KR100663972B1 - Ａｌ2Ｏ3가 첨가된 ＰＭＮ-ＰＺＴ 압전세라믹 및 그제조방법 - Google Patents
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Abstract
압전 특성이 개선된 압전세라믹은 Pb(Mn1 /3Nb2 /3)O3-PbZrO3-PbTiO3(PMN-PZT)에 Al2O3를 1.0wt% 이하로 첨가하여 구성된다. 상기 압전세라믹은, 0.05Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-0.45PbZrO3-0.50PbTiO3를 만들기 위한 출발 물질인 PbO, MnO2, Nb2O5, ZrO2 및 첨가제인 1.0wt% 이하의 Al2O3를 준비하며, 이때 고온 소결에서 PbO의 휘발을 고려하여 PbO를 약 2.0wt% 과잉으로 추가하는 단계; 상기 원료 물질을 볼 밀링한 후 건조하는 단계; 상기 건조한 분말을 하소하여 전구체를 합성하는 단계; 상기 하소한 분말을 분쇄한 후 다시 볼 밀링하는 단계; 상기 분말에 결합제를 첨가하고 분무 건조기(spray dryer)를 이용하여 과립을 만드는 단계; 상기 분말을 분급한 뒤 가압 성형하는 단계; 및 상기 성형된 재료를 소결하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된다.
PMN-PZT, 압전세라믹, Al2O3 도핑
Description
도 1은 (a)700℃, (b)750℃, (c)800℃, (d)850℃ 및 (e)900℃의 하소 온도에서, 도핑되지 않은 PMN-PZT 세라믹의 X선 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 2는 Al2O3가 (a)0.0wt%, (b)0.1wt%, (c)0.2wt%, (d)0.3wt%, (e)0.4wt%, (f)0.5wt% 및 (g)1.0wt%로 각각 도핑된 PMN-PZT 세라믹을 1100℃에서 1시간 동안 소결한 상태의 X선 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 3은 Al2O3가 0.2wt% 도핑된 PMN-PZT 세라믹을 (a)1100℃, (b)1150℃ 및 (c)1200℃에서 소결했을 때의 X선 회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 4는 Al2O3가 (a)0.0wt%, (b)0.1wt%, (c)0.2wt%, (d)0.3wt%, (e)0.4wt%, (f)0.5wt% 및 (g)1.0wt%로 도핑된 PMN-PZT 세라믹을 1100℃에서 1 시간 동안 소결했을 때의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 1100℃에서 1시간 동안 소결된 PMN-PZT 세라믹의 Al2O3 함량에 따른 전자기계결합계수(kp)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 1100℃에서 1시간 동안 소결된 PMN-PZT 세라믹의 Al2O3 함량에 따른 기계적품질계수(Qm)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 1100℃에서 1시간 동안 소결된 PMN-PZT 세라믹의 Al2O3 함량에 따른 상대 유전상수(ε33 T/ε0)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 1100℃에서 1시간 동안 소결된 PMN-PZT 세라믹의 Al2O3 함량에 따른 압전전하상수(d33)의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 1100℃에서 1시간 동안 소결된 PMN-PZT 세라믹의 Al2O3 함량에 따른 압전전압상수(g33)의 변화를 나타내는 그래프이다.
기계적 신호와 전기적 신호를 상호 가역적으로 변환할 수 있는 압전세라믹은 초음파소자, 착화소자, 압전부저, 액추에이터, 통신용 발진자, 필터 및 각종 센서로 널리 사용되고 있다. 이러한 압전세라믹으로서 현재 널리 사용되고 있는 것은 대부분 Pb(Zr,Ti)O3계(PZT계)이다. 1947년 BaTiO3 세라믹에 높은 직류 전압을 인가하여 압전 현상을 발견한 이후 압전세라믹에 대한 많은 연구가 진행되었다. 1955년 PbZrO3와 PbTiO3의 고용체인 Pb(Zr,Ti)O3가 개발되어, 직류 전압을 가하면 압전체가 되고, 교류 전압을 가할 때 신축이 생겨 진동현상이 있는 것이 발견된 후, 압 전세라믹의 시대가 열렸다.
그러나 기계적 강도의 취약점, 주파수에 대한 유전성질의 강한 의존성, 최대 사용온도 이하에서의 높은 유전손실, PbO의 휘발성과 유독성 문제, 파이로클로어(pyrochlore) 상으로 인한 순수 페로브스카이트(perovskite)상 합성의 어려움 때문에 개발에 많은 제약을 받고 있다.
대표적인 압전 재료인 순수 PZT는 소결과 분극이 어렵고 전기적인 특성도 불안정하기 때문에 첨가물로서 MnO2, Nb2O5 등을 미량 첨가하는 것이 일반적이다. 또한 페로브스카이트 구조의 B사이트(Zr 또는 Ti)를 2+, 3+, 5+ 및 6+가의 금속이온을 조합시켜 4+가에 상당하도록 유도하여, PZT의 일부를 복합 페로브스카이트 구조 화합물로 치환하는 것이 좋다. 이러한 첨가물들은 정방정계 PbTiO3와 사방정계 PbZrO3가 완전 고용체를 이루며 유전성, 압전성 그리고 전기기계 결합계수의 변화 등이 최대가 되는 결정구조의 상경계(MPB: morphotropic phase boundary)를 형성할 수 있는 (반)강유전체가 되고, 또 계의 큐리점이 저하되지 않도록 가능한 한 전이점이 높은 페로브스카이트 화합물을 형성한다. 이러한 압전세라믹은 순수 PZT계에 비해 PbO의 휘발이 작아 소결하기 쉽고, 주성분에 각종 첨가제를 첨가함으로써 유전 및 압전 특성이 크게 개선될 뿐만 아니라, 상경계 영역이 확대되므로 용도에 적합한 재료 선택의 폭이 넓어진다.
본 발명은 전술한 PZT에 MnO2, Nb2O5 등을 첨가한 PMN-PZT 압전세라믹에 대해, 기계적 품질계수와 항전계가 크고 큐리온도가 높으며 유전손실이 적은, 경질(hard) 압전 진동자에 사용될 수 있는 PMN-PZT 압전세라믹 재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 전술한 목적을 달성하기 위해, 아래 구성으로 이루어지는 압전세라믹을 제공한다.
Pb(Mn1 /3Nb2 /3)O3-PbZrO3-PbTiO3에 Al2O3를 1.0wt% 이하로 첨가한 것을 특징으로 하는 PMN-PZT 압전세라믹.
이때 Al2O3의 함량은 0.2-0.3wt% 미만으로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또 본 발명은 상기 세라믹을 만들기 위한 아래와 같은 방법을 제공한다.
0.05Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-0.45PbZrO3-0.50PbTiO3를 만들기 위한 출발 물질인 PbO, MnO2, Nb2O5, ZrO2 및 첨가제인 2.0wt% 이하의 Al2O3를 준비하며, 이때 고온 소결에서 PbO의 휘발을 고려하여 PbO를 약 2.0wt% 과잉으로 추가하는 단계;
상기 원료 물질을 볼 밀링한 후 건조하는 단계;
상기 건조한 분말을 하소하여 전구체를 합성하는 단계;
상기 하소한 분말을 분쇄한 후 다시 볼 밀링하는 단계;
상기 분말에 결합제를 첨가하고 분무 건조기(spray dryer)를 이용하여 과립 을 만드는 단계;
상기 분말을 분급한 뒤 가압 성형하는 단계; 및
상기 성형된 재료를 소결하는 단계를 포함하는 PMN-PZT 압전세라믹 제조방법.
Pb(Mn1 /3Nb2 /3)O3-PbZrO3-PbTiO3 세라믹은 페로브스카이트상의 합성율을 향상시킴으로써 전기기계 결합계수 및 기계적 품질계수를 개선시켜 준다. 또 Al2O3를 첨가제로 사용할 경우 소결 후의 밀도가 향상되고 저온 소결이 가능해진다.
본 발명에서는 이러한 Pb(Mn1 /3Nb2 /3)O3-PbZrO3-PbTiO3 세라믹에 Al2O3를 첨가할 경우, 그 첨가량에 따라 전기기계 결합계수 및 기계적 품질계수, 비유전율, 압전전하상수 그리고 압전전압상수 등의 압전특성이 변화하는 점을 발견하여, 적절한 압전 특성을 얻기 위한 Al2O3 함량을 알아내었다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
본 실시예에 따른 압전세라믹 재료는 MPB 조성인 0.05Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-0.45PbZrO3-0.50PbTiO3(이하 PMN-PZT)를 기본 조성으로 한다. 시약급의 PbO, MnO2, Nb2O5, ZrO2 및 TiO2를 출발 원료로 사용하였고, 소결체의 밀도 증가와 소결온도를 낮추고자 Al2O3를 첨가제로 선정하여 0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 및 1.0wt%를 각각 첨가하였다. 또한 고온 소결시 PbO의 휘발을 고려하여 2.0wt%의 과잉 PbO를 첨가하였다.
PMN-PZT 조성에 첨가제로 선정한 Al2O3를 칭량한 후, 지르코니아 볼과 에틸알코올을 사용하여 폴리우레탄 포트에서 24시간 볼 밀링한 후 건조하였다. 건조시킨 분말을 뚜껑이 있는 알루미나 도가니를 이용하여 900℃에서 2시간 하소하여 전구체(precursor)를 합성하였다. 하소 시의 승온 속도는 5℃/min이었다. 700-900℃까지 50℃간격으로 하소한 분말의 X선 회절분석 결과(도 1)로부터 하소온도를 900℃로 결정하였다. 하소한 분말을 알루미나 유발에서 분쇄한 후 다시 24시간 볼 밀링하였다. 밀링이 끝나기 2시간 전에 결합제 PVA(poly vinyl alcohol)를 1.0wt% 첨가하였고, 결합제가 첨가된 슬러리는 분무 건조기(spray dryer)를 이용하여 과립으로 만들었다. 이렇게 얻어진 분말을 #140mesh로 분급한 후, 직경 31.7㎜ 원통형 몰드에 두께 3.1㎜가 되도록 1000㎏f/㎠의 압력으로 일축 성형하였다.
이후 5℃/min의 승온 속도로 각각 1100℃, 1150℃ 및 1200℃에서 1시간 소결하였으며, 소결 후 냉각은 노 내에서 자연 냉각하였다. 냉각된 제품은 ASTM C373-7210의 방법을 이용하여 소결 밀도를 측정하였으며, 하소 및 소결 과정을 거쳐 제작된 시편의 존재상을 X선 회절장치로 분석하였다. 이때 측정 조건은 40㎸-30㎃, Cu 타겟(=1.5405Å), 주사간격 0.02, 주사속도 4°/min였다. 또 소결체의 미세조직을 관찰하기 위하여 시편을 연마한 후 HF:HCl:H2O=0.5:5:94.5 용액을 이용하여 10초간 화학 에칭하여 주사전자현미경으로 미세조직을 관찰하였다.
소결 시편의 양쪽 면을 다이아몬드 연마기에서 두께 2㎜가 되도록 연마하고, 초음파 세척기를 이용하여 에틸알코올로 세척한 후, 은전극(silver conductive paste: #3288, Metech Inc.)을 도포하여 600℃에서 20분간 열처리하여 소부하였다. 전극이 소부된 시편을 120℃로 유지한 실리콘 오일 항온조에서 3㎸/㎜의 전계를 인가하여 20분간 분극처리하였으며, 분극처리된 시편을 내부 응력의 이완 과정을 고려하여 분극시와 동일한 분위기에서 24시간 시효처리하여 압전 특성을 측정하기 위한 시편을 제조하였다. 시효처리 과정을 거친 시편의 비유전율(ε) 및 전기기계 결합계수(kp), 기계적 품질계수(Qm)는 임피던스 분석기를 사용하여 IRE 표준에 근거한 공진-반공진 방법에 따라 측정된 공진주파수(fr)와 반공진주파수(fa) 그리고 공진저항(R)을 이용하여 구하였다. 정전용량은 1㎑의 주파수에서 측정하였으며, 첫번째 공진-반공진 대역의 공진 주파수와 반공진주파수는 1-2㎒의 주파수 대역에서 임피던스 값을 측정하여 결정하였다.
도 2는 Al2O3가 첨가된 원료분말을 1100℃에서 1시간 소결한 후 X선 회절 분석을 한 결과이다. 회절각 2θ=42-46범위에서 (002)면과 (200)면의 존재는 정방정(tetragonal) 혹은 능면정(rhombohedral)과 정방정의 공존(즉, 상경계 조성)을 의미하고, (200)면만의 존재는 능면정임을 의미한다. 따라서 Al2O3가 첨가되지 않은 조성과 1.0wt%까지 첨가된 조성에서 모두 (002)면과 (200)면이 공존하므로, 본 실시예의 세라믹은 정방정 구조의 상경계 조성임을 확인할 수 있다. Al2O3가 첨가된 모든 조성에서 Al3+ 이온이 첨가됨에 따라 회절각과 상대강도가 조금씩 변화하는 것으로 보아 Al3+ 이온이 PZT 격자 내로 치환(고용)되고 있음을 알 수 있다. 첨가된 Al3+ 이온은 페로브스카이트 구조 내 B사이트로 치환될 것으로 예상되며, 이는 Al3+(이온 반경=0.57)가 Pb2+(이온반경=1.32)보다는 Zr4+(이온반경=0.79) 또는 Ti4+(이온반경=0.68)에 더 가깝기 때문이다.
도 3은 0.2wt% Al2O3가 첨가된 조성의 소결온도에 따른 X선 회절분석 결과다. 소결온도 변화에 따른 상이한 피크는 검출되지 않았으며, 이것은 첨가제로 선정한 Al2O3가 PMN-PZT 복합 산화물에서의 고용체 생성과 저온에서 소결조제로 작용하였기 때문이다. 1100℃에서 1시간 소결하여도 페로브스카이트상이 합성되었고, 소결 밀도 또한 충분히 높았기 때문에, 이후의 특성 평가는 1100℃에서 1시간 소결한 시편에 대해서만 이루어졌다. 1100℃에서 1시간 소결한 시편에 대하여 Al2O3의 첨가량에 따른 소결밀도의 변화를 조사한 결과, Al2O3를 첨가하지 않을 경우 6.9g/㎤의 소결밀도를 나타내었으나, 0.2wt% Al2O3첨가시 7.8g/㎤의 높은 소결밀도를 나타내었다. 이것은 Al3 +과 PbO의 공정반응에 의해 소결이 촉진되었기 때문으로 판단된다.
도 4는 Al2O3를 첨가함에 따른 1100℃에서 1시간 소결한 시편의 미세조직을 관찰한 것이다. Al2O3가 첨가됨에 따라 입자가 점차적으로 성장하여, 0.3wt% 첨가 시 최대의 입자 성장을 보였고, 그 이상 첨가하면 오히려 입자의 크기가 감소하였 다. 이것은 Al3+ 이온의 치환으로 격자상수와 단위격자의 부피가 증가된 것으로 보이며, 0.3wt% 이상에서는 부분적으로 치환되지 못한 Al3+ 이온이 입계에 존재하여 입자성장을 억제시킨 것으로 판단된다. 이는 이온이 입계에 집중되고 입계가 이동할 때 확산 효과에 의하여 과잉 불순물을 끌어들이며, 이로 인해 입계의 이동도와 입경이 감소하는 것이라고 해석된다.
1100℃에서 1시간 소결한 PMN-PZT의 Al2O3 첨가량에 따른 전기기계 결합계수의 변화를 도 5에 나타내었다. 전기기계 결합계수는 첨가량이 증가함에 따라 점차 증가하여 Al2O3가 0.2wt% 첨가된 조성에서 최대값을 나타낸 후 그 이상 첨가되면 다시 감소하였다. PMN-PZT에 대한 Al3 + 이온의 고용한계라 판단되는 0.3wt%까지만 최대값의 90% 이상의 전기기계 결합계수를 유지하였고, 1.0wt% 첨가된 조성에서는 불과 52%에 미치는 전기기계 결합계수를 나타내었다.
도 6은 1100℃에서 1시간 소결한 PMN-PZT의 Al2O3 첨가량에 따른 기계적 품질계수의 변화를 나타낸 것이다. Al2O3 첨가량의 증가에 따라 기계적 품질계수도 증가하였고, 0.3wt% 이상 첨가하면 큰 변화가 없었다. 이처럼 전기기계 결합계수와 기계적 품질계수의 변화 원인은 PZT계 페로브스카이트 구조의 B사이트에 3가의 양이온을 치환시키는 경우에, 고용 한계 이후 전하 중성도에 의해서 산소 공공(vacancy)이 형성되어 전기기계 결합계수와 비유전율 및 저항률이 감소하고, 기계적 품질계수와 항전계가 증가하기 때문으로 보인다.
도 7은 1100℃에서 1시간 소결한 PMN-PZT의 Al2O3 첨가량에 따른 비유전율의 변화를 나타낸 것이다. 첨가량이 증가함에 따라 비유전율이 증가하여 0.2wt% 이상 첨가되면 다시 감소하였고, 이에 대한 원인은 Al3+ 이온의 고용한계 이후 O2- 위치의 전하 중성도에 의한 결함에 따라 생성된 산소 공공 때문으로 판단된다.
도 8과 9는 각각 1100℃에서 1시간 소결한 PMN-PZT의 Al2O3 첨가량에 따른 압전전하상수와 압전전압상수의 변화를 나타낸 것이다. 압전전하상수는 일정한 응력을 가했을 때 발생하는 전하량의 크기 또는 일정한 전계를 가했을 때 발생하는 변형률을 나타내는 척도이다. 본 실시예에서는 첨가량에 따른 d33의 변화를 측정하였다. 한편 압전전압상수는 일정한 응력을 가했을 때 발생하는 전압의 크기를 나타내는 척도로서 본 발명에서는 g33을 측정하였다. 압전전하상수와 압전전압상수의 경우도 다른 압전 특성들과 마찬가지로 첨가량이 증가함에 따라 그 값이 증가하여 0.2wt%에서 최대값을 보였고, 그 이상 첨가하면 다시 감소하였다. 일반적으로 PZT구조의 A사이트에 치환된 원자는 격자상수 a축 길이를 변화시키고, B사이트에 치환된 원자는 c축 길이를 변화시킨다. 이로 인해 c/a 축비(정방성)가 변화하며, c/a축비가 증가할 경우 단위정의 쌍극자 모멘트가 증가되어 유전 및 압전특성이 향상된다. 첨가된 Al2O3의 Al3 + 이온은 B사이트를 치환할 가능성이 높아 치환(고용)한계까지 첨가되면 유전 및 압전특성이 형상된다. 따라서 PMN-PZT에서 Al3+ 이온의 고 용한계로 추측되는 0.2-0.3wt% 범위에서 최대값을 보이고, 그 이상 첨가하면 산소 공공에 의한 기공율이 증가하여 압전전하상수와 압전전압상수가 감소하는 것으로 판단된다.
이상 설명한 본 발명의 압전세라믹 재료에 의하면 소결밀도가 높고, 전기기계 결합계수, 기계적 품질계수, 비유전율, 압전전하상수, 및 압전전압상수가 우수한 PMN-PZT 압전세라믹을 얻을 수 있다. 또 이러한 PMN-PZT 압전세라믹을 효율적으로 제조할 수 있는 효과가 있다.
Claims (3)
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- 페로브스카이트 결정 구조를 가지는 Pb(Mn1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3 (PMN-PZT) 압전 세라믹에 있어서, Al2O3가 0.2-0.3wt%로 첨가되며, 상기 Al2O3가 상기 PMN-PZT 압전세라믹 페로브스카이트 결정 구조의 B사이트에 치환되어 들어가는 것을 특징으로 하는 PMN-PZT 압전세라믹.
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| KR100915909B1 (ko) | 2008-04-14 | 2009-09-07 | 한국세라믹기술원 | 기판용 저온 소성 유전체 세라믹스 및 그 제조방법 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002060269A (ja) * | 2000-08-18 | 2002-02-26 | Murata Mfg Co Ltd | 圧電磁器材料、圧電磁器焼結体および圧電磁器素子 |
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|---|---|---|---|---|
| JP2002060269A (ja) * | 2000-08-18 | 2002-02-26 | Murata Mfg Co Ltd | 圧電磁器材料、圧電磁器焼結体および圧電磁器素子 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100915909B1 (ko) | 2008-04-14 | 2009-09-07 | 한국세라믹기술원 | 기판용 저온 소성 유전체 세라믹스 및 그 제조방법 |
| CN109400152A (zh) * | 2018-10-08 | 2019-03-01 | 贵州振华电子信息产业技术研究有限公司 | 一种耐电压压电陶瓷材料及其制备方法 |
| CN113929454A (zh) * | 2021-09-07 | 2022-01-14 | 成都宏科电子科技有限公司 | 一种反铁电高储能密度陶瓷粉料及其制备方法和含有其的电容器 |
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