KR100363196B1 - 압전 세라믹 조성물 및 이를 사용하는 버저 및 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내열성 및 압전 특성이 모두 종래보다 높은 압전 세라믹을 사용하여 구성된 압전 버저를 제공한다. 본 발명의 압전 버저는 금속판을 구비하고 있다. 금속판에는 압전 세라믹이 형성되어 있다. 또한, 압전 세라믹에는 전극이 형성되어 있다. 압전 세라믹을 형성하는 압전 조성물은 조성식 Pb_A[Ti_xZr_1-x)_a(Sn_yCr_1-y)_bSb_c]O₃의 조성으로 나타낸 지르콘산 티탄산납(PZT)의 Pb 원자의 0.2∼2몰%를 La로 치환하고, 상기 조성식에서 A, x, y, a, b, c는 하기 방정식: 0.94≤A≤1.02, 0.46≤x≤0.51, 0.01≤y≤0.5, 0.01≤b≤0.03, 0.01≤c≤0.04, a＋b＋c = 1을 만족하는 특징이 있는 압전 세라믹 조성물이다.

Description

압전 세라믹 조성물 및 이를 사용하는 버저 및 액추에이터{Piezoelectric Ceramic Composition, Buzzer and Actuator using the same}

본 발명은 압전 세라믹 조성물, 이 압전 세라믹 조성물을 사용하는 압전 버저 및 압전 액추에이터에 관한 것이다.

압전 세라믹 조성물을 사용하여 구성된 각종의 압전 장치가 인지되어 있다. 인지된 여러 형태의 압전 장치로서는, 예를 들어 압전 버저, 압전 액추에이터, 압전 센서 및 압전 세라믹 필터 등이 있다.

회로 기판에 압전 장치를 실장하는 공정에서, 압전 장치를 구성하는 압전 세라믹은 리플로 노(reflow furnace)에서 200℃ 이상의 고온에서 노출될 것이다. 이러한 이유로, 압전 세라믹이 충분한 내열성을 가질 것이 요구되고 있다.

지르콘산 티탄산납(이하, PZT라 한다)을 사용하여 형성된 압전 세라믹의 내열성을 향상시키기 위해서, 압전 세라믹의 큐리(Curie) 온도를 높이고 압전 세라믹의 전기 저항율을 저하시키는, 여러 개의 유효한 처리 방법이 인지되어 있다. 압전 세라믹의 전기 저항율을 저하시키는 이유는 다음과 같이 설명될 수 있다. 즉, 큐리 온도보다 낮은 온도에서 초전 전하가 발생하고, 이 초전 전하에 의해 생기는 역전계 현상으로 인해서 분극이 반전되며, 그 결과 압전 d 상수, 전기기계 결합계수 등의 압전 특성이 악화되는 문제점들을 방지하는 것이 가능하게 된다.

또한, PZT계 세라믹의 큐리 온도를 대폭 낮추지 않고도 전기 저항율을 저하시키기 위해서, Cr, Mn 등을 세라믹에 극히 미량 첨가하는 다른 방법도 인지되어 있다. 그러나, Cr, Mn 등을 상기 세라믹에 첨가하면, 압전 특성이 악화될 것이다. 이러한 압전 특성의 악화를 방지하기 위해서, Nb 또는 Sb를 더 첨가하거나, Pb를 Ca, Sr, Ba, La 등으로 치환하는 것도 가능하고, 이에 의해 큐리 온도가 약간 낮아지더라도, 전기 저항율을 비교적 낮은 값으로 유지하면서 동시에 압전 특성의 악화를 억제한다.

상술한 압전 세라믹 조성물에 대해서는, 예를 들어, 일본 공개공보 특허출원(Tokkai) 제 10-7460호 및 10-95666호에 개시된 바와 같이, La, Cr 및 Sb를 함유하고 있는 PZT계에 의해 형성된 개선된 재료가 있다.

그러나, 상술한 종래의 압전 세라믹 조성물에서는 Cr 또는 Mn의 존재에 의해 압전 특성의 악화가 상당히 크다는 것을 발견하였고, 압전 특성의 악화를 억제하기 위해서 Nb 또는 Sb를 첨가하거나, 또는 Pb를 Ca, Sr, Ba, La 등으로 치환하는 경우에도, 압전 특성은 여전히 매우 낮다는 것을 발견하였다. 그 결과, 압전 버저 또는 압전 액추에이터를 구성할 때에 요구되는 압전 특성 및 내열성을 높은 수준으로 양립시키는 것이 불가능하게 된다.

일반적으로, 압전 d 상수, 전기기계 결합계수 등의 우수한 압전 특성으로 압전 버저와 압전 액추에이터 등의 압전 장치에 대한 우수한 성능을 확인할 수 있다. 반면에, 압전 장치의 성능이 리플로 노에서 실행되는 실장 공정 동안에 악화되는 경향이 있고, 고온에서 안정한 장치를 얻는 것이 매우 중요하므로, 압전 세라믹이 높은 내열성을 갖을 것이 요구된다.

본 발명의 목적은 내열성 및 압전 특성이 모두 종래보다 높은 압전 세라믹을 형성하기게 적당한 압전 세라믹 조성물을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 내열성 및 압전 특성이 모두 종래보다 높은 압전 세라믹을 사용하여 구성된 압전 버저를 제공한다.

또한, 본 발명은 내열성 및 압전 특성이 모두 종래보다 높은 압전 세라믹을사용하여 구성된 압전 액추에이터를 제공한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 압전 버저의 한 실시예를 나타내는 개략적인 평면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 압전 버저를 나타내는 개략적인 정면도이다.

도 3은 본 발명이 적용되는 압전 액추에이터의 한 실시예를 나타내는 개략적인 측면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

10 ... 압전 버저 12 ... 금속판

14 ... 압전 세라믹 16 ... 전극

20 ... 압전 액추에이터 22 ... 압전 세라믹

24 ... 내부전극 26 ... 외부전극

본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은 조성식 Pb_A[Ti_xZr_1-x)_a(Sn_yCr_1-y)_bSb_c]O₃의 조성으로 나타낸 지르콘산 티탄산납(PZT)의 Pb 원자의 0.2∼2몰%를 La로 치환하고, 상기 조성식에서 A, x, y, a, b, c는 하기 방정식: 0.94≤A≤1.02, 0.46≤x≤0.51, 0.01≤y≤0.5, 0.01≤b≤0.03, 0.01≤c≤0.04, a＋b＋c = 1을 만족하는 특징이 있다.

본 발명에 따른 압전 버저는 압전 세라믹을 사용하여 구성되고, 이 압전 세라믹은 상술한 압전 세라믹 조성물을 사용하여 형성되는 특징이 있다.

본 발명에 따른 압전 액추에이터는 압전 세라믹을 사용하여 구성되고, 이 압전 세라믹은 상술한 압전 세라믹 조성물을 사용하여 형성되는 특징이 있다.

본 발명에 따라 제공된 압전 세라믹 조성물에서는, PZT의 Pb 원자의 일부를 La로 치환하고, Ti 및 Zr 사이트(site) (B 사이트)를 부분적으로 Sb로 치환하므로, 압전 d 상수, 전기기계 결합계수 등의 압전 특성이 높은 압전 세라믹을 얻는 것이 확신된다.

아울러, 본 발명에 따라 제공된 압전 세라믹 조성물에서는, B 사이트가 부분적으로 Cr로 치환되므로, 전기 저항률을 저하시키고, 내열성을 증가시키도록 압전 세라믹의 압전 특성을 실제적으로 유지하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에 따라 제공된 압전 세라믹 조성물에서는, Cr을 부분적으로Sn으로 치환하므로, Cr의 존재에 의한 압전 특성만 아니면, 압전 특성의 악화를 억제하는 것이 가능하고, 동시에 압전 세라믹의 내열성을 양호하게 유지하는 것도 가능하다. 이 사실에 대한 이유는 다음과 같이 설명될 수 있다. 즉, Sn이 Cr과 비교하여 보다 용이하게 조성 입자로 용해될 것이므로, Sb의 용해 공정이 촉진될 것이다. 결론적으로, Sb의 입자 경계에서의 석출량이 감소되므로, Pb와 Sb를 함유하고 있는 다른 상(phase)의 화합물의 생성을 억제하는 것이 가능하고, 이에 의해 압전 세라믹의 압전 특성이 향상되는 것을 고려한다.

본 발명의 상기 목적 및 그 외의 목적들뿐만 아니라 본 발명의 특징 및 이점은 본 발명의 바람직한 구현예들의 상세한 기술을 통해서 보다 용이하게 이해될 것이다.

(실시예)

원료 분말로서, PbO, La₂O₃, TiO₂, ZrO₂, Cr₂O₃, SnO₂, Sb₂O₃를 준비하였다. 다음으로, 상기 분말을 하기 표 1에 나타낸 각 조성으로 칭량하여 분말 혼합물을 준비하였다. 그 후에, 이 분말 혼합물에 물을 첨가하였고, 볼밀(ball mill)을 사용하여 16시간 동안 습식혼합 처리를 행하였다. 하기 표 1에서, 조성식 Pb_A[Ti_xZr_1-x)_a(Sn_yCr_1-y)_bSb_c]O₃의 조성으로 나타낸 지르콘산 티탄산납(PZT)의 Pb 원자를 La로 치환할 때에, La의 비(몰%)와 상기 조성식에서 A, x, y, a, b, c의 각 값을 하기 표 1의 형태로 나타낼 수 있다는 것을 보여준다. 또한, 상기 조성식에서, a＋b＋c = 1 이다.

상기 공정으로 얻어진 혼합물을 건조한 다음에 약 800∼950℃의 온도에서 하소하여, 하소 분말을 얻었다. 이어서, 이 하소 분말에 유기 바인더(organic binder)를 첨가하였고, 가압 처리를 행하여 소정의 형태로 성형하였으며, 그 다음에 약 1050∼1200℃의 온도에서 소성하여, 원하는 세라믹을 얻었다. 그 다음에, 얻은 세라믹을 연마하여, 두께 0.6㎜의 얇은 소자를 성형하였다. 그 다음에, 이 얇은 세라믹 소자의 양 주면에 각각 전극을 형성하였고, 이 얇은 세라믹 소자를 전기적인 절연 오일 중에 침전시켜, 2∼3㎸/㎜의 전계하에서 분극 처리를 행하였다. 그 다음에, 상기 공정으로 얻어진 세라믹을 각각 3㎜×13㎜×0.6㎜의 크기로 절단하여 소형의 압전 소자를 형성하였다.

다음으로, 상기 공정으로 얻은 압전 소자의 비유전율 (ε₃₃ ^T/ε₀), 압전 특성(k₃₁, ｜d₃₁｜), 전기 저항률(ρ), 큐리 온도(Tc)를 측정하였다. 이어서, 상기 압전 소자를 가열하여, 내열성을 측정하였다. 상세히하면, 가열한 압전 소자를 240℃의 온도에서 3분간 방치하였고, 실온에서 24시간 동안 방치한 후에 압전 특성(k₃₁, ｜d₃₁｜)을 측정하였다. 이 측정 결과를 하기 표 2에 나타낸다. 표 1 및 표 2에서, 시료 번호에 *가 표시된 각 시료는 본 발명의 범위를 벗어나는 예를 나타내는데 사용된다.

표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 범위 내에 있는 조성으로 구성된 압전 소자는 압전 d₃₁상수가 ｜d₃₁｜≥ 200pC/N 의 크기이다. 또한, 압전 소자를 240℃의 온도에서 3분간 방치하였고, 실온에서 24시간 동안 방치한 후에도, 압전 d₃₁상수는 ｜d₃₁｜≥ 200pC/N 의 크기이다.

한편, 시료번호 6 및 11의 경우에, 본 발명의 압전 세라믹 조성물의 조성식에서 Pb의 함유량 A가 0.94≤A≤1.02의 범위를 벗어나 있다면, 압전 세라믹의 소결성이 악화되므로, 이러한 Pb의 함유량은 바람직하지 않다.

또한, 시료번호 1의 경우에 Pb와 치환되는 La의 몰비가 0.2몰% 미만이 되는 예, 시료번호 12 및 15의 경우에 Ti/Zr 몰비가 Ti의 몰비 x가 0.46≤x≤0.51의 범위를 벗어나는 예, 시료번호 24의 경우에 Sb의 함유량 c가 0.01 미만이 되는 예, 시료번호 23의 경우에 Sn과 Cr의 합계 함유량 b가 0.03을 초과하는 예, 시료번호 16의 경우에 Cr을 Sn으로 치환하지 않은 예에서는, 압전 d₃₁상수만이｜d₃₁｜＜ 200pC/N 의 크기이므로, 바람직하지 않다.

또한, 시료번호 5의 경우에 Pb와 치환되는 La의 몰비가 0.2몰%를 초과하는 예는, 큐리 온도가 250℃ 이하이고 내열성이 낮으므로 바람직하지 않다.

아울러, 시료번호 19의 경우에 Cr과 치환되는 Sn의 치환량이 0.5를 초과하는 예, 시료번호 20의 경우에 Cr과 Sn의 합계 함유량이 0.01 미만이 되는 예, 시료번호 27의 경우에 Sb의 함유량이 0.04를 초과하는 예에서는, 모두 절연 저항율이 1×10¹⁰Ω·m 이상으로 증가된다는 것이 발견되었다. 그 결과, 내열성이 양호하지못하므로, 바람직하지 않다.

이러한 방법으로, 본 구현예에 따르면, 본 발명의 범위 내에 있는 압전 세라믹은, 240℃의 온도에서 3분간 방치하고 그 다음에 실온에서 24시간 방치한 경우에도, 압전 d₃₁상수가 ｜d₃₁｜≥ 200pC/N 만큼 컸다. 즉, 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물을 함유하고 있는 압전 세라믹은, 종래의 압전 세라믹과 비교하여, 압전 특성(k₃₁, ｜d₃₁｜)과 내열성이 높은 수준으로 양립하고 있다.

본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은, 예를 들어 도 1 및 도 2에 도시된 압전 버저 10의 압전 세라믹 14, 및 도 3에 도시된 압전 액추에이터 20의 압전 세라믹 22의 형성에 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 배경과 본 발명이 적용되는 압전 버저의 한 실시예를 나타내는 개략적인 평면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 압전 버저를 나타내는 개략적인 정면도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 압전 버저 10은 예를 들어 원형의 금속판 12를 가지고 있다. 금속판 12의 중앙에는, 예를 들어 원형의 압전 세라믹 14가 형성되어 있다. 이 압전 세라믹 14는 두께 방향으로 분극된다. 또한, 압전 세라믹 14에는 전극 16이 형성되어 있다. 이 압전 버저 10을 사용하여, 금속판 12와 전극 16과의 사에에 교류 신호를 입력하자마자, 압전 세라믹 14와 금속판 12는 진동할 것이고, 이에 의해 음이 발생한다.

도 3은 본 발명의 배경과 본 발명이 적용되는 압전 액추에이터의 한 실시예를 나타내는 개략적인 측면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 압전 액추에이터 20은 도면에 도시된 바와 같은 방식으로 상호 적층되어 있는 짧은 조각 형상의 복수개의 압전 세라믹 22를 가지고 있다. 이 압전 세라믹 22는, 상호 인접하고 있는 2개의 소자들 마다 상호 대향하는 두께 방향으로 분극되도록, 배열되어 있다. 또한, 이러한 압전 세라믹 22 사이에는, 복수개의 내부전극 24가 각각 형성되어 있다. 이 때에, 한쪽의 내부전극 24는 압전 세라믹 22의 길이 방향으로 액추에이터 20의 한 측쪽으로 연장되게 형성되어 있고, 남아 있는 다른 내부전극 24는 압전 세라믹 22의 길이 방향으로 압전 액추에이터 20의 다른 측쪽으로 연장되게 형성되어 있다. 부가하여, 이러한 압전 세라믹 22의 양측면에는 외부전극 26, 26이 형성되어 있다. 이 때에, 한쪽의 외부전극 26은 한쪽의 내부전극 24에 접속되어 있고, 다른쪽의 외부전극 26은 남아 있는 다른쪽의 내부전극 24에 접속되어 있다. 이 압전 액추에이터 20의 사용에서, 2개의 외부전극 26, 26 사이의 위치에서 소정의 방향으로 직류 신호를 인가하자마자, 압전 액추에이터가 전체적으로 압전 세라믹 22의 두께 방향으로 연장할 것이고, 이에 의해 스위치 등의 다른 부재로 작동한다.

사실상, 본 발명의 압전 세라믹도 또한 다른 압전 장치에 이용되어도 된다. 이러한 방법으로, 압전 세라믹의 높은 내열성과 높은 압전 특성을 종래에 비해서 높은 수준으로 양립하는 것이 가능하다.

본 발명을 사용함으로써, 압전 세라믹의 높은 내열성과 높은 압전 특성을 종래에 비해서 높은 수준으로 양립시킬 수 있는 압전 세라믹 조성물을 얻는 것이 가능하다.

이러한 방법으로, 본 발명의 압전 세라믹 조성물을 압전 버저 또은 압전 액추에이터를 제작하기 위해서 사용함으로써, 실장시의 리플로 노 또는 고온하에서 구동시에 높은 안정성을 보이며, 전계 유도 변위가 큰 압전 장치를 얻는 것이 가능하다.

Claims (3)

1. 조성식 Pb_A[Ti_xZr_1-x)_a(Sn_yCr_1-y)_bSb_c]O₃의 조성으로 나타낸 지르콘산 티탄산납 (PZT)의 Pb 원자의 0.2∼2몰%를 La로 치환하고, 상기 조성식에서 A, x, y, a, b, c는 하기 방정식: 0.94≤A≤1.02, 0.46≤x≤0.51, 0.01≤y≤0.5, 0.01≤b≤0.03, 0.01≤c≤0.04, a＋b＋c = 1 을 만족하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
2. 진동판, 압전 세라믹 및 전극을 포함하는 압전 버저에 있어서,

   상기 압전 세라믹은제 1항에 의한 압전 세라믹 조성물을 소성하여 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 버저.
3. 압전 세라믹, 상기 압전 세라믹의 내부에 형성된 내부전극 및 상기 내부전극과 접속되며 상기 압전 세라믹의 외부에 형성되는 외부전극을 포함하는 압전 액추에이터에 있어서,

   상기 압전 세라믹은제 1항에 의한 압전 세라믹 조성물을 소성하여 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 액추에이터.