 전극에 (b)... 23
그림 2. 미세가공 압전 박막 소자의 형상 (a) 원형, (b) 반구형 29
그림 3. Si/SiO2/Ti/Pt/PZT/Pt 박막 구조로 제작된 미세가공 압전 박막... 30
그림 4. AlN 기반 FBAR의 (a) 제작공정, (b) 실제 제작된 소자 모습 30
그림 5. 페로브스카이트 산화물의 결정구조와 분극 현상 36
그림 6. 전극 배치에 따른 (a) d₃₁ 모드와 (b) d₃₃ 모드의 압전 박막 소... 36
그림 7. 일반 강유전체와 완화형 강유전체의 특성 비교 (a) P-E 이력... 40
그림 8. PMN-PT의 조성비에 따른 유전특성의 변화 45
그림 9. PIN-PMN-PT의 상평형도 46
그림 10. 인가 전계에 따른 변형률 변화 (a) (001) 분극 방향 (b) (011)... 47
그림 11. RF 스퍼터링 증착 원리 57
그림 12. RF 마그네트론 스퍼터링 방법에 의한 박막 증착 과정 57
그림 13. 박막 공정 시스템 구성. (a) RF 마그네트론 스퍼터링 장비 구... 61
그림 14. 스퍼터 챔버 내부 및 기판 공급용 로드락 챔버 62
그림 15. PIN-PMN-PT 박막 샘플을 어닐링 공정에 사용하기 위한 석영... 63
그림 16. 스퍼터링 타겟의 결정상태에 따라 증착 가능한 박막의 결정... 67
그림 17. RF 마그네트론 스퍼터링 타겟 비교. (a) PIN-PMN-PT 단결정... 67
그림 18. (a) 다결정 PIN-PMN-PT 타겟과 (b) 단결정 PIN-PMN-PT 타겟... 69
그림 19. 동일한 조건으로 증착한 박막의 XRD 패턴 비교. (a) 다결정... 70
그림 20. PIN-PMN-PT 상평형도에서 단결정 스퍼터링 타겟의 XRF 분... 71
그림 21. 어닐링 온도 조건에 따른 XRD 패턴 결과 76
그림 22. 상온에서 증착할 때 압력의 변화에 따른 박막의 XRD 결과... 77
그림 23. 15 mTorr 압력 조건에서의 증착 온도에 따른 XRD 결과... 77
그림 24. 압력 조건이 30 mTorr 일 때, 450 ℃의 기판 온도로 박막 증... 78
그림 25. 두 가지 증착 조건의 XRD 결과 비교... 78
그림 26. 증착 조건에 따른 이력 곡선 결과 비교 79
그림 27. 최종 공정 조건으로 제작한 (a) PIN-PMN-PT 박막 소자의 구... 79
그림 28. 이력 곡선을 측정하기 위해 구성된 (a) 강유전체 측정 시스템... 82
그림 29. PIN-PMN-PT 상평형도에서 단결정 스퍼터링 타겟과 증착된... 86
그림 30. 최종 공정 조건을 적용하여 알루미늄 포일 위에 증착된... 86
그림 31. PIN-PMN-PT 박막의 XRR 스펙트럼 결과 87
그림 32. 알루미늄 기판 위에 증착한 PIN-PMN-PT 박막의 SEM 측정... 89
그림 33. 5 μm 두께로 제작한 박막 소자의 분극-전계 측정결과 89
그림 34. 초음파 변환기의 기본 구조 93
그림 35. 전기적인 임피던스 특성을 측정하기 위하여 사용한 (a) 핀이... 95
그림 36. 제작한 PIN-PMN-PT 박막 소자의 전기적 특성을 측정하기 위... 95
그림 37. PIN-PMN-PT 박막 소자를 임피던스 분석기에 연결하여 측정... 96
그림 38. KLM 모델 등가회로 99
그림 39. 초음파 변환기에 적용할 (a) 알루미늄 포일 위에 증착한... 104
그림 40. 알루미늄 포일 위에 증착한 PIN-PMN-PT 박막 소자의 주파수... 106
그림 41. PIN-PMN-PT 미세가공 초음파 변환기의 가진 신호 108
그림 42. 기판의 영향을 고려하지 않았을 때의 PIN-PMN-PT 박막 소자... 108
그림 43. 탐상체가 인체조직이고 후면재의 음향 임피던스가 (a) 3 MRayl,... 111
그림 44. 탐상체가 알루미늄 구조물이고 후면재의 음향 임피던스가 (a) 3... 112
그림 45. 탐상체가 철 구조물이고 후면재의 음향 임피던스가 (a) 3... 113
그림 46. 정면 정합층인 파라핀 왁스의 두께에 따른 시간 및 주파수영... 117
그림 47. 전면 정합층인 PMMA의 두께에 따른 시간 및 주파수영역 응... 118
그림 48. 음향 임피던스가 약 6.6 MRayl인 전면 정합층의 두께에 따른... 119
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최근 고주파수 초음파 변환기를 의료분야, 비파괴검사, 에너지 하베스팅 등 여러 분야에 적용하기 위한 연구가 많이 보고되고 있으며 특히 고분해능, 고해상도의 초음파 이미지를 얻기 위한 100 MHz 이상의 고주파수 초음파 변환기의 연구 및 개발에 대한 요구가 증가하고 있다.
고분해능, 광대역, 고주파수 특성을 구현하기 위해서는 초음파 변환기를 구성하는 주요소인 압전재료의 특성을 향상시키거나 압전박막의 특성을 저하시키지 않는 압전 미세가공 초음파 변환기 (piezoelectric micromachined ultrasonic transducers, pMUT)의 구조로 개발해야 한다.
본 연구에서는 우수한 압전특성 및 전기기계결합특성을 나타내는 PIN-PMN-PT 압전재료를 박막 소자제작을 위한 타겟재료로 선정하였으며 기판의 영향을 감소시키면서 제작비용을 감소시킬 수 있도록 알루미늄 포일을 기판으로 사용하여 압전 박막과 상, 하부전극으로만 이루어진 간단한 압전 박막 소자를 제작하였다. 제작된 압전 박막 소자에 대하여 고주파수 초음파 변환기에 적용할 수 있는지를 검토하기 위하여 박막의 압전 특성들을 평가하였으며 얻어진 박막의 압전특성값들을 이용하여 초음파 응답 시뮬레이션을 수행하였다.
RF 마그네트론 스퍼터링방법으로 PIN-PMN-PT 박막을 알루미늄 포일에 증착하여 5 ㎛ 두께의 (011)면으로 배향된 정방정상 (tetragonal phase)의 다결정-단일상 박막을 제작하였다. 이러한 결정구조를 가지는 압전 박막은 횡방향 진동모드 및 전단모드의 압전특성이 우수하므로 초음파 변환기용 압전 박막 소자에 적합하다. KLM 모델을 이용하여 고주파수 초음파 변환기로의 제작 가능성을 검토하기 위하여 증착된 PIN-PMN-PT 박막의 결정학적, 전기적 특성을 측정하였다. 알루미늄 포일을 초음파 변환기의 후면재 또는 전면 정합층으로 적용하여 초음파 응답 신호를 시뮬레이션한 결과, 두 경우 모두 광대역 특성을 나타내었으며 특히, 알루미늄 포일이 후면재 역할을 한 구조에서는 전면 정합층(두께＝λ/4)이 각각 PMMA과 paraffin wax의 서로 다른 밀도와 음향 임피던스를 가질 때 중심주파수는 각각 429.32 MHz, 388.34 MHz, 대역폭은 각각 65.85 %, 103.64 %, 삽입손실은 37 dB, 44.12 dB로 나타났다. 최종적으로 본 논문에서 증착한 알루미늄 포일 기반의 PIN-PMN-PT 압전 박막 구조는 고주파수 초음파 변환기 개발에 적용 가능한 것으로 나타났다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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