KR100392754B1 - 강유전체 단결정 및 그의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하기 화학식 1의 조성을 갖는 강유전체 단결정 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따라 수득된 강유전체 단결정은 압전성이 크고 전기기계결합계수가 높으며 전기광학계수가 큰 완화형 강유전체로서, 고성능 무선통신용 SAW(Surface Acoustic Wave)소자, 광통신용 초고속 광변조기, 초음파 탐촉자 디바이스의 제조에 유용하며, 또한 본 발명에 따른 단결정 제조방법은 직경 5cm 이상의 단결정과 그의 웨이퍼를 제조할 수 있어 상업적 응용과 대량 생산을 가능하게 한다.
상기 식에서, [A]는 납 마그네슘 나이오베이트 또는 납 아연 나이오베이트이고, [B]는 납 타이타네이트이며, [C]는 리튬 탄탈레이트 또는 리튬 나이오베이트이고, [P]는 백금, 금, 은, 팔라디움 및 로디움으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속이며, [N]은 니켈, 코발트, 철, 스트론티움, 스칸디움, 루쎄니움, 구리 및 카드뮴으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속의 산화물이고, x, y, z, p 및 n은 각각 0.65 < x < 0.98, 0.01 < y < 0.34, 0.01 < z < 0.1, 0.01 < p < 5, 0.01 < n < 5를 만족하는 범위이다.
Description
본 발명은 탁월한 강유전체 특성, 압전체 특성, 전기기계적특성, 전기광학적 특성 등을 가진, 상업적으로 쉽게 전자 디바이스로 사용할 수 있는 크기인 직경5cm 이상의 강유전체 세라믹 단결정 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
단결정이란, 일반 세라믹 성분들이 분말로 존재하여 입자들의 경계를 가지고 무질서한 상태로 존재하는 것과 근본적으로 다르게, 경계가 없는 하나의 규칙적인 배열을 하는 균질한 상태를 말한다. 그리고 이러한 규칙적인 물리적 상태에 기인하여 일반 세라믹스와는 완전히 다른 중요한 물리적, 전기전자적, 광학적, 전기광학적 특성을 제공하여 무선통신용 SAW(surface acoustic wave) 소자, 광통신용 광변조기, 의료용, 군사용 초음파 탐촉자 등 많은 첨단 디바이스들이 이러한 단결정 소재를 사용하여 만들어진다.
이러한 단결정 중에서 지능성 완화형 강유전체 특성을 가지고 있는 단결정은 지능성을 가지고 있어 센서로서 사용될 수 있으며, 단결정이 가지는 주어진 공간에서 가장 밀접된 원자 및 분자들의 질서 정연한 배열로 인하여 미세 가공이 가능하며 입경이 존재하지 아니하여 높은 압전성, 전기기계적, 전기광학적 특성 등을 나타낸다. 본원에서, 완화형이란 용어는 대부분의 전기부품이나 소자, 재료, 기기 등이 지니고 있는 심각한 문제점인 외부온도에 의한 물리적 특성 값이 영향을 받는 온도 의존성을 완만하게 만드는 뛰어난 특성을 말한다.
이러한 우수한 특성에 기인하여 완화형 지능성 강유전체 단결정은, 결정에 응력을 가했을 때 전압이 발생하거나 반대로 전압을 가하면 일그러짐이 발생하는 압전성을 이용하여 초음파발생 소자, 액추에이터, 마이크로폰, 유무선 통신용 표면 탄성파 소자(Surface acoustic wave,SAW)등에 사용될 수 있다. 또한 뛰어난 전기광학적 특성에 기인하여, 광통신용 기능성 소자인 광변조기, 광스위치 등에 유망한소재이다.
그러나, 상기와 같이 뛰어난 특성을 가지고 있고 많은 첨단 디바이스로의 응용이 기대되는 단결정 소재라 하여도 상업적으로 가치를 가질수 있는 5cm(2인치)크기 이상의 직경을 갖는 결정으로 만드는 것이 대단히 어려워 지금까지 상용화가 되지 못하고 있는 실정이다. 이와 관련된 지금까지의 연구 보고를 살펴보면 아래와 같다.
새로운 완화형 강유전체 세라믹스 조성의 하나인 납 마그네슘 나이오베이트 [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3,이하 PMN 이라한다]에 대해 최초로 1959년 러시아 과학자 스몰렌스키(G. A. Smolenskii)와 아그래노프스카야(A. I. Agranovskaya)가 학회지[Sov. Phys. Solid State vol.1, 1429(1959)]에 보고한 바 있다. 이렇게 최초로 세라믹 조성이 보고된 이후 보너(W.A.Bonner)와 위터트(L.G. Van Uitert)가 학회지[Mater. Res. Bull. Vol.2, 131(1967)]에 카이로플러스(Kyropoulos) 방법을 사용하여 수 mm에서 2 cm 이하 크기의 PMN 단결정을 성장시켜 보고하였다. 그리고 1980년에 와서, 세터(N. Setter)와 크로스(L. E. Cross)가 학회지[J. Cryst. Growth, Vol. 50, p 555(1980)]에 플럭스 방법을 사용하여 직경 1cm 크기의 PMN 단결정을 성장하여 보고하였다. 또한, 이 물질이 갖는 여러 가지 특성과 그것의 PT 화합물인 PMN-PT 단결정에 관한 특성을 1983년 노무라(S. Nomura)와 우치노(K. Uchino)가 학회지[Ferroelectrics Vol. 50, p 107-203(1983)]에 보고하었다. 이 보고에 의하면, 상기 물질의 단결정은 압전특성, 전기기계적 특성, 강유전성, 초전성 등에서탁월한 특성들을 가지고 있다고 기재하였다.
이후에도 지금까지도 많은 연구들이 발표되고 있으나 최근 들어 이상구 등이 1999년 학회지[Appl. Phys. Letts. Vol. 74, No. 7, 1030(1999)]에 최초로 브리지만 방법을 이용하여 PMN의 단결정 1cm 급을 성장시키는데 성공하였고 그 뛰어난 물리적 특성을 보고하였다. 그리고, 중국의 과학자 루오(Luo) 등이 보완된 브리지만 방법을 사용하여 직경 2.5 cm 급의 PMN-PT 단결정을 성장시켰고 그 물성을 IEEE 학회에서 발표[1999 IEEE Ultrasonic symposium-1009]하였다.
그러나, 앞에서 살펴본 종래의 PMN-PT의 조성과 그 조성을 사용한 단결정 제조 방법으로는 연구용이나 시험용으로 밖에 사용할 수 없는 직경 2.5 cm 급 이하 크기의 단결정 제조 방법만이 보고되거나 연구되었다. 이와 같은 크기로는 현재의 디바이스 제조 공정용으로 사용될 수 있는 최소한의 웨이퍼 크기인 직경 5cm에 훨씬 못 미치므로 상기 단결정 소재를 사용한 디바이스 개발이 이루어지지 않고 있는 실정이다. 그나마 지금까지 보고되어온 단결정 제조 방법 중에서 가장 재현성이 뛰어난 방법인 플럭스 성장 방법은 상업적 대량생산 방법으로는 사용하기 어려운 일정하지 않은 크기의 단결정이 얻어진다는 단점이 있었다.
지난 40 년간 완화형 강유전체 단결정에 대한 연구가 지속되었음에도 불구하고 여전히 상용화 디바이스에 적용되지 못하고 있는 가장 큰 이유는 납 성분을 다량함유하고 있는 상기 강유전체 물질의 특성상 기존의 일반적인 단결정 성장방법으로는 직경 5cm 급 이상의 큰 결정을 안정적으로 생산하기가 불가능하였기 때문이다.
따라서, 본 발명은, 지금까지 보고된 종래의 조성이 가지고 있는 전자기적, 광학적, 전기-광학적 특성값의 한계와 또한 결정의 크기로 인해 상업화되지 못하는 한계를 극복하기 위해 안출된 것으로서, 그 특성값이 첨단 무선통신용, 초음파 탐촉자용, 광통신용 초고속변조기 등의 디바이스 제조에 적합한 새로운 조성의 지능성 완화형 강유전체 단결정을 상업화가 가능한 5cm 이상의 결정 직경으로 제조하는데 그 목적을 두고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 직경 5cm 이상 크기의 단결정 덩어리의 외형 사진을 보여주는 사진이고 (㉮ : 단결정 인갓, ㉯ : 단결정을 웨이퍼로 가공한 상태),
도 2는 본 발명에 따른 단결정 제조에 사용되는 직경 5cm 이상 크기의 실린더 형태의 밀폐형 도가니의 외형사진이며,
도 3은 본 발명에 따른 단결정을 이용하여 제작한 표면탄성파 필터의 패턴사진이고,
도 4는 본 발명에 따른 단결정을 이용하여 제작한 표면탄성파 필터의 주파수 응답을 보여주는 그래프이다.
상기 목적에 따라 본 발명에서는, 하기 화학식 1의 조성을 가진 강유전체 단결정을 제공한다:
화학식 1
x[A]y[B]z[C]-p[P]n[N]
상기 식에서,
[A]는 납 마그네슘 나이오베이트[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3] 또는 납 아연 나이오베이트[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]이고,
[B]는 납 타이타네이트[PbTiO3]이며,
[C]는 리튬 탄탈레이트[LiTaO3] 또는 리튬 나이오베이트[LiNbO3]이고,
[P]는 백금, 금, 은, 팔라디움 및 로디움으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의금속이며,
[N]은 니켈, 코발트, 철, 스트론티움, 스칸디움, 루쎄니움, 구리 및 카드뮴으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속의 산화물이고,
x는 0.65 보다 크고 0.98 보다 작은 수이며,
y는 0.01 보다 크고 0.34 보다 작은 수이고,
z는 0.01 보다 크고 0.1 보다 작은 수이며,
p 및 n은 각각 0.01 보다 크고 5 보다 작은 수이다
또한, 본 발명에 따르면,
(1) (a) 납 마그네슘 나이오베이트[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3] 및 납 아연 나이오베이트[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3] 중에서 선택된 한 성분, (b) 납 타이타네이트[PbTiO3] 및 (c) 리튬탄탈레이트[LiTaO3] 또는 리튬 나이오베이트[LiNbO3]를 각각 0.65 내지 0.98 몰, 0.01 내지 0.34 몰 및 0.01 내지 0.1몰 범위의 양으로 혼합하고,
(2) 상기 혼합물에, 상기 성분 (a), (b) 및 (c)의 총량을 기준으로, (d) 백금, 금, 은, 팔라디움 및 로디움으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속 및 (e) 니켈, 코발트, 철, 스트론티움, 스칸디움, 루쎄니움, 구리 및 카드뮴으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속의 산화물을 각각 0.01 내지 5 중량%의 양으로 가하고,
(3) 생성 혼합물을, 유기 용매를 분산 매질로 하여 분쇄혼합하고, 건조 및 소성시킨 다음 분말로 분쇄하고,
(4) 수득된 분말을 고온고압이 가능한 그림2에 나타낸 도가니에 주입한 후 도가니를 밀폐시키고 용융시킨 다음 서냉하여 결정화하는 것을 포함하는, 본 발명의 상기 화학식 1의 지능성 완화형 강유전체 단결정의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 강유전체 단결정은 구성 성분들의 고상 반응(제1단계 반응)과 용융결정화 반응(제2단계 반응)을 통하여 제조되며, 균질한 화합물 조성을 갖는 새로운 물질이다. 본 발명의 단결정은 지금까지 보고된 것보다 높은 전기 기계 결합계수와 압전성을 나타내고, 투광도도 60%이상이 되며, 전기광학계수가 높으므로, 초음파 발생 디바이스, 무선통신용 SAW 소자, 광통신용 기능성소자인 광변조기에 유용하게 사용할 수 있다.
본 발명에 나타낸 조성의 단결정 제조 과정을 구체적으로 살펴보면, 먼저, 반응원료로서, 납 마그네슘 나이오베이트[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3] 및 납 아연 나이오베이트[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]중에서 한 성분과, 납 타이타네이트[PbTiO3], 리튬탄탈레이트[LiTaO3] 또는 리튬 나이오베이트[LiNbO3]를 계량, 혼합하며, 사용량은 각각 0.65 내지 0.98 몰, 0.01 내지 0.34 몰 및 0.01 내지 0.1몰 범위이다.
생성 혼합물에, 상기 3가지 성분의 총량을 기준으로, 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 팔라디움(Pd) 및 로디움(Rh)으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속 및 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 스트론티움(Sr), 스칸디움(Sc), 루쎄니움(Ru), 구리(Cu) 및 카드뮴(Pd)으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속의 산화물을가하며, 사용량은 각각 0.01 내지 5 중량%의 범위이다.
이어서, 생성 혼합물을, 유기 용매를 분산 매질로 하여 분쇄혼합한 후 건조 및 소성시킨다. 유기용매로는 에틸 알콜, 이소프로필 알콜 등과 같은 용매를 사용할 수 있다. 건조는 통상의 방법에 따라, 즉 건조기를 이용하여 예를 들면 150 내지 200 ℃ 범위의 온도에서 수행할 수 있고, 소성은 예를 들면 850 내지 1000℃의 온도 범위로 1시간 내지 10시간 동안 수행할 수 있다.
상기와 같이 하여 얻어진 물질은 새로운 조성의 세라믹 분말이지만 실제로 원자 및 분자 수준 또는 화합물이 가지는 고유한 격자특성 같은 물리 화학적인 특성은 여전히 매우 불균일한 상태이다. 따라서, 이러한 불균일한 화합물의 상태를 조성 및 물리 화학적으로 균질한 화합물로 만들기 위하여 이어서 제2단계로 용융결정화 공정을 수행한다.
용융결정화 단계에서는, 제1단계의 고상반응을 거친 세라믹 분말을 그림2에 나타내 것과 같이 직경을 5cm 이상으로 하는 백금 도가니 또는 백금로디움 합금 도가니 또는 이리듐 밀폐된 도가니에서 고온고압상태로 용융시킨 다음 서냉하여 결정화시킨다. 용융은 1,300 내지 1,500 ℃ 범위의 고온과 20 psi 내지 200 psi의 고압에서 완전히 용해시킴으로써 수행하며, 서냉은 80 내지 100시간 동안에 걸쳐 서서히 실온으로 냉각시킴으로써 수행한다. 이 단계에 의해, 원자나 분자 수준 및 물질의 격자구조까지도 균질하여 제1단계 후의 세라믹 분말일 때와는 물리 화학적으로 전혀 다른 특성을 나타내는 균질한 조성의 화합물을 수득할 수 있다. 또한 상기의 사진에 나타낸 것과 같은 형태의 도가니의 직경을 자유로이 키울 수 있어 얼마든지 큰 직경의 일정한 원주 형태로 만들 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 새로운 지능성 완화형 강유전체 단결정은 높은 전기 기계 결합계수와 압전성을 나타내고, 투광도도 60%이상이 되며, 전기광학계수가 높으므로, 초음파 발생 디바이스, 무선통신용 SAW 소자, 광통신용 기능성소자에 효과적으로 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예로서 기술하며, 실시예가 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
실시예 : 강유전체 단결정의 제조
하기 표 1에 나타낸 바와 같은 반응원료를 계량, 혼합한 다음, 0.5" 지르코니아 볼밀에서 에탄올을 분산 매질로 하여 분쇄 혼합하였다. 이어서, 생성 혼합물을 150 ℃의 온도로 제어된 전기로에서 건조시키고, 뚜껑이 있는 알루미나 도가니에서 920℃의 온도로 6시간 동안 소성시켰다. 소성된 물질을 다시 볼 분쇄기로 균일하게 분쇄하였다.
상기 세라믹 분말을 백금 도가니에 넣고 밀봉한 다음 고온 결정 성장로 (1,500℃, 100 psi)에 20시간동안 두어 완전히 용융시킨 후, 120 시간동안에 걸쳐 서서히 20℃로 냉각시켜, 투명하고 균질한 조성의 결정을 수득하였으며, 수득된 결정의 모습을 도 1의 ㉮에 나타내었고 그 결정을 웨이퍼로 가공한 것을 도 1의 ㉯에 나타내었다.
반응원료 | x[A]0.65<x<0.98x: molx+y+z=1 | y[B]0.01<y<0.34y:mol | z[C]0.01<z<0.1z:mol | p[P]0.01<p<5p: w/w%=P/(A+B+C) | n[N]0.01<n<5n: w/w%=N/(A+B+C) | 조성식 | |
[A]:[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3][Pb(Zn1/3Nb2/3)O3] | [B]PbTiO3 | [C]LiTaO3 | [P]:PtAgAuPdRh | [N]:NiOCoFe2O3ScOSrORuO2CuOCdO | x[A]y[B]z[C]-p[P]n[N] | ||
실시예 | 1 | [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.65몰 | 0.33몰 | 0.02몰 | Pt 1중량% | NiO 1 중량% | MPN |
2 | [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.66몰 | 0.33몰 | 0.02몰 | Ag 1중량% | NiO 1 중량% | MAN | |
3 | [Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]0.89몰 | 0.09몰 | 0.02몰 | Pt 1중량% | NiO 1 중량% | ZPN | |
4 | [Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]0.89몰 | 0.09몰 | 0.02몰 | Ag 1중량% | NiO 1 중량% | ZAN | |
MPN : 0.65[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.33[PbTiO3]0.02[LiTaO3]-1[Pt]1[NiO]MAN : 0.80[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.18[PbTiO3]0.02[LiNbO3]-1[Ag]1[NiO]ZPN : 0.89[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]0.09[PbTiO3]0.02[LiTaO3]-1[Pt]1[NiO]ZAN : 0.89[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]0.09[PbTiO3]0.02[LiTaO3]-1[Ag]1[NiO] |
시험예 1: 의료용 초음파 진단기 제작을 위한 전기기계적, 압전성 성능 시험
상기 실시예 1에서 수득한 단결정의 초음파 진단기를 위한 탐촉자 제조를 위한 특성을 측정하기 위하여, 상기 단결정의 양면을 0.5 mm 두께로 연마하고 초음파 세척기로 세척한 후, 양면에 DC 마그네트론 스퍼터(magnetron sputter)(Model KVSC T5050, 한국진공과학(Korea Vacuum Science))를 이용하여 15 x 15 mm의 크롬 전극을 형성하였다.
HP 4192A LF 임피던스 분석기(미국의 휴렛 팩커드사(Hewlett-Packard Co.)제품)를 이용하여 1 kHz 0.5Vrms에서 측정한 캐패시턴스(capacitance)와 산만도(dissipation)를 이용하여, 상기 단결정의 유전상수와 유전손실을 계산하였다. 또한, 압전특성으로서, 상기 단결정에 3kV/cm의 전계를 120℃에서 30분 인가하여 분극처리 한 후, 공진, 반공진 법을 이용하여 분극 방향 진동모드의 전기기계 결합계수 (k33)와 압전 전하계수(d33)를 계산하였다. 상기 전기기계 결합계수는 압전체에 전기장을 인가할 때, 전기에너지가 기계적 에너지로 변화되는 효율을 의미하며, 분극 방향 진동모드의 압전 전하계수(d33)는 축방향으로 일정한 압축 또는 인장응력이 가해졌을 때 축방향에서 발생하는 전하량(D3)의 척도이다.
상기 단결정 및 종래 물질들의 유전 상수와 손실 유전 상수, 및 전기기계 결합계수 특성값들을 비교하여 하기 표 2에 나타내었다.
PZT-5A | PZT-5H | 모토롤라 3203 HD | PZN-PT단결정 | MPN 단결정(실시예 1) | |
유전상수 | 1700 | 3400 | 3800 | 5000 | 5500 |
손실유전상수 | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.014 | 0.006 |
d33(pC/N) | 374 | 593 | 650 | 2000 | 2500 |
k33 | 0.705 | 0.75 | 0.75 | 0.91 | 0.92 |
상기 표에서 본 발명의 데이터 이외의 것은 문헌 [K.H. Hellwege et al, Landolt-Bornstein, Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, pp125, Spring-Verlag Berlin NY 1981] 및 문헌 [Ronald E McKeighen,"Design Guidelines for Medical Ultrasonic Arrays": presented at the SPIE International Symposium on Medical Imaging, San Diego, CA, 1998]을 참조한 것이다.
시험예 2 : SAW 필터 제작을 위한 특성 시험
하기 공정에 따라, 본 발명에 따른 단결정을 이용하여 표면탄성파 필터를 제조하였다.
먼저, 실시예 1에서 제조된 압전 단결정 기판의 표면을 유기질 제거용으로 널리 사용되는 DECONEX 5%와 탈 이온수 95%로 구성된 용액에서 40℃ 20분간 초음파 세척을 하고 린싱한 후에 반도체 표면 세정 공정을 거쳐 세정하였다.
상기와 같이 세정된 단결정 기판 표면에, 스퍼터링(sputtering)법에 의해 알루미늄 합금(Al-0.5%Cu)을 1000 옹스트롱 이상의 두께로 증착하여 변환기를 제조하였다. 변환기는 압전 단결정 기판에 전기적인 신호를 전달하는 입력 변환기와 압전 단결정 기판으로부터 변환된 전기적인 신호를 외부로 전달하기 위한 출력 변환기로 이루어지며, 상기 압전 단결정 기판위에 반도체 공정을 통해 패턴화하여 형성하였다. 즉, 감광제를 약 1 ㎛ 두께로 스핀 코터를 사용하여 알루미늄 박막 위에 도포한 다음 포토 마스크를 덮고 감광제를 UV에 노광시킨 다음, 현상 작업을 수행하여 포토 마스크와 동일한 감광제 패턴이 알루미늄 박막위에 형성되도록 하고, 그 후 인산 질산 초산을 포함하는 알루미늄 식각 용액을 이용한 습식 식각법에 의해 감광제가 도포되지 않은 부분의 알루미늄 합금 박막을 제거하여 알루미늄 박막의 패턴이 형성되도록 한 다음, 마지막으로 감광제 제거 용액을 사용하여 감광제를 제거하여 표면탄성파 필터를 제조하였다.
도 3은 상기와 같이하여 제조된 표면탄성파 필터의 모습을 나타낸 사진이다. 도 3에 나타낸 표면탄성파 필터의 입력변환기 반사 특성의 주파수 응답을 도 4에 나타내었다. 주파수 응답은 표면탄성파 필터에 대해 온-웨이퍼 프로우브(On-wafer probe)를 이용하여 네트웍 분석기(Network Analyzer)를 통해 측정하였으며, 측정시 임피던스 정합을 하지 않아서 표면탄성파 전파 손실 등을 포함한 필터의 삽입 손실의 정확한 값은 측정하지 못하지만, 압전 단결정 기판의 표면탄성파 속도와 변환기 전극 간격에 의해 결정되는 표면탄성파 필터의 중심 주파수를 측정한 결과이다.
도 3의 표면탄성파 필터의 변환기 전극 간격(λ)은 40 ㎛이고, 도 4에 나타난 표면탄성파 필터의 입력변환기 반사 특성의 중심 주파수가 142 MHz이므로, 상기 표면탄성파 필터에 사용한 실시예 1의 압전 단결정 기판의 표면탄성파 전파속도는 5,840 m/sec이다.
이와 같이 본 발명에 따라 PMNT 압전 단결정 기판을 사용한 표면탄성파 필터의 변환기 전극 간격(λ)을 2.8 ㎛으로 제작하면, 차세대 이동통신 IMT(international mobile telecommunication)-2000용 표면탄성파 필터에 적용 가능하다.
시험예 3 : 광변조기 제작을 위한 전기광학적 성능 시험
문헌 [Fernando Agullo-Lopez, Jose Manuel Cabrera, Fernando Agullo-Rueda, Electrooptics,pp49 Academic Press, 1994]에 기재된 시험방법에 따라, 실시예에서 얻은 단결정에 외부 전기장을 가해줄 때 광학적 성질이 바뀌는 현상을 측정하여(즉, 1차 전기광학계수를 얻음으로써), 상기 단결정의 광변조기 제작용 기판으로서의 사용가능성을 확인하였다.
기판이 조성에 따라 약간의 변화는 있으나, 대략 그 값은 50 - 100pm/v 값을 얻어 기존의 재료들인 리튬나이오베이트(LN)이나 리튬탄탈레이트(LT)에서 얻을 수 있는 30-50pm/v 값의 2배 가량이 됨을 확인하였다.
본 발명에 따른 새로운 조성의 지능성 완화형 강유전체 단결정은 높은 전기 기계 결합계수와 압전성을 나타내고, 투광도가 60% 이상이 되며, 전기광학계수가 높으므로, 초음파 발생 디바이스, 무선통신용 SAW 소자, 광통신용 기능성소자에 유용하게 사용될 수 있다.
Claims (9)
- 하기 화학식 1의 조성을 가진 강유전체 단결정:화학식 1x[A]y[B]z[C]-p[P]n[N]상기 식에서,[A]는 납 마그네슘 나이오베이트[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3] 또는 납 아연 나이오베이트[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3]이고,[B]는 납 타이타네이트[PbTiO3]이며,[C]는 리튬 탄탈레이트[LiTaO3] 또는 리튬 나이오베이트[LiNbO3]이고,[P]는 백금, 금, 은, 팔라디움 및 로디움으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속이며,[N]은 니켈, 코발트, 철, 스트론티움, 스칸디움, 루쎄니움, 구리 및 카드뮴으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속의 산화물이고,x는 0.65 보다 크고 0.98 보다 작은 수이며,y는 0.01 보다 크고 0.34 보다 작은 수이고,z는 0.01 보다 크고 0.1 보다 작은 수이며,p 및 n은 각각 0.01 보다 크고 5 보다 작은 수이다.
- 제 1 항에 있어서,직경이 5 cm 이상인 것을 특징으로 하는 단결정.
- 제 1 항에 있어서,실온 유전 상수가 5,000 이상인 것을 특징으로 하는 단결정.
- (1) (a) 납 마그네슘 나이오베이트[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3] 및 납 아연 나이오베이트[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3] 중에서 선택된 한 성분, (b) 납 타이타네이트[PbTiO3] 및 (c) 리튬탄탈레이트[LiTaO3]를 각각 0.65 내지 0.98 몰, 0.01 내지 0.34 몰 및 0.01 내지 0.1몰 범위의 양으로 혼합하고,(2) 상기 혼합물에, 상기 성분 (a), (b) 및 (c)의 총량을 기준으로, (d) 백금, 금, 은, 팔라디움 및 로디움으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속 및 (e) 니켈, 코발트, 철, 스트론티움, 스칸디움, 루쎄니움, 구리 및 카드뮴으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 금속의 산화물을 각각 0.05 내지 5 중량%의 양으로 가하고,(3) 생성 혼합물을, 유기 용매를 분산 매질로 하여 분쇄혼합하고, 건조 및 소성시킨 다음 분말로 분쇄하고,(4) 수득된 분말을 고온고압하에서 용융시킨 다음 서냉하여 결정화하는것을 포함하는, 제 1 항에 따른 강유전체 단결정의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 단계 (3)에서, 소성이 850 내지 1,000℃의 범위의 온도에서 1 내지 10시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 4 항에 있어서,상기 단계(4)에서, 1,300 내지 1,500 ℃ 범위의 고온과 20 내지 200 psi 범위의 고압하에 용융시킨 다음 80 내지 100시간 동안에 걸쳐 서서히 실온으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 6 항에 있어서,백금 또는 백금-로디움 합금 또는 이리듐 소재의 도가니를 사용하여 상기 단계(4)를 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 7 항에 있어서,도가니가 직경 5cm 이상의 도 2의 형태임을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항의 강유전체 단결정으로부터 가공된 웨이퍼.
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