KR101681386B1 - Lead-free piezoelectric ceramic composition and Preparation method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무연 압전 세라믹 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은, 납을 포함하지 않아 환경친화적일 뿐만 아니라, 입도가 균일하여 입도 분포가 좁은 완화형 강유전체를 매질로 사용하여 치밀도가 높고, 상기 매질에 강유전체 입자가 분산된 구조를 가져 전계유기 특성이 우수하다. 또한, 고에너지 볼 밀링법(high energy ball-milling treatment)을 통하여 제조되므로 공정시간, 공정온도 등의 제어가 용이하여 공정효율 및 공정비용이 개선되는 이점이 있다.The present invention relates to a lead-free piezoelectric ceramic composition and a method of manufacturing the same. INDUSTRIAL APPLICABILITY The lead-free piezoelectric ceramics composition according to the present invention is not only environmentally friendly but also contains no lead, and has a high density with a relaxed ferroelectric material having a uniform particle size and narrow particle size distribution as a medium, Structure, which is excellent in electric field organic characteristics. In addition, since it is manufactured through a high energy ball-milling treatment, it is advantageous that process time and process temperature are easily controlled, thereby improving process efficiency and process cost.

Description

무연 압전 세라믹 조성물 및 이의 제조방법{Lead-free piezoelectric ceramic composition and Preparation method thereof}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a lead-free piezoelectric ceramic composition and a preparation method thereof,

본 발명은 무연 압전 세라믹 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는, 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체에 비스무스(Bi)계 강유전체 입자가 분산된 구조를 가지며, 고에너지 볼 밀링법을 이용하여 소결성 및 전계유기 성능이 향상된 무연 압전 세라믹 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a lead-free piezoelectric ceramic composition and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a lead-free piezoelectric ceramic composition having a structure in which bismuth (Bi) based ferroelectric particles are dispersed in a bismuth Sintering property and electric field organic performance, and a method for manufacturing the same.

압전 세라믹에 있어서, Pb(Zr,Ti)O3 (이하, 'PZT'라고 함) 세라믹 소재는 압전 특성이 우수하고 가격이 저렴하면서 제조 공정기술이 잘 알려져 있어 많은 응용분야에서 이용되고 있다. 그러나, 상기 소재는 납을 주성분으로 함유하고 있어 인체에 유해할 뿐만 아니라, 환경오염을 유발시키는 문제가 있어 이를 대체할 수 있는 무연 소재에 대한 필요성이 커지고 있다.
In piezoelectric ceramics, Pb (Zr, Ti) O 3 (hereinafter referred to as "PZT") ceramic material has been used in many applications because of its excellent piezoelectric properties, low cost, and well-known manufacturing process. However, since the material contains lead as a main component, it is not only harmful to human body but also causes environmental pollution, and there is a growing need for lead-free materials that can replace such materials.

현재까지 무연계 압전 세라믹의 연구는 Bi(Na,K)TiO3 조성을 갖는 비스무스(Bi) 기반 무연 세라믹과 (K,Na)NbO3 조성을 갖는 니오븀(Nb) 기반 무연 세라믹의 연구가 활발히 진행되고 있다.Until now, studies on the non-bonded piezoelectric ceramics have been actively conducted on a bismuth (Bi) based leadless ceramic having Bi (Na, K) TiO 3 composition and a niobium (Nb) based leadless ceramic having a (K, Na) NbO 3 composition .

그 예로서, 특허문헌 1은 유전손실 특성이 향상된 비스무스(Bi)계 복합 페로브스카이트(perovskite) 무연 압전 세라믹스 및 이의 제조방법을 개시하고 있으며, 특허문헌 2는 (K1 - xNax)NbO3의 조성을 갖는 세라믹 조성물에 KCuTaO 및 CuO가 첨가되어 기계적 품질계수가 우수한 무연 압전 세라믹 조성물을 개시하고 있다.For example, Patent Document 1 discloses a bismuth composite perovskite lead-free piezoelectric ceramics having improved dielectric loss characteristics and a manufacturing method thereof, and Patent Document 2 discloses a method of manufacturing a (K 1 - x Na x ) Discloses a lead-free piezoelectric ceramic composition having KCuTaO and CuO added to a ceramic composition having a composition of NbO 3 and having excellent mechanical quality factor.

그러나, 상기 기술들은 압전 소재의 치밀화를 위하여 1200℃ 이상의 고온에서 소결을 수행하므로, Na, K 등 휘발성이 강한 원소가 휘발될 수 있으며, 이를 방지하기 위해서는 과량의 Na, K 원료 분말을 사용하거나, 소결온도를 제한해야 하므로, 이에 따른 압전 세라믹스의 특성이 저하되는 문제가 있다.
However, since the sintering is performed at a high temperature of 1200 ° C or more for densification of the piezoelectric material, volatile elements such as Na and K may be volatilized. To prevent this, excessive Na and K raw material powders are used, The sintering temperature must be limited, and the characteristics of the piezoelectric ceramics accordingly deteriorate.

따라서, 압전 특성이 우수하여 종래의 PZT계 압전 소재들을 대체할 수 있을 뿐만 아니라, 소결성이 향상되어 소결 시, 낮은 온도에서 높은 치밀도를 갖는 무연 세라믹스의 개발이 절실히 요구되고 있다.
Therefore, it is required to develop lead-free ceramics having high density at low temperature and high sintering at the time of sintering because sintering performance is improved as well as conventional PZT piezoelectric materials can be substituted by excellent piezoelectric properties.

대한민국 등록특허 제10-1268487호Korean Patent No. 10-1268487 대한민국 등록특허 제10-1310450호Korean Patent No. 10-1310450

본 발명의 목적은, 압전 특성이 우수하고, 소결성이 향상되어 낮은 소결온도에서도 치밀도가 높은 무연 압전 세라믹 조성물을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a lead-free piezoelectric ceramic composition having excellent piezoelectric characteristics and improved sinterability and having high density even at a low sintering temperature.

본 발명의 다른 목적은, 상기 무연 압전 세라믹 조성물의 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the PFC ceramic composition.

본 발명의 또 다른 목적은, 상기 무연 압전 세라믹 조성물을 포함하는 압전 응용 소자를 제공하는데 있다.
Still another object of the present invention is to provide a piezoelectric application device comprising the Pb-free piezoelectric ceramic composition.

상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,

본 발명은 하나의 실시예에서,The present invention, in one embodiment,

비스무스(Bi)계 완화형 강유전체를 매질로 하여 비스무스(Bi)계 강유전체 입자가 분산된 구조를 가지고,(Bi) -based ferroelectric material is dispersed in a bismuth (Bi) -based ferroelectric material as a medium,

상기 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체는, 평균 입도가 1 내지 50 μm이며, 1 내지 100 μm의 입도 범위에서, 입도 분포가 하기 수학식 1의 조건을 만족하는 무연 압전 세라믹 조성물을 제공한다:The bismuth (Bi) -based relaxed ferroelectric material has an average particle size of 1 to 50 占 퐉 and has a particle size distribution satisfying the following expression (1) in a particle size range of 1 to 100 占 퐉:

[수학식 1][Equation 1]

ΔDP ≤ 70 μmΔDP ≤ 70 μm

상기 수학식 1에 있어서,In Equation (1) above,

ΔDP는 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체의 빈도가 90% 이상인 영역의 최대입도와 최소입도의 편차를 나타낸다.
And? DP represents a deviation between the maximum grain size and the minimum grain size in the region where the frequency of the bismuth (Bi) -semiconductor relaxation ferroelectric is 90% or more.

또한, 본 발명은 다른 하나의 실시예에서,Further, in another embodiment of the present invention,

하기 화학식 1로 나타내는 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체의 고에너지 볼 밀링을 수행하는 단계; 및Performing high energy ball milling of a bismuth (Bi) based relaxation ferroelectric material represented by the following formula (1); And

밀링된 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체와 비스무스(Bi)계 강유전체를 혼합하여 성형하는 단계를 포함하는 무연 압전 세라믹 조성물의 제조방법을 제공한다:There is provided a method of manufacturing a lead-free piezoelectric ceramic composition including a step of mixing and molding a milled bismuth (Bi) -based relaxed ferroelectric and a bismuth (Bi) -based ferroelectric material:

[화학식 1][Chemical Formula 1]

(1-x)[Bi1 /2(Na(1-y)Ky)1/2TiO3]-xLaFeO3 (1-x) [Bi 1 /2 (Na (1-y) K y) 1/2 TiO 3] -xLaFeO 3

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

x는 0.018-0.035이고; 및x is 0.018 to 0.035; And

y는 0.16-0.25이다.
y is 0.16-0.25.

나아가, 본 발명은 또 다른 하나의 실시예에서,Furthermore, the present invention, in another embodiment,

상기 무연 압전 세라믹 조성물을 이용하여 제조되는 압전체; 및A piezoelectric body manufactured using the lead-free piezoelectric ceramic composition; And

상기 압전체에 접촉되어 지지되는 적어도 한 쌍의 전극으로 구성되는 압전 응용 소자를 제공한다.
And at least a pair of electrodes supported in contact with the piezoelectric body.

본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은, 납을 포함하지 않아 환경친화적일 뿐만 아니라, 낮은 소결온도에서도 치밀도가 높고, 전계유기 특성이 우수하다. 또한, 고에너지 볼 밀링법(high energy ball-milling treatment)을 통하여 제조되므로 공정시간, 공정온도 등의 제어가 용이하여 공정효율 및 공정비용이 개선되는 이점이 있다.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The lead-free piezoelectric ceramics composition according to the present invention is environmentally friendly since it does not contain lead, has high density and excellent electric field organic characteristics even at a low sintering temperature. In addition, since it is manufactured through a high energy ball-milling treatment, it is advantageous that process time and process temperature are easily controlled, thereby improving process efficiency and process cost.

도 1은, 하나의 실시예에서 고에너지 볼 밀링 처리시간에 따른 비스무스계 완화형 강유전체의 입도 분포를 도시한 그래프이다.
도 2는, 다른 하나의 실시예에서, 비스무스계 완화형 강유전체의 소성온도에 따른 고에너지 볼 밀링 처리시간 별, 소성 수축율을 도시한 그래프이다.
도 3은, 또 다른 하나의 실시예에서, 무연 압전 세라믹 조성물의 인가전계에 따른 고에너지 볼 밀링 처리시간 별, 변형률 이력을 도시한 그래프이다.
도 4는, 하나의 실시예에서, 무연 압전 세라믹 조성물의 고에너지 볼 밀링 처리시간에 따른 정규화 변형률(Smax/Emax)을 도시한 그래프이다.
FIG. 1 is a graph showing the particle size distribution of a bismuth-based relaxation type ferroelectric substance according to a high-energy ball milling treatment time in one embodiment.
2 is a graph showing the firing shrinkage ratio for each high-energy ball milling treatment time according to the firing temperature of the ferroelectric of the bismuth-based relaxation type in another embodiment.
Fig. 3 is a graph showing the strain history by high energy ball milling treatment time according to the applied electric field of the lead-free piezoelectric ceramics composition in another embodiment.
4 is a graph showing the normalized strain (S max / E max ) according to the high energy ball milling treatment time of the lead-free piezoelectric ceramics composition in one embodiment.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, the terms "comprising" or "having ", and the like, specify that the presence of a feature, a number, a step, an operation, an element, a component, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed.

이하, 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings, and the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and a duplicate description thereof will be omitted.

본 발명에서, "단봉형 분포(unimodal distribution)"란, 입도를 10x에 대한 함수로 나타낸 입도 분포 그래프에 있어서, x의 범위가 0 내지 2인 경우 일정 간격을 가지며 연속되는 30개 이상의 임의의 입도값에 대한 평균 분율이 단일 봉우리의 형태로 나타나는 입도 분포를 의미한다. 예를 들어, 도 1의 제조예 4와 같이, x=0 내지 2인 범위 즉, 입도가 1 내지 100 μm인 범위에서 일정 입도 간격을 가지며 연속되는 30개 이상의 임의의 입도값에 대한 평균 분율이 하나의 봉우리 형태로 나타날 때, "단봉형 분포를 갖는다"라고 한다.In the present invention, the term "unimodal distribution" refers to a particle size distribution graph in which the particle size is expressed as a function of 10 x . When the range of x is 0 to 2, Means the particle size distribution in which the average fraction with respect to the particle size value appears in the form of a single peak. For example, as in Production Example 4 of Fig. 1, an average fraction of 30 or more continuous arbitrary particle size values having a constant particle size in the range of x = 0 to 2, that is, a particle size of 1 to 100 m When it appears in the form of a single peak, it is said to have a "unipolar distribution".

또한, 본 발명에서, "이봉형 분포(bimodal distribution)"란, 입도를 10x에 대한 함수로 나타낸 입도 분포 그래프에 있어서, x의 범위가 0 내지 2인 경우 일정 간격을 가지며 연속되는 30개 이상의 임의의 입도값에 대한 평균 분율이 2개의 봉우리 형태로 나타나는 입도 분포를 의미한다. 예를 들어, 도 1의 제조예 2와 같이, x=0 내지 2인 범위 즉, 입도가 1 내지 100 μm인 범위에서 일정 입도 간격을 가지며 연속되는 30개 이상의 임의의 입도값에 대한 평균 분율이 2개의 봉우리가 겹쳐진 형태로 나타날 때, "이봉형 분포를 갖는다"라고 한다.
In the present invention, "bimodal distribution" refers to a particle size distribution graph in which the particle size is expressed as a function of 10 x . When the range of x is 0 to 2, Means the particle size distribution in which the average fraction with respect to the particle size value appears in the form of two peaks. For example, as in Production Example 2 of Fig. 1, the average fraction of 30 or more arbitrary particle size values having a constant particle size interval in a range of x = 0 to 2, that is, a particle size of 1 to 100 m When two peaks appear in superimposed form, it is said to have a "bimodal distribution".

본 발명은 무연 압전 세라믹 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lead-free piezoelectric ceramic composition and a method of manufacturing the same.

현재까지 Bi(Na,K)TiO3 조성을 갖는 비스무스 기반 무연 세라믹, (K,Na)NbO3 조성을 갖는 니오븀 기반 무연 세라믹 등 무연계 압전 세라믹에 대한 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, 현재까지 개발된 압전 소재들은, 소재의 치밀화를 위하여 1200℃ 이상의 고온에서 소결을 수행하므로, Na, K 등 휘발성이 강한 원소가 휘발될 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 과량의 Na, K 원료 분말을 사용하거나, 소결온도를 제한해야 하므로, 이에 따른 압전 세라믹스의 특성이 저하되는 한계가 있다.Until now, various studies have been actively conducted on non-bonded piezoelectric ceramics such as a bismuth-based lead-free ceramic having a composition of Bi (Na, K) TiO 3 and a niobium-based leadless ceramic having a (K, Na) NbO 3 composition. However, since piezoelectric materials developed to date have been sintered at a high temperature of 1200 ° C or higher in order to densify the material, volatile elements such as Na and K may be volatilized. In order to prevent this, excessive amounts of Na and K raw material powders must be used, or the sintering temperature must be limited, so that the characteristics of the piezoelectric ceramics accordingly deteriorate.

이에, 본 발명은 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체에 비스무스(Bi)계 강유전체 입자가 분산된 구조를 가지며, 고에너지 볼 밀링법을 이용하여 소결성 및 전계유기 성능이 향상된 무연 압전 세라믹 조성물 및 이의 제조방법을 제안한다.Accordingly, the present invention relates to a lead-free piezoelectric ceramic composition having a structure in which bismuth (Bi) -based ferroelectric particles are dispersed in a bismuth (Bi) -based relaxed ferroelectric substance and sinterability and field organic performance are improved by using a high energy ball milling method, Method.

본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은, 납을 포함하지 않아 환경친화적일 뿐만 아니라, 입도가 균일하여 입도 분포가 좁은 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체를 매질로 사용하여 낮은 소결온도에서도 치밀도가 높다. 또한, 상기 매질에 비스무스(Bi)계 강유전체 입자가 분산된 구조를 가져 전계유기 특성이 우수하다. 나아가, 고에너지 볼 밀링법(high energy ball-milling treatment)을 통하여 제조되므로 공정시간, 공정온도 등의 제어가 용이하여 공정효율 및 공정비용이 개선되는 이점이 있다.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The lead-free piezoelectric ceramics composition according to the present invention is not only environmentally friendly but also has high density at a low sintering temperature by using a bismuth (Bi) based relaxation ferroelectric material having a uniform particle size and narrow particle size distribution as a medium . In addition, it has a structure in which bismuth (Bi) -based ferroelectric particles are dispersed in the medium and is excellent in electric field organic characteristics. Further, since the process is manufactured through a high energy ball-milling process, it is easy to control process time and process temperature, thereby improving process efficiency and process cost.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 하나의 실시예에서,The present invention, in one embodiment,

비스무스(Bi)계 완화형 강유전체를 매질로 하여 비스무스(Bi)계 강유전체 입자가 분산된 구조를 가지고,(Bi) -based ferroelectric material is dispersed in a bismuth (Bi) -based ferroelectric material as a medium,

상기 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체는, 평균 입도가 1 내지 50 μm이며, 1 내지 100 μm의 입도 범위에서, 입도 분포가 하기 수학식 1의 조건을 만족하는 무연 압전 세라믹 조성물을 제공한다:The bismuth (Bi) -based relaxed ferroelectric material has an average particle size of 1 to 50 占 퐉 and has a particle size distribution satisfying the following expression (1) in a particle size range of 1 to 100 占 퐉:

[수학식 1][Equation 1]

ΔDP ≤ 70 μmΔDP ≤ 70 μm

상기 수학식 1에 있어서,In Equation (1) above,

ΔDP는 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체의 빈도가 90% 이상인 영역의 최대입도와 최소입도의 편차를 나타낸다.And? DP represents a deviation between the maximum grain size and the minimum grain size in the region where the frequency of the bismuth (Bi) -semiconductor relaxation ferroelectric is 90% or more.

구체적으로 상기 최대입도와 최소입도의 편차는 70 μm 이하, 60 μm 이하, 또는 50 μm 이하일 수 있다.Specifically, the deviation between the maximum particle size and the minimum particle size may be 70 μm or less, 60 μm or less, or 50 μm or less.

본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은, 페로브스카이트 구조의 비스무스계 완화형 강유전체(이하, "완화형 강유전체"라 함)를 매질로 하여, 상기 매질에 비스무스계 강유전체(이하, "강유전체"라 함)가 분산된 구조를 가질 수 있다. 일반적으로 무연계 압전 소재는 낮은 전계에서 전계유기 변형률이 낮은 문제가 있다. 그러나, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은 완화형 강유전체에 강유전체가 분산된 형태의 구조를 가짐으로써, 낮은 전계에서도 우수한 전계유기 성능을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물에 낮은 전계가 인가될 경우, 완화형 강유전체 내에 분산되어 있던 강유전체가, 완화형 강유전체를 강유전체로 상전이되도록 유도하므로, 높은 전계유기 변형률을 가질 수 있다.
The lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention is a ferroelectric material having a bismuth-based relaxation type ferroelectric (hereinafter referred to as "relaxation type ferroelectric") having a perovskite structure as a medium and a bismuth ferroelectric ) May be dispersed. In general, a non-bonded piezoelectric material has a low electric field strain at a low electric field. However, the lead-free piezoelectric ceramics composition according to the present invention has a structure in which a ferroelectric is dispersed in a relaxed ferroelectric substance, so that it can have an excellent field organic performance even in a low electric field. More specifically, when a low electric field is applied to the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention, the ferroelectric dispersed in the relaxed ferroelectric induces the relaxed ferroelectric to be in phase transition to the ferroelectric, so that it can have a high electric field organic strain.

이때, 상기 완화형 강유전체는, 페로브스카이트 구조를 갖는 하기 화학식 1로 나타내는 화합물일 수 있으며, 평균 입도는, 1 내지 50 μm일 수 있다:Here, the relaxed ferroelectric may be a compound represented by the following formula (1) having a perovskite structure, and may have an average particle size of 1 to 50 m:

[화학식 1][Chemical Formula 1]

(1-x)[Bi1 /2(Na(1-y)Ky)1/2TiO3]-xLaFeO3 (1-x) [Bi 1 /2 (Na (1-y) K y) 1/2 TiO 3] -xLaFeO 3

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

x는 0.018-0.035이고; 및x is 0.018 to 0.035; And

y는 0.16-0.25이다.y is 0.16-0.25.

보다 구체적으로, 상기 완화형 강유전체의 평균 입도는, 1 내지 45 μm; 1 내지 40 μm; 1 내지 30 μm; 1 내지 20 μm; 또는 1 내지 10 μm일 수 있다.
More specifically, the average size of the relaxed ferroelectric is 1 to 45 m; 1 to 40 [mu] m; 1 to 30 [mu] m; 1 to 20 m; Or 1 to 10 [mu] m.

또한, 상기 완화형 강유전체의 입도 분포는, 1 내지 100 μm 입도 범위에서 하기 수학식 1의 조건을 만족할 수 있으며, 단봉형(unimodal)의 입도 분포를 가질 수 있다:The particle size distribution of the relaxed ferroelectric may satisfy the following condition (1) in a particle size range of 1 to 100 μm, and may have a unimodal particle size distribution:

[수학식 1][Equation 1]

ΔDP ≤ 70 μmΔDP ≤ 70 μm

상기 수학식 1에 있어서,In Equation (1) above,

ΔDP는 완화형 강유전체의 빈도가 90% 이상인 영역의 최대입도와 최소입도의 편차를 나타낸다.? DP represents the deviation between the maximum grain size and the minimum grain size in the region where the frequency of the relaxation ferroelectric is 90% or more.

구체적으로, 하나의 실시예에서 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물에 포함된 완화형 강유전체 3종의 입도를 분석하였다. 그 결과, 상기 3종의 완화형 강유전체들은 약 1 내지 50 μm의 평균 입도를 갖는 것으로 나타났다. 또한, 완화형 강유전체의 빈도가 90% 이상인 영역은, 약 1 내지 60 μm 입도 범위를 가지고, 상기 영역에 존재하는 최대입도와 최소입도의 편차(ΔDP)는 각각 약 39 μm, 30 μm 및 7 μm인 것으로 확인되었다. 이와 더불어, 상기 완화형 강유전체들의 입도 분포는 1 내지 100 μm 입도 범위에서 단봉형 분포(unimodal distribution)를 갖는 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터, 상기 완화형 강유전체의 입도는 작고, 균일하여 수학식 1의 조건을 만족하는 것을 알 수 있다(실험예 1 및 도 1 참조).
Specifically, in one embodiment, the grain sizes of three relaxation type ferroelectrics included in the Pb-free piezoelectric ceramics composition according to the present invention were analyzed. As a result, the three relaxed ferroelectrics were found to have an average grain size of about 1 to 50 μm. In addition, the region where the frequency of the relaxation type ferroelectric substance is 90% or more has a particle size range of about 1 to 60 μm, and the maximum particle size and minimum particle size variation (ΔDP) in the region are about 39 μm, 30 μm, and 7 μm Respectively. In addition, the particle size distribution of the relaxed ferroelectrics has a unimodal distribution in the particle size range of 1 to 100 μm. From these results, it can be seen that the grain size of the relaxed ferroelectric is small, uniform, and satisfies the condition of Equation (1) (see Experimental Example 1 and Fig. 1).

나아가, 본 발명에 따른 상기 무연 압전 세라믹 조성물은, 매질인 완화형 강유전체의 입도를 작고 균일하게 제어함으로써, 소결성 개선을 통하여 낮은 소결온도에서도 소성 밀도, 즉 치밀도가 증가되고, 전계유기 성능이 향상될 수 있다.Further, the lead-free piezoelectric ceramics composition according to the present invention improves the sintering property and the plastic density, that is, the compactness is increased and the field organic performance is improved even at a low sintering temperature by controlling the grain size of the relaxed ferroelectric medium, .

하나의 예로서, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은, 4 kV/mm의 전계 조건에서, 450 pm/V 이상의 정규화 변형률을 가질 수 있으며, 하기 수학식 2의 조건을 만족할 수 있다:As one example, the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention may have a normalization strain of 450 pm / V or more at an electric field of 4 kV / mm and may satisfy the following condition:

[수학식 2]&Quot; (2) "

(Smax/Emax)uni / (Smax/Emax)bi ≥ 1.1(S max / E max ) uni / (S max / E max ) bi ≥ 1.1

상기 수학식 2에서,In Equation (2)

(Smax/Emax)uni는, 1 내지 100 μm 범위에서 단봉형(unimodal)의 입도 분포를 갖는 완화형 강유전체를 포함하는 무연 압전 세라믹 조성물의 정규화 변형률을 나타내고,(S max / E max ) uni represents a normalization strain of a lead-free piezoelectric ceramic composition including a relaxed ferroelectric having a unimodal particle size distribution in the range of 1 to 100 μm,

(Smax/Emax)bi는, 1 내지 100 μm 범위에서 이봉형(bimodal)의 입도 분포를 갖는 완화형 강유전체를 포함하는 무연 압전 세라믹 조성물의 정규화 변형률을 나타낸다.(S max / E max ) bi represents a normalized strain of a lead-free piezoelectric ceramic composition including a relaxed ferroelectric having a bimodal particle size distribution in the range of 1 to 100 μm.

본 발명에 따른 상기 무연 압전 세라믹 조성물은, 전계유기 성능이 우수하여 수학식 2의 조건을 1.1배 이상; 1.15배 이상; 1.18배 이상; 1.2배 이상; 또는 1.21배 이상으로 만족할 수 있다.The lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention has excellent electric field organic performance and satisfies the condition of Equation (2) 1.1 times or more; 1.15 times or more; 1.18 times or more; 1.2 times or more; Or 1.21 times or more.

구체적으로 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물 4종의 전계유기 변형률을 측정하였다. 그 결과, 1 내지 100 μm 범위에서 단봉형(unimodal)의 입도 분포를 갖는 완화형 강유전체를 매질로 포함하는 무연 압전 세라믹 조성물 4종은, 각각 약 523 pm/V, 517 pm/V, 542 pm/V 및 524 pm/V의 정규화 변형률을 갖는 것으로 나타났다. 또한, 1 내지 100 μm 범위에서 이봉형(bimodal)의 입도 분포를 갖는 완화형 강유전체를 매질로 포함하는 무연 압전 세라믹 조성물의 경우, 약 422 pm/V의 정규화 변형률을 갖는 것으로 나타났다. 즉, 무연 압전 세라믹 조성물은, 1 내지 100 μm 범위에서 단봉형(unimodal)의 입도 분포를 갖는 완화형 강유전체를 포함하는 경우, 이봉형(bimodal)의 입도 분포를 갖는 완화형 강유전체를 포함하는 경우와 대비하여 약 1.23 내지 1.28배 정규화 변형률이 높은 것을 알 수 있다.Specifically, in one embodiment, the electric field organic strain of four kinds of the lead-free piezoelectric ceramics composition according to the present invention was measured. As a result, four types of lead-free piezoelectric ceramic compositions including a relaxed ferroelectric material having a unimodal particle size distribution in the range of 1 to 100 μm were obtained at about 523 pm / V, 517 pm / V, 542 pm / V and a normalization strain of 524 pm / V. In the case of a lead-free piezoelectric ceramic composition containing a relaxed ferroelectric material having a bimodal particle size distribution in the range of 1 to 100 mu m as a medium, it was found to have a normalized strain of about 422 pm / V. That is, when the lead-free piezoelectric ceramics composition contains a relaxed ferroelectric having a unimodal particle size distribution in the range of 1 to 100 μm, it is preferable to use a relaxed ferroelectric having a bimodal particle size distribution, It is found that the normalized strain is about 1.23 to 1.28 times higher.

이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은 전계유기 성능이 향상되어 상기 수학식 2의 조건을 만족하는 것을 알 수 있다(실험예 2 참조).
From these results, it can be seen that the Pb-free piezoelectric ceramics composition according to the present invention has improved electric field organic performance and satisfies the condition of Equation (2) (see Experimental Example 2).

한편, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물에 있어서, 상기 강유전체는, 하기 화학식 2로 나타내는 화합물일 수 있다:Meanwhile, in the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention, the ferroelectric may be a compound represented by the following formula (2)

[화학식 2](2)

Bi1 /2(Na(1-z)Kz)1/2TiO3 Bi 1/2 (Na (1 -z) K z) 1/2 TiO 3

상기 화학식 2에 있어서,In Formula 2,

z는 0.16-0.22이다.z is 0.16-0.22.

또한, 상기 강유전체의 함량은, 완화형 강유전체 100 중량부에 대하여 5 내지 55 중량부일 수 있다. 구체적으로, 상기 함량은 5 내지 50 중량부; 5 내지 40 중량부; 5 내지 30 중량부; 또는 5 내지 20 중량부일 수 있다.The content of the ferroelectric may be 5 to 55 parts by weight based on 100 parts by weight of the relaxation type ferroelectric. Specifically, the content is 5 to 50 parts by weight; 5 to 40 parts by weight; 5 to 30 parts by weight; Or 5 to 20 parts by weight.

본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은, 강유전체를 상기 범위 내로 포함함으로써 저전계 변형성이 저하되거나 고전계에서의 최대 변형률이 감소하는 것을 방지하고, 낮은 구동 전계에서의 전계유기 변형률을 극대화할 수 있다.
The lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention can prevent the decrease in the low-temperature deformation or the maximum strain in the high-electric field by including the ferroelectric within the above range, and maximize the field organic strain in the low driving electric field.

또한, 본 발명은 하나의 실시예예서,In addition, the present invention may be embodied as one embodiment,

하기 화학식 1로 나타내는 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체의 고에너지 볼 밀링을 수행하는 단계; 및Performing high energy ball milling of a bismuth (Bi) based relaxation ferroelectric material represented by the following formula (1); And

밀링된 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체와 비스무스(Bi)계 강유전체를 혼합하여 성형하는 단계를 포함하는 무연 압전 세라믹 조성물의 제조방법을 제공한다:There is provided a method of manufacturing a lead-free piezoelectric ceramic composition including a step of mixing and molding a milled bismuth (Bi) -based relaxed ferroelectric and a bismuth (Bi) -based ferroelectric material:

[화학식 1][Chemical Formula 1]

(1-x)[Bi1 /2(Na(1-y)Ky)1/2TiO3]-xLaFeO3 (1-x) [Bi 1 /2 (Na (1-y) K y) 1/2 TiO 3] -xLaFeO 3

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

x는 0.018-0.035이고; 및x is 0.018 to 0.035; And

y는 0.16-0.25이다.y is 0.16-0.25.

본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물의 제조방법은, 화학식 1로 나타내는 완화형 강유전체에 강유전체를 분산시킨 형태의 혼합물을 제조하기 이전에, 매질인 완화형 강유전체의 고에너지 볼 밀링을 수행함으로써 무연 압전 세라믹 조성물의 소결성 및 전계유기 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
The manufacturing method of a lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention is characterized in that before manufacturing a mixture in which a ferroelectric is dispersed in a relaxation type ferroelectric represented by the general formula (1), a high-energy ball milling of a relaxed ferroelectric, There is an advantage that the sinterability and the electric field organic performance of the composition can be improved.

이하, 상기 제조방법을 각 단계별로 보다 상세히 설명한다.
Hereinafter, the above manufacturing method will be described in more detail in each step.

먼저, 하기 화학식 1로 나타내는 완화형 강유전체의 고에너지 볼 밀링을 수행하는 단계는, 매질인 완화형 강유전체와 용매를 밀링용기에 밀링볼과 함께 장입하고, 높은 기계적 에너지로 교반하여 분쇄함으로써, 완화형 강유전체의 입도를 낮추고 균일화하는 단계이다:First, in the step of performing high energy ball milling of the relaxation type ferroelectric material represented by the following formula 1, the relaxation type ferroelectric and the solvent, which are the medium, are charged into a milling vessel together with the milling balls, followed by pulverization with high mechanical energy, Lowering the grain size of the ferroelectric and making it uniform:

[화학식 1][Chemical Formula 1]

(1-x)[Bi1 /2(Na(1-y)Ky)1/2TiO3]-xLaFeO3 (1-x) [Bi 1 /2 (Na (1-y) K y) 1/2 TiO 3] -xLaFeO 3

상기 화학식 1에서,In Formula 1,

x는 0.018-0.035이고; 및x is 0.018 to 0.035; And

y는 0.16-0.25이다.
y is 0.16-0.25.

이때, 상기 고에너지 볼 밀링은, 밀링용기와 밀링볼로 구성되는 고에너지 볼 밀 장치에 의해 수행될 수 있으며, 상기 고에너지 볼 밀 장치는, 당업계에서 통상적으로 사용되는 것이라면, 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 고에너지 볼 밀 장치로는, 진동밀(vibratory/shaker mill), 유성밀(planetary mill), 어트리션밀(attrition mill) 등을 포함할 수 있다.
Here, the high energy ball milling can be performed by a high energy ball milling apparatus composed of a milling vessel and a milling ball, and the high energy ball milling apparatus is not particularly limited as long as it is commonly used in the art Can be used. For example, the high energy ball mill apparatus may include a vibratory / shaker mill, a planetary mill, an attrition mill, and the like.

또한, 상기 밀링볼은, 고에너지 볼 밀링 시 완화형 강유전체에 기계적 에너지를 가하는 기능을 하며, 지르코니아 계열, 철 계열 및 텅스텐 카바이드 계열 중에서 선택적으로 사용할 수 있다. 이와 더불어, 상기 밀링볼은 고에너지 볼 밀링 시 밀링용기에 3개 이상 장입될 수 있으며, 장입되는 밀링볼의 전체 중량은, 완화형 강유전체 1 중량부에 대하여, 2 내지 5 중량부, 구체적으로는 2 내지 4 중량부; 3 내지 4 중량부; 또는 2.5 내지 3.5 중량부일 수 있다.The milling balls function to apply mechanical energy to the relaxation type ferroelectric material during high energy ball milling, and can be selectively used among zirconia series, iron series and tungsten carbide series. In addition, the milling balls can be charged into the milling vessel in the milling vessel at the time of high energy ball milling, and the total weight of the milling balls to be charged is 2 to 5 parts by weight per 1 part by weight of the relaxation type ferroelectric, 2 to 4 parts by weight; 3 to 4 parts by weight; Or 2.5 to 3.5 parts by weight.

예를 들어, 습식 고에너지 볼 밀링을 수행할 경우, 완화형 강유전체, 밀링볼 및 용매는 1 : 2 내지 5 : 2 내지 5의 중량비율로 밀링용기에 장입될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, when performing wet high energy ball milling, the relaxed ferroelectric, milling balls and solvent may be charged into the milling vessel at a weight ratio of 1: 2 to 5: 2 to 5, but are not limited thereto.

본 발명은, 고에너지 볼 밀링 수행 시, 밀링볼의 중량을 상기 범위로 제어함으로써, 밀링된 완화형 강유전체의 수율 감도를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 밀링볼에 의해 발생되는 충돌 에너지 등의 기계적 에너지를 최적화하여 완화형 강유전체의 분산과 분쇄를 효과적으로 제어할 수 있다.
The present invention can prevent the yield sensitivity of the milled relaxed ferroelectric material by controlling the weight of the milling balls in the above range during the high energy ball milling and also can reduce mechanical energy such as impact energy generated by the milling balls It is possible to effectively control the dispersion and pulverization of the relaxed ferroelectric.

나아가, 상기 고에너지 볼 밀링의 수행시간은, 10 내지 100분일 수 있으며, 구체적으로, 10 내지 90분; 10 내지 80분; 10 내지 70분; 또는 15 내지 65분일 수 있다.Further, the execution time of the high-energy ball milling may be 10 to 100 minutes, specifically 10 to 90 minutes; 10 to 80 minutes; 10 to 70 minutes; Or 15 to 65 minutes.

또한, 상기 고에너지 볼 밀링의 회전 속도는 700 내지 1100 rpm일 수 있으며, 구체적으로 700 내지 1050 rpm; 700 내지 1000 rpm; 내지 700 내지 950 rpm; 또는 750 내지 1000 rpm에서 수행될 수 있다.In addition, the rotation speed of the high energy ball milling may be 700 to 1100 rpm, specifically 700 to 1050 rpm; 700 to 1000 rpm; To 700 to 950 rpm; Or 750 to 1000 rpm.

본 발명은, 고에너지 볼 밀링의 수행시간 및 회전 속도를 상기 범위 내로 제어함으로써, 최소한의 시간과 비용으로 완화형 강유전체의 입도를 제어할 수 있는 이점이 있다.
The present invention has an advantage in that the particle size of the relaxation ferroelectric can be controlled with minimum time and cost by controlling the execution time and the rotation speed of high energy ball milling within the above range.

본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물의 제조방법은, 완화형 강유전체와 강유전체의 혼합물을 제조하기 이전에 매질인 완화형 강유전체의 고에너지 볼 밀링을 수행하여 입도를 제어함으로써, 1200℃ 보다 낮은 온도에서도 높은 치밀도를 갖는 무연 압전 세라믹 조성물을 제조할 수 있다.The method of manufacturing a lead-free piezoelectric ceramics composition according to the present invention is a method of manufacturing a lead-free piezoelectric ceramic composition by controlling a particle size by performing high energy ball milling of a relaxed ferroelectric medium as a medium prior to preparing a mixture of a relaxed ferroelectric and a ferroelectric material, A lead-free piezoelectric ceramic composition having a compactness can be produced.

하나의 예로서, 밀링된 완화형 강유전체는, 하기 수학식 3의 조건을 만족할 수 있다:As one example, the milled relaxation type ferroelectric can satisfy the following condition (3): " (3) "

[수학식 3]&Quot; (3) "

(SH30m - SH0m) / SH0m ≥ 0.15(SH 30m - SH 0m ) / SH 0m ? 0.15

상기 수학식 3에서,In Equation (3)

SH30m은, 30분간 고에너지 볼 밀링을 수행한 완화형 강유전체의 1100℃ 소성 수축률을 나타내고,The SH 30 m represents the firing shrinkage at 1100 ° C of the relaxed ferroelectric material subjected to the high energy ball milling for 30 minutes,

SH0m은, 0분간 고에너지 볼 밀링을 수행한 완화형 강유전체의 1100℃ 소성 수축률을 나타낸다.SH 0m represents the firing shrinkage at 1100 ° C of the relaxed ferroelectric material subjected to high energy ball milling for 0 minutes.

구체적으로, 상기 밀링된 완화형 강유전체는, 소성 수축률이 개선되어, 수학식 3의 조건을 0.16 이상; 0.17 이상; 0.18 이상; 0.19 이상; 또는 0.20 이상으로 만족할 수 있다.Specifically, the milled relaxation type ferroelectric has improved firing shrinkage ratio, satisfying the condition of the formula (3) to 0.16 or more; 0.17 or more; 0.18 or more; 0.19 or more; Or 0.20 or more.

하나의 실시예에서, 30분간 고에너지 밀링 처리된 완화형 강유전체와 고에너지 밀링 처리되지 않은(처리 시간: 0분) 완화형 강유전체의 1100℃ 소성 수축률을 측정하였다. 그 결과, 30분간 고에너지 밀링 처리된 완화형 강유전체는 약 11.8%의 수축률을 갖는 것으로 나타난 반면, 고에너지 볼 밀링을 수행하지 않은 완화형 강유전체는 약 9.0%의 소성 수축률을 갖는 것으로 나타났다. 즉, 고에너지 볼 밀링된 완화형 강유전체는 입도가 작고 균일해져 고에너지 볼 밀링이 수행되지 않은 완화형 강유전체와 대비하여 약 2.1% 소성 수축률이 향상되므로, 수학식 3의 조건을 만족하는 것을 알 수 있다(실험예 1 참조).
In one embodiment, the firing shrinkage of the relaxed ferroelectric material subjected to the high energy milling for 30 minutes and the relaxed ferroelectric material not subjected to the high energy milling treatment (treatment time: 0 minutes) was measured. As a result, the relaxed ferroelectric material subjected to the high energy milling for 30 minutes had a shrinkage ratio of about 11.8%, while the relaxed ferroelectric material without the high energy ball milling had a shrinkage ratio of about 9.0%. That is, the relaxation type ferroelectric with high energy ball milling is small and uniform in grain size, and the plastic shrinkage ratio is improved by about 2.1% as compared with the relaxation type ferroelectric without high-energy ball milling. (See Experimental Example 1).

한편, 상기 완화형 강유전체는,On the other hand, in the relaxed ferroelectric,

Bi2O3, Na2CO3, K2CO3 및 TiO2, La2O5 및 Fe2O5을 각각 칭량하고, 습식 혼합하여 분쇄하는 단계; 및Bi 2 O 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 and TiO 2 , La 2 O 5 and Fe 2 O 5 are respectively weighed and wet-mixed and pulverized; And

분쇄된 혼합물을 하소하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.And calcining the ground mixture.

구체적으로, 상기 완화형 강유전체는 화학식 1의 조성에 따라 Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, La2O5 및 Fe2O5을 칭량 및 혼합하여 분쇄하고, 제조되는 반죽 형태의 혼합물을 고상 화학 반응을 수행하기 위하여, 약 750 내지 950℃에서 1 내지 3시간 동안 하소하여 제조될 수 있다.Specifically, the relaxed ferroelectric material is obtained by weighing and mixing Bi 2 O 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , TiO 2 , La 2 O 5 and Fe 2 O 5 according to the composition of the formula (1) By calcining at about 750 to 950 캜 for 1 to 3 hours to perform a solid phase chemical reaction.

이때, 상기 Na2CO3와 K2CO3는, 흡습성을 가지므로 보관 중 주변 환경으로부터 수분을 흡수하여 무게가 증가할 수 있으며, 칭량 전 건조가 충분하지 않으면 함유하고 있는 수분의 양만큼 조성이 틀려지게 되어 이에 따른 압전 특성도 변할 수 있다. 따라서, Na2CO3와 K2CO3 분말을 건조오븐에 넣어 80 내지 100℃에서 20 내지 28시간 동안 충분히 건조시키면서 이미 함유된 수분의 건조에 따른 무게감소가 더 이상 없는 상태, 즉 완전 건조의 상태를 확인한 후 칭량할 수 있다.Since the Na 2 CO 3 and K 2 CO 3 have hygroscopicity, they may absorb moisture from the surrounding environment during storage and may increase the weight. If the drying is not sufficient before weighing, The piezoelectric characteristics may be changed accordingly. Therefore, when Na 2 CO 3 and K 2 CO 3 powder are sufficiently dried in a drying oven at 80 to 100 ° C for 20 to 28 hours, there is no further weight loss due to drying of the moisture already contained, that is, After checking the condition, weighing can be done.

또한, 상기 분쇄는, 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법 또는 조건이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 분쇄는 볼 밀링법으로 수행할 수 있으며, 볼 밀링법으로 수행할 경우 무수 에탄올, 에탄올, 아세톤 등의 유기 용매를 이용하여 24시간 동안 습식 혼합할 수 있다.In addition, the pulverization can be used without any particular limitation as long as it is a method or condition conventionally used in the art. For example, the pulverization may be performed by a ball milling method. When the pulverization is performed by a ball milling method, wet milling may be performed using an organic solvent such as anhydrous ethanol, ethanol, or acetone for 24 hours.

나아가, 상기 완화형 강유전체의 제조방법은, 분쇄된 혼합물을 하소하는 단계 이전에, 혼합물을 80 내지 90℃에서 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
Furthermore, the method of manufacturing the relaxed ferroelectric may further include drying the mixture at 80 to 90 DEG C before the step of calcining the ground mixture.

다음으로, 밀링된 완화형 강유전체와 강유전체를 혼합하여 성형하는 단계는, 완화형 강유전체에 강유전체가 분산된 형태의 혼합물을 제조하고, 얻어진 혼합물에 바인더를 첨가하여 성형하는 단계이다.Next, the step of mixing and molding the milled relaxation ferroelectric and the ferroelectric is a step of preparing a mixture in which the ferroelectric is dispersed in the relaxed ferroelectric, and adding a binder to the mixture to be molded.

구체적으로, 상기 단계는, 완화형 강유전체에 강유전체 입자가 분산된 구조의 무연 압전 세라믹 조성물을 제조하기 위하여, 밀링되어 입자가 작고, 균일한 완화형 강유전체와 강유전체를 혼합하고, 얻어진 혼합물에 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral, PVB), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol, PEG) 등의 바인더를 혼합하여 성형할 수 있다.
Specifically, the above step is a step of mixing a ferroelectric material having a small particle size, a uniform relaxation type ferroelectric material and a ferroelectric material to produce a lead-free piezoelectric ceramic composition having a structure in which ferroelectric particles are dispersed in a relaxed ferroelectric material, a binder such as polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), polyethylene glycol (PEG), or the like can be mixed and molded.

이때, 상기 강유전체는, 하기 화학식 2로 나타내는 화합물일 수 있으며, 그 혼합량은 완화형 강유전체 100 중량부에 대하여 5 내지 55 중량부, 구체적으로, 상기 함량은 5 내지 50 중량부; 5 내지 40 중량부; 5 내지 30 중량부; 또는 5 내지 20 중량부일 수 있다:In this case, the ferroelectric may be a compound represented by the following general formula (2), and the amount of the ferroelectric compound is 5 to 55 parts by weight based on 100 parts by weight of the relaxed ferroelectric, specifically 5 to 50 parts by weight; 5 to 40 parts by weight; 5 to 30 parts by weight; Or 5 to 20 parts by weight.

[화학식 2](2)

Bi1 /2(Na(1-z)Kz)1/2TiO3 Bi 1/2 (Na (1 -z) K z) 1/2 TiO 3

상기 화학식 2에 있어서,In Formula 2,

z는 0.16-0.22이다.z is 0.16-0.22.

본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은, 강유전체를 상기 범위 내로 포함함으로써, 낮은 구동 전계에서의 전계유기 변형률을 극대화 할 수 있다.
The Pb free ceramic composition according to the present invention can maximize the field organic strain at a low driving electric field by including the ferroelectric within the above range.

또한, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물의 제조방법은, 완화형 강유전체와 강유전체를 혼합하여 성형하는 단계 이후에, 성형물을 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method of manufacturing a lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention may further include a step of sintering the molded product after the step of mixing and molding the relaxed ferroelectric and the ferroelectric.

상기 제조방법은, 완화형 강유전체와 강유전체의 혼합물을 바인더로 성형한 성형물을 소결하여 무연 압전 세라믹 조성물을 제조할 수 있으며, 이때, 소결온도는, 완화형 강유전체 매질에 강유전체가 분산된 구조의 변형이 발생되지 않는 조건이라면 특별히 제한되는 것은 아니다.In this manufacturing method, a lead-free piezoelectric ceramics composition can be produced by sintering a molded product obtained by molding a mixture of a relaxed ferroelectric and a ferroelectric with a binder. At this time, the sintering temperature is preferably such that the ferroelectric is dispersed in a relaxed ferroelectric medium It is not particularly limited as long as it does not occur.

하나의 예로서, 950 내지 1150℃의 온도 범위에서 1 내지 5시간 동안 수행될 수 있으며, 구체적으로는 950 내지 1100℃; 950 내지 1075℃; 또는 950 내지 1050℃의 온도범위에서 1 내지 3시간 동안 수행될 수 있다.As one example, it can be carried out at a temperature range of 950 to 1150 캜 for 1 to 5 hours, specifically at 950 to 1100 캜; 950 to 1075 C; Or from 950 to 1050 < 0 > C for 1 to 3 hours.

본 발명은, 소결온도를 상기 범위 내로 제어함으로써, 혼합된 원료 물질간의 소결이 충분히 이뤄지도록 함과 동시에 소결로 얻어지는 소결체의 용융을 방지할 수 있다.
By controlling the sintering temperature within the above range, the present invention can sufficiently perform sintering between mixed raw materials and prevent sintering of the sintered body from being melted.

나아가, 본 발명은 하나의 실시예에서,Further, the present invention, in one embodiment,

무연 압전 세라믹 조성물을 이용하여 제조되는 압전체; 및A piezoelectric body manufactured using a lead-free piezoelectric ceramic composition; And

상기 압전체에 접촉되어 지지되는 적어도 한 쌍의 전극으로 구성되는 압전 응용 소자를 제공한다.And at least a pair of electrodes supported in contact with the piezoelectric body.

여기서, 상기 압전 응용 소자는 압전 응용 소자의 압전 특성을 발휘하도록 본 발명의 압전 세라믹 조성물을 포함하는 압전 세라믹 제품을 의미한다.
Here, the piezoelectric application device refers to a piezoelectric ceramic product including the piezoelectric ceramic composition of the present invention so as to exhibit piezoelectric characteristics of the piezoelectric application device.

본 발명에 따른 압전 응용 소자는 압전체 및 이를 지지하는 한 쌍의 전극을 포함하는데, 이때, 상기 압전체는 형태 및 크기를 특별히 제한하는 것은 아니며, 압력 측정, 진동 등의 목적에 따라 즉, 상기 압전 응용 소자의 용도에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 압력 측정의 목적을 위한 용도로 사용할 경우, 상기 압전체는 직사각형 평면 구조, 원형 평면 구조 등을 갖는 플레이트 형상, 두께 방향으로 중앙 관통공을 갖는 플레이트 형상, 각기둥 형상 및 원통형 형상과 같은 다양한 형상으로 사용 가능하다. 또한, 상기 압전 응용 소자는 2 이상의 압전체가 라미네이트된 형상을 가질 수도 있다.
The piezoelectric application device according to the present invention includes a piezoelectric body and a pair of electrodes for supporting the piezoelectric body. In this case, the piezoelectric body is not particularly limited in shape and size, and may be formed in accordance with the purpose of pressure measurement, And can be appropriately selected depending on the application of the device. Specifically, for example, when used as a purpose of pressure measurement, the piezoelectric body may be formed into a plate shape having a rectangular plane structure, a circular plane structure, etc., a plate shape having a central through hole in the thickness direction, a prismatic shape, It can be used in various shapes. Further, the piezoelectric application element may have a shape in which two or more piezoelectric bodies are laminated.

또한, 본 발명에 따른 압전 응용 소자에 있어서, 상기 한 쌍의 전극은 압전체의 표면 상에 형성되고 상기 압전체의 표면에 접촉되어 지지되는 도전체층을 말한다. 한 쌍의 전극 중 하나는 압전체의 일면에, 나머지 하나는 이의 타면에 형성될 수 있고; 또는 압전체의 일면에 한 쌍의 전극이 함께 형성될 수 있다.Further, in the piezoelectric application device according to the present invention, the pair of electrodes refers to a conductive layer formed on the surface of the piezoelectric body and held in contact with the surface of the piezoelectric body. One of the pair of electrodes may be formed on one surface of the piezoelectric body and the other may be formed on the other surface thereof; Or a pair of electrodes may be formed together on one surface of the piezoelectric body.

이때, 상기 전극은 형상, 크기 및 물질을 특별히 제한하는 것은 아니며, 상기 압전 응용 소자의 용도 등에 따라 적절히 선택할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 상기 전극은 편평한 형상을 가질 수 있다. 압전체의 동일 표면 상에 전극을 형성하는 경우, 상기 전극은 빗살 형상 또는 반원형 형상을 가질 수 있다.At this time, the shape, size, and material of the electrode are not particularly limited, and may be appropriately selected depending on the application of the piezoelectric application device and the like. Specifically, for example, the electrode may have a flat shape. When an electrode is formed on the same surface of the piezoelectric body, the electrode may have a comb-like or semicircular shape.

나아가, 상기 전극의 형성 공정은 당업계에서 일반적으로 사용되는 방법으로 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전극 각각은 임의 소망하는 압전체 표면에 도전성 페이스트를 도포하고 상기 도전성 페이스트를 소부함으로써 형성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
Further, the electrode forming process may be performed by a method commonly used in the art. More specifically, each of the electrodes can be formed by applying a conductive paste to a desired piezoelectric surface and baking the conductive paste, but the present invention is not limited thereto.

본 발명에 따른 압전 응용 소자는 본 발명에 따른 상기 비스무스 계통의 무연 압전 세라믹 조성물을 사용하여 친환경적이고, 치밀성 및 전계유기 성능이 우수한 이점이 있으므로 다양한 분야에 적용할 수 있다. 적용 가능한 분야로는 우리의 생활과 밀접하게 관련되어 있는 휴대폰, 자동차, TV 디스플레이 등에서부터 물론 각종 의료기기들의 부품에 이르기까지 적용할 수 있으며, 필터, 압전 공진기, 진동자, 센서, 액추에이터, 변압기, 압전 발전 소자(energy harvesting devices) 등의 용도 및 형태로도 적용할 수 있다.
The piezoelectric application device according to the present invention is environmentally friendly using the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention, and has advantages of excellent denseness and electric field organic performance, so that it can be applied to various fields. Applicable fields can be applied from mobile phones, automobiles, TV displays, and so on, which are closely related to our lives, to the parts of various medical devices as well as filters, piezoelectric resonators, vibrators, sensors, actuators, transformers, Energy harvesting devices, and the like.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following Examples and Experimental Examples.

제조예Manufacturing example 1.  One. BiBi 00 .5.5 (( NaNa 00 .82.82 KK 00 .18.18 )) 0.50.5 TiOTiO 33 분말의 제조 Preparation of powder

본 발명에 따른 강유전체인 Bi0 .5(Na0 .82K0 .18)0.5TiO3을 고상반응법(solid-state process)으로 제조하였다. 먼저, Bi0 .5(Na0 .82K0 .18)0.5TiO3과 동일한 조성을 갖도록 공업용으로 통상적으로 사용되는 순도의 Bi2O3, Na2CO3, K2CO3 및 TiO2 분말을 각각 칭량하고, 에탄올을 사용하여 24시간 동안 볼 밀링법으로 습식 혼합하였다. 그 후, 반죽 형태의 혼합물을 80 내지 90℃에서 건조시키고, 고상 화학반응을 유도하기 위해 건조된 혼합물을 약 850℃에서 2시간 동안 하소하여 강유전체 분말을 제조하였다.
The ferroelectric Bi 0 .5 (Na 0 .82 K 0 .18 ) 0.5 TiO 3 according to the present invention was prepared by a solid-state process. First, Bi 2 O 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 and TiO 2 powders of the purity commonly used for industrial purposes having the same composition as Bi 0 .5 (Na 0 .82 K 0 .18 ) 0.5 TiO 3 Were each weighed and wet-mixed by ball milling for 24 hours using ethanol. The mixture in the form of dough was then dried at 80 to 90 DEG C and the dried mixture was calcined at about 850 DEG C for 2 hours to induce a solid phase reaction to prepare a ferroelectric powder.

제조예Manufacturing example 2 - 6. 0.98[ 2 - 6. 0.98 [ BiBi 00 .5.5 (( NaNa 00 .78.78 KK 00 .22.22 )) 0.50.5 TiOTiO 33 ]-0.02] -0.02 LaFeOLaFeO 33 분말의 제조 Preparation of powder

본 발명에 따른 강유전체인 0.98[Bi0 .5(Na0 .78K0 .22)0.5TiO3]-0.02LaFeO3을 고상반응법(solid-state process)으로 제조하였다. 먼저, 0.98[Bi0 .5(Na0 .78K0 .22)0.5TiO3]-0.02LaFeO3과 동일한 조성을 갖도록 공업용으로 통상적으로 사용되는 순도의 Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, La2O5 및 Fe2O5의 분말을 각각 칭량하고, 에탄올을 사용하여 24시간 동안 볼 밀링법으로 습식 혼합한 후, 반죽 형태의 혼합물을 80 내지 90℃에서 건조시켰다. 그런 다음, 고상 화학반응을 유도하기 위해, 건조된 혼합물을 약 850℃에서 2시간 동안 하소하여 0.98[Bi0 .5(Na0 .78K0 .22)0.5TiO3]-0.02LaFeO3의 완화형 강유전체 분말을 제조하였다.0.98 [Bi 0 .5 (Na 0 .78 K 0 .22 ) 0.5 TiO 3 ] -0.02 LaFeO 3, which is a ferroelectric substance according to the present invention, was prepared by a solid-state process. First, Bi 2 O 3 , Na 2 CO 3 , K 2 ( which is a purity of industrial use commonly used to have the same composition as that of 0.98 [Bi 0 .5 (Na 0 .78 K 0 .22 ) 0.5 TiO 3 ] -0.02 LaFeO 3 Powders of CO 3 , TiO 2 , La 2 O 5 and Fe 2 O 5 were respectively weighed, wet-mixed by ball milling method using ethanol for 24 hours, and then the kneaded mixture was dried at 80 to 90 ° C . To that induced following the solid phase chemistry, by calcination for 2 hours, the mixture was dried at about 850 ℃ 0.98 [Bi 0 .5 ( Na 0 .78 K 0 .22) 0.5 TiO 3] relaxation of -0.02LaFeO 3 Type ferroelectric powders.

그 후, 위성형 볼 밀링 장비(FRISCH 사의 Planetary Micro Mill pulverisette 7 premium line)를 사용하여 제조된 완화형 강유전체 분말의 고에너지 볼 밀링(High Energy Ball Milling)을 수행하였다. 이때, 상기 고에너지 볼 밀링은, 80 mL 크기의 용기에 완화형 강유전체 분말, 지르코니아 볼 및 용매의 비율이 중량을 기준으로 1:3:4가 되도록 장입하여 800 rpm의 회전속도로 수행되었고, 상기 지르코니아(ZrO2) 볼은 반지름이 3 mm이었으며, 수행시간은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.Then, the high energy ball milling of the relaxation type ferroelectric powders produced by using the above-formed ball milling equipment (Planetary Micro Mill pulverisette 7 premium line of FRISCH Co., Ltd.) was performed. At this time, the high-energy ball milling was carried out at a rotational speed of 800 rpm by charging a 80-mL vessel in such a manner that the ratio of the relaxed ferroelectric powder, zirconia balls and solvent was 1: 3: 4 by weight, The zirconia (ZrO 2 ) balls had a radius of 3 mm, and the execution time was as shown in Table 1 below.

수행시간Run time 제조예 2Production Example 2 0 분0 minutes 제조예 3Production Example 3 15 분15 minutes 제조예 4Production Example 4 30 분30 minutes 제조예 5Production Example 5 45 분45 minutes 제조예 6Production Example 6 60 분60 minutes

실시예Example 1 - 20. 1 - 20.

상기 제조예 1에서 제조된 Bi0 .5(Na0 .82K0 .18)0.5TiO3 강유전체 분말과 제조예 3 - 6에서 제조된 0.98[Bi0 .5(Na0 .78K0 .22)0.5TiO3]-0.02LaFeO3 완화형 강유전체 분말을 각각 9 : 1의 중량 비율로 칭량하고, 에탄올을 첨가하여 볼 밀링법으로 24시간 동안 습식 혼합한 다음 건조하였다. 그 후, 건조된 분말에 대하여 3 중량부가 되도록 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA)을 첨가하여 혼합물을 판상형으로 성형한 다음, 하기 표 2에 나타낸 소성 온도에서 2시간 동안 소결하여 무연 압전 세라믹 조성물 시편을 제조하였다.Prepared in Preparation Example 1 Bi 0 .5 (Na 0 .82 K 0 .18) 0.5 TiO 3 ferroelectric powder as in Preparation Example 3 manufactured by 6 0.98 [Bi 0 .5 (Na 0 .78 K 0 .22 ) 0.5 TiO 3 ] -0.02 LaFeO 3 relaxation type ferroelectric powders were weighed at a weight ratio of 9: 1, respectively, ethanol was added, wet mixed by ball milling for 24 hours, and then dried. Thereafter, polyvinyl alcohol (PVA) was added so as to be added in an amount of 3 parts by weight based on the dried powder to form a mixture into a plate-like shape, and the mixture was sintered at a firing temperature shown in Table 2 for 2 hours to prepare a lead- .

완화형 강유전체Relaxed ferroelectric 볼 밀링 처리시간Ball milling processing time 소성 온도Firing temperature 실시예 1Example 1 제조예 3의
완화형 강유전체
In Production Example 3
Relaxed ferroelectric
15분15 minutes 950℃950 ℃
실시예 2Example 2 1000℃1000 ℃ 실시예 3Example 3 1050℃1050 ° C 실시예 4Example 4 1100℃1100 ℃ 실시예 5Example 5 1150℃1150 DEG C 실시예 6Example 6 제조예 4의
완화형 강유전체
In Production Example 4
Relaxed ferroelectric
30분30 minutes 950℃950 ℃
실시예 7Example 7 1000℃1000 ℃ 실시예 8Example 8 1050℃1050 ° C 실시예 9Example 9 1100℃1100 ℃ 실시예 10Example 10 1150℃1150 DEG C 실시예 11Example 11 제조예 5의
완화형 강유전체
In Production Example 5
Relaxed ferroelectric
45분45 minutes 950℃950 ℃
실시예 12Example 12 1000℃1000 ℃ 실시예 13Example 13 1050℃1050 ° C 실시예 14Example 14 1100℃1100 ℃ 실시예 15Example 15 1150℃1150 DEG C 실시예 16Example 16 제조예 6의
완화형 강유전체
Production Example 6
Relaxed ferroelectric
60분60 minutes 950℃950 ℃
실시예 17Example 17 1000℃1000 ℃ 실시예 18Example 18 1050℃1050 ° C 실시예 19Example 19 1100℃1100 ℃ 실시예 20Example 20 1150℃1150 DEG C

비교예Comparative Example 1 - 3. 1 - 3.

상기 제조예 1에서 제조된 Bi0 .5(Na0 .82K0 .18)0.5TiO3 강유전체와 제조예 2에서 제조된 0.98[Bi0 .5(Na0 .78K0 .22)0.5TiO3]-0.02LaFeO3 완화형 강유전체를 각각 9 : 1의 중량 비율로 칭량하고, 에탄올을 첨가하여 몰 밀링법으로 24시간 동안 습식 혼합한 다음 건조하였다. 그 후, 건조된 분말에 대하여 3 중량부가 되도록 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA)을 첨가하여 혼합물을 판상형으로 성형한 다음, 하기 표 3에 나타낸 소성 온도에서 2시간 동안 소결하여 무연 압전 세라믹 조성물 시편을 제조하였다.Prepared in Preparation Example 1 Bi 0 .5 (Na 0 .82 K 0 .18) 0.5 TiO 3 prepared in Preparation Example as the ferroelectric 2 0.98 [Bi 0 .5 (Na 0 .78 K 0 .22) 0.5 TiO 3 ] -0.02 LaFeO 3 relaxed ferroelectric was weighed at a weight ratio of 9: 1, and ethanol was added thereto, wet mixed by a milling method for 24 hours, and then dried. Thereafter, polyvinyl alcohol (PVA) was added so as to be added in an amount of 3 parts by weight to the dried powder to form a mixture into a plate-like shape, and then sintered at a firing temperature shown in Table 3 for 2 hours to prepare a lead- .

완화형 강유전체Relaxed ferroelectric 볼 밀링 처리시간Ball milling processing time 소성 온도Firing temperature 비교예 1Comparative Example 1 제조예 2의
완화형 강유전체
In Production Example 2
Relaxed ferroelectric
0분0 minutes 1100℃1100 ℃
비교예 2Comparative Example 2 1150℃1150 DEG C 비교예 3Comparative Example 3 1200℃1200 ℃

실험예Experimental Example 1. 무연 압전 세라믹 조성물의 치밀성 평가 1. Evaluation of compactness of Pb-free piezoelectric ceramics

본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물의 치밀성을 평가하기 위하여, 상기 조성물의 매질로 사용되는 완화형 강유전체 분말의 고에너지 볼 밀링 수행 시간에 따른 입도 분포 및 소성 수축률을 측정하였다.In order to evaluate the compactness of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention, the particle size distribution and the plastic shrinkage ratio of the relaxed ferroelectric powder used as the medium of the composition were measured according to the high energy ball milling time.

먼저, 제조예 2, 4 - 6의 완화형 강유전체의 입도 분포를 측정하여 측정된 결과를 도 1에 나타내었다. 또한, 제조예 2 - 6에서 제조된 완화형 강유전체 분말을 각각 950℃, 1000℃, 1050℃, 1100℃, 1150℃ 및 1200℃에서 2시간 동안 소성하여 각 완화형 강유전체의 직경에 대한 소성 수축률을 측정하였다. 이때, 상기 소성 수축률은 완화형 강유전체 분말의 소성 전·후의 입자 직경을 측정하여 그 변화율로부터 확인하였으며, 측정된 결과를 도 2에 나타내었다.
First, the particle size distribution of the relaxed ferroelectric materials of Preparation Examples 2 and 4 - 6 was measured and the measurement results are shown in Fig. Further, the relaxed ferroelectric powders prepared in Production Example 2-6 were calcined at 950 ° C, 1000 ° C, 1050 ° C, 1100 ° C, 1150 ° C and 1200 ° C for 2 hours, respectively, to determine the plastic shrinkage ratio with respect to the diameter of each relaxed ferroelectric Respectively. At this time, the firing shrinkage ratio was measured by measuring the particle diameters of the relaxed ferroelectric powder before and after firing, and the measured results are shown in FIG.

도 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은 매질인 완화형 강유전체의 소결성이 개선되어 치밀성이 우수한 것을 알 수 있다.As shown in FIGS. 1 and 2, the lead-free piezoelectric ceramics composition according to the present invention has improved sinterability of the relaxed ferroelectric medium, which is excellent in the compactness.

구체적으로, 도 1을 살펴보면, 제조예 4 - 6에서 제조된 완화형 강유전체는 소결 이후 고에너지 볼 밀링을 수행하여 약 1 내지 50 μm의 평균 입도를 갖는 것으로 나타났다. 또한, 상기 완화형 강유전체의 빈도가 90% 이상인 영역은 약 1 내지 60 μm의 입도 범위를 가지며, 상기 영역에 존재하는 최대입도와 최소입도의 편차(ΔDP)는 약 50 μm인 것으로 확인되었다. 보다 구체적으로, 제조예 9, 14 및 19에서 제조된 완화형 강유전체는 상기 영역에서의 최대입도와 최소입도의 편차(ΔDP)가 각각 약 39 μm, 30 μm 및 7 μm인 것으로 나타났다. 이와 더불어, 상기 완화형 강유전체들의 입도 분포는 1 내지 100 μm 입도 범위에서 단봉형 분포(unimodal distribution)를 갖는 것으로 나타났Δ다.Specifically, referring to FIG. 1, the relaxed ferroelectric material prepared in Production Example 4-6 was found to have an average grain size of about 1 to 50 μm after high-energy ball milling after sintering. In addition, it was confirmed that the region where the frequency of the relaxed ferroelectric substance was 90% or more had a particle size range of about 1 to 60 μm, and the deviation (ΔDP) between the maximum particle size and the minimum particle size existing in the region was about 50 μm. More specifically, the relaxation type ferroelectric materials prepared in Production Examples 9, 14, and 19 exhibited the maximum particle size and the minimum particle size deviation (? DP) in the above regions of about 39 μm, 30 μm, and 7 μm, respectively. In addition, the particle size distributions of the relaxed ferroelectrics were found to have a unimodal distribution in the particle size range of 1 to 100 μm.

이에 반해, 제조예 2에서 제조된 완화형 강유전체는, 완화형 강유전체의 빈도가 90% 이상인 영역에서의 최대입도와 최소입도의 편차(ΔDP)가 약 85 μm인 것으로 확인되었으며, 1 내지 100 μm 입도 범위에서 이봉형 분포(bimodal distribution)를 갖는 것으로 나타났다.On the other hand, it was confirmed that the relaxation type ferroelectric material produced in Production Example 2 had a deviation (? DP) of the maximum particle size and the minimum particle size in the region where the frequency of the relaxation type ferroelectric substance was 90% or more was about 85 占 퐉, And a bimodal distribution in the range.

이는 소결 직후 완화형 강유전체의 입도가 크고 불균일하여 입도 분포가 넓게 나타나나, 고에너지 볼 밀링에 의해 입도가 작아짐과 동시에 균일해져 그 분포가 좁아진다는 것을 의미한다.
This means that the grain size of the relaxed ferroelectric substance is large and uneven after sintering and the grain size distribution is wide, but it means that the grain size becomes smaller and homogeneous by the high energy ball milling, and the distribution becomes narrower.

또한, 도 2를 살펴보면, 완화형 강유전체는 동일한 소성 온도에서 고에너지 볼 밀링을 수행한 시간이 길어질수록 소성 수축률이 높은 것으로 확인되었다. 구체적으로, 소성 온도가 1100℃인 경우, 고에너지 볼 밀링을 처리한 시간이 0분인 제조예 2의 완화형 강유전체는 약 9.0%의 소성 수축률을 나타냈다. 반면, 고에너지 볼 밀링을 처리한 시간이 15, 30, 45 및 60분인 제조예 3 - 6의 완화형 강유전체는 소성 수축률이 각각 약 9.7%, 11.1%, 11.8% 및 13.0%인 것으로 나타났다. 이는 고에너지 볼 밀링의 수행시간이 길어질수록 완화형 강유전체의 입도가 작고 균일해져 소결성이 향상됨을 의미한다.
In addition, as shown in FIG. 2, the relaxation type ferroelectric has a higher plastic shrinkage as the time for performing high energy ball milling at the same firing temperature is longer. Specifically, in the case of the firing temperature of 1100 ° C, the relaxation type ferroelectric of Production Example 2, in which the time of high energy ball milling was 0 minutes, exhibited a firing shrinkage of about 9.0%. On the other hand, the relaxation type ferroelectric materials of Production Example 3 to 6 in which the time of high energy ball milling was 15, 30, 45 and 60 minutes, respectively, showed plastic shrinkage rates of about 9.7%, 11.1%, 11.8% and 13.0%, respectively. This means that as the execution time of the high energy ball milling becomes longer, the grain size of the relaxed ferroelectric becomes small and uniform and the sinterability is improved.

이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은 고에너지 볼 밀링법으로 제조된 입도가 작고 균일한 완화형 강유전체를 매질로 포함함으로써 조성물의 소결성이 향상되므로, 낮은 온도에서 높은 치밀성을 갖는 것을 알 수 있다.
From these results, it can be seen that the lead-free piezoelectric ceramics composition according to the present invention has improved sinterability of the composition by including a small-sized, uniform relaxation type ferroelectric material produced by high energy ball milling as a medium, .

실험예Experimental Example 2. 정규화 변형률 평가 2. Normalization Strain Rate Evaluation

본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물의 전계유기 변형 특성을 평가하기 위하여 하기와 같이 수행하였다.In order to evaluate the electric field induced deformation characteristics of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention, the following procedure was performed.

먼저, 상기 실시예 4, 9, 14, 19, 및 비교예 1에서 제조된 시편을 두께가 약 1.0 mm가 되도록 가공한 다음, 약 1 ㎜의 두께로 재단한 다음, 시편의 양면에 전극을 형성하였다. 이때, 상기 전극은, 표면에 은(Ag) 전극을 인쇄 도포법으로 도포하고, 650 내지 750℃에서 20 내지 40분간 열처리하여 전극을 제조하였다.First, the specimens prepared in Examples 4, 9, 14, 19 and Comparative Example 1 were processed to have a thickness of about 1.0 mm, cut to a thickness of about 1 mm, and then electrodes were formed on both surfaces of the specimen Respectively. At this time, the electrode was coated with a silver (Ag) electrode by a printing coating method and heat-treated at 650 to 750 ° C for 20 to 40 minutes to prepare an electrode.

제조된 전극의 양면에 0 내지 5 kV/mm의 전계를 인가하고, 선형변수 미분변압기(linear variable differential transducer, LVDT)를 이용하여 고에너지 볼 밀링 수행시간에 따른 전극의 전계유기 이력곡선을 측정하였다. 또한, 측정된 상기 이력곡선으로부터 정규화 변형률(Smax/Emax)을 도출하였으며, 그 결과를 도 3 및 4에 나타내었다.
An electric field of 0 to 5 kV / mm was applied to both surfaces of the prepared electrode, and a field organic hysteresis curve of the electrode was measured according to a high energy ball milling time using a linear variable differential transducer (LVDT) . In addition, the normalized strain (S max / E max ) was derived from the measured hysteresis curve, and the results are shown in FIGS. 3 and 4.

도 3 및 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은 우수한 전계유기 변형 특성을 갖는 것을 알 수 있다.As shown in Figs. 3 and 4, the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention has excellent electric field organic deformation characteristics.

구체적으로, 도 3을 살펴보면, 실시예 4, 9, 14, 19, 및 비교예 1의 시편을 사용하여 제조된 전극들은 모두 전형적인 압전 소재의 변형특성을 나타내는 것으로 나타났으며, 이력 특성이 있는 것으로 확인되었다. 또한, 5 kv/mm 전계 조건에서의 최대 변형률은, 비교예 1의 시편을 사용한 경우 약 0.2% 이하인 것으로 나타났으나, 실시예 4, 9, 14 및 19의 시편을 사용한 경우에는 모두 약 0.26% 이하인 것으로 나타났다. 이는 고에너지 볼 밀링이 수행된 완화형 강유전체를 매질로 사용한 실시예의 시편들은 치밀성이 향상되어 최대 변형률(Smax)이 증가하는 것을 의미한다.
Specifically, referring to FIG. 3, all the electrodes manufactured using the specimens of Examples 4, 9, 14, 19 and Comparative Example 1 showed typical deformation characteristics of the piezoelectric material, . In addition, the maximum strain at 5 kv / mm electric field condition was found to be about 0.2% or less when the test piece of Comparative Example 1 was used. However, when the test pieces of Examples 4, 9, 14 and 19 were used, Respectively. This means that the specimens of the embodiment using the relaxed ferroelectric material in which the high energy ball milling is performed as the medium are improved in the compactness and the maximum strain (S max ) is increased.

나아가, 도 4를 살펴보면, 실시예 4, 9, 14 및 19의 시편을 사용한 전극들은 각각 약 523 pm/V, 517 pm/V, 542 pm/V 및 524 pm/V의 정규화 변형률을 갖는 반면, 비교예 1의 시편을 사용한 전극은 약 422 pm/V의 정규화 변형률을 갖는 것으로 나타났다.
Further, referring to FIG. 4, the electrodes using the specimens of Examples 4, 9, 14 and 19 have normalized strains of about 523 pm / V, 517 pm / V, 542 pm / V and 524 pm / The electrode using the specimen of Comparative Example 1 was found to have a normalized strain of about 422 pm / V.

이러한 결과로부터, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은 고에너지 볼 밀링을 수행하여 입도가 작고 균일한 완화형 강유전체를 매질로 포함함으로써 정규화 변형률(Smax/Emax) 등의 전계유기 변형 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
From these results, it can be seen that the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention is excellent in electric field deformation characteristics such as normalized strain (S max / E max ) by including high-energy ball milling as a medium and having a small- .

따라서, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은, 납을 포함하지 않아 환경친화적일 뿐만 아니라, 입도가 균일하여 입도 분포가 좁은 완화형 강유전체를 매질로 사용하여 치밀도가 높고, 상기 매질에 강유전체 입자가 분산된 구조를 가져 전계유기 특성이 우수하다. 또한, 고에너지 볼 밀링법(high energy ball-milling treatment)을 통하여 제조되므로 공정시간, 공정온도 등의 제어가 용이하여 공정효율 및 공정비용이 개선되는 이점이 있다.Accordingly, the lead-free piezoelectric ceramics composition of the present invention is not only environmentally friendly but also contains lead, has a high compactness by using a relaxed ferroelectric having a uniform particle size and narrow particle size distribution as a medium and has ferroelectric particles It has a dispersed structure and is excellent in electric field organic characteristics. In addition, since it is manufactured through a high energy ball-milling treatment, it is advantageous that process time and process temperature are easily controlled, thereby improving process efficiency and process cost.

Claims (15)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, La2O5 및 Fe2O5의 볼 밀링을 수행하여 얻은 혼합물로부터 하기 화학식 1로 나타내는 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체를 제조하는 단계;
제조된 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체의 고에너지 볼 밀링을 수행하여 상기 완화형 강유전체를 분쇄하는 단계;
밀링된 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체와 비스무스(Bi)계 강유전체를 혼합하여 성형하는 단계; 및
성형물을 소결하여 무연 압전 세라믹 조성물을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 고에너지 볼밀링은 3 이상의 밀링볼을 사용하여 700 내지 950 rpm의 속도로 10 내지 100분 동안 수행되며,
상기 밀링볼은, 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체 1 중량부에 대하여, 2 내지 5 중량부가 되도록 사용하고,
상기 소결은 950 내지 1150℃에서 1 내지 3시간 동안 수행되며,
밀링된 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체는 평균 입도가 1 내지 50㎛이고, 하기 수학식 3의 조건을 만족하는 무연 압전 세라믹 조성물의 제조방법:
[화학식 1]
(1-x)[Bi1/2(Na(1-y)Ky)1/2TiO3]-xLaFeO3
상기 화학식 1에서,
x는 0.018-0.035이고, 및
y는 0.16-0.25이며;
[수학식 3]
(SH30m - SH0m) / SH0m ≥ 0.15
상기 수학식 3에서,
SH30m은, 30분간 고에너지 볼 밀링을 수행한 완화형 강유전체의 1100℃ 소성 수축률을 나타내고,
SH0m은, 0분간 고에너지 볼 밀링을 수행한 완화형 강유전체의 1100℃ 소성 수축률을 나타낸다.
(Bi) -based relaxation type ferroelectric material represented by the following formula (1) was obtained from the mixture obtained by performing ball milling of Bi 2 O 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , TiO 2 , La 2 O 5 and Fe 2 O 5 Producing;
Performing high-energy ball milling of the produced bismuth (Bi) -based relaxed ferroelectric material to crush the relaxed ferroelectric material;
Mixing a milled bismuth (Bi) -based relaxation type ferroelectric and a bismuth (Bi) -based ferroelectric to form a mixture; And
And sintering the molded product to manufacture a lead-free piezoelectric ceramic composition,
The high energy ball milling is carried out at a speed of from 700 to 950 rpm for from 10 to 100 minutes using at least three milling balls,
The milling balls are used in an amount of 2 to 5 parts by weight based on 1 part by weight of the bismuth (Bi) based relaxation type ferroelectric,
The sintering is performed at 950 to 1150 캜 for 1 to 3 hours,
A milled bismuth relaxation type ferroelectric has an average particle size of 1 to 50 占 퐉 and satisfies the following condition (3):
[Chemical Formula 1]
(1-x) [Bi 1/2 (Na (1-y) K y ) 1/2 TiO 3 ] -xLaFeO 3
In Formula 1,
x is 0.018 to 0.035, and
y is from 0.16 to 0.25;
&Quot; (3) "
(SH 30m - SH 0m ) / SH 0m ? 0.15
In Equation (3)
The SH 30 m represents the firing shrinkage at 1100 ° C of the relaxed ferroelectric material subjected to the high energy ball milling for 30 minutes,
SH 0m represents the firing shrinkage at 1100 ° C of the relaxed ferroelectric material subjected to high energy ball milling for 0 minutes.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제7항에 있어서,
비스무스(Bi)계 완화형 강유전체를 제조하는 단계는,
Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, La2O5 및 Fe2O5을 각각 칭량하고, 볼 밀링을 수행하여 습식 혼합하는 단계;
습식 혼합된 혼합물을 건조시키는 단계; 및
건조된 혼합물을 하소하는 단계를 포함하는 무연 압전 세라믹 조성물의 제조방법.
8. The method of claim 7,
The step of producing the bismuth (Bi) -based relaxed ferroelectric material includes:
Weighing Bi 2 O 3 , Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 , TiO 2 , La 2 O 5 and Fe 2 O 5 , respectively, and performing wet milling by ball milling;
Drying the wet mixed mixture; And
And calcining the dried mixture. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제7항에 있어서,
비스무스(Bi)계 강유전체는, 하기 화학식 2로 나타내는 화합물이고,
혼합량이 비스무스(Bi)계 완화형 강유전체 100 중량부에 대하여 5 내지 55 중량부인 무연 압전 세라믹 조성물의 제조방법:
[화학식 2]
Bi1 /2(Na(1-z)Kz)1/2TiO3
상기 화학식 2에 있어서,
z는 0.16-0.22이다.
8. The method of claim 7,
The bismuth (Bi) based ferroelectric is a compound represented by the following formula (2)
Wherein the mixing amount of the Bi-based relaxed ferroelectric is 5 to 55 parts by weight based on 100 parts by weight of the Bi-based relaxed ferroelectric.
(2)
Bi 1/2 (Na (1 -z) K z) 1/2 TiO 3
In Formula 2,
z is 0.16-0.22.
삭제delete 삭제delete 제7항에 따라 제조되는 무연 압전 세라믹 조성물을 이용하여 제조되는 압전체; 및
상기 압전체에 접촉되어 지지되는 적어도 한 쌍의 전극으로 구성되는 압전 응용 소자.
A piezoelectric body manufactured using the lead-free piezoelectric ceramic composition produced according to claim 7; And
And at least a pair of electrodes supported in contact with the piezoelectric body.
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