KR101347451B1 - 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 KNN계 무연 압전 세라믹 시트와 내부전극을 교대로 적층한 액추에이터에 있어서, 상기 내부전극이 AgPd 합금과 압전 세라믹 소재를 혼합한 복합소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터는 세라믹 층과 내부전극 층의 소성수축 부정합성을 줄여서 소성과정에서 층간 박리에 의한 불량률을 줄이고, 층간의 잔류응력을 줄여서 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있으며, 인체에 유해하고 환경오염을 유발시키는 종래의 납 계통의 PZT와는 달리 알칼리 금속화합물 계통의 압전 세라믹 소재를 이용하므로 환경 친화적이다.

Description

무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터{lead-free piezoelectric ceramic multilayer actuator}
본 발명은 액추에이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 납을 함유하지 않고, 내부전극과 압전 세라믹 층의 소성 수축율 부정합성을 줄여서 생산성을 향상시키기 위한 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터에 관한 것이다.
일반적으로 압전 세라믹은 전자산업과 메카트로닉스 분야에서 중요한 역할을 하며, 초음파 송수신용, 비파괴용 초음파 트랜스듀스, 어군 탐지기, 광세트, 광변조기 컬러필터, 연소가스 조정용 액추에이터를 비롯한 특수용 압전체에 이용된다.
Pb(Zr,Ti)O3 (이하, 'PZT'라고 함) 세라믹 소재는 압전 특성이 우수하고 가격이 저렴하면서 제조 공정기술이 잘 알려져 있는 압전 재료로서 많은 응용분야에서 이용되고 있다. PbTiO3와 PbZrO3의 고용체에 있어서 정방정계-삼방정계의 상경계(MPB: Morphotropic Phase Boundary)에서 강한 압전성을 가지면서 390℃의 퀴리(Curie) 온도를 가지는 PZT 고용체가 발견됨에 따라, 이 세라믹스를 이용해서 압전효과를 이용한 액추에이터(Actuator)나 압전 트랜스듀서(Piezoelectric transducer), 센서(Sensor), 진동자(Resonator) 등 여러 전자소자로서 압전 세라믹스의 활용에 대한 연구가 광범위하게 이루어져 왔다.
그러나, 현재 사용하고 있는 압전 특성이 우수한 대부분의 세라믹 소재들은 1000℃이상에서 PbO가 급격히 휘발함으로 인해 생기는 조성의 변동을 방지하기 위해 과잉으로 PbO를 첨가하여 제조하므로 중량비로 50% 이상의 납을 포함하고 있기 때문에, 인체에 해롭고 환경오염을 유발시킨다는 문제점이 있다. 최근 전 세계적으로 전자산업을 중심으로 납이 함유된 소재의 사용이 규제되고 있으나, PZT 계 압전 소재는 대체할 수 있는 무연 소재가 아직 개발되지 않아 규제 대상에서 제외되고 있지만, 압전 특성이 우수한 무연 소재가 개발되면 PZT계 압전 소재의 사용은 제한될 전망이다.
이를 근본적으로 해결하기 위한 방안으로 원천적으로 납을 포함하지 않는 무연(Pb-free)계통의 재료들의 활용을 고려할 수 있지만, 현시점에서 무연 계통의 재료들은 그 특성들이 기존의 PZT를 대체할 수준에 미치지 못하고 있는 실정이다.
또한, 최근까지 연구된 무연 압전 세라믹스 중에서 알칼리 금속 산화물의 일종인 (K, Na)NbO3(KNN)계 소재는 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가지며 강한 압전성, 큰 잔류분극, 높은 상전이 온도, 낮은 항전계 등의 특성을 가지고 있다는 장점이 있어서 향후 PZT계 압전 세라믹 소재를 대체할 가능성이 높다.
한편, 종래에는 도 1과 같은 압전 세라믹 적층형 액추에이터를 제조하는 과정에서 압전 세라믹 소재와 도전성 전극을 판상으로 성형하여 교대로 적층한 다음, 고온에서 동시소성(co-firing)하는 방법이 통상적으로 이용되고 있다. 내부전극은 고온에서 압전 세라믹 소재와 반응하지 않고 공기 분위기에서도 산화되지 않으며 소성온도보다 융점이 높아서 소성 공정 중에 녹지 않는 열적 안정성을 가져야 하므로 이러한 조건을 만족시키는 AgPd 합금이 주로 사용되고 있다.
그러나, AgPd는 전기전도성이 우수한 금속으로 압전 세라믹과 동시에 소성하면 도 2(a)와 같이 열수축 특성 면에서 압전 세라믹 소재보다 높은 수축율을 나타내어 소성 공정에서 세라믹 층과 박리가 일어나기 쉬운 문제점이 있다. 도 2(b)에 층간 박리가 일어난 적층형 세라믹 액추에이터의 단면 사진을 나타내었다. 만약, 소성 중에 층간 박리가 일어나지 않더라도 두 가지 소재의 열수축 특성의 차이로 인해 계면에 높은 잔류응력을 유발하며, 이러한 AgPd층과 세라믹 층간에 존재하는 잔류응력은 압전 액추에이터가 반복적인 전계 하에서 사용되는 도중에 층간 균열의 원인이 되고 소자의 신뢰성을 저하시키는 원인이 된다.
이에 본 발명자들은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하고자 적층형 압전 세라믹 액추에이터의 제조방법에 있어서 AgPd 금속에 세라믹 분말을 첨가한 복합소재를 내부전극으로 사용하는 경우 내부전극 층과 압전 세라믹 층간의 소성 수축율 불일치를 줄일 수 있음을 고안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
따라서 본 발명의 목적은 KNN계 무연 압전 세라믹 소재를 이용한 압전 세라믹 적층형 액추에이터를 제조하는데 있어서, 세라믹 층과 내부전극 층의 소성수축 부정합성을 줄여서 소성과정에서 층간 박리에 의한 불량률을 줄이고, 층간의 잔류응력을 줄여서 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 KNN계 무연 압전 세라믹 시트와 내부전극을 교대로 적층한 액추에이터에 있어서, 상기 내부전극이 AgPd 합금과 압전 세라믹 소재를 혼합한 복합소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 압전 세라믹 소재는 (K, Na)NbO3(KNN)계, BiNaTiO3(BNT)계, Bi(Na, K)TiO3(BNKT)계 및 BiKTiO3(BKT)계 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 복합소재는 AgPd 합금 65 ~ 95 부피% 및 압전 세라믹 소재 5 ~ 35 부피%를 함유할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 AgPd 합금은 Ag : Pd가 95 : 5 ~ 70 : 30의 비율로 함유될 수 있다.
본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터는 세라믹 층과 내부전극 층의 소성수축 부정합성을 줄여서 소성 과정에서 층간 박리에 의한 불량률을 줄이고, 층간의 잔류응력을 줄여서 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있으며, 인체에 유해하고 환경오염을 유발시키는 종래의 납 계통의 PZT와는 달리 알칼리 금속화합물 계통의 압전 세라믹 소재를 이용하므로 환경 친화적이다.
도 1은 종래의 (a) 압전 세라믹 적층형 액추에이터의 전체 외관도, (b) 내부전극의 형상을 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 (a) 금속과 압전 세라믹 소재의 소성 수축율 차이를 나타낸 모식도, (b) 층간 박리가 일어난 압전 세라믹-내부전극 적층체 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 AgPd-KNN 복합소재를 내부전극으로 적용하는 개념도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 AgPd-KNN 복합소재의 소성 수축율 곡선을 나타낸 것이다.
도 5는 압전 세라믹 시트에 내부전극을 도포하여 형성한 시료를 소성할 때의 휨 모양을 나타낸 모식도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 KNN계 압전 세라믹 시트에 AgPd-KNN 전극을 도포한 다음 소성한 시료의 형상을 나타낸 것이다.
도 7은 압전 세라믹 적층형 액추에이터의 소성시 소성 왜곡도(휨 정도)에 대한 모식도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 AgPd 합금과 AgPd-KNN 복합소재를 각각 내부전극으로 사용한 압전 세라믹 적층형 액추에이터의 소성 왜곡도를 비교하여 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 AgPd-BNT 복합소재를 내부전극으로 적용하는 개념도를 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 KNN계 압전 소재와 BNT계 압전 소재, AgPd 전극 소재, AgPd-BNT 복합소재의 소성 수축율을 비교하여 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 AgPd-BNT 복합소재를 내부전극으로 사용한 KNN계 무연 압전 세라믹 액추에이터의 외관도를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 AgPd 합금과 AgPd-BNT 복합소재를 각각 내부전극으로 사용한 압전 세라믹 적층형 액추에이터의 소성 왜곡도를 비교하여 나타낸 것이다.
본 발명은 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터에 관한 것으로, 보다 구체적으로 KNN계 무연 압전 세라믹 시트가 복수 개로 적층된 형태의 액추에이터에 있어서 액추에이터에 있어서, 내부전극이 AgPd 합금과 압전 세라믹 소재를 혼합한 복합소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터를 제공한다.
본 발명에서는 액추에이터를 제조할 때 납을 사용하지 않고 (K1-xNax)NbO3(이하,‘KNN'으로 표기함) 계통의 압전 세라믹 소재를 이용하므로 친환경적이고, 원료분말 중에서 흡습성을 갖는 Na2CO3와 K2CO3를 철저히 건조시킨 후 Na 또는 K의 mol 비율이 0.5 보다 부족하게 하는 비화학양론적으로 조절하여 압전 특성을 제어하므로 압전 상수가 화학양론적인 조성의 경우보다 더 향상된다. 또한, 세라믹스들을 소결시킨 후 상대밀도를 측정하여 이론밀도(~6.0 g/cm3)와 비교하면서 불순물의 형성을 제어하므로 상대밀도 95% 이상의 소결체를 얻을 수 있고, (K1-xNax)NbO3(이하,‘KNN'으로 표기함) 계통의 무연 세라믹스의 기계적 품질계수 및 압전 특성을 향상시켜 종래의 납(Pb)계통의 압전 소재 부품들을 전부 또는 부분적으로 대체할 수 있으므로 경제적인 절감은 물론 환경 친화적성을 가져 올 수 있다.
종래에 액추에이터의 내부전극으로 AgPd를 주로 사용하였으나, 본 발명에서와 같이 AgPd에 무연 압전 세라믹 소재를 첨가한 복합소재로 내부전극으로 사용한 예는 아직까지 없었으며, 본 발명자들은 이러한 복합소재를 이용하여 내부전극을 형성함으로써 압전 세라믹 층과 내부전극 층의 소성수축 부정합성을 줄여서 소성과정에서 층간 박리에 의한 불량률을 줄이고, 층간의 잔류응력을 줄여서 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 적층형 액추에이터를 제조함으로써 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터에 대하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에서는 액추에이터의 내부전극 층과 압전 세라믹 층의 소성 수축율을 줄이기 위하여, AgPd 합금에 압전 세라믹 소재를 일정량 첨가하여 만든 복합소재를 내부전극으로 사용한다는 점에 특징이 있다. 도 3을 참조하면, AgPd 합금에 압전 세라믹 소재를 첨가하여 복합소재를 만들 경우 순수한 AgPd 합금 보다 소성 수축율이 감소하여 압전 세라믹 층의 수축율에 근접하게 된다.
본 발명에서 AgPd 합금에 첨가하는 압전 세라믹 소재로는 (K, Na)NbO3(KNN)계, BiNaTiO3(BNT)계, Bi(Na, K)TiO3(BNKT)계 및 BiKTiO3(BKT)계 중에서 선택된 압전 세라믹을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서 복합소재는 AgPd 합금 65 ~ 95 부피%, 압전 세라믹 소재 5 ~ 35 부피%를 함유하며, 바람직하게는 AgPd 합금 72 ~ 93 부피%, 압전 세라믹 소재 7 ~ 28 부피%를 함유할 수 있다. 이때, 압전 세라믹 소재의 함량이 5 부피% 미만일 경우, 압전소재와 전극 간의 열수축 정합성이 불량해지는 문제점이 있으며, 35 부피%를 초과하는 경우에는 전극의 전기저항이 증가하고, 전극 금속의 연결성이 불량해지는 문제점이 있어 바람직하지 않다.
본 발명에서 AgPd 합금으로는 Ag : Pd가 95 : 5 ~ 70 : 30의 비율로 함유되어 있는 AgPd 합금을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Ag : Pd가 8 : 2의 비율로 함유되어 있는 AgPd 합금을 사용하는 것이 좋다. 이러한 조성을 통해 은(Ag)과 팔라듐(Pd)의 용출이나 내부전극 페이스트의 용해를 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에서 사용하는 KNN계 무연 압전 세라믹은 고상반응법(solid-state process)으로 합성할 수 있다.
예를 들면, 공업용 K2CO3, Na2CO3, Nb2O5 등의 원료 분말을 화학 양론적으로 칭량하여 혼합한 다음 고온에서 하소하여 고상반응법으로 KNN 세라믹 분말을 제조할 수 있다. 또한, 압전 소재의 특성을 향상시키기 위하여 상기 분말에 Ta2O5와 Li2CO3를 미량 첨가할 수 있으며, 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone, MEK)과 에틸 알코올이 혼합된 용매에 소량의 상업용 분산제와 결합제로 폴리비닐 뷰티랄(polyvinyl butyral, PVB) 등을 첨가하여 볼밀링 방법으로 혼합하여 반죽 상태로 만든다.
이때, Na2CO3와 K2CO3는 흡습성을 갖기 때문에 보관 중 주변 환경으로부터 수분을 흡수하여 무게가 증가하므로 칭량 전 건조가 충분하지 않으면 함유하고 있는 수분의 양만큼 조성이 틀려지게 되고 그에 따라 압전 특성도 변하게 된다. 따라서, Na2CO3와 K2CO3분말을 건조오븐에 넣어 90 ~ 200℃에서 2 ~ 16시간 동안 충분히 건조시키면서 이미 함유된 수분의 건조에 따른 무게감소가 더 이상 없는 상태, 즉 완전 건조의 상태를 확인한 후 칭량하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 제조된 슬러리를 볼과 분리한 후 밀링 중에 슬러리 내에 생긴 기포를 제거하기 위해 진공펌프로 충분히 탈포(de-airing)한다. 기포가 제거되면서 기화열로 인해 슬러리의 상하 온도차이가 생기므로 항온 하에서 숙성(aiging)을 하여 슬러리를 안정화시킨다. 다음으로, 점도가 5000 ~ 7000 cPs인 반죽을 테입주입법(tape casting)을 이용하여 폴리에틸렌 필름을 블레이드(Blade)를 통과하여 이송시키면서 KNN계 압전 세라믹 그린 시트(green sheet)를 제작할 수 있다.
한편, AgPd-무연 압전 세라믹 복합소재 전극 페이스트를 만드는 방법에 대해 살펴보면 다음과 같다. 고상반응법으로 제조한 세라믹 분말을 분쇄하여 미립화하는데, 분쇄방법으로는 통상적으로 사용하는 방법은 모두 사용할 수 있으며, 예를 들어 고에너지 분쇄법(High Energy Ball Milling), 볼밀링법 등을 사용할 수 있다. 이와 같이 미립화된 세라믹 분말을 상업용 AgPd 페이스트에 첨가한 후 혼합하여 복합소재 페이스트를 제조한다.
또한, 본 발명에서는 도 9에 나타낸 바와 같이, KNN 압전 세라믹 층보다 소성 수축율이 작은 압전 세라믹 소재를 AgPd에 첨가하여 복합소재로 만들어 내부전극으로 사용할 수도 있다. 이러한 경우, 내부전극에 첨가되는 압전 세라믹 조성물은 소성 중에 압전 세라믹 층에 확산되어 혼입이 되어도 압전 세라믹 층의 압전 특성을 저하시키지 않는 것이 중요하다. 이러한 사항을 만족시킬 수 있는 압전 세라믹 소재로는 BiNaTiO3(BNT)계, Bi(Na, K)TiO3(BNKT)계, BiKTiO3(BKT)계 화합물이 있다. 본 발명에서는 이러한 세라믹 소재들을‘BNT'로 통용하여 사용하였으며, BNT라 함은 BNT, BNKT, BKT를 모두 포함하는 것이다. 도 10을 참조하면, BNT계 압전 세라믹 소재의 소성 수축율이 KNN계 압전 세라믹 소재의 소성 수축율보다 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, KNN 압전 세라믹 층보다 소성 수축율이 작은 압전 세라믹 소재와 AgPd 합금을 혼합한 복합소재의 경우, KNN계 압전 세라믹의 소성 수축율에 더 근접해 진다.
본 발명에서와 같이 AgPd 합금에 무연 압전 세라믹 소재를 첨가하는 경우, 첨가되는 압전 세라믹 소재의 함량이 증가할수록 소성시 휨 정도(소성 왜곡)가 감소하며, 압전 세라믹 소재와 AgPd-무연 압전 세라믹 복합소재 간의 소성 수축율 차이가 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 따라서, AgPd 합금에 압전 세라믹을 첨가한 복합소재로 내부전극을 형성하면 압전 세라믹 층과 내부전극 층 간의 소성 수축율 차이를 줄일 수 있다.
따라서 본 발명에서와 같이 AgPd에 KNN계 또는 BNT계 압전 세라믹을 첨가한 복합소재로 내부전극을 형성하는 경우, 압전 세라믹 적층형 액추에이터의 소성 왜곡율을 보다 효과적으로 줄일 수 있으며, 이로 인해 압전 세라믹 층과 내부전극 층의 소성수축 부정합성을 줄여서 소성과정에서 층간 박리에 의한 불량률을 줄이고, 층간의 잔류응력을 줄여서 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 제조예 1>
본 발명에 따른 KNN 계 압전 세라믹 그린 시트의 제조
본 발명자들은 우선, 공업용 K2CO3, Na2CO3, Nb2O5 등의 원료 분말을 화학 양론적으로 칭량하여 혼합한 다음 고온에서 하소하여 고상반응법으로 KNN 세라믹 분말을 제조하였다. 본 발명에서는 압전 소재의 특성을 향상시키기 위하여 상기 분말에 Ta2O5와 Li2CO3를 미량 첨가하고, 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone, MEK)과 에틸 알코올이 혼합된 용매에 소량의 상업용 분산제와 결합제로 폴리비닐 뷰티랄(polyvinyl butyral, PVB)을 첨가하여 볼밀링 방법으로 혼합하여 반죽 상태로 만들었다.
다음으로, 상기와 같이 제조된 슬러리를 볼과 분리한 후 밀링 중에 슬러리 내에 생긴 기포를 제거하기 위해 진공펌프로 충분히 탈포(de-airing)하였다. 이때, 기포가 제거되면서 기화열로 인해 슬러리의 상하 온도차이가 생기므로 항온 하에서 숙성(aiging)을 하여 슬러리를 안정화시켰다. 점도가 5000 ~ 7000 cPs인 반죽을 테입주입법(tape casting)을 이용하여 폴리에틸렌 필름을 0.2m/min의 속도로 블레이드(Blade)를 통과하여 이송시키면서 KNN계 압전 세라믹 그린 시트(green sheet)를 제조하였다.
< 제조예 2>
본 발명의 일실시예에 따른 AgPd - KNN 복합소재 전극 페이스트의 제조
상기 <제조예 1>에서 고상반응법으로 제조한 KNN 세라믹 분말을 고에너지 분쇄법(High Energy Ball Milling)을 통하여 250rpm에서 4시간 동안 미립화 시킨 후, 상업용 AgPd(Ag:Pd = 8:2) 페이스트에 첨가하여 페이스트 믹서(Paste mixer)로 혼합하여 복합소재 페이스트를 제조하였다. 이때, AgPd 금속 분말과 KNN계 세라믹 분말의 혼합비율을 조정하여 AgPd:KNN 세라믹 분말의 비율을 부피 기준으로 93:7, 86:14, 79:21, 72:28의 4가지 복합소재 페이스트를 제조하였다.
< 제조예 3>
본 발명의 다른 실시예에 따른 AgPd - BNT 복합소재 전극 페이스트의 제조
본 발명자들은 압전 세라믹 소재 층보다 소성 수축율이 작은 세라믹 소재인 Bi(Na,K)TiO3(BNT)를 AgPd에 첨가하여 복합소재로 만든 다음 내부전극 소재로 이용하였다.
BNT원료 분말들로서 Bi2O3, Na2Co3, K2CO3 , TiO2 분말을 사용한다는 점을 제외하고는 상기 <제조예 1>과 동일하게 고상반응법으로 BNT 세라믹 분말을 제조하였다.
고상반응법으로 제조한 BNT 세라믹 분말을 고에너지 분쇄법(High Energy Ball Milling)을 통하여 250rpm에서 4시간 동안 미립화 시킨 후, 상업용 AgPd(Ag:Pd = 8:2) 페이스트에 첨가하여 페이스트 믹서(Paste mixer)로 혼합하여 복합소재 페이스트를 제조하였다. 이때, AgPd 금속 분말과 BNT계 세라믹 분말의 혼합비율을 조정하여 AgPd:BNT 세라믹 분말의 비율을 부피 기준으로 93:7, 86:14, 79:21, 72:28의 4가지 복합소재 페이스트를 제조하였다.
< 실험예 1>
AgPd - KNN 복합소재의 소성 시 소성 수축율 변화
본 발명자들은 상기 <제조예 2>에서와 같이 제조한 AgPd-KNN 복합소재를 소성할 때 소성 수축율 변화를 열분석기(Thermomechanical analyser, TMA)로 분석하였으며, 그 결과는 도 4에 나타내었다.
그 결과, 순수한 KNN계 압전 세라믹 소재와 AgPd은 가열시 상당한 수축율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, AgPd와 KNN계 압전 세라믹 소재를 혼합한 복합소재의 경우 7 ~ 28 부피% 범위에서 압전 세라믹 소재의 함량을 증가시킴에 따라 KNN계 압전 세라믹 소재와 AgPd-KNN 복합소재 간의 소성 수축율 차이가 현저하게 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
< 실험예 2>
KNN 계 압전 세라믹 그린시트와 AgPd - KNN 계 복합소재 적층체의 소성왜곡 관찰
상기 <제조예 1>에서와 같이 테입주입법으로 성형한 KNN계 압전 세라믹 그린시트 위에 AgPd-KNN계 복합소재를 스크린 인쇄법으로 도포하여 2층의 적층체를 제작한 다음 1050℃에서 소성한 결과, 도 5와 같은 소성왜곡이 관찰되었다.
또한, KNN 세라믹의 함량이 다른 AgPd 전극을 이용하여 도 5와 같이 KNN계 압전 세라믹 그린시트 위에 AgPd-KNN계 복합소재 층을 접합하여 소성한 시료들의 소성왜곡 정도를 관찰하여 도 6에 나타내었다. 그 결과, 두 가지 소재를 동시에 소성하게 되면 도 6과 같이 전체적으로 전극이 도포된 방향으로 말리는 현상을 관찰할 수 있었다. 그러나 이러한 휨 정도는 AgPd 전극 층에 KNN계 압전 세라믹 소재의 함량이 증가할수록 감소함을 볼 수 있었다.
이러한 결과는 도 4의 소성 수축율 차이에서 볼 수 있듯이 AgPd 전극에 KNN계 압전 세라믹을 첨가함으로써 압전 세라믹 층과 내부전극 층 간의 소성 수축율 차이를 줄일 수 있음을 의미하는 것이다.
< 실험예 3>
AgPd - KNN 복합소재를 내부전극으로 이용한 적층형 압전 세라믹 액추에이터의 소성왜곡 관찰
본 발명자들은 두께가 약 100㎛인 압전 세라믹 그린 시트와 두께가 약 5㎛인 내부전극을 15층까지 교대로 적층하여 도 1과 같은 적층형 압전 세라믹 액추에이터를 제작한 다음 도 7과 같은 소성 후 휨 정도를 살펴보았다. 이때, 내부전극 물질로 AgPd과 AgPd-14 부피%의 KNN 복합소재의 2가지 물질을 사용하였다. 그리고 도 8에 두 가지 압전 세라믹 액추에이터의 소성 후 휨 정도를 비교하여 나타내었다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 950 ~ 1100℃의 범위에서 소성 온도를 변화시키며 소성 왜곡도를 비교한 결과, AgPd을 내부전극으로 사용한 경우보다 AgPd-KNN 복합소재를 내부전극으로 사용한 액추에이터의 소성 왜곡도가 낮음을 확인할 수 있었다.
< 실험예 4>
AgPd - BNT 복합소재의 소성 시 소성 수축율 변화
본 발명자들은 KNN계 압전 세라믹과 BNT 압전 세라믹, AgPd 전극 소재, AgPd-BNT 복합소재의 소성 수축율을 측정하였으며, 그 결과는 도 10에 나타내었다.
그 결과, BNT계 압전 세라믹의 소성 수축율이 KNN계 압전 세라믹의 소성 수축율보다 낮은 것을 확인하였고, AgPd-BNT 복합소재의 소성 수축율이 KNN계 압전 세라믹의 소성 수축율에 더욱 근접함을 알 수 있었다.
< 실험예 5>
AgPd - BNT 복합소재를 내부전극으로 이용한 적층형 압전 세라믹 액추에이터의 소성왜곡 관찰
본 발명자들은 도 11과 같은 모양의 AgPd-BNT 복합소재를 내부전극으로 이용한 적층형 압전 세라믹 액추에이터를 제조하여 AgPd을 내부전극으로 이용한 시료와 소성왜곡 현상을 비교하였다. AgPd과 AgPd-BNT 복합소재 두 가지를 내부전극으로 이용하여 제조한 적층형 압전 세라믹 액추에이터를 각각 제작하여 소성 왜곡도를 비교한 결과를 도 12에 나타내었다.
그 결과, AgPd을 내부전극으로 사용한 압전 세라믹 액추에이터의 소성 왜곡도는 5%이상의 높은 값을 나타내었으나, AgPd-BNT 복합소재를 내부전극으로 사용한 압전 세라믹 액추에이터의 소성 왜곡도는 모두 2% 미만으로 아주 작은 값을 나타내었다.
상기와 같은 결과를 통해, AgPd에 BNT를 첨가하면 KNN을 첨가한 전극을 내부전극으로 이용하는 경우와 같이 적층 세라믹 액추에이터의 소성 왜곡율을 보다 효과적으로 줄일 수 있음을 알 수 있었다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. KNN계 무연 압전 세라믹 시트와 내부전극을 교대로 적층한 액추에이터에 있어서,
    상기 내부전극이 AgPd 합금과 압전 세라믹 소재를 혼합한 복합소재로 이루어지되, 상기 압전 세라믹 소재는 (K, Na)NbO3(KNN)계, BiNaTiO3(BNT)계, Bi(Na, K)TiO3(BNKT)계 및 BiKTiO3(BKT)계 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복합소재는 AgPd 합금 65 ~ 95 부피% 및 압전 세라믹 소재 5 ~ 35 부피%를 함유하는 것을 특징으로 하는 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 AgPd 합금은 Ag : Pd가 95 : 5 ~ 70 : 30의 비율로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 무연 압전 세라믹 적층형 액추에이터.
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