KR102143696B1 - 무연 압전 세라믹 조성물 및 무연 압전 세라믹 제조 방법 - Google Patents

Abstract

압전 특성이 개선된, BCTZ계 무연 압전 세라믹 조성물 및 BCTZ계 무연 압전 세라믹의 제조 방법이 개시된다. 개시된 무연 압전 세라믹 조성물은 BCTZ계 모재료 및 산화구리(CuO)를 포함하며, 상기 무연 압전 세라믹 조성물에서, 상기 산화구리의 중량비는 0.2 wt% 내지 0.4 wt%이다.

Description

무연 압전 세라믹 조성물 및 무연 압전 세라믹 제조 방법{LEAD-FREE PIEZOELECTRIC CERAMIC COMPOSITION AND METHOD FOR LEAD-FREE PIEZOELECTRIC CERAMIC}

본 발명은 무연 압전 세라믹 조성물 및 무연 압전 세라믹 제조 방법에 관한 것이다.

압전 세라믹 재료는 압전 현상을 나타내는 재료로서, LCD 백라이트용 트랜스포머, 초정밀 액츄에이터, 초음파 모터, 센서와 에너지 하베스팅 분야 등 다양한 분야에 응용되고 있어 지난 수십 년간 많은 연구가 진행되어 왔다.

현재, 주류를 이루고 있는 압전 세라믹 재료는 PZT(Pb(Zr,Ti)O₃)계 재료로서 납을 기본으로 한 페로브스카이트 구조의 강유전체 화합물이다. PZT계 재료는 인체에 치명적인 중독 문제를 야기시키며, 납의 휘발은 환경오염을 유발시키기 때문에 이를 원천적으로 해결하기 위해 환경 친화적인 압전 세라믹 재료의 개발에 대한 관심이 점차 고조되고 있다.

따라서 일반적인 무연 압전 세라믹 재료인　BNT((BiNa)TiO₃)계, NKN((NaK)NbO₅)계 재료의 압전 특성을 향상시키기 위해 많은 연구가 진행되어 왔다. 그럼에도 불구하고 이들의 압전　특성은 PZT계 압전 세라믹스의 압전　특성과 비교하여 여전히 낮은 값(d₃₃=100∼200pC/N)을 나타낸다.

Liu와 Ren에 의해 새로이 발견된 BCTZ((Ba,Ca)(Ti,Zr)O₃)계 무연 압전 세라믹 재료는, 페로브스카이트 구조를 가지며, 비교적 높은 전기 기계 변환 상수(k_p)와 압전 전하 상수(d₃₃)를 나타내는 BCTZ계 무연 압전 세라믹스에 관한 연구가 최근 활발히 이루어지고 있다　

관련 선행문헌으로 특허 문헌인 대한민국 공개특허 제2017-0081979호, 비특허 문헌인 "소결온도 변화에 따른 (Ba_{0 . 85}Ca_{0 .15})(Ti_{0 . 9}Zr_{0 . 1})O₃ 세라믹스의 유전 및 압전 특성, 전기전자재료학회논문지, 제27권 제1호 pp. 22-26, 2014년 1월: 이갑수 등"가 있다.

본 발명은 압전 특성이 개선된, BCTZ계 무연 압전 세라믹 조성물 및 BCTZ계 무연 압전 세라믹의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, BCTZ계 모재료 및 산화구리(CuO)를 포함하며, 상기 무연 압전 세라믹 조성물에서, 상기 산화구리의 중량비는 0.2 wt% 내지 0.4 wt%인 무연 압전 세라믹 조성물을 제공한다.

또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, BCTZ계 모재료에 산화 구리가 첨가된 혼합물을 제조하는 단계; 및 1300도(℃) 내지 1450도(℃)의 온도에서 상기 혼합물을 소결하는 단계를 포함하며, 상기 혼합물에서 상기 산화 구리의 중량비는 중량비는 0.2 wt% 내지 0.4 wt%인 무연 압전 세라믹의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, BCTZ계 무연 압전 세라믹 조성물의 압전 특성이 개선될 수 있다.

도 1은 소결 온도에 따른 무연 압전 세라믹의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 이미지를 나타내는 도면이다.
도 2는 소결 온도에 따른 무연 압전 세라믹의 XRD 그래프를 나타내는 도면이다.
도 3은 소결 온도에 따른 무연 압전 세라믹의 출력 파워를 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다.

무연 압전 세라믹 조성물

본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 조성물은 압전 특성이 개선된 BCTZ계 무연 압전 세라믹 조성물로서, BCTZ계 모재료 및 산화구리(CuO)를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 무연 압전 세라믹 조성물에서 산화구리의 중량비는 0.2 wt% 내지 0.4 wt% 사이에서 결정될 수 있다.

[표 1]은 BCTZ계 모재료로서, (Ba_{0 . 85}Ca_{0 .15})(Ti_{0 . 9}Zr_{0 . 1})O₃ 분말에 산화구리를 첨가하지 않은 무연 압전 세라믹 조성물과, 부재료로서 중량비 0.1 wt% 내지 0.5 wt%의 산화구리가 첨가된 무연 압전 세라믹 조성물에 대한 압전 특성을 나타내는 표이다.

압전 특성을 나타내는 파라미터로서, 압전 전압 상수(g₃₃), 압전 전하 상수(d₃₃), 전기 기계 변환 상수(k_p) 및 품질 계수(Q_m)가 있으며, 압전 전압 상수, 압전 전하 상수 및 전기 기계 변환 상수 값이 클수록, 그리고 품질 계수 값이 작을수록 압전 특성이 우수하다. 특히, 압전 전압 상수는 압전 전하 상수에 비례하고, 유전 상수(dielectric constant)에 반비례하는 값으로서, 유전 상수가 작을수록 커진다.

[표 1]을 살펴보면, 산화구리가 중량비 0.2 wt%로 BCTZ계 모재료에 첨가된 경우, 압전 전압 상수와 압전 전하 상수를 곱한 값인 압전 변환 상수(d33×g33) 값이 급격히 증가하고 품질 계수 값이 급격히 작아지며, 산화구리가 중량비 0.3 wt%로 첨가된 경우, 압전 변환 상수 값이 최대치를 나타내며 품질 계수 값이 최소치를 나타냄을 알 수 있다. 그리고 산화구리가 중량비 0.5 wt%로 첨가된 경우 압전 변환 상수 값이 급격히 감소함을 알 수 있다.

즉, BCTZ계 모재료에 산화구리가 중량비 0.2 wt% 내지 0.4 wt%로 첨가된 경우 우수한 압전 특성이 나타나며, 특히 산화구리가 중량비 0.3 wt%로 첨가된 경우 가장 좋은 압전 특성이 나타남을 알 수 있다.

무연 압전 세라믹 제조 방법

도 1 내지 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무연 압전 세라믹의 제조 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도 1은 소결 온도에 따른 무연 압전 세라믹의 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM) 이미지를 나타내는 도면이며, 도 2는 소결 온도에 따른 무연 압전 세라믹의 XRD 그래프를 나타내는 도면이다. 그리고 도 3은 소결 온도에 따른 무연 압전 세라믹의 출력 파워를 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 무연 압전 세라믹 제조 방법은, BCTZ계 모재료에 산화 구리가 첨가된 혼합물을 제조하는 단계 및 1300도(℃) 내지 1450도(℃)의 온도에서 혼합물을 소결하는 단계를 포함한다.

일실시예로서, BCTZ계 모재료로 (Ba_{0 . 85}Ca_{0 .15})(Ti_{0 . 9}Zr_{0 . 1})O₃가 이용되며, 혼합물에서 산화구리의 중량비가 0.2 wt% 내지 0.4 wt%가 되도록 산화구리가 첨가된 혼합물이 제조될 수 있다. 그리고 BaCO₃(바륨 카보네이트) 및 CaCO₃(칼슘 카보네이트)를 몰비 0.85:0.15, TiO₂(이산화 타이타늄) 및 ZrO₂(지르코늄 다이옥사이드)를 몰비 0.9:0.1 비율로 혼합 및 분쇄하여 (Ba_{0 . 85}Ca_{0 .15})(Ti_{0 . 9}Zr_{0 . 1})O₃를 마련할 수 있다.

도 1 내지 도 3 및 [표 2]는 일실시예로서 산화구리가 중량비 0.3 wt%로 첨가되어 4시간 동안 소결된 무연 압전 세라믹의 압전 특성 데이터를 나타낸다. 소결은, 1300도 ~ 1450도 범위에서 50도씩 온도를 조절하여 이루어졌다.

1300도 미만에서는 소결이 이루어지지 않았으며, 1500도에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 무연 압전 세라믹의 표면이 녹아 압전 특성을 측정할 수 없었다. 반면, 1300도 내지 1450도 범위에서는 소결이 이루어졌으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 5μm에서 40μm까지 다양한 그레인이 관찰되었다. 소결 온도가 1300도에서 1450도로 증가하면서 그레인의 크기도 증가하였다.

도 2를 참조하면, 소결 온도가 1300도에서 1450도로 증가하면서 (110) 피크가 증가하는데, 이는 무연 압전 세라믹의 표면에 형성된 그레인의 크기와 관련이 있다. 또한 소결 온도가 1500도인 경우 (110) 피크가 감소하고, (200) 피크가 증가하는데, 이는 무연 압전 세라믹의 멜팅(melting) 현상과 관련이 있다.

[표 2]를 참조하면, 소결 온도가 높아질수록 무연 압전 세라믹의 압전 특성이 개선되며, 1450도에서 소결된 무연 압전 세라믹의 압전 특성이 가장 우수함을 알 수 있다. 그리고 이러한 압전 특성은 도 3에 도시된 무연 압전 세라믹의 출력 파워를 통해서도 확인할 수 있다.

도 3은 100Ω에서 100kΩ까지 부하 저항을 변화시켜가며 측정한 무연 압전 세라믹의 출력 파워를 나타낸다. 1300도, 1350도, 1400도, 1450도 각각에서 소결된 무연 압전 세라믹의 출력 파워를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 소결 온도가 높아질수록 출력 파워 역시 높아지며, 1300도에서 소결된 무연 압전 세라믹의 전력 밀도는 최대 52.63 mW/cm³이지만, 1450도에서 소결된 무연 압전 세라믹의 전력 밀도는 최대 107.9 mW/cm³까지 증가한다.

이는 [표 2]의 결과와 대응되며, 압전 변환 상수 값이 증가할수록 출력 파워 값 역시 증가함을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. BCTZ계 모재료에 산화 구리가 첨가된 혼합물을 제조하는 단계; 및
   1450도(℃)의 온도에서 상기 혼합물을 소결하는 단계를 포함하며,
   상기 혼합물에서 상기 산화 구리의 중량비는 중량비는 0.3 wt%인
   무연 압전 세라믹의 제조 방법.
5. 삭제
6. 삭제

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