KR100250207B1 - 바이모프 액츄에이터용 압전 세라믹스 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3의 압전 세라믹스 조성중, 식중의 변수 x, y, z가 몰비로 각각 0.1≤x≤0.125, 0.420≤y≤0.455, 0.420≤z≤0.455의 범위를 가지며, 첨가제로서 0.01-0.05몰%의 SrCO3및 0.1-0.5중량%의 MnO2이 첨가된 것을 특징으로 하는 바이모프 액츄에이터용 압전 세라믹스 조성물에 관한 것으로, 본 발명의 바이모프 액츄에이터용 압전 세라믹스 조성물은 압전상수가 크고 큐리온도가 높으며 종래의 압전재료보다 유전상수 및 기계적 품질계수가 크게 향상되고 인가전압에 따른 변위의 이력현상이 나타나지 않아 바이모프 액츄에이터로서의 실용성이 높은 효과가 있다.
Description
본 발명은 바이모프 액츄에이터((Bimorph Actuator)용 압전 세라믹스 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3의 압전 세라믹스 조성중 식중의 변수 x, y, z가 몰비로 각각 0.1≤x≤0.125, 0.420≤y≤0.455, 0.420≤z≤0.455의 범위를 가지며, 첨가제로서 0.01-0.05몰(mole)%의 SrCO3및 0.1-0.5중량%의 MnO2가 첨가된 바이모프 액츄에이터용 압전 세라믹스 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 압전 세라믹스의 응용분야중 압전 액츄에이터는 전기적 에너지에 의하여 기계적 변위를 일으키는 특성을 이용한 제품으로, 구동방식에 따라 유니모프(Unimorph) 액츄에이터, 바이모프 액츄에이터, 적층형 액츄에이터로 나눌 수 있다.
이러한 압전 액츄에이터중 바이모프 액츄에이터는 구조가 간단하여 소형정량화가 가능하며, 전자파 노이즈가 없고, 압전체의 특징인 고속응답성 및 소비전력이 적다는 장점이 있다.
따라서 최근 각종 미소변위제어소자 및 압전 팬(Fan), 압전 릴레이(Relay)등에 적용하는 연구가 널리 진행되고 있으며, 그에 따라 대변위발생 및 변위의 이력현상이 작은 고품질, 고성능의 압전재료가 요구되고 있다.
종래 사용되고 있는 압전재료로는 강유전체 재료인 PZT(PbZrO3-PbTiO3) 2성분계, 전왜재료인 PMN[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3] 2성분계 또는 PZT 2성분계에 제3의 물질을 고용시킨 PZT를 기초로 한 3성분계 등이 있다.
이하 종래 사용되고 있는 압전 재료에 대하여 상세하게 살펴보기로 한다.
일반적으로 바이모프 액츄에이터는 압전상수(d33) 및 유전상수(K)가 클수록 동일 인가전압에 대한 변위량이 커지며 기계적 품질계수(Qm)가 클수록 반복구동시 변위의 손실이 작아진다.
또한 인가전압에 따른 변위량의 이력현상이 작아야 하며, 압전특성이 사라지는 온도인 큐리(Curie)온도가 높을수록 액츄에이터로서 실제 사용되는 온도영역이 증가하는 것으로 알려져 있다.
강유전체 재료인 PZT계 세라믹스 조성은 압전상수 및 유전상수가 높아 저전압에서 큰 변위를 일으킬 수 있으며 큐리온도가 높아 상온에서 안정하게 사용할 수 있다는 등의 장점이 있으나, 인가전압의 상하에 수반된 이력현상이 커서 변위의 직선적인 제어가 불가능하다는 단점이 있다.
전왜재료인 PMN계 세라믹스 조성은 전압에 따른 변위의 이력현상이 거의 없다는 장점이 있으나, PZT계 조성에 비해 상대적으로 극히 낮은 변위량을 나타내어 대변위발생용 소자로서의 응용이 불가능하며 큐리온도가 낮아서 상온에서 사용할 수 없다는 단점이 있다.
PZT를 기초로 한 상용화된 3성분계 세라믹스 조성의 경우 압전상수가 높은 반면에 기계적 품질계수가 낮아 열화현상이 쉽게 발생하여 장시간 연속구동시 변위량이 현저히 적아지는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 압전상수 및 유전상수가 크고 큐리온도 및 기계적 품질계수값이 높으며 변위의 이력현상이 작아서 실용성이 높은 바이모프 액츄에이터용 압전 세라믹스 조성물을 제공함을 목적으로 한다.
제1도는 본 발명의 압전 세라믹스 조성물의 인가전압에 따른 변위량의 변화를 나타낸 그래프.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바이모프 액츄에이터용 압전 세라믹스 조성물은, xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3의 압전 세락믹 조성중, 식중의 변수 x, y, z가 몰비로 각각 0.1≤x≤0.125, 0.420≤y≤0.455, 0.420≤z≤0.455의 범위를 가지며, 첨가제로서 0.01-0.05몰%의 SrCO3및 0.1-0.5중량%의 MnO2이 첨가된 것을 특징으로 한다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[실시예]
PZT(PbZrO3-PbTiO3) 2성분계에 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3를 제3성분으로 고용한 PZT를 기초로 한 3성분계인 xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3의 압전 세라믹 조성중, 식중의 변수 x, y, z가 몰비로 각각 0.1≤x≤0.125, 0.420≤y≤0.455, 0.420≤z≤0.455의 범위를 가지며, 첨가제로서 0.01-0.05몰%의 탄산스트론튬(SrCO3) 및 0.1-0.5중량%의 이산화망간(MnO2)을 첨가한 범위를 갖도록 발명예 1 내지 발명예 3의 조성을 설계하였다.
발명예 1은 x=0.1, y=0.450, z=0.450으로 하고 탄산스트론튬 0.01몰%와 이산화망간 0.1중량%를 첨가하였다.
발명예 2는 x=0.125, y=0.420, z=0.455로 하고 탄산스트론튬 0.03몰%와 이산화망간 0.5중량%를 첨가하였다.
발명예 3은 x=0.125, y=0.440, z=0.435로 하고 탄산스트론튬 0.05몰%와 이산화망간 0.3중량%를 첨가하였다.
각각의 조성에 대하여 순도 99.5%이상의 산화마그네슘(MgO)와 산화니오브(Nb2O5)를 몰비로 1:1이 되도록 칭량하여 혼합하고 볼밀(Ball Mill)을 사용하여 에탄올용매중에서 24시간동안 건조한 후, 1150℃에서 4시간 하소를 행하여 니오브산마그네슘(MgNb2O6)을 합성하였다.
하소된 분말은 24시간동안 습식볼밀을 행한 후, 순도 99.5%이상의 산화납(II)(PbO), 산화티타늄(TiO2), 산화지르코늄(ZrO2)분말을 조성에 맞게 다시 칭량하여 혼합하고 볼밀을 사용하여 에탄올용매중에서 24시간동안 혼합건조한 후, 750℃에서 4시간 하소를 행하였다.
하소된 분말은 X-ray 분석을 통하여 페로브스카이트(Perovskite) 단일상임을 확인한 후, 다시 24시간동안 습식볼밀을 행하여 평균입도가 0.4-0.5㎛가 되도록 하였다.
건조된 분말을 먼저 유압프레스를 이용하여 직경 20㎜의 성형몰드에서 가압 성형한 후 냉간정수압프레스(Cold Isostatic Press)를 이용하여 2.0톤/㎠의 압력으로 성형하였다.
성형된 펠렛(Pellet)은 산화납분위기의 밀폐된 알루미나 도가니속에 넣고 1150℃의 온도에서 4시간동안 유지시켜 소결을 행하였다.
소결된 시편들은 양면연마기에 의하여 0.5㎜의 두께가 되도록 연마한 후 시편표면의 응력을 제거하기 위하여 650℃에서 2시간동안 소둔을 행하였다.
상기의 방법으로 소결된 시편의 밀도는 이론밀도의 약 97-98%였다.
연마된 시편은 초음파세척기로 이물질을 제거하고 건조한 후, 은전극을 도포하고 590℃에서 15분간 열처리하여 전극을 형성하였으며, 130℃에서 4kV/㎜의 직류 전압을 인가하여 분극처리하였다.
상기 발명예 1 내지 발명예 3에 대하여 압전상수, 유전상수, 기계적 품질계수 및 큐리온도를 측정하여 그 결과를 종래의 PZT계, PMN계, 상용의 PZT 3성분계와 비교하여 하기 표 1에 나타내었다.
표 1에서 알 수 있는 바와 같이 발명예 1 내지 발명예 3의 경우 유전상수 및 기계적 품질계수가 우수하였다.
특히 발명예 3의 경우 상용의 PZT 3성분계 제품보다 유전상수는 약 2배, 기계적 품질계수는 약 9배 향상된 물성치를 얻을 수 있었다.
본 발명에 따른 압전 세라믹스 조성중 발명예 3의 인가전압에 따른 변위량의 변화를 제1도에 나타내었다.
제1도에서 알 수 있는 바와 같이 발명예 3은 인가전압에 따른 변위의 이력현상이 나타나지 않아 변위량이 거의 직선적으로 변화하였다.
상기와 같은 본 발명의 바이모프 액츄에이터용 압전 세라믹스 조성물은 압전 상수가 크고 큐리온도가 높으며 종래의 압전재료보다 유전상수 및 기계적 품질계수가 크게 향상되고 인가전압에 따른 변위의 이력현상이 나타나지 않아 바이모프 액츄에이터로서의 실용성이 높은 효과가 있다.
Claims (1)
- xPb(Mg1/3Nb2/3)O3-yPbZrO3-zPbTiO3의 압전 세라믹 조성중, 식중의 변수 x, y, z가 몰비로 각각 0.1≤x≤0.125, 0.420≤y≤0.455, 0.420≤z≤0.455의 범위를 가지며, 첨가제로서 0.01-0.05몰%의 탄산스트론튬(SrCO3) 및 0.1-0.5중량%의 이산화망간(MnO2)이 첨가된 것을 특징으로 하는 바이모프 액츄에이터용 압전 세라믹스 조성물.
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