KR100804680B1

KR100804680B1 - 단순 분극 공정이 가능한 압전 복합 자기 조성물 및 그제조방법

Info

Publication number: KR100804680B1
Application number: KR1020060096850A
Authority: KR
Inventors: 정순종; 송재성; 김민수; 이대수; 박언철
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2008-02-20

Abstract

본 발명은 센서, 레조네이터, 액츄에이터에 사용될 수 있는 높은 전기기계결합계수(k_p)와 압전상수(d₃₃)를 갖는 단순 분극 공정이 가능한 압전 복합 자기 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로,

분극 공정을 단순화할 수 있는 복합형 압전 자기 조성물을 제공하기 위하여 Pb[(ZrTi)(MgNb)]O₃ + avol % ZrO₂의 조성에서 분산형 입자로 지르코니아(ZrO₂)을 0 < a ≤ 10 첨가하여 이루어지며, ZrO₂를 첨가함에 따라 장시간의 분극공정 없이 단시간내에 펄스형 전압을 수초 이내 가하면 높은 압전 특성이 발생되도록 한 것이다.

분극공정, 지르코니아, 압전소자, 액츄에이터, 복합자기 조성물

Description

단순 분극 공정이 가능한 압전 복합 자기 조성물 및 그 제조방법 {Piezoelectric composite ceramic composition allowable to simple poling process and manufacturing process thereof }

도 1는 압전 복합 자기 조성물 분극조건을 나타낸 그래프로서,

(가)는 종래의 분극 전계강도, 시간 및 온도를 나타내며,

(나)는 본 발명의 분극 전계강도, 시간 및 온도를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 압전 자기 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 센서, 레조네이터, 액츄에이터에 사용될 수 있는 높은 전기기계결합계수(k_p)와 압전상수(d₃₃)를 갖는 단순 분극 공정이 가능한 압전 복합 자기 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 정밀기계산업과 정보산업의 발달에 따라 미소변위를 제어하거나 진동을 제어하는 압전 액츄에이터가 정밀광학기기, 반도체 장비, 기체유량제어 펌프, 밸브 등에 폭넓게 응용되고 있다.

이는 종래의 기계식 구동소자에 비하여 압전 액츄에이터가 소형화 및 정밀제어가 가능하며, 응답속도가 빠른 장점이 있기 때문이다.

점차적으로 메카트로닉스의 발전과 더불어 미소변위제어 부품은 종래의 스텝모터를 이용하는 방식에서 압전 액츄에이터를 이용하는 방향으로 전환되는 추세에 있다.

특히, 상기 액츄에이터에 사용되는 압전소자 (세라믹스) 제조 방법 중에서 널리 사용되고 있는 습식 소성법은 공정이 간단하고 생산 원가가 저렴하므로 많이 사용되고 있으며, 그 제조과정은 원재료 평량, 혼합 탈수, 건조, 분쇄, 혼합, 성형, 소결, 연마, 전극 도포, 분극, 측정 순으로 압전 세라믹스를 제조하고 있다.

이러한 과정중 상기 분극과정은 자기 조성물에 압전성을 주기 위하여 자발분극의 방향을 배열시키는 과정으로서 중요하다.

종래에 사용되고 있는 분극 방법중 일반적으로 이용되고 있는 방법은 고온 분극법이며, 공업적으로 100 ^oC이상 유지되는 절연유중에서 2~5 kV/mm의 직류 전계를 인가하여 수십분 (보통 30분 이상)에서 수시간을 유지시켜야만 하고, 이러한 분극 공정은 모든 시료에 적용하여야 하기 때문에 분극처리시 오랜시간이 요구되고 있다.

따라서 압전세라믹스의 제작에 있어 소모적 시간이 요구되는 분극공정에 의하여 제작원가가 상승되는 원인이 되고 있으며, 생산효율이 떨어지게 되는 문제점이 있었다.

상기와 같이 소모적 시간이 요구되는 분극공정을 단순화하는 경우에는 압전 세라믹 조성물 제작의 시간 및 단가를 크게 감소시킬 수가 있다.

본 발명은 이와같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 ,

본 발명의 목적은 분극 공정을 보다 단순화할 수 있는 단순 분극 공정이 가능한 압전 복합 자기 조성물 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.

특히 본 발명은 양산 공정상에서 분극 공정으로 인한 시간 소요 및 에너지 소모를 크게 줄이는 동시에 높은 압전상수를 갖는 단순 분극 공정이 가능한 압전 복합 자기 조성물 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 목적은 PZT계 압전세라믹스중 하나인 페로브스카이트 구조를 가지는 Pb(Mg₁ _/3Nb₂ _/3)O₃-Pb(Zr,Ti)O₃ (이하 PMNZT)계 세라믹스에 적절한 부피비로 ZrO₂입자들을 삽입시킨 압전 복합 자기 조성물을 제조하고 이들을 상온에서 펄스형태의 전계를 수초내로 인가하여도 높은 압전성을 유지하게 하여 달성될 수가 있다.

이하 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 Pb[(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-Pb(ZrTi)O₃ 를 각각 안정한 ABO₃ 구조를 갖는 페로브스카이트 분말과 안정화된 ZrO₂ 산화물 입자를 혼합한 복합물을 제조하여 합성한 Pb[(Mg_1/3Nb_2/3)(ZrTi)]O₃ + a vol % ZrO₂ 로 이루어진 단순 분극 공정이 가능한 압전 복합 자기 조성물이다.
여기서 금속산화물인 페로브스카이트(perovskite)화합물은 A,B 각 1개의 양이온과 3개의 산소이온으로 구성되어 있어 ABO₃로 표시되며, 지르코니아 (ZrO₂)는 굴절율이 크로 녹은점이 높아서 내식성이 큰 재료로 알려져 있으며, 이러한 특성을 이용한 압전 세락믹 소자들이 널리 사용되고 있다.

삭제

특히 PZT (Piezoelectric effect)계 압전소자는 압력을 가할 때 고체 격자내 전화들의 분극화가 발생되어 전류가 흐르게 된다.

상술한 바와같이 PZT계 압전소자(세라믹스)의 분극 특성을 위한 분극화 공정시 장시간이 소요되고 있다.

이와같은 분극 공정의 문제점을 개선하기 위하여 PMN-PZT와 같은 기존 압전 조성물에 비 압전 산화물 입자인 ZrO₂ 등 을 혼입시켜서 이러한 입자들이 기존 압전 조성물내에서 분극 공정중에 자발분극의 방향을 배열을 붙잡아서 짧은 시간내에 분극이 유지되고 이러한 상황이 장기간 유지하는 것이 가능하게 하였다.

이때 본 발명의 화학적 조성식은 다음과 같이 표기할 수 있다.

Pb[(ZrTi)(MgNb)]O₃ + avol % ZrO₂
여기서 vol % 는 부피비율을 의미한다.

위 조성식에서의 a의 조성범위는 0 < a ≤ 10으로 한다.

[실시예]

(1) 시료제작 공정

본 발명의 화학조성을 다음의 표1과 같이 a의 양을 변화시키면서 소결온도를 1200 ℃ 내지 1350℃ 로 변화시키면서 시료를 제작하였다.

표1

압전세라믹 시료의 화학조성

시편번호	조 성	소결온도(℃)
시편번호	a	소결온도(℃)
1*	0	1200
2	0.5	1200
3	1	1200
4	2	1200
5	3	1200
6	4	1200
7	5	1200
8	6	1250
9	7	1250
10	8	1250
11	9	1300
12	10	1300
13*	12	1350
14*	14	1350
15*	16	1350

*: 본 발명과 해당 상황이 없는 조성비율

(2) 조립화 공정

상기 방법의 조성비와 소결온도로 제조된 PMN-PZT 압전소자 조성물에 ZrO₂ 산화물 입자들을 첨가하여 습식 분쇄하여 조립화를 기하였다.

이때 지름 18mm인 금형을 사용하여 약 100MPa의 압력으로 가압 성형한 후 900℃~1200℃의 온도범위에서 2시간동안 소성 하였다.

(3) 열처리 공정

다음에 시료 두께를 1mm로 가공한 다음 인쇄 도포법으로 시료 양면에 은(Ag)전극을 도포 한 후 700℃에서 10분 동안 열처리하였다.

(4) 분극처리 공정

상기 방법으로 제조된 시편을 상온에서 10초 이내로 2kV/mm 이내 전계를 인가하여 짧은 분극처리 하였다.

[실험예]

상기와 같은 실시예에 의하여 제작된 압전소자의 특성을 살피기 위하여 측정장비 (기기명 HP4194A)인 임피던스해석기에 의하여 압전소자(세라믹스)의 공진주파수(f_r), 반공진주파수(f_a), 정전용량(C), 유전손실(tanδ)을 측정하였고, 압전상수(d₃₃)는 베를린 코드 미터 (Berlincourt d₃₃ meter)를 이용하여 측정하였으며, 면진동모드 전기기계결합계수(k_p)와 유전율(ε_r)는 각각 다음식을 이용하여 계산하였다.

여기서 d₃₃미터란, 압전체의 d₃₃값을 간이적으로 측정하는 것으로 압전성의 정효과(진동→전하)를 이용하고 있다.

여기서 △f=f_a-f_r, C는 1kHz서의 정전용량, A는 시편의 면적, t는 시편의 두께, ε₀는 진공의 유전율로 8.854×10^-12F/m이다.

식

표1에 나타낸 조성을 가진 압전 자기 조성물의 유전 및 압전특성을 정리하여 표2에 나타내었다.

표 2

제작된 시편의 유전 및 압전특성

시편번호	소결온도(℃)	유전율(ε_r)	tanδ(%)	k_p(%)	d₃₃(pC/N)
1*	1200	1657	1.2	38.7	500
2	1200	1536	1.2	76	490
3	1200	1204	1.7	75	475
4	1200	1365	1.7	71.1	420
5	1200	1296	1.7	70.4	390
6	1200	1193	1.8	67.5	365
7	1200	1105	2.0	61	331
8	1250	1029	2.3	60	304
9	1250	1062	2.6	58	285
10	1250	938	2.5	57.4	272
11	1300	869	3.1	52.8	265
12	1300	773	3.8	50.1	241
13**	1350	683	4.2	42.3	210
14**	1350	605	7.1	20	100
15**	1350	--	--	--	--

*, ** : 일반적인 분극 공정 (120 ^oC, 전계 3 kV/mm 30분 유지)을 통하여 얻어진 유전 및 압전 특성임

상기 표 2의 1번 시편은 d₃₃ 값이 500 pC/N정도인 PMN-PZT 압전소자(세라믹스)로 120℃에서 30분간 3kV/mm의 전계를 인가하여 분극처리한 것이다.

즉, 분극처리를 종래와 같이 도 1의 (가)와 같이 실시하였을 경우이다.

그러나 본 발명의 압전 세라믹스 조성물은 Pb[(Zr_bTi_1-b)_x(Mg_1/3Nb_2/3)]O₃ + avol % ZrO₂의 조성에서 0 ≤ a ≤ 10으로 하고 있으며,

상기 조성물을 1200℃에서 소결하고 상온에서 10초간 2 kV/mm의 전계를 인가하는 분극 공정을 도 1의 (나)와 같이 실시하였을 경우 그 물성을 측정한 결과 를 표 2에 나타내고 있다.

상기 표 2에서 얻어진 결과와 같이 d₃₃ = 400 pC/N 이상, k_p = 50 %이상의 높은 압전특성을 갖는 압전 자기 조성물을 얻을 수 있었다.

이상에서와 같이 분극 공정을 단순화할 수 있는 복합형 압전 자기 조성물을 제공하기 위하여 Pb[(ZrTi)(MgNb)]O₃ + avol % ZrO₂의 조성에서 분산형 입자로 지르코니아(ZrO₂)을 0 < a ≤ 10 첨가하여 이루어지며, ZrO₂를 첨가함에 따라 장시간의 분극공정 없이 단시간내에 펄스형 전압을 수초 이내 가하여 높은 압전 특성을 얻을 수가 있는 효과가 있다.

특히, 단순 분극 공정이 가능 (여기서는 10초)하고, 상온에서 전극을 인가하므로써 우수한 압전특성을 얻을 수 있기 때문에 적층형 압전액츄에이터, 압전변압기 및 초음파 진동자, 착화소자와 같은 고신뢰성 압전부품을 제조시 적합한 효과가 있다.

더욱 본 발명의 단순 분극 공정이 가능한 압전 복합 자기 조성물은 단순하고 짧은 시간에 분극 공정을 완료하므로써 경제적이며, 종래의 PZT보다 장기간 분극 능력을 유지하는 특징이 있어 장시간 사용시 고 신뢰성을 부여할 수 있는 효과가 있다.

Claims

Pb[(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-Pb(ZrTi)O₃ 를 각각 안정한 ABO₃ 구조를 갖는 페로브스카이트 분말과 안정화된 ZrO₂ 산화물 입자를 혼합한 복합물을 제조하여 합성한 Pb[(Mg_1/3Nb_2/3)(ZrTi)]O₃ + a vol % ZrO₂ 로 이루어진 단순 분극 공정이 가능한 압전 복합 자기 조성물

상기 조성식에서 a는 0 < a ≤ 10 임
제 1항에 있어서,

상기 Pb[(Mg_1/3Nb_2/3)(ZrTi)]O₃ + a vol % ZrO₂ 로 이루어진 조성물을 상온 (25 ^oC), 전계 2 kV/mm ~ 4 kV/mm, 시간 10초 이내로 분극조건을 가하여 이루어진 단순 분극 공정이 가능한 압전 복합 자기 조성물
Pb[(ZrTi)(MgNb)]O₃ + avol % ZrO₂

위 조성식에서의 a의 조성범위는 0 < a ≤ 10 임

상기 화학조성식에서 a의 양을 변화시키면서 소결온도를 1200 ℃ 내지 1350℃ 로 변화시키면서 시료를 제작하는 시료제작 공정과,

상기 시료제작 공정의 조성비와 소결온도로 제조된 PMN-PZT 압전소자 조성물에 ZrO₂ 산화물 입자들을 첨가하여 습식 분쇄하고, 금형을 사용하여 약 100MPa의 압력으로 가압 성형한 후 900℃~1200℃의 온도범위에서 2시간 동안 소성하여 처리하는 조립화 공정과,

다음에 시료 두께를 1mm로 가공한 다음 인쇄 도포법으로 시료 양면에 은(Ag)전극을 도포 한 후 700℃에서 10분 동안 열처리하는 열처리 공정과,

상기 열처리 공정후 제조된 시편을 상온에서 10초 이내로 2kV/mm 이내 전계를 인가하여 짧은 분극 처리하는 분극처리 공정으로 이루어진 단순 분극 공정이 가능한 압전 복합 자기 조성물의 제조방법