KR101261445B1 - Bismuth-based Lead-free Piezoelectric Ceramics and Manufacturing Method therefor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유전손실 특성이 향상된 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스는 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지며, 주요 성분으로 Bi, Na, Ti, O를 함유하는 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3를 모체로 하고, 첨가물로서 NaF를 포함한다.The present invention relates to bismuth (Bi) lead-free piezoelectric ceramics having improved dielectric loss characteristics and a method of manufacturing the same. Bismuth (Bi) based lead-free piezoelectric ceramic according to the present invention has a perovskite (perovskite) crystal structure, as a main component containing Bi, Na, Ti, O (Bi 0 .5 0 .5 Na) TiO 3 Is parented and contains NaF as an additive.

Description

비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스 및 그 제조 방법{Bismuth-based Lead-free Piezoelectric Ceramics and Manufacturing Method therefor}Bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics and a method of manufacturing the same {Bismuth-based Lead-free Piezoelectric Ceramics and Manufacturing Method therefor}

본 발명은 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스 및 그 제조방법에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3를 모체로 하고, 첨가물로서 NaF를 포함하는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention includes a bismuth for a bismuth (Bi) based lead-free piezoelectric ceramic, and relates to a method of manufacturing the same, and more particularly, (Bi 0 .5 0 .5 Na) as NaF, and a TiO 3 additive in the matrix (Bi) It relates to a system of lead-free piezoelectric ceramics and a method of manufacturing the same.

일반적으로 압전 세라믹스는 우수한 압전 및 유전특성으로 통신기기 분야에서 필터, 압전 트랜스포머 등에 사용되는 것을 비롯하여 의료기기 분야, 센서기기 분야, 가정용 전자기기 분야, 정밀계측기기 분야 등에서 유용하게 사용되고 있다.In general, piezoelectric ceramics are used in filters, piezoelectric transformers, and the like in medical devices, sensor devices, home electronics, and precision measurement devices because of their excellent piezoelectric and dielectric properties.

현재 주로 이용되고 있는 압전 세라믹스는 일반적으로 Pb(Zr,Ti)O3(이하, “PZT"라 한다)계 조성으로 이루어진 PZT계 분말을 사용하여 제조한다. 상기 PZT계 분말은 주 구성 원소인 PbO, ZrO2 및 TiO2와 불순물인 MgO, Nb2O5 등의 원료를 혼합시킨 후 고온에서 소성시켜 얻는 고상합성법을 이용하여 합성한다.Piezoelectric ceramics, which are mainly used at present, are generally manufactured using PZT-based powders having a Pb (Zr, Ti) O 3 (hereinafter referred to as “PZT”)-based composition. , ZrO 2 and TiO 2 are mixed using a solid phase synthesis method obtained by mixing raw materials such as MgO and Nb 2 O 5 , which are impurities, and baking at high temperature.

그러나 상기 PZT계 분말은 그 조성에 따라 압전 특성이 크게 변화하므로 불순물로 첨가하는 MgO, Nb2O5 등의 용량 제어를 위해서는 매우 정밀한 제어작업이 요구된다.However, since the piezoelectric properties of the PZT-based powders vary greatly depending on their composition, very precise control is required for the capacity control of MgO, Nb 2 O 5, etc., added as impurities.

그리고 PZT계 분말은 1200℃에서 1350℃사이의 비교적 높은 온도에서 소결해야 하는데, 소결과정에서 다량의 PbO가 휘발되어 미세구조 및 물성의 제어가 어렵게 되고, 대기 중으로 방출되는 PbO는 산성비 및 기타 공해의 원인으로 작용하게 된다. 또한 PZT계 압전 세라믹스를 이용하여 적층형 압전소자를 제조할 경우, 높은 소결 온도로 인하여 백금(Pt) 또는 납(Pd)과 같은 고융점의 금속을 내부전극으로 사용하여야 하는 문제가 있으며, PZT계 압전 세라믹스를 이용하여 압전세라믹스/금속복합체를 제조할 경우에는 금속이 산화되는 것을 방지하기위하여 압전세라믹스를 먼저 소결한 후 압전세라믹스/금속복합체를 제조하게 되므로, 제조 공정이 복잡하고 압전세라믹스/금속 결합강도 등의 계면 특성이 저하되는 문제점이 있다.The PZT-based powder should be sintered at a relatively high temperature between 1200 ° C and 1350 ° C. In the sintering process, a large amount of PbO is volatilized, making it difficult to control the microstructure and physical properties. It causes the cause. In addition, when manufacturing a multilayer piezoelectric element using PZT piezoelectric ceramics, there is a problem that a high melting point metal such as platinum (Pt) or lead (Pd) must be used as an internal electrode due to a high sintering temperature. When manufacturing piezoceramic / metal composites using ceramics, piezoelectric ceramics / metal composites are first sintered after piezoceramic / metal composites are sintered to prevent metals from being oxidized. There exists a problem that interface characteristics, such as these, fall.

이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 무연계 압전 세라믹스가 제시되으며, 그중에서 Bi계 무연 압전 세라믹스 재료로서 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3(BNT)와 (Bi0 .5K0 .5)TiO3(BKT)이 있다. 조성적으로 ABO3로 표현되며, BNT의 경우에는 A 자리에 Bi3 +와 Na1 +가 공존하고, BKT의 경우에는 A 자리에 Bi3 +와 K1 +이 공존하는 복합 페로브스카이트(provskite) 구조를 갖는다. BNT는 상온에서 능면정 구조의 강유전 압전체이고, BKT는 상온에서 정방전 구조의 강유전 압전체이다. In order to solve this problem it had been proposed a variety of non-associated piezoelectric ceramic, in which Bi-based lead-free piezoelectric ceramic materials as (Bi 0 .5 Na 0 .5) TiO 3 (BNT) , and (Bi 0 .5 0 .5 K TiO 3 (BKT). Compositionally expressed as ABO 3 , in the case of BNT, Bi 3 + and Na 1 + coexist at A site, and in the case of BKT, Bi 3 + and K 1 + coexist at the perovskite complex ( provskite) structure. BNT is a ferroelectric piezoelectric element having a rhombohedral structure at room temperature, and BKT is a ferroelectric piezoelectric element having a positive discharge structure at room temperature.

한편, ABO3 페로브스카이트 구조에서 화학양론(stoichiometric)적 조성은 상술한 바와 같이, A자리에 Bi3 +=0.5이고, Na1 +=0.5 또는 K1 +=0.5이고, B자리에 Ti4 +=1.0이 되어 양이온 총가전자 수가 +6이 되어 산소이온 3개의 -6과 더불어 전기적으로 중성을 유지한다. 여기서 양이온 부족 등에 의해서 화학양론적 조성에서 벗어나는 경우에는 일정한 범위 내에서 전하보상이 발생하는데, 전기적으로 중성이 유지하기 위해서 양이온 또는 음이온의 공공이 형성되는데, 특히 음이온인 산소 공공이 빈번히 발생하게 된다. 이러한 산소 공공은 하전된 상태로 압전체 내에서 유동성을 갖고, 다른 defect들과 dipole을 형성하여 internal bias field를 형성하는 등과 같이 압전체의 압전 특성 또는 유전 특성들의 변화를 야기하여 재현성면에서 어려움이 발생하고, 특히 유전체에 교류 전기장을 걸었을 경우에 유전체 속에서 열로 없어지는 에너지 손실인 유전손실 특성을 저하시켜서 Bi계 무연 압전 세라믹스의 실용화를 방해하는 문제점으로 지적되고 있다.
On the other hand, the stoichiometric composition in the ABO 3 perovskite structure is Bi 3 + = 0.5 at A site, Na 1 + = 0.5 or K 1 + = 0.5, and Ti at B site as described above. 4 + = 1.0, the number of cation valence electrons is + 6 to maintain electrical neutrality with -6 of the three oxygen ions. In the case of deviation from the stoichiometric composition due to cation deficiency, charge compensation occurs within a certain range. In order to maintain electrical neutrality, cations or anions are formed, and oxygen vacancies, which are anions, are frequently generated. These oxygen vacancies have fluidity in the piezoelectric body in a charged state, and cause difficulty in reproducibility by causing changes in piezoelectric or dielectric properties of the piezoelectric body, such as forming an internal bias field by forming dipoles with other defects. In particular, when an alternating current is applied to a dielectric, it is pointed out as a problem that reduces the dielectric loss characteristic, which is an energy loss lost by heat in the dielectric, thereby preventing the practical use of Bi-based lead-free piezoelectric ceramics.

본 발명은 상기 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 주요 성분으로 Bi, Na, Ti, O를 함유하는 (Bi0.5Na0.5)TiO3를 모체로 하고, 이에 첨가물로서 NaF를 추가하여 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조의 압전 세라믹스에서 발현되기 쉬운 산소 공공을 제어하여 유전 손실 특성을 포함하는 유전 및 압전 특성이 개선된 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스 및 그 제조방법을 제시하고자 한다.
The present invention is to solve the above-mentioned problems, the main component is (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 containing Bi, Na, Ti, O as a parent, and added NaF as an additive to perovskite Bismuth (Bi) lead-free piezoelectric ceramics having improved dielectric and piezoelectric properties including dielectric loss characteristics by controlling oxygen vacancies easily expressed in (perovskite) crystal structure piezoelectric ceramics and a method of manufacturing the same.

본 발명에 실시예에 따른 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스는 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지며, 주요 성분으로 Bi, Na, Ti, O를 함유하는 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3를 모체로 하고, 첨가물로서 NaF를 포함한다.Bismuth (Bi) based lead-free piezoelectric ceramic according to an embodiment to the present invention has a Fe lobe Sky agent (perovskite) crystal structure, as a main component containing Bi, Na, Ti, O (Bi 0 .5 0 .5 Na ) TiO 3 as a parent and contains NaF as an additive.

이때, 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스는 하기 화학식1를 만족한다.At this time, the bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics satisfy the following formula (1).

<화학식1> (Bi0 .5Na0 .5)TiO3 - xFx, 상기 x는 0.001 < x < 0.01이다. A x F x, wherein x is 0.001 <x <0.01 - <Formula 1> (Bi 0 .5 Na 0 .5) TiO 3.

상기 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스는 100kHz에서 측정된 유전손실(tanδ)가 0%를 초과하고 10%이하이다. The bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics have a dielectric loss (tanδ) measured at 100 kHz of more than 0% and less than 10%.

상기 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스는 고용체를 형성한다.The bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics form a solid solution.

본원 발명의 다른 실시예에 따른 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스의 제조 방법은 모체를 구성하는 Bi2O3, Na2CO3, TiO2 분말과 첨가물인 NaF 분말을 혼합한 후 하소 및 분쇄하여 중간 화합물 분말을 형성하는 단계; 상기 중간 화합물 분말을 가압하여 성형체를 형성하는 단계; 및 상기 성형체를 소결하여 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는 소결체를 형성하는 단계를 포함한다.Bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics manufacturing method according to another embodiment of the present invention is mixed with Bi 2 O 3 , Na 2 CO 3 , TiO 2 powder constituting the mother and NaF powder additives, followed by calcination and grinding Forming an intermediate compound powder; Pressing the intermediate compound powder to form a shaped body; And sintering the formed body to form a sintered body having a perovskite crystal structure.

상기 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스는 하기 화학식1를 만족한다.The bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics satisfy the following formula (1).

<화학식1> (Bi0 .5Na0 .5)TiO3 - xFx, 상기 x는 0.001 < x < 0.01이다. A x F x, wherein x is 0.001 <x <0.01 - <Formula 1> (Bi 0 .5 Na 0 .5) TiO 3.

상기 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스는 100kHz에서 측정된 유전손실(tanδ)가 0%를 초과하고 10%이하이다.The bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics have a dielectric loss (tanδ) measured at 100 kHz of more than 0% and less than 10%.

상기 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스는 고용체를 형성한다.The bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics form a solid solution.

상기 하소는 900℃ 내지 1000℃의 온도에서 1 시간 내지 2시간 동안 실시하고, 상기 소결은 1100℃ 내지 1200℃의 온도에서 1시간 내지 2시간 실시한다.
The calcination is carried out for 1 hour to 2 hours at a temperature of 900 ℃ to 1000 ℃, the sintering is carried out for 1 hour to 2 hours at a temperature of 1100 ℃ to 1200 ℃.

본 발명에 의한 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스 및 이의 제조 방법에 따르면, 환경 규제의 대상이 되는 납(Pb)를 함유하지 않은 압전 세라믹스의 안정성 및 재현성을 향상시킬 수 있고, 환경 오염을 방지할 수 있다. 또한 유전손실 특성을 포함하는 유전 및 압전 특성이 우수하고 신뢰성이 향상되고 친환경적인 압전 소자를 제조할 수 있다.
According to the bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics and the manufacturing method thereof according to the present invention, it is possible to improve the stability and reproducibility of the piezoelectric ceramics containing no lead (Pb), which is subject to environmental regulation, and to prevent environmental pollution. Can be. In addition, it is possible to manufacture a piezoelectric element having excellent dielectric and piezoelectric characteristics including dielectric loss characteristics, improved reliability, and environment-friendly.

도 1은 본 발명에 따른 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스의 제조방법을 나타내는 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3 - xFx의 조성에 따른 X선 회절 특성을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3 - xFx의 온도와 주파수에 따른 유전손실(tanδ)을 나타내는 그래프.
1 is a flow chart showing a method for producing bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics according to the present invention.
Figure 2 is (Bi 0 .5 0 .5 Na) TiO 3 in accordance with the present invention a graph showing the X-ray diffraction properties of the composition of x F x.
Figure 3 (Bi 0 .5 0 .5 Na) TiO 3 in accordance with the present invention a graph showing the dielectric loss (tanδ) in accordance with the temperature and frequency of the x F x.

특정 실시예의 후술되는 상세한 설명은 본 발명의 특정 실시예의 여러 설명을 제공한다. 그러나, 본 발명은 청구범위에 의해 한정되고 커버되는 다수의 여러 방법으로 구현될 수 있다. 본 상세한 설명은 동일한 참조 번호가 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 나타내는 도면을 참조하여 설명된다.
The following detailed description of specific embodiments provides several descriptions of specific embodiments of the present invention. However, the present invention can be implemented in many different ways, which are defined and covered by the claims. The detailed description is described with reference to the drawings, wherein like reference numerals refer to the same or functionally similar elements.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스 및 그 제조방법에 관하여 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, a bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramic according to a preferred embodiment of the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1는 본 발명에 따른 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스의 제조방법을 나타내는 순서도이다. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics according to the present invention.

우선, ABO3의 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스를 제조하기 위하여 성분원소 Bi, Na, Ti, O를 포함하는 모체인 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3를 구성하는 Bi2O3, Na2CO3, TiO2 분말과 첨가물인 NaF 분말을 몰비에 따라서 칭량 한 후 혼합한다(S100). 이때 상기 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스는 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3 - xFx의 조성식을 만족하는데, 여기서 조성을 결정하는 변수인 x는 0 ≤ x ≤ 0.03에서 선택되었다. 몰비에 따라 칭량한 분말을 분산 용매로서 에틸 알코올 또는 메틸 알코올과 함께 볼밀링하여 혼합하였다. 분산 용매와 볼의 비율을 1:1로 하고, 사용된 볼은 zirconia ball로 24시간 습식 혼합한다. First, perovskite (perovskite) constituent elements for the production of bismuth (Bi) based lead-free piezoelectric ceramic having a crystal structure of the ABO 3 Bi, Na, Ti, the matrix containing the O (Bi 0 .5 Na 0. 5 ) Bi 2 O 3 , Na 2 CO 3 , TiO 2 powder constituting TiO 3 and NaF powder as an additive are weighed according to the molar ratio and mixed (S100). In this case, the bismuth (Bi) based lead-free piezoelectric ceramics (Bi 0 .5 0 .5 Na) TiO 3 - x to satisfy the composition formula of F x, the variable x to determine the composition herein was selected from 0 ≤ x ≤ 0.03. Powders weighed according to molar ratio were mixed by ball milling with ethyl alcohol or methyl alcohol as dispersion solvent. The ratio of the dispersion solvent and the ball is 1: 1, and the used ball is wet mixed with zirconia ball for 24 hours.

다음으로, 혼합된 분말을 알루미나 도가니에 넣고, 800℃ 내지 1000℃의 온도에서 1 시간 내지 3시간 동안 열처리하여 하소(calcination)하고, 이후에 다시 분산 용매와 지르코니아 볼을 이용하여 볼밀링하여 분쇄하여 중간 화합물 분말을 형성한다(S200). 이때 각 출발물질과 혼합된 분말에 대하여 TG(시차열분석)를 측정하고, 하소된 분말에 대한 XRD분석과 병행하여 바람직한 하소온도를 결정하였다. 결정하였다. 하소는 800℃ 내지 1000℃에서 의 온도에서 1 시간 내지 3시간 동안 실시하였는데, 그 이하의 온도에서는 원료 분말들 사이의 반응이 충분하지 않았고, 그 이상의 온도에서는 후속 절차인 분쇄가 어려운 단점이 있다.Next, the mixed powder is placed in an alumina crucible, calcined by heat treatment at a temperature of 800 ° C. to 1000 ° C. for 1 to 3 hours, and then crushed by ball milling using a dispersion solvent and zirconia balls again. To form an intermediate compound powder (S200). At this time, TG (differential thermal analysis) was measured for the powder mixed with each starting material, and the preferred calcining temperature was determined in parallel with the XRD analysis for the calcined powder. Decided. The calcination was carried out for 1 hour to 3 hours at a temperature of 800 ℃ to 1000 ℃, the reaction between the raw powders at a temperature below that was not enough, there is a disadvantage that the subsequent procedure is difficult to grind above the temperature.

하소한 후에 분쇄한 중간 화합물 분말에 결합제를 소량 첨가하여 10μm 이하로 입경을 균일화 한 다음에 1ton/㎠의 성형압을 가하여 직경 10㎜의 disk형 시편으로 가압 성형하여 성형체를 형성하였다(S300). 이때 결합제는 10% PVA수용액을 결합제로서 5wt% 첨가하는 것이 바람직하다.After calcination, a small amount of binder was added to the pulverized intermediate compound powder to homogenize the particle diameter to 10 μm or less, and then a molding pressure of 1 ton / cm 2 was applied to form a compact by pressing into a disk-shaped specimen having a diameter of 10 mm (S300). At this time, the binder is preferably added 5wt% 10% PVA aqueous solution as a binder.

상기 성형체를 2시간 동안 1℃/분의 속도로 승온하고, 250℃에서 2시간 유지하여 흡착수(H2O)와 부착수(OH)를 증발시켰으며, 600℃에서 결정내부에 들어있는 결합수(OH)와 바인더와 같은 결합제를 휘발시켰다. 이후에 백금 플레이트를 이용하여 1050℃ 내지 1250℃의 온도에서 1시간 내지 3시간 동안 열처리 함으로써 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는 소결체를 형성하였다(S400). 소결온도가 1050℃ 이하에서는 소결이 충분하지 아니하여 페로브스카이트 결정성이 충분하지 않고, 1250℃ 이상에서는 입자크기가 너무 커지고 비스무스의 휘발 등에 의해서 구조 내 결함이 발생할 수 있다. 이때, 비스무스의 휘발을 방지를 위해서 분위기 제어를 위하여 하소된 BNT powder을 도가니 내의 분위기 powder로 넣을 수도 있다. 본 발명의 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스는 기존의 PZT보다 상대적으로 낮은 온도에서 소결 가능한 이점이 있다. The compact was heated at a rate of 1 ° C./min for 2 hours, and maintained at 250 ° C. for 2 hours to evaporate adsorbed water (H 2 O) and adhered water (OH), and bound water contained in the crystal at 600 ° C. Binders such as (OH) and a binder were volatilized. Thereafter, by using a platinum plate heat treatment at a temperature of 1050 ℃ to 1250 ℃ for 1 hour to 3 hours to form a sintered body having a perovskite crystal structure (S400). If the sintering temperature is 1050 ° C. or lower, the sintering is not sufficient, so the perovskite crystallinity is not sufficient. If the sintering temperature is higher than 1250 ° C., the particle size is too large and defects in the structure may occur due to volatilization of bismuth. At this time, in order to prevent volatilization of bismuth, the calcined BNT powder may be put into the atmosphere powder in the crucible. Bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramic of the present invention has the advantage that can be sintered at a relatively lower temperature than the conventional PZT.

상기 소결체를 연마하고 세척한 후 양면에 실버 페이스트(silver paste)를 스크린 인쇄하여, 100℃ dry oven 내에서 건조한 후에 600℃에서 10분간 소부하여 전극을 형성하였다. 이후에 분극처리하기 위하여 실리콘 오일에서 전압을 인가하여 압전 소자를 제조한다(S500). 상기 실리콘 오일의 온도는 상온 내지 120℃의 온도인 것이 바람직하고, 전압은 1 내지 5KV/mm를 인가하는 것이 바람직하다. After polishing and washing the sintered body, a silver paste was screen printed on both sides, dried in a 100 ° C. dry oven, and then baked at 600 ° C. for 10 minutes to form an electrode. Subsequently, a piezoelectric element is manufactured by applying a voltage from silicon oil in order to polarize (S500). It is preferable that the temperature of the said silicone oil is the temperature of normal temperature-120 degreeC, and it is preferable that a voltage applies 1-5KV / mm.

본 발명에 따른 압전 세라믹 또는 압전 소자의 제조 공정은 상술한 바에 한정되지 않고, 원하는 소자의 특성 및 공정상의 편의에 따라 다양한 수정과 변경이 가능하다.The manufacturing process of the piezoelectric ceramic or piezoelectric element according to the present invention is not limited to the above, and various modifications and changes are possible depending on the characteristics of the desired element and the convenience of the process.

이로써, 본 발명에 따르면 주요 성분으로 Bi, Na, Ti, O를 함유하는 (Bi0.5Na0.5)TiO3 모체와 NaF 첨가물을 포함하는 고용체로 합성함으써 Pb를 포함하지 않으며 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스를 제조할 수 있다. 이에 따라 종래의 PZT 세라믹스의 경우 소결시 PbO의 휘발로 인해 특성의 산포가 크고 재현성의 확보가 어려웠던 것에 비해 본 발명의 압전 세라믹스는 소결 수 안정적인 특성을 얻을 수 있으며, 특히 친환경적인 이점이 있다. Thus, according to the present invention, by synthesizing into a solid solution containing (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 matrix containing Bi, Na, Ti, O as the main component and NaF additive, it does not contain Pb and perovskite (perovskite Bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics having a crystal structure can be prepared. Accordingly, in the case of the conventional PZT ceramics, the piezoelectric ceramics of the present invention can obtain sintered water stable characteristics, in particular, an environmentally friendly advantage, while the dispersion of properties is large and it is difficult to secure reproducibility due to volatilization of PbO during sintering.

또한, 본 발명에 따르면 상기와 같이 제조되는 압전 세라믹스를 이용하여 우수한 전기적 특성을 갖고 신뢰성이 향상되고, 친환경적인 압전 소자를 제조할 수 있다. In addition, according to the present invention, the piezoelectric ceramics manufactured as described above may have excellent electrical characteristics, improved reliability, and environmentally friendly piezoelectric elements.

도 2는 본 발명에 따른 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3 - xFx의 조성에 따른 X선 회절(X-ray Diffraction: XRD) 특성을 나타내는 그래프이다. 이는 분석하려는 압전 세라믹스 표면에 각도를 변화시키면서 특정 X선 빔을 입사키고 결정면의 특성에 따라 X선 빔이 회절되어 나오는 강도를 읽어 결정구조를 파악하는 것이다. 페로브스카이트 결정 구조에서 발견되는 주요 XRD 피크(peak)만이 관찰되는 도 2에 도시된 바와 같이 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3 모재와 다양한 몰비로 NaF가 첨가된 모든 시편에서 2차상이 발생되지 않고, 단일상의 페로브스카이트 화합물이 고용체 상태로 잘 합성된 것을 확인할 수 있다. 이러한 화합물은 자신의 용융점까지 안정된 상태를 유지한다. Figure 2 is (Bi 0 .5 0 .5 Na) TiO 3 in accordance with the invention - x F x X-ray diffraction in accordance with the composition of: a graph showing the (X-ray Diffraction XRD) characteristics. This is to determine the crystal structure by injecting a specific X-ray beam while varying the angle on the surface of the piezoelectric ceramic to be analyzed and reading the intensity of the diffracted X-ray beam according to the characteristics of the crystal plane. Perovskite As shown in Figure 2 is only observed major XRD peaks (peak) is found in the tree structure determination (Bi 0 .5 0 .5 Na) TiO 3 It was confirmed that the secondary phase did not occur in all the specimens to which NaF was added in the base material and various molar ratios, and the single phase perovskite compound was well synthesized in the solid solution state. These compounds remain stable until their melting point.

소결체 시편에 대한 XRD 분석을 통하여 구한 격자상수를 이용하여 이론 밀도를 계산한 후, 아르키메데스법을 이용해 구한 소결 밀도와 비교하여 상대 밀도를 알아보았다. (Bi0 .5Na0 .5)TiO3 - xFx의 상대밀도는 모든 NaF 첨가량에 대해서 95% 이상으로 나타났고, NaF 첨가에 따라서 상대밀도가 특별히 변화하는 경향은 나타나지 않았다. After calculating the theoretical density using the lattice constant obtained through XRD analysis of the sintered specimens, the relative density was determined by comparing with the sintered density obtained by the Archimedes method. (Bi 0 .5 Na 0 .5) TiO 3 - x F x is the relative density showed over 95% for all NaF addition amount, the relative density did not show the tendency that change in accordance with the particular NaF was added.

표 1은 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3 조성의 비스무스계(Bi) 무연 압전 세라믹스와 본 발명에 따라 제조된(Bi0 .5Na0 .5)TiO3- xFx 조성의 비스무스계(Bi) 무연 압전 세라믹스의 특성을 비교한 것으로, 유전율 , 두께 방향의 전기기계 결합계수(Kt) 및 유전손실(tanδ)의 측정값을 나타낸다. 모든 비교대상인 비스무스계(Bi) 무연 압전 세라믹스는 1100℃ 온도에서 2시간동안 소결하였다.
Table 1 (Bi 0 .5 0 .5 Na) TiO 3 prepared according to the present invention and a bismuth-based (Bi) of the lead-free piezoelectric ceramic composition of (Bi 0 .5 0 .5 Na) TiO x 3- x F of the following composition Bismuth (Bi) is a comparison of the characteristics of lead-free piezoelectric ceramics, and shows measured values of dielectric constant, electromechanical coupling coefficient (Kt) and dielectric loss (tanδ) in the thickness direction. All comparative bismuth-based (Bi) lead-free piezoelectric ceramics were sintered at 1100 ° C. for 2 hours.

유전율permittivity Kt(%)Kt (%) tanδ(%)tanδ (%) (Bi0.5Na0.5)TiO3 (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 306.3306.3 30.530.5 16.016.0 (Bi0.5Na0.5)TiO2.999F0.001 (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 2.999 F 0.001 309.7309.7 31.631.6 3.03.0 (Bi0.5Na0.5)TiO2.997F0.003 (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 2.997 F 0.003 307.6307.6 32.132.1 3.03.0 (Bi0.5Na0.5)TiO2.995F0.005 (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 2.995 F 0.005 309.5309.5 33.733.7 4.94.9 (Bi0.5Na0.5)TiO2.99F0.01 (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 2.99 F 0.01 310.6310.6 32.332.3 5.05.0 (Bi0 .5Na0 .5)TiO2 .97F0.03 (Bi 0 .5 Na 0 .5) TiO 2 .97 F 0.03 307.1307.1 31.231.2 11.011.0

상기 표 1에서와 같이 유전율과 두께 방향의 전기기계 결합계수(Kt)의 경우에는 NaF 참가물을 포함하지 않는 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3와 NaF 첨가물을 포함하는 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3 - xFx가 크게 차이가 나지 않는 유사한 특성값을 나타내는 반면에, 100kHz 측정 주파수와 상온에서 측정된 유전손실(tanδ)의 경우에 NaF 참가물을 포함하지 않는 (Bi0.5Na0.5)TiO3가 16%의 유전손실 값을 나타내고, (Bi0.5Na0.5)TiO3-xFx의 조성범위가 0.001 ≤ x ≤ 0.01의 범위에서 NaF 첨가물이 포함됨에 따라 3.0% 내지 5.0%로 유전손실 값이 낮아지는 것을 알 수 있다. 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 산화물 압전 세라믹스에서 흔히 발생되는 defect인 산소 공공은 하전된 상태로 압전체 내에서 유동성을 갖고, 다른 defect들과 dipole을 형성하여 internal bias field를 형성하는 등과 같이 압전 세라믹스의 전기적 특성들의 변화를 발생시켜서 재현성면에서 어려움이 발생하고, 특히 압전체에 교류 전기장을 걸었을 경우에 압전체 속에서 열로 없어지는 에너지 손실인 유전손실 특성을 저하시키는 문제점을 야기한다고 알려져 있다. 본 발명에서 (Bi0.5Na0.5)TiO3에 NaF를 첨가하는 경우에 불소(F)이 페로브스카이트 결정 구조에서 산소 자리에 치환되어 들어가게 되어서 유효전하(effective charge)가 +1를 갖게되어, 산소 자리를 차지하고 있는 불소(F)에 의해서 유효전하가 +2가를 갖는 산소 공공(oxygen vacancy)이 줄어들게 된다. 그러나 NaF가 더 추가되어 (Bi0.5Na0.5)TiO2.97F0.03이 되면 불소(F)가 결함으로 작용하여서 유전손실 특성에 다시 악영향을 주게 된다. 따라서, NaF의 조성비가 0.001 내지 0.01 범위((Bi0.5Na0.5)TiO3-xFx, 상기 x는 0.001 < x < 0.01) 사이에서 선택되는 것이 바람직하다. If the dielectric constant and the electromechanical coupling factor (Kt) in the thickness direction as shown in the Table 1 which does not include the participation NaF water (Bi 0 .5 Na 0 .5) (Bi 0 containing TiO 3 and NaF additives. 5 Na 0 .5) TiO 3 - x F x on the other hand, larger values indicating a similar characteristic difference between no audio, the NaF does not include participation water in the case of the dielectric loss (tanδ) measured at a measurement frequency of 100kHz and at room temperature ( Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 represents a dielectric loss value of 16%, and the composition range of (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3-x F x is in the range of 0.001 ≦ x ≦ 0.01 with the addition of NaF additives from 3.0% to It can be seen that the dielectric loss is lowered to 5.0%. Oxygen vacancy, which is a common defect in oxide piezoelectric ceramics with a perovskite crystal structure, is charged in the piezoelectric body in a charged state, and forms an internal bias field by forming dipoles with other defects. It is known that a problem occurs in terms of reproducibility by generating a change in electrical characteristics, and in particular, causes a problem of lowering dielectric loss characteristics, which are energy losses lost by heat in the piezoelectric body, particularly when an AC electric field is applied to the piezoelectric body. In the present invention, when NaF is added to (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 , fluorine (F) is substituted into the oxygen site in the perovskite crystal structure to have an effective charge of +1, The fluorine (F) occupying the oxygen site reduces the oxygen vacancy with an effective charge of +2. However, when NaF is added (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 2.97 F 0.03 , fluorine (F) acts as a defect and adversely affect the dielectric loss characteristics. Therefore, the composition ratio of NaF is preferably selected between 0.001 and 0.01 ((Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3-x F x , where x is 0.001 <x <0.01).

도 3은 본 발명에 따른 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3 - xFx의 조성에 따른 유전손실(tanδ)을 나타내는 그래프로서, 도 3(a)는 10kHz에서 측정된 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3와 (Bi0.5Na0.5)TiO2.995F0.005 압전 세라믹스의 유전손실 값을 온도에 따라서 나타낸 그래프이고, 도 3(b)는 (Bi0.5Na0.5)TiO2.995F0.005 압전 세라믹스의 유전손실 값을 온도와 측정 주파수에 따라서 나타낸 그래프이다. 도 3(a)에서 도시된 바와 같이 압전 소자의 실제 사용온도인 150oC 이하의 전체 온도구간에서 (Bi0.5Na0.5)TiO3 보다 (Bi0.5Na0.5)TiO2.995F0.005가 낮은 유전손실 특성값을 안정적으로 나타내었다. 한편, NaF의 첨가에 따른 유전손실 값의 감소는 높은 주파수에서 더욱 뚜렷이 나타내었다. 도 3(b)에서 나타난 바와 같이 NaF가 첨가된 비스무스계(Bi) 압전 세라믹스의 경우에는 1MHz의 측정 주파수와 고온 영역에서도 10% 미만의 낮은 유전손실 값을 나타내는 반면에 NaF가 첨가되지 않은 압전 세라믹스에서는 수십% 이상의 유전손실 값을 갖는다. 1MHz 이상의 고주파 영역에서의 낮은 유전손실 특성은 NaF의 조성(x)범위가 0.004 내지 0.006(0.004 < x < 0.006)에서 안정적으로 나타난다. Figure 3 is according to the present invention (Bi 0 .5 0 .5 Na) TiO 3 - a graph showing the dielectric loss (tanδ) of the composition of x F x, 3 (a) is the (Bi 0 measured at 10kHz .5 Na 0 .5) TiO 3 and (Bi 0.5 Na 0.5) TiO 2.995 F 0.005 , and a graph showing the dielectric loss along with the value of the piezoelectric ceramic in the temperature, FIG. 3 (b) (Bi 0.5 Na 0.5) TiO 2.995 F 0.005 It is a graph showing the dielectric loss value of piezoelectric ceramics according to temperature and measurement frequency. In Figure 3 (a) the entire temperature range of practical use temperatures below the 150 o C of the piezoelectric element as shown in (Bi 0.5 Na 0.5) TiO 3 than (Bi 0.5 Na 0.5) TiO 2.995 F 0.005 a low dielectric loss characteristic The value is shown stably. On the other hand, the decrease in the dielectric loss value with the addition of NaF was more pronounced at high frequencies. As shown in FIG. 3 (b), the bismuth-based (Bi) piezoelectric ceramics to which NaF was added exhibited low dielectric loss values of less than 10% even at a measurement frequency of 1 MHz and a high temperature region, while the piezoelectric ceramics to which NaF was not added. Has a dielectric loss of more than tens of percent. Low dielectric loss characteristics in the high frequency region of 1 MHz or more are stable in the composition (x) range of 0.004 to 0.006 (0.004 <x <0.006).

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 주요 성분으로 Bi, Na, Ti, O를 함유하는 (Bi0.5Na0.5)TiO3를 모체에 NaF를 첨가하는 것에 의해서 (Bi0 .5Na0 .5)TiO3에 비하여 유전손실 값은 현저히 감소되면서도 우수한 유전 및 압전 특성을 갖는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스를 얻는 것이 가능하다. 아울러, 본 발명의 압전 세라믹스는 Pb를 포함하지 않기 때문에, 소결시 PbO의 휘발로 인한 특성의 신뢰성 저하를 방지할 수 있어서 합성된 압전 세라믹스의 안정성 및 재현성을 확보 가능하고, 환경 문제를 야기하는 Pb를 포함하지 않기 때문에 친환경적인 이점이 있다.
, The main component according to the present invention as described above, Bi, Na, Ti, containing O (Bi 0.5 Na 0.5) by the addition of the NaF TiO 3 in the matrix (Bi 0 .5 0 .5 Na) TiO Compared to 3 , it is possible to obtain bismuth (Bi) lead-free piezoelectric ceramics having excellent dielectric and piezoelectric properties while significantly reducing the dielectric loss value. In addition, since the piezoelectric ceramics of the present invention do not contain Pb, it is possible to prevent the reliability deterioration of characteristics due to volatilization of PbO during sintering, thereby ensuring stability and reproducibility of the synthesized piezoelectric ceramics, and causing Pb to cause environmental problems. There is an environmentally friendly advantage because it does not include.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. .

Claims (10)

페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 가지고,
주요 성분으로 Bi, Na, Ti, O를 함유하는 (Bi0.5Na0.5)TiO3를 모체로 하고, 첨가물로서 NaF를 포함하며,
하기 화학식1를 만족하는 것을 특징으로 하는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스.
<화학식1>
(Bi0.5Na0.5)TiO3-xFx, 상기 x는 0.001 < x < 0.01이다.
Has a perovskite crystal structure,
It is based on (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 containing Bi, Na, Ti, O as its main component, and contains NaF as an additive,
Bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics, characterized by satisfying the formula (1).
<Formula 1>
(Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3-x F x , where x is 0.001 <x <0.01.
삭제delete 제 1항에 있어서, 100kHz에서 측정된 유전손실(tanδ)가 0%를 초과하고 10%이하인 것을 특징으로 하는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스.
The bismuth (Bi) lead-free piezoelectric ceramics according to claim 1, wherein the dielectric loss tanδ measured at 100 kHz is greater than 0% and less than or equal to 10%.
제 1항에 있어서, 고용체를 형성하는 것을 특징으로 하는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스.
The bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics according to claim 1, wherein a solid solution is formed.
모체를 구성하는 Bi2O3, Na2CO3, TiO2 분말과 첨가물인 NaF 분말을 혼합한 후 하소 및 분쇄하여 중간 화합물 분말을 형성하는 단계;
상기 중간 화합물 분말을 가압하여 성형체를 형성하는 단계; 및
상기 성형체를 소결하여 페로브스카이트(perovskite) 결정 구조를 갖는 소결체를 형성하는 단계를 포함하며,
하기 화학식1를 만족하는 것을 특징으로 하는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스의 제조 방법.
<화학식1>
(Bi0.5Na0.5)TiO3-xFx, 상기 x는 0.001 < x < 0.01이다.
Mixing the Bi 2 O 3 , Na 2 CO 3 , TiO 2 powder constituting the mother powder with NaF powder as an additive, and then calcining and grinding to form an intermediate compound powder;
Pressing the intermediate compound powder to form a shaped body; And
Sintering the molded body to form a sintered body having a perovskite crystal structure,
Method for producing a bismuth (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics, characterized by satisfying the formula (1).
<Formula 1>
(Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3-x F x , where x is 0.001 <x <0.01.
삭제delete 제 5항에 있어서, 상기 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스는 100kHz에서 측정된 유전손실(tanδ)가 0%를 초과하고 10%이하인 것을 특징으로 하는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스의 제조 방법.
The method of claim 5, wherein the bismuth (Bi) lead-free piezoelectric ceramics have a dielectric loss (tanδ) measured at 100 kHz of more than 0% and 10% or less.
제 5항에 있어서, 상기 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스는 고용체를 형성하는 것을 특징으로 하는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스의 제조 방법.
The method for manufacturing bismuth (Bi) lead-free piezoelectric ceramics according to claim 5, wherein the bismuth (Bi) lead-free piezoelectric ceramics form a solid solution.
제 5항, 제7항 또는 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 하소는 800℃ 내지 1000℃의 온도에서 1 시간 내지 3시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스의 제조 방법.
The bismuth (Bi) lead-free piezoelectric ceramics according to any one of claims 5, 7, or 8, wherein the calcination is performed at a temperature of 800 ° C to 1000 ° C for 1 hour to 3 hours. Method of preparation.
제 5항, 제7항 또는 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 소결은 1050℃ 내지 1250℃의 온도에서 1시간 내지 3시간 실시하는 것을 특징으로 하는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스의 제조 방법.9. The bismuth (Bi) lead-free piezoelectric ceramics according to claim 5, 7 or 8, wherein the sintering is performed at a temperature of 1050 ° C. to 1250 ° C. for 1 hour to 3 hours. Manufacturing method.
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