KR101635939B1 - Bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics and Actuator using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비스무스계 무연 압전 세라믹스 및 이를 포함하는 액츄에이터(actuator)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 낮은 인가 전압에서 높은 전계유기 변형률(Electric Field Induced Strain; EFIS) 특성이 요구되는 스마트 액츄에이터(smart actuator)에 적용할 수 있도록 낮은 항전계 값을 갖는 비스무스계 무연 압전 세라믹스 및 이를 포함하는 액츄에이터(actuator)에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 비스무스계 무연 압전 세라믹스는 주요성분으로 Bi, Na, K, Ti, O를 포함하는 [Bi(Na,K)]TiO3계 모체에 BiFeO3가 첨가되어 고용체를 이루며, 의사-입방정(Pseudo-cubic) 페로브스카이트(pervskite) 결정 구조를 가질 수 있다.
The present invention relates to a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics and an actuator including the same. More particularly, the present invention relates to a smart actuator, The present invention relates to a bismuth lead-free piezoelectric ceramics having a low coercive electric field and an actuator including the same.
The bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics according to the embodiment of the present invention is characterized in that BiFeO 3 is added to a [Bi (Na, K)] TiO 3 base matrix containing Bi, Na, K, Ti and O as main components to form a solid solution, And may have a pseudo-cubic perovskite crystal structure.

Description

비스무스계 무연 압전 세라믹스 및 이를 포함하는 액추에이터 {Bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics and Actuator using the same}[0001] The present invention relates to a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics and an actuator including the same,

본 발명은 비스무스계 무연 압전 세라믹스 및 이를 포함하는 액추에이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 낮은 인가 전압에서 높은 전계유기 변형률(Electric Field Induced Strain; EFIS) 특성이 요구되는 스마트 액추에이터에 적용할 수 있도록 낮은 항전계 값을 갖는 비스무스계 무연 압전 세라믹스 및 이를 포함하는 액추에이터에 관한 것이다.The present invention relates to a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics and an actuator including the same, and more particularly, to a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics having a low anti- To a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics having an electric field value and an actuator including the same.

압전 세라믹스(piezoelectric ceramics)는 압력이 가해졌을 때 전압이 발생하고 외부 전계가 가해졌을 때 기계적인 변형이 일어나는 소자로서, 기계적인 진동에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 기계적인 진동에너지로 상호 변환이 가능하며, 변환효율이 매우 높은 재료이다. 진동을 전기적인 에너지로 변환할 수 있는 원리를 이용해 가속도 센서 등으로 응용하고 있으며, 가청영역의 소리를 전기에너지와 상호 변환할 수 있는 원리를 이용해 레코드 디스크의 픽업, 마이크로 폰, 스피커, 버저 등의 소자로 이용되고 있다. 또한, 초음파가 투과되어 수신할 수 있으므로 초음파 센서의 프로브 팁(probe tip), 어뢰탐지기(sonar) 등으로 사용되고 있고, 외부로부터 힘이나 압력을 받으면 고전압 스파크를 발생시킬 수 있어 가스 기기의 점화기와 압전 변압기에 응용되고 있다. 기타 응용제품으로는 세라믹 필터, 초음파 세척기, 초음파 가공기, 초음파 용착기, 초음파 가습기 등 여러 방면에서 활용되고 있으며, 현재 산업 전반적으로 사용되는 스마트 정보통신기기 등에 응용되는 부품소재인 압전 재료들은 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 및 카메라/현미경 등에 장착되는 액추에이터(Actuator) 모듈 등으로 활용되고 있다. 이러한 압전 세라믹스의 발달에는 강유전체에 관한 이론적인 해석의 발전이 큰 역할을 차지해 왔으며, 그 종류로는 (Pb,Zr)TiO3(이하 PZT)로 대표되는 2성분계 압전소재, (Na,K)NbO3(이하 NKN) 및 (Bi,Na)TiO3(이하 BNT)로 대표되는 비납계 압전소재, BNT―ABO3(예를 들어, BNKT) 구조로 대표되는 3성분계 압전소재 등이 있다.Piezoelectric ceramics is a device in which mechanical deformation occurs when a voltage is applied and an external electric field is applied. It converts mechanical energy into electrical energy and electrical energy into mechanical vibration energy. It is a material with high conversion efficiency. It is applied to the acceleration sensor by using the principle that can convert vibration into electric energy. It is applied to pickup of record disc, microphone, speaker, buzzer etc. by using the principle of converting the sound of the audible area to electric energy. And is used as a device. In addition, since ultrasonic waves can be transmitted and received, it is used as a probe tip and a sonar of an ultrasonic sensor. If a force or pressure is applied from the outside, a high-voltage spark can be generated. It is applied to transformer. Other applications include ceramic filters, ultrasonic cleaners, ultrasonic machines, ultrasonic welding machines, ultrasonic humidifiers, etc. Piezoelectric materials, which are components used in smart information communication devices, Electro-mechanical system) and an actuator module mounted on a camera / microscope. (Pb, Zr) TiO 3 (hereinafter referred to as PZT), (Na, K) NbO (PbTiO 3 ), which are typical examples of the piezoelectric ceramics, have been developed for the development of piezoelectric ceramics. And piezoelectric material of three-component type represented by BNT-ABO 3 (for example, BNKT) structure and the like, which are non-lead type piezoelectric materials typified by 3 (hereinafter referred to as NKN) and (Bi, Na) TiO 3

PZT 압전소재의 경우에는 높은 압전계수(d33)를 비롯한 우수한 전기적인 특성 등 산업 전반에서 요구되는 성능들이 뛰어난 편이나 납(Pb)을 기반으로 제작함에 따라 인체에 유해하고 환경문제를 야기한다는 문제점이 있다. 따라서, 납의 사용에 대한 규제가 나날이 강화되고 있는 현실을 감안하여 최근에는 무연계 기반의 압전 세라믹스가 연구되고 있다.In case of PZT piezoelectric material, high performance required in the industry such as excellent electric characteristic including high piezoelectric coefficient (d 33 ) is excellent. However, since it is manufactured based on lead (Pb), it is harmful to human body and causes environmental problems . Therefore, in consideration of the fact that the regulations on the use of lead are strengthened day by day, non-linkage-based piezoelectric ceramics are being studied.

NKN 및 BNT 소재로 대표되는 무연 압전 세라믹스는 납이 포함되지 않아 인체에 무해하나 PZT 기반의 압전 소재에 비해 압전 특성을 비롯한 전기적인 특성이 많이 저하되는 실정이다. 이러한 무연 압전 세라믹스의 성능을 향상시키는 방법으로는 NKN 또는 BNT 소재에 ABO3구조를 갖는 소재를 첨가하여 3성분계로 소재의 특성을 향상시키는 방법과 sol-gel기법을 활용하여 수열 합성으로 소재를 제작함으로써 소재의 전기적인 특성을 향상시키는 방법이 있다. 여기서, sol-gel 방법으로 소재를 제작하는 경우에는 전기적인 특성은 향상되지만, 기판 증착이 안정적이지 않고, 입자 사이즈의 크기가 균일하지 않으며, 높은 온도의 열처리 과정을 필요로 하는 등의 단점이 존재한다. 반면에, NKN 또는 BNT 소재에 ABO3구조를 갖는 소재를 첨가하여 고상반응법(conventional-mixed method)을 통해 1축 가압 성형 방법으로 3성분계 무연 압전 세라믹스를 제작하는 경우에는 제작과정이 sol-gel 방법에 비해 간단하고 단순하며 하소과정을 통해 균일한 입자크기를 형성할 수 있는 등 무연 압전 세라믹스의 대량생산에 용이하다. 이러한 고상반응법을 통하여 제조 과정의 단순화 및 비용의 저렴화를 이루는 것도 중요하지만, 무연계 세라믹스 소재의 높은 압전상수(d33), 전기기계결합계수(Kp), 우수한 전계유기 변형률(Electric Field Induced Strain; EFIS) 특성, 낮은 유전손실율(Loss tangent; tan δ) 등의 전기적인 특성 향상 및 안정적인 전기적 특성 그리고 IC 공정과의 호환성 등도 만족할 필요가 있다.Lead-free piezoelectric ceramics such as NKN and BNT materials are harmless to the human body because they do not contain lead, but their electrical properties including piezoelectric characteristics are much lower than those of PZT-based piezoelectric materials. In order to improve the performance of the Pb-free ceramics, a material having an ABO 3 structure is added to the NKN or BNT material to improve the characteristics of the material using a three-component system, and a material is manufactured by hydrothermal synthesis using a sol- Thereby improving the electrical characteristics of the material. Here, when the material is manufactured by the sol-gel method, although the electrical characteristics are improved, there is a disadvantage that the substrate deposition is not stable, the size of the particle size is not uniform, and a heat treatment process at a high temperature is required do. On the other hand, when a material having an ABO 3 structure is added to an NKN or BNT material and a three-component Pb-free piezoelectric ceramics is produced by a uniaxial pressing method through a conventional-mixed method, It is simple and simple compared with the method, and it is easy to mass-produce the lead-free piezoelectric ceramics such that the uniform particle size can be formed through the calcination process. Although it is important to simplify the manufacturing process and reduce the cost through the solid state reaction method, it is also important to improve the piezoelectric constant (d 33 ), the electromechanical coupling coefficient (K p ), the electric field induced strain Strain (EFIS) characteristics, low dielectric loss tangent (tan δ), stable electrical characteristics, and compatibility with IC processes.

현재 무연 압전 세라믹스로 사용되고 있는 물질로는 강유전체 소재인 NKN 및 BNT 기반의 소재가 주로 사용되어 지고 있으며, 그 외에 BaTiO3(이하 BT), (Ba,Zr)TiO3(이하 BZT), (Ba,Ca)TiO3(이하 BCT)등 BT 기반의 소재를 포함하여 다양한 세라믹 기반 소재를 통한 연구가 진행 중에 있다. 그러나, BT 기반의 강유전체 소재들은 상전이 온도(Curie Temperature; Tc)가 120 ℃ 정도이기 때문에 압전 소재를 응용한 액추에이터에 적용하는 데에는 발열 현상 등의 문제로 한계를 가진다. 또한, 무연 압전 세라믹스로 가장 널리 사용되는 소재인 NKN 소재는 한국등록특허 제10-0801477호 등에 제시되어 있는데, 200 pC/N 내외의 높은 압전상수(d33)를 갖고 40% 내외의 우수한 전기기계결합계수(kp)특성을 가지지만, 액추에이터에 응용되는 전계유기 변형률(Electric Field Induced Strain; EFIS) 특성에서 액추에이터 모듈에 적용시 필요한 인가 전압이 높다는 단점을 갖는다.BaTiO 3 (hereafter referred to as BT), (Ba, Zr) TiO 3 (hereinafter referred to as BZT), (Ba, Ti) Ca) TiO3 (hereinafter referred to as BCT) and various other ceramic-based materials including BT-based materials. However, BT-based ferroelectric materials have a limit on the problem of heat generation in application to an actuator using a piezoelectric material because the Curie temperature (T c ) is about 120 ° C. The NKN material, which is the most widely used material for lead-free piezoelectric ceramics, is disclosed in Korean Patent No. 10-0801477, and has a high piezoelectric constant (d 33 ) of about 200 pC / N, (K p ), but it has a disadvantage that the applied voltage required for application to an actuator module is high in an electric field induced strain (EFIS) characteristic applied to an actuator.

반면에, BNT 계열의 무연 압전 소재 중 특정 조성의 경우, 빠르고 큰 움직임을 요구하는 액추에이터로의 응용이 기대되는 거대 변위 효과가 보고되고 있는바, 현재 BNT 계열의 소재는 차세대 무연 압전소재로서, 모바일 스마트 정보기기 등에 응용되는 부품소재로 각광을 받고 있다. 그러나, BNT 기반의 소재들의 가장 큰 문제점은 상전이 온도보다 낮은 온도에서 탈분극(depolarization) 온도가 있어서 실제 산업 전반에 응용하기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 항전계(Coercive Electric Field)가 너무 크고, 높은 전도성으로 인해 소재의 분극화(poling) 과정을 진행하기 어려워 압전특성(d33) 및 전기기계결합계수(kp)가 낮다는 단점이 존재한다.On the other hand, in the case of a specific composition of the lead-free piezoelectric material of the BNT series, a large displacement effect that is expected to be applied to an actuator requiring fast and large movement has been reported. The BNT material is a next generation lead- It is widely used as a component material for smart information devices. However, the biggest problem of the BNT-based materials is that they have a depolarization temperature at a temperature lower than the phase transition temperature, which makes it difficult to apply them to the entire industry. Further, there is a disadvantage that the piezoelectric characteristic d 33 and the electromechanical coupling coefficient k p are low because the coercive electric field is too large and the poling process of the material is difficult to proceed due to high conductivity .

한국등록특허공보 제10-0801477호Korean Patent Registration No. 10-0801477

본 발명은 높은 압전상수, 낮은 유전손실 값을 가지면서도 낮은 항전계 값과 높은 잔류분극 값 등의 특성을 갖는 비스무스계 무연 압전 세라믹스를 간편한 제조공정으로 제조하여 비용이 저렴하고 대량생산이 용이할 뿐만 아니라 인체에 무해하며, 우수한 전기적인 특성을 만족하는 비스무스계 무연 압전 세라믹스를 제공하고, 이를 액추에이터에 응용하여 낮은 전압에서도 높은 전계유기 변형률(Electric Field Induced Strain; EFIS)을 갖는 비스무스계 무연 압전 세라믹스를 포함하는 액추에이터를 제공한다.The present invention relates to a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics having a high piezoelectric constant and a low dielectric loss value and a low dielectric constant value and a high remanent polarization value by a simple manufacturing process, The present invention provides a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics that is harmless to human body and satisfies excellent electrical characteristics, and is applied to an actuator to provide a bismuth lead-free piezoelectric ceramics having a high electric field induced strain (EFIS) Thereby providing an actuator.

본 발명의 실시예들에 따른 비스무스계 무연 압전 세라믹스는 주요성분으로 Bi, Na, K, Ti, O를 포함하는 [Bi(Na,K)]TiO3계 모체에 BiFeO3가 첨가되어 고용체를 이루며, 의사-입방정(Pseudo-cubic) 페로브스카이트(pervskite) 결정 구조를 가질 수 있다.Bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics according to embodiments of the present invention are formed by adding BiFeO 3 to a [Bi (Na, K)] TiO 3 base matrix containing Bi, Na, K, Ti and O as main components to form a solid solution , Pseudo-cubic perovskite crystal structure.

상기 비스무스계 무연 압전 세라믹스는 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3 (여기서, 상기 x는 0.015 ≤ x ≤ 0.065)의 조성을 가질 수 있다.The bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics may have a composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 where x is 0.015 ≤ x ≤ 0.065.

상기 [Bi(Na,K)]TiO3계 모체는 Na와 K의 전체 함량에 대한 K의 몰 비율이 15 내지 25 mol%일 수 있다.The [Bi (Na, K)] TiO 3 matrix may have a molar ratio of K to the total content of Na and K of 15 to 25 mol%.

상기 비스무스계 무연 압전 세라믹스는 양의 최대 변형률이 0.25% 이상일 수 있으며, 음의 최대 변형률의 절대값이 0.01% 이하일 수 있고, 1.4 ㎸/㎜보다 작고, 0 ㎸/㎜보다는 큰 항전계 값을 가질 수 있으며, 완화형 강유전체일 수 있다.
The bismuth lead-free piezoelectric ceramics may have a positive maximum strain of 0.25% or more, an absolute value of a negative maximum strain of 0.01% or less, a smaller 1.4 ㎸ / ㎜ and a greater anti-field value than 0 ㎸ / And may be a relaxed ferroelectric.

본 발명의 실시예들에 따른 액추에이터는 상기 비스무스계 무연 압전 세라믹스; 및 상기 비스무스계 무연 압전 세라믹스에 전기적 신호를 제공하는 전극을 포함할 수 있다.
The actuator according to embodiments of the present invention includes the bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics; And an electrode for providing an electrical signal to the bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics.

본 발명의 실시예들에 따른 비스무스계 무연 압전 세라믹스 제조방법은 [Bi(Na,K)]TiO3계 모체의 주성분인 Bi, Na, K, Ti의 산화물 분말을 혼합하는 단계; 상기 혼합된 분말을 제1 하소하는 단계; 상기 제1 하소된 분말에 BiFeO3를 이루는 Bi, Fe의 산화물 분말을 첨가하여 제2 하소하는 단계; 상기 제2 하소된 분말을 가압하여 성형체를 형성하는 단계; 및 상기 성형체를 소결하여 의사-입방정(Pseudo-cubic) 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 소결체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.The method for producing a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics according to embodiments of the present invention includes mixing an oxide powder of Bi, Na, K, and Ti as main components of a Bi (Na, K) TiO 3 matrix; First calcining the mixed powder; A second calcination step of adding an oxide powder of Bi and Fe constituting BiFeO 3 to the first calcined powder; Pressing the second calcined powder to form a formed body; And sintering the shaped body to form a sintered body having a pseudo-cubic perovskite crystal structure.

상기 제1 하소된 분말 또는 제2 하소된 분말을 밀링하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include milling the first calcined powder or the second calcined powder.

상기 Bi, Na, K, Ti의 산화물 분말을 혼합하는 단계에서 Na와 K의 전체 함량에 대한 K의 몰 비율이 15 내지 25 mol%가 되도록 할 수 있다.In the step of mixing the oxide powders of Bi, Na, K and Ti, the molar ratio of K to the total content of Na and K may be 15 to 25 mol%.

상기 소결체는 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3 (여기서, 상기 x는 0.015 ≤ x ≤ 0.065)의 조성을 가질 수 있다.The sintered body may have a composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 where x is 0.015 ≤ x ≤ 0.065.

상기 제1 하소하는 단계 및 제2 하소하는 단계는 750 내지 850 ℃의 온도에서 1시간 내지 3시간 동안 수행할 수 있다.The first calcination step and the second calcination step may be performed at a temperature of 750 to 850 DEG C for 1 to 3 hours.

상기 성형체를 소결하여 소결체를 형성하는 단계는 1,100 내지 1,200 ℃에서 1시간 내지 3시간 동안 소결할 수 있다.The step of sintering the molded body to form a sintered body may be performed at 1,100 to 1,200 ° C for 1 hour to 3 hours.

상기 소결체는 완화형 강유전체일 수 있다.The sintered body may be a relaxed ferroelectric.

본 발명에 따른 비스무스계 무연 압전 세라믹스는 [Bi(Na,K)]TiO3(이하 BNKT) 무연 압전 세라믹스에 비스무스(Bi), 페라이트(Fe)를 함유하는 BiFeO3가 첨가되어 의사-입방정(Pseudo-cubic) 페로브스카이트(pervskite) 결정 구조를 가지며, 높은 전계유기 변형률(Electric Field Induced Strain; EFIS) 특성과 낮은 항전계 값을 갖는 압전 세라믹스를 제작할 수 있다.Bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics according to the present invention are produced by adding BiFeO 3 containing bismuth (Bi) and ferrite (Fe) to a lead-free piezoelectric ceramics of [Bi (Na, K)] TiO 3 -cubic) piezoelectric ceramics having a pervskite crystal structure, a high electric field induced strain (EFIS) characteristic and a low dielectric constant.

또한, 본 발명은 BiFeO3의 Bi 이온이 페로브스카이트 결정 구조의 A-site 내 Bi 이온의 휘발을 보상해 줌으로써 압전 특성의 변화를 감소시키고, Fe 이온이 이온 반경이 유사한 Ti 이온을 부분적으로 치환함으로써 BNKT의 강유전 특성을 완화형 강유전체 특성으로 변화시킬 수 있다.In addition, the present invention compensates the volatilization of Bi ions in the A-site of the perovskite crystal structure of BiFeO 3 to reduce the change of the piezoelectric characteristics, and the Fe ions partially change the Ti ions having the same ionic radius The ferroelectric characteristics of the BNKT can be changed to the relaxed ferroelectric characteristics.

게다가, 본 발명은 인체에 유해하고 환경오염을 유발시키는 종래의 납(Pb) 계통의 PZT와는 달리 비스무스(Bi) 계통의 압전 세라믹스 소재를 제공하므로 환경 친화적인 무연 압전 세라믹스를 얻을 수 있게 한다.In addition, unlike PZT, which is harmful to human body and causes environmental pollution, the present invention provides a Bi-based piezoelectric ceramics material, so that environmentally friendly Pb-free piezoelectric ceramics can be obtained.

본 발명에 따른 비스무스계 압전 세라믹스 제조방법은 고상반응법을 사용할 수 있으며, 제조과정이 간단하여 생산이 용이하고, 이에 따라 대량생산이 가능하여 생산 비용을 절감할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 하소과정으로 파우더의 균질성을 높이고 치밀한 소결체를 얻을 수도 있다.The bismuth-based piezoelectric ceramics manufacturing method according to the present invention can use the solid-phase reaction method, and the production process is simple and easy to produce, thereby mass production is possible and the production cost can be reduced. In addition, the calcination process according to the present invention can increase the homogeneity of the powder and obtain a dense sintered body.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 BNKT 무연 압전 세라믹스의 결정구조를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3의 각 조성에 대한 X-선 회절 특성을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3의 각 조성에 대한 전기적인 특성을 나타내는 히스테리시스 곡선(loop)을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3의 각 조성에 대한 전기적인 특성을 나타내는 압전 세라믹스의 전계유기 변형률(Electric Field Induced Strain; EFIS) 특성을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3의 각 조성에 대한 미세구조를 나타낸 평면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비스무스계 무연 압전 세라믹스 제조방법을 나타낸 순서도.
1 is a perspective view showing a crystal structure of a BNKT lead-free piezoelectric ceramics according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing X-ray diffraction characteristics for each composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a hysteresis loop showing electrical characteristics for each composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the electric field induced strain of piezoelectric ceramics showing electrical characteristics for each composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 according to an embodiment of the present invention. ; EFIS).
5 is a plan view showing the microstructure of each composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart showing a method of manufacturing a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics according to another embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to let you know. In the description, the same components are denoted by the same reference numerals, and the drawings are partially exaggerated in size to accurately describe the embodiments of the present invention, and the same reference numerals denote the same elements in the drawings.

본 발명의 실시예에 따른 비스무스계 무연 압전 세라믹스는 주요성분으로 Bi, Na, K, Ti, O를 포함하는 [Bi(Na,K)]TiO3계 모체에 BiFeO3가 첨가되어 고용체를 이루며, 의사-입방정(Pseudo-cubic) 페로브스카이트(pervskite) 결정 구조를 가질 수 있다.The bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics according to the embodiment of the present invention is characterized in that BiFeO 3 is added to a [Bi (Na, K)] TiO 3 base matrix containing Bi, Na, K, Ti and O as main components to form a solid solution, And may have a pseudo-cubic perovskite crystal structure.

(Bi,Na)TiO3(이하 BNT) 기반의 무연(Pb-free) 압전 세라믹스는 인체에 무해하고 PZT 기반의 납계 압전 세라믹스와 마찬가지로 ABO3 타입의 페로브스카이트(Perovskite) 구조의 능면정계(Rhombohedral) 결정 구조를 가지고 있으며, B-site에는 Ti4 +가 위치하고 A-site에는 Bi3 +원소와 Na1 +원소가 반반씩 섞여서 결과적으로 2가의 원소를 갖게 되는 소재이다. 이러한 소재들은 외부에서 가해지는 전기장(Electric Field)에 의해 B-site에 위치한 Ti4 +이온이 결정구조의 Z축 방향으로 전기적인 분극을 일으키고, 그 분극의 결과 기계적으로 변형을 일으킨다. 또한, BNT 기반의 소재는 A-site에 두 가지 원소가 있어서 완화형 강유전체와 같은 형상을 보인다. 대부분의 유전체는 낮은 유전상수 값으로 인해 그 변형 정도가 실용적으로 응용하기에는 미미한 수준이고, 결정학적으로 단위 격자(unit cell) 내 대칭중심이 없는 결정의 경우에는 단결정일 때만 압전 특성을 보이지만, 외부에서 전기장을 가해 분극의 방향을 바꿀 수 있는 재료인 강유전체의 경우에는 다결정체의 형태로도 분극화(poling)라는 후처리 공정을 통해 압전 효과를 구현할 수 있다. 여기서, 압전 특성은 외부 전기장에 따라 분극값에 정비례하는 변형을 보이는 것을 말하는데, 전계유기 변형(Electric Field Induced Strain)의 경우 전기장의 방향과 관계없이 팽창만 하지만, 압전 변형의 경우 전기장의 방향에 따라 팽창 또는 수축이 가능하고 그 변형 정도가 충분히 커서 실용적인 응용이 가능하다. 이에 대부분의 산업적 압전 응용에서 강유전재료를 분극화하여 사용하고 있다.(Bi, Na) TiO 3 (hereinafter BNT) based lead-free (Pb-free) piezoelectric ceramic is not harmful to the human body, and as in the lead-based piezoelectric ceramic of a PZT-based ABO 3 type perovskite (Perovskite) neungmyeon politics of structure ( Rhombohedral crystal structure, Ti 4 + is located in B-site, and Bi 3 + element and Na 1 + element are mixed in A-site, resulting in a bivalent element. These materials cause electrical polarization in the Z-axis direction of the crystal structure due to the external electric field, and the Ti 4 + ions located at the B-site cause mechanical polarization as a result of the polarization. In addition, the BNT-based material has two elements in the A-site and has the same shape as the relaxed ferroelectric. Most of the dielectrics have a low dielectric constant value, so that their degree of deformation is insignificant for practical application. In the case of crystals having no symmetrical center in the unit cell, they exhibit piezoelectric characteristics only when they are single crystals, In the case of a ferroelectric material which can change the direction of polarization by applying an electric field, a piezoelectric effect can be realized through a post-treatment process called poling in the form of polycrystals. In the case of electric field induced strain, only the expansion occurs irrespective of the direction of the electric field. However, in the case of piezoelectric deformation, the direction of the electric field varies depending on the direction of the electric field Expansion or contraction is possible and the degree of deformation thereof is sufficiently large, so that practical application is possible. In most industrial piezoelectric applications, ferroelectric materials are polarized and used.

BNT 소재는 높은 큐리 온도(Tc)를 갖고 특정조성에서 거대 변형이 일어나지만, 항전계가 너무 높다는 단점이 있어 BNT에 정방정계(Tetragonal) 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 (Bi,K)TiO3(이하 BKT)를 첨가한 [Bi(Na,K)]TiO3(이하 BNKT) 기반의 소재를 사용하고 있다.The BNT material has a high Curie temperature (T c ) and a large deformation at a specific composition, but it has a disadvantage that the antiferromagnetic system is too high. Therefore, a (Bi, K) TiO 3 (BNKT) based on Bi (Na, K) TiO 3 (hereinafter referred to as BKT).

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 BNKT 무연 압전 세라믹스의 결정구조를 나타낸 사시도이다.1 is a perspective view illustrating a crystal structure of BNKT lead-free piezoelectric ceramics according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 BNKT 무연 압전 세라믹스는 ABO3 구조를 갖는 페로브스카이트(Pervskite) 결정 구조를 갖는다. 페로브스카이트(Pervskite) 구조의 A-site(100)에는 3가 원소인 Bi와 1가 원소인 Na, K가 절반씩 혼합되어 2가의 원소를 형성하는 구조로 되어있으며, B-site(200)에는 4가 원소인 Ti가 위치하여 외부전계를 인가하였을 때 B-site의 Ti 원소가 Z축으로 변위를 일으키면서 전기적인 분극 현상을 나타낸다.Referring to FIG. 1, the BNKT lead-free piezoelectric ceramics according to one embodiment of the present invention has a perovskite crystal structure having an ABO 3 structure. In the A-site 100 of the perovskite structure, a trivalent element Bi and a monovalent element Na, K are mixed in half to form a divalent element, and a B-site 200 ) Is a tetravalent element, and when an external electric field is applied, the Ti element of the B-site displaces in the Z-axis and exhibits electric polarization.

BNKT 소재는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스 소재로서, ABO3의 페로브스카이트 구조를 가지며, 나트륨(Na)과 칼륨(K)의 상대적인 몰 비가 조절된 특정조성에서 PZT 소재와 유사한 높은 압전 특성과 우수한 강유전 특성을 보인다. 하지만, 고온에서 소결시 휘발 성질로 인해 Bi, Na, K 이온들이 그 소결 온도를 견디지 못하고 휘발되어 압전 세라믹스의 특성이 원활히 구현되지 못하는 단점이 존재한다. 여기서, Bi 원소는 주기율표에서 Pb 원소 다음에 위치하여 원자 무게가 Pb 원소만큼 무거운 편에 속하므로 A-site에 Pb 이온을 Bi 이온으로 대체 가능하고 원자가도 3가 이온을 형성함으로 BNT 기반의 압전 세라믹스 소재에 중요한 역할을 하며, A-site에 위치함에 따라 큰 분극성을 가지기 때문에 높은 압전특성 구현도 가능하다. 따라서, Bi 기반의 소재를 첨가하여 Bi3 +이온이 휘발되는 현상을 보상해 줌으로써 우수한 압전 특성 및 전계유기 변형률(Electric Field Induced Strain; EFIS) 특성 향상 효과를 기대할 수 있다. 이에 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹스는 [Bi(Na,K)]TiO3계 모체에 BNT 기반의 압전 세라믹스와 비슷한 능면정계(Rhombohedral) 결정 구조를 갖는 BiFeO3(BF)를 첨가하였다.The BNKT material is a bismuth (Pb) lead-free piezoelectric ceramics material having a perovskite structure of ABO 3 and has a high piezoelectric property similar to that of a PZT material in a specific composition in which the relative molar ratio of sodium (Na) and potassium (K) And excellent ferroelectric properties. However, the sintering temperature of Bi, Na, K can not withstand the sintering temperature due to the volatilization property during sintering at high temperature, and the characteristics of the piezoelectric ceramics are not realized smoothly. Since the Bi element is located after the Pb element in the periodic table and the atomic weight is heavier than the Pb element, it is possible to replace the Pb ion with the Bi ion in the A-site and to form the trivalent ion in the valence state so that the BNT-based piezoelectric ceramics material And it is possible to realize high piezoelectric characteristics because it has a large polarizing property as it is located at the A-site. Therefore, it is expected that the piezoelectric characteristics and electric field induced strain (EFIS) characteristics can be improved by compensating the phenomenon of Bi 3 + ions being volatilized by adding a Bi-based material. In the lead-free piezoelectric ceramics according to the present invention, BiFeO 3 (BF) having a Rhombohedral crystal structure similar to that of a BNT-based piezoelectric ceramics was added to a [Bi (Na, K)] TiO 3 matrix.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3의 각 조성에 대한 X-선 회절 특성을 나타내는 그래프로서, 도 2(a)는 20 내지 80°위치의 X-선 회절 특성을 나타내는 그래프이고, 도 2(b)는 결정구조 분석을 위해 39 내지 48°위치를 확대한 X-선 회절 특성을 나타내는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing X-ray diffraction characteristics for each composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 according to an embodiment of the present invention, FIG. 2B is a graph showing X-ray diffraction characteristics at an angle of 39 to 48 DEG for crystal structure analysis. FIG.

X-선 회절 분석은 세라믹스 표면에 각도를 변화시키면서 특정 X-선 빔을 입사시키고 결정면의 특성에 따라 X-선 빔이 회절되어 나오는 강도를 읽어 결정구조를 파악하는 것이다. 도 2를 참조하면, (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3(이하 BNKT―BF)의 결정구조는 전형적인 ABO3 구조의 페로브스카이트(pervskite) 구조 상태로 존재하는 것을 확인할 수 있다. 또한, BiFeO3의 첨가량이 0.05 mol%(즉, x = 0.05)까지 세라믹스 시편의 X-선 회절패턴이 저 각도로 움직인 것을 볼 수 있는데, 브래그(Brag) 법칙을 이용하면 이것은 결정구조의 c-axis(30)/a-axis(10) 비율이 높아진 것이다. 이를 통하여 BiFeO3의 첨가량이 증가할수록 결정구조의 면과 면 사이의 거리인 c-axis(30)/a-axis(10)이 증가하고, 정방성(tetragonality)이 강해지는 것을 알 수 있다. 그러나, BiFeO3의 첨가량이 0.07 mol%(즉, x = 0.07) 이상에서는 시편의 X-선 회절패턴이 더 이상 저 각도로 움직이지 않으며, BiFeO3의 첨가량이 0.09 mol%(즉, x = 0.09) 또는 그 이상에서는 BiFeO3의 과잉첨가로 인한 2차상까지 발견되어 BiFeO3의 과잉첨가는 압전 세라믹스의 전기적인 특성을 오히려 저하시킨다는 것을 알 수 있다. 이처럼, BiFeO3를 너무 많이 첨가할 경우 과잉첨가로 인해 X-선 회절분석에서 2차상이 발생하고, 이로 인한 전기적인 특성저하가 발생하며, 너무 적게 첨가할 경우에는 BiFeO3 첨가에 따른 효과가 미비할 수 있으므로 x의 범위를 0 ≤ x ≤ 0.09로 한정할 수 있다.In X-ray diffraction analysis, a specific X-ray beam is incident on the surface of ceramics while varying the angle, and the intensity of the X-ray beam diffracted according to the characteristics of the crystal plane is read to grasp the crystal structure. Referring to FIG. 2, the crystal structure of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 (hereinafter referred to as BNKT-BF) exists in the state of a pervskite structure of a typical ABO 3 structure . In addition, it can be seen that the X-ray diffraction pattern of the ceramics specimen moves at a low angle up to the addition amount of BiFeO 3 of 0.05 mol% (that is, x = 0.05). When Brag's law is used, -axis (30) / a-axis (10) ratio is higher. As the amount of BiFeO 3 added increases, the c-axis (30) / a-axis (10), which is the distance between the plane and the plane of the crystal structure, increases and the tetragonality becomes stronger. However, when the addition amount of BiFeO 3 is 0.07 mol% or more (that is, x = 0.07) or more, the X-ray diffraction pattern of the specimen does not move at a low angle any more and the addition amount of BiFeO 3 is 0.09 mol% ) Or more, it is found that the BiFeO 3 is excessively added to the second phase due to the excessive addition of BiFeO 3 , and it is understood that the excessive addition of BiFeO 3 deteriorates the electrical characteristics of the piezoelectric ceramics. When BiFeO 3 is added too much, a secondary phase is generated in X-ray diffraction analysis due to excessive addition, resulting in deterioration of electrical characteristics. When too little BiFeO 3 is added, the effect due to addition of BiFeO 3 is insufficient , The range of x can be limited to 0 ≤ x ≤ 0.09.

X-선 회절 각도를 39 ~ 48°로 조정하여 X-선 회절패턴을 분석한 도 2(b)를 보면, BiFeO3의 첨가량이 0 ~ 0.05 mol%(즉, 0 ≤ x ≤ 0.05)의 경우 X-선 회절패턴이 저 각도로 움직이는 현상을 명확히 분석할 수 있고, 회절 각도 약 46°에서 일어나는 X-선 회절 피크(peak)의 분리가 일어나지 않으므로 시편이 의사-입방정(pseudo-cubic) 구조를 갖는 것을 알 수 있다. 그러나, BiFeO3의 첨가량이 0.07 mol%(즉, x = 0.07) 이상의 경우 약간의 X-선 회절 피크(peak) 분리가 일어나는 것으로 보아 BiFeO3의 과잉첨가에 따른 결정구조의 변화임을 알 수 있다. 그리고 종합적으로 볼 때 결정구조의 변화에 따라 전기적인 특성이 변한다는 것을 알 수 있다.2 (b) in which the X-ray diffraction pattern was analyzed by adjusting the X-ray diffraction angle to 39 to 48 °, when the addition amount of BiFeO 3 was 0 to 0.05 mol% (that is, 0 ≦ x ≦ 0.05) Since the X-ray diffraction pattern can clearly analyze the phenomenon of moving at low angles and the separation of the X-ray diffraction peaks occurring at a diffraction angle of about 46 ° does not occur, the specimen can have a pseudo-cubic structure . However, when the addition amount of BiFeO 3 is 0.07 mol% (that is, x = 0.07) or more, slight X-ray diffraction peaks are observed, indicating that the crystal structure is changed due to the excessive addition of BiFeO 3 . In addition, it can be seen that electrical characteristics change with the change of crystal structure.

상기 [Bi(Na,K)]TiO3계 모체는 Na와 K의 전체 함량에 대한 K의 몰 비율이 약 15 ~ 25 mol%일 수 있다. BNKT는 능면정계인 BNT와 정방정계인 BKT 사이의 몰포트로픽 상경계(Morphortropic Phase Boundary; MPB)가 존재하며, 이 상경계 부근에서 PZT 상경계 특성과 유사한 유전 및 압전 특성을 가지고 있다는 사실이 발견되었고, 이에 따라 BNKT의 상경계 부근에 해당하는 K의 함량이 약 15 ~ 25 mol%에서 높은 압전 특성과 우수한 강유전 특성을 보이며, 이 범위에서 K의 함량을 선택할 수 있다. 그 중 K의 함량이 약 22 mol%에서 온도 안정성과 Td(depolarization temperature), 전계유기 변형률(electric field induced strain)이 상대적으로 높게 나타나고 낮은 항전계(Ec) 값을 갖는데, Na와 K의 전체 함량에 대한 K의 몰 비율은 이에 제한되지 않는다. 또한, BNT와 비슷한 능면정계 결정 구조를 갖는 BiFeO3(BF)를 첨가하면 K의 몰 비율이 낮아지기 때문에 K의 함량이 약 22 ~ 25 mol%가 바람직하고, 본 발명의 일실시예에서 나트륨(Na)과 칼륨(K)의 상대적인 몰 비가 0.78:0.22인 [Bi(Na,K)]TiO3계 모체로 [Bi0 .5(Na0 .78K0 .22)0.5]TiO3―BiFeO3 조성의 무연 압전 세라믹스를 제조하였고, PZT의 상경계 특성과 유사한 유전 및 압전 특성을 얻었다.The [Bi (Na, K)] TiO 3 matrix may have a molar ratio of K to the total content of Na and K of about 15 to 25 mol%. BNKT has a morphotropic phase boundary (MPB) between the BNT and the tetragonal BKT, and it has been found that the BNT has dielectric and piezoelectric properties similar to those of the PZT system, The K content in BNKT is about 15 ~ 25 mol%, which shows high piezoelectric properties and excellent ferroelectric properties. The K content can be selected in this range. Among them, the temperature stability and T d (depolarization temperature) in about 22 mol% content of K, electroluminescent organic strain (electric field induced strain) appears higher in the relative gatneunde a low coercive field (E c) value, the Na and K The molar ratio of K to the total content is not limited thereto. Further, the addition of BiFeO 3 (BF) having a surface crystal structure similar to BNT reduces the molar ratio of K, so that the content of K is preferably about 22 to 25 mol%. In one embodiment of the present invention, sodium (Na ) and the relative molar ratio of 0.78 of potassium (K): 0.22 of [Bi (Na, K)] TiO 3 system as the matrix [Bi 0 .5 (Na 0 .78 K 0 .22) 0.5] TiO 3 -BiFeO 3 composition And dielectric and piezoelectric properties similar to those of PZT ceramics were obtained.

따라서, 상기 [Bi(Na,K)]TiO3계에서 Na와 K의 전체 함량에 대한 K의 몰 비율을 약 15 ~ 25 mol%로 하면, BNT-BKT 사이의 몰포트로픽 상경계 영역 부근에 해당하여 PZT의 상경계 특성과 유사한 유전 및 압전 특성을 가지면서도 우수한 항전계 특성을 갖는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스를 얻을 수 있게 된다.Therefore, assuming that the molar ratio of K to the total content of Na and K in the [Bi (Na, K)] TiO 3 system is about 15 to 25 mol%, it corresponds to the vicinity of the morphotropic crystalline region between BNT and BKT (Bi) lead-free piezoelectric ceramics having dielectric and piezoelectric characteristics similar to those of PZT ceramics and having excellent anti-electric field characteristics can be obtained.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3의 각 조성에 대한 전기적인 특성을 나타내는 히스테리시스 곡선(loop)을 나타낸 그래프이다.FIG. 3 is a graph showing a hysteresis loop showing electrical characteristics for each composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, BiFeO3의 첨가량이 0.03 ~ 0.05 mol%(즉, 0.03 ≤ x ≤ 0.05)인 시편의 경우에는 순수한 BNKT 시편에 비해 최대 분극값은 감소하였지만, 잔류 분극값과 항전계 값이 감소하는 것으로 완화형 강유전체 소재 특성을 확인할 수 있다. 이러한 완화형 강유전체 특성이 나타나는 이유는 BiFeO3(BF)의 Bi3 +이온이 BNKT-BF의 A-site에 들어갈 경우 소결과정에서 Bi의 휘발을 보상해주면서 압전특성에 큰 변화를 주지 않게 되고, 이온 반경 크기에 대한 이론에 따르면 배위수가 6개인 Fe3 +이온의 이온 반경은 약 0.65 Å으로 B-site에 위치한 Ti4 +(0.61 Å)의 이온 반경과 유사하여 Fe3 +이온이 6개의 배위수를 갖는 페로브스카이트 구조의 B-site에 Ti4 +이온을 대신하여 부분적으로 치환될 수 있기 때문이다. Fe3+이온은 Ti4 +이온에 비해 낮은 원자가 상태(valence state)를 가지기 때문에 페로브스카이트 구조의 팔면체 site에서 Fe3 +이온의 혼합은 과도한 음전하(negative charge)를 발생시키고 산소결핍(oxygen vacancy)를 야기한다. 결정구조의 산소결핍현상으로 인한 고정 효과(clamping effect)는 분극화(poling) 과정 중 강유전체 도메인(domain)들의 재배치를 저해시킴으로써 히스테리시스 곡선의 최대 분극값이 감소하는 현상이 발생한다. 또한, 최대 분극값과 잔류 분극값의 차이가 크게 나타나는 것은 BiFeO3(BF)의 첨가에 따라 외부전계를 가하였을 때에는 강유전체 특성을 가지고 외부전계를 가하지 않았을 때에는 반강유전(anti-ferroelectric) 상태로 변하는 것(즉, 강유전체 특성이 불안정해지는 것)을 나타낸다. BiFeO3(BF)의 첨가에 따라 최대 분극값이 감소함과 동시에 잔류 분극값과 항전계 값이 감소하는 것은 BNKT 기반의 압전 세라믹스 소재에서 주로 발생하는 장거리 강유전 질서(long-range ferroelectric order) 현상을 억제하고 BiFeO3(BF)의 첨가에 따른 완화형 강유전체 특성이 나타나게 되는 것이다. 하지만, BiFeO3의 첨가량이 0.07 mol%(즉, x = 0.07) 이상인 경우에는 최대 분극값이 급격히 줄어드는 것으로 보아 전기적인 특성 저하가 일어난 것을 알 수 있는데, 의사-입방정(pseudo-cubic) 구조가 BiFeO3의 과잉첨가로 인해 변형되었기 때문이다.3, when the amount of BiFeO 3 added was 0.03 to 0.05 mol% (that is, 0.03 ≦ x ≦ 0.05), the maximum polarization value was decreased compared to the pure BNKT specimen, but the residual polarization value and anti- The characteristics of the relaxed ferroelectric material can be confirmed. This relaxation ferroelectric property appears because the Bi 3 + ion of BiFeO 3 (BF) enters the A-site of BNKT-BF and compensates for the volatilization of Bi during the sintering process, the number of coordination according to the theory of the radius size of 6 individual Fe 3 + ions in the ionic radius of about 0.65 Å in the similar ionic radii of Ti 4 + (0.61 Å) in the B-site Fe 3 + ions can six coordination Can be partially substituted in place of the Ti & lt ; 4 + & gt ; ions in the B-site of the perovskite structure. Since the Fe 3+ ion has a valence state lower than that of the Ti 4 + ion, the mixing of the Fe 3 + ions in the octahedral site of the perovskite structure generates an excessive negative charge, vacancy. The clamping effect due to the oxygen deficiency of the crystal structure inhibits the rearrangement of the ferroelectric domains during the poling process, resulting in a decrease in the maximum polarization of the hysteresis curve. The reason why the difference between the maximum polarization value and the residual polarization value is large is that the addition of BiFeO 3 (BF) changes the ferroelectric characteristic when an external electric field is applied and the anti-ferroelectric state when an external electric field is not applied (That is, ferroelectric characteristics become unstable). The decrease of the maximum polarization value and the decrease of the residual polarization value and the anti-electric field value by the addition of BiFeO 3 (BF) are the long-range ferroelectric order phenomenon which occurs mainly in the BNKT-based piezoelectric ceramics. And the relaxed ferroelectric characteristics are exhibited by the addition of BiFeO 3 (BF). However, when the addition amount of BiFeO 3 is 0.07 mol% or more (that is, x = 0.07) or more, the maximum polarization value sharply decreases, which indicates that electrical characteristic deterioration occurs. The pseudo-cubic structure is BiFeO 3 < / RTI >

표 1은 본 발명의 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3 (x = 0, 0.03, 0.05, 0.07, 0.09) 조성에 따른 항전계 값을 나타내는 표이다.Table 1 shows anti-electric field values according to the composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 (x = 0, 0.03, 0.05, 0.07, 0.09) of the present invention.

조성Furtherance BNKT
(x=0)
BNKT
(x = 0)
BNKT―BF
(x=0.03)
BNKT-BF
(x = 0.03)
BNKT―BF
(x=0.05)
BNKT-BF
(x = 0.05)
BNKT―BF
(x=0.07)
BNKT-BF
(x = 0.07)
BNKT―BF
(x=0.09)
BNKT-BF
(x = 0.09)
항전계 값
(㎸/㎜)
Anti-electric field value
(KV / mm)
2.752.75 1.3351.335 1.2951.295 1.2531.253 1.4091.409

표 1을 보면, BNKT―BF 무연 압전 세라믹스는 항전계 값이 1.4 ㎸/㎜보다 작고, x가 0.07까지 BiFeO3의 첨가량이 증가될수록 항전계 값이 점차적으로 낮아지다가 x가 0.09에서 2차상이 발생하는 등의 이유로 항전계 값이 다시 상승하였다. 한편, 항전계 값이 가장 낮은 x가 0.07 부근에서 1.253 ㎸/㎜보다 낮은 항전계 값을 가질 수도 있을 것으로 보여진다.As shown in Table 1, the BNKT-BF lead-free piezoelectric ceramics has a coercive field value of less than 1.4 kV / mm and an increase in the amount of BiFeO 3 to x of 0.07. , The anti-electric field value rose again. On the other hand, it is considered that x having the lowest anti - electric field value may have an electric field value lower than 1.253 kV / mm at around 0.07.

이처럼, 본 발명의 BNKT―BF 무연 압전 세라믹스는 BNKT에 BiFeO3(BF)가 첨가되어 Bi 이온의 휘발을 보상해줌으로써, BNKT(Ec = 2.75 ㎸/㎜)보다 낮은 항전계(Ec = 1.4 ㎸/㎜ 이하) 특성을 가진다.Thus, BNKT-BF lead-free piezoelectric ceramic of the present invention is BiFeO 3 (BF) to BNKT is added by giving compensate for volatilization of Bi ions, BNKT (E c = 2.75 ㎸ / ㎜) a low coercive field than (E c = 1.4 KV / mm or less).

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3의 각 조성에 대한 전기적인 특성을 나타내는 압전 세라믹스의 전계유기 변형률(Electric Field Induced Strain; EFIS) 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the electric field induced strain of piezoelectric ceramics showing electrical characteristics for each composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 according to an embodiment of the present invention. ; EFIS).

BiFeO3의 첨가량에 따른 BNKT-BF 소재의 전계유기 변형률(Electric Field Induced Strain; EFIS) 특성 곡선을 나타낸 도 4를 참조하면, BiFeO3(BF)의 첨가가 없는 BNKT의 소재는 큰 음의 변형률(negative strain)을 나타내며 전형적인 강유전체 소재의 곡선을 형성한다. 그러나, BF가 첨가된 BNKT 소재는 외부전계에 따른 전계유기 변형률(Electric Field Induced Strain; EFIS) 특성 곡선의 변화를 야기하는데, 그래프에 나타난 바와 같이 전계유기 변형률 특성이 더욱 향상되었으며, 음의 변형률(negative strain)은 현저히 감소된 것을 알 수 있다. 이러한 변화는 BNKT 세라믹스 소재의 결정구조 A-site와 B-site 이온들의 부분적인 보상과 치환이 일어남에 따라 발생하는 것이다.4 showing the electric field induced strain (EFIS) characteristic curve of the BNKT-BF material according to the addition amount of BiFeO 3, the material of the BNKT without the addition of BiFeO 3 (BF) exhibited a large negative strain negative strain, and forms a curve of a typical ferroelectric material. However, the BNKT material with BF added changes the electric field induced strain (EFIS) characteristic curves according to the external electric field. As shown in the graph, the electric field organic strain characteristics are further improved, and the negative strain negative strain) is significantly reduced. These changes are caused by partial compensation and replacement of the crystal structure A-site and B-site ions of BNKT ceramics.

상기와 같이 A-site의 Bi 이온은 BiFeO3의 Bi 이온에 의해 소결시 발생하는 휘발을 보상함으로써 압전특성의 변화를 감소시키고, Fe3 +이온은 이온 반경이 약 0.65 Å로 B-site에 위치한 Ti4 +(0.61 Å)의 이온 반경과 유사하므로 Ti4 +이온을 부분적으로 치환할 수 있다. BiFeO3의 이온 치환현상으로 인해 BNKT 소재의 결정구조 상에서 구조적인 뒤틀림 현상이 일어남에 따라 BNKT의 강유전 특성이 완화형 강유전체 특성으로 변화하게 되는 것이다.As described above, the Bi ions of A-site reduce the change of piezoelectric characteristics by compensating the volatilization generated by Bi ions of BiFeO 3 during sintering, and the Fe 3 + ions have ion radius of about 0.65 Å and are located at the B-site It is similar to the ion radius of Ti 4 + (0.61 Å), so the Ti 4 + ion can be partially replaced. Due to the ionic substitution phenomenon of BiFeO 3 , a structural twist phenomenon occurs in the crystal structure of the BNKT material, so that the ferroelectric characteristic of the BNKT changes to the relaxed ferroelectric characteristic.

표 2는 본 발명의 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3 (x = 0, 0.015, 0.03, 0.05, 0.065, 0.07, 0.09) 조성에 따른 양의 최대 변형률을 나타내는 표이다.Table 2 shows the maximum strains of the amounts according to the composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 (x = 0, 0.015, 0.03, 0.05, 0.065, 0.07, Table.

조성Furtherance BNKT
(x=0)
BNKT
(x = 0)
BNKT―BF
(x=0.015)
BNKT-BF
(x = 0.015)
BNKT―BF
(x=0.03)
BNKT-BF
(x = 0.03)
BNKT―BF
(x=0.05)
BNKT-BF
(x = 0.05)
BNKT―BF
(x=0.065)
BNKT-BF
(x = 0.065)
BNKT―BF
(x=0.07)
BNKT-BF
(x = 0.07)
BNKT―BF
(x=0.09)
BNKT-BF
(x = 0.09)
변형률
(%)
Strain
(%)
0.1870.187 0.2850.285 0.3930.393 0.3670.367 0.2750.275 0.2420.242 0.2390.239

표 2를 보면, BNKT―BF 무연 압전 세라믹스는 양의 최대 변형률이 0.25% 이상일 수 있다. BNKT―BF는 x가 0.015일 때, 양의 최대 변형률이 약 0.28%이고, x가 0.03까지 BiFeO3의 첨가량이 증가될수록 양의 최대 변형률이 증가하다가 x가 0.03 부근에서 가장 높은 양의 최대 변형률(약 0.4%)을 가지며, x가 약 0.03보다 커지면 양의 최대 변형률이 다시 낮아지게 된다. 이에 x의 범위를 양의 최대 변형률이 약 0.28% 이상인 0.015 ≤ x ≤ 0.065로 한정하는 것이 바람직하다. 한편, x가 0.03 부근에서는 약 0.4%보다 높은 양의 최대 변형률을 가질 수도 있을 것으로 보여진다.As shown in Table 2, BNKT-BF lead-free piezoelectric ceramics can have a positive maximum strain of 0.25% or more. BNKT-BF shows that the maximum strain of positive is about 0.28% when x is 0.015, and the maximum strain of positive increases as the amount of BiFeO 3 is increased up to x 0.03, while the maximum strain at x is about 0.03 About 0.4%), and when x is larger than about 0.03, the maximum strain of the positive is lowered again. The range of x is preferably limited to 0.015 ≤ x ≤ 0.065 where the positive maximum strain is about 0.28% or more. On the other hand, when x is around 0.03, it is considered that it may have a maximum strain higher than about 0.4%.

표 3은 본 발명의 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3 (x = 0, 0.015, 0.03, 0.05, 0.065, 0.07, 0.09) 조성에 따른 음의 최대 변형률을 나타내는 표이다.Table 3 shows the negative maximum strain according to the composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 (x = 0, 0.015, 0.03, 0.05, 0.065, 0.07, 0.09) Table.

조성Furtherance BNKT
(x=0)
BNKT
(x = 0)
BNKT―BF
(x=0.015)
BNKT-BF
(x = 0.015)
BNKT―BF
(x=0.03)
BNKT-BF
(x = 0.03)
BNKT―BF
(x=0.05)
BNKT-BF
(x = 0.05)
BNKT―BF
(x=0.065)
BNKT-BF
(x = 0.065)
BNKT―BF
(x=0.07)
BNKT-BF
(x = 0.07)
BNKT―BF
(x=0.09)
BNKT-BF
(x = 0.09)
변형률
(%)
Strain
(%)
-0.09-0.09 -0.007-0.007 -0.005-0.005 -0.004-0.004 -0.006-0.006 -0.007-0.007 -0.003-0.003

표 3을 보면, BNKT―BF 무연 압전 세라믹스는 음의 최대 변형률(즉, 절대값이 가장 큰 음의 변형률)의 절대값이 0.01% 이하일 수 있다. BNKT―BF는 x가 0.015일 때, 음의 최대 변형률이 -0.007%이고, x가 0.03 내지 0.09 부근에서 절대값이 가장 낮은 음의 최대 변형률(약 -0.003%)을 가지는데, 양의 최대 변형률이 약 0.28% 이상인 0.015 ≤ x ≤ 0.065인 경우에도 음의 최대 변형률의 절대값이 0.01% 이하이다. 한편, x가 0.03 내지 0.09 부근에서 절대값이 0.003%보다 낮은 음의 최대 변형률을 가질 수도 있을 것으로 보여진다.As shown in Table 3, the BNKT-BF lead-free piezoelectric ceramics may have an absolute value of the maximum negative strain (i.e., negative strain with the largest absolute value) of 0.01% or less. BNKT-BF has a negative maximum strain of about -0.007% when x is 0.015, and a negative maximum strain of about -0.003% with an absolute value of about 0.03 to 0.09, where the positive maximum strain The absolute value of the negative maximum strain is 0.01% or less even when 0.015 ≤ x ≤ 0.065, which is about 0.28% or more. On the other hand, in the vicinity of 0.03 to 0.09 x, the absolute value may be considered to have a negative maximum strain lower than 0.003%.

이처럼, 본 발명의 BNKT―BF 무연 압전 세라믹스는 0.25% 이상의 높은 양의 최대 변형률을 가질 수 있다. 더 자세하게는 0.25 내지 0.4%의 양의 최대 변형률을 가질 수 있다. 또한, BNKT―BF 무연 압전 세라믹스는 0에 가까운 음의 최대 변형률(약 -0.003%)을 가질 수 있는데, 높은 양의 최대 변형률과 0에 가까운 음의 최대 변형률은 완화형 강유전체 특성을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 무연 압전 세라믹스는 완화형 강유전체일 수 있다.As such, the BNKT-BF lead-free piezoelectric ceramics of the present invention can have a high strain maximum strain of 0.25% or more. More specifically, it may have a maximum strain amount of 0.25 to 0.4%. In addition, the BNKT-BF lead-free piezoelectric ceramics can have a negative maximum strain of about 0 (about -0.003%), and a high maximum strain and a negative maximum strain of zero exhibit a relaxed ferroelectric characteristic. Therefore, the lead-free piezoelectric ceramics of the present invention can be a relaxation type ferroelectric.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3의 각 조성에 대한 미세구조를 나타낸 평면도로서, 도 5(a)는 x = 0, 도 5(b)는 x = 0.03, 도 5(c)는 x = 0.05, 도 5(d)는 x = 0.07이고, 도 5(e)는 x = 0.09이다.5 (a) is a plan view showing a microstructure of each composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 according to an embodiment of the present invention, , FIG. 5 (b) shows x = 0.03, FIG. 5 (c) shows x = 0.05, FIG. 5 (d) shows x = 0.07 and FIG. 5 (e) shows x = 0.09.

도 5를 참조하면, BNKT의 미세구조가 과잉 소결되지 않고 적정한 소결 온도에서 입자성장이 이루어진 것을 알 수 있다. 순수한 BNKT 시편의 경우 동일한 결정입도(grain size)를 갖으며, 직각형(rectangular)의 결정 형태(Morphology)를 형성한다. 하지만, BiFeO3(BF)의 첨가가 BNKT의 결정입도 형성에 영향을 미쳐 전체적인 결정입도의 사이즈는 BiFeO3의 첨가량이 증가할수록 증가할 뿐만 아니라, 결정 형태가 직각형 (rectangular)에서 둥근 형태(round shape)로 변화하게 된다. 결정입도의 증가는 소결된 금속산화물들에 의해 일어나는데, 소결 시 페라이트(Fe2O3)와 탄산나트륨(Na2CO3), 탄산칼륨(K2CO3) 사이의 반응으로 일어난다. 또한, 전기적 특성이 가장 우수하였던 BiFeO3가 3 mol% 첨가된(즉, x = 0.03인) 도 7(b)의 경우가 가장 치밀한 구조를 보인다.Referring to FIG. 5, it can be seen that the microstructure of the BNKT is not excessively sintered and the grain growth is performed at an appropriate sintering temperature. Pure BNKT specimens have the same grain size and form a rectangular morphology. However, since the addition of BiFeO 3 (BF) affects the formation of BNKT crystal grains, the overall crystal grain size increases as the amount of BiFeO 3 added increases, and the crystal form increases from rectangular to round shape. The increase in the grain size is caused by sintered metal oxides, which are caused by the reaction between ferrite (Fe 2 O 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) and potassium carbonate (K 2 CO 3 ) during sintering. In addition, FIG. 7 (b) shows that the structure having the most excellent electrical characteristics and containing 3 mol% of BiFeO 3 (that is, x = 0.03) exhibits the most dense structure.

한편, 본 발명에 따른 BNKT―BF 무연 압전 세라믹스는 고상반응법(Solid-state process)으로 제조할 수 있다. 상기 고상반응법으로 제조하면 제조공정을 단순화시킬 수 있고, 제조비용도 줄일 수 있다.Meanwhile, the BNKT-BF lead-free piezoelectric ceramics according to the present invention can be manufactured by a solid-state process. The solid-phase reaction method can simplify the production process and reduce the manufacturing cost.

이처럼, 본 발명은 BNKT 무연 압전 세라믹스에 BiFeO3를 첨가한 비스무스(Bi)계 압전 세라믹스를 제조하되, (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3 (여기서, 상기 x는 0.015 ≤ x ≤ 0.065) 조성에서 [Bi(Na,K)]TiO3와 BiFeO3의 상대적인 몰 비인 x로 BiFeO3의 첨가량을 변화시켜 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스를 제조함으로써, 종래의 비스무스(Bi) 기반의 무연 압전 세라믹스에 비해 높은 전계유기 변형률(Smax = 0.25% 이상) 특성을 가지면서도 낮은 항전계(Ec = 1.4 ㎸/㎜ 이하) 특성을 갖는 압전특성이 우수한 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스를 제조할 수 있게 한다.
As described above, the present invention relates to a method for producing a bismuth (Bi) based piezoelectric ceramics in which BiFeO 3 is added to BNKT lead-free piezoelectric ceramics, wherein (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 Bi-based lead-free piezoelectric ceramics were produced by varying the amount of BiFeO 3 added with x being the relative molar ratio of [Bi (Na, K)] TiO 3 and BiFeO 3 in the composition of 0.015 ≤ x ≤ 0.065, (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics, which have high electric field organic strain (S max = 0.25% or more) and low piezoelectric constant (E c = 1.4 kV / Thereby making it possible to manufacture a lead-free piezoelectric ceramics.

본 발명의 다른 실시예에 따른 액추에이터는 본 발명의 비스무스계 무연 압전 세라믹스 및 상기 비스무스계 무연 압전 세라믹스에 전기적 신호를 제공하는 전극을 포함할 수 있다.The actuator according to another embodiment of the present invention may include the bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics of the present invention and the electrode for providing an electrical signal to the bismuth lead-free piezoelectric ceramics.

상기 전극의 재료는 특별히 한정되지 않고, 일반적으로 압전 소자에 사용되는 재료이면 충분하다. 전극 재료의 예는 Ti, Pt, Ta, Ir, Sr, In, Sn, Au, Al, Fe, Cr 및 Ni의 금속 및 이들 금속의 산화물을 포함할 수 있고, 이들 중 1종으로 형성되거나, 이들 중 2종 이상이 적층되어 형성될 수 있다.The material of the electrode is not particularly limited, and a material generally used for a piezoelectric element is sufficient. Examples of the electrode material may include metals of Ti, Pt, Ta, Ir, Sr, In, Sn, Au, Al, Fe, Cr and Ni and oxides of these metals, May be stacked.

상기 액추에이터는 스마트 액추에이터일 수 있는데, MEMS(Micro-Electro-Mechanical System), 카메라, 현미경 등에 장착될 수 있다. 또한, 저전계 구동조건 하에서 고 변형률을 나타내는 본 발명의 비스무스계 무연 압전 세라믹스를 이용하여 우수한 성능을 얻을 수 있다.
The actuator may be a smart actuator, and may be mounted on a micro-electro-mechanical system (MEMS), a camera, a microscope, or the like. Further, excellent performance can be obtained by using the bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics of the present invention exhibiting a high strain rate under a low electric field driving condition.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비스무스계 무연 압전 세라믹스 제조방법을 나타낸 순서도이다.6 is a flowchart showing a method of manufacturing a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics according to another embodiment of the present invention.

도 6을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비스무스계 무연 압전 세라믹스 제조방법을 보다 상세히 살펴보는데, 비스무스계 무연 압전 세라믹스와 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.Referring to FIG. 6, a method for manufacturing a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics according to another embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비스무스계 무연 압전 세라믹스 제조방법은 [Bi(Na,K)]TiO3계 모체의 주성분인 Bi, Na, K, Ti의 산화물 분말을 혼합하는 단계(S100); 상기 혼합된 분말을 제1 하소하는 단계(S200); 상기 제1 하소된 분말에 BiFeO3를 이루는 Bi, Fe의 산화물 분말을 첨가하여 제2 하소하는 단계(S300); 상기 제2 하소된 분말을 가압하여 성형체를 형성하는 단계(S400); 및 상기 성형체를 소결하여 의사-입방정(Pseudo-cubic) 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 소결체를 형성하는 단계(S500)를 포함할 수 있다.A method of manufacturing a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramic according to still another embodiment of the present invention includes the steps of: (S100) mixing oxide powders of Bi, Na, K, and Ti which are the main components of a Bi (Na, K) TiO 3 matrix; First calcining the mixed powder (S200); A second calcination step (S300) of adding an oxide powder of Bi and Fe constituting BiFeO 3 to the first calcined powder; Forming a formed body by pressing the second calcined powder (S400); And sintering the formed body to form a sintered body having a pseudo-cubic perovskite crystal structure (S500).

먼저, [Bi(Na,K)]TiO3계 모체의 주성분인 Bi, Na, K, Ti의 산화물 분말을 혼합한다(S100). 이때, [Bi0 .5(Na,K)0.5]TiO3의 조성을 만족하도록 Bi, Na, K, Ti의 산화물 분말을 각 분말의 몰 비에 따라 칭량하여 혼합하는데, Bi, Na, K, Ti의 산화물 분말은 Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2를 포함할 수 있다. 또한, 높은 압전 특성과 우수한 강유전 특성을 보이는 BNKT의 상경계 부근에 해당하도록 Na와 K의 전체 함량에 대한 K의 몰 비율이 약 15 ~ 25 mol%가 되도록 할 수 있다.First, oxide powders of Bi, Na, K, and Ti which are the main components of the [Bi (Na, K)] TiO 3 matrix are mixed (S100). At this time, [Bi 0 .5 (Na, K) 0.5] TiO 3 composition for Bi, Na, K, to mix weighed along the oxide powder of Ti in the mole ratios of the powder, Bi, Na, K satisfaction, Ti Of the oxide powder may include Bi 2 O 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , and TiO 2 . In addition, the molar ratio of K to the total content of Na and K can be about 15 to 25 mol% so that the BNKT exhibits high piezoelectric properties and excellent ferroelectric properties.

한편, Na와 K의 산화물 분말은 흡습성이 있어 보관 중 주변 환경으로부터 수분을 흡수하여 무게가 증가할 수 있기 때문에, 이로 인해 칭량시 함유하고 있는 수분의 양만큼 조성이 틀려지게 되고 그에 따라 압전 특성도 변화될 수 있으므로 Na와 K의 산화물 분말을 건조시킨 후 칭량하는 것이 바람직하다. 건조의 방법은 건조 오븐에 넣어 건조시킬 수 있는데, 함유된 수분의 건조에 따른 무게의 감소가 더 이상 일어나지 않는 완전 건조 상태를 만들 수 있으면 족하고, 건조 방법에 특별한 제한이 있는 것은 아니다. 그리고 분말의 혼합방법은 볼 밀링(Ball-Milling) 방법으로 습식 혼합을 할 수 있는데, 용매로는 에틸 알코올 또는 메틸 알코올과 같은 유기 용매를 사용할 수 있다. 습식 혼합시 수분을 완전히 제거하기 위해 마이크로 오븐(Micro-Oven)에서 약 24시간 동안 건조시킬 수 있다.On the other hand, since the oxide powder of Na and K is hygroscopic, the weight can be increased by absorbing moisture from the surrounding environment during storage. As a result, the composition is different by the amount of moisture contained in weighing, It is preferable to dry the oxide powders of Na and K and weigh them. The drying method can be carried out in a drying oven, and it is enough to make a completely dried state in which the weight loss due to the drying of the contained moisture no longer occurs, and there is no particular limitation on the drying method. The mixing method of powders can be wet-mixed by a ball-milling method. As the solvent, an organic solvent such as ethyl alcohol or methyl alcohol can be used. In wet mixing, it can be dried in a micro-oven for about 24 hours to completely remove moisture.

다음으로, 혼합된 분말들의 입자를 성장시키기 위해 고온의 소결로(Furnace)에 넣고 제1 하소(calcination)를 한다(S200). 이때, 제1 하소는 750 내지 850 ℃의 온도에서 1시간 내지 3시간 동안 수행할 수 있고, 승감온 속도는 3 내지 7 ℃/min일 수 있다. 만약, 상기 하소를 750 ℃ 이하의 온도에서 진행하게 되면 원료 분말들 사이의 반응이 충분하지 않게 되고, 850 ℃ 이상에서 진행하게 되면 분쇄의 어려움이 발생하므로 800 ℃ 정도의 온도가 바람직하다. 또한, 승감온 속도를 너무 빠르게 하면 원료분말들의 온도 분포가 고르지 않게 되고, 너무 느리면 공정시간이 길어지게 되는 문제점이 있다. 한편, 혼합 분말의 균질성을 높이기 위하여 밀링과 건조를 반복한 후 하소된 온도보다 높은 온도에서 다시 하소를 진행할 수 있다. 이후에 제1 하소된 분말을 분산 용매와 볼 밀링하고 분쇄할 수도 있다.Next, in order to grow the particles of the mixed powders, the mixture is put into a high-temperature sintering furnace and subjected to a first calcination (S200). At this time, the first calcination can be carried out at a temperature of 750 to 850 캜 for 1 to 3 hours, and the acceleration / deceleration rate can be 3 to 7 캜 / min. If the calcination is carried out at a temperature of 750 ° C or lower, the reaction between the raw powders becomes insufficient. If the calcination proceeds at a temperature higher than 850 ° C, difficulty of pulverization may occur. In addition, if the rate of increase and decrease is too fast, the temperature distribution of the raw material powders becomes uneven, and if it is too slow, the process time becomes long. On the other hand, in order to increase the homogeneity of the mixed powder, it is possible to perform calcination again at a temperature higher than the calcined temperature after repeating the milling and drying. Thereafter, the first calcined powder may be ball-milled and pulverized with a dispersion solvent.

그 다음 제1 하소된 분말에 BiFeO3를 이루는 Bi, Fe의 산화물 분말을 첨가하여 제2 하소한다(S300). 이때, 제2 하소는 750 내지 850 ℃의 온도에서 1시간 내지 3시간 동안 수행할 수 있고, 제1 하소된 분말과 Bi, Fe의 산화물 분말이 잘 혼합되도록 볼 밀링한 후 제2 하소를 할 수도 있으며, Bi, Fe의 산화물 분말은 Bi2O3, Fe2O3를 포함할 수 있다. 여기서, BNKT 분말을 한번 하소한 후에 BiFeO3(BF)를 첨가하여 다시 하소하는 이유는 분말의 균질성을 높이고 치밀한 소결체를 얻기 위함이다. 자세히 설명하면, BNKT 분말을 하소함으로 BNKT의 반응이 충분히 일어나 더욱 균질한 BNKT 분말을 얻을 수 있고, BNKT의 충분한 반응 후에 BiFeO3(BF)를 첨가하여 BNKT 페로브스카이트 구조 내의 A-site 및 B-site를 치환하므로 BNKT―BF 화합물이 치밀하여 지며, 이를 다시 하소함으로 균질하고 치밀한 BNKT―BF 화합물을 얻을 수 있다. 이로 인해 BNKT―BF가 2차상 없이 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다. 전체 산화물 분말을 한번에 넣고 하소를 할 수도 있지만, BNKT―BF 무연 압전 세라믹스의 성능을 향상시키기 위해 2번 하소하는 것이 바람직하다. 제2 하소 후에도 하소된 분말을 분산 용매와 볼 밀링하고 분쇄할 수 있다.Next, an oxide powder of Bi, Fe constituting BiFeO 3 is added to the first calcined powder to perform a second calcination (S300). In this case, the second calcination can be performed at a temperature of 750 to 850 ° C for 1 hour to 3 hours, and the second calcination can be performed after ball milling so that the first calcined powder and the oxide powder of Bi and Fe are well mixed And the oxide powders of Bi and Fe may include Bi 2 O 3 and Fe 2 O 3 . Here, the reason why the BNKT powder is calcined once, and then the BiFeO 3 (BF) is added and calcined again is to increase the homogeneity of the powder and to obtain a dense sintered body. More specifically, calcination of the BNKT powder sufficiently reacted with BNKT to obtain more homogeneous BNKT powder. After sufficient reaction of BNKT, BiFeO 3 (BF) was added to form A-site and B-BNKT in the BNKT perovskite structure -site, so that the BNKT-BF compound becomes dense, and by calcining it again, a homogeneous and dense BNKT-BF compound can be obtained. As a result, BNKT-BF can have a perovskite crystal structure without a secondary phase. The entire oxide powder may be calcined at one time, but it is preferable to calcine twice to improve the performance of the BNKT-BF lead-free piezoelectric ceramics. The powder calcined after the second calcination can be ball milled and pulverized with a dispersion solvent.

이어서, 하소가 완료된 분말을 직경 10 Ø의 몰더(Molder)에 약 0.5g 정도 넣고 압축 성형기에 1축 가압 성형하여 성형체를 형성한다(S400). 이때, 분말의 성형을 용이하게 해주기 위해 결합제(예를 들어, PVA(Polyvinyl Alcohol))를 제2 하소된 분말에 소량(예를 들어, 1 wt%) 첨가할 수 있다. 이후에 결합제 및 약간의 수분(예를 들어, 흡착수[H2O]와 부착수[OH])을 모두 증발시키기 위해 600 내지 700 ℃에서 4시간 동안 고온 소결로에서 번아웃(Burn-Out) 과정을 진행할 수도 있다. 여기서, 승감온 속도는 3 내지 7 ℃/min일 수 있고, 약 2시간 동안 승감온시킬 수 있다.Subsequently, about 0.5 g of the calcined powder is put into a molder having a diameter of 10 Ø and uniaxially pressed on a compression molding machine to form a molded body (S400). At this time, a small amount (for example, 1 wt%) of a binder (for example, PVA (Polyvinyl Alcohol)) may be added to the second calcined powder to facilitate the formation of the powder. Thereafter, in order to evaporate both the binder and a small amount of moisture (for example, adsorbed water [H 2 O] and water [OH]), a burn-out process is performed in a high-temperature sintering furnace at 600 to 700 ° C. for 4 hours . Here, the rate of acceleration / deceleration can be 3 to 7 占 폚 / min and can be increased or decreased for about 2 hours.

그 다음 상기 성형체를 다시 고온 소결로에 넣고 소결하여 소결체를 형성한다(S500). 상기 소결체는 의사-입방정(Pseudo-cubic) 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있고, 1,100 내지 1,200℃ 온도에서 1시간 내지 3시간 동안 소결할 수 있다. 상기 소결시 1,100 ℃ 이하의 온도에서는 소결이 충분하지 아니하여 페로브스카이트 결정성이 충분하지 않고, 1,200℃ 이상의 온도에서는 입자 크기가 너무 커지고 비스무스(Bi)의 휘발 등에 의하여 구조 내 결함이 발생할 수 있다. 본 발명의 BNKT계 무연 압전 세라믹스는 기존의 PZT계 압전 재료보다 상대적으로 낮은 온도에서 소결이 가능한 장점이 있다.Next, the formed body is put into a high-temperature sintering furnace and sintered to form a sintered body (S500). The sintered body may have a pseudo-cubic perovskite crystal structure and may be sintered at a temperature of 1,100 to 1,200 ° C for 1 hour to 3 hours. In the sintering, the sintering is not sufficient at a temperature of 1,100 ° C or lower, and the perovskite crystallinity is insufficient. At a temperature of 1,200 ° C or higher, the particle size becomes too large and defects in the structure may occur due to the volatilization of bismuth have. The BNKT Pb-free piezoelectric ceramics of the present invention is advantageous in that it can be sintered at a relatively lower temperature than the conventional PZT piezoelectric material.

상기 소결체는 [Bi(Na,K)]TiO3계 고용체로서, (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3 (여기서, 상기 x는 0.015 ≤ x ≤ 0.065)의 조성을 가질 수 있고, 완화형 강유전체일 수 있다.Wherein the sintered body has a composition of [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 (where x is 0.015 ≤ x ≤ 0.065) as the [Bi (Na, K)] TiO 3 solid solution solid And may be a relaxed ferroelectric.

다음으로, 상기 소결체를 연마하고 세척한 후 양면에 실버 페이스트(Silver paste)를 스크린 인쇄하여 100 ℃ 건조 오븐에서 건조하고, 이후에 600 ℃에서 10분간 열처리하여 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 전극의 재료는 이에 한정되지 않고, 일반적으로 압전 소자에 사용되는 재료이면 충분하다. 전극 재료의 예는 Ti, Pt, Ta, Ir, Sr, In, Sn, Au, Al, Fe, Cr 및 Ni의 금속 및 이들 금속의 산화물을 포함할 수 있고, 이들 중 1종으로 형성되거나, 이들 중 2종 이상이 적층되어 형성될 수 있다. 전극을 형성한 후에 실리콘 오일에서 전압을 인가함으로 분극 처리하여 압전 소자를 제조할 수 있다. 상기 실리콘 오일은 상온(25 ℃) 내지 120 ℃ 온도로 유지되는 것이 바림직하고, 전압은 1 내지 7 ㎸/㎜ 인가하는 것이 바람직하다.Next, after the sintered body is polished and cleaned, a silver paste is screen-printed on both sides, dried in a drying oven at 100 ° C, and then heat-treated at 600 ° C for 10 minutes to form an electrode have. The material of the electrode is not limited to this, and a material generally used for a piezoelectric element is sufficient. Examples of the electrode material may include metals of Ti, Pt, Ta, Ir, Sr, In, Sn, Au, Al, Fe, Cr and Ni and oxides of these metals, May be stacked. After the electrode is formed, a piezoelectric element can be manufactured by performing polarization treatment by applying a voltage to the silicon oil. It is preferable that the silicone oil is maintained at a room temperature (25 캜) to 120 캜, and the voltage is preferably 1 to 7 kV / mm.

이처럼, 본 발명은 [Bi(Na,K)]TiO3 무연 세라믹스 재료에 BiFeO3 무연 세라믹스 재료가 고용된 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3 (여기서, 상기 x는 0.015 ≤ x ≤ 0.065)의 조성으로 표현되는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스 제조방법을 제공함으로써, 상경계 부근에서 PZT의 상경계 특성과 유사한 유전 및 압전특성을 가지는 비스무스(Bi) 기반의 무연 압전 세라믹스를 제조할 수 있게 하고, 종래의 순수한 BNT 또는 BKT 물질의 고용화와 함께 BaTiO3, CeO2, SrCO3, Al2O3 등을 첨가시키는 압전 세라믹스 또는 BNKT 압전 세라믹스에 비해 낮은 항전계 및 높은 전계 변형률을 가지는 무연 압전 세라믹스를 얻을 수 있게 한다. 그리고 본 발명의 BNKT―BF 무연 압전 세라믹스 제조방법은 고상반응법의 간단한 제조방법으로서, 제조비용이 저렴하고 대량생산이 용이하다.
Thus, the present invention is [Bi (Na, K)] TiO 3 Lead BiFeO 3 lead-free ceramic material is a (1-x) employed in the ceramic material [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 ( where, x (Bi) -based lead-free piezoelectric ceramics having a dielectric and piezoelectric characteristics similar to those of PZT at the vicinity of the ceramics system can be obtained by providing a bismuth (Bi) -free lead-free piezoelectric ceramics manufacturing method represented by the composition of And BNKT piezoelectric ceramics to which BaTiO 3 , CeO 2 , SrCO 3 , Al 2 O 3 and the like are added together with the solidification of the conventional pure BNT or BKT material, Lead-free piezoelectric ceramics having strain can be obtained. The BNKT-BF Pb-free piezoelectric ceramics production method of the present invention is a simple production method of a solid-phase reaction method, and its production cost is low and mass production is easy.

상기와 같이 본 발명은 BNKT 무연 압전 세라믹스에 BiFeO3가 첨가된 [Bi(Na,K)]TiO3―BiFeO3 조성의 무연 압전 세라믹스를 제공하고, [Bi(Na,K)]TiO3와 BiFeO3 간의 몰 비인 x를 0.015 ≤ x ≤ 0.065로 조절하여 BiFeO3의 첨가량을 변화시킴으로써, 종래의 비스무스(Bi) 기반의 무연 압전 세라믹스에 비해 낮은 항전계(Ec = 1.4 ㎸/㎜ 이하) 특성 뿐만 아니라 전계유기 변형률(Smax = 0.25% 이상)도 우수한 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스를 제조할 수 있게 하고, 이로 인해 압전 특성이 우수한 비스무스(Bi)계 압전 세라믹스를 제공할 수 있게 한다. 다시 말하면, PZT의 상경계 특성과 유사한 유전 특성 및 압전특성을 갖는 상경계 영역이 존재하는 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스를 제공하고, 종래의 비스무스(Bi) 기반의 무연 압전 세라믹스에 비해 상경계 부근에서 높은 전계유기 변형률과 낮은 항전계 특성을 가지는 압전 특성이 우수한 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹스를 얻을 수 있게 한다. 또한, 이러한 무연 압전 세라믹스를 이용하여 우수한 성능의 스마트 액추에이터를 제조할 수 있다. 그리고 본 발명의 BNKT―BF 무연 압전 세라믹스는 고상반응법의 간편한 제조방법으로 제조할 수 있어 제조비용이 저렴하고 대량생산이 용이하며, 비스무스(Bi)계 무연 소재를 사용하여 인체에 무해하고 환경친화적이다.
As described above, the present invention provides a lead-free piezoelectric ceramics having a composition of [Bi (Na, K)] TiO 3 -BiFeO 3 , to which BiFeO 3 is added to BNKT lead-free piezoelectric ceramics, and [Bi (Na, K)] TiO 3 and BiFeO (E c = 1.4 kV / mm or less) as compared with the conventional bismuth (Bi) based lead-free piezoelectric ceramics by changing the addition amount of BiFeO 3 by controlling the molar ratio x of 3 to 0.015 ≤ x ≤ 0.065 (Bi) lead-free piezoelectric ceramics excellent in the electric field organic strain (S max = 0.25% or more) can be produced. As a result, it is possible to provide a bismuth (Bi) piezoelectric ceramics excellent in piezoelectric characteristics. In other words, it is possible to provide a Bi-based lead-free piezoelectric ceramics in which a crystalline region having a dielectric and piezoelectric properties similar to those of PZT is present, and is superior to a conventional bismuth-based Pb- (Bi) lead-free piezoelectric ceramics excellent in piezoelectric characteristics having electric field organic strain and low coercive field characteristics can be obtained. In addition, a smart actuator having excellent performance can be manufactured using such a lead-free piezoelectric ceramics. The BNKT-BF lead-free piezoelectric ceramics of the present invention can be manufactured by a simple production method of a solid-phase reaction method, and thus the production cost is low, mass production is easy, and a bismuth (Bi) to be.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limited to the embodiments set forth herein. Those skilled in the art will appreciate that various modifications and equivalent embodiments may be possible. Accordingly, the technical scope of the present invention should be defined by the following claims.

10 : a-axis 20 : b-axis
30 : c-axis 100 : A-site(Bi,Na,K)
200 : B-site(Ti) 300 : O-site(O)
10: a-axis 20: b-axis
30: c-axis 100: A-site (Bi, Na, K)
200: B-site (Ti) 300: O-site (O)

Claims (15)

주요성분으로 Bi, Na, K, Ti, O를 포함하는 [Bi(Na,K)]TiO3계 모체에 BiFeO3가 첨가되어 고용체를 이루며,
의사-입방정(Pseudo-cubic) 페로브스카이트(pervskite) 결정 구조를 갖고,
완화형 강유전체인 비스무스계 무연 압전 세라믹스.
BiFeO 3 is added to the [Bi (Na, K)] TiO 3 base matrix containing Bi, Na, K, Ti and O as main components to form a solid solution,
Has a pseudo-cubic perovskite crystal structure,
A relaxed ferroelectric bismuth lead-free piezoelectric ceramics.
청구항 1에 있어서,
상기 비스무스계 무연 압전 세라믹스는 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3 (여기서, 상기 x는 0.015 ≤ x ≤ 0.065)의 조성을 갖는 비스무스계 무연 압전 세라믹스.
The method according to claim 1,
Wherein the bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics has a composition of (1-x) [Bi (Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 wherein x is 0.015 ≤ x ≤ 0.065.
청구항 1에 있어서,
상기 [Bi(Na,K)]TiO3계 모체는 Na와 K의 전체 함량에 대한 K의 몰 비율이 15 내지 25 mol%인 비스무스계 무연 압전 세라믹스.
The method according to claim 1,
Wherein the [Bi (Na, K)] TiO 3 matrix is a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics having a molar ratio of K to the total content of Na and K of 15 to 25 mol%.
청구항 1에 있어서,
상기 비스무스계 무연 압전 세라믹스는 양의 최대 변형률이 0.25 내지 0.4 %인 비스무스계 무연 압전 세라믹스.
The method according to claim 1,
Wherein the bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics has a positive maximum strain of 0.25 to 0.4%.
청구항 4에 있어서,
상기 비스무스계 무연 압전 세라믹스는 음의 최대 변형률의 절대값이 0.01% 이하인 비스무스계 무연 압전 세라믹스.
The method of claim 4,
Wherein the bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics has an absolute value of a maximum negative strain of 0.01% or less.
청구항 1에 있어서,
상기 비스무스계 무연 압전 세라믹스는 1.4 ㎸/㎜보다 작고, 0 ㎸/㎜보다는 큰 항전계 값을 갖는 비스무스계 무연 압전 세라믹스.
The method according to claim 1,
Wherein the bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics has a coercive field value smaller than 1.4 kV / mm and larger than 0 kV / mm.
삭제delete 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항의 비스무스계 무연 압전 세라믹스; 및
상기 비스무스계 무연 압전 세라믹스에 전기적 신호를 제공하는 전극을 포함하는 액추에이터.
A bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics according to any one of claims 1 to 6; And
And an electrode for providing an electrical signal to the bismuth-based lead-free piezoelectric ceramics.
[Bi(Na,K)]TiO3계 모체의 주성분인 Bi, Na, K, Ti의 산화물 분말을 혼합하는 단계;
상기 혼합된 분말을 제1 하소하는 단계;
상기 제1 하소된 분말에 BiFeO3를 이루는 Bi, Fe의 산화물 분말을 첨가하여 제2 하소하는 단계;
상기 제2 하소된 분말을 가압하여 성형체를 형성하는 단계; 및
상기 성형체를 소결하여 의사-입방정(Pseudo-cubic) 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 소결체를 형성하는 단계를 포함하는 비스무스계 무연 압전 세라믹스 제조방법.
Mixing an oxide powder of Bi, Na, K, and Ti which is a main component of the [Bi (Na, K)] TiO 3 matrix;
First calcining the mixed powder;
A second calcination step of adding an oxide powder of Bi and Fe constituting BiFeO 3 to the first calcined powder;
Pressing the second calcined powder to form a formed body; And
And sintering the formed body to form a sintered body having a pseudo-cubic perovskite crystal structure.
청구항 9에 있어서,
상기 제1 하소된 분말 또는 제2 하소된 분말을 밀링하는 단계를 더 포함하는 비스무스계 무연 압전 세라믹스 제조방법.
The method of claim 9,
Further comprising the step of milling the first calcined powder or the second calcined powder.
청구항 9에 있어서,
상기 Bi, Na, K, Ti의 산화물 분말을 혼합하는 단계에서 Na와 K의 전체 함량에 대한 K의 몰 비율이 15 내지 25 mol%가 되도록 하는 비스무스계 무연 압전 세라믹스 제조방법.
The method of claim 9,
Wherein the molar ratio of K to the total content of Na and K is 15 to 25 mol% in the step of mixing the oxide powder of Bi, Na, K, and Ti.
청구항 9에 있어서,
상기 소결체는 (1-x)[Bi(Na,K)]TiO3―xBiFeO3 (여기서, 상기 x는 0.015 ≤ x ≤ 0.065)의 조성을 갖는 비스무스계 무연 압전 세라믹스 제조방법.
The method of claim 9,
The sintered body is (1-x) [Bi ( Na, K)] TiO 3 -xBiFeO 3 ( where, x is 0.015 ≤ x ≤ 0.065) process for producing a bismuth-based lead-free piezoelectric ceramic having a composition of.
청구항 9에 있어서,
상기 제1 하소하는 단계 및 제2 하소하는 단계는 750 내지 850 ℃의 온도에서 1시간 내지 3시간 동안 수행하는 비스무스계 무연 압전 세라믹스 제조방법.
The method of claim 9,
Wherein the first calcining step and the second calcining step are performed at a temperature of 750 to 850 占 폚 for 1 hour to 3 hours.
청구항 9에 있어서,
상기 성형체를 소결하여 소결체를 형성하는 단계는 1,100 내지 1,200 ℃에서 1시간 내지 3시간 동안 소결하는 비스무스계 무연 압전 세라믹스 제조방법.
The method of claim 9,
And sintering the molded body to form a sintered body, the sintered body is sintered at 1,100 to 1,200 ° C for 1 hour to 3 hours.
청구항 9에 있어서,
상기 소결체는 완화형 강유전체인 비스무스계 무연 압전 세라믹스 제조방법.
The method of claim 9,
Wherein the sintered body is a relaxed ferroelectric body.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013179260A (en) 2012-01-31 2013-09-09 Tdk Corp Piezoelectric composition and piezoelectric element
JP2013537513A (en) 2010-07-28 2013-10-03 ユニバーシティ オブ リーズ ceramic

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11217262A (en) * 1998-01-30 1999-08-10 Tokin Corp Piezoelectric porcelain composition
KR100801477B1 (en) 2006-11-01 2008-02-12 류주현 Lead free ceramics and the manufacturing method thereof

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013537513A (en) 2010-07-28 2013-10-03 ユニバーシティ オブ リーズ ceramic
JP2013179260A (en) 2012-01-31 2013-09-09 Tdk Corp Piezoelectric composition and piezoelectric element

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200017847A (en) 2018-08-09 2020-02-19 고려대학교 산학협력단 Method of manufacturing piezoelectric thin film and piezoelectric sensor using piezoelectric thin film
US10950781B2 (en) 2018-08-09 2021-03-16 Korea University Research And Business Foundation Method of manufacturing piezoelectric thin film and piezoelectric sensor manufactured using piezoelectric thin film
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