KR101183031B1 - 다강성 구조체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다강성 구조체의 제조방법에 관한 것이다. 즉, 적어도 하나 이상의 강유전체 층과 적어도 하나 이상의 강자성체 층이 접하도록 교호 적층되어 이루어지는 다강성 구조체에 있어서, 상기 강유전체는 K_1－xNa_xNbO₃ 세라믹스, K_1－xNa_xNbO₃ 세라믹스, Li_x(K_0.5Na_0.5)_1－xNb_1－ySb_yO₃ 세라믹스 및 Ag_x(K_0.5Na_0.5)_1－xNbO₃ 세라믹스로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택되고, 상기 강자성체는 NiFe₂O₄ 페라이트, Ni_1－xZn_xFe₂O₄ 페라이트, CoFe₂O₄ 페라이트 및 Co_1－xZn_xFe₂O₄ 페라이트로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택된다.

다강성구조체

Description

다강성 구조체의 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF MULTIFERROIC STRUCTURE}

본 발명은 다강성 구조체의 제조방법에 관한 것으로, 특히 그 구조가 간단하면서도 또한 납(Pb)이 들어가지 않는 무연(Pb free)의 친환경 조성물로 제조되는 다강성 구조체의 제조방법에 관한 것이다.

최근에야 비로소 연구되기 시작한 다강성(multiferroic) 물질은 강유전성(ferroelectric)과 강자성(ferromagnetic)의 성질을 동시에 함께 갖는다. 이에 따라, 오직 하나의 물성으로 소자를 구현하였던 종래기술로서는 예상할 수 없었던 새로운 전자소자로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

이러한 다강성 물질은 강유전성, 반강유전성(antiferroelectric), 강자성, 반강자성(antiferromagnetic), 강탄성(ferroelastic) 등과 같은 특성들 중에서 적어도 2개 이상의 거동을 동시에 나타내므로, 이에 따라 자기적, 전기적 또는 구조적 질서 파라미터 상호작용을 한다. 예를 들어, 강유전성 특성과 강자성 특성을 동시에 갖는 다강성 물질은 전기장과 자기장으로 전하와 스핀을 조정할 수 있어 특히 메모리소자로서 구현될 경우에는 자기 및 전기로 동시에 읽기와 쓰기가 가능해지고 집적도가 크게 향상될 수 있다.

그러나, 현재 다강성 물질에 대한 연구는 아직 초기단계에 불과하여 용도나 제품구현 측면에서 개발되고 있지 않은 수준이다. 박막의 다강성 물질에 대하여는 자기-전기 소자(magnetoelectric device), 스핀트로닉스(spintronics), 정보저장기기(information storage), 다상메모리(multiple-state memories)에 대한 응용이 타진되고 있고, 후막 또는 벌크 소재(복합체 포함)의 다강성 물질인 경우는 액츄에이터(actuators), 자기센서(magnetic sensors: ac/dc 자계센서, 전류센서), 트렌스포머(transformers), 자이레이터(gyrators), 마이크로파소자(microwave devices: 가변소자(tunable device), 공진기(resonator), 필터(filter)) 등에 대한 응용이 타진되고 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 구조가 간단하면서도 납(Pb)이 들어가지 않는 무연(Pb free)의 친환경 조성물로 제조되는 다강성 구조체의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

삭제

본 발명에 의한 다강성 구조체의 제조방법은 강유전체 분말 및 강자성체 분말을 각각 합성하고, 상기 강유전체는 K_1－xNa_xNbO₃ 세라믹스, K_1－xNa_xNbO₃ 세라믹스, Li_x(K_0.5Na_0.5)_1－xNb_1－ySb_yO₃ 세라믹스 및 Ag_x(K_0.5Na_0.5)_1－xNbO₃ 세라믹스로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택되고, 상기 강자성체는 NiFe₂O₄ 페라이트, Ni_1－xZn_xFe₂O₄ 페라이트, CoFe₂O₄ 페라이트 및 Co_1－xZn_xFe₂O₄ 페라이트로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택되는 단계와; 상기 강유전체 분말 및 강자성체 분말 각각에 분산제, 소결조제, 가소제 및 바인더로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 혼합하여 강유전체 페이스트 및 강자성체 페이스트를 각각 제조하는 단계와; 상기 제조된 강유전체 페이스트 및 강자성체 페이스트를 각각 테이프 캐스팅하여 형성된 강유전체 필름 및 강자성체 필름을 접하도록 적어도 1회 이상 교호 적층하여 적층형 구조체를 형성하는 단계와; 상기 적층형 구조체를 성형하고 소성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 소성 온도는 1000℃ 내지 1200℃로 될 수 있고, 상기 소성은 환원분위기로 될 수 있다. 또한, 상기 소결조제는 SiO₂ 및 ZnO로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택될 수 있다.

본 발명에 의하면, 강유전체 층과 강자성체 층이 이종접합되어 교호 적층되는 다강성 구조체에서 특히 상기 강유전체 층과 강자성체 층 간에 소성 후 수축율 차이가 거의 없도록 조절함으로써 이들 간의 상기 수축율을 완충하는 버퍼층을 생략할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 강유전체 층을 무연의 친환경 조성물로 제조하는 친환경 제조기술을 제공한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 다강성 구조체는 자기-전기 복합체(Magnetoelectric Composites)로서 강유전체 조성물과 강자성체 조성물이 이종접합되는 구조에 기초한다. 특히 상기 강유전체 조성물은 Pb가 들어가지 않는 무연(Pb free)의 친환경 조성물로 되며, 상기 강유전체 조성물과 강자성체 조성물 간에는 소성 후의 수축율 차이가 없도록 하는 각각의 조성을 갖는다. 또한, 이러한 다강성 구조체는 강유전성 특성과 강자성 특성을 동시에 갖는다.

도 1a는 본 발명에 의한 다강성 구조체의 개략 구조도이고, 도 1b는 도 1a의 "A" 부분의 확대도이다.

도 1a 및 1b를 참조하면, 본 발명에 의한 다강성 구조체(1)는 강유전체 조성물로 되는 적어도 하나 이상의 강유전체층(2)과 강자성체 조성물로 되는 적어도 하나 이상의 강자성체층(3)이 교호 적층되고, 상기 다강성 구조체(1) 소자를 구동하기 위한 입출력단자로서 그 상면 및 배면에 Ag 등의 전극(6)이 각각 코팅된다.

이때, 상기 강유전체층(2)은 무연 소재들로 되며, 예를 들어 K_1－xNa_xNbO₃ , K_1－xNa_xNbO₃ , Li_x(K_{0 .5}Na_{0 .5})_{1－ x}Nb_{1 － y}Sb_yO₃ 및 Ag_x(K_{0 .5}Na_{0 .5})_{1－ x}NbO₃ 세라믹스로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함한다. 또한, 상기 강자성체층(3)은 강자성 세라믹스 조성물로 되며, 특히 상기 강유전체층(2) 조성물과 소성 후의 수축율 차이가 거의 없는 조성들, 예를 들어 NiFe₂O₄ , Ni_{1 － x}Zn_xFe₂O₄ , CoFe₂O₄ 및 Co_{1 － x}Zn_xFe₂O₄ 스피넬계 페라이트로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함한다. 이리하여, 강유전체층(2)과 강자성체층(3)은 소성 후의 수축율 차이가 거의 없게 되며, 이로써 이들 간에 별도의 버퍼층을 두어 이들의 수축율 차이를 완충하여 줄 필요가 없다. 따라서, 본 발명에 의하면, 강유전체층(2)과 강자성체층(3) 간에는 별도의 버퍼층을 포함하지 않는다.

또한, 본 발명에 의하면, 상기 강유전체층(2)의 세라믹스 조성에는 소결조제가 첨가될 수 있다. 이러한 소결조제로는 SiO₂, ZnO가 있으며, 특히 ZnO가 바람직하다. 또한, 상기 이종접합된 다강성 구조체(1)의 소결온도는 1000-1200℃이다. 또한, 강자성체층(3)의 두께는 제한이 없으나, 강유전체층(2)의 두께는 20-100㎛로 됨이 바람직하다. 또한, 일 실시예에 의하면, 소결시 발생하는 입자의 조대화를 억제함으로써 수축률을 제어하기 위해 수소가 첨가된 질소 분위기 등과 같은 환원분위기에서 소결 공정을 행할 수도 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하며 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 하술하는 실시예들은 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공되는 것이며, 본 발명은 하기 실시예들로만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

먼저, Nb₂O₅, K₂CO₃, Na₂CO₃의 시료분말을 조성식 K_{0 .5}Na_{0 .5}NbO₃에 맞추어 칭량한 후, 850℃에서 5시간 동안 하소하여 K_{0 .5}Na_{0 .5}NbO₃(이하, "KNN")로 합성하였다. 또한, NiO, Fe₂O₃의 시료분말을 조성식 NiFe₂O₄(이하, "NFO")에 맞추어 칭량한 후, 900℃에서 2시간 동안 하소하여 NiFe₂O₄로 합성하였다.

그리고, 페이스트를 제조하기 위해, 상기 KNN 및 NFO 각각을 톨루엔과 에탄 올을 혼합한 용매에 분산제로서 SN 그리고 도펀트로서 SiO₂를 1wt% 첨가하여 24시간 볼밀링하여 균질하게 1차혼합하였다. 그리고, 이에 가소제로서 디부틸 프탈레이트(DBP) 그리고 바인더로서 폴리비닐부티랄(PVB)을 각각 첨가하여 24시간 볼밀링하여 균질하게 2차혼합하였다.

그리고, 이렇게 제조된 두 KNN, NFO 슬러리는 각각 메쉬를 통해 기포를 제거한 후, 2m/min의 속도로 테이프 캐스팅하였고 6kgf, 60℃로 도 1b와 같이 라미네이팅하였다. 이렇게 적층된 시트는 250bar, 80℃로 30분간 정수압성형을 하였고, 대기중에서 1050℃, 3시간 동안 대기중 소결하였다. 이렇게 소결된 시편은 120℃에서 1-3kV로 분극(poling) 처리하여 KNN-NFO 다강성 구조체 완제품을 제조하였다.

실시예 2

먼저, Nb₂O₅, K₂CO₃, Na₂CO₃의 시료분말을 조성식 K_{0 .5}Na_{0 .5}NbO₃에 맞추어 칭량한 후, 850℃에서 5시간 동안 하소하여 K_{0 .5}Na_{0 .5}NbO₃(이하, "KNN")로 합성하였다. 또한, Co₃O₄, Fe₂O₄의 시료분말을 조성식 CoFe₂O₄에 맞추어 칭량한 후, 900℃에서 2시간 동안 하소하여 CoFe₂O₄(이하, "CFO")로 합성하였다. 그리고, 이후의 제조공정은 실시예 1과 동일하게 행하여 KNN-CFO 다강성 구조체 완제품을 제조하였다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예 1(KNN-NFO) 및 실시예 2(KNN-CFO)의 자기-전기 전압계수(magnetoelectric voltage coefficient: α_E) 특성을 각각 나타낸다. 자기-전기 전압계수(α_E)는 고체 내에 인가된 자장과 전기적 분극변화 간의 커플링 현상을 나타내며, 특히 실시예 1 및 2의 분극된 구조체 시편에 대해 자기장이 가해진 경우 유기된 전압을 측정하여 얻어진다. 도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 실시예 1 및 2에 의한 다강성 구조체는 자기-전기성 혼합물로서 대체로 압전소자 및 자기변형소자가 결합되어 각각 왜(strain)로 매개됨으로써 자기장 내의 길이변화가 압전소자의 길이변화로 이어지고, 이로부터 전압이 유기됨으로써 결국 자기-전기 특성을 나타내게 된다.

이상, 상술된 본 발명의 구현예 및 실시예에 있어서, 조성분말의 평균입도, 분포 및 비표면적과 같은 분말특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량 및 소결 조건에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연하다.

아울러 본 발명의 바람직한 구현예 및 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

도 1a는 본 발명에 의한 다강성 구조체의 개략 구조도.

도 1b는 도 1a의 "A" 부분의 확대도.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예 1(KNN-NFO) 및 실시예 2(KNN-CFO)의 자기-전기 전압계수(magnetoelectric voltage coefficient: α_E) 특성 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호설명

1: 다강성 구조체, 2: 강유전체층, 3: 강자성체층, 6: 전극

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 강유전체 분말 및 강자성체 분말을 각각 합성하고, 상기 강유전체는 K_{1 －x}Na_xNbO₃ 세라믹스, K_{1 － x}Na_xNbO₃ 세라믹스, Li_x(K_{0 .5}Na_{0 .5})_{1－ x}Nb_{1 － y}Sb_yO₃ 세라믹스 및 Ag_x(K_0.5Na_0.5)_{1－ x}NbO₃ 세라믹스로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택되고, 상기 강자성체는 NiFe₂O₄ 페라이트, Ni_{1 － x}Zn_xFe₂O₄ 페라이트, CoFe₂O₄ 페라이트 및 Co_{1 － x}Zn_xFe₂O₄ 페라이트로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택되는 단계와;

   상기 강유전체 분말 및 강자성체 분말 각각에 분산제, 소결조제, 가소제 및 바인더로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 혼합하여 강유전체 페이스트 및 강자성체 페이스트를 각각 제조하는 단계와;

   상기 제조된 강유전체 페이스트 및 강자성체 페이스트를 각각 테이프 캐스팅하여 형성된 강유전체 필름 및 강자성체 필름을 접하도록 적어도 1회 이상 교호 적층하여 적층형 구조체를 형성하는 단계와;

   상기 적층형 구조체를 성형하고 소성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다강성 구조체의 제조방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 소성의 온도는 1000℃ 내지 1200℃로 되는 것을 특징으로 하는 다강성 구조체의 제조방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   상기 소성은 환원분위기로 되는 것을 특징으로 하는 다강성 구조체의 제조방법.
6. 제3항에 있어서,

   상기 소결조제는 SiO₂ 및 ZnO로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 다강성 구조체의 제조방법.
7. 제3항에 있어서,

   상기 적층형 구조체를 성형하고 소성하는 단계는 소성 후 전계를 인가하여 분극처리를 하는 것을 더 포함함을 특징으로 하는 다강성 구조체의 제조방법.
8. 삭제

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