KR0161988B1 - 작동기용 압전 세라믹 조성물 - Google Patents

작동기용 압전 세라믹 조성물

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Abstract

납, 란탄, 지르코늄, 티타늄, 마그네슘, 아연, 니오븀, 망간, 크롬 및 산소원자로 구성된 조성물로서, 하기 식 (Ⅰ)의 주성분 조성에 대하여, 망간을 Mn2O로 환상하여 1.5중량% 이하의 양, 크롬을 Cr2O3로 환산하여 0.5중량% 이하의 양으로 함유함을 특징으로 하는 작동기용 압전 세라믹 조성물:
[상기 식중, 0x0.07, 0.40y0.65, 0q1, 및 0z

Description

작동기용 압전 세라믹 조성물
본 발명은 작동기용 압전 세라믹 조성물에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 후술하는 바와 같이 압전 작동기의 폭 넓은 응용중 특히 수 kHz~100kHz 수준의 고 주파에서의 구동에 적합한 압전 작동기용 재료로서 유용한 작동기용 압전 세라믹 조성물에 관한 것이다.
작동기는 압전 역효과, 즉 전기적 에너지로부터 기계적 에너지로의 변환 작용을 이용하여, 전압의 적용에 의해 미크론 또는 미크론 이하의 미소 변위를 정확히 발생시키기 위해 고안된 것이다. 작동기는 예컨대 신호기에 있어서의 음향, 또는 예컨대 펌프 또는 밸브에 있어서 유량의 정림 조절, 예컨대 스텝퍼 또는 반도체 제조 장치에 있어서의 정밀 위치 결정, 및 차세태 소형 모우터로서 주목을 끌고 있는 초음파 모우터에 응용하기 위해 최근들어 급속히 개발되고 있다.
종래부터, 작동기용 압전 재료로서는, 납 지르코네이트 티타네이트 세라믹 조성물(PZT) 이 우수한 압전 특성을 갖는 것으로 공지되어 있으며, 특정한 사용 용도에 의존하여 다양한 개량이 행하여졌다.
예를 들면, 작동기용 PZT계 압전 재료의 특성은, 예컨대 Ba2+, Sr2+또는 Ca2+에 의해 납 지르코네이트 티타네이트의 일부를 치환하는 방법, Pb(CO, Ta23)O3또는 Pb(Ni13, nB23)O3과 같은 복합 페로브스카이트로 고형 용액을 제조하는 방법, 또는 WO3, Fe2O3또는 NiO와 같은 산화물을 첨가하는 방법에 의해 개량된다.
최근 개발된 초음파 모우터의 경우에서와 같이 수 kHz~100kHz 수준의 공진주파수에서 압전 작동기 소자를 구동하는 경우, 공진 상태에서 진폭을 크게하고 발열을 억제하기 위해서는 기계적 품질 계수가 높은(예를 들어 Q/m1,000) 압전 재료가 요구된다.
그러나, 종래의 작동기용 고 압전 변형 상수 재료(이른바, 연질 재료)를 사용하는 경우, 기계적 품질 계수(Qm)가 수십~수백 정도로 낮고, 공진점에서의 손실이 매우 크기 때문에, 입력 에너지가 효과적으로 기계적 에너지로 변환될 수 없으므로, 그 결과 변위가 작아지고 발열이 격렬해지는 등의 문제점이 있다. 또한, 연질 고 압전 변형 상수 재료는 통상 100~150℃에서 퀴리 온도(Tc)가 낮고 발열이 퀴리점에 도달하는 경향이 있으므로, 이에 의해 탈분극이 발생하거나 변위가 발생하지 않는 문제점이 생긴다.
또한, 압전 작동기 소자를 비공진 상태에서 수 kHz~ 수십 kHz 정도의 고 주파수에서 구동하는 경우, 상기 언급된 연질 재료는 유전율(ε33T/ε0) 및 유전손실(tan δ)이 크기 때문에(예를 들어, ε33T/ε0H5,000, 및 tanδH2~4%) 발열이 격렬하며, 상기 언급된 이유 때문에 탈분극이 발생하고, 목적하는 변위르 얻기가 어렵게 된다.
다른 한편, 퀴리 온도가 높은(예를 들어, Tc300℃) 이른바 경질 재료를 사용하는 경우에는, 유전율(ε33T/ε0) 및 유전손실(tanδ)이 작아지지만(예를 들어33T/ε0H500~1,000, 및 tanδH0.1~1%), 압전 변형 상수가 크게 저하되고, 예를 들면 횡방향의 압전 변형 사수(d31)가 50×10-12m/v 정도로 저하하므로, 목적하는 변위를 얻기 위해서는 고 전압이 요구되고, 고 전압 및 고 주파수에서의 구동을 위해서는 고가의 증폭기가 필요하다.
이상 설명한 바와 같이, 압전 작동기를 수 kHz~수백 kHz 수준의 고주파수에서 구동하는 경우, 압전 변형 상수가 크고(예컨대, 횡방식 압전 변형 상수(d31)가 100×10-12m/v 이상임), 유전율(33T/ε0) 및 유전손실(tanδ)이 작으며(예컨대,33T/ε0H1,000~3,000, 및 tanδH01~1%), 기계적 품질 계수(Qm)가 높은(예를 들어, Qm이 1,000이상) 우수한 특성을 갖는 잴의 개발이 요망되고 있다.
본 발명은 이러한 상황하에서 완성된 것이다.
본 발명의 목적은 높은 압전 변형 상수, 낮은 유전율, 낮은 유전손실, 및 높은 기계적 품질 계수를 갖고 수 kHZ~수백 kHZz 수준의 고 주파수에서 구동하기에 적합한 압전 작동기 재료로서 매우 유용한 작동기용 압전 세라믹 조성물을 제공하는데 있다.
따라서, 본 발명은 납, 란탄, 지르코늄, 티타늄, 마그네슘, 아연, 니오븀, 망간, 크롬 및 산소원자로 구성된 작동기용 압전 세라믹 조성물을 제공하며, 이는 하기 식(Ⅰ)의 주 성분 조성에 대하여 망간을 MnO2로 환산하여1.5중량%이하, 크롬을 Cr2O3로 환산하여 0.5중량% 이하의 양으로 함유한다.
[상기 식중, ox0.07, 0.40y0.65, 0q1, 및 0z0.40]
즉, 본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위하여 상세한 연구를 수행하였으며, 그 결과 특정의 조성을 갖는 조성물이 높은 압전 상수, 낮은 유전율, 낮은 유전손실 및 높은 기계적 품질 계수를 동시에 갖는다는 것을 알아내었다. 본 발명은 이러한 연구결과를 기초로하여 완성되었다.
이제, 본 발명을 바람직한 구현예를 참고로하여 상세히 설명하겠다.
하기 설명에서, 일반식 (Ⅰ)의 주성분 조성에 대하여 MnO2로 환산한 망간의 양 및 Cr2O3로 환산한 크롬의 양을 각각 간단히 MnO2의 양 및 Cr2O3의 양으로 언급하겠다.
본 발명의 작동기용 압전 세라믹 조성물은 높은 퀴리 온도, 높은 압전 변형 상수 및 높은 기계적 품질 계수를 갖는다.
본 발명의 조성물은, 다른 조성이 일정하다면, MnO2의 양이 많을수록 기계적 품질 계수(Qm)도 커진다. 본 발명의 조성물은 0.3중량%의 MnO2의 양을 경계선으로 하여 2개의 군으로 분류될 수 있다.
다시 말해서, MnO2의 양이 0.3중량%이상, 바람직하게는 0.4~1.2중량%인 경우에, 본 발명의 조성물은 매우 큰 기계적 품질 계수(Qm)를 나타내고, 공진점에서의 손실이 작다. 따라서, 이러한 조성물은 공진을 이용하는 고 주파수에서의 구동용 재료로서 적절하다.
한편, MnO2의 양이 0.3중량%미만, 바람직하게는, 0.05~0.25중량%인 경우에, 기계적 품질 계수(Qm)는 그다지 크지 않지만 횡 방식 압전 변형 상수(d31)가 크고 유전 손실(tanδ)이 매우 작은 세라믹 조성물을 수득할 수 있다. 이러한 조성물은 비-공진 상태에서 사용되는 고 주파수에서의 구동용 재료로서 적합하다.
또한, 본 발명의 조성물에 있어서, 란탄의 함량은 퀴리 온도에 영향을 미친다. 다시 말해서, 라탄의 양이 적을수록 퀴리 온도가 높아진다. 여기에서, 란탄의 양은 바람직하게는 식(Ⅰ)에서의 X가 0.05이하가 되는 정도의 양이다. 퀴리 온도는 고온 사용의 한계에 대한 지표이다. 고온 사용의 한계는 작동기용 압전 세라믹 조성물의 특정 목적에 의존하여 변한다. 따라서, 반드시 퀴리 온도가 높을 수록 좋다고는 말할 수 없다. 그러나, 다른 물리적 성질이 모두 동일하다면 퀴리 온도가 높은 것이 물론 바람직하다. 역으로, 작동기용 압전 세라믹 조성물의 물리적 성질은 특정 목적을 위해 적절한 퀴리 온도를 나타내는 것중에서 비교되어야 한다.
이제, 본 발명의 바람직한 구현예를 설명하겠다.
본 발명의 세라믹 조성물은 높은 퀴리 온도, 높은 압전 변형 상수 및 높은 기계적 품질 계수를 갖는다. 특히, 상기 식(Ⅰ)에 있어서 하기 조성 ①~④를 갖는 것들은, 퀴리 온도(Tc)가 250℃이상이고, 횡방식 압전 변형 상수(d31)가 100×10-12m/v를 초과하며, 기계적 품질 계수(Qm)는 1,000 이상으로 높다 따라서, 이들은 초음파 모우터와 같은 공진을 이용하는 고주파 구동용 재료로서 적절하다.
① x=0.02, y=0.50, z=0.10, q-0.7, MnO2의 양=0.5중량%, Cr2O3의 양=0.1중량%(하기 실시예1)
② x=0.03, y=0.50, z=0.10, q=1.0, 0.5 또는 0.0, MnO2의 양=0.5중량%, Cr2O3의 양=0.1중량%(하기 실시예 2, 3 및 4)
③ x=0.03, y=0.50, z=0.10, q=0.5, MnO2의 양=0.5중량%, Cr2O3의 양=0.3중량%(하기 실시예 5)
④ x=0.04, y=0.52, z=0.10, q=0.7, MnO2의 양=0.5중량%, Cr2O3의 양=0.1중량%(하기 실시예 6)
또한, 식(Ⅰ)에 있어서 하기 조성 ⑤~⑦을 갖는 것들은, 퀴리 온도(Tc)가 200℃ 이상이고, 횡 방식 압전 변형상수(d31)는 200×10-12m/v를 초과하므로, 이들이 특히 바람직하다. 횡 방식 압전 변형 상수(d31)가 200×10-12m/v를 초과하는 종래의 조성물에 있어서, 유전 손실(tanδ)은 통상 2~3% 정도로 크다(하기 비교예 5~7참조). 반면, 본 발명의 생성물(하기 실시예 9, 10 및 11참조)에 있어서, 유전손실(tanδ)은 0.3~0.5%정도로 낮고, 이는 종래 생성물의 유전 손실의 14~110이므로, 이것이 고주파 구동을 위한 작동기용 재료로서 적절하다.
⑤ x=0.02, y=0.48, z=0.28, q=0.7, MnO2의 양=0.15중량%, Cr2O3의 양=0.1중량%(하기 실시예 9)
⑥ x=0.03, y=0.50, z=0.16, q=0.15 MnO2의 양=0.15중량%, Cr2O3의 양=0.1중량%(하기 실시예 10)
⑦ x=0.04, y=0.52, z=0.16, q=0.5, MnO2의 양=0.15중량%, Cr2O3의 양=0.1중량%(하기 실시예 11)
식 (Ⅰ)에서 x가 0.07를 초과한다면, 퀴리온도(Tc)가 150℃이하가 되므로 이로써 소자의 사용 온도의 상한은 60~70℃ 정도이고, 따라서 이러한 재료는 실제로 사용되지 않는다. 또한, 횡 방식 압전 변형 상수(d31)은 공진-비 공진법에 의해 검출되지 않을 정도로 작으므로, 이것은 작동기용 재료로서 적합하지 않다(하기 비교예 8).
식 (Ⅰ)에서 z이 0.40 이상이라면(하기 비교예 1), 페로브스카이트상 이외에 추가로 파이로클로르 상이 소결체 중에 존재하는 경향이 있고, 이에 의해 횡 방식 압전 상수(d31)가 낮아지므로, 이것은 바람직하지 않다. 또한, MnO2의 양이 1.5중량%를 초과한다면(하기 비교예 2), 소결시에 비정상적인 입자의 성장이 발생하고, 소결 생성물의 밀도가 낮아지며, 분극시에 절연 파괴가 일어나기 쉬우므로, 이것은 바람직하지 않다. 따라서, MnO2의 양은 1.5중량%이하, 바람직하게는 0.05~1.2중량%가 되도록 조절한다.
Cr2O3을 첨가하지 않는 경우(하기 비교예 3)에는 횡 방식 압전 변형 상수(d31) 및 기계적 품질 계수(Qm)가 작고, Cr2O3의 양이 0.5중량%를 초과하는 경우(하기 비교예4)에는 크롬의 첨가 효과가 횡 방식 압전 변형 상수(d31) 및 기계적 품질 계수(Qm)에서 관찰되지 않는다. 이것은 x, y, z 및 q의 비율과 MnO2의 양이 동일한 실시예 3 및 5와의 비교로부터 명백하다. 따라서, Cr2O3의 양은 통상 0.5중량%이하, 바람직하게는 0.002~0.5중량%이어야 한다.
본 발명의 세라믹 조성물은, 예를 들어 각 구성 원소의 산화물 원료를 측량하여 소정의 배합 조성을 얻은 다음, 이들을 예를 들어 보울 밀에 의해 습시 혼합하고, 혼합물을 하소시킨 후, 분쇄하고 얻어진 분말을 1,100~1,300℃의 온도에서 소결시킴으로써 제조될 수도 있다.
이제 본 발명을 하기 실시예 및 비교예를 참고로하여 더욱 상세히 설명하겠다. 그러나, 본 발명은 이러한 특정예에 의해 결코 제한되지 않음을 이해해야 한다.
[실시예 1~13 및 비교예 1~8]
순도 99.9% 이상의 고순도 산화물 원료인 PbO, La2O3, Tio. ZrO2, MgO, ZnO, Nb2O5, MnO2및 Cr2O3를 소정의 비율로 측량하고, 이를 보울밀에 의해 24시간 동안 습식 혼합한다. 혼합물을 건조시키고, 성형처리한 후 900℃에서 2시간 동안 하소시킨다. 이어서, 이를 유발로 분쇄하고, 다시 보울 밀에 의해 24시간 동안 습식 분쇄한다. 얻어진 분말을 고무 프레스법에 의해 정수압-성형한 다음, 납 대기중에서 1,200℃로 소결한다. 이어서, 얻어진 소결체를 슬라이스 기계에 의해 원판상 및 막대상으로 가공한다. 그 다음, Ag 페이스트를 스크린-인쇄하고 550℃에서 전극 소부시킨다. 분극 처리를 80~120℃온도의 실리콘 오일 중에서 2.0~4.0kV/mm의 전계 밀도하에 5~20분간 수행한다. 1일 경과후에, 1kHz에서의 유전율(ε33T/ε0), 1kHz에서의 유전 손실(tanδ), 기계적 품질 계수(Qm), 횡방식 전기 기계 결합 계수(K31) 및 횡 방식 압전 변형 상수(d31)와 같은 다양한 압전 물리적 성질을 벡터 임피던스 분석기를 이용하는 공진-비공진 법에 의해 측정한다. 또한, 상대 유전율의 온도 특성을 측정하고, 상대 유전율의 최대치로부터 퀴리 온도(Tc)를 얻는다. 결과를 표 1~표 3에 나타낸다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 작동기용 압전 세라믹 조성물은 높은 전기 기계 결합 계수, 높은 압전 변형 상수, 낮은 유전율, 낮은 유전 손실, 높은 기계적 품질 계수 및 높은 퀴리 온도를 동시에 가지며, 다양한 압전 재료로서 효과적으로 사용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 작동기용 압전 세라믹 조성물은 수 kHz~수백 kHz의 고주파에서 구동되는 압전 작동기용 재료로서 우수한 성질을 나타내며, 이는 산업상 매우 유용하다.

Claims (7)

  1. 납, 란탄, 지르코늄, 티타늄, 마그네슘, 아연, 니오븀, 망간, 크롬 및 산소원자로 구성된 조성물로서, 하기 식 (Ⅰ)의 주성분 조성에 대하여, 망간을 Mn2O로 환상하여 0.05중량% 이상 1.5중량% 이하의 양, 크롬을 Cr2O3로 환산하여 0.002중량% 이상 0.5중량% 이하의 양으로 함유함을 특징으로 하는 작동기용 압전 세라믹 조성물:
    [상기 식중, 0x0.07, 0.40y0.65, 0q1, 및 0z0.4]
  2. 제1항에 있어서, 망간을 MnO2로 환산하여 0.3~1.5중량%의 양으로 함유함을 특징으로 하는 작동기용 압전 세라믹 조성물.
  3. 제2항에 있어서, 망간을 MnO2로 환산하여 0.4~1.2중량%의 양으로 함유함을 특징으로 하는 작동기용 압전 세라믹 조성물.
  4. 제2항에 있어서, 식(Ⅰ)에서의 x가 0x≤0.05임을 특징으로 하는 작동기용 압전 세라믹 조성물.
  5. 제1항에 있어서, 망간을 MnO2로 환산하여 0.05~0.3중량%의 양으로 함유함을 특징으로 하는 작동기용 압전 세라믹 조성물.
  6. 제5항에 있어서, 망간을 MnO2로 환산하여 0.05~.025중량%의 양으로 함유함을 특징으로 하는 작동기용 압전 세라믹 조성물.
  7. 제5항에 있어서, 식 (Ⅰ)에서의 x가 0x0.05임을 특징으로 하는 작동기용 압전 세라믹 조성물.
KR1019910016572A 1990-09-20 1991-09-20 작동기용 압전 세라믹 조성물 KR0161988B1 (ko)

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