KR100358048B1 - 압전 세라믹스 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 세라믹스(Piezoelectric ceramics) 제조방법에 관한 것으로, 주 구성원소의 혼합분말을 형성하고, 상기 혼합분말을 (COOH)2수용액과 함께 교반하며, 상기 교반되는 분말에 Pb(NO3)2수용액을 적하하고, 소성공정 및 소결공정에 의해 PZT 분말을 형성함으로써, 입경이 작고 치밀한 입상을 얻을 수 있다.

Description

압전 세라믹스 제조방법{Method of fabrication a piezoelectric ceramics}
본 발명은 압전 세라믹스(Piezoelectric ceramics) 제조방법에 관한 것으로, 특히 입경이 작고 치밀한 입상을 얻을 수 있는 압전 세라믹스 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 압전 세라믹스는 초음파 송수신용, 비파괴용 초음파 트랜스듀스, 어군 탐지기, 광세트, 광변조기 컬러필터, 연소가스 조정용 엑츄에이터를 비롯한 특수용 압전체에 이용된다.
종래에는 압전 세라믹스의 원료가 되는 PZT 분말의 합성방법으로, 주 구성 원소인 PbO, ZrO2및 TiO2와 불순물인 Nb2O5등의 원료를 혼합시킨 후 고온에서 소성시켜 얻는 고상 반응법이 주로 이용되었으며, 최근에는 알콜사이드법, 공침법, 다단 습식법 등 화학 방법으로부터 얻어진 합성 분말법이 주로 시도되어 지고 있는 실정이다.
화학적인 방법으로 얻어진 합성 분말은 매우 미세할 뿐 아니라 혼합 분쇄 과정을 거치지 않기 때문에 입상을 그대로 유지할 수 있고 불순물의 혼입을 막을 수 있으므로 종래의 고상 반응법에 의한 하소 분말보다 특성이 우수하다. 그러나 PZT 세라믹스를 제조함에 있어서는 여전히 고상 반응법이 주로 이용되고 있으며, 화학적인 방법은 실용화되어지지 않고 있는데, 이는 화학적인 방법으로 PZT를 합성할 경우 제조 공정이 복잡하고 생산 단가가 높기 때문이다.
한편, 최근 분쇄 기술의 발전으로 종래의 방법에 의해 합성된 분말은 서브마이크론(submicron)까지 분쇄가 가능하게 되었고, 이러한 미쇄기술은 저온 소결(Low Temperature Sintering) 관점에서 각종 세라믹에 많이 이용되고 있다.
이와 같이 미세한 분말을 얻어 저온 소결시키기 위한 방법은 화학적인 방법으로 분체를 합성하는 방법과 기계적으로 미세하게 분쇄한 원료를 사용하여 고상반응법으로 분체를 합성하는 방법으로 대별할 수 있는데, 어느 방법이나 분말의 입자를 작게 하고 조성의 균일성을 높여 저온에서도 전기적인 특성을 향상시키는데 목적을 두고 있다.
Tashiro 등은 PbO 분말과 (Zr0.53Ti0.47)O2고용체 분말을 원료로 하여 PZT 세라믹스를 제작하였는데, 이 방법에 의하면 종래의 고상 반응법에 의한 것보다 훨씬 낮은 저온 소결에서도 치밀화가 이루어질 뿐만 아니라 압전 특성도 손색이 없다고 발표하였다. 그러면, 종래의 압전 세라믹스 제조방법을 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 종래의 압전 세라믹스 제조방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 1을 참조하여, 먼저 주구성 원소인 ZrO2, TiO2와 불순물인 Nb2O5를 (Zr0.53, Ti0.47) Nb0.01O2식에 따라 평량하고 6시간 동안 볼밀에 의해 혼합한 후(S101) 1400℃의 온도에서 6시간동안 제 1 소성(Calcination) 공정을 실시하여 NZTO 고용 분말을 만든다(S103). 이 NZTO 분말을 더욱 미세한 분말로 만들기 위해 2.5㎜¢지르코니아 볼로 12시간동안 미분쇄한다. 이와 같이 하여 얻어진 NZTO 분말에 다음의 [화학식 1]이 되도록 PbO를 가하여 볼밀에 의해 6시간동안 혼합한 후(S104), 1차 건조시킨다(S105).
Pb1.01(Zr0.53Ti0.47)O3+ 0.5mol% Nb2O5
다음에, 710℃의 온도에서 3시간동안 제 2 소성 공정을 실시하고(S106) 분쇄시킨 후(S107), 2차 건조한 다음(108) 결합제로서 PVA를 첨가하여 조립한다(S110). 이와 같이 하여 조립한 분말을 칭량하여 원판형 샘플을 제작하고(S111), 소결(Sintering) 공정을 실시한 후(S112) 제작된 샘플의 특성을 측정한다(S113).
도 2a를 참조하면, 합성된 PbC2O4분말의 입자가 비교적 크고 불규칙한 모양을 하고 있다.
도 2b를 참조하면, 하소온도가 900℃가 되어야 단일상이 생기는 것을 알 수 있다.
상술한 종래와 같은 방법으로 제조된 압전 세라믹의 PZT 분말은 혼합분쇄 과정을 통하여 입상을 그대로 유지할 수 없을 뿐만 아니라 불순물이 유입될 우려가 있으며, 단일상이 생기기 위해서는 고온에서 이루어져야 하며 공정수가 많은 단점이 있었다.
따라서 본 발명은 압전 세라믹스 제조시 불순물이 혼입되는 것을 방지하여 입경이 작고 치밀한 입상을 얻을 수 있는 압전 세라믹스 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 세라믹스의 제조방법은, 주 구성원소의 혼합분말을 형성하는 단계, 상기 혼합분말을 (COOH)2수용액과 함께 교반하는 단계, 상기 교반되는 분말에 Pb(NO3)2수용액을 적하하는 단계, 소성공정 및 소결공정에 의해 PZT분말을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 압전 세라믹스 제조방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도.
도 2a 및 2b는 종래의 제조 방법에 따른 압전 세라믹스의 분말 특성을 설명하기 위한 셈(SEM) 사진 및 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 압전 세라믹스 제조방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도.
도 4는 제조 방법에 따른 압전 세라믹스의 분말 특성을 설명하기 위한 셈(SEM) 사진.
도 5a 내지 5b는 분말 합성방법에 따른 회절 분석 패턴 특성을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 압전 세라믹스 제조방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하여, 먼저 주구성 원소인 ZrO2, TiO2와 불순물인 Nb2O5를 ZrO2, TiO2및 Nb2O5를 (Zr0.53, Ti0.47) Nb0.01O2식에 따라 평량하고, 6시간 동안 볼밀에 의해 혼합한 후(S201) 건조한다. 그 후, 상온에서 ZrO3/TiO2/Nb2O5혼합분말을 옥살산 수용액인 (COOH)2.2H2O 에 넣고 자기교반기로 30분간 충분히 분산시키고 이 수용액에 Pb(NO3)2수용액을 적하시킨다(S206). 이때 Pb(NO3)2와 (COOH)2에 의해 백색의 침전물인 PbC2O4가 생성되고, PbC2O4와 ZrO3/TiO2/Nb2O5에 의해 ZrO3/TiO2/Nb2O5+ PbC2O4가 합성된다(S207). 이때 부산물로 질산수용액이 남게되는데, 이 질산수용액이 검출되지 않을 때까지 증류수로 세척(S208)하고 건조시킨다.
다음에, 710℃의 온도에서 10시간동안 소성 공정을 실시(S209)하여 PZT분말을 형성하고, 좀더 미세하고 입도가 균일한 입자를 만들기 위해 볼밀로 6시간동안 분쇄(S210)하고 건조하는데, 결합제로 5wt.% PVA를 1wt.% 첨가한다(S211).
1.5g 씩 칭량하여 98MPa의 압력으로 15㎜의 원판형 샘플을 제작한다(S212).샘플을 마그네시아 도가니에 넣은 후 공기중에서 500℃, 6시간동안 열처리를 행하며, 850 내지 1150℃에서 250℃/hr의 승온속도로 3시간 동안 소결공정을 실시(S213)하여 샘플을 완성한다. 완성된 샘플은 초음파 세척기로 세척하고, 샘플의 양면에 은전극을 부착한 후 800℃에서 10분간 어닐링을 실시하며, 120℃의 실리콘 오일속에서 3KV/㎜의 직류전계를 30분간 가하여 분극처리를 한 후, 제작된 샘플의 특성을 측정한다(S214).
도 4를 참조하면, 합성된 PbC2O4 분말의 입자가 비교적 작고 고른 모양을 하고 있다.
도 5를 참조하면, 종래의 하소온도인 900℃보다 낮은 온도에서 단일상이 생기는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 불순물의 혼입을 방지하여 고순도의 분말을 얻을 수 있으며, 저온에서도 단일상의 PZT를 생성함으로써 전기기계 결합함수와 기계적 품질을 향상시킬 수 있다.

Claims (5)

  1. 주 구성원소인 ZrO2및 TiO2와 불순물 Nb2O5를 (Zr0.53, Ti0.47)Nb0.01O2식에 따라 평량한 후 혼합하여 혼합분말을 형성하는 단계;
    상기 혼합분말을 건조하는 단계;
    건조된 혼합분말과 (COOH)2수용액을 함께 교반시키는 단계;
    상기 (COOH)2수용액과 반응하여 백색의 침전물인 PbC2O4가 생성될 때까지 Pb(NO3)2를 적하하는 단계;
    상기 PbC2O4와 교반된 혼합분말을 합성하는 단계; 및
    소성공정 및 소결공정을 통해 PZT 분말을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합은 6시간 동안 볼밀에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 교반은 자기교반기에 의해 30분간 실시되는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 소성공정은 710℃의 온도에서 10시간동안 실시되는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소결공정은 850 내지 1150℃에서 250℃/hr의 승온속도로 3시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스 제조방법.
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