KR100691560B1 - Piezoelectric ceramic composition for low temperature sintering - Google Patents

Piezoelectric ceramic composition for low temperature sintering Download PDF

Info

Publication number
KR100691560B1
KR100691560B1 KR1020050073487A KR20050073487A KR100691560B1 KR 100691560 B1 KR100691560 B1 KR 100691560B1 KR 1020050073487 A KR1020050073487 A KR 1020050073487A KR 20050073487 A KR20050073487 A KR 20050073487A KR 100691560 B1 KR100691560 B1 KR 100691560B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
piezoelectric
composition
piezoelectric ceramic
sintering temperature
ceramic composition
Prior art date
Application number
KR1020050073487A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20070018630A (en
Inventor
김태송
천채일
권태윤
윤대성
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020050073487A priority Critical patent/KR100691560B1/en
Publication of KR20070018630A publication Critical patent/KR20070018630A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100691560B1 publication Critical patent/KR100691560B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
    • H10N30/85Piezoelectric or electrostrictive active materials
    • H10N30/853Ceramic compositions
    • H10N30/8548Lead-based oxides
    • H10N30/8554Lead-zirconium titanate [PZT] based
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
    • C04B35/49Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates
    • C04B35/491Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates based on lead zirconates and lead titanates, e.g. PZT
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G23/00Compounds of titanium
    • C01G23/04Oxides; Hydroxides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

본 발명은 900℃ 이하의 낮은 소결온도에서도 우수한 압전 특성을 보이는 압전 세라믹 조성물에 관한 것이다. 본 발명의 압전 세라믹 조성물은 일반식 xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 로 표현되며, 여기서, 0.08≤x≤0.20이고, x+y+z=1이다. 또한 본 발명은 상기의 조성물에 Mn을 치환 또는 첨가하여 우수한 압전 상수를 유지하면서 동시에 기계적 품질계수를 향상시킨 조성물을 제공한다.The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition exhibiting excellent piezoelectric properties even at a low sintering temperature of 900 ° C or less. The piezoelectric ceramic composition of the present invention is represented by the general formula xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 , where 0.08 ≦ x ≦ 0.20 and x + y + z = 1. In another aspect, the present invention provides a composition by improving the mechanical quality factor while maintaining an excellent piezoelectric constant by substituting or adding Mn to the composition.

압전 세라믹 조성물, 압전 MEMS 소자, 적층형 모놀리식 압전체 Piezoelectric Ceramic Compositions, Piezoelectric MEMS Devices, Stacked Monolithic Piezoelectric

Description

저온 소결용 압전 세라믹 조성물{PIEZOELECTRIC CERAMIC COMPOSITION FOR LOW TEMPERATURE SINTERING}Piezoelectric Ceramic Composition for Low Temperature Sintering {PIEZOELECTRIC CERAMIC COMPOSITION FOR LOW TEMPERATURE SINTERING}

도 1은 실시예 1에서 소결온도가 900℃일 때 Pb(Zn0 .5W0 .5)O3 몰 비에 따른 선형 수축률 및 유전상수의 변화를 나타낸 그래프.1 is the first embodiment, when the sintering temperature is 900 ℃ in Pb (Zn 0 .5 W 0 .5 ) O graph showing linear shrinkage and changes in the dielectric constant of the third drive ratio.

도 2는 실시예 1에서 소결온도가 900℃일 때 Pb(Zn0 .5W0 .5)O3 몰 비에 따른 전기기계결합계수 및 압전상수의 변화를 나타낸 그래프.Figure 2 is an embodiment 1 when the sintering temperature is 900 ℃ in Pb (Zn 0 .5 W 0 .5 ) O a graph showing the electromechanical coupling factor and piezoelectric constant change in accordance with the 3 mole ratio.

도 3은 실시예 1의 시편 5 내지 8의 조건으로 제조한 세라믹스의 소결온도에 따른 선형 수축률 및 유전상수의 변화를 나타낸 그래프.3 is a graph showing a change in linear shrinkage rate and dielectric constant according to the sintering temperature of ceramics prepared under the conditions of Specimen 5 to 8 of Example 1. FIG.

도 4는 실시예 1의 시편 5 내지 8의 조건으로 제조한 세라믹스의 소결온도에 따른 전기기계결합계수 및 압전상수의 변화를 나타낸 그래프.4 is a graph showing changes in electromechanical coupling coefficients and piezoelectric constants according to the sintering temperature of ceramics prepared under the conditions of Specimen 5 to 8 of Example 1. FIG.

도 5는 실시예 2에서 Pb(Mn0 .5W0 .5)O3 치환량에 따른 전기기계결합계수 및 기계적 품질계수의 변화를 나타낸 그래프.Figure 5 is a graph showing the electromechanical coupling factor and the change of the mechanical quality factor of the Pb (Mn 0 .5 W 0 .5 ) O 3 substitution amount in the second embodiment.

도 6은 실시예 3에서 MnO 첨가량에 따른 전기기계결합계수 및 기계적 품질계수의 변화를 나타낸 그래프.FIG. 6 is a graph showing changes in electromechanical coupling coefficients and mechanical quality coefficients according to MnO addition in Example 3. FIG.

도 7은 실리콘 기판위에 구현된 후막의 단면을 촬영한 전자현미경사진.Figure 7 is an electron micrograph taken a cross section of the thick film implemented on a silicon substrate.

도 8은 마이크로머시닝 방법에 의하여 완성된 압전후막 모노리식 캔틸레버의 전자현미경사진.8 is an electron micrograph of a piezoelectric thick film monolithic cantilever completed by a micromachining method.

도 9는 완성된 캔틸레버가 액상에서 나타내는 전기적 및 기계적 거동을 나타낸 그래프.9 is a graph showing the electrical and mechanical behavior of the finished cantilever in the liquid phase.

본 발명은 압전 공진기, 압전 필터, 압전 엑츄에이터(actuator), 압전 변압기 등에 널리 응용될 수 있는 납 산화물(lead oxide)계의 압전 세라믹 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a lead oxide-based piezoelectric ceramic composition that can be widely applied to piezoelectric resonators, piezoelectric filters, piezoelectric actuators, piezoelectric transformers, and the like.

납 산화물계 압전 세라믹 재료로는 PbZrO3-PbTiO3 2성분계 또는 Pb(MgNb)O3-PbZrO3-PbTiO3 등의 3성분계 압전 세라믹 조성물이 널리 이용되고 있다. 이러한 압전 세라믹 재료는 일반적으로 1200 ~ 1300℃에서 소결된다. 그러나, 납 산화물계 압전 세라믹스를 1100℃ 이상에서 소결시킬 때는 산화납이 휘발되며, 납 산화물의 휘발은 조성의 불균일성을 유발하여 우수한 재료 특성을 얻기 힘들고, 독성 물질에 의한 환경 오염을 야기하는 문제가 있다. 따라서 산화납의 휘발을 억제하기 위해서는 소결온도가 더욱 낮은 압전 세라믹 조성물이 필요하다.A lead oxide-based piezoelectric ceramic material is a PbZrO 3 -PbTiO 3 2-component or three-component piezoelectric ceramic composition such as Pb (Mg ⅓ Nb ⅔) O3 -PbZrO 3 -PbTiO 3 has been widely used. Such piezoelectric ceramic materials are generally sintered at 1200 to 1300 ° C. However, when the lead oxide piezoelectric ceramics are sintered at 1100 ° C. or higher, lead oxide is volatilized, and the volatilization of lead oxide causes unevenness in composition, making it difficult to obtain excellent material properties and causing environmental pollution by toxic substances. have. Therefore, in order to suppress volatilization of lead oxide, a piezoelectric ceramic composition having a lower sintering temperature is required.

최근에는, 압전 엑츄에이터, 압전 변압기 등에 여러층의 압전 세라믹스(multi-layer ceramics)를 이용한 적층형 모놀리식(monolithic) 압전체가 사용되고 있다. 이러한 적층형 모놀리식 압전체는 여러 개의 압전 세라믹 층과 압전 세라믹 층 사이 사이에 전극층을 적층시킨 후 이들을 함께 소성시킨다. 그러나 위에서 설명한 일반적인 압전 세라믹 재료의 소결온도가 1200 ~ 1300℃이므로 이들을 이용하여 모놀리식 압전체를 제조하기 위해서는 Pt와 같은 고가의 귀금속 전극재료를 사용하여야 한다. 따라서, Ag/Pd 합금과 같은 저가의 금속전극을 사용하여 적층형 모놀리식 압전체를 제조하기 위해서는 소결온도가 1000℃ 내외인 압전 세라믹 조성물이 필요하며, 압전 세라믹 재료의 소결온도가 1000℃ 이하로 내려갈수록 Ag/Pd 합금에서 더욱 싼 금속인 Ag의 성분을 증가시킬 수 있으므로 재료비를 더욱 줄일 수 있다. Recently, multilayer monolithic piezoelectric materials using multiple layers of piezoelectric ceramics have been used for piezoelectric actuators, piezoelectric transformers, and the like. The stacked monolithic piezoelectric laminates an electrode layer between a plurality of piezoelectric ceramic layers and piezoelectric ceramic layers and then fires them together. However, since the sintering temperature of the general piezoelectric ceramic material described above is 1200 to 1300 ° C, an expensive precious metal electrode material such as Pt should be used to manufacture a monolithic piezoelectric material using them. Therefore, in order to manufacture a laminated monolithic piezoelectric material using an inexpensive metal electrode such as an Ag / Pd alloy, a piezoelectric ceramic composition having a sintering temperature of about 1000 ° C. is required, and the sintering temperature of the piezoelectric ceramic material is lowered below 1000 ° C. Increasingly, the Ag / Pd alloy can increase the composition of Ag, which is a cheaper metal, further reducing material costs.

한편, 압전 박막 및 후막에 미세 가공 기술(micromachining) 기술을 접목하여 초소형 액츄에이터, 센서 등의 압전 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 소자의 제조가 가능하게 되었으며, 이 중에서 상대적으로 큰 변위가 요구되는 분야의 경우 수 ㎛에서 수십 ㎛의 두께를 갖는 압전 후막 재료가 사용되어야 하며, 스크린 프린팅 방법을 이용하여 압전 후막 재료를 제조하는 방법이 널리 시도되고 있다. 스크린 프린팅 방법으로 압전 후막을 제조하는 방법은 제조 공정이 간단하고 제조 비용이 저렴한 장점이 있다. 특히, 패터닝 공정이 따로 필요 없고 원하는 패턴 크기의 후막을 직접 기판 위에 형성할 수 있다는 장점을 가지고 있다.On the other hand, by applying micromachining technology to piezoelectric thin films and thick films, it is possible to manufacture piezoelectric microelectromechanical system (MEMS) devices such as micro actuators and sensors, among which a relatively large displacement is required. In this case, a piezoelectric thick film material having a thickness of several micrometers to several tens of micrometers should be used, and a method of manufacturing the piezoelectric thick film material using a screen printing method has been widely attempted. The method of manufacturing the piezoelectric thick film by the screen printing method has an advantage in that the manufacturing process is simple and the manufacturing cost is low. In particular, there is no need for a patterning process, and a thick film having a desired pattern size can be directly formed on a substrate.

하지만 실리콘 기판 위에 압전 후막을 형성시켜 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 소자로 이용하기 위해서는 저온에서 열처리가 가능한 제조 기술이 개발되어야 한다. 스크린 인쇄법에 의하여 압전 후막을 제조하는 경우에는 압전 분말을 결합제, 유기용매 등과 혼합하여 페이스트를 제조한 후 이를 Si 기판 위 에 인쇄하여 열처리하기 때문에 800℃ 이상의 온도에서 열처리할 경우 납산화물계 압전 세라믹 재료와 Si 기판 사이의 반응이 일어나 압전 특성을 현저히 저하시키는 문제가 있다. 이를 극복하기 위하여 후막을 형성시키기 전에 실리콘 기판과 하부 전극사이에 안정화 지르코니아(stabilized zirconia) 등의 확산 차단막을 형성시키는 시도가 있지만 이 경우에도 900℃ 이상의 온도에서는 상호 확산 및 화학 반응을 억제할 수 없다. 따라서 압전 후막을 이용한 MEMS 소자를 제조하기 위해서는 900℃ 이하의 저온에서 소결이 가능한 조성의 압전 세라믹 분말을 원료로 사용하지 않으면 안 된다.However, in order to form a piezoelectric thick film on a silicon substrate and use it as a MEMS (Micro Electro Mechanical System) device, a manufacturing technology capable of heat treatment at low temperature must be developed. When the piezoelectric thick film is manufactured by the screen printing method, the piezoelectric powder is mixed with a binder, an organic solvent, and the like to prepare a paste, which is then printed on a Si substrate and heat-treated. There is a problem that the reaction between the material and the Si substrate occurs to significantly lower the piezoelectric properties. In order to overcome this problem, attempts have been made to form a diffusion barrier such as stabilized zirconia between the silicon substrate and the lower electrode before the thick film is formed. . Therefore, in order to manufacture a MEMS device using a piezoelectric thick film, a piezoelectric ceramic powder having a composition that can be sintered at a low temperature of 900 ° C. or lower must be used as a raw material.

납 산화물계 압전 세라믹 재료의 소결온도를 낮추기 위한 많은 연구가 시도되어 왔으며 이러한 연구 보고에 의하면 1000℃ 내외에서 저온 소결이 가능한 압전 세라믹스 조성으로는 크게 두가지 종류가 있다. Many studies have been attempted to lower the sintering temperature of lead oxide piezoelectric ceramic materials. According to the research report, there are two kinds of piezoelectric ceramic compositions capable of low temperature sintering at around 1000 ° C.

첫째, PbZrO3-PbTiO3 2성분계에 PbO, B2O3-Bi2O3-CdO 등 저온에서 용융되는 산화물이나 유리 프리트를 첨가하는 조성물이 있다. PbO, B2O3-Bi2O3-CdO 등 저온 용융 첨가제들은 850℃ 내외의 저온에서 용융되어 900℃ 내외의 소결온도에서도 치밀한 소결체를 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나 이러한 저온 용융 산화물 또는 유리 조성이 포함된 납 산화물계 압전 세라믹 재료를 사용하여 적측형 모노리식 압전체를 제조할 경우에는 이러한 첨가제들이 소결 온도에서 용융되어 금속 전극과 반응하므로 압전체의 전기적 특성을 열화시키는 단점이 있다. 또한 이러한 압전 세라믹 조성물을 이용하여 Si 기판 위에 압전 후막을 제조할 경우에는 후막을 소결하는 동안 생성되는 많은 액상이 기판과 반응하여 계면에 원치 않은 화합물을 형성하여 압전특성을 저하시키게 된다. 둘째, PbZrO3-PbTiO3 2성분계와 고용체를 형성하면서 저온에서 공융 액상이 형성되는 제 3성분을 첨가하는 경우이다. 이 때, 제 3성분으로 압전특성의 향상을 위하여 Pb계 복합 페로브스카이트 산화물을 주로 사용하며 대표적인 조성으로 Pb(Ni,Nb)O3-PbZrO3-PbTiO3 3성분계가 알려져 있다. 또한 이러한 3성분계 세라믹스 조성에 소량의 MnO, Cr2O3 등의 첨가제를 이용하여 다양한 압전 특성을 얻을 수 있다. 따라서, 적층형 모놀리식 압전체나 압전 후막용 저온 소결 조성물로는 첫 번째 소개한 3성분계 조성을 선택하는 것이 바람직할 것으로 생각된다. 그러나, 이제까지 알려진 대부분의 3성분계 압전 세라믹 재료의 소결온도는 1000℃ 내외로 Si 기판을 이용한 MEMS 소자나 저가의 적층형 모놀리식 압전체에 사용되기에는 소결온도를 900℃ 내외로 더욱 낮출 필요가 있다.
또한, 납 산화물계를 이용한 적층형 세라믹 콘덴서용 저온소결 유전 세라믹스 조성으로 [Pb(Zr0.5Ti0.5)O3]x·[Pb(Mn0.5W0.5)O3]y·[Pb(Zn0.5W0.5)O3]z (x+y+z=1)이 보고된 바 있다(일본공개특허공보 평02-188461호). 그러나, 위 조성의 경우 소결온도가 역시 1,000℃ 내외로 여전히 높고, 압전 특성은 전혀 측정되지 않아서 압전 세라믹스로의 응용 가능성은 알 수 없다.
First, there is a composition for adding an oxide or glass frit that is melted at a low temperature such as PbO, B 2 O 3 -Bi 2 O 3 -CdO, to a PbZrO 3 -PbTiO 3 two-component system. Low temperature melting additives such as PbO, B 2 O 3 -Bi 2 O 3 -CdO are melted at a low temperature of about 850 ° C. to obtain a compact sintered body at a sintering temperature of about 900 ° C. However, in the case of producing a red-type monolithic piezoelectric material using such a low temperature molten oxide or lead oxide-based piezoelectric ceramic material containing a glass composition, these additives melt at the sintering temperature and react with the metal electrode, thereby deteriorating the electrical properties of the piezoelectric body. There are disadvantages. In addition, when the piezoelectric thick film is manufactured on the Si substrate using the piezoelectric ceramic composition, many liquid phases generated during the sintering of the thick film react with the substrate to form unwanted compounds at the interface, thereby lowering the piezoelectric properties. Second, the third component is added to form a eutectic liquid at low temperature while forming a solid solution with PbZrO 3 -PbTiO 3 two-component system. At this time, Pb-based composite perovskite oxide is mainly used to improve piezoelectric properties as a third component, and Pb (Ni , Nb ) O 3 -PbZrO 3 -PbTiO 3 three-component systems are known as a representative composition. In addition, various piezoelectric properties may be obtained using a small amount of additives such as MnO and Cr 2 O 3 in the three-component ceramic composition. Therefore, it is considered that it is preferable to select the first three-component composition as the low-temperature sintering composition for the laminated monolithic piezoelectric or piezoelectric thick film. However, the sintering temperature of most three-component piezoelectric ceramic materials so far known is required to lower the sintering temperature to around 900 ° C in order to be used in MEMS devices using Si substrates or inexpensive laminated monolithic piezoelectric materials.
In addition, low-temperature sintered dielectric ceramics for lead-type multilayer ceramic capacitors are made of [Pb (Zr 0.5 Ti 0.5 ) O 3 ] x · [Pb (Mn 0.5 W 0.5 ) O 3 ] y · [Pb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 ] z (x + y + z = 1) has been reported (Japanese Patent Laid-Open No. 02-188461). However, in the case of the above composition, the sintering temperature is still high around 1,000 ° C., and the piezoelectric properties are not measured at all, so the applicability to piezoelectric ceramics is unknown.

본 발명의 목적은 900℃ 이하의 낮은 소결온도에서도 우수한 압전 특성을 보이는 압전 세라믹 조성물을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a piezoelectric ceramic composition exhibiting excellent piezoelectric properties even at a low sintering temperature of 900 ° C. or lower.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 일반식 xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPbZrO3 -zPbTiO3 (x+y+z=1)으로 표현되는 압전 세라믹 조성물을 제공한다. 여기서, x의 범위는 0.08≤x≤0.20이다. x 값이 더 낮은 경우에는 치밀한 소결체를 얻을 수 있지 만 압전 특성이 저하된다. 또한 본 발명은 상기의 조성물에 Mn을 고용 또는 첨가하여 우수한 압전 상수를 유지하면서 동시에 기계적 품질계수를 향상시킨 압전 세라믹 조성물을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a piezoelectric ceramic composition represented by the general formula xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (x + y + z = 1). Here, the range of x is 0.08≤x≤0.20. If the x value is lower, a dense sintered body can be obtained, but the piezoelectric properties are lowered. In another aspect, the present invention provides a piezoelectric ceramic composition by improving the mechanical quality coefficient while maintaining a good piezoelectric constant by solid solution or addition of Mn to the composition.

본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물은 압전 공진기, 필터, 센서 등에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물은 적층형 모놀리식 압전체에 적용되어 압전 엑추에이터, 압전 변압기에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물은 실리콘 기판을 이용한 압전 MEMS 소자의 후막 재료로 사용될 수 있다.The piezoelectric ceramic composition according to the present invention can be used for piezoelectric resonators, filters, sensors, and the like. In addition, the piezoelectric ceramic composition according to the present invention can be applied to a multilayer monolithic piezoelectric material and used in piezoelectric actuators and piezoelectric transformers. In addition, the piezoelectric ceramic composition according to the present invention can be used as a thick film material of a piezoelectric MEMS device using a silicon substrate.

아래에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세히 설명하겠지만, 본 발명이 아래에 설명하는 실시 예들로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the embodiments described below.

실시예 1Example 1

압전 세라믹 재료의 출발 원료로서는 분말상의 PbO, ZrO2, TiO2, ZnO, MnO, WO3를 사용하였다. 다음과 같은 조성이 되도록 각 원료들의 무게를 재어 플라스틱 통에 넣고 지르코니아 볼과 증류수와 함께 24시간 동안 볼 밀링하여 혼합하였다. As starting materials for piezoelectric ceramic materials, powdery PbO, ZrO 2 , TiO 2 , ZnO, MnO, and WO 3 were used. Each raw material was weighed in a plastic container so as to have the following composition, and mixed by zirconia ball and ball mill for 24 hours with distilled water.

조성: xPb(Zn0 .5W0 .5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3, 0.08≤x≤0.20, y=z=(1-x)/2 Composition: xPb (Zn 0 .5 W 0 .5) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3, 0.08≤x≤0.20, y = z = (1-x) / 2

혼합된 분말을 건조한 후 800℃에서 3시간동안 하소하였다. 하소한 분말을 하소 전과 동일한 조건으로 결합제(1wt% PVA)와 함께 다시 볼 밀링하였다. 이를 건조하여 100 메쉬 체를 이용하여 조립화한 후 1.2 ton/㎠의 압력을 인가하여 직경 9 mm의 원판형으로 성형하였다. 성형된 시편내의 결합제를 휘발 시킨 후 800 ~ 950℃ 에서 1시간 유지하여 소결하였다. 소결 시편의 전기적 특성을 측정하기 위하여 양면에 은 페이스트를 도포한 후 650℃에서 10분동안 열처리하여 은 전극을 형성시켰다. 압전 특성을 부여하기 위하여 120℃로 유지되어 있는 실리콘 오일 용기에 시편을 담그고 2.5 kV/mm의 전계를 30분 동안 인가하여 분극하였다. 유전 및 압전 특성은 임피던스 어널라이저(HP 4192A)와 d33 미터를 이용하여 측정하였다. The mixed powder was dried and then calcined at 800 ° C. for 3 hours. The calcined powder was again ball milled with binder (1 wt% PVA) under the same conditions as before calcination. It was dried, granulated using a 100 mesh sieve, and then molded into a disc shape having a diameter of 9 mm by applying a pressure of 1.2 ton / cm 2. The binder in the molded specimen was volatilized and then sintered at 800 to 950 ° C. for 1 hour. In order to measure the electrical properties of the sintered specimen, silver paste was coated on both surfaces, and then heat-treated at 650 ° C. for 10 minutes to form a silver electrode. In order to impart piezoelectric properties, the specimen was immersed in a silicon oil container maintained at 120 ° C. and polarized by applying an electric field of 2.5 kV / mm for 30 minutes. Dielectric and piezoelectric properties were measured using an impedance analyzer (HP 4192A) and d 33 meters.

실험 결과를 표 1에 나타내었다. PZW(Pb(Zn0.5W0.5)O3) 함량이 0.08 ~ 0.15인 시편은 모두 소결온도가 850℃ 이상이 되면 10% 이상의 수축률을 보였으며, PZW 함량이 0.2로 큰 경우에는 소결온도가 800℃일 때(시편번호 17)도 12.4%의 높은 선형 수축률을 보였다.The experimental results are shown in Table 1. All specimens with PZW (Pb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 ) content of 0.08 ~ 0.15 showed more than 10% shrinkage when the sintering temperature was over 850 ℃, and the sintering temperature was 800 ℃ when the PZW content was 0.2 (Sample No. 17) also showed a high linear shrinkage of 12.4%.

[표 1] xPb(Zn0 .5W0 .5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 (y=z=(1-x)/2) 세라믹스의 압전 특성[Table 1] xPb (Zn 0 .5 W 0 .5) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (y = z = (1-x) / 2) piezoelectric properties of the ceramic

No.No. 조성(x)Composition (x) 소결온도(℃)Sintering Temperature (℃) 수축률 (%)Shrinkage (%) 유전상수Dielectric constant 유전손실 (tanδ)Dielectric loss (tanδ) kp(%)k p (%) d33(pC/N)d 33 (pC / N) Qm Q m 1One 0.080.08 800800 8.98.9 835835 0.0150.015 23.223.2 166166 173173 22 0.080.08 850850 10.310.3 10441044 0.0160.016 27.227.2 170170 100100 33 0.080.08 900900 12.012.0 11381138 0.0140.014 25.925.9 136136 100100 44 0.080.08 950950 12.712.7 11651165 0.0160.016 28.228.2 158158 9898 55 0.100.10 800800 8.68.6 869869 0.0140.014 32.932.9 259259 132132 66 0.100.10 850850 12.512.5 13311331 0.0180.018 43.143.1 304304 9494 77 0.100.10 900900 13.413.4 14191419 0.0180.018 43.143.1 306306 9696 88 0.100.10 950950 13.513.5 15041504 0.0160.016 44.344.3 302302 9494 99 0.120.12 800800 9.19.1 897897 0.0160.016 28.228.2 203203 133133 1010 0.120.12 850850 11.011.0 11021102 0.0170.017 34.334.3 243243 107107 1111 0.120.12 900900 13.113.1 13591359 0.0200.020 40.040.0 276276 9393 1212 0.120.12 950950 13.613.6 12021202 0.0170.017 36.736.7 251251 124124 1313 0.150.15 800800 9.19.1 882882 0.0190.019 18.618.6 145145 139139 1414 0.150.15 850850 11.511.5 10941094 0.0180.018 27.627.6 176176 9898 1515 0.150.15 900900 13.213.2 12951295 0.0200.020 31.531.5 211211 102102 1616 0.150.15 950950 13.613.6 13211321 0.0200.020 31.931.9 219219 124124 1717 0.200.20 800800 12.412.4 950950 0.0210.021 22.722.7 138138 111111 1818 0.200.20 850850 14.614.6 14251425 0.0230.023 25.025.0 144144 114114 1919 0.200.20 900900 14.614.6 13461346 0.0200.020 32.532.5 206206 118118 2020 0.200.20 950950 14.714.7 15451545 0.0190.019 39.439.4 271271 110110

도 1은 소결온도가 900℃일 때의 xPb(Zn0 .5W0 .5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 (y=z=(1-x)/2) 세라믹스의 PZW 함량에 따른 선형 수축률 및 유전상수의 변화이다. 선형 수축률은 PZW의 함량이 0.08에서 0.1로 증가할 때 크게 증가하고, PZW 함량이 0.1 이상으로 증가할 때는 완만하게 증가하였다. 유전상수는 PZW의 함량이 0.08에서 0.1로 증가할 때 증가하고, PZW 함량이 0.1 이상으로 증가할 때는 완만하게 감소하였다. XPb when the 1 is the sintering temperature is 900 ℃ (Zn 0 .5 W 0 .5) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (y = z = (1-x) / 2) in accordance with the linear PZW content of ceramics Change in shrinkage and dielectric constant. The linear shrinkage increased significantly when the PZW content increased from 0.08 to 0.1 and slowly increased when the PZW content increased above 0.1. Dielectric constant increased when PZW content increased from 0.08 to 0.1 and decreased slowly when PZW content increased above 0.1.

도 2는 소결온도가 900℃일 때의 xPb(Zn0 .5W0 .5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 (y=z=(1-x)/2) 세라믹스의 PZW 함량에 따른 전기기계결합계수(kp) 및 압전상수(d33)의 변화이다. 전기기계결합계수와 압전상수(d33) 모두 PZW의 함량이 0.08에서 0.1로 증가할 때 크게 증가하고, PZW 함량이 0.1 이상으로 증가할 때는 다시 감소하였다. 하지만 PZW 함량이 0.1 이상인 조성범위에서는, 전기기계 결합계수는 30% 이상, 그리고 압전 상수는 200 pC/N 이상으로 높은 값을 유지하였다. XPb when the 2 is the sintering temperature is 900 ℃ (Zn 0 .5 W 0 .5) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (y = z = (1-x) / 2) in accordance with the electrical content of the ceramic PZW It is a change in the mechanical coupling coefficient (k p ) and the piezoelectric constant (d 33 ). Both the electromechanical coefficient and the piezoelectric constant (d 33 ) increased significantly when the PZW content increased from 0.08 to 0.1 and decreased again when the PZW content increased above 0.1. However, in the composition range having a PZW content of 0.1 or more, the electromechanical coefficient was maintained at 30% and the piezoelectric constant was 200 pC / N or higher.

도 1과 2로부터 xPb(Zn0 .5W0 .5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 (y=z=(1-x)/2) 세라믹스에서 0.08≤x≤0.2 인 조성범위인 경우, 900℃의 낮은 소결온도에서도 우수한 압전 특성을 가짐을 알 수 있었고, 가장 특성이 우수한 바람직한 조성은 x=0.1 근처이다.If the Fig. 1 and 2 from xPb (Zn 0 .5 W 0 .5 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (y = z = (1-x) / 2) the composition range from ceramic 0.08≤x≤0.2, It can be seen that it has excellent piezoelectric properties even at a low sintering temperature of 900 ° C., and the most preferable composition is about x = 0.1.

도 3은 본 발명에서 가장 바람직한 조성이라고 판단되는 x=0.1인 0.1Pb(Zn0.5W0.5)O3 -0.45PbZrO3-0.45PbTiO3 세라믹스의 소결온도에 따른 선형 수축률 및 유전상수의 변화를 보여준다. 선형 수축률과 유전상수 모두 소결온도가 800℃에 서 850℃로 증가할 때 크게 증가하였으며, 소결온도가 그 이상으로 증가할 때는 완만하게 증가하였다.Figure 3 shows the change in the linear shrinkage and dielectric constant with the sintering temperature of 0.1Pb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -0.45PbZrO 3 -0.45PbTiO 3 ceramics x x 0.1 which is considered the most preferred composition in the present invention. Both linear shrinkage and dielectric constant increased significantly as the sintering temperature increased from 800 ℃ to 850 ℃ and gradually increased when the sintering temperature increased above that.

도 4는 0.1Pb(Zn0.5W0.5)O3-0.45PbZrO3-0.45PbTiO3 세라믹스의 소결온도에 따른 전기기계결합계수(kp) 및 압전상수(d33)의 변화이다. 전기기계결합계수와 압전상수(d33) 모두 소결온도가 800℃에서 850℃로 증가할 때 증가하였으며, 소결온도가 그 이상으로 증가할 때는 거의 변하지 않고 전기기계 결합계수는 43% 이상, 그리고 압전 상수는 300 pC/N 이상으로 매우 우수한 압전 특성을 보였다. 따라서, 또한, 0.1Pb(Zn0.5W0.5)O3-0.45PbZrO3 -0.45PbTiO3 세라믹스의 바람직한 소결온도는 850℃라고 생각되지만, 소결온도가 800℃로 매우 낮을 때에도 전기기계 결합계수는 32.9%, 그리고 압전 상수는 259 pC/N으로 비교적 우수한 압전 특성을 보여 적층형 모놀리식 압전체 등에 충분히 응용이 가능하다. 4 is a change in electromechanical coupling coefficient (k p ) and piezoelectric constant (d 33 ) according to the sintering temperature of 0.1Pb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -0.45PbZrO 3 -0.45PbTiO 3 ceramics. Both the electromechanical coupling coefficient and the piezoelectric constant (d 33 ) increased as the sintering temperature increased from 800 ° C to 850 ° C, almost unchanged when the sintering temperature increased above that, and the electromechanical coefficient above 43% and the piezoelectric constant. The constant showed very good piezoelectric properties above 300 pC / N. Therefore, the preferable sintering temperature of 0.1Pb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -0.45PbZrO 3 -0.45PbTiO 3 ceramics is considered to be 850 ° C, but the electromechanical coefficient is 32.9% even when the sintering temperature is very low at 800 ° C. The piezoelectric constant is 259 pC / N, which shows comparatively excellent piezoelectric properties, and thus can be sufficiently applied to multilayer monolithic piezoelectric materials.

또한, 상기의 xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPbZrO3-zPbZrO3 (x+y+z=1.0) 세라믹스 조성에서 y와 z의 비를 변화시킬 경우 상기 실시예와 동일하게 낮은 소결온도를 유지하면서 다양한 압전 특성을 얻을 수 있다.In addition, when the ratio of y and z in the xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbZrO 3 (x + y + z = 1.0) ceramics composition is changed, the same sintering temperature as in the above embodiment is obtained. Various piezoelectric properties can be obtained while maintaining.

실시예 2Example 2

앞에서 언급한 바와 같이 본 발명에서 제공하는 xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 세라믹스는 낮은 소결온도에서 우수한 압전 특성을 보이고 있다. 하지만 기 계적 품질계수(Qm)가 100 내외로 낮은 값을 보이고 있다. 따라서 상기 조성들은 압전 엑츄에이터, 압전 센서, 압전 착화소자 등 여러 응용에 사용될 수 있지만, 높은 기계적 품질계수(Qm)를 요구하는 압전 레조네이터와 필터 등의 응용에는 적합하지 않다. 본 실시예에서는 900℃ 내외의 낮은 소결온도에서 우수한 압전상수와 함께 높은 기계적 품질계수를 가진 조성물을 제공한다.As mentioned above, the xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 ceramics provided by the present invention show excellent piezoelectric properties at low sintering temperature. However, the mechanical quality factor (Q m ) is low, around 100. Therefore, the compositions can be used in various applications such as piezoelectric actuators, piezoelectric sensors, piezoelectric ignition elements, etc., but are not suitable for applications such as piezoelectric resonators and filters requiring a high mechanical quality factor (Q m ). This embodiment provides a composition having a high mechanical quality factor with an excellent piezoelectric constant at a low sintering temperature of about 900 ℃.

실시예 1에서 사용한 출발 원료를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 다음 조성의 압전 세라믹 재료를 제조하고 그 특성을 측정하였다. 모든 시편을 900℃의 동일한 온도에서 소결하였다.Using the starting materials used in Example 1, piezoelectric ceramic materials having the following compositions were produced in the same manner as in Example 1, and the properties thereof were measured. All specimens were sintered at the same temperature of 900 ° C.

조성: xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPb(Mn0.5W0.5)O3-0.45PbZrO3-0.45PbTiO3 ( x + y = 0.1 )Composition: xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPb (Mn 0.5 W 0.5 ) O 3 -0.45PbZrO 3 -0.45PbTiO 3 (x + y = 0.1)

이 조성은 상기 실시예 1의 xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 (y=z=(1-x)/2) 3성분계 세라믹스에서 가장 바람직한 조성이라고 판단되는 x=0.1인 0.1Pb(Zn0.5W0.5)O3-0.45PbZrO3-0.45PbTiO3 세라믹스를 기본조성으로 하고, PZW의 일부를 PMW(Pb(Mn0.5W0.5)O3)로 치환한 4성분계 압전 세라믹스이다. 이 때, PZW의 함량(x)과 PMW의 함량(y)의 합은 0.1로 고정시켰다.This composition is x = 0.1 which is considered to be the most preferable composition in xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (y = z = (1-x) / 2) three-component ceramics of Example 1 It is a four-component piezoelectric ceramics in which 0.1 Pb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -0.45 PbZrO 3 -0.45 PbTiO 3 ceramics is used as a basic composition and a part of PZW is replaced with PMW (Pb (Mn 0.5 W 0.5 ) O 3 ). At this time, the sum of the content (x) of PZW and the content (y) of PMW was fixed at 0.1.

이 조성의 특성을 표 2에 나타내었다. 표 2에서 볼 수 있는 것처럼 PMW(y)의 치환량이 0.04일 때 까지는 소결 후 선형 수축률이 10% 이상을 유지하고 있으나, PMW(y)의 치환량이 0.6 이상이 되면 수축률이 10% 이하로 충분한 소결이 이루어지지 않았음을 알 수 있다.The properties of this composition are shown in Table 2. As can be seen from Table 2, the linear shrinkage after sintering was maintained at 10% or more until the substitution amount of PMW (y) was 0.04. It can be seen that this was not done.

[표 2] xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPb(Mn0.5W0.5)O3-0.45PbZrO3-0.45PbTiO3 세라믹스의 압전 특성(x+y=0.1)TABLE 2 Piezoelectric Properties of xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPb (Mn 0.5 W 0.5 ) O 3 -0.45PbZrO 3 -0.45PbTiO 3 Ceramics (x + y = 0.1)

No.No. Pb(Mn0.5W0.5)O3치환량 (y)Pb (Mn 0.5 W 0.5 ) O 3 Substitution amount (y) 소결온도(℃)Sintering Temperature (℃) 수축률 (%)Shrinkage (%) 유전상수Dielectric constant 유전손실 (tanδ)Dielectric loss (tanδ) kp(%)k p (%) d33 (pC/N)d 33 (pC / N) Qm Q m 77 00 900900 13.413.4 14191419 0.0180.018 43.143.1 306306 9696 2121 0.020.02 900900 10.910.9 12601260 0.0030.003 41.941.9 289289 618618 2222 0.040.04 900900 10.010.0 994994 0.0020.002 33.933.9 220220 708708 2323 0.060.06 900900 7.07.0 790790 0.0010.001 21.921.9 144144 496496 2424 0.080.08 900900 8.18.1 765765 0.0010.001 12.112.1 6868 581581

도 5는 xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPb(Mn0.5W0.5)O3-0.45PbZrO3-0.45PbTiO3 ( x + y = 0.1 ) 세라믹스에서 PMW의 치환량(y) 증가에 따른 전기기계결합계수(kp) 및 기계적 품질계수(Qm)의 변화이다. xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 (y=z=(1-x)/2) 3성분계 세라믹스에 PMW를 치환하면 기계적 품질계수(Qm)가 크게 증가하였음을 알 수 있다. 특히, y=0.02인 시편(No.21)의 경우 전기기계결합계수(kp)가 41.9%로 여전히 높은 값을 유지하면서 기계적 품질계수(Qm)가 618로 크게 향상되었다. 또한, y=0.04인 시편(No.22)의 경우 전기기계결합계수(kp)가 33.9%로 비교적 높은 값을 가지며, 기계적 품질계수(Qm)는 708로 매우 높은 값을 가지고 있다. PMW 치환량이 0.06 이상인 조성에서는 기계적 품질계수는 높은 값을 보이지만 전기기계 품질계수가 30% 이하로 낮은 값을 보이기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPb(Mn0.5W0.5)O3-0.45PbZrO3 -0.45PbTiO3 ( x + y = 0.1 ) 4성분계 세라믹스에서 PMW의 바람직한 치환 범위는 0<y≤0.06 이다.
이는 일본공개특허공보 평02-188461호에서 보고된 유전체 세라믹스의 조성범위와 중복되지 않으며, 상기 유전체 세라믹스에서 [Pb(Mn0.5W0.5)O3]y의 조성이 0.1몰 이상인 경우 900℃ 이하의 소결온도에서 압전 특성이 매우 나쁠 것으로 예상된다.
FIG. 5 shows an electromechanical mechanism with increasing substitution amount (y) of PMW in xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPb (Mn 0.5 W 0.5 ) O 3 -0.45PbZrO 3 -0.45PbTiO 3 (x + y = 0.1) ceramics It is the change in the coupling coefficient (k p ) and the mechanical quality factor (Q m ). xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (y = z = (1-x) / 2) Substitution of PMW in three-component ceramics significantly increased the mechanical quality factor (Q m ). have. In particular, in the case of specimen No.21 with y = 0.02, the mechanical quality factor (Q m ) was greatly improved to 618 while the electromechanical coupling coefficient (k p ) was still high at 41.9%. In the case of specimen No. 22 with y = 0.04, the electromechanical coupling coefficient (k p ) is 33.9%, which is relatively high, and the mechanical quality factor (Q m ) is 708, which is very high. In the composition with a PMW substitution of 0.06 or more, the mechanical quality factor is high, but the electromechanical quality factor is 30% or less, which is not preferable. Accordingly, the preferred substitution range of PMW in xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPb (Mn 0.5 W 0.5 ) O 3 -0.45PbZrO 3 -0.45PbTiO 3 (x + y = 0.1) quaternary ceramics is 0 <y≤ 0.06.
This does not overlap with the composition range of the dielectric ceramics reported in Japanese Patent Application Laid-Open No. 02-188461, and when the composition of [Pb (Mn 0.5 W 0.5 ) O 3 ] y in the dielectric ceramics is 0.1 mol or more, it is 900 ° C or less. Piezoelectric properties are expected to be very bad at the sintering temperature.

실시예 3Example 3

본 발명에서는 상기 xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 (x+y+z=1) 세라믹스의 낮은 기계적 품질계수(Qm)를 향상시킬 수 있는 또 다른 조성물을 제공한다.The present invention provides another composition capable of improving the low mechanical quality factor (Q m ) of the xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (x + y + z = 1) ceramics.

실시예 1의 출발 원료를 사용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 다음 조성의 압전 세라믹 재료를 제조하고 그 특성을 측정하였다. 모든 시편을 900℃의 동일한 온도에서 소결하였다.Using the starting material of Example 1, piezoelectric ceramic materials having the following compositions were prepared in the same manner as in Example 1, and their properties were measured. All specimens were sintered at the same temperature of 900 ° C.

조성: 0.1Pb(Zn0 .5W0 .5)O3-0.45PbZrO3-0.45PbTiO3 + z wt.% MnO (0 < z ≤ 1.0) Composition:. 0.1Pb (Zn 0 .5 W 0 .5) O 3 -0.45PbZrO 3 -0.45PbTiO 3 + z wt% MnO (0 <z ≤ 1.0)

이 조성은 상기 실시예 1의 xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 (y=z=(1-x)/2) 3성분계 세라믹스에서 가장 바람직한 조성이라고 판단되는 x=0.1인 0.1Pb(Zn0.5W0.5)O3-0.45PbZrO3-0.45PbTiO3 세라믹스를 기본조성으로 하고, 여기에 MnO를 0 ~ 1.0 wt% 첨가한 조성이다.This composition is x = 0.1 which is considered to be the most preferable composition in xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (y = z = (1-x) / 2) three-component ceramics of Example 1 0.1 Pb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -0.45 PbZrO 3 -0.45 PbTiO 3 Ceramics are the basic composition, and MnO is added in an amount of 0 to 1.0 wt%.

이 조성의 특성을 표 3에 나타내었다. 표 3에서 볼 수 있는 것처럼 MnO의 첨가량이 0.5 wt% 일 때 까지는 소결 후 선형 수축률이 10% 이상을 유지하고 있으며, MnO의 첨가량이 1.0wt% 일 때는 수축률이 10% 이하로 충분한 소결이 이루어지지 않았음을 알 수 있다.The properties of this composition are shown in Table 3. As can be seen from Table 3, the linear shrinkage after sintering is maintained at 10% or more until the amount of MnO added is 0.5 wt%. When the amount of MnO added is 1.0wt%, the shrinkage is not more than 10%. It can be seen that.

[표 3] 0.1Pb(Zn0 .5W0 .5)O3-0.45PbZrO3-0.45PbTiO3 + z wt.% MnO 세라믹스의 압 전 특성[Table 3] 0.1Pb (Zn 0 .5 W 0 .5) O 3 -0.45PbZrO 3 -0.45PbTiO 3 + z wt.% Ceramic piezoelectric properties of the MnO

No.No. MnO 첨가량(z)MnO addition amount (z) 소결온도(℃)Sintering Temperature (℃) 수축률 (%)Shrinkage (%) 유전상수Dielectric constant 유전손실 (tanδ)Dielectric loss (tanδ) kp(%)k p (%) d33 (pC/N)d 33 (pC / N) Qm Q m 77 00 900900 13.413.4 14191419 0.0180.018 43.143.1 306306 9696 2525 0.20.2 900900 10.410.4 11071107 0.0130.013 37.337.3 247247 603603 2626 0.50.5 900900 10.310.3 10561056 0.0140.014 40.240.2 264264 610610 2727 1.01.0 900900 8.28.2 914914 0.0120.012 32.832.8 248248 379379

도 6은 0.1Pb(Zn0 .5W0 .5)O3-0.45PbZrO3-0.45PbTiO3 + z wt.% MnO ( 0 < z ≤ 1.0 ) 세라믹스에서 MnO의 첨가에 따른 전기기계결합계수(kp) 및 기계적 품질계수(Qm)의 변화이다. xPb(Zn0 .5W0 .5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 (y=z=(1-x)/2) 3성분계 세라믹스에 MnO를 첨가하면 기계적 품질계수(Qm)가 크게 증가하였음을 알 수 있다. MnO의 첨가량이 0.5 wt% 까지는 전기기계결합계수(kp)가 크게 저하되지 않으면서 기계적 품질계수(Qm)가 600 이상으로 크게 향상되었다. MnO의 첨가량이 1 wt%로 증가할 경우에는 kp가 32.8%로 감소하였고, 기계적 품질계수(Qm)도 379로 크게 감소하였다. 따라서, 0.1Pb(Zn0.5W0.5)O3-0.45PbZrO3-0.45PbTiO3 + z wt.% MnO 조성물에서 MnO의 바람직한 치환범위는 0<z≤1.0 이다.6 is 0.1Pb (Zn 0 .5 W 0 .5 ) O 3 -0.45PbZrO 3 -0.45PbTiO 3 + z wt.% MnO (0 <z ≤ 1.0) electromechanical coupling factor with the addition of MnO in the ceramic ( k p ) and mechanical quality factor (Q m ). xPb (Zn 0 .5 W 0 .5 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (y = z = (1-x) / 2) The addition of MnO in the three-component system ceramics is greatly increased mechanical quality factor (Q m) It can be seen that. Up to 0.5 wt% of MnO, the mechanical quality factor (Q m ) was greatly improved to 600 or more without significantly lowering the electromechanical coupling coefficient (k p ). When the amount of MnO added increased to 1 wt%, kp decreased to 32.8% and the mechanical quality factor (Q m ) also decreased significantly to 379. Thus, the preferred substitution range of MnO in 0.1 Pb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -0.45 PbZrO 3 -0.45 PbTiO 3 + z wt.% MnO composition is 0 <z≤1.0.

실시예 2와 3에서 기계적 품질계수가 향상된 것은 PMW의 치환 또는 MnO의 첨가에 의하여 Mn이 페로브스카이트 결정구조의 B 자리를 치환하였기 때문이라고 판단되며, 본 발명에서 제공하는 xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 (x+y+z=1) 3성분계 세라믹스의 경우 PZW의 일부를 PMW로 치환한 경우(실시예 2)와 MnO를 첨가한 경우(실시예 3) 모두 낮은 소결온도와 우수한 압전 특성을 유지하면서 기계적 품질계수 를 향상시키는 효과가 있었다. In Examples 2 and 3, the improvement of the mechanical quality factor was judged to be due to Mn replacing B site of the perovskite crystal structure by PMW substitution or MnO addition, and xPb (Zn 0.5 W) provided in the present invention. 0.5 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (x + y + z = 1) For three-component ceramics, both PZW was replaced with PMW (Example 2) and MnO was added (Example 3) The mechanical quality factor was improved while maintaining low sintering temperature and good piezoelectric properties.

실시예 4Example 4

전술한 압전특성을 보이는 0.1Pb(Zn0.5W0.5)O3-0.45PbZrO3-0.45PbTiO3 분말은 사용자의 용도에 따라 막(film)의 형태로도 이용될 수 있다.0.1Pb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -0.45PbZrO 3 -0.45PbTiO 3 powder exhibiting the above-described piezoelectric properties may be used in the form of a film according to the user's use.

막의 형태로 이용하기 위해서는 분말을 유동성을 갖는 페이스트 형태로 만들어야하며, 이를 위하여 알콜계 유기 고분자 물질로 구성된 비이클(vehicle)을 합성하였으며, 합성된 비이클 내에 상기한 분말이 골고루 분포 할 수 있도록 혼합하여 균일한 조성을 갖는 페이스트로 제조하였다.In order to use the film as a film, the powder must be made into a paste having fluidity. To this end, a vehicle composed of an alcohol-based organic polymer material is synthesized, and the powder is uniformly mixed to distribute the powder evenly in the synthesized vehicle. Prepared with a paste with one composition.

제조된 페이스트는 스크린 프린팅법을 이용하여 단결정 실리콘 기판위에 인쇄하였으며, 인쇄된 후막은 건조 및 소결 과정을 거쳐, 최종적으로 약 20㎛ 정도의 치밀한 미세구조를 갖는 완성된 후막으로 구현된다. 도 7은 실리콘 기판위에 구현된 후막의 단면을 보이고 있다. The prepared paste was printed on a single crystal silicon substrate by screen printing, and the printed thick film was dried and sintered to finally form a finished thick film having a dense microstructure of about 20 μm. 7 shows a cross section of a thick film implemented on a silicon substrate.

한편, 상기 분말을 적용하여 제조된 후막을 마이크로머시닝 공정을 적용하여 압전 후막 모노리식 캔틸레버로 만들었다 도 8은 마이크로머시닝 방법에 의하여 완성된 압전후막 모노리식 캔틸레버를 보이고 있다. Meanwhile, the thick film prepared by applying the powder was made into a piezoelectric thick film monolithic cantilever by applying a micromachining process. FIG. 8 shows a piezoelectric thick film monolithic cantilever completed by a micromachining method.

완성된 캔틸레버를 실제 공기 중과 액상에 적용하여, 공기 중 및 액체 내에서의 전기적 및 기계적 특성을 캔틸레버에 인가한 전압과 이에 대응하는 공진주파수의 변위에 따라 관찰하였으며, 특히 액체 내에서의 측정은 액체가 갖는 점도를 다변화 시켜가며 측정하였다. By applying the completed cantilever to the actual air and liquid phase, the electrical and mechanical properties of the air and in the liquid were observed according to the voltage applied to the cantilever and the corresponding displacement of the resonance frequency. The viscosity was measured while varying.

도 9에 완성된 캔틸레버가 액상에서 나타내는 전기적 및 기계적 거동을 도시하였다. 이 결과에서 보이듯이 상기한 0.1Pb(Zn0.5W0.5)O3-0.45PbZrO3-0.45PbTiO3 분말을 적용하여 만들어진 압전 후막형 캔틸레버는 우수한 전기적 및 기계적 특성을 공기 중 뿐 아니라 액체 내에서도 그 특성을 발휘함으로 인하여 점도센서 및 바이오센서로서 사용될 수 있음을 입증 할 수 있다. 9 shows the electrical and mechanical behavior of the completed cantilever in the liquid phase. As can be seen from these results, the piezoelectric thick film cantilever made by applying the above 0.1Pb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -0.45PbZrO 3 -0.45PbTiO 3 powder has excellent electrical and mechanical properties in air as well as liquid. It can prove that it can be used as a viscosity sensor and a biosensor.

상술한 실시예들에서는 본 발명의 압전 세라믹 조성물의 주성분으로 xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 (y=z=(1-x)/2) 3성분계를 사용하였으며, 여기에 기계적 품질계수의 향상을 위하여 부성분으로 MnO를 첨가하였다. 그러나, 본 발명의 압전 세라믹 조성물의 주성분과 부성분이 상기의 조성만으로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 압전 세라믹스 조성물의 y와 z의 비를 변화시킬 수 있으며, 또한 본 발명의 압전 세라믹스의 Pb 자리에 Sr, Ba, Ca, La 등을 치환할 수 있다. 그리고, 다양한 압전 특성을 얻기 위하여 Mn 대신 Cr, Fe 등 다른 부성분을 소량 첨가할 수 있다. 이러한 경우에도 본 발명의 압전 세라믹 조성물인 Pb(Zn0.5W0.5)O3-PbZrO3-PbTiO3 3성분계가 제공하는 900℃ 이하의 소결온도에서 우수한 압전 특성을 유지할 것이다.In the above embodiments, xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (y = z = (1-x) / 2) three-component system was used as a main component of the piezoelectric ceramic composition of the present invention. MnO was added as a minor component to improve the mechanical quality factor. However, the main and subcomponents of the piezoelectric ceramic composition of the present invention are not limited only to the above compositions. The ratio of y and z of the piezoelectric ceramic composition of the present invention can be changed, and Sr, Ba, Ca, La and the like can be substituted for Pb sites of the piezoelectric ceramics of the present invention. In addition, in order to obtain various piezoelectric properties, small amounts of other subcomponents such as Cr and Fe may be added instead of Mn. Even in this case, excellent piezoelectric properties will be maintained at a sintering temperature of 900 ° C. or less provided by the Pb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -PbZrO 3 -PbTiO 3 three-component system of the present invention.

본 발명에 의하면, 종래 기술보다 낮은 온도(800℃ ~ 900℃)에서 소결하여도 우수한 압전 특성을 지닌 압전 세라믹스를 제조하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발 명에 의한 압전 세라믹 조성을 사용할 경우, 우수한 압전 특성을 지닌 Si 기판을 이용한 MEMS 소자나 저가의 적층형 모놀리식 압전체를 제조할 수 있다.According to the present invention, it is possible to produce piezoelectric ceramics having excellent piezoelectric properties even when sintered at a lower temperature (800 ° C to 900 ° C) than the prior art. Therefore, when the piezoelectric ceramic composition according to the present invention is used, a MEMS device or a low-cost multilayer monolithic piezoelectric body using a Si substrate having excellent piezoelectric properties can be manufactured.

또한, 낮은 소결온도 때문에 Pb의 휘발이 매우 적어 균일한 특성을 지닌 압전 세라믹스를 얻는 것이 가능하며, 따라서 단일 층의 벌크형 압전 세라믹스를 이용한 압전 엑츄에이터, 필터, 레조네이터, 센서 등에 적용이 가능하다.In addition, due to the low sintering temperature, there is very little volatilization of Pb, so that it is possible to obtain piezoelectric ceramics having uniform characteristics.

Claims (6)

다음의 일반식으로 표현되는 조성물로서As a composition represented by the following general formula xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 xPb (Zn 0.5 W 0.5 ) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 x+y+z=1 이고, x는 0.08≤x≤0.2의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 x + y + z = 1, x is in the range of 0.08≤x≤0.2 압전 세라믹 조성물. Piezoelectric ceramic composition. 제1항에 있어서, 추가로 MnO을 포함하며, MnO의 첨가량은 0wt% 초과 1.0wt % 이하인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.The piezoelectric ceramic composition according to claim 1, further comprising MnO, wherein the amount of MnO added is more than 0 wt% and 1.0 wt% or less. 제1항에 있어서, Pb 대신 Sr, Ba, Ca, La 중에서 선택되는 어느 하나의 물질이 부분적으로 치환된 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물. The piezoelectric ceramic composition according to claim 1, wherein any one material selected from Sr, Ba, Ca, and La is partially substituted instead of Pb. xPb(Zn0.5W0.5)O3-yPbZrO3-zPbTiO3 (x+y+z=1)에서 Pb(Zn0.5W0.5)O3 일부를 Pb(Mn0.5W0.5)O3으로 치환시킨 조성물로서, xPb (Zn 0.5 W 0.5) O 3 -yPbZrO 3 -zPbTiO 3 (x + y + z = 1) in the Pb (Zn 0.5 W 0.5) O 3 to a part in which the composition substituted with Pb (Mn 0.5 W 0.5) O 3 , Pb(Mn0.5W0.5)O3의 치환양이 전체 조성에 대하여 몰 비로 0 초과 0.06 이하의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물. A piezoelectric ceramic composition, wherein the substitution amount of Pb (Mn 0.5 W 0.5 ) O 3 is in the range of more than 0 and 0.06 or less in molar ratio with respect to the total composition. 제4항에 있어서, Pb(Mn0.5W0.5)O3의 Mn 대신 Cr 또는 Fe이 부분적으로 치환된 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물. The piezoelectric ceramic composition according to claim 4, wherein Cr or Fe is partially substituted in place of Mn of Pb (Mn 0.5 W 0.5 ) O 3 . 제1항 내지 제5항 중 어느 한항에 따른 압전 세라믹 조성물을 사용하여 제조된 압전 세라믹 후막. A piezoelectric ceramic thick film prepared using the piezoelectric ceramic composition according to any one of claims 1 to 5.
KR1020050073487A 2005-08-10 2005-08-10 Piezoelectric ceramic composition for low temperature sintering KR100691560B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050073487A KR100691560B1 (en) 2005-08-10 2005-08-10 Piezoelectric ceramic composition for low temperature sintering

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020050073487A KR100691560B1 (en) 2005-08-10 2005-08-10 Piezoelectric ceramic composition for low temperature sintering

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070018630A KR20070018630A (en) 2007-02-14
KR100691560B1 true KR100691560B1 (en) 2007-03-09

Family

ID=41622775

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020050073487A KR100691560B1 (en) 2005-08-10 2005-08-10 Piezoelectric ceramic composition for low temperature sintering

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100691560B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112573916A (en) * 2020-12-21 2021-03-30 西安交通大学 PbHfO3Base ceramic material and preparation method thereof

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02188461A (en) * 1988-11-30 1990-07-24 Gold Star Co Ltd Low-temperature sintered dielectric ceramics

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02188461A (en) * 1988-11-30 1990-07-24 Gold Star Co Ltd Low-temperature sintered dielectric ceramics

Also Published As

Publication number Publication date
KR20070018630A (en) 2007-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7309450B2 (en) Piezoelectric porcelain and method for preparation thereof
KR101009596B1 (en) Dielectric porcelain composition and electronic component
EP2431343B1 (en) Piezoelectric ceramic, method for producing same, and piezoelectric device
EP1362020B1 (en) Piezoelectric ceramic material, method for production thereof and electroceramic multi-layer component
KR20030094066A (en) Method for manufacturing piezoelectric ceramic and piezoelectric element
KR100821542B1 (en) Piezoelectric porcelain and method for production thereof
US8470211B2 (en) Ferroelectric ceramic material with a low sintering temperature
US6080328A (en) Piezoelectric ceramic and method for producing piezoelectric ceramic element
EP2090556A1 (en) Piezoelectric porcelain and piezoelectric element
US20130320815A1 (en) Piezoelectric ceramic, piezoelectric ceramic component, and piezoelectric device using such piezoelectric ceramic component
US20120112607A1 (en) Ceramic composition for piezoelectric actuator and piezoelectric actuator including the same
KR101099980B1 (en) Lead-free piezoelectric ceramic composition
JPH03193657A (en) Dielectric porcelain composition and electronic parts using the same
KR100481226B1 (en) Piezoelectric ceramic composition for ceramic actuators and Method of fabricating the piezoelectric ceramics
KR100691560B1 (en) Piezoelectric ceramic composition for low temperature sintering
JP2002217464A (en) Piezoelectric element and method of manufacturing the same
US20120091861A1 (en) Ceramic composition for piezoelectric actuator and piezoelectric actuator comprising the same
JP4868881B2 (en) Piezoelectric ceramic composition, piezoelectric ceramic, piezoelectric actuator element and circuit module
JP5158516B2 (en) Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric element
KR20080004903A (en) Piezoelectric ceramics, method of manufacturing the same and piezoelectric device
KR100533578B1 (en) Method of manufacturing monolithic piezoelectric ceramic device
JP2006193414A (en) Method for producing piezoelectric ceramic and method for producing piezoelectric element
JP4998668B2 (en) Piezoelectric ceramic manufacturing method and piezoelectric element manufacturing method
JP2005320224A (en) Piezoelectric ceramic and piezoelectric element
KR20100135536A (en) Piezoelectric material and method of manufacturing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130205

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140128

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee