KR100380109B1 - 압전 세라믹 조성물 및 이를 사용하는 압전 세라믹 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 1100℃ 이하의 저온에서 소성될 수 있고, 실용상 충분할 정도의 전기기계 결합계수를 나타내는 압전 세라믹을 얻을 수 있는 압전 세라믹 조성물, 및 이러한 압전 세라믹 조성물을 사용하는 압전 세라믹 소자를 제공한다.
본 발명의 압전 세라믹 조성물은 일반식이 CaBi4(Ti1-ySiy)4O15으로 표현되며, y는 0＜y≤0.5의 범위 내에 있는 주성분을 포함하고 있다. 이 압전 세라믹 조성물을 사용하여, 압전 세라믹의 양 주면에는 전극이 형성되어 있고, 압전 세라믹의 내부에는 내부전극이 형성되어 있는 압전 세라믹 소자를 형성할 수 있다.
Description
본 발명은 압전 세라믹 조성물 및 이를 사용하는 압전 세라믹 소자에 관한 것이다. 본 발명은 특히 압전 세라믹 필터, 압전 발진자, 압전 진동자 등의 재료에 사용되는 압전 세라믹 조성물 및 이를 사용하는 압전 세라믹 소자에 관한 것이다.
압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진자, 압전 세라믹 진동자 등의 압전 세라믹 소자에 사용되는 압전 세라믹 조성물로서, 예를 들어 티탄산지르콘산납(Pb(TixZr1-x)O3) 또는 티탄산납(PbTiO3)을 주성분으로 함유하고 있는 압전 세라믹 조성물이 광범위하게 사용되고 있다.
그러나, 티탄산지르콘산납과 티탄산납을 주성분으로 함유하고 있는 압전 세라믹 조성물에서는, 제조공정에서 일반적으로 납산화물이 사용된다. 그 결과, 납산화물의 증발에 의한 공해의 발생을 방지하기 위해서, 납분진 제거용 필터 등의 설비가 설치되어야 하며, 이로 인해 제조가가 높아진다는 문제점이 있다. 또한, 납산화물의 증발로 인해 제품의 균일성이 떨어진다.
상술한 문제점들을 해결하기 위해서, (Ca1-xMx)Bi4Ti4O15등의 비스무트 층상 화합물, 또는 이 화합물에 Mn을 첨가한 화합물 등을 주성분으로 함유하고 있는 압전 세라믹 조성물이 사용되고 있다. 이러한 압전 세라믹 조성물은 납산화물을 함유하고 있지 않으므로, 상술한 문제점들을 발생시키지 않는다.
그러나, 종래의 (Ca1-xMx)Bi4Ti4O15등을 주성분으로 함유하고 있는 압전 세라믹 조성물은, 실용상 충분할 정도의 전기기계 결합계수 kt(10% 이상)를 나타내는 세라믹을 얻기 위해서, 1150℃ 이상의 고온에서 소성될 필요가 있다. 따라서, 내부전극을 구비하고 있는 압전 세라믹 소자에 소성 온도 보다 높은 융해점을 가지고 있는 전극 재료를 사용할 필요가 있고, 이로 인해 백금, 팔라듐 등의 고가의 재료를 사용해야 한다. 이러한 고가 재료의 사용으로 인해, 압전 세라믹 소자의 제조가가 상승한다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 주 목적은 1100℃ 이하의 저온에서 소성될 수 있고, 실용상 충분할 정도의 전기기계 결합계수 kt를 나타내는 압전 세라믹을 얻을 수 있는 압전 세라믹 조성물, 및 이러한 압전 세라믹 조성물을 사용하는 압전 세라믹 소자를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물을 사용하는 압전 세라믹 소자를 도시하는 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압전 세라믹 소자에서의 전기적 접속을 도시하는 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
10 압전 세라믹 소자
12 압전 세라믹
14, 16 전극
18 내부전극
본 발명의 한 특징에 따르면, 본 발명은 일반식이 CaBi4(Ti1-ySiy)4O15으로 표현되며, y는 0＜y≤0.5의 범위 내에 있는 주성분을 함유하고 있는 압전 세라믹 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 M1이 Ca 이외의 2가의 금속 원소 또는 Bi 이외의 3가의 금속 원소이고, 일반식이 (Ca1-xM1x)Bi4(Ti1-ySiy)4O15로 표현되며, y는 0＜y≤0.5의 범위 내에 있는 주성분을 함유하고 있는 압전 세라믹 조성물을 제공한다.
2가의 금속 원소 또는 3가의 금속 원소 M1을 함유하고 있는 압전 세라믹 조성물에서, 주성분 중에 M1이 2가의 금속 원소가 되는 경우 x가 0＜x≤0.5의 범위 내에 있고, M1이 3가의 금속 원소가 되는 경우 x가 0＜x≤0.3의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
또한, 2가의 금속 원소 또는 3가의 금속 원소 M1을 함유하고 있는 압전 세라믹 조성물에서, 주성분 중에 M1은 Mg, Sr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er,Yb, Sc 및 Y 중의 적어도 1종의 원소가 되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 M2가 Bi 이외의 3가의 금속 원소이고, 일반식이 (Ca1-xM22x/3)Bi4(Ti1-ySiy)4O15로 표현되며, x는 0＜x≤0.45의 범위 내에 있고 y는 0＜y≤0.5의 범위 내에 있는 주성분을 함유하고 있는 압전 세라믹 조성물을 제공한다.
3가의 금속 원소 M2를 함유하고 있는 압전 세라믹 조성물에서, 주성분 중에 M2가 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc 및 Y 중의 적어도 1종의 원소가 되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 일반식이 CaBi4Ti4O15로 표현되는 주성분을 포함하고 있는 압전 세라믹 조성물로서, Si를 상기 일반식으로 표현되는 주성분 중에 Bi 1몰에 대해서 0.5몰 이하(0은 제외됨)를 함유하며, Ca 이외의 2가의 금속 원소를 상기 일반식으로 표현되는 주성분 중에 Bi 1몰에 대해서 0.125몰 이하(0은 제외됨)를 함유하고, 또는 Bi 이외의 3가의 금속 원소를 상기 일반식으로 표현되는 주성분 중에 Bi 1몰에 대해서 0.075몰 이하(0은 제외됨)를 함유하고 있는 압전 세라믹 조성물을 제공한다.
2가의 금속 원소 또는 3가의 금속 원소를 함유하고 있는 압전 세라믹 조성물에서, 이들 금속 원소들은 Mg, Sr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc 및 Y 중의 적어도 1종의 원소가 되는 것이 바람직하다.
또한, 이러한 압전 세라믹 조성물은 주성분 100중량%에 대해서, 망간을MnCO3로 환산하여, 5.0중량% 이하를 함유하고 있어도 된다.
아울러, 본 발명은 상술한 압전 세라믹 조성물들 중의 임의의 압전 세라믹 조성물을 사용하여 압전 세라믹에 전극이 형성되어 있는 압전 세라믹 소자를 제공한다.
상술한 압전 세라믹 조성물을 1100℃ 이하의 온도에서 소성하여, 전기기계 결합계수가 10% 이상인 압전 세라믹을 얻을 수 있다.
상술한 압전 세라믹 조성물을 사용하여 압전 세라믹 소자에 전극이 형성되어 있는 압전 세라믹 소자는 양호한 전기 특성을 가지고 있으면서도, 제조가의 절감을 이룰 수 있다.
본 발명의 상술한 목적, 그 외의 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구현예들의 상세한 기술을 통해서 명확하게 이해될 것이다.
본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은 일반식이 CaBi4(Ti1-ySiy)4O16으로 표현되며, y는 0＜y≤0.5의 범위 내에 있는 주성분을 함유하고 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은 M1이 Ca 이외의 2가의 금속 원소 또는 Bi 이외의 3가의 금속 원소이고, 일반식이 (Ca1-xM1x)Bi4(Ti1-ySiy)4O15로 표현되며, y는 0＜y≤0.5의 범위 내에 있는 주성분을 함유하고 있다. M1이 2가의 금속 원소가 되는 경우에 x는 0＜x≤0.5의 범위 내에 있고, M1이 3가의 금속 원소가 되는 경우에 x는 0＜x≤0.3의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같은 주성분 중에 2가 또는 3가의 금속 원소 M1으로서, Mg, Sr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc 및 Y 등의 원소를 사용하여도 된다. 이들 원소들은 단독으로 또는 원소들을 조합시켜 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은 M2가 Bi 이외의 3가의 금속 원소이고, 일반식이 (Ca1-xM22x/3)Bi4(Ti1-ySiy)4O15로 표현되며, x는 0＜x≤0.45의 범위 내에 있고 y는 0＜y≤0.5의 범위 내에 있는 주성분을 함유하고 있다. 주성분 중에 3가의 금속 원소 M2로서, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc 및 Y 등의 원소가 사용된다. 이들 원소들은 단독으로 또는 원소들을 조합시켜 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은 일반식이 CaBi4Ti4O15로 표현되는 주성분을 포함하고 있으며, Si를 상기 일반식으로 표현되는 주성분 중에 Bi 1몰에 대해서 0.5몰 이하(0은 제외됨)를 함유하며, Ca 이외의 2가의 금속 원소를 상기 일반식으로 표현되는 주성분 중에 Bi 1몰에 대해서 0.125몰 이하(0은 제외됨)를 함유하고, 또는 Bi 이외의 3가의 금속 원소를 상기 일반식으로 표현되는 주성분 중에 Bi 1몰에 대해서 0.075몰 이하(0은 제외됨)를 함유하고 있다. 2가의 금속 원소 또는 3가의 금속 원소를 함유하고 있는 압전 세라믹 조성물에서, Mg, Sr, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc 및 Y 등의 금속 원소가 사용된다. 이들 원소들은 단독으로 또는 원소들을 조합시켜 사용될 수 있다.
아울러, 상술한 주성분 100중량%에 대해서, 망간을 MnCO3로 환산하여, 5.0중량%를 함유하고 있어도 된다.
상술한 압전 세라믹 조성물을 사용하여, 도 1에 도시된 바와 같은 압전 세라믹 소자를 형성할 수 있다. 압전 세라믹 소자 10은, 예를 들어 직육면체 형상의 압전 세라믹 12를 포함하고 있다. 압전 세라믹 12의 양 주면의 중앙부에는, 각각 전극 14, 16이 형성되어 있다. 전극 14, 16은, 예를 들어 원형으로 형성되며, 압전 세라믹 12의 동일한 측의 모서리에서 뻗어나와 있다. 또한, 압전 세라믹 12의 내부에는, 전극 14, 16에 대해서 대향하게 원형의 내부전극 18이 형성되어 있다. 이 내부전극 18은 압전 세라믹 12의 다른 측면, 즉 전극 14, 16이 뻗어나와 있는 측면의 반대측 측면에서 뻗어나와 있다.
상술한 압전 세라믹 소자 10에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 압전 세라믹 12는 예를 들어 전극 14측으로부터 전극 16측을 향하여 분극되어 있다. 전극 14, 16이 서로 접속되어 있으며, 이 접속 부분과 내부전극 18과의 사이에 신호가 입력된다. 이 신호를 입력시킴으로써, 압전 세라믹 소자 10은 압전 진동자로서 작용한다. 이 압전 세라믹 소자 10에서는, 상술한 압전 세라믹 조성물을 1100℃ 이하의 온도에서 소성시킴으로써 압전 세라믹 12를 얻을 수 있다. 따라서, 내부전극 18의 형성에 융해점이 낮은 은 등의 금속을 사용할 수 있으며, 이로 인해 저렴한 압전 세라믹 소자 10을 얻을 수 있다. 아울러, 이 압전 세라믹 소자 10을 사용하는 압전 세라믹 12에서는 10% 이상의 전기기계 결합계수를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 압전 세라믹 진동자 10에 나타난 바와 같은 소자 구성, 및 상술한 소자 구성을 발진시키는 발진 모드(예를 들어, 길이 발진, 길이 3차 조파)를 이용하는 압전 세라믹 진동자, 압전 세라믹 필터 및 압전 세라믹 발진자등의 또 다른 압전 세라믹 소자에도 적용될 수 있다.
<실시예>
출발 원료로서, CaCO3, Bi2CO3, TiO2, MgCO3, SrCO3, BaCO3, La2O3, Nd2O3, Sm2O3, Y2O3, SiO2및 MnCO3를 준비하였다. 상기 재료들을 (Ca1-xM1x)Bi4(Ti1-ySiy)4O15+ Z중량%의 MnCO3(M1은 Ca 이외의 2가의 금속 원소를 나타내며, x, y, z는 0≤x≤0.6, 0≤y≤0.6, 0≤z≤6.0의 범위 내에 있음)의 조성, 또는 (Ca1-xM2x)Bi4(Ti1-ySiy)4O15+ Z중량%의 MnCO3(M2는 Bi 이외의 3가의 금속 원소를 나타내며, x, y, z는 0≤x≤0.4, 0≤y≤0.6, 0≤z≤6.0의 범위 내에 있음)의 조성, 또는 (Ca1-xM32x/3)Bi4(Ti1-ySiy)4O15+ Z중량%의 MnCO3(M3은 Bi 이외의 3가의 금속 원소를 나타내며, x, y, z는 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.6, 0≤z≤6.0의 범위 내에 있음)의 조성이 되게 평량하였다. 이 평량한 재료를 볼밀를 사용하여 4시간 동안 습식혼합하여, 혼합물을 얻었다. 이렇게 얻은 혼합물을 건조하며, 700℃∼900℃의 온도에서 하소하여, 하소물을 얻었다. 이 하소물을 유기 바인더를 적당량 첨가한 볼밀를 사용하여 습식 분쇄하며, 40 메쉬시브(mesh sieve)를 통해서 입도 조정하였다.
이 얻은 재료를 1000㎏/㎠의 압력으로 직경 12.5㎜, 두께 1㎜의 원판으로 성형하였으며, 이 원판을 대기중에서 1050℃∼1150℃에서 소성하여, 원판 형상의 세라믹을 얻었다. 이 세라믹의 양 주면에 은 페이스트를 도포하며, 베이킹을 실시한후에 은전극을 형성하였다. 그 다음에, 이 원판 형상의 세라믹에 150℃∼200℃의 절연 오일 중에서 5∼10㎸/㎜의 직류 전압을 10∼30분간 인가하는 분극 처리를 실시함으로써, 압전 세라믹(시료)을 얻었다. 얻은 각 시료에 대해서, 전기기계 결합계수 kt를 측정하였다. 그 결과를 표 1, 표 2, 표 3 및 표 4에 나타낸다.
| 시료번호 | M1 | x | y | z | 소성 온도(℃) | 밀도(g/㎠) | kt(%) |
| 1* | 0 | 0 | 0 | 1150 | 6.87 | 14.3 | |
| 2* | 0 | 0 | 0 | 1100 | 6.34 | 분극 불가 | |
| 3 | 0 | 0.1 | 0 | 1100 | 6.91 | 12.5 | |
| 4 | 0 | 0.3 | 0 | 1100 | 6.92 | 12.6 | |
| 5 | 0 | 0.5 | 0 | 1100 | 6.88 | 12.9 | |
| 6* | 0 | 0.6 | 0 | 1100 | 6.56 | 분극 불가 | |
| 7 | 0 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.85 | 12.8 | |
| 8 | 0 | 0.3 | 0.5 | 1100 | 6.93 | 13.1 | |
| 9 | 0 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.85 | 12.6 | |
| 10* | 0 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.62 | 9.0 | |
| 11 | 0 | 0.1 | 1.0 | 1100 | 6.98 | 12.9 | |
| 12 | 0 | 0.5 | 1.0 | 1100 | 7.00 | 12.1 | |
| 13 | 0 | 0.1 | 5.0 | 1100 | 7.04 | 11.8 | |
| 14 | 0 | 0.3 | 5.0 | 1100 | 7.02 | 11.9 | |
| 15 | 0 | 0.5 | 5.0 | 1100 | 7.02 | 11.2 | |
| 16* | 0 | 0.6 | 5.0 | 1100 | 6.58 | 8.9 | |
| 17 | 0 | 0.1 | 6.0 | 1100 | 6.45 | 10.2 | |
| 18* | Mg | 0.05 | 0 | 0.5 | 1100 | 6.58 | 7.9 |
| 19* | Mg | 0.1 | 0 | 0.5 | 1100 | 6.67 | 8.1 |
| 20* | Mg | 0.3 | 0 | 0.5 | 1100 | 6.48 | 8.0 |
| 21* | Mg | 0.5 | 0 | 0.5 | 1100 | 6.52 | 7.6 |
| 22 | Mg | 0.05 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.88 | 16.5 |
| 23 | Mg | 0.1 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 7.01 | 17.9 |
| 24 | Mg | 0.3 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.88 | 16.8 |
| 25 | Mg | 0.5 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.89 | 14.2 |
| 26 | Mg | 0.6 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.11 | 10.2 |
| 시료번호 | M1 | x | y | z | 소성 온도(℃) | 밀도(g/㎠) | kt(%) |
| 27 | Mg | 0.05 | 0.3 | 0.5 | 1100 | 6.99 | 17.2 |
| 28 | Mg | 0.1 | 0.3 | 0.5 | 1100 | 6.96 | 18.9 |
| 29 | Mg | 0.3 | 0.3 | 0.5 | 1100 | 6.92 | 16.2 |
| 30 | Mg | 0.5 | 0.3 | 0.5 | 1100 | 6.92 | 14.3 |
| 31 | Mg | 0.05 | 0.3 | 0.5 | 1100 | 6.89 | 15.5 |
| 32 | Mg | 0.1 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 7.03 | 17.0 |
| 33 | Mg | 0.3 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 7.05 | 15.2 |
| 34 | Mg | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.85 | 14.0 |
| 35* | Mg | 0.05 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.15 | 8.5 |
| 36* | Mg | 0.1 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.24 | 8.1 |
| 37* | Mg | 0.3 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.25 | 분극 불가 |
| 38* | Mg | 0.5 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.31 | 분극 불가 |
| 39 | Mg | 0.1 | 0.1 | 1.0 | 1100 | 7.01 | 14.9 |
| 40 | Mg | 0.3 | 0.1 | 1.0 | 1100 | 6.99 | 14.1 |
| 41 | Sr | 0.3 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 7.04 | 16.5 |
| 42 | Sr | 0.5 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.98 | 19.6 |
| 43 | Sr | 0.3 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.90 | 17.1 |
| 44 | Sr | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.98 | 20.7 |
| 45* | Sr | 0.3 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.15 | 7.6 |
| 46* | Sr | 0.5 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.02 | 8.3 |
| 47 | Ba | 0.3 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.86 | 14.4 |
| 48 | Ba | 0.5 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.87 | 13.5 |
| 49 | Ba | 0.3 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 7.04 | 15.3 |
| 50 | Ba | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 7.04 | 14.0 |
| 51* | Ba | 0.3 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.43 | 8.3 |
| 52* | Ba | 0.5 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.24 | 분극 불가 |
| 시료번호 | M2 | x | y | z | 소성 온도(℃) | 밀도(g/㎠) | kt(%) |
| 53 | La | 0.1 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 7.00 | 17.5 |
| 54 | La | 0.3 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.95 | 18.9 |
| 55 | La | 0.1 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.98 | 16.8 |
| 56 | La | 0.3 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.89 | 19.5 |
| 57 | La | 0.4 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.02 | 10.2 |
| 58* | La | 0.1 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.35 | 8.5 |
| 59* | La | 0.3 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.22 | 7.9 |
| 60 | Nd | 0.1 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 7.01 | 18.9 |
| 61 | Nd | 0.1 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 7.02 | 20.9 |
| 62* | Nd | 0.1 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.55 | 7.9 |
| 63 | Sm | 0.1 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.93 | 17.4 |
| 64 | Sm | 0.1 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.91 | 17.9 |
| 65* | Sm | 0.1 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.30 | 분극 불가 |
| 66 | Y | 0.1 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.87 | 19.5 |
| 67 | Y | 0.1 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.88 | 21.0 |
| 68* | Y | 0.1 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 5.99 | 분극 불가 |
| 시료번호 | M3 | x | y | z | 소성 온도(℃) | 밀도(g/㎠) | kt(%) |
| 69 | La | 0.15 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.98 | 17.2 |
| 70 | La | 0.45 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.95 | 18.5 |
| 71 | La | 0.5 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.22 | 10.7 |
| 72 | La | 0.15 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.98 | 16.3 |
| 73 | La | 0.45 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.89 | 19.7 |
| 74* | La | 0.15 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.35 | 분극 불가 |
| 75* | La | 0.45 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.25 | 분극 불가 |
| 76 | Nd | 0.15 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 7.01 | 19.1 |
| 77 | Nd | 0.15 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.93 | 18.9 |
| 78 | Nd | 0.45 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.99 | 18.3 |
| 79 | Nd | 0.45 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.91 | 18.1 |
| 80* | Nd | 0.15 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.23 | 7.6 |
| 81* | Nd | 0.15 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.30 | 분극 불가 |
| 82 | Sm | 0.15 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.87 | 18.4 |
| 83 | Sm | 0.15 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 6.88 | 18.2 |
| 84* | Sm | 0.15 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 5.99 | 분극 불가 |
| 85 | Y | 0.15 | 0.1 | 0.5 | 1100 | 6.98 | 18.2 |
| 86 | Y | 0.15 | 0.5 | 0.5 | 1100 | 7.00 | 17.4 |
| 87* | Y | 0.15 | 0.6 | 0.5 | 1100 | 6.55 | 8.0 |
상기 표 1 내지 표 4에서, *가 붙은 시료 번호는 본 발명의 범위를 벗어나는 시료를 나타낸다.
상기 표 1 내지 표 4로부터, 본 발명의 범위 내에 있는 압전 세라믹 조성물을 사용하여, 1100℃ 이하의 온도에서 소성을 실시하는 것이 가능하였다는 것을 알 수 있다. 또한, 얻은 시료의 전기기계 결합계수 kt는 10% 이상의 실용 범위 내에서 얻을 수 있다. 이 압전 세라믹 조성물이 2가의 금속 원소 M1을 함유하고 있지 않거나, 또는 x의 범위가 0＜x≤0.5의 범위 내로 한정되는 것이 바람직하다. 이 이유는, x가 0.5를 초과하는 경우에, 시료번호 26에 나타난 바와 같이, x = 0, 즉 M1을 함유하고 있지 않은 압전 세라믹 조성물과 비교하여, 전기기계 결합계수 kt가 오히려 낮아지며, M1의 존재로 인한 효과가 전혀 없다.
또한, 이 압전 세라믹 조성물은 3가의 금속 원소 M2를 함유하고 있지 않거나, 또는 x의 범위가 0＜x≤0.3의 범위 내로 한정되는 것이 바람직하다. 이 이유는, x가 0.3을 초과하는 경우에, 시료번호 57에 나타난 바와 같이, x = 0, 즉 M2를 함유하고 있지 않은 압전 세라믹 조성물과 비교하여, 전기기계 결합계수 kt가 오히려 낮아지며, M2의 존재로 인한 효과가 전혀 없다.
아울러, 이 압전 세라믹 조성물은 3가의 금속 원소 M3를 함유하고 있지 않거나, 또는 x의 범위가 0＜x≤0.45의 범위 내로 한정되는 것이 바람직하다. 이 이유는, x가 0.45를 초과하는 경우에, 시료번호 71에 나타난 바와 같이, x = 0, 즉 M3를 함유하고 있지 않은 압전 세라믹 조성물과 비교하여, 전기기계 결합계수 kt가 오히려 낮아지며, M3의 존재로 인한 효과가 전혀 없다.
또한, y의 범위는 0＜y≤0.5로 정해진다. 이 이유는, y가 0인 경우에, 시료번호 1에 나타난 바와 같이, 1100℃ 이하의 소성 온도에서는 성형체를 충분하게 소성시킬 수 없으며, 또는 시료번호 18, 19, 20, 21에 나타난 바와 같이, 실용상 충분할 정도의 전기기계 결합계수 kt를 얻을 수 없고, 또는 시료번호 2에 나타난 바와 같이, 세라믹의 분극이 불가능하기 때문이다.
한편, y가 0.5를 초과하는 경우에, 시료번호 10, 16, 35, 36, 45, 46, 51, 58, 59, 62, 80, 87에 나타난 바와 같이, 실용상 충분할 정도의 전기기계 결합계수 kt를 얻을 수 없고, 또는 시료번호 6, 37, 38, 52, 65, 68, 74, 75, 81, 84에 나타난 바와 같이, 세라믹의 분극이 불가능해진다.
또한, 망간의 첨가량은 5.0중량% 이하인 것이 바람직하다. 이 이유는, 첨가량이 5.0중량% 보다 큰 경우에는, 시료번호 17에 나타난 바와 같이, z = 0, 즉 Mn을 함유하고 있지 않은 압전 세라믹 조성물과 비교하여, 전기기계 결합계수 kt가 오히려 낮아지며, Mn의 존재로 인한 효과가 전혀 없다.
상기 표 1 내지 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 효과는 일반식 중의 M1이 Mg, Ba 및 Sr 중의 적어도 1종의 원소가 되는 경우, 또는 일반식 중의 M2 또는 M3가 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc 및 Y 중의 적어도 1종의 원소가 되는 경우에, 현저하게 나타난다. 압전 세라믹 조성물은 본 실시예에 기술한 조성물로만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위 내에 있는 어떠한 조성물이라도 유효하다.
본 발명에 따르면, 1100℃ 이하의 소성 온도에서 소성이 가능한 압전 세라믹 조성물을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물을 사용하여 얻은 압전 세라믹에서는 압전 세라믹 소자로서 실용상 충분할 정도의 10% 이상의 전기기계 결합계수 kt를 얻을 수 있다. 따라서, 은 등의 융해점이 낮은 전극 재료를 사용하는 내부전극을 형성하여도 되며, 이로 인해 저렴한 압전 세라믹 소자를 얻을 수 있다. 물론, 이 압전 세라믹 조성물에는 납이 전혀 함유되어 있지 않으므로, 납분진 등에 의한 공해가 방지될 수 있고, 이에 의해 납분진 제거용 필터 등의 특별한 설비가 필요하지 않아서, 제조가의 절감을 이룰 수 있다.
Claims (3)
- 일반식이 CaBi4(Ti1-ySiy)4O15으로 표현되며, y는 0＜y≤0.5의 범위 내에 있는 주성분을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
- 제 1항에 있어서, 상기 주성분 100중량%에 대해서, 망간을 MnCO3로 환산하여, 0중량%를 초과하여 5.0중량% 이하만큼 더 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
- 제 1항 또는 제 2항에 기재된 압전 세라믹 조성물을 사용하여 형성된 압전 세라믹에 전극을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 소자.
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