KR100602989B1 - 파츠피더용 압전세라믹 조성물의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Pb, Cd, Ni, Nb, Zr, Ti, O을 주성분으로 하여 Pb1-xCdx(Ni1/3Nb2/3)y(ZrzTi1-z) 1-yO3 (x=0.01∼0.02, y=0.10∼0.20, z=0.44∼0.53)의 조성식으로 이루어지고 유전율이 1800∼2400, 전기기계결합계수가 50% 이상, 압전정수(d33)가 300pC/N 이상인 것을 특징으로 하는 파츠피더용 압전세라믹 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 파츠피더용 압전세라믹 조성물은 Cd의 첨가 혼합으로 인해 소결온도가 낮아지고, 온도특성 및 경시변화 특성이 우수하여 유전율과 임피던스가 파츠피더용 액츄에이터에 최적조건을 갖는 효과를 가진다.

Description

파츠피더용 압전세라믹 조성물의 제조방법{Method for producing piezoelectric ceramics compositions for parts-feeder}
본 발명은 파츠피더(parts feeder)용 압전세라믹 조성물에 관한 것이다. 파츠피더는 기계가공라인과 조립라인에서 부품공급시스템을 구성하는데 필요한 부품공급장치로서 자동차, 전기, 전자, 의약계 등의 폭넓은 분야에서 사용되고 있다.
압전식 파츠피더는 전자식 피더(60㎐)보다 3배에 가까운 180㎐의 월등히 빠른 운송속도를 보유하고 있으며 내구성이 탁월하며 전압제어에 따라 넓은 범위로 이동속도를 가변시킬 수가 있으며 사용환경이나 전원변동에 영향을 받지 않고 안정된 진동효과를 얻을 수 있다. 그러나 압전식 파츠피더는 상기의 장점과 함께 압전 액츄에이터(actuator)의 제조가 어렵고 가격이 높다는 단점을 수반한다.
압전 액추에이터에 사용되는 재료는 PbTiO3-PbZrO3(PZT)계 세라믹스로, 여러 가지 응용분야의 요구를 만족할 특성을 얻기 위해 여러 가지 첨가물에 관한 연구가 이루어지고 있다. 첨가물에 의한 PbTiO3-PbZrO3(PZT)계의 개량과 병행하여 PbTiO3 - PbZrO3(PZT)인 이성분계에 화합물을 고용시킨 삼성분계의 연구가 되었으며, 이를 통해 PZT계와 성능이 유사한 압전특성을 갖는 압전세라믹스를 만들고 있다. 삼성분계는 미국의 클레비트(Clevite)사(현재 Vanitron)의 PZT에 관한 특허 범위외이므로 공업적으로 의미가 깊다. 이러한 삼성분계의 특징은 PZT와 비교하여 PbO이 휘발이 적고, 소성이 쉬우며, 주성분에 각종 첨가물을 가하므로 유전특성 및 압전특성을 크게 개선할수 있다. 또한 PZT는 결정구조가 정방정계에서 능면체정계로 변이하는 상경계가 점형인 것에 비해 삼성분계에서는 선형으로 되어 있으므로 용도에 맞는 특성을 갖는 재료를 얻는 것이 용이하다는 장점을 갖고 있다. 최근에는 삼성분계에 또다른 제4의 성분을 가하여 사성분계를 형성시켜 삼성분계보다 우수한 특성의 조성물을 개발하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
압전 액츄에이터는 상기의 PZT를 기본으로 하고 여기에 여러 가지 성분들을 혼합하여 삼성분계 또는 4성분계로써 제조되는데, 소결공정시 조성물에 포함된 Pb는 1100℃ 이상에서는 급격하게 휘발하는 특성을 가지고 있다. 이러한 Pb의 휘발은 압전소자 제조시 특성의 산포를 크게 하며, 소자의 물성에 악영향을 미치게 된다. 따라서 Pb를 함유하는 압전소자의 경우에 소결온도를 낮추는 것이 공정상 및 압전소자의 물성상 중요하다.
또한 압전식 파츠피더는 빠른 운송속도를 갖는 것이 특히 중요하여 우수한 파츠피더로서의 성능을 발휘하기 위해서는 사용주파수대역에서 1800~2400의 유전율과 낮은 임피던스 그리고 높은 전기기계결합계수를 갖는 것이 필요하다.
기존의 압전 액추에이터에 사용된 조성물의 예로는
1) Pb[(Ni1/3Nb2/3)A(Zn1/3Nb2/3)B(Sb 1/2Nb1/2)CZrDTiE]O3 의 조성식을 가지며, 부성분으로써 희토류 산화물을 0.01~0.5wt% 첨가한 것으로 1200~1250℃에서 소성하여 사용한 것이 있었다.[일본특허:昭61-10065호] 또한, 일본특허:昭61-10058호에서는 Pb[(Ni1/3Nb2/3)A(Sb1/2Nb1/2)BZrC TiD]O3의 일반식을 가지며, NiO, Fe2O3, Bi2O3등의 성분을 부성분으로 첨가하여 1200 ~ 1250℃에서 소성하여 사용하였으며, 일본특허平5-24917호에서는 Pb(Ni1/3Nb2/3)AZrBTiCO3의 일반식을 갖고, 소량으로 MnO2, Cr2O3, Fe2O3,등을 첨가하여, 1260℃에서 소성하여 사용하였으며,
Pb1-XLax(Li1/4Nb3/4)A(Zn1/3Nb2/3 )BZrCTiDO3의 일반식을 갖고, 부성분으로 Al2O 3를 첨가한 조성물로, 1220~1300℃에서 소성하여 사용하였다.
상기 선행기술에 의한 액추에이터 압전소자 조성물은 소결온도가 1200℃이상의 온도에서 소결하여 Pb의 휘발과 같은 공정상 난점이 있었으며, 얻어지는 소결체의 특성도 저온에서 얻어진 것에 비하여 큰 산포를 보인다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 선행기술의 제반 문제점을 해소하기 위하여 기존의 압전 액츄에이터에 널리 사용되는 조성인 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbZrO 3-PbTiO3의 조성에 Cd를 치환시켜 낮은 온도에 액상을 형성시키도록 하였다. 형성된 액상은 액상소결을 촉진시켜 조성물의 소결온도를 낮추는데 매우 효과적인 역할을 하게 되었다. 이와 더불어 Cd를 첨가함으로써 낮은 소결온도에서 유전율과 임피던스를 파츠피더용 액츄에이터에 최적조건을 갖도록 압전세라믹 조성물을 제조할 수 있었다.
그러므로 본 발명에 의하면 압전세라믹 조성물에 있어서,
Pb, Cd, Ni, Nb, Zr, Ti을 주성분으로 하여 아래 조건을 만족하도록 이루어지고 유전율이 1800∼2400, 전기기계결합계수가 50% 이상, 압전정수(d33)가 300pC/N 이상인 것을 특징으로 하는 파츠피더용 압전세라믹 조성물이 제공된다.
- 아 래 -
Pb1-xCdx(Ni1/3Nb2/3)y(ZrzTi 1-z)1-yO3 --- 식1)
(x=0.01∼0.02, y=0.10∼0.20, z=0.44∼0.53)
또한 본 발명의 파츠피더용 압전세라체를 제조하기 위한 제조방법으로서 파츠피더용 압전세라믹체의 제조에 있어서,
(a) Pb, Cd, Ni, Nb, Zr, Ti를 Pb1-xCdx(Ni1/3Nb1/3)y(ZrzTi1-z)1-yO3 (x=0.01~0.02, y=0.10~0.20, z=0.44~0.53)의 비율로 혼합하고, 1차분쇄하고 850~1100℃에서 가열처리한 후 분쇄하여 세라믹 조성물을 제조하는 단계, (b) 상기 세라믹 조성물에 바인더를 첨가하여 가압성형하는 단계, (c) 상기 성형물에 함유된 결합수와 바인더를 소각,제거한 후 1100~1250℃에서 1~4시간 소결하는 단계를 포함하는 파츠피더용 압전세라믹체의 제조방법이 제공된다.
삭제
이하 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명인 파츠피더용 압전세라믹 조성물은 압전식 파츠피더에 사용되는 액츄에이터의 주요소자로서 사용되는 것으로서 Pb, Cd, Ni, Nb, Zr, Ti, O을 주성분으로 하여 1100~1250℃의 온도범위에서 소결하여 제조되는 것이다.
압전식 파츠피더에 사용되는 액츄에이터의 주요소자로서 주요한 특성은 유전율, 전기기계 결합계수, 압전정수(d33) 등을 들 수 있겠는데 기존의 압전 액츄에이터의 조성인 Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-Pb(ZrTi)O3의 조성으로는 상기와 같은 낮은 소결온도에서 원하는 물성을 얻기 어렵다.
이에 본 발명자는 기존의 압전 액츄에이터의 조성에 Pb, Cd, Ni, Nb, Zr, Ti, O을 Pb1-xCdx(Ni1/3Nb2/3)y(ZrzTi 1-z)1-yO3 (x=0.01∼0.02, y=0.10∼0.20, z=0.44∼0.53)의 비율로 혼합하여 유전율이 1800∼2400, 전기기계결합계수가 50% 이상, 압전정수(d33)가 300pC/N 이상인 물성을 보유하는 파츠피더용 압전세라믹 조성물을 제조한다.
본 발명인 파츠피더용 압전세라믹 조성물을 제조하기 위한 바람직한 제조방법은 다음과 같다. 출발물질로는 PbO, CdO, ZrO2, TiO2을 사용하여 각 물질을 식 1)에 맞도록 평량한 후 혼합물 : 용제 : 지르콘 구슬(ball) = 1:1:1 로 섞어 폴리에틸렌제 통에서 메탄올을 분산용매로 사용하여 24시간 이상 1차분쇄( ball mill)하 였다.
Pb(Ni1/3Nb2/3)O3[PNN]은 -120℃ 큐리점을 갖는 강유전체로 상온에서 정방정과 능면체정의 상경계 영역에서 최대의 유전율과 압전정수값을 갖는다. PNN은 PZT계 압전세라믹스에 비하여 낮은 온도에서 소결되는 특징을 가지며, PZT와 삼성분계를 형성시 최대 600pC/N 이상의 압전정수 값을 가지므로 액추에이터로 널리 사용된다. 반면 낮은 상전이 온도를 갖기 때문에 PNN 함량의 증가시 급격한 상전이 온도의 감소를 발생시켜, 압전소자의 온도특성 및 경시변화의 불안정성을 유발한다. 따라서 Cd를 첨가함으로써 낮은 소결온도에서 유전율과 임피던스를 파츠피더용 액츄에이터에 최적조건을 갖는 압전세라믹 조성물을 제조할 수 있다.
NiO 와 Nb2O5 는 별도로 1100℃에서 하소하여 상기 1차분쇄된 혼합물과 혼합한 후 2차 하소한다. 상기 혼합물을 건조, 재하소후 2차분쇄를 한다. 상기 2차분쇄가 완료된 혼합물을 건조시킨 후 바인더역할을 하는 폴리비닐알콜을 첨가한 후 금형에 넣어 1ton/㎠ 의 압력을 가하여 성형한다.
상기 성형물을 250℃에서 열처리하여 흡착수(H2O)와 부착수(OH)를 증발시킨 후 600℃의 온도에서 결정내부에 함유된 결합수와 폴리비닐알콜을 소각시킨 후 1100~1250℃에서 1~4 시간 소결하여 파츠피더용 압전세라믹체를 제조할 수 있다.
이렇게 제조된 파츠피더용 압전세라믹체는 연마, 세척공정을 거쳐 금속을 양면에 코팅한 후 전극건조 및 분극처리를 거쳐 파츠피더용 액츄에이터에 유용하게 사용되는 압전세라믹 조성물로 제조될 수 있다.
본 발명의 제조방법에 의해 Pb, Cd, Ni, Nb, Zr, Ti, O을 주성분으로 하여 아래 조건을 만족하도록 이루어지고 유전율이 1800∼2400, 전기기계결합계수가 50% 이상, 압전정수(d33)가 300pC/N 인 것을 특징으로 하는 파츠피더용 압전세라믹 조성물이 제공된다.
- 아 래 -
Pb1-xCdx(Ni1/3Nb2/3)y(Zrz Ti1-z)1-yO3 --- 식1)
(x=0.01∼0.02, y=0.10∼0.20, z=0.44∼0.53)
상기 파츠피더용 압전세라믹 조성물은 Cd의 첨가 혼합으로 인해 소결온도가 낮아지고, 온도특성 및 경시변화 특성이 우수하여 파츠피더용 액츄에이터에 유용하게 사용될 수 있다.
이하 다음의 실시예에서는 본 발명인 파츠피더용 액츄에이터에 유용하게 사용되는 압전세라믹 조성물을 제조하는 비한정적인 예시를 하고 있다.
[실시예 1]
원료인 PbO, CdO, NiO, Nb2O5, ZrO2, TiO2를
Pb1-xCdx(Ni1/3Nb2/3)y(ZrzTi 1-z)1-yO3 (x=0.02, y=0.15, z=0.50)의 비율로 혼합하고, 상기 혼합물을 1차분쇄하고 가열처리한 후, 2차분쇄하고 1000kg/㎠의 압력으 로 성형한 후, 1150℃의 온도에서 3시간동안 소결하여 압전세라믹 조성물을 제조하였다. 유전율, 전기기계결합계수 그리고 압전정수는 HP4192 임피던스분석기를 사용하여 측정되었다. 유전율은 1kHz에서 측정되었으며, 전기기계결합계수는 공진반공진법에 의하여, 압전정수는 계산에 의하여 측정한 결과 유전율은 2050, 전기기계결합계수는 57.0%, 압전정수(d33)는 400으로 나타났다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의해 얻어지는 상기 파츠피더용 압전세라믹 조성물은 Cd의 첨가 혼합으로 인해 소결온도가 낮아지고, 온도특성 및 경시변화 특성이 우수하여 유전율과 임피던스가 파츠피더용 액츄에이터에 최적조건을 갖는 효과를 가진다.

Claims (2)

  1. 삭제
  2. 파츠피더용 압전세라믹체의 제조에 있어서,
    (a) Pb, Cd, Ni, Nb, Zr, Ti를 Pb1-xCdx(Ni1/3Nb1/3)y(ZrzTi1-z)1-yO3 (x=0.01~0.02, y=0.10~0.20, z=0.44~0.53)의 비율로 혼합하고, 1차분쇄하고 850~1100℃에서 가열처리한 후 분쇄하여 세라믹 조성물을 제조하는 단계,
    (b) 상기 세라믹 조성물에 바인더를 첨가하여 가압성형하는 단계,
    (c) 상기 성형물에 함유된 결합수와 바인더를 소각,제거한 후 1100~1250℃에서 1~4시간 소결하는 단계를 포함하는 파츠피더용 압전세라믹체의 제조방법.
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