KR100641338B1 - 가속도 센서용 압전 세라믹스 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가속도 센서용 압전 세라믹스 조성물에 관한 것으로, 그 목적은 그 목적은 압전 전압상수(g)가 크고 온도안정성이 현저하게 개선되어 가속도 센서에 적합한 압전 세라믹스 조성물을 제공하는 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 압전 세라믹스 조성물은 αPb(Sb1/2Nb1/2)O3-βPbZrO3-γPbTiO 3+xMnO2+yLa2O3의 압전 세라믹스 조성에서, 조성식 중의 변수 α가 몰비로 0.01≤α≤0.10이고, β가 몰비로 0.30≤β≤0.60이며, γ가 몰비로 0.30≤γ≤0.60이고, x는 조성물 총량에 대한 중량%로서 0.1≤x≤1.0 이며, y는 조성물 총량에 대한 중량%로서 0.1≤y≤0.5 인 것을 특징으로 한다.
압전, 세라믹, 가속도센서

Description

가속도 센서용 압전 세라믹스 조성물 {Piezoelectric ceramic composition for accelerometer}
[산업상 이용분야]
본 발명은 세라믹스 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압전 전압상수(g)가 크고 온도안정성이 향상된 가속도 센서용 압전 세라믹스 조성물에 관한 것이다.
[종래기술]
가속도 센서는 물체의 동적 진동변화, 즉 가속도를 직접 감지할 수 있는 센서이며, 신호 감지용 핵심소자로 압전 세라믹스를 이용하는 가속도 센서는 압전체에 가해지는 기계적 진동신호의 크기에 비례하는 전기적 신호를 발생시키므로 그때의 진동상태를 알 수 있게 하는 센서이다.
종래 사용되고 있는 가속도 센서용 압전 재료로는 PZT[Pb(Zr,Ti)O3]를 기초로한 3성분계 등이 있으며 이하 종래 사용되고 있는 압전재료에 대하여 상세하게 살펴보기로 한다.
일반적으로 가속도 센서용 압전 재료로서는 압전 전압상수(g)가 커서 진동신호에 대한 감도가 크고, 동시에 온도계수가 작아서 사용온도 변화에 관계없이 일정한 특성을 유지할 수 있는 조성이 요구되고 있다.
압전 전압상수(g)를 높이기 위해서는 압전 전하상수(d)를 높이고 유전율(ε)을 낮게 하여야 한다. 그러나 일반적인 PZT[Pb(Zr,Ti)O3]를 기초로 한 3성분계에서는 압전 전하상수와 유전율이 상호 비례하여 증가하는 경향을 나타내므로 전체적인 압전 전압상수(g) 값을 높이기가 매우 어렵다.
또한 온도계수를 낮추기 위해서는 강유전체에서 상유전체로의 상전이 현상이 나타나는 큐리온도(Tc)를 높이는 것이 일반적이나, 큐리온도가 증가할수록 저온 영역에서의 압전 전압상수(g)가 작아져서 감도가 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 압전 전압상수(g)가 크고 온도안정성이 현저하게 개선되어 가속도 센서에 적합한 압전 세라믹스 조성물을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 압전 세라믹스 조성물은 αPb(Sb1/2Nb1/2)O3-βPbZrO3-γPbTiO3+xMnO 2+yLa2O3의 압전 세라믹스 조성에서, 조성식 중의 변수 α가 몰비로 0.01≤α≤0.10이고, β가 몰비로 0.30≤β≤0.60이며, γ가 몰비로 0.30≤γ≤0.60이고, x는 조성물 총량에 대한 중 량%로서 0.1≤x≤1.0 이며, y는 조성물 총량에 대한 중량%로서 0.1≤x≤0.5 인 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 압전 세라믹 조성물을 제조하기 위하여 순도가 99.5% 이상인 산화납(PbO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화티타늄(TiO2), 산화안티몬(Sb2O3 ), 산화니오브(Nb2O5), 이산화망간(MnO2), 산화란타늄(La2O3 )을 조성에 맞게 혼합하고 분쇄한 후 온도가 약 700 내지 1000℃인 전기로에서 약 1내지 5시간동안 하소시켜 본 발명의 단일상 압전 세라믹 조성물 분말을 제조한다.
상기 본 발명에서 사용되는 각 성분들의 조성비는 α가 몰비로 0.01≤α≤0.10이고, β는 몰비로 0.30≤β ≤0.60이고, γ는 몰비로0.30≤γ ≤0.60가 되도록 하는 것이 바람직하며, 각 계수의 몰비가 이 범위를 벗어나는 경우에는 본 발명에서 요구하는 물성을 얻을 수 없다.
상기 본 발명에서 사용되는 이산화망간 및 산화란타늄은 특정 원소와의 치환이나 격자내 침입을 통하여 소결체의 소결성, 미세구조 등을 변화시킴으로써 압전 세라믹 조성물에 우수한 압전특성을 부여하기 위하여 첨가된다. 상기 이산화망간 및 산화란타늄의 첨가량은 요구하는 소결체의 조성에 따라 상이할 수 있으나, 본 발명에서 요구하는 효과를 얻기 위해서는 상기 이산화망간 및 산화란타늄의 함량이 압전 세라믹 조성물 총량에 대하여 각각 0.1 내지 1.0중량%와 0.1내지 0.5중량%가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 압전 세라믹 조성물을 제조한 후, 조성물의 시편을 제조하여 제조된 세라믹 조성물의 물성을 측정한다.
다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
순도 99.5% 이상의 산화납, 산화지르코늄, 산화티타늄, 산화안티몬, 산화니오브, 이산화망간, 산화란타늄 분말을 하기 표 1에 나타낸 조성이 되도록 칭량하여 혼합한 후, 에탄올 용매 중에서 볼밀을 사용하여 24시간동안 혼합 및 분쇄한 후 건조시키고 온도 약 900℃에서 2시간 동안 하소하였다.
상기 하소된 세라믹 조성물 분말을 24시간 동안 습식 볼밀을 수행하여 평균입도가 0.8 내지 1.2 ㎛이 되도록 하였다. 상기 습식 볼밀된 조성물 분말을 건조시킨 후, 유압프레스를 사용하여 지름 20 ㎜의 성형몰드로 가압 성형을 수행하고 냉간 정수압 프레스(cold isostatic press) 등으로 약 2톤/㎠의 압력을 가하여 물성측정을 위한 조성물 시편을 제조하였다.
상기 제조된 시편을 동일 조성을 갖는 분말로 균일하게 덮은 후, 밀폐된 알루미나 도가니에 넣고 산화납 분위기에서 약 1100℃ 내지 1300℃의 온도에서 약 1시간 내지 4시간 동안 유지시켜 시편을 소결하였다. 상기 소결된 시편을 연마기로 두께가 약 1 ㎜가 되도록 연마하고 초음파 세척기로 이물질을 제거하고 건조시킨 후, 은 전극을 시편의 양면에 도포시키고 온도 약 590℃에서 약 15분 동안 열처리 를 수행하여 시편의 양면에 전극을 형성하였다.
상기 전극이 형성된 시편을 실리콘 오일 속에 담그고 온도 약 120℃에서 약 3㎸/㎜의 직류전류를 약 10분 동안 인가시켜 시편에 압전성을 부여하였다. 상기 압전성이 부여된 시편을 온도 약 150℃에서 약 10시간 동안 열처리하여 분극 처리된 시편의 시효현상을 제거한 후, 상기 시효현상이 제거된 시편을 사용하여 통상의 방법으로 상온에서의 압전 전압상수 및 상온∼150℃ 범위에서 압전 전압상수의 온도계수를 측정하고 그 결과를 하기 표2에 나타내었다. 또한 종래 압전 세라믹 조성물과 물성을 비교하기 위하여 PZT 3성분계의 세라믹 조성물에 대한 압전 전압상수 및 온도계수를 측정하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
실시예 2 내지 4
하기 표 1에서 보는 바와 같이 조성물의 함량을 상이하게 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 압전 세라믹 조성물을 제조하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 시편을 제조하고, 제조된 시편의 압전 전압상수 및 온도계수를 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 측정하고, 그 결과를 하기 표2에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4
α 0.01 0.01 0.10 0.10
β 0.39 0.60 0.30 0.60
γ 0.60 0.39 0.60 0.30
x* 0.1 0.1 1.0 1.0
y* 0.1 0.1 0.5 0.5
(* : 세라믹 조성물 총량에 대한 중량%임)
실시예 종래예
1 2 3 4
압전 전압상수(g33) 35 42 36 45 30
온도계수(%) 8 17 10 18 20
상기 표 2에서 보는 바와 같이 실시예 1과 실시예 3의 경우 압전 전압상수의 온도계수가 약 50% 이상 감소하여 온도안정성이 크게 향상되었으며, 실시예 2와 실시예 4의 경우 압전 전압상수가 약 40% 이상 증가한 우수한 특성을 나타내었다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 압전 세라믹스 조성물은 압전 전압상수가 크고 온도안정성이 현저하게 개선되어 가속도 센서용 압전 세라믹스로서 실용성이 높은 효과가 있다.

Claims (1)

  1. αPb(Sb1/2Nb1/2)O3-βPbZrO3-γPbTiO3+xMnO2+yLa2O3의 압전 세라믹스 조성에서, 상기 α가 몰비로 0.03<α≤0.10이고, 상기 β가 몰비로 0.30≤β≤0.60이며, 상기 γ가 몰비로 0.30≤γ≤0.60이고, 상기 x가 상기 세라믹스 조성물 총량에 대한 중량%로 0.1≤x≤1.0 이며, 상기 y가 상기 세라믹스 조성물 총량에 대한 중량%로 0.1≤y≤0.5 인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스 조성물.
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