KR101616181B1 - 자동차 노킹 센서용 비연계 압전체의 제조 방법 - Google Patents

자동차 노킹 센서용 비연계 압전체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

자동차 노킹 센서용 비연계 압전체는 (Na1-xKx)NbO3; 및 z mol%의 첨가제 CuO를 포함하고, 940 내지 980˚C의 소결 온도를 갖는다. 여기서, x는 0.5 또는 1이며, 0.5≤z≤2.0 이다.

Description

자동차 노킹 센서용 비연계 압전체의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING Pb-FREE PIEZOELECTRICITY FOR AN AUTOMOBILE KNOCKING SENSOR}
본 발명은 자동차 노킹 센서용 비연계 압전체의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 납(Pb)을 포함하지 않고 기계적 에너지 및 전기적 에너지를 상호 변환시키는 비연계 압전체의 제조 방법에 관한 것이다.
압전체는 초음파 기기, 영상기기, 음향기기, 통신기기, 센서 등의 광범위한 분야에 이용되는 초음파 진동자, 전기기계 트랜스듀서(transducer), 액츄에이터(actuator) 부품들의 재료로 널리 사용되고 있다.
지금까지는 Pb(Zr,Ti)O3(이하; PZT) 계열의 압전 재료가 높은 특성을 가져 대부분의 압전 부품 재료로 활용되고 있다. 하지만 납(Pb)는 독성이 강한 물질이고, 소결 공정 중 휘발이 되어 심각한 환경오염을 일으키고 있다. 따라서 PZT를 대체하기 위한 비연계 압전체에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
한편, 비연 압전체의 경우 자동차 노킹 센서용 진동 센서로 응용될 수 있는 우수한 특성을 지니고 있다. 따라서, 비연 압전체에 대한 적합한 조성만 개발이 된다면 PZT를 대체할 수 있을 것으로 판단된다. 뿐만 아니라, 상기 비연 압전체의 조성의 개발을 통해 자동차 노킹 센서와 같은 진동 센서뿐 아니라, 압전 음향 부품 및 액츄에이터 등에도 충분히 활용이 가능하다.
비연계 압전체를 이루는 물질로서 BaTiO3,(Bi1/2Na1/2)TiO3 및 Alkali-Niobate 계열 세라믹스가 있다. 상기 알칼리 계열 세라믹스는 압전 특성이 우수하고 400˚C 이상의 높은 상전이 온도(Tc)를 가지고 있다.
최근에는 알칼리 계열 세라믹스의 일종인 (Na,K)NbO3 (이하, NKN 이라 함) 및 KNbO3 (이하, KN 이라 함) 세라믹에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 특히, NKN-LNTS는 PZT와 유사한 압전 특성을 보인다는 내용이 Nature에 발표되는 등 현재 PZT를 대체할 수 있는 비연계 압전체로 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 NKN 세라믹스는 1,000oC 이상의 높은 온도에서 나트륨(Na)의 휘발로 인한 소결이 이루어진다. 이러한 나트륨 휘발로 인해 NKN세라믹스의 완벽한 소결이 어렵고 세라믹 자체의 절연 저항이 떨어지게 된다. 절연 저항의 감소는 압전 세라믹의 분극 공정에 영향을 미쳐 압전 특성의 악화를 초래할 수 있다.
따라서 이러한 NKN 세라믹스를 저온에서 소결하여 나트륨의 휘발을 억제하는 동시에 압전 특성의 향상을 위한 연구가 필요하며, 상기 문제를 해결할 경우 다양한 분야에서 PZT를 대체할 비연압전 조성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
한편, KN 비연계 압전체의 경우 2001년에 S. Wada 등이 KN 단결정이 우수한 압전 특성과 상대적으로 430oC의 높은 상전이 온도를 가지고 있다고 보고하였다. 하지만 KN제조에 있어 K2O가 1,000oC이상의 높은 소결 온도에서 휘발되어 2차상이 형성되므로 압전 특성이 저하 되는 심각한 문제가 되어 왔다.
이와 같이 KN 압전체는 기존 비연 압전 재료에 비해 높은 상전이 온도(Tc)를 가져, PZT를 대체 할 수 있는 비연계 압전체로 가능성을 인정받아서 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 제조 공정이 복잡하고, 압전 특성이 낮으며, 소결 온도가 KN 세라믹의 융점과 비슷한 단점이 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 본 발명의 일 목적은 상대적으로 간단한 제조 공정을 통하여 감소된 소결 온도에서 제조될 수 있는 우수한 압전 특성을 갖는 자동차 노킹 센서용 비연계 압전체의 제조 방법을 제공하는 것이다.
삭제
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 자동차 노킹 센서용 비연계 압전체의 제조 방법에 있어서, (Na2CO3 또는 K2CO3) 및 Nb2O5를 원료로서 혼합하여 제1 혼합물을 형성하고, 상기 제1 혼합물을 이용하여 제1 밀링 공정 및 제2 건조 공정을 통하여 제1 분말을 형성한다. 상기 제1 분말을 하소하여 (Na1-xKx)NbO3 분말(여기서, x는 0.5 또는 1임)을 형성하고, 상기 (Na1-xKx)NbO3 분말에 z mol%의 첨가제 CuO(여기서, 0.5≤z≤2.0 임)를 첨가하여 제2 혼합물을 형성한다. 이후, 상기 제2 혼합물을 이용하여 제2 밀링 공정 및 제2 건조 공정을 통하여 제2 분말을 형성하고, 상기 제2 분말을 940 내지 980˚C의 온도에서 소결하여 소결체를 형성한다.
삭제
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 밀링 공정은 상기 제1 혼합물을 나일론 자르(nylon jar)에 무수 알콜 용매와 함께 넣고 지르코니아 볼을 사용하여 2시간 내지 24시간동안 분쇄할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 밀링 공정은 상기 제2 혼합물을 나일론 자르(nylon jar)에 무수 알콜 용매와 함께 넣고 지르코니아 볼을 사용하여 48시간 내지 72시간 동안 분쇄할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 분말을 소결하여 소결체를 형성하는 공정은 2시간 내지 20시간 동안 수행될 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들에 따른 자동차 노킹 센서용 비연계 압전체의 제조 방법에 따르면, CuO가 첨가되며 납(Pb)이 첨가되지 않아, 환경문제를 억제할 수 있다. 나아가, 상대적으로 간단한 공정을 통하여 비연계 압전체가 제조될 수 있다. 특히, 1,000˚C보다 낮은 온도에서 저온 소결 공정이 가능함에 따라 Na2O 및 K2O의 휘발이 억제됨으로써 균일한 조성을 갖는 비연계 압전체가 제조될 수 있다. 나아가, CuO가 첨가된 비연계 압전체는 우수한 압전 특성 및 유전 특성을 구현할 수 있다. 특히 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 비연계 압전체는 자동차용 노킹 센서를 비롯한 각종 진동 센서에 적합하도록 상대적으로 높은 압전 전압 상수(g33)값, 품질계수(Qm)값 및 높은 상전이 온도(Tc)값을 가짐에 따라 비연계 압전 센서에 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자동차 노킹 센서용 비연계 압전체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 소결 온도의 변화에 따른 CuO가 첨가된 NKN압전체의 상대 밀도, 유전 특성 및 압전 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도3은 960˚C에서 2.0 시간 소결된 CuO가 첨가된 KN 압전체에 대하여 CuO 첨가량의 변화에 따른 미세 구조를 보여주는 전자 주사 현미경 사진들이다.
도 4는 960˚C에서 2.0 시간 소결된 CuO가 첨가된 KN 압전체의 상대밀도, 유전 특성 및 압전 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 960˚C에서 2.0 시간 소결된 CuO가 첨가된 NKN 압전체(실시예1)를 이용하여 제조된 녹킹(knocking) 센서 및 PZT(기존 상용품, 비교예)를 이용한 자동차 노킹 센서의 센서 감도 특성들을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 대상물들의 크기와 양은 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대 또는 축소하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
비연계 압전체
본 발명의 실시예들에 따른 자동차 노킹 센서용 비연계 압전체는 (Na1-xKx)NbO3 및 z mol%의 첨가제 CuO를 포함한다. 여기서, x는 0.5 또는 1이며, 0.5≤z≤2.0의 범위를 갖는다. 즉, x가 0.5일 경우, 비연계 압전체는 (Na0.5K0.5)NbO3를 포함하므로, NKN 계열의 압전체에 해당하며, x가 1일 경우, KNbO3를 포함하므로, KN 계열의 압전체에 해당한다.
상기 첨가제는 CuO를 포함한다. 상기 첨가제는 상기 비연계 압전체를 제조하는 소결 공정 중 (Na1-xKx)NbO3 와 반응하여 중간체를 형성하고 상기 중간체는 상대적으로 낮은 녹는점을 가짐에 따라 감소된 소결 온도에서 액상 소결 공정이 진행될 수 있도록 한다. 즉, 940 내지 980˚C의 소결 온도에서 상기 소결 공정이 진행될 수 있다. 이로써, 상기 감소된 소결 온도에서 소결 공정이 진행됨에 따라, Na2O 및 K2O의 휘발이 억제됨으로써 균일한 조성을 갖는 비연계 압전체가 제조될 수 있다. 또한, CuO가 첨가된 비연계 압전체는 우수한 압전 특성 및 유전 특성을 구현할 수 있다
비연계 압전체의 제조 방법
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 자동차 노킹 센서용 비연계 압전체의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, (Na2CO3 또는 K2CO3) 및 Nb2O5을 원료로서 혼합하여 제1 혼합물을 형성한다.(S110)
상기 제1 혼합물의 조성에 따라 순도 99%이상의 (Na2CO3 또는 K2CO3) 및 Nb2O5 를 질량 비율을 계산하는 배치(Batch) 공정을 수행한 후, 배치(Batch) 결과에 따른 각각의 무게를 평량(Weighing)하는 평량 공정을 수행한다. 이후, 상기 배치 공정 및 평량 공정에 따라 그 양에 따라 (Na2CO3 또는 K2CO3) 및 Nb2O5을 혼합하여 제1 혼합물을 형성한다. 즉, Na2CO3 , K2CO3 및 Nb2O5을 혼합하여 제1 혼합물을 형성할 경우, NKN 계열의 압전체가 형성되는 반면에, K2CO3 및 Nb2O5을 혼합하여 제1 혼합물을 형성할 경우, KN 계열의 압전체가 형성될 수 있다.
이후, 상기 제1 혼합물을 이용하여 제1 밀링 공정 및 제2 건조 공정을 통하여 제1 분말을 형성한다.(S120)
상기 제1 밀링 공정에 있어서, 나일론 자르(nylon jar)에서 지르코니아 볼과 함께 2 ~ 24시간동안 무수 알코올 용매를 사용하여 습식 혼합한 후 파우더로 분쇄하는 제1 볼-밀링(First ball-milling) 공정이 수행될 수 있다. 이어서, 제1 볼-밀링 공정에서 혼합된 무수 알코올을 제거하는 건조(Drying) 공정이 수행됨에 따라 파우더 형태의 제1 분말이 형성된다.
이후, 상기 제1 분말을 하소하여 (Na1-xKx)NbO3 분말(여기서, x는 0.5 또는 1임)을 형성한다.(S130)
여기서, x가 0.5일 경우, 비연계 압전체는 (Na0.5K0.5)NbO3를 포함하므로, NKN 계열의 압전체에 해당하며, x가 1일 경우, KNbO3를 포함하므로, KN 계열의 압전체에 해당한다. 여기서 하소(Calcination) 공정은 800 ~ 1000℃에서 2 ~ 10시간 동안 수행될 수 있다.
상기 (Na1-xKx)NbO3 분말에 z mol%의 첨가제 CuO를 첨가하여 제2 혼합물을 형성한다.(S140) 여기서, 0.5≤z≤2.0 이다.
상기 첨가제는 후속하는 소결 공정 중 (Na1-xKx)NbO3 와 반응하여 중간체를 형성하고 상기 중간체는 상대적으로 낮은 녹는점을 가짐에 따라 감소된 소결 온도에서 액상 소결 공정이 진행될 수 있도록 한다. 즉, 940 내지 980˚C의 소결 온도에서 상기 소결 공정이 진행될 수 있다. 이로써, 상기 감소된 소결 온도에서 소결 공정이 진행됨에 따라, Na2O 및 K2O의 휘발이 억제됨으로써 균일한 조성을 갖는 비연계 압전체가 제조될 수 있다. 또한, CuO가 첨가된 비연계 압전체는 우수한 압전 특성 및 유전 특성을 구현할 수 있다.
이어서, 상기 제2 혼합물을 이용하여 제2 밀링 공정 및 제2 건조 공정을 통하여 제2 분말을 형성한다.(S150)
여기서, 상기 제2 밀링 공정에 따르면,, (Na1-xKx)NbO3 및 CuO로 이루어진 제2 분말에 무수 알콜 용매로 48 ~ 72시간 습식 혼합하고, 지르코니아 볼을 이용하여 분쇄하는 제2 볼-밀링(Second ball-milling) 공정이 수행될 수 있다. 이이서, 상기 제2 볼-밀링 공정에 이용된 무수 알콜 용매를 제거하는 건조 공정이 수행될 수 있다. 이로써 CuO가 첨가제로 첨가된 NKN 및 KN 계열의 제2 분말이 형성된다.
이어서, 940 ~ 980℃에서 상기 제2 분말을 소결(Sintering) 하여 소결체를 형성하는 소결 공정이 수행된다.(S160)
상기 소결체는 음파 기기, 영상기기, 음향기기, 통신기기, 센서, 초음파 진동자, 전기기계 트랜스듀서(transducer) 또는 액츄에이터(actuator)에 사용되는 압전체로 다양한 형태와 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 소결 공정 이전에, 상기 제2 분말을 균질한 사이즈로 걸러내는 선별(Sieving) 공정 및 걸러진 분말을 특정 형상을 갖도록 가압 성형(Pressing) 공정이 선행적으로 수행될 수 있다. 일 예로서, 상기 소결체는 실린더 모양 또는 링 형상을 가질 수 있도록 가압 성형될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 소결체에 대하여 후처리(post-treatment) 공정이 추가적으로 수행될 수 있다. 상기 후처리 공정에 따르면, 상기 소결체를 연마한 후, 상기 소결체의 표면에 전극 물질을 도포하고 실리콘 오일 속에 담그고 120 ~ 150℃ 온도에서 3 ~ 5kV/mm DC 바이어스가 1시간 동안 인가될 수 있다.
비연계 압전체의 평가
초기 원료인 순도 99.9%의 Na2CO3,K2CO3및 Nb2O5를 혼합하여 나일론 자르(nylon jar)에서 지르코니아 볼과 함께 24시간동안 무수 알콜 용매를 사용하여 습식 혼합하여 제1 혼합물을 형성하였다.
이어서, 제1 혼합물을 건조 시킨 후 950℃에서 3시간 동안 하소하여 (Na0.5K0.5)NbO3(제1 실시예) 및 KNbO3(제2 실시예)분말을 합성하여 제1 분말을 제조하였다. 제1 분말에 0.5 ~ 5.0 mol%의 CuO를 첨가하여, 72시간동안 무수 알콜 용매를 사용해 습식 혼합 및 분쇄한 후 건조하여 제2 혼합물을 형성하였다. 이어서, 건조된 분말을 직경이 18mm, 높이가 약 1.3 ~ 1.5mm인 실린더 형상의 성형체로 가압 성형 후 960℃에서 2시간 동안 소결하여 소결체를 형성하였다.
상기 소결체를 연마하고, 전극 물질을 도포한 후에 실리콘 오일 속에서 120 ~ 150℃ 온도에서 3 ~ 5kV/mm DC 바이어스를 1시간 동안 가한 후 24시간 지난 후에 특성을 측정하였다.
도 2는 소결 온도의 변화에 따른 CuO가 첨가된 NKN압전체(실시예1)의 상대 밀도, 유전 특성 및 압전 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 1,000˚C이상의 저온에서도 높은 소결 밀도를 가지는 것을 알 수 있다. 단, 소결 온도가 1,000˚C에 근접하게 되면 상대 밀도가 서서히 감소하게 되는데 이는 지나치게 많은 액상 형성에 의한 것에 의한 것이다. 나트륨(Na)의 휘발이 억제 되었으므로 CuO가 첨가된 NKN 압전체는 Cu-Nb반응에 의한 액상 소결 거동이 발생한 것이다. 또한, 상대 밀도가 줄어듦에 따라 다른 압전 및 유전 특성도 서서히 감소한다. 즉, 상기와 같은 제조 방법을 따라, 960oC의 낮은 온도에서 소결되며 CuO가 1.5mol% 첨가된 KN 압전체는 g33=55Vm/N, kp=0.4, ε3 T/ε0=195, Qm=880의 우수한 압전 특성을 가짐을 확인할 수 있다.
도 3은 960˚C에서 2.0 시간 소결된 CuO가 첨가된 KN 압전체(실시예2)에 대하여 CuO 첨가량의 변화에 따른 미세 구조를 보여주는 전자 주사 현미경 사진들이다.
도 3을 참조하면, CuO가 첨가되지 않은 경우에는 소결 정도가 너무 낮아서 현미경 사진을 찍을 수 없다. (a)에서 보여 주듯이 매우 소량(0.5 mol%)의 CuO가 첨가된 경우에는 치밀화가 일어나지만 액상의 양이 충분하지 않아 입도 성장은 일어나지 않는 것을 알 수 있다. 하지만 (b)를 살펴보면, 1.0 mol%의 CuO가 첨가된 경우에는 기공이 거의 없는 치밀한 미세구조가 형성됨을 알 수 있으며,화살표로 나타냈듯이 입도 성장도 일부 나타났다.
또한, (c)와 (d)를 보면, CuO 양이 2.0 mol% 이상으로 증가하면 치밀한 미세 구조가 형성되며, 대부분의 입도가 크게 성장됨을 확인할 수 있다.
도 4는 960˚C에서 2.0 시간 소결된 CuO가 첨가된 KN 압전체(실시예2)의 상대 밀도, 유전 특성 및 압전 특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 960oC에서 CuO를 첨가하지 않은 시료는 소결이 되지 않아서 상대 밀도가 매우 낮지만, 0.5 mol%의 소량 CuO만 첨가 되어도 KN 압전체의 액상 소결이 발생하여 상대 밀도가 이론 밀도의 95.5% 달한다. KN 압전체의 압전 변형 상수(d33), 압전 전압 상수(g33) 및 유전율과 전기 기계 결합 상수(Kp)는 CuO첨가량에 따라서 서서히 감소하는 경향을 인다.
반면에 기계적 품질계수(Qm)는 CuO첨가에 따라 급격하게 증가한다. 이는 Cu 일부가 KN으로 고용됨으로써 생기는 Hardening Effect로 설명할 수 있다.특히, 1.5 mol%의 CuO가 첨가된 시편의 경우는 2,300의 높은 Qm을 나타내었다. 뿐만 아니라,이로 인한 낮은 유전율 때문에 압전 전압 상수(g33)가 44 Vm/N의 높은 값을 가진다. 상기 압전 전압 상수는 지금까지 알려진 비연 세라믹 압전체 중에서 가장 높은 값으로, 진동 센서의 한 종류인 자동차용 노킹센서에 충분히 적용이 가능함을 알 수 있다.
결과적으로 자동차 노킹 센서와 같은 압전 진동 센서에 필요한 압전 전압 상수와 기계적 품질 계수 및 전기 기계 결합 계수를 종합적으로 판단하였을 때, 1.0 mol%의 CuO를 첨가할 경우,각각의 높은 압전 특성을 얻을 수 있다. 즉, 상기와 같은 제조 방법을 따라, 960oC의 낮은 온도에서 소결된 CuO가 1.0mol% 첨가된 KN 압전체는 g33=48 Vm/N, kp=0.27,ε3 T/ε0=208, Qm=1787의 우수한 압전 특성을 가짐을 확인할 수 있다.
도 5는 960˚C에서 2.0 시간 소결된 CuO가 첨가된 NKN 압전체(실시예1)를 이용하여 제조된 자동차 노킹(knocking) 센서 및 PZT(기존 상용품, 비교예)를 이용한 녹킹 센서의 센서 감도 특성들을 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, Knocking 센서에 쓰이는 주파수인 1~20kHz대역에서 2.0 시간 소결된 CuO가 첨가된 NKN 압전체(실시예1)가 기존 상용품 대비 1.5배 이상의 높은 센서 감도를 가지는 것을 알 수 있다. 이러한 높은 센서 감도는 비연 압전체의 우수한 압전 전압 상수(g33)에 기인한 것을 알 수 있다. 따라서 CuO가 첨가된 NKN 및 KN 세라믹스는 비연압전 자동차 노킹 센서 및 기타 진동 센서로 충분히 활용이 가능함을 알 수 있다.
나아가, 상기 실시예 1 (Na0.5K0.5)NbO3 [NKN]+ 1.5 mol% CuO), 실시예 2 (KNbO3 [KN]+ 1.0 mol% CuO) 및 비교예(P-6CTM, Murata 社)에 대한 유전 특성 및 압전 특성은 아래의 표로 정리한다.
g33(Vm/N) d33 (pC/N)) 비유전율 Qm Kp 소결 온도
(˚C)		 상전이 온도
(˚C)
실시예1 55 95 195 880 0.4 960 406
실시예2 48 88 208 1,787 0.27 960 430
비교예 19 135 800 680 0.39 - 320
실시예1 및 실시예2의 경우, 비교예보다 진동 센서에 적합한 우수한 압전 특성을 가지는 것을 알 수 있다. 특히, 진동 센서의 감도에 직접적인 영향을 주는 압전 전압 상수가 월등이 높음을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 비연계 압전체는 첨가제(CuO)양을 조절하여 진동 센서, 특히 자동차용 노킹 센서 생산에 바로 적용할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. (Na2CO3 또는 K2CO3) 및 Nb2O5를 원료로서 혼합하여 제1 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 제1 혼합물을 이용하여 제1 밀링 공정 및 제2 건조 공정을 통하여 제1 분말을 형성하는 단계;
    상기 제1 분말을 하소하여 (Na1-xKx)NbO3 분말(여기서, x는 0.5 또는 1임)을 형성하는 단계;
    상기 (Na1-xKx)NbO3 분말에 z mol%의 첨가제 CuO(여기서, 0.5≤z≤2.0 임)를 첨가하여 제2 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 제2 혼합물을 이용하여 제2 밀링 공정 및 제2 건조 공정을 통하여 제2 분말을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 분말을 940 내지 980˚C의 온도에서 소결하는 액상 소결 공정을 통하여 소결체를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 액상 소결 공정에서는, 상기 첨가제 CuO 가 상기 (Na1-xKx)NbO3 분말과 반응하여 중간체를 형성하고, 상기 중간체가 액상 소결되는 것을 특징으로 하는 자동차 노킹 센서용 비연계 압전체의 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 밀링 공정은 상기 제1 혼합물을 나일론 자르(nylon jar)에 무수 알콜 용매와 함께 넣고 지르코니아 볼을 사용하여 2시간 내지 24시간동안 분쇄하는 것을 특징으로 하는 자동차 노킹 센서용 비연계 압전체의 제조 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2 밀링 공정은 상기 제2 혼합물을 나일론 자르(nylon jar)에 무수 알콜 용매와 함께 넣고 지르코니아 볼을 사용하여 48시간 내지 72시간 동안 분쇄하는 것을 특징으로 하는 자동차 노킹 센서용 비연계 압전체의 제조 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제2 분말을 소결하여 소결체를 형성하는 단계는 2시간 내지 20시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 자동차 노킹 센서용 비연계 압전체의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
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KR101043041B1 (ko) * 2008-09-19 2011-06-21 (재)울산테크노파크 초음파 진동자용 무연 압전세라믹스 조성물
KR20100089651A (ko) * 2009-02-04 2010-08-12 고려대학교 산학협력단 비연계 압전재료 조성물 및 이를 제조하는 방법
KR101236893B1 (ko) * 2011-07-13 2013-02-25 한국기계연구원 고상합성법을 이용하여 제조된 (Ｎａ,Ｋ)ＮｂＯ３계 단결정 무연 압전재료 및 이의 제조방법

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