KR0146991B1 - 산화물 압전소자의 제조방법 - Google Patents
산화물 압전소자의 제조방법Info
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Abstract
산화물 압전소자는 가스레인지 및 가스라이터의 착화소자, 초음파세정기를 비롯하여 전기전자 부품으로의 응용범위가 확대됨에 따라서 유전상수, 압전정수, 전기기계 결합계수와 같은 전기적 특성이 우수한 산화물 압전재료가 요구되게 되었다. 특히 산화물 압전소자가 압전모터에 응용되면서 부터 유전상수, 압전정수 및 전기기계 결합계수가 가능한 높은 산화물 압전재료가 필요하게 되었다. 따라서 산화물 압전재료의 전기적 특성 증진을 위하여 첨가제를 사용하는 산화물 압전재료 개발이 시도되고 있다.
종래에는 위와 같이 전기적 특성을 증진시키기 위해서 Pb((ZrO.52TiO.48)0.98NbO.2)O3계에 Na2CO3와 Y2O3를 첨가제로 사용한 산화물 압전재료가 사용되고 있다. 일반적으로 사용되는 첨가제의 혼합 및 분산을 보다 적절히 조절하면 보다 우수한 전기적 특성을 지닌 산화물 압전재료를 제조할 수 있는데, 본 발명의 목적은 Na2CO3와 Y2O3를 첨가제로 사용한 Pb((ZrO.52TiO.48)0.98NbO.2)O3계의 산화물 압전재료에 있어서, 첨가물중 Y2O3산화물 분말 대신에 혼합시 분산성을 증진시킬 수 있는 Y(NO3)3·5H2O를 사용함으로서, 전기적 특성이 보다 증진된 산화물 압전소자를 제조하는 데 있다.
Description
제1도는 Y2O3와 Y(NO3)3·5H2O를 첨가제로 한 압전소자의 유전상수(ε)를 대비한 도면
제2도는 Y2O3와 Y(NO3)3·5H2O를 첨가제로 한 압전소자의 압전상수(d33)를 대비한 도면
제3도는 Y2O3와 Y(NO3)3·5H2O를 첨가제로 한 압전소자의 전기기계 결합계수(Kp)를 대비한 도면
본 발명은 산화물 압전소자의 제조방법에 관한 것이다. 지르코늄티탄산연(Pb((ZrO.52TiO.48)0.98NbO.2)O3)계를 기본조성으로 하고, 전기적 물성을 증진시키기 위하여 여기에 탄산나트륨(Na2CO3)과 질산이트륨(Y(NO3)3·5H2O)을 첨가제로 첨가하여 전기적 물성을 개량시킨 산화물 압전소자의 제조방법에 관한 것이다.
산화물 압전소자는 가스레인지, 가스라이터의 착화소자, 초음파세정기, 음향필터에 사용되고 있으며, 최근에는 압전모터와 전기전자 부품등으로 적용범위가 확대됨에 따라서 산화물 압전소자의 전기적 특성을 개선시키기 위한 노력이 시도되고 있다. 프린터 해드, 비디오 테이프 레코더 해드 구동장치, 직선형 압전모터 등에 사용되는 압전모터용 압전소자는 최대한의 전기에너지를 수용하여야 많은 양의 기계적 에너지로 변환시킬 수 있기 때문에 보다 높은 유전상수를 갖는 산화물 압전재료를 요구하고 있다. 지금까지 사용되어온 산화물 압전재료로서 지르코니움티탄산연(Pb((ZrO.52TiO.48)0.98NbO.2)O3)계가 널리 사용되고 있으나 보다 우수한 유전상수와 압전상수 및 전기기계 결합계수와 같은 전기적 특성을 갖는 산화물 압전소자를 얻기 위하여 많은 시도가 이루어지고 있다.
종래에는 위와 같이 전기적 특성을 증진시키기 위해서 Pb((ZrO.52TiO.48)0.98NbO.2)O3계에 탄산나트륨(Na2CO3)과 산화이트륨(Y2O3)을 첨가제로 사용한 산화물 압전소자가 사용되고 있다. 그러나 사용된 첨가제를 용이하게 조절하면 보다 우수한 전기적 특성을 지닌 산화물 압전소자를 제조할 수 있는데, 본 발명의 목적은 Na2CO3와 Y2O3를 첨가제로 사용한 Pb((ZrO.52TiO.48)0.98NbO.2)O3계의 산화물 압전재료에 있어서, 첨가물을 Y2O3산화물 분말 대신에 혼합시 분산성을 증진시킬 수 있는 Y(NO3)3·5H2O를 사용함으로서, 전기적 특성이 보다 증진된 산화물 압전소자를 제조하는 데 있다.
본 발명을 보다 상세히 설명하면, 염상태의 Na2CO3와 산화물 분말상태의 Y2O3를 첨가제로 사용한 Pb((ZrO.52TiO.48)0.98NbO.2)O3계의 산화물 압전소자를 제조하는 방법에 있어서 첨가물의 혼합은 물을 용매로 사용하고 습식혼합을 수행하게 되는데, 이때 탄산상태의 Na2CO3는 대단히 우수하게 분산되는데 반하여, Y2O3는 산화물 분말상태로 존재하기 때문에 압전체에 분산되어지는 상태가 양호하지 못하여 산화물 압전재료의 전기적 특성 저하의 한 요인이 된다. 그러나 본 발명에서와 같이 첨가물로서 산화물 분말상태인 Y2O3대신에 염상태의 Y(NO3)3·5H2O를 첨가하고, 물을 용매로 사용하여 염상태의 Y(NO3)3·5H2O를 용해시켜 습식혼합시키면, Y3+이온이 대단히 우수하게 분산된 상태의 Pb((ZrO.52TiO.48)0.98NbO.2)O3계의 분말을 얻을 수 있다. 이는 물에 용해된 Y3+상태의 이온들이 대단히 우수하게 입자와 입자사이에 분산되는 것에 기인한다. 분산된 Y3+이온은 열처리를 함에 따라 산하물 상태의 Y2O3로 변화되므로서 대단히 우수하게 분산된 첨가물을 갖는 산화물 압전재료를 제조할 수 있게 된다.
따라서 유전상수, 압전정수 및 전기기계 결합계수와 같은 전기적 특성이 보다 증진된 산화물 압전소자를 제조할 수 있다. 본 발명의 결과로서 산화물 분말상태의 Y2O3를 사용하여 제조한 산화물 압전소자의 각 전기적 특성보다, 염상태의 Y(NO3)3·5H2O를 첨가하여 제조한 산화물 압전소자의 각 전기적 특성들이 보다 우수하게 나타남을 그림 1, 그림 2 및 그림 3에서와 같이 볼 수 있다.
본 발명의 궁극적인 목적은 상기의 산화물 압전소자의 제조방법을 사용하여 유전상수, 압전정수 및 기계적 결합계수 등의 전기적 특성이 증진된 산화물 압전소자를 제공하는데 있다.
본 발명을 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명이 이 실시예에 국한되는 것은 아니다.
[실시예]
세라믹 분말인 PbO, ZrO2, TiO2를 PbZrO3-PbTiO3계의 MPB(Morphotropic Phase Boundary) 조성으로 100g을 정량한 후 중량비로하여 2%의 Nb2O5를 첨가하고 지르코니아 볼밀을 사용하여 24시간 습식분쇄를 한 후 900℃에서 2시간 유지시켜 하소분말을 제조하였다. 제조된 하소분말에 Na2CO3와 Y(NO3)3·5H2O염을 표 1과 같은 중량비로 하여 각각 0.1∼1.0%까지 변화시키며 첨가하였다. 첨가된 하소분말을 지르코니아 볼밀을 사용하여 증류수를 매질로 하여 습식혼합을 한 후 오븐에서 110℃로 건조시켰다. 건조된 분말을 일축가압 성형하여 표 1과 같이 1175℃, 1200℃에서 2시간 유지시켜 소결하였다. 소결체에 전극을 형성시킨 후, 115℃로 유지되는 실리콘 오일내에서 15분동안 3.4kV/mm의 직류전압을 인가하여 분극시켰고, 분극된 시편은 IRE STD.(미국, Institute of Radio engineers의 standard)에 따라서 전기기계 결합계수, 압전정수, 유전율을 구하였다.
이하 본 발명에서 사용한 용어에 대하여 설명한다.
PbTiO-PbZrO계의 경우 PbTiO:PbZrO는 1:1 근방의 조성영역에서 정방정상과 단사전상이 함께 존재하게 되는데, 이와 같이 다른 두개의 상이 공존되는 영역을 MPB(Morphotropic Phase Boundary)라 칭한다. 이 MPB 조성영역에서 압전재료의 급격한 유전상수 증가 및 전기기계합계수 증가가 나타나므로 상업적으로 이용되는 일반적인 압전재료는 대부분 이 조성영역에서 만들어진다.
압전재료에 전계를 가해주게 되면 변형이 발생되게 되는데, 압전재료의 분극(poling) 방향과 동일한 방향으로 전계를 가해줄 때 분극방향으로 형성되는 변형을 압전상수(d)라 하며, 압전상수의 크기가 클수록 일정한 전계하에서 큰 변형을 나타냄을 의미한다. 즉 압전상수(d)가 클수록 기계적 진동이 큰 압전재료를 얻을 수 있다.
그밖에 전기기계 결합계수는 다음과 같이 정의되어진다.
또는
즉, 전기기계 결합계수는 압전재료의 변환효율을 의미한다. 전기기계 결합계수가 클수록 입력된 전기(기계)에너지가 기계(전기)에너지로의 변환이 크다.
유전체에 전계를 인가하게 되면 유전체내의 분극을 중화하기 위하여 전하가 충전되는데, 충전되는 전하의 양은 같은 조건에서 물질에 따라 다르며, 충전되는 전하의 양을 진공상태의 전하량에 대비해서 나타낸 것을 비대전율 또는 유전상수라 한다. 즉, 유전상수가 큰 물질일수록 같은 조건에서 충전되는 전하량이 크다.
본 발명에서 전기기계 결합계수, 압전상수, 유전상수를 얻기 위하여 압전세라믹스에 대해 일반적으로 이용되는 IRE STD.에 따라 그 값을 구하였다.
[비교예]
세라믹 분말인 PbO, ZrO2, TiO2를 PbZrO3-PbTiO3계의 MPB 조성으로 100g을 정량한 후 중량비로하여 2%의 Nb2O5를 첨가하고 지르코니아 볼밀을 사용하여 24시간 습식분쇄를 한 후 900℃에서 2시간 유지시켜 하소분말을 제조하였다. 제조된 하소분말에 Na2CO3와 Y2O3를 표 2와 같은 중량비로 하여 각각 0.1∼1.0%까지 변화시켜가며 첨가하였다. 첨가된 하소분말을 지르코니아 볼밀을 사용하여 증류수를 매질로 하여 습식혼합을 한 후 오븐에서 110℃로 건조시켰다. 건조된 분말을 일축가압 성형하여 표 2와 같이 1175℃, 1200℃에서 2시간 유지시켜 소결하였다. 소결체에 전극을 형성시킨 후, 115℃로 유지되는 실리콘 오일내에서 15분동안 3.5kV/mm의 직류전압을 인가하여 분극시켰고, 분극된 시편은 IRE STD.에 따라서 전기기계 결합계수, 압전정수, 유전율을 구하였다.
Claims (2)
- 지르코니움티탄산연계의 산화물 압전소자를 제조하는 방법에 있어서, 약 2중량%의 오산화니오비움(Nb2O5)을 함유하는 지르코니움티탄산연(PbZrO3-PbTiO3)계의 압전재료에 탄산나트륨(Na2CO3)과 이트륨염(Y(NO3)3·5H2O)을 첨가제로 첨가하여 소결하는 산화물 압전소자의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 첨가제의 첨가량이 각각 0.1∼1.0중량%이고 소결온도가 1100∼1200℃인 산화물 압전소자의 제조방법.
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