KR100347049B1 - 압전 자기 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적층형 압전 변압기의 원료로 쓰이는 압전 자기 조성물에 관한 것으로서, 특히 1100℃ 이하의 저온에서 소결이 가능하여 기계적 품질계수(Qm)와 전기기계 결합계수(Kp)가 높고 기계적 강도가 우수한 압전 자기 조성물에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 조성식 XPb1-αBaα(Sb2/3W1/3)O3- YPb1-αBaα(Mn1/3Nb2/3)O3- ZPb(Ti0.47Zr0.53)으로 이루어진 것을 특징으로 한다. 단, 0.03≤X≤0.10, 0.03≤Y≤0.10, 0.90≤Z≤0.97, 0< α<1, X+Y+Z=1을 만족하고, X,Y,Z는 각 화합물의 몰(mol)수이다.
또, 상기 조성식에 은 금속을 500 ~ 1000ppm 첨가하여 1100℃ 이하 온도에서 소성하는 동시에 상기 조성식에 CeO2를 0.1 ~1중량% 첨가시켜 결정립의 크기를 2㎛ 이하로 조절한 것을 특징으로 한다.

Description

압전 자기 조성물 {Piezoelectric materials composition}
본 발명은 적층형 압전 변압기의 원료로 쓰이는 압전 자기 조성물에 관한 것으로서, 특히 1100℃ 이하의 저온에서 소결이 가능하며, 기계적 품질계수(Qm)와 전기기계 결합계수(Kp)가 높고 기계적 강도가 우수한 압전 자기 조성물에 관한 것이다.
참조된 도면, 도 1은 일반적인 압전체의 사시도이다.
도 1에서 참조번호 1은 압전체를 나타내고, 2는 출력측 단자전극을 나타내며, 3은 외부전극을 나타내고, 4는 내부전극을 나타내며, 5는 단자전로를 나타낸다.
종래의 압전 자기 조성물은 PZT(지르콘티탄산연)로 대표되는 2성분계의 압전 자기 조성물과 이를 주성분으로 하여 CaCO3(탄산칼슘), BaCO3(탄산바륨), SrCO3(탄산스트론튬) 등을 Pb자리에 일부 치환하거나 Nb2O5(산화니오븀), MnO2(산화망간), Fe2O3(산화철) 등을 첨가제로 사용하여 PZT보다 전기적 특성이 우수한 재료를 개발하였다. 또한, PZT에 제3 성분, 예를 들면, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, Pb(Ni1/3Nb2/3)O3, Pb(Fe1/2W1/2)O, Pb(Ni1/3Ta2/3)O3등을 첨가시킨 3성분계 압전 자기 조성물을 제공하여 압전체의 용도를 한층 더 넓혀왔다.
특히, PZT계에 BaCO3나 SrCO3를 Pb자리에 치환하면 압전체의 정전용량 값을 증가시키고 전기기계 결합계수(Kp)를 향상시키는 효과를 나타낸다.
또한, PZT에 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3를 첨가시키면 전기기계 결합계수(Kp)의 값은 향상된다.
그리고, MnO2를 PZT에 첨가한 경우에는 기계적 품질계수(Qm)의 상당한 향상을 나타낸다.
그러나, 이런 종래의 압전 자기 조성물은 단순 PZT에 제3성분계 및 첨가제를사용하여 전기기계 결합계수(Kp)나 기계적 품질계수(Qm) 값을 증가시키게 되나, 이들은 고전력 분야에서 사용할 경우 높은 경시변화율과 낮은 기계적 강도 그리고 높은 전기기계 결합계수(Kp)와 기계적 품질계수(Qm)를 나타내는데는 한계가 있는 문제점이 있다.
한편, 최근 연구가 활발히 진행되고 있는 LCD 백라이트(Backlight)용 압전 변압기의 경우에는 저소비전력을 사용함으로써 낮은 입력전압하에서 높은 출력전압을 요구하는데에는 적층형이 절실히 요구되고 있는 실정이다. 이런 적층형 압전 변압기의 경우 층과 층 사이에 내부전극이 형성되고 이들을 동시 소성하여야 하므로 저온에서 소결해야 하는 문제점이 된다.
또한, 종래의 압전 자기 조성물은 1200℃ ~ 1300℃ 정도의 고온에서 소성을 행하여야 하는 문제점이 있어 내부전극의 휘발과 압전 자기 조성물과 내부전극의 수축율의 차이로 인한 내부 미소 크랙(crack)의 생성으로 인해 기계적 강도와 전기적 특성의 저하를 초래하게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 압전 자기 조성물은 그 소성시 내부 결정립의 크기가 5 ~ 10㎛ 정도로 그 크기가 커서 기계적 강도 및 전기적 특성의 경시변화율을 증가시키게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 적층형 압전 변압기에 사용되는 경우, 내부전극과의 동시 소결로 인한 저온 소결의 문제점을 해결하고 고전압 하에서 사용될 경우에는 경시적으로 압전성이 저하되지 않는 동시에 높은 기계적 품질계수 및 전기기계 결합계수를 갖는 압전 자기 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 압전체의 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
1 : 압전체 2 : 출력측 단자전극 3 : 외부전극
4 : 내부전극 5 : 단자전로
본 발명은 조성식 XPb1-αBaα(Sb2/3W1/3)O3- YPb1-αBaα(Mn1/3Nb2/3)O3- ZPb(Ti0.47Zr0.53)에 의해 이루어지는 것을 특징한다. 단, 0.03≤X≤0.10, 0.03≤Y≤0.10, 0.90≤Z≤0.97, 0< α<1이고, X+Y+Z=1, X, Y, Z는 각화합물의 몰(mol)수이다.
또한, 본 발명은 상기 조성식에 은 금속을 500 ~ 1000ppm 첨가하여 1100℃ 이하 온도에서 소성한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 조성식에 CeO2를 0.1 ~1중량% 첨가시켜 결정립의 크기를 2㎛ 이하로 한 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의한 압전 자기 조성물은 아래의 조성식 1에 의해 결정된다.
(조성식 1)
XPb1-αBaα(Sb2/3W1/3)O3- YPb1-αBaα(Mn1/3Nb2/3)O3- ZPb(Ti0.47Zr0.53)
단, 0.03≤X≤0.10, 0.03≤Y≤0.10, 0.90≤Z≤0.97, X+Y+Z=1이고, α= 0.02로 설정되며, X, Y, Z는 각 화합물의 몰(mol)수이다.
저온 소결을 위한 상기 조성식 1에 500 ~1000ppm 범위의 은 금속을 사용하여 입자의 확산속도를 증가시켜 소결 중에 낮은 온도(1050℃ ~ 1100℃)에서 구조를 치밀하게 하고, 밀도를 95% 이상을 가지게 한다.
또한, 기계적 강도 및 경시변화율을 향상시키기 위하여 기존의 소결시 결정립의 크기가 5 ~ 10㎛인 것을 CeO2를 0.1 ~ 1중량%를 첨가시켜 내부구조의 결정립 크기를 2㎛ 이하로 조절하여 특성을 구현한다.
즉, 먼저 원료로 PbO, ZrO2, TiO2, MgO, Nb2O5, Sb2O3, WO3, BaCO3(모두 99% 이상의 시약)을 상기 조성식 1에 맞도록 준비하고 기구를 사용하여 24시간 혼합한다.
그 후, 건조기를 사용하여 24시간 건조를 행하고 이를 800 ~ 1000℃에서 1차로 합성을 시킨다. 그 다음, 습식 볼밀(Ball mill)을 사용하여 48 ~ 100시간 동안 분쇄를 하고 건조를 시킨다. 이렇게 제조된 합성분체의 입자크기는 평균 0.5㎛ 정도이며 비표면적은 5.05m2/g이 된다. 이 분체를 PVA 10wt%를 1wt% 첨가하여 고르게 혼합한 다음 체가름(100mesh)을 한 후 100℃에서 1시간 건조시킨다. 그 후, 직경 18mm 몰드(mold)를 사용하여 1.2 ton/mm의 힘으로 가압 성형한 후 1050 ~ 1200℃ 범위에서 소성을 수행한다.
이렇게 제조된 소성체의 양면에 은 전극을 형성한 후 700 ~ 850℃에서 소성시키고 3kV/mm의 전압으로 분극을 행한다.
이렇게 제조된 압전 자기 조성물의 전기적 특성은 표 1에 도시되어 있다.
번호 Ba PSW PMN Ce Ag(ppm) 평균결정크기(㎛) 밀도 εr kp σm 소결온도(℃)
1 0.02 0.05 0.03 - - 5.31 7.83 1850 56 1270 1170
2 0.02 0.03 0.05 - - 6.76 7.91 1450 62 1300 1170
3 0.02 0.10 0.10 - - 6.43 7.80 1630 49 1870 1170
4 0.02 0.03 0.05 0.2 - 1.3 7.84 1380 61 1700 1100
5 0.02 0.03 0.05 0.1 500 1.72 7.89 1420 60 1650 1100
6 0.02 0.05 0.05 0.2 1000 1.36 7.80 1250 59 1830 1050
7 0.02 0.10 0.10 1.0 1000 0.54 7.38 980 53 1600 1050
8 0.02 0.04 0.04 - 500 1.76 7.81 1310 58 1540 1100
상기 표 1에 도시된 바와 같이 번호 4 내지 번호 5, 번호 6내지 번호 8은 고전압 하에서 사용되는 소자로서 이용이 가능하고, 특히, 번호 4는 LCD 백라이트에 사용되는 압전 변압기의 조성으로 적합하다.
본 발명에 의한 압전 자기 조성물은 전기적, 기계적 특성이 우수하기 때문에 압전 액츄에이터나 고전압 발생장치에도 널리 사용될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의한 압전 자기 조성물은 높은 전기기계 결합계수 및 기계적 품질계수를 나타내고 결정립의 크기의 미세화로 인해 기계적 강도가 향상되며 적층형, 단판형 압전 변압기, 압전 액츄에이터, 또는 고전압 발생장치에 소자원료로서 널리 사용될 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (3)

  1. 아래의 조성식에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 자기 조성물.
    XPb1-αBaα(Sb2/3W1/3)O3- YPb1-αBaα(Mn1/3Nb2/3)O3- ZPb(Ti0.47Zr0.53)O3
    단, 0.03≤X≤0.10, 0.03≤Y≤0.10, 0.90≤Z≤0.97, 0< α<1, X+Y+Z=1이며, X, Y, Z는 각 화합물의 몰(mol)수이다..
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조성식에 은 금속을 500 ~ 1000ppm 첨가하여 1100℃ 이하 온도에서 소성한 것을 특징으로 하는 압전 자기 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조성식에 CeO2를 0.1 ~1중량% 첨가시켜 결정립의 크기를 2㎛ 이하로 조절한 것을 특징으로 하는 압전 자기 조성물.
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