KR101980873B1 - Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric ceramic element using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 포함하는 압전 세라믹 조성물에 있어서, 상기 압전 세라믹 조성물은 능면정계(Rhombohedral) 구조 및 정방정계(Tetragonal) 구조를 포함하는 상경계를 가지고, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물 및 이를 이용한 압전 세라믹 소자에 관한 것이다. The present invention provides a piezoelectric ceramic composition comprising (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1), wherein the piezoelectric ceramic composition has a rhombohedral structure and a tetragonal structure. The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric ceramic device using the same, wherein the ratio of the phase fraction between the rhombohedral structure and the tetragonal structure is 10:90 to 18:82.

Description

압전 세라믹 조성물 및 이를 이용한 압전 세라믹 소자{PIEZOELECTRIC CERAMIC COMPOSITION AND PIEZOELECTRIC CERAMIC ELEMENT USING THE SAME}Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric ceramic device using the same {PIEZOELECTRIC CERAMIC COMPOSITION AND PIEZOELECTRIC CERAMIC ELEMENT USING THE SAME}

본 발명은 압전 세라믹 조성물 및 이를 이용한 압전 세라믹 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric ceramic device using the same.

현재까지 널리 사용되어 온 대표적인 압전세라믹 조성물은 Pb(Zr,Ti)O3를 기반으로 하는 납(Pb) 함유 조성물(PZT계 압전 세라믹 조성물)이다. 최근 납 성분의 환경오염에 대한 국제 사회적 관심의 증대로, 전 세계적으로 전자제품 및 전기기기의 납 사용에 대한 규제법안(유럽연합: RoHS, 미국: TSCA, 중국: China RoHS)이 발효됨에 따라 유해물질의 사용이 제한되고 폐 전기/전자제품의 회수 및 재활용이 의무화되었다.A representative piezoceramic composition which has been widely used to date is a lead (Pb) -containing composition (PZT-based piezoelectric ceramic composition) based on Pb (Zr, Ti) O 3 . Due to the recent increase in international social concern about environmental pollution of lead, the harmfulness of the regulation legislation on the use of lead in electronics and electrical equipment (EU: RoHS, USA: TSCA, China: China RoHS) has become effective. The use of materials has been restricted and the collection and recycling of waste electrical and electronic products is mandatory.

이에 따라 기존의 PZT 압전 세라믹 조성물을 대체하기 위한 친환경 비납계 압전 세라믹 조성물에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 그 중 (K,Na)NbO3를 기반으로 하는 납(Pb) 비함유 조성물(KNN계 압전 세라믹 조성물)은 높은 큐리 온도(Curie temperature)(250~420℃)와 우수한 압전특성(d 33 = 150 ~ 500pC/N)을 동시에 나타내기 때문에 PZT 압전 세라믹 조성물을 대체하기 위한 친환경 비납계 압전 세라믹 조성물에 대한 후보물질로 큰 주목을 받고 있는 상황이다. Accordingly, studies on environmentally friendly lead-free piezoelectric ceramic compositions for replacing the existing PZT piezoelectric ceramic compositions have been actively conducted, among which lead (Pb) -free compositions (KNN-based) based on (K, Na) NbO 3 are used. Piezoelectric ceramic composition) exhibits high Curie temperature (250 ~ 420 ℃) and excellent piezoelectric properties ( d 33 = 150 ~ 500pC / N), so it is an eco-friendly non-lead piezoelectric ceramic to replace PZT piezoelectric ceramic composition. It is a situation attracting great attention as a candidate material for the composition.

KNN계 압전 세라믹 조성물은 온도에 따라 상구조(phase structure)가 변화하는 상경계(polymorphic phase boundary)를 가지는데, 순수한 KNN계 압전 세라믹 조성물에 다양한 물질을 도핑하여, 사방정계(Orthorhombic), 정방정계(Tetragonal) 및 능면정계(Rhombohedral) 중 두가지 이상의 상구조가 혼재된 상경계를 형성시킴으로써, 압전특성을 더욱 향상시키기 위한 연구가 이루어지고 있다. KNN-based piezoelectric ceramic composition has a polymorphic phase boundary (phase structure) changes with temperature, by doping a variety of materials to pure KNN-based piezoelectric ceramic composition, Orthorhombic, tetragonal ( In order to further improve piezoelectric properties by forming a phase boundary in which two or more phase structures of tetragonal) and rhombohedral are mixed.

그러나, KNN계 압전 세라믹 조성물의 상경계에서 각 상구조의 상분율을 제어함으로써, 최대 압전특성을 연구한 예는 현재까지 없었다. However, there have been no examples of studying the maximum piezoelectric properties by controlling the phase fraction of each phase structure in the phase boundary of the KNN-based piezoelectric ceramic composition.

한국공개특허 제10-2015-0037483호(2015. 04. 08.)Korea Patent Publication No. 10-2015-0037483 (2015. 04. 08.)

본 발명은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 포함하는 압전 세라믹 조성물에 있어서, 상기 압전 세라믹 조성물은 능면정계(Rhombohedral) 구조 및 정방정계(Tetragonal) 구조를 포함하는 상경계를 가지고, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물 등을 제공하고자 한다.The present invention provides a piezoelectric ceramic composition comprising (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1), wherein the piezoelectric ceramic composition has a rhombohedral structure and a tetragonal structure. It is to provide a piezoelectric ceramic composition and the like having a phase boundary including, the ratio of the phase fraction of the rhombohedral structure and the tetragonal structure is 10:90 to 18:82.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, another task that is not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 포함하는 압전 세라믹 조성물에 있어서, 상기 압전 세라믹 조성물은 능면정계(Rhombohedral) 구조 및 정방정계(Tetragonal) 구조를 포함하는 상경계를 가지고, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물을 제공한다.The present invention provides a piezoelectric ceramic composition comprising (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1), wherein the piezoelectric ceramic composition has a rhombohedral structure and a tetragonal structure. It has a phase boundary including, the ratio of the phase fraction of the rhombohedral structure and the tetragonal structure provides a piezoelectric ceramic composition, characterized in that 10:90 to 18:82.

본 발명의 일 구현 예로, 상기 압전 세라믹 조성물을 이용한 압전 세라믹 소자를 제공한다. In one embodiment of the present invention, a piezoelectric ceramic device using the piezoelectric ceramic composition is provided.

본 발명에 따른 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 포함하는 압전 세라믹 조성물은 능면정계(Rhombohedral) 구조 및 정방정계(Tetragonal) 구조를 포함하는 상경계를 가지고, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 바, 상기 압전 세라믹 조성물은 높은 큐리 온도를 가지면서도, 최대 압전특성(d 33)을 가지는바, 다양한 형태의 압전 세라믹 소자로 유용하게 활용될 수 있다. 이때, 상기 압전 세라믹 소자는 납을 함유하고 있지 않으므로, 납으로 인한 환경 오염을 방지할 수 있는 이점을 가진다. The piezoelectric ceramic composition comprising (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1) according to the present invention has a phase boundary including a rhombohedral structure and a tetragonal structure, The ratio of the phase ratio of the rhombohedral structure and the tetragonal structure is 10:90 to 18:82, the piezoelectric ceramic composition has a high piezoelectric temperature, but has a maximum piezoelectric characteristic ( d 33 ) Bars may be usefully used as piezoelectric ceramic devices of various forms. In this case, since the piezoelectric ceramic element does not contain lead, it has an advantage of preventing environmental pollution due to lead.

도 1은 실시예 1에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물(x1=0, 0.01, 0.02, 0.025, 0.03, 0.035, 0.04, 0.045, 0.05, 0.06, 0.07)의 (a) XRD(44~47°) 패턴 분석 결과, (b) -100~200℃ 온도에 따른 유전상수(ε r) 측정 결과, (c) XRD Rietveld refinement 방법을 통한 상온(25℃)에서 능면정계(Rhombohedral; R) 구조, 사방정계(Orthorhombic; O) 구조 및 정방정계(Tetragonal; T) 구조의 상분율 계산 결과 및 (d) 압전상수(d 33) 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 2는 실시예 2에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물(x2=0.03, 0.035, 0.04, 0.045, 0.05, y2=0, 0.005, 0.01, 0.015, 0.02, 0.03)의 (a) XRD(44~47°) 패턴 분석 결과, (b) -100~200℃ 온도에 따른 유전상수(ε r) 측정 결과, (c) XRD Rietveld refinement 방법을 통한 상온(25℃)에서 능면정계(Rhombohedral; R) 구조, 사방정계(Orthorhombic; O) 구조 및 정방정계(Tetragonal; T) 구조의 상분율 계산 결과 및 (d) 압전상수(d 33) 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3은 실시예 3에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물(y3=0, 0.005, 0.01, 0.015, 0.02)의 (a) XRD(44~47°) 패턴 분석 결과, (b) -100~200℃ 온도에 따른 유전상수(ε r) 측정 결과, (c) XRD Rietveld refinement 방법을 통한 상온(25℃)에서 능면정계(Rhombohedral; R) 구조, 사방정계(Orthorhombic; O) 구조 및 정방정계(Tetragonal; T) 구조의 상분율 계산 결과 및 (d) 압전상수(d 33) 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
1 shows (a) XRD (44-47 °) pattern of a piezoelectric ceramic composition (x1 = 0, 0.01, 0.02, 0.025, 0.03, 0.035, 0.04, 0.045, 0.05, 0.06, 0.07) prepared according to Example 1 As a result of analysis, (b) dielectric constant ( ε r ) measurement according to -100 ~ 200 ℃ temperature, (c) Rhombohedral (R) structure at room temperature (25 ℃) by XRD Rietveld refinement method, This graph shows the results of the calculation of the phase ratio of the Orthorhombic (O) structure and the tetragonal (T) structure and the evaluation result of (d) the piezoelectric constant ( d 33 ).
2 is (a) XRD (44-47 °) of the piezoelectric ceramic composition (x2 = 0.03, 0.035, 0.04, 0.045, 0.05, y2 = 0, 0.005, 0.01, 0.015, 0.02, 0.03) prepared according to Example 2; ) Pattern analysis results, (b) Dielectric constant ( ε r ) measurement results according to the temperature of -100 ~ 200 ℃, (c) Rhombohedral (R) structure at room temperature (25 ℃) by XRD Rietveld refinement method, everywhere The graph shows the results of the calculation of the percentage of the Orthorhombic (O) structure and the Tetragonal (T) structure and the evaluation results of (d) the piezoelectric constant ( d 33 ).
Figure 3 is a (a) XRD (44 ~ 47 °) pattern analysis of the piezoelectric ceramic composition (y3 = 0, 0.005, 0.01, 0.015, 0.02) prepared according to Example 3, (b) -100 ~ 200 ℃ temperature Dielectric constant ( ε r ) measurement results according to (c), (c) Rhombohedral (R) structure, Orthorhombic (O) structure and tetragonal (Tetragonal; T at room temperature (25 ℃) by XRD Rietveld refinement method ) Is a graph showing the results of the calculation of the phase ratio of the structure and (d) the piezoelectric constant ( d 33 ).

본 발명자들은 KNN계 압전 세라믹 조성물을 대상으로, 이의 상경계에서 각 상구조의 상분율과 최대 압전특성 간의 상관관계에 대해서 연구하던 중, 능면정계(Rhombohedral)-정방정계(Tetragonal) 구조의 상경계에서, 능면정계 구조 및 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 경우, 최대 압전특성(d 33)을 보임을 확인하고, 본 발명을 완성하였다. The inventors of the present invention, while studying the correlation between the phase fraction and the maximum piezoelectric properties of each phase structure in the phase boundary of the KNN-based piezoelectric ceramic composition, in the phase boundary of the Rhombohedral-Tegonal structure When the ratio of the phase fraction of the rhombohedral structure and the tetragonal structure is 10:90 to 18:82, it was confirmed that the maximum piezoelectric characteristic ( d 33 ) was shown, and the present invention was completed.

본 명세서 내 “압전”이라 함은 압전체를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환하는 작용을 말하는 것으로, 압력이나 진동(기계에너지)을 가하면 전기가 생기는 효과를 말한다. 이러한 압전 성능을 나타내는 지표로는 압전상수(d 33, d 31) 등이 있다. 이때, 압전상수는 전계(V/m)를 인가할 때 변위하는 정도 혹은 그 반대를 말하는 것으로, 압전상수가 클수록 미소변위 제어가 가능한 이점을 가진다.As used herein, the term “piezoelectric” refers to a function of mutually converting mechanical energy and electrical energy through a piezoelectric medium, and refers to an effect of generating electricity when pressure or vibration (mechanical energy) is applied. Indicators indicating such piezoelectric performance include piezoelectric constants d 33 and d 31 . In this case, the piezoelectric constant refers to the degree of displacement when the electric field (V / m) is applied or vice versa, the larger the piezoelectric constant has the advantage that the micro displacement control is possible.

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

본 발명은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 포함하는 압전 세라믹 조성물에 있어서, 상기 압전 세라믹 조성물은 능면정계(Rhombohedral) 구조 및 정방정계(Tetragonal) 구조를 포함하는 상경계를 가지고, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물을 제공한다. The present invention provides a piezoelectric ceramic composition comprising (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1), wherein the piezoelectric ceramic composition has a rhombohedral structure and a tetragonal structure. It has a phase boundary including, the ratio of the phase fraction of the rhombohedral structure and the tetragonal structure provides a piezoelectric ceramic composition, characterized in that 10:90 to 18:82.

먼저, 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 기본으로 포함하는 것으로, 일명, KNN계 압전 세라믹 조성물이라고도 한다. 상기 KNN계 압전 세라믹 조성물은 높은 큐리 온도(Curie temperature)(250~420℃)와 우수한 압전특성(d 33 = 150 ~ 500pC/N)을 동시에 나타내기 때문에 PZT 압전 세라믹 조성물을 대체하기 위한 비납계 압전 세라믹 조성물로 볼 수 있다. 따라서, 납으로 인한 환경 오염을 방지할 수 있는 이점을 가진다. First, the piezoelectric ceramic composition according to the present invention contains (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1) as a basis, also referred to as a KNN-based piezoelectric ceramic composition. The KNN-based piezoelectric ceramic composition exhibits a high Curie temperature (250-420 ° C.) and excellent piezoelectric properties ( d 33 = 150-500 pC / N) at the same time, thereby replacing the PZT piezoelectric ceramic composition with non-lead piezoelectric ceramics. It can be seen as a ceramic composition. Therefore, there is an advantage that can prevent the environmental pollution due to lead.

상기 압전 세라믹 조성물은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1) 외에, Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1)를 추가로 포함할 수 있다. Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1)를 일정 함량 이상, 바람직하게는 4.5몰% 내지 5몰% 도핑하는 경우, 능면정계 구조 및 정방정계 구조의 상분율의 비를 10:90 내지 18:82 범위 내(구체적으로, 16:84 내지 18:82)로 유지시킬 수 있어, 최대 압전특성(d 33)을 보일 수 있다. In addition to the above piezoelectric ceramic composition (K a Na (1-a )) NbO 3 (0 <a <1), Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 (0≤ b1 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1) may be further included. Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 (0≤b1≤1, 0≤b2≤1) a predetermined amount or more, preferably 4.5 mol% to 5 mol% doping In this case, the ratio of the phase fraction of the rhombohedral structure and the tetragonal structure can be maintained within the range of 10:90 to 18:82 (specifically, 16:84 to 18:82), and thus the maximum piezoelectric characteristic ( d 33 ). Can be seen.

또한, 상기 압전 세라믹 조성물은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1) 및 Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1) 외에, BiScO3를 추가로 포함할 수 있다. Bi0.5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1)를 일정 함량 이상, 바람직하게는 3몰% 내지 4몰% 도핑하면서, BiScO3를 일정 함량 이상, 바람직하게는 0.5몰% 내지 1몰% 도핑하는 경우, 능면정계 구조 및 정방정계 구조의 상분율의 비를 10:90 내지 18:82 범위 내(구체적으로, 14:86 내지 16:84)로 유지시킬 수 있어, 최대 압전특성(d 33)을 보일 수 있다. Further, the piezoelectric ceramic composition (K a Na (1-a )) NbO 3 (0 <a <1) and Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 (0 In addition to ≦ b1 ≦ 1 and 0 ≦ b2 ≦ 1), BiScO 3 may be further included. Doping Bi 0.5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2) ) 0.5 ZrO 3 (0 ≦ b1 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1) to at least a certain amount, preferably 3 to 4 mol%, When BiScO 3 is doped in a predetermined amount or more, preferably 0.5 mol% to 1 mol%, the ratio of the phase fractions of the rhombohedral structure and the tetragonal structure is in the range of 10:90 to 18:82 (specifically, 14:86 To 16:84, thereby exhibiting a maximum piezoelectric characteristic d 33 .

또한, 상기 압전 세라믹 조성물은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1) 및 Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1) 외에, (BicNa(1-c))TiO3(0≤c≤1)를 추가로 포함할 수 있다. Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1)를 일정 함량 이상, 약 3몰% 도핑하면서, Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1)를 일정 함량 이상, 바람직하게는 1.5몰% 내지 2몰% 도핑하는 경우, 능면정계 구조 및 정방정계 구조의 상분율의 비를 10:90 내지 18:82 범위 내(구체적으로, 11:89 내지 15:85)로 유지시킬 수 있어, 최대 압전특성(d 33)을 보일 수 있다. Further, the piezoelectric ceramic composition (K a Na (1-a )) NbO 3 (0 <a <1) and Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 (0 In addition to ≦ b1 ≦ 1 and 0 ≦ b2 ≦ 1), (Bi c Na (1-c) ) TiO 3 (0 ≦ c ≦ 1) may be further included. Bi 0 .5 (K b2 b1 Na Li (1-b2-b1)) 0.5 ZrO 3 (0≤b1≤1, 0≤b2≤1) a predetermined amount or more, and doped with about 3 mol%, Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2) ) When doping 0.5 ZrO 3 (0 ≦ b1 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1) above a certain amount, preferably 1.5 mol% to 2 mol%, It is possible to maintain the ratio of the phase ratios of the crystalline structure and the tetragonal structure within the range of 10:90 to 18:82 (specifically, 11:89 to 15:85), thereby exhibiting the maximum piezoelectric characteristic d 33 . .

구체적으로, 상기 압전 세라믹 조성물은 하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 조성을 가질 수 있다:Specifically, the piezoelectric ceramic composition may have at least one composition selected from the group consisting of the following Chemical Formulas 1 to 3:

[화학식 1][Formula 1]

(1-x1)(KaNa(1-a))NbO3-x1Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3 (0.04<x1<0.06, 0<a<1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1), (1-x1) (K a Na (1-a)) NbO 3 -x1Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 (0.04 <x1 <0.06, 0 <a <1, 0 ≦ b1 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1),

[화학식 2][Formula 2]

(1-x2-y2)(KaNa(1-a))NbO3-x2Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3-y2BiScO3 (0.025<x2≤0.05, 0<y2<0.015, 0<a<1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1),(1-x2-y2) ( K a Na (1-a)) NbO 3 -x2Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 -y2BiScO 3 (0.025 <x2 ≦ 0.05, 0 <y2 <0.015, 0 <a <1, 0 ≦ b1 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1),

[화학식 3][Formula 3]

(0.97-y3)(KaNa(1-a))NbO3-0.03Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3-y3(BicNa(1-c))TiO3 (0.010<y3<0.025, 0<a<1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1 및 0≤c≤1). (0.97-y3) (K a Na (1-a)) NbO 3 -0.03Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 -y3 (Bi c Na (1-c ) ) TiO 3 (0.010 <y3 <0.025, 0 <a <1, 0 ≦ b1 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1 and 0 ≦ c ≦ 1).

상기 상경계에서 상구조는 온도에 따라 좌우될 수 있다. 따라서, 상기 상경계가 능면정계-정방정계 구조로서, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것은, 10℃ 내지 50℃에서 확인될 수 있고, 20℃ 내지 40℃에서 확인되는 것이 바람직하고, 상온(25)에서 확인되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. In the phase boundary, the phase structure may depend on the temperature. Therefore, as the phase boundary rhombohedral-square tetragonal structure, the ratio of the phase fraction of the rhombohedral structure and the tetragonal structure is 10:90 to 18:82, it can be confirmed at 10 ℃ to 50 ℃, 20 It is preferable to confirm at 40 to 40 degreeC, and it is preferable to confirm at normal temperature 25, but it is not limited to this.

상기 상경계는 사방정계 구조를 포함하지 아니한 것을 특징으로 한다. 이때, 사방정계 구조를 포함하게 되면, 압전특성이 저하되는 문제점이 있다. 구체적으로, 사방정계 구조를 포함하지 않은 상경계를 구현하기 위해서는, (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)에, Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1)의 도핑량을 높이거나, BiScO3 또는 (BicNa(1-c))TiO3(0≤c≤1) 도핑량을 높일 필요가 있다. The phase boundary is characterized in that it does not include a tetragonal structure. At this time, when the tetragonal structure is included, the piezoelectric characteristics are deteriorated. Specifically, in order to implement the phase boundary that does not contain an orthorhombic structure, (K a Na (1- a)) NbO 3 (0 <a <1), Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1- b1-b2) ) Increase the doping amount of 0.5 ZrO 3 (0 ≦ b1 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1), or increase BiScO 3 or (Bi c Na (1-c) ) TiO 3 (0 ≦ c ≦ 1) It is necessary to increase the doping amount.

상기 압전 세라믹조성물의 압전상수(d 33 )는 200pC/N 내지 500 pC/N 일 수 있고, 300pC/N 내지 500 pC/N인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. The piezoelectric constant d 33 of the piezoelectric ceramic composition may be 200 pC / N to 500 pC / N, and preferably 300 pC / N to 500 pC / N, but is not limited thereto.

또한, 본 발명은 상기 압전 세라믹 조성물을 이용한 압전 세라믹 소자를 제공한다. In addition, the present invention provides a piezoelectric ceramic device using the piezoelectric ceramic composition.

본 발명에 따른 압전 세라믹 소자는 상기 압전 세라믹 조성물을 이용하여 제조되는 것으로, 상기 "압전 세라믹 조성물"의 구체적인 내용에 대해서는 전술한 바와 같으므로, 중복 설명을 생략하기로 한다. The piezoelectric ceramic device according to the present invention is manufactured by using the piezoelectric ceramic composition, and the details of the "piezoelectric ceramic composition" are as described above, and thus redundant description will be omitted.

상기 압전 세라믹 소자는 최대 압전특성을 가지는바, 충격 센서; 가속도 센서; 초음파 센서; 적층형 압전 액추에이터; 압전 변압기; 및 초음파 진동자 또는 착화소자 등과 같은 같은 고신뢰성 압전부품으로 제조될 수 있으며, 이때, 납을 함유하고 있지 않으므로, 납으로 인한 환경 오염을 방지할 수 있는 이점이 있다. The piezoelectric ceramic element has a maximum piezoelectric characteristic bar, a shock sensor; Acceleration sensor; Ultrasonic sensors; Stacked piezoelectric actuators; Piezoelectric transformers; And it can be manufactured with a high-reliability piezoelectric component such as an ultrasonic vibrator or an ignition element, and at this time, it does not contain lead, there is an advantage that can prevent the environmental pollution due to lead.

따라서, 본 발명에 따른 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 포함하는 압전 세라믹 조성물은 능면정계(Rhombohedral) 구조 및 정방정계(Tetragonal) 구조를 포함하는 상경계를 가지고, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 바, 상기 압전 세라믹 조성물은 높은 큐리 온도를 가지면서도, 최대 압전특성(d 33)을 가지는바, 다양한 형태의 압전 세라믹 소자로 유용하게 활용될 수 있다. 이때, 상기 압전 세라믹 소자는 납을 함유하고 있지 않으므로, 납으로 인한 환경 오염을 방지할 수 있는 이점을 가진다. Accordingly, the piezoelectric ceramic composition including (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1) according to the present invention may be a phase boundary system including a rhombohedral structure and a tetragonal structure. The ratio of the phase fraction of the rhombohedral structure and the tetragonal structure is 10:90 to 18:82, wherein the piezoelectric ceramic composition has a high Curie temperature and has a maximum piezoelectric property ( d 33 ). It can be usefully used as a piezoelectric ceramic device of various forms. In this case, since the piezoelectric ceramic element does not contain lead, it has an advantage of preventing environmental pollution due to lead.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid in understanding the present invention. However, the following examples are merely provided to more easily understand the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

[[ 실시예Example ]]

실시예Example 1 One

(K0.48Na0.52)NbO3(이하, 'KNN'이라 함)에 Bi0 .5(Na0 .7K0. 2Li0 . 1)0.5ZrO3(이하, 'BNKLZ'라 함)를 0~7몰%로 도핑하여 압전 세라믹 조성물[(1-x1)KNN-x1BNKLZ]을 제조하였다. (K 0.48 Na 0.52) NbO 3 ( hereinafter 'KNN' term) to Bi 0 .5 (Na 0 .7 K 0. 2 Li 0. 1) 0.5 ZrO 3 ( hereinafter referred to as 'BNKLZ') 0 The piezoelectric ceramic composition [(1-x1) KNN-x1BNKLZ] was prepared by doping to ˜7 mol%.

도 1은 실시예 1에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물의 (a) XRD(44~47°) 패턴 분석 결과, (b) -100~200℃ 온도에 따른 유전상수(ε r) 측정 결과, (c) XRD Rietveld refinement 방법을 통한 상온(25℃)에서 능면정계(Rhombohedral; R) 구조, 사방정계(Orthorhombic; O) 구조 및 정방정계(Tetragonal; T) 구조의 상분율 계산 결과 및 (d) 압전상수(d 33) 평가 결과를 보여주는 그래프이다.Figure 1 shows the results of (a) XRD (44 ~ 47 °) pattern analysis of the piezoelectric ceramic composition prepared according to Example 1, (b) measurement of the dielectric constant ( ε r ) according to the temperature of -100 ~ 200 ℃, (c ) Calculation results of phase fractions of Rhombohedral (R), Orthorhombic (O) and Tetragonal (T) structures at room temperature (25 ℃) by XRD Rietveld refinement method and (d) Piezoelectric constant ( d 33 ) A graph showing the evaluation results.

도 1(a) 및 (b)에 나타난 바와 같이, BNKLZ의 도핑량이 증가함에 따라 XRD(44~47°) 패턴이 변화하고 TR-O 및 TO-T에 해당하는 피크의 위치가 변화하는 것으로 확인된다. 이를 통해, 실시예 1에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물의 상구조를 분석하면, BNKLZ가 도핑되지 않거나 작게 도핑된 경우(0몰%, 1몰%) O 구조를 유지하다가, BNKLZ의 도핑량이 증가함에 따라(2몰%, 2.5몰%, 3몰%, 3.5몰%, 4몰%) R-0-T 구조로 변화한 다음, BNKLZ의 도핑량이 더욱 증가함에 따라(4.5몰%, 5몰%, 6몰%, 7몰%) R-T 구조로 다시 변화하는 것으로 확인된다. 다만, 동일한 구조의 상경계를 가진다고 할지라도, XRD(44~47°) 패턴과 TR-O 및 TO-T에 해당하는 피크의 위치가 다소 상이한 것으로 확인되는데, 이는 동일한 구조의 상경계라고 할지라도 상경계를 이루는 각 구조의 상분율의 비가 상이하기 때문이다. As shown in Figure 1 (a) and (b), it is confirmed that the XRD (44 ~ 47 °) pattern changes and the position of the peak corresponding to T RO and T OT changes as the doping amount of BNKLZ increases. Through this, when analyzing the phase structure of the piezoelectric ceramic composition prepared according to Example 1, when the BNKLZ is doped or doped small (0 mol%, 1 mol%) while maintaining the O structure, the doping amount of the BNKLZ increases According to (2 mol%, 2.5 mol%, 3 mol%, 3.5 mol%, 4 mol%) to R-0-T structure, and then as the doping amount of BNKLZ further increased (4.5 mol%, 5 mol%, 6 mol%, 7 mol%) is confirmed to change back to the RT structure. However, even if the upper boundary of the same structure, the position of the peak corresponding to the XRD (44 ~ 47 °) pattern and T RO and T OT is confirmed to be slightly different, which is the angle of the upper boundary even if the upper boundary of the same structure This is because the ratio of the percentage of the structure to the structure is different.

도 1(c)에 나타난 바와 같이, BNKLZ의 도핑량이 증가함에 따라 O 구조는 줄어들다가 결국 사라지면서, R-T 구조의 상경계가 형성되는 것으로 확인된다. 또한, R-T 구조의 상경계가 형성된 이후에는, 총 상경계 대비, R 구조의 상분율이 점점 증가하는 것으로 확인된다. As shown in FIG. 1 (c), as the doping amount of BNKLZ increases, the O structure decreases and eventually disappears, and it is confirmed that an R-T structure phase boundary is formed. In addition, after the upper boundary of the R-T structure is formed, it is confirmed that the phase fraction of the R structure gradually increases with respect to the total upper boundary.

도 1(d)에 나타난 바와 같이, BNKLZ의 도핑량이 증가함에 따라 압전상수(d 33)는 증가하다가 다시 감소하는 추세를 보이는 것으로 확인된다. 구체적으로, BNKLZ의 도핑량이 4.5~5몰%일 때(즉, R 구조 및 T 구조의 상분율의 비가 16.3:83.7~17.6: 82.4일 때), 압전상수(d 33)가 최대인 것으로 확인된다. As shown in FIG. 1 (d), as the doping amount of BNKLZ increases, the piezoelectric constant d 33 increases and decreases again. Specifically, when the doping amount of BNKLZ is 4.5-5 mol% (that is, when the ratio of the percentage of R structure and T structure is 16.3: 83.7-17.6: 82.4), the piezoelectric constant d 33 is confirmed to be the maximum. .

실시예Example 2 2

(K0.48Na0.52)NbO3(이하, 'KNN'이라 함)에 Bi0 .5(Na0 .7K0. 2Li0 . 1)0.5ZrO3(이하, 'BNKLZ'라 함)를 3~5몰%로 도핑한 다음, BiScO3(이하, 'BS'라 함)를 0~3몰%로 도핑하여 압전 세라믹 조성물[(1-x2-y2)KNN-x2BNKLZ-y2BS]을 제조하였다. (K 0.48 Na 0.52) Bi 0 .5 to NbO 3 (hereinafter referred to as, 'KNN') (Na 0 .7 K 0. 2 Li 0. 1) 0.5 ZrO 3 ( hereinafter referred to as 'BNKLZ') 3 the After doping to ˜5 mol%, BiScO 3 (hereinafter referred to as 'BS') was dope to 0 to 3 mol% to prepare a piezoelectric ceramic composition [(1-x2-y2) KNN-x2BNKLZ-y2BS].

도 2은 실시예 2에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물의 (a) XRD(44~47°) 패턴 분석 결과, (b) -100~200℃ 온도에 따른 유전상수(ε r) 측정 결과, (c) XRD Rietveld refinement 방법을 통한 상온(25℃)에서 능면정계(Rhombohedral; R) 구조, 사방정계(Orthorhombic; O) 구조 및 정방정계(Tetragonal; T) 구조의 상분율 계산 결과 및 (d) 압전상수(d 33) 평가 결과를 보여주는 그래프이다.Figure 2 shows the results of (a) XRD (44 ~ 47 °) pattern analysis of the piezoelectric ceramic composition prepared according to Example 2, (b) measurement of the dielectric constant ( ε r ) according to the temperature of -100 ~ 200 ℃, (c ) Calculation results of phase fractions of Rhombohedral (R), Orthorhombic (O) and Tetragonal (T) structures at room temperature (25 ℃) by XRD Rietveld refinement method and (d) Piezoelectric constant ( d 33 ) A graph showing the evaluation results.

도 2(a) 및 (b)에 나타난 바와 같이, BS의 도핑량이 증가함에 따라 XRD(44~47°) 패턴이 변화하고 TR-O 및 TO-T에 해당하는 피크의 위치가 변화하는 것으로 확인된다. 이를 통해, 실시예 2에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물의 상구조를 분석하면, BNKLZ가 3몰%, 3.5몰% 또는 4몰% 도핑된 경우, BS가 도핑되지 않거나 작게 도핑되었을때 R-0-T 구조를 유지하다가, BS의 도핑량이 증가함에 따라 R-T 구조로 변화하는 것으로 확인된다. 한편, BNKLZ가 4.5몰% 또는 5몰% 도핑된 경우에는 BS 도핑량에 상관없이 R-T 구조의 상경계를 형성하는 것으로 확인된다. As shown in Fig. 2 (a) and (b), it is confirmed that as the doping amount of the BS increases, the XRD (44-47 °) pattern changes and the positions of peaks corresponding to T RO and T OT change. Through this, when analyzing the phase structure of the piezoelectric ceramic composition prepared according to Example 2, when the BNKLZ doped 3 mol%, 3.5 mol% or 4 mol%, BS is not doped or small doped R-0- While maintaining the T structure, it is confirmed that the change to the RT structure as the doping amount of the BS increases. On the other hand, when BNKLZ is doped 4.5 mol% or 5 mol%, it is confirmed to form a phase boundary of the RT structure regardless of the amount of BS doping.

또한, BNKLZ 및 BS 도핑량이 증가함에 따라 TR- O 는 점점 증가하면서 TO-T는 점점 감소하는 것으로 확인된다. 구체적으로, TR- O 가 -80℃ 이상으로 증가하면서 TO-T 가 127℃ 이하로 감소하면 상온에서 R-O-T 구조의 상경계가 형성된다. BNKLZ 및 BS 도핑량이 더욱 증가함에 따라 TR-O 및 TO-T에 해당하는 피크는 상온 부근에서 하나의 피크로 합쳐지는데, 이로써, 상온에서는 R-T 구조의 상경계가 형성된다. 다만, 동일한 구조의 상경계를 가진다고 할지라도, XRD(44~47°) 패턴과 TR-O 및 TO- T에 해당하는 피크의 위치가 다소 상이한 것으로 확인되는데, 이는 동일한 구조의 상경계라고 할지라도 상경계를 이루는 각 구조의 상분율의 비가 상이하기 때문이다. In addition, it is confirmed that as the amount of BNKLZ and BS doping increases, T R- O gradually increases and T OT gradually decreases. Specifically, when the T OT decreases below 127 ° C. while the T R- O increases above -80 ° C., a phase boundary of the ROT structure is formed at room temperature. As the BNKLZ and BS doping amounts are further increased, the peaks corresponding to T RO and T OT merge into one peak near room temperature, thereby forming a phase boundary of the RT structure at room temperature. However, even if they have the same structure, the position of the peaks corresponding to the XRD (44 to 47 °) pattern and the T RO and T O-T is slightly different. This is because the ratio of the percentage of phases of each structure to be formed is different.

도 2(c)에 나타난 바와 같이, BNKLZ 및 BS의 도핑량이 증가함에 따라 O 구조는 줄어들다가 결국 사라지면서, R-T 구조의 상경계가 형성되는 것으로 확인된다. 또한, R-T 구조의 상경계가 형성된 이후에는, 총 상경계 대비, R 구조의 상분율이 점점 증가하는 것으로 확인된다. As shown in FIG. 2 (c), as the doping amounts of BNKLZ and BS increase, the O structure decreases and eventually disappears, and it is confirmed that an R-T structure phase boundary is formed. In addition, after the upper boundary of the R-T structure is formed, it is confirmed that the phase fraction of the R structure gradually increases with respect to the total upper boundary.

도 2(d)에 나타난 바와 같이, BNKLZ가 3몰%, 3.5몰% 또는 4몰% 도핑된 경우, BS의 도핑량이 증가함에 따라 압전상수(d 33)는 증가하다가 다시 감소하는 추세를 보이는 것으로 확인된다. 구체적으로, BS의 도핑량이 0.5~1몰%일 때(즉, R 구조 및 T 구조의 상분율의 비가 14.4: 85.6~15.8:84.2일 때), 압전상수(d 33)가 최대인 것으로 확인된다. As shown in FIG. 2 (d), when BNKLZ is doped with 3 mol%, 3.5 mol% or 4 mol%, the piezoelectric constant d 33 increases and decreases again as the doping amount of the BS increases. It is confirmed. Specifically, when the doping amount of BS is 0.5-1 mol% (that is, when the ratio of the phase ratio of the R structure and the T structure is 14.4: 85.6-15.8: 84.2), it is confirmed that the piezoelectric constant d 33 is the maximum. .

실시예Example 3 3

(K0.48Na0.52)NbO3(이하, 'KNN'이라 함)에 Bi0 .5(Na0 .7K0. 2Li0 . 1)0.5ZrO3(이하, 'BNKLZ'라 함)를 3몰%로 도핑한 다음, (Bi0.5Na0.5)TiO3(이하, 'BNT'라 함)를 0~2몰%로 도핑하여 압전 세라믹 조성물[(0.97-y3)KNN-0.03BNKLZ-y3BNT]을 제조하였다. (K 0.48 Na 0.52) Bi 0 .5 to NbO 3 (hereinafter referred to as, 'KNN') (Na 0 .7 K 0. 2 Li 0. 1) 0.5 ZrO 3 ( hereinafter referred to as 'BNKLZ') 3 the And then doped with (Bi 0.5 Na 0.5 ) TiO 3 (hereinafter referred to as 'BNT') to 0-2 mol% to form a piezoelectric ceramic composition [(0.97-y3) KNN-0.03BNKLZ-y3BNT]. Prepared.

도 3은 실시예 3에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물의 (a) XRD(44~47°) 패턴 분석 결과, (b) -100~200℃ 온도에 따른 유전상수(ε r) 측정 결과, (c) XRD Rietveld refinement 방법을 통한 상온(25℃)에서 능면정계(Rhombohedral; R) 구조, 사방정계(Orthorhombic; O) 구조 및 정방정계(Tetragonal; T) 구조의 상분율 계산 결과 및 (d) 압전상수(d 33) 평가 결과를 보여주는 그래프이다.Figure 3 is a (a) XRD (44 ~ 47 °) pattern analysis results of the piezoelectric ceramic composition prepared according to Example 3, (b) dielectric constant ( ε r ) measurement results according to the temperature of -100 ~ 200 ℃, (c ) Calculation results of phase fractions of Rhombohedral (R), Orthorhombic (O) and Tetragonal (T) structures at room temperature (25 ℃) by XRD Rietveld refinement method and (d) Piezoelectric constant ( d 33 ) A graph showing the evaluation results.

도 3(a) 및 (b)에 나타난 바와 같이, BNT의 도핑량이 증가함에 따라 XRD(44~47°) 패턴이 변화하고 TR-O 및 TO-T에 해당하는 피크의 위치가 변화하는 것으로 확인된다. BNT가 도핑되지 않거나 작게 도핑되었을때 (0몰%, 0.5몰%, 1몰%) R-0-T 구조를 유지하다가, BNT의 도핑량이 증가함에 따라(1.5몰%, 2몰%) R-T 구조로 변화하는 것으로 확인된다. 다만, 동일한 구조의 상경계를 가진다고 할지라도, XRD(44~47°) 패턴과 TR-O 및 TO-T에 해당하는 피크의 위치가 다소 상이한 것으로 확인되는데, 이는 동일한 구조의 상경계라고 할지라도 상경계를 이루는 각 구조의 상분율의 비가 상이하기 때문이다. As shown in Figure 3 (a) and (b), it is confirmed that the XRD (44 ~ 47 °) pattern changes and the position of the peak corresponding to T RO and T OT changes as the doping amount of BNT increases. When BNT is not doped or lightly doped (0 mol%, 0.5 mol%, 1 mol%), the R-0-T structure is maintained, and as the doping amount of BNT increases (1.5 mol%, 2 mol%), RT structure It is confirmed that the change. However, even if the upper boundary of the same structure, the position of the peak corresponding to the XRD (44 ~ 47 °) pattern and T RO and T OT is confirmed to be slightly different, which is the angle of the upper boundary even if the upper boundary of the same structure This is because the ratio of the percentage of the structure to the structure is different.

도 3(c)에 나타난 바와 같이, BNT의 도핑량이 증가함에 따라 O 구조는 줄어들다가 결국 사라지면서, R-T 구조의 상경계가 형성되는 것으로 확인된다. 또한, R-T 구조의 상경계가 형성된 이후에는, 총 상경계 대비, T 구조의 상분율이 점점 증가하는 것으로 확인된다. As shown in FIG. 3 (c), as the doping amount of BNT increases, the O structure decreases and eventually disappears, and it is confirmed that an R-T structure phase boundary is formed. In addition, after the upper boundary of the R-T structure is formed, it is confirmed that the phase fraction of the T structure gradually increases with respect to the total upper boundary.

도 3(d)에 나타난 바와 같이, BNT의 도핑량이 증가함에 따라 압전상수(d 33)는 증가하다가 다시 감소하는 추세를 보이는 것으로 확인된다. 구체적으로, BNT의 도핑량이 1.5~2몰%일 때(즉, R 구조 및 T 구조의 상분율의 비가 11.3:88.7~14.7:85.3일 때), 압전상수(d 33)가 최대인 것으로 확인된다. As shown in FIG. 3 (d), as the doping amount of BNT increases, the piezoelectric constant d 33 increases and decreases again. Specifically, when the doping amount of BNT is 1.5 to 2 mol% (that is, when the ratio of the phase ratio of the R structure and the T structure is 11.3: 88.7 to 14.7: 85.3), the piezoelectric constant d 33 is confirmed to be the maximum. .

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.

Claims (9)

(KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 포함하는 압전 세라믹 조성물에 있어서,
상기 압전 세라믹 조성물은 하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 조성을 가지고,
상기 압전 세라믹 조성물을 10℃ 내지 50℃에서 확인한 결과, 능면정계(Rhombohedral) 구조 및 정방정계(Tetragonal) 구조를 포함하되, 사방정계(Orthorhombic) 구조를 포함하지 아니하는 상경계를 가지며, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 압전상수(d33)가 200pC/N 내지 500 pC/N인 압전 세라믹 조성물:
[화학식 1]
(1-x1)(KaNa(1-a))NbO3-x1Bi0.5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3 (0.045≤x1≤0.05, 0<a<1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1),
[화학식 2]
(1-x2-y2)(KaNa(1-a))NbO3-x2Bi0.5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3-y2BiScO3 (0.03≤x2≤0.04, 0.005≤y2≤0.01, 0<a<1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1),
[화학식 3]
(0.97-y3)(KaNa(1-a))NbO3-0.03Bi0.5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3-y3(BicNa(1-c))TiO3 (0.015≤y3≤0.02, 0<a<1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1 및 0≤c≤1).
In the piezoelectric ceramic composition comprising (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1),
The piezoelectric ceramic composition has at least one composition selected from the group consisting of the following Chemical Formulas 1 to 3,
Checking the piezoelectric ceramic composition at 10 ℃ to 50 ℃, as a result, including a rhombohedral (Rhombohedral) structure and a tetragonal (Tetragonal) structure, and has a phase boundary that does not include an Orthorhombic structure, the rhombohedral structure And a piezoelectric constant (d 33 ) of 200 pC / N to 500 pC / N, wherein the ratio of the phase fraction of the tetragonal structure is 10:90 to 18:82.
[Formula 1]
(1-x1) (K a Na (1-a) ) NbO 3 -x1Bi 0.5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2) ) 0.5 ZrO 3 (0.045 ≦ x1 ≦ 0.05, 0 <a <1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1),
[Formula 2]
(1-x2-y2) (K a Na (1-a) ) NbO 3 -x2Bi 0.5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2) ) 0.5 ZrO 3 -y2BiScO 3 (0.03≤x2≤0.04, 0.005 ≤y2≤0.01, 0 <a <1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1),
[Formula 3]
(0.97-y 3) (K a Na (1-a) ) NbO 3 -0.03Bi 0.5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2) ) 0.5ZrO 3 -y3 (Bi c Na (1-c) ) TiO 3 (0.015 ≦ y3 ≦ 0.02, 0 <a <1, 0 ≦ b1 ≦ 1, 0 ≦ b2 ≦ 1 and 0 ≦ c ≦ 1).
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 압전 세라믹 조성물은 비납계인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
The method of claim 1,
The piezoelectric ceramic composition is a piezoelectric ceramic composition, characterized in that non-lead-based.
삭제delete 제1항 또는 제7항에 따른 압전 세라믹 조성물을 이용한 압전 세라믹 소자.
A piezoelectric ceramic device using the piezoelectric ceramic composition according to claim 1.
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Dielectric and Piezoelectric Properties of Lead Free Na0.5K0.5NbO3-BiScO3 Ceramics, Japanese Journal of Applied Physics, 2007.10.09.) 1부.*
Lead-free piezoelectric ceramics based on (0.97-x)K0.48Na0.52NbO3-0.03Bi0.5(Na0.7K0.2LI0.1)0.5ZrO3-xB0.5Na0.5TiO3 ternary system, Journal of Applied Physics, 2013.09.30.) 1부.*
Rhombohedral-tetragonal phase boundary and electrical properties of new K0.48Na0.52Nb0.98Sb0.02O3-Bi0.5Na0.5ZrO3 lead-free piezoceramics, Journal of Physics D: Applied Physics, 2013.11.19.) 1부.*

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