KR100487420B1 - 압전 세라믹 재료 및 이를 사용하여 얻은 압전 세라믹 소결체 - Google Patents

압전 세라믹 재료 및 이를 사용하여 얻은 압전 세라믹 소결체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 협대역(narrow-band) 필터를 설계하는데 필요한 전기기계 결합계수(electromechanical coupling coefficient)가 작고, 공진 저항이 작으며, 공진주파수의 온도 의존성이 작은 특성을 가진 압전 세라믹 소결체(piezoelectric ceramic sintered body)를 얻을 수 있는 압전 세라믹 재료를 제공하는 것으로서, 여기서의 압전 세라믹 재료는 주성분으로서 일반식 (PbaSrb)(ZrcTidMneNbf)O3로 표현되며 각 조성은 하기의 비율 0.93 ≤a ≤ 1.01, 0.01 ≤b ≤0.04, 0.37 ≤c ≤0.47, 0.48 ≤d ≤0.58, 0.0105 ≤e ≤0.06, 0.02 ≤f ≤0.06 및 1.05 ≤2e/f ≤2을 만족하는 성분을 함유하고, 부성분으로서 주성분에 대한 중량비가 0.003 중량％ 이상 0.1 중량％ 이하인 SiO2 및 0.003 중량％ 이상 0.1 중량％ 이하인 Al2O3를 포함한다.

Description

압전 세라믹 소결체{Piezoelectric ceramic sintered body}
본 발명은 압전 세라믹 재료 및 이를 사용하여 얻어지는 압전 세라믹 소결체에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 비교적 적은 전기기계 결합계수 및 적은 공진 저항을 갖는 압전기 응용 장치(piezoelectricity application device)에 유용하게 사용될 수 있는 압전 세라믹 재료 및 이를 사용하여 얻어지는 압전 세라믹 소결체에 관한 것이다.
Pb[(Mn1/3Nb2/3),Zr,Ti]O3계의 압전 세라믹 재료는, 훌륭한 공진 특성을 가지고 있기 때문에 벌크파(bulk wave) 또는 표면파를 사용하는 필터, 오실레이터(oscillator) 및 트랩 소자 등의 압전기 응용 장치에 제공되는 압전 세라믹 부분을 구성하는 재료로서 광범위하게 사용되어 왔다.
예를 들어, 일본 특개평 5-327397 호에는 일반식 (Pb1-xMex){ (Mn1/3Nb2/3)aTibZrc}O3로 표현되며 상기 식에서 Me는 Ca, Ba, 및 Sr로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 원소를 나타내고, x, a, 및 b는 하기의 관계;
0.005 ≤x ≤0.10
0.01 ≤a ≤0.14
0.40 ≤b ≤0.60
0.26 ≤c ≤0.59 및
a + b + c = 1.00
를 만족하는 압전 세라믹 재료를 사용함으로써 우수한 공진 특성, 공진 특성의 온도 의존성 및 내열성(heat resistance)을 갖는 표면파 장치를 실질적으로 얻을 수 있다고 기재하고 있다.
일본 특개평 5-24916 호에는 0.005 내지 0.040 중량％의 SiO2 및 0.005 내지 0.040 중량％의 Al2O3를 함유하는 전기적 특성의 불규칙성이 개선된 {PbSr} {(TiZr)(MnNb)}O3계의 재료에 대하여 기재하고 있다.
그러나, 종래 Pb[(Mn1/3Nb2/3),Zr,Ti]O3계의 압전 세라믹 재료에 있어서, 상기 재료는 포화 분극상태(saturation polarization state)에서 큰 전기기계 결합계수를 갖기 때문에, 포화 분극상태에서는 적은 전기기계 결합 계수를 가질 것이 요구되는 협대역 필터를 설계할 수 없는 문제점이 있었다. 한편, 전기기계 결합계수를 줄이기 위하여 분극도가 불포화 상태가 되도록 만들 경우, 공진 저항의 증가 때문에 필터 삽입 손실(insertion loss)이 증가된다는 또 다른 문제가 있었다.
협대역 필터는 공진 주파수의 온도 안정성(temperature stability)에 있어서 광대역 필터(wide-band filter)보다 우수할 것이 요구된다. 이러한 문제점과 관련하여, 종래의 Pb[(Mn1/3Nb2/3),Zr,Ti]O3계의 압전 세라믹 재료가 협대역 필터에서 요구되는 그러한 우수한 온도 안정성을 나타내는 것은 가능하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 협대역 필터를 설계하는데 요구되는 그러한 특성을 만족시킬 수 있는 압전 세라믹 재료, 특히 전기기계 결합 계수가 작고, 공진 저항이 작으며 및 공진 주파수의 온도 의존성 작은 그러한 특성을 만족시킬 수 있는 압전 세라믹 재료를 제공하는 것이며, 상기 압전 세라믹 재료를 소성(firing)함으로써 얻어지는 압전 세라믹 소결체를 제공하는 것이다.
본 발명은 일면, 최소한 Pb, Sr, Zr, Ti, Mn, Nb, Si 및 Al를 포함하고, 일반식 (PbaSrb)(ZrcTidMneNbf)O3로 표현되며 각 조성은 하기의 비율 0.93 ≤a ≤ 1.01, 0.01 ≤b ≤0.04, 0.37 ≤c ≤0.47, 0.48 ≤d ≤0.58, 0.0105 ≤e ≤0.06, 0.02 ≤f ≤0.06 및 1.05 ≤2e/f ≤2을 만족하는 성분을 주성분으로 함유하고, 여기에 부성분으로서 주성분에 대한 중량비가 0.003 중량％ 이상 0.1 중량％ 이하인 SiO2 및 0.003 중량％ 이상 0.1 중량％ 이하인 Al2O3를 포함하는 압전 세라믹 재료를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 압전 세라믹 재료는 바람직하게는 산소환경 하에서 소성된다. 따라서, 본 발명은 또한 상기 압전 세라믹 재료를 산소환경 하에서 소성하여 얻어지는 압전 세라믹 소결체를 지향하는 것이다.
바람직하게는 압전 세라믹 소결체는, 전기기계 결합계수가 포화 분극상태에서의 전기기계 결합계수의 80％ 이하인, 불포화 분극상태에서 사용된다.
지금까지의 설명한 대로 본 발명에 따라, 적은 전기기계 결합계수, 적은 공진 저항 및 적은 공진 주파수의 온도 의존성을 갖는 압전 세라믹 소결체를 얻을 수 있다. 그러한 압전 세라믹 소결체를 필터로 사용함으로써 협대역에서 적은 삽입 손실을 가지며, 통과대역 주파수에서 온도 안정성이 우수한 필터를 얻을 수 있다.
주성분에 있어서, Pb의 양 (a)는 바람직하게는 0.93 ≤a ≤ 1.01의 범위내인데 그 이유는 a 가 0.93보다 적으면 소결성(sintering property)이 감소되어 충분히 조밀한(dense) 소결체를 얻을 수 없으며, a가 1.01보다 크면 소결체가 변형되기 때문이다.
Sr의 양 (b)는 바람직하게는 0.01 ≤b ≤0.04의 범위내인데, 그 이유는 b가 0.01보다 적을 경우 분극도의 감소 때문에 소결체에서 전기적 특성이 고르지 않게되고, b가 0.04보다 클 경우 전기기계 결합계수가 지나치게 증가되어, 그 소결체를 적은 전기기계 결합계수를 가질 것이 요구되는 협대역 필터에 이용되는 압전 세라믹 재료로 사용할 수 없기 때문이다.
Zr의 양 (c) 및 Ti의 양 (d)가 각각 0.37 ≤c ≤0.47 및 0.48 ≤d ≤0.58의 범위밖에 있을 경우, 공진 주파수의 온도 의존성이 작은 온도영역이, 필터가 일반적으로 사용되는 -20℃ 내지 80℃의 실온(ambient temperature)의 범위 바깥에 위치하게 된다. 따라서, 실온에서 우수한 온도 안정성을 가져서 실용성이 높은 압전 세라믹 소결체를 얻기 위한 압전 세라믹 재료를 제조하기 위하여는, Zr의 양 (c) 및 Ti의 양 (d)는 각각 0.37 ≤c ≤0.47 및 0.48 ≤d ≤0.58의 범위 내로 들어오게 하는 것이 좋다.
Mn의 양 (e)는 0.0105 ≤e ≤0.06의 범위 내에 있도록 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, e가 0.0105보다 적으면 공진저항 Zr이 증가되어 필터 삽입 손실을 크게하고, 반면, e가 0.06보다 크면 소결체의 절연저항이 감소하여 분극처리(polarization treatment)를 어렵게 하기 때문이다.
Nb의 양 (f)는 0.02 ≤f ≤0.06의 범위 내에 있도록 하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, f가 0.02보다 적으면 비정상적인 그래인(grain)의 성장이 발생하고, 반면 f가 0.06보다 클 경우 소결온도가 1250℃를 초과하여 높아져서 PbO의 휘발을 현저하게 하여, 소결체의 변형이라는 문제를 일으키기 때문이다.
Mn의 양 (e) 및 Nb의 양 (f) 사이의 관계에 있어서, 2e/f의 비율은 1.05 ≤2e/f ≤2의 범위로 한정하였다. 왜냐하면, 2e/f의 비율의 비율이 1.05보다 작으면 공진 주파수의 온도 의존성이 증가하게 되고, 반면 2e/f의 비율이 2보다 크면 절연저항이 감소되어 분극 처리를 불가능하게 하기 때문이다.
부성분으로서 SiO2 및 Al2O3에 관하여, SiO2의 양 및 Al2O3의 양 모두는 중량비가 0.003 중량％ 이상 0.1 중량％ 이하인 것이 바람직하다. 왜냐하면, SiO2 또는 Al2O3의 양이 상기의 범위보다 적을 경우 소결체의 기계적 강도가 부족하게 되어 그 후의 소결체의 가공에서 파손(damage)이 발생하게 되고, 반면, 그 양이 상기 범위보다 많을 경우 소결성이 저하되어 조밀한 소결체를 얻지 못하게 될 뿐 아니라 공진저항 Zr이 증가하게 되기 때문이다.
본 발명에 따른 압전 세라믹 소결체는, 지금까지 설명된 것처럼 바람직하게는 전기기계 결합계수가 포화 분극상태에서의 전기기계 결합계수의 80％ 이하인, 불포화 분극상태에서 사용된다. 협대역 필터에서 요구되는 적은 전기기계 결합계수를 얻기 위하여, 분극도를 저하시키는 방법을 이용하게 하는 것이 본 발명의 목적이다. 본 발명에 따른 압전 세라믹 소결체는 산소환경 하에서 소결하여 얻는 것이 바람직한데, 그 이유는 소결체를 산소환경 하에서 소성함으로써 전기기계 결합계수가 포화 분극상태에서의 전기기계 결합계수의 80％ 이하로 되도록 분극도가 감소했을 지라도 공진 주파수가 많이 증가하지 않고, 따라서 필터의 삽입 손실이 아주 많이 증가하는 것을 억제하기 때문이다.
<실시예>
출발재료로 Pb3O4, SrCO3, ZrO2, TiO2, MnCO3, Nb2O5, Al2O3 및 SiO2를 준비하였다.
상기 재료들을 표 1에 나타난 조성비 대로 칭량(weigh)하고 습식 혼합분쇄(wet-milling and mixig) 한 후, 혼합물을 800℃ 내지 1100℃에서 4시간 동안 하소(calcine) 하였다. 얻어진 하소된 분말을 빻고, 적당한 접착제(binder)를 가하여 알갱이 형태로 만들고(granulate), 프레스 몰딩(press molding)에 의하여 20mm ×30mm ×8.5mm 규격을 갖는 직사각형의 평행 파이프 성형체(molded body)를 제조하였다.
시료번호 a b c d e f SiO2 (중량％) Al2O3 (중량％)
1 * 0.91 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.020
2 0.93 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.020
3 0.98 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.020
4 1.01 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.020
5 * 1.03 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.020
6 * 1.00 0.00 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.020
7 0.99 0.01 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.020
8 0.96 0.04 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.020
9 * 0.94 0.06 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.020
10 * 0.98 0.02 0.350 0.600 0.02000 0.0300 0.020 0.020
11 0.98 0.02 0.370 0.580 0.02000 0.0300 0.020 0.020
12 0.98 0.02 0.470 0.480 0.02000 0.0300 0.020 0.020
13 * 0.98 0.02 0.190 0.460 0.02000 0.0300 0.020 0.020
14 * 0.98 0.02 0.435 0.549 0.00500 0.0100 0.020 0.020
15 * 0.98 0.02 0.435 0.549 0.00525 0.0100 0.020 0.020
16 * 0.98 0.02 0.435 0.549 0.00670 0.0100 0.020 0.020
17 * 0.98 0.02 0.435 0.549 0.01000 0.0100 0.020 0.020
18 * 0.98 0.02 0.435 0.549 0.01033 0.0100 0.020 0.020
19 * 0.98 0.02 0.427 0.539 0.01000 0.0200 0.020 0.020
20 0.98 0.02 0.427 0.539 0.01050 0.0200 0.020 0.020
21 0.98 0.02 0.427 0.539 0.01333 0.0200 0.020 0.020
22 0.98 0.02 0.427 0.539 0.02000 0.0200 0.020 0.020
23 * 0.98 0.02 0.427 0.539 0.02067 0.0200 0.020 0.020
24 * 0.98 0.02 0.420 0.530 0.01500 0.0300 0.020 0.020
25 0.98 0.02 0.420 0.530 0.01575 0.0300 0.020 0.020
26 0.98 0.02 0.420 0.530 0.03000 0.0300 0.020 0.020
27 * 0.98 0.02 0.420 0.530 0.03100 0.0300 0.020 0.020
28 * 0.98 0.02 0.398 0.502 0.03000 0.0600 0.020 0.020
29 0.98 0.02 0.398 0.502 0.03150 0.0600 0.020 0.020
30 0.98 0.02 0.398 0.502 0.04000 0.0600 0.020 0.020
31 0.98 0.02 0.398 0.502 0.06000 0.0600 0.020 0.020
32 * 0.98 0.02 0.398 0.502 0.06200 0.0600 0.020 0.020
33 * 0.98 0.02 0.383 0.484 0.04000 0.0800 0.020 0.020
34 * 0.98 0.02 0.383 0.484 0.04200 0.0800 0.020 0.020
35 * 0.98 0.02 0.383 0.484 0.05333 0.0800 0.020 0.020
36 * 0.98 0.02 0.383 0.484 0.08000 0.0800 0.020 0.020
37 * 0.98 0.02 0.383 0.484 0.08267 0.0800 0.020 0.020
38 * 0.98 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.002
39 0.98 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.003
40 0.98 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.020
41 0.98 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.100
42 * 0.98 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.020 0.120
43 * 0.98 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.002 0.020
44 0.98 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.003 0.020
45 0.98 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.100 0.020
46 * 0.98 0.02 0.420 0.530 0.02000 0.0300 0.120 0.020
이어, 이러한 성형체들을 1050℃ 내지 1250℃에서 1시간 내지 5시간 동안 산소환경 하에서 소성하여 소결체를 얻었다. 이러한 소결체를 래핑(lapping) 및 분쇄(grinding) 한 후에 소결체 위에 분극용 전극을 형성하고, 이것을 80℃ 내지 100 ℃의 실리콘 오일 배스(silicone oil bath)에서 30분 내지 60분간 1kV/mm 내지 3kV/mm의 전계를 인가함으로써 분극처리를 실행하였다.
이어서, 분극처리 후에 소결체의 길이(longitudinal edge) 방향과 일치하는 방향을 따라, 다이싱 톱(dicing saw)으로 소결체를 직각판(5.1mm ×1.7mm ×0.3mm)으로 잘랐다. 상기 방법으로 얻어진 각각의 직각판에 대하여, 길이방향 진동(longitudinal vibration) 을 인가하여 얻은 압전 특성을 평가하였다.
2kV/mm의 전계에서 분극된 샘플의 길이방향 진동에서의 전기기계 결합계수 k15(％), 공진저항 Zr(Ω), -20℃ 내지 80℃의 온도범위에서 공진 주파수의 온도계수의 절대값 ｜fr-TC｜(ppm/℃) 및 세 점 굽힘 시험에서의 굽힘 강성력(bend resistive strength; MPa)은 표 2에 나타나 있다. (*)표시가 되어 있는 시료는 본 발명의 범위를 벗어나는 것을 나타낸다.
시료번호 k15 (％) Zr (Ω) ｜fr-TC｜(ppm/℃) 굽힘 강성력(MPa) 비 고
1 * *** *** *** *** 소결 불충분
2 28 4.0 28 120
3 30 4.1 25 110
4 31 3.9 27 105
5 * *** *** *** *** 가공 불가
6 * 27 4.0 25 110
7 28 4.0 24 110
8 31 3.7 26 104
9 * 42 3.8 25 115
10 * 24 4.2 41 119
11 28 3.9 35 115
12 32 3.6 36 110
13 * 34 3.5 42 115
14 * *** *** *** *** 가공 불가
15 * *** *** *** *** 가공 불가
16 * *** *** *** *** 가공 불가
17 * *** *** *** *** 가공 불가
18 * *** *** *** *** 가공 불가
19 * 28 5.3 44 107
20 27 4.9 34 112
21 29 4.6 26 114
22 29 4.2 23 110
23 * *** *** *** *** 분극 불가
24 * 31 4.5 42 110
25 31 4.2 32 105
26 32 3.9 22 111
27 * *** *** *** *** 분극 불가
28 * 33 3.9 41 115
29 32 3.9 31 111
30 32 3.5 24 114
31 34 3.6 20 119
32 * *** *** *** *** 분극 불가
33 * *** *** *** *** 가공 불가
34 * *** *** *** *** 가공 불가
35 * *** *** *** *** 가공 불가
36 * *** *** *** *** 가공 불가
37 * *** *** *** *** 가공 불가
38 * 31 3.7 25 92
39 31 3.8 25 105
40 30 3.9 25 110
41 30 4.5 25 115
42 * 28 7.5 25 155
43 * 32 3.8 25 90
44 31 3.7 25 107
45 29 4.8 25 122
46 * 28 7.8 25 186
표 1에 나타난 시료 3에서 분극도가 감소되었을 때, 전기기계 결합계수 k15 및 공진 저항 Zr 사이의 관계는, 소성환경이 조정되지 않은 경우 및 성형체가 산소환경 하에서 소결된 경우와 관련하여, 도 1에 좌표로 나타나 있다.
도 1은 동일한 전기기계 결합계수를 보이는 분극도에 있어서 성형체가 산소환경 하에서 소성되었을 때의 공진저항 Zr이 소성환경이 조정되지 않았을 때의 값보다 작다는 것을 명백히 보여준다. 따라서, 분극도를 조정함으로써 적은 전기기계 결합계수를 산출하는 산소환경에서 성형체를 소성하는 경우, 작은 공진저항을 갖는 저손실 재료를 얻을 수 있다.
표 1 및 표 2를 참고하면, Pb의 양 (a)가 시료 1에서 처럼 본 발명의 범위 아래로 0.91까지 감소되면 바람직한 소결체를 얻을 수 없다는 것을 알 수 있다. 반대로, Pb의 양 (a)가 본 발명의 범위를 넘어 1.03까지 증가되면, 소결체가 많이 변형되기 때문에 소결체의 가공이 불가능하다. 따라서, 사용 가능한 변형의 범위 내에서 충분히 조밀한 소결체를 얻기 위하여 Pb의 양 (a)는 0.93 ≤a ≤1.01의 범위내에 있는 것이 바람직하다.
Sr의 양 (b)가 0.01 이상인 모든 시료 또는 시료 6 및 7을 제외한 시료에서는, 분극도가 감소하였을 때 소결체에서의 공진 주파수의 불규칙성이, 기준이 되는 시료 3 에서의 불규칙성의 1.5배 이내의 범위에 있기 때문에, 사용상의 문제가 없었다. 그러나, Sr의 양 (b)가 0으로 감소하면, 분극이 감소하였을 때, 비록 그 양이 본 발명의 범위내 일지라도 소결체에서 공진 주파수의 불규칙성이 시료 3에서의 불규칙성의 3.5배가 되는 것으로 나타나기 때문에 바람직하지 않다. 반면, Sr의 양 (b)가 본 발명의 범위를 넘어 0.06까지 상승하게 되면, 전기기계 결합계수 k15가 40％이상 상승하기 때문에 협대역 필터에 사용하기 위한 압전 세라믹 재료로는 부적법하다. 따라서, Sr의 양 (b)는 바람직하게는 0.01 ≤b ≤0.04의 범위로 하는 것이 적당하다.
시료 10 또는 13에서 보는 바와 같이 Zr의 양 (c) 또는 Ti의 양 (d)가 각각 0.37 ≤c ≤0.47 또는 0.48 ≤d ≤0.58의 범위밖에 있을 경우, 공진 주파수의 온도 의존성이 작은 온도영역은, 필터가 일반적으로 사용되는 -20℃ 내지 80℃의 실온의 범위 바깥에 위치하게 된다. 따라서, 절대값 ｜fr-TC｜는 40ppm을 초과하여 증가하고 그리하여, 협대역 필터로 사용되는 세라믹 소결 재료는 공진 주파수의 온도 의존성에 대하여 고도의 정확도를 요구하기 때문에, 상기 세라믹 소결 재료는 협대역 필터로서의 사용에 있어서 실질적인 가치가 문제된다. 따라서, 그 양 (c) 및 (d)는 각각 0.37 ≤c ≤0.47 및 0.48 ≤d ≤0.58의 범위내에 있는 것이 바람직하다.
시료 19에서 보는 바와 같이 Mn의 양 (e)가 0.0105보다 적으면 공진저항 Zr이 5Ω을 초과하여 증가하기 때문에 삽입 손실은 수용가능한 수준을 초과하여 증가한다. 한편, 시료 32에서 보는 바와 같이 Mn의 양 (e)가 0.06을 초과할 경우 소결체의 절연저항이 감소하여 분극처리를 하는 것을 어렵게 하기 때문에 그 소결체는 압전재료로 이용될 수 없다. 지금까지의 설명 결과로부터, 분극처리를 쉽게 할 수 있고, 사용가능한 범위내의 공진정항 Zr을 가지는 압전 세라믹 소결체를 얻기 위하여, Mn의 양 (e)는 0.0105 ≤e ≤0.06의 범위 내에 있도록 하는 것이 바람직하다고 결론지을 수 있다.
Nb의 양 (f)가 시료 14 내지 18에서 보는 바와 같이 본 발명의 범위 아래로 감소하여 0.01까지 떨어지면 비정상적인 그래인의 성장 때문에, 조잡한 입자들이 자주 발생하여 이어지는 가공 단계에 있어서 가공면에 상당한 흠결이 생기게 한다. 따라서 공업상의 적용에 있어서 가공성에 문제가 있다. 반대로 시료 33 내지 37에서 보는 바와 같이 Nb의 양 (f)가 0.06을 넘어 0.08까지 증가하게 되면 소성온도가 1250℃를 초과하여 증가하고 PbO의 휘발을 현저하게 하여, 소결체의 변형을 일으며 이어지는 가공을 어렵게 한다. 따라서 Nb의 양 (f)는 0.02 ≤f ≤0.06의 범위 내에 있도록 하는 것이 바람직하다.
도 2는 Mn의 양 (e) 및 Nb의 양 (f) 사이의 2e/f의 비율이 변할 때 공진 주파수의 온도 변화율을 보여준다.
도 2에서 명백한 것처럼 공진 주파수의 온도 의존성은 2e/f의 비율이 증가할 때 증가한다. 시료 19, 24 및 28에서 보는 바와 같이 2e/f의 비율이 본 발명의 범위를 벗어나는 값 중의 하나이면, 절대값 ｜fr-TC｜가 40ppm/℃를 초과하여 증가하기 때문에, 공진 주파수의 온도 의존성이 아주 정확할 것이 요구되는 협대역 필터 재료로서 바람직하지 않다. 반면, 시료 23, 27 및 32에서 보는 바와 같이 2e/f의 비율이 본 발명의 범위를 초과하여 2.1 까지 증가될 때는 절연저항의 증가 때문에 분극처리가 불가능하게 된다. 따라서, 분극처리가 쉽고 좋은 온도특성을 가진 압전 세라믹 소결체를 얻기 위하여는 2e/f의 비율을 1.05 ≤2e/f ≤2의 범위로 하는 것이 좋다.
시료 38 또는 43에서 보는 바와 같이 부성분인 SiO2 또는 Al2O3의 양이 본 발명의 범위보다 적을 경우, 소결체의 기계적 강도가 100 MPa 미만으로 떨어져 그 후의 소결체 가공 단계에서 파손이 발생하게 되므로 바람직하지 않다. 반면, 시료 42 또는 46에서 보는 바와 같이 SiO2 또는 Al2O3의 양이 본 발명의 범위보다 많을 경우 공진저항 Zr이 5Ω을 초과하여 증가할 뿐 아니라 소결성이 나빠진다. 따라서, SiO2의 양 및 Al2O3의 양 모두는 각각 중량비가 0.003 중량％ 이상 0.1 중량％ 이하인 것이 바람직하다.
비록 특정한 실시예를 참고로 하여 본 발명을 설명하였지만, 압전 세라믹 재료 및 이를 이용하여 얻는 압전 세라믹 소결체는 상기 실시예에서 설명한 것으로 한정되지 않으며, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다.
예를 들어, 본 발명에 따른 압전 세라믹 소결체를 이용하여 제조된 압전 소자의 진동 모드는 길이방향의 진동 모드로 한정될 필요가 없으며, 신장 진동(expansion vibration), 수직 진동 및 표면파를 포함하여 어떠한 진동모드에도 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 압전 세라믹 소결체는 필터에 적용될 수 있을 뿐 아니라 전기기계 결합계수가 적을 것이 요구되는 트랩소자 및 오실레이터와 같이 다른 압전기 응용 장치가 적용되는 모든 분야에 적용될 수 있다.
상기 실시예에서 압전 세라믹 재료의 출발 재료로서 PbO3 또는 SrCO3와 같은 특정의 산화물 및 탄산염을 사용하였지만, 다른 산화물 또는 최종적으로 산화물로 변하는 다른 화합물을 사용할 수 있다.
지금까지 설명한 것처럼, 전기기계 결합계수가 적고, 공진저항이 적으며, 공진 주파수의 온도 의존성이 적은 압전 세라믹 소결체는 본 발명에 따른 압전 세라믹 재료를 소성하여 얻을 수 있다. 따라서, 상기 설명한 것처럼 압전 세라믹 소결체를 사용함으로써, 공진 주파수의 온도 안정성이 우수하면서도 협대역에서 삽입 손실이 적게 나타나는 필터와 같은 압전 소자를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 압전 세라믹 재료를 소성하여 압전 세라믹 재료를 얻는 경우, 포화분극 상태 값에 비해 80％의 전기기계 결합계수를 갖는 불포화 상태에서도 공진저항을 크게 증가시키지 않으면서 필터의 삽입손실을 줄일 수 있다.
따라서, 분극도를 감소시키지 않고도 전기기계 결합계수가 적을 것이 요구되는 협대역 필터를 유리하게 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 실시예에서 제조된 시료 3의 조성을 가진 압전 세라믹 소결체와 관련하여, 분극도가 감소될 때, 전기기계 결합계수 k15와 공진저항 Zr 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따라 실시예에서 제조된 시료 2와 관련하여 Mn의 양 e와 Nb의 양 f에 관한 비 2e/f 가 변할 때, 공진 주파수의 온도 의존성을 보여주는 그래프이다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 최소한 Pb, Sr, Zr, Ti, Mn, Nb, Si 및 Al를 포함하고,
    일반식 (PbaSrb)(ZrcTidMneNbf)O3 으로 표현되며 각 조성은 하기의 비율:
    0.93 ≤a ≤1.01,
    0.01 ≤b ≤0.04,
    0.37 ≤c ≤0.47,
    0.48 ≤d ≤0.58,
    0.0105 ≤e ≤0.06,
    0.02 ≤f ≤0.06 및
    1.05 ≤2e/f ≤2
    을 만족하는 성분을 주성분으로 함유하고,
    여기에 부성분으로서, 주성분에 대한 중량비가 0.003 중량％ 이상 0.1 중량％ 이하인 SiO2 및 0.003 중량％ 이상 0.1 중량％ 이하인 Al2O3를 포함하는 압전 세라믹 재료로 구성되고,
    상기 압전 세라믹 재료를 산소환경 하에서 소성하여 얻어지는 압전 세라믹 소결체.
  3. 제 2항에 있어서, 포화분극 상태의 값에 비해 80％ 이하의 전기기계 결합계수를 갖는 불포화 상태에 있는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 소결체.
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