KR100562988B1

KR100562988B1 - 바이몰프용 압전 세라믹스 조성물

Info

Publication number: KR100562988B1
Application number: KR1020030095363A
Authority: KR
Inventors: 황순철; 김선욱; 김태칠
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2006-03-23
Also published as: KR20050064086A

Abstract

본 발명은 바이몰프용 압전 세라믹스 조성물에 관한 것으로, aPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-bPb(Mn_1/2Nb_1/2)O₃-cPbZrO₃-dPbTiO₃(상기 몰비 a, b, c 및 d는 각각 0.01≤a≤0.09, 0.01≤b≤0.09, 0.30≤c≤0.60, 0.30≤d≤0.60)로 표현되는 압전 세라믹스 화합물과 상기 압전 세라믹스 화합물의 0.1 내지 0.5 중량%의 산화세리아(CeO₂)을 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 의한 바이몰프용 압전 세라믹스 조성물은 기존 압전재료에 비해 압전상수 및 유전상수가 크고, 큐리온도와 기계적 품질계수가 크게 향상되어 바이몰프용 압전 세라믹스로서 실용성이 높은 효과가 있다.

바이몰프, 압전, 유전상수, 큐리온도, 기계적 품질계수

Description

바이몰프용 압전 세라믹스 조성물{Piezoeletric Ceramic Composition for Bimorph}

본 발명은 바이몰프용 압전 세라믹스 조성물에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 기존 압전재료에 비해 동일 인가전압에 대한 변위량에 영향을 미치는 압전상수와 유전상수가 크고 인가전압에 따른 변위량의 이력현상이 작으며, 액츄에이터로서 사용온도 범위를 결정하는 큐리온도가 높고, 기계적 품질계수가 커서 반복 구동시 변위의 손실이 작아 바이몰프용 압전 세라믹스로서 실용성이 높은 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 압전 세라믹스의 응용분야 중 압전 액츄에이터는 전기적 에너지에 따라 기계적 변위를 일으키는 특성을 이용한 제품으로 구동방식에 따라 유니몰프, 바이몰프, 적층형으로 나눌 수 있다.

이중 바이몰프 액츄에이터는 구조가 간단하여 소형 경량화가 가능하며, 전자파 노이즈가 없고, 압전체의 특징인 고속응답성 및 소비전력이 작다는 장점을 가짐으로써 최근 각종 미소변위 제어소자 및 압전팬, 압전릴레이 등에 널리 이용개발이 진행되고 있는 중이며, 이에 따라 대변위 발생 및 낮은 이력특성을 갖는 고품질, 고성능의 압전재료가 요구되고 있다.

종래 사용되고 있는 압전재료로는 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 강유전체 재료인 PZT계 혹은 전왜재료인 PMN계 또는 PZT를 기초로 한 3성분계가 사용되어 왔다.

	PZT계	PMN계	PZT 3성분계
압전상수(d₃₃)	250	-	300-400
유전상수(K)	1000	2000	1000
기계적 품질계수(Qm)	250	-	75
큐리온도(Tc)	350	상온이하	250

일반적으로 바이몰프 액츄에이터는 압전상수 및 유전상수가 클수록 동일 인가전압에 대한 변위량이 커지며, 기계적 품질계수가 클수록 반복 구동시 변위의 손실도 작아진다. 또한 인가전압에 따른 변위량의 이력현상이 작아야 하며, 액츄에이터로서의 실제 사용온도 영역은 압전특성이 사라지는 온도인 큐리온도가 높을수록 증가하는 것으로 알려져 있다.

그러나 강유전체 재료인 PZT계 세라믹스 조성은 높은 압전상수 및 유전상수를 가짐으로써 저전압에서 큰 변위를 일으킬 수 있으며, 높은 큐리온도를 나타내어 상온에서 안정하게 사용이 가능하다는 등의 장점을 지니나, 이에 반해 인가전압의 상하에 수반된 큰 이력현상을 나타냄으로써 변위의 직선적인 제어가 불가능하다는 단점이 있다.

한편 전왜재료인 PMN계 세라믹스 조성은 전압에 따른 변위의 이력현상이 거의 없으나 PZT계 조성에 비하여 상대적으로 극히 낮은 변위량을 나타내어 대변위 발생용 소자로서의 응용이 불가능하며, 큐리온도가 낮아서 상온에서 사용할 수 없 다는 단점을 갖는다.

또한 PZT를 기초로한 상용화된 3성분계 세라믹스 조성의 경우 압전상수가 높은 반면에 기계적 품질계수가 낮아서 열화현상이 쉽게 발생하여 장시간 연속 구동시 변위량이 현저히 작아지는 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 기존 압전재료에 비해 실용성이 향상된 바이몰프용 압전 세라믹스 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 달성될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

하기 화학식 1로 표현되는 압전 세라믹스 화합물과 상기 압전 세라믹스 화합물의 0.1 내지 0.5 중량%의 산화세리아(CeO₂)을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이몰프용 압전 세라믹스 조성물을 제공한다.

[화학식 1]

aPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-bPb(Mn_1/2Nb_1/2)O₃-cPbZrO ₃-dPbTiO₃

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 바이몰프용 압전 세라믹스 조성물은 aPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-bPb(Mn_1/2Nb_1/2)O₃-cPbZrO₃-dPbTiO₃의 압전 세라믹스 조성 식중의 변수 a, b, c, d가 몰비로 각각 0.01≤a≤0.09, 0.01≤b≤0.09, 0.30≤c≤0.60, 0.30≤d≤0.60의 범위를 가지며, 첨가제로서 조성물 총 중량에 대해 0.1 내지 0.5중량%의 산화세리아(CeO₂)가 첨가된다.

이하 하기의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

aPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-bPb(Mn_1/2Nb_1/2)O₃-cPbZrO ₃-dPbTiO₃의 압전 세라믹스 조성에서 a=0.01, b=0.09, c=0.60, d=0.30로 하고, 산화세리아 0.5중량%를 첨가하였다.

순도 99.5% 이상의 산화납(Ⅱ)(PbO), 산화티타늄(TiO₂), 산화지르코늄(ZrO₂), 산화마그네슘(MgO), 산화니오브(Nb₂O₅), 이산화망간(MnO ₂), 산화세리아(CeO₂) 분말을 조성에 맞게 칭량하여 혼합하고 볼밀을 사용하여 에탄올 용매 중에서 24시간 혼합 건조한 후 750℃에서 4시간 하소를 행하였다.

하소된 분말은 X-ray 분석을 통하여 페로브스카이트(Perovskite) 단일상임을 확인한 후, 다시 24시간 동안 습식볼밀을 행하여 평균입도가 1.0㎛가 되도록 하였 다.

건조한 분말은 먼저 유압프레스를 이용하여 지름 20㎜의 성형몰드로 가압 성형한 후, 냉간정수압프레스(Cold Isostatic Press)에 의하여 2.0톤/㎠의 압력으로 성형하였다.

성형시편은 동일 조성의 분말로 잘 덮은 후, 산화납분위기의 밀폐된 알루미나 도가니 속에 넣고 1250℃의 온도에서 4시간 동안 유지시켜 소결을 행하였다.

소결된 시편들은 양면 연마기에 의하여 1㎜의 두께가 되도록 연마한 후, 초음파 세척기로 이물질을 제거하였고 건조 후 은전극을 양면에 도포하고 590℃에서 15분간 열처리하여 전극을 형성하였다.

제작된 시편에 압전성을 부여하기 위한 분극은 전기절연성이 우수하고 비열이 커서 온도편차를 무시할 수 있는 실리콘 오일 속에 시편을 담그고 120℃의 온도에서 3㎸/㎜의 직류전계를 10분간 인가하여 실시하였다.

분극처리된 시편은 시효현상을 제거하기 위하여 100℃∼150℃의 온도범위에서 5∼10시간 동안 열처리하였다.

[실시예 2]

a=0.01, b=0.09, c=0.30, d=0.60로 하고, 첨가하는 산화세리아를 0.1중량%으로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.

[실시예 3]

a=0.09, b=0.01, c=0.60, d=0.30로 하고, 첨가하는 산화세리아를 0.5중량%로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.

[실시예 4]

a=0.09, b=0.01, c=0.30, d=0.60로 하고, 첨가하는 산화세리아를 0.1중량%으로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.

상기 실시예 1 내지 4에 대하여 압전상수, 유전상수, 기계적 품질계수 및 큐리온도를 측정하여 그 결과를 종래의 PZT 3성분계와 비교하여 하기의 표 2에 나타내었다.

	비교예	실시예
	PZT3성분계	1	2	3	4
압전상수(d₃₃)	300-400	320	300	380	350
유전상수	1000	1200	1000	1600	1300
기계적 품질계수(Qm)	75	1000	1100	600	800
큐리온도(℃)	250	290	300	260	280

상기의 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 및 2의 경우 기계적 품질계수가 비교예보다 크게 향상되었으며, 실시예 3 및 4의 경우 유전상수 및 기계적 품질계수가 향상된 우수한 특성을 나타내었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 바이몰프용 압전 세라믹스 조성물은 기존 압전재료에 비해 동일 인가전압에 대한 변위량에 영향을 미치는 압전상수와 유전상수가 크고 인가전압에 따른 변위량의 이력현상이 작으며, 액츄에이터로서 사용온도 범위를 결정하는 큐리온도가 높아 사용온도 영역이 증가되고, 기계적 품질계수가 커서 반복 구동시 변위의 손실이 작아 바이몰프용 압전 세라믹스로서 실용성이 높은 효과가 있는 유용한 발명이다.

상기에서 본 발명은 기재된 구체예를 중심으로 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

Claims

하기 화학식 1로 표현되는 압전 세라믹스 화합물과 상기 압전 세라믹스 화합물의 0.1 내지 0.5 중량%의 산화세리아(CeO₂)을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이몰프용 압전 세라믹스 조성물.

aPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-bPb(Mn_1/2Nb_1/2)O₃-cPbZrO₃-dPbTiO₃

(상기 몰비 a, b, c 및 d는 각각 0.01≤a≤0.09, 0.01≤b≤0.09, 0.30≤c≤0.60, 0.30≤d≤0.60 임.)