KR102277085B1 - b-TGG 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹, 압전 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

b-TGG 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹, 압전 소자 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, b-TGG 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹, 압전 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 이종템플릿(Bi-template); 및 상기 이종템플릿을 제어된 미세구조 조직;을 포함하고, 상기 미세구조 조절을 통해 텍스쳐링된 PMN-PT 압전세라믹, 이를 포함하는 압전 소자 및 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹의 제조방법에 관한 것이다.

Description

b-TGG 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹, 압전 소자 및 이의 제조방법 {b-TGG TEXTURED PMN-PT BASED PIEZOELECTRIC CERAMICS, PIEZOELECTRIC ELEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING SAME}
본 발명은, b-TGG 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹, 압전 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
압전 세라믹의 압전 특성은 결정 구조에 큰 영향을 받는다. 일반적으로 같은 조성을 갖는 압전 세라믹은, 단결정이 다결정 세라믹 보다 매우 우수한 압전 상수를 가진다. 하지만 단결정 압전 세라믹은 제조 방식이 대량생산에 적합하지 않고 높은 비용을 요구하고, 반면 다결정 압전 세라믹은 낮은 비용으로 대량생산에 용이하다. 두 가지 세라믹의 상반된 장단점은, 압전 세라믹 상용화에 큰 어려움 중 하나이기 때문에 합리적인 비용으로 좋은 압전 특성을 갖는 압전 세라믹의 개발이 필요하다. 최근에서는 TGG(Templated Grain Growth)를 이용하여 배향 세라믹에 대한 연구가 진행되고 있다. 배향이란 미세 단결정인 템플릿(template)을 다결정 세라믹 안에 한방향으로 배열시켜 소결 과정에서 템플릿의 결정 방향을 따라 그래인(grain)이 성장하도록 유도하는 공법이다. 배향 세라믹은 기존 다결정 압전 세라믹의 생산 방식 중 하나인 테이프 캐스팅(tape-casting) 공법에 템플릿만 추가하여 제작할 수 있다. TGG 공법은, 2004년이후 관련 학계에서 많은 연구가 진행되어 왔으나 높은 배향도에 비해 특성 증가치가 기대에 미치지 못하는 결과들을 보여주고, 압전 특성 향상을 위한 연구가 더 필요하다.
본 발명은, 이종 템플릿(Bi-template)을 이용한 텍스쳐링에 의해 높은 배향도를 유지하면서, 배향되지 않은 랜덤 그래인(random grain)의 성장을 억제하여 뛰어난 압전 특성을 갖는, 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹을 제공하는 것이다.
본 발명은, 본 발명에 의한 텍스쳐링된 PMN-PT 세라믹을 포함하는 압전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명은, 이종 템플릿(Bi-template)에 의한 입자 배양을 통해 배향도와 소자 특성이 개선된 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹을 대량 생산할 수 있는, 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 이종 템플릿(Bi-template); 을 포함하고, 상기 이종 템플릿(Bi-template)에 의한 미세구조 조절을 통해 텍스쳐링된, PMN-PT(lead magnesium niobate-lead titanate) 기반 압전 세라믹에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 PMN-PT 대 상기 이종 템플릿의 부피비는, 0.99:0.01내지 0.5:0.5인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 이종 템플릿은, BNT(sodium bismuth titanate) 및 BT(barium titanate)를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 BNT 대 상기 BT의 몰비는, 0.1:0.9 내지 0.9:0.1인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 PMN 대 상기 PT의 몰비는, 0.9:0.1 내지 0.5:0.5인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 이종 템플릿은, 플레이트렛 형상을 포함하고, 상기 이종 템플릿은, 0.5 μm 내지 2 μm 두께 및 2 μm 내지 30 μm의 길이 를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 PMN-PT 기반 압전 세라믹은, 상기 이종템플릿에 의해 배향되지 않은 랜덤 그래인(random grain)의 크기를 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 PMN-PT 기반 압전 세라믹의 스트레인은 온도에 비의존적인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 PMN-PT 기반 압전 세라믹의 압전상수(Piezoelectric d-coefficient, d33)는, 1000 pC/N 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹은, 내부전극을 기준으로 단일층 또는 다중층을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹을 포함하는, 압전소자에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 압전소자는, 센서, 스피커, 액츄에이터, 트랜스듀서 및 에너지 하베스트로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나에 적용되는 부품인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 이종 템플릿 시드(Bi-template seed) 및 PMN-PT 분말을 혼합하여 세라믹 혼합물을 형성하는 단계; PMN-PT 매트릭스 내에 이종 템플릿 시드가 일정하게 배열되도록 상기 혼합물로부터 그린 바디를 형성하는 단계; 및 상기 그린 바디를 소결하는 단계;를 포함하는, 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 그린 바디를 형성하는 단계는, 테입 캐스팅하여 그린 바디를 형성하고 이종 템플릿 시드를 배열하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 그린 바디를 적층하여 그린 바디 적층체를 형성하는 단계; 및 상기 그린 바디 적층체를 라미네이팅하는 단계;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 그린 바디를 소결하는 단계 이전에 상기 그린 바디를 압착하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 소결하는 단계는, 900 °C 이상의 온도에서 소결하는 것일 수 있다.
본 발명은, 이종 템플릿(bi-template)을 이용하여, 높은 배향도를 유지하면서 랜덤 그래인(random grain)의 성장을 억제하여 뛰어난 압전 특성을 갖는 PMN-PT 기반의 압전 소자용 세라믹 및 이를 이용한 압전 소자를 제공할 수 있다. 이는 이종템플릿을 이용하여 결정립성장이 제어되고, 무작위-결정립이 제어된 배향 PMN-PT 기반 압전 세라믹 및 압전 소자를 제공할 수 있다.
본 발명은, 기존 TGG 결과보다 우수한 압전 특성을 나타내는 이종 템플릿 효과를 나타낼 뿐만 아니라, 저렴한 비용으로 우수한 품질의 압전 소자용 세라믹 및 압전 소자의 대량 생산이 가능한 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 압전 세라믹의 파단면 모식도 및 미세구조 이미지로, (a) 텍스쳐링되지 않고 랜덤 배향 그래인을 갖는 순수 PMN-PT 세라믹, (b) BNT 시드로 텍스쳐링된 PMN-PT 세라믹, (c) BT 시드로 텍스쳐링된 PMN-PT 세라믹 및 (d) BNT 및 BT의 이종 시드로 텍스쳐링된 PMN-PT 세라믹이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 압전 세라믹의 XRD 패턴을 나타낸 것으로, (a) 순수 PMN-PT 세라믹, (b) BNT 시드로 텍스쳐링된 PMN-PT 세라믹, (c) BT 시드로 텍스쳐링된 PMN-PT 세라믹 및 (d) BNT 및 BT의 이종 시드로 텍스쳐링된 PMN-PT 세라믹이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 압전 세라믹의 SEM 및 EBSD 분석 이미지를 나타낸 것으로, (a) BT 시드로 텍스쳐링된 PMN-PT 세라믹 및 (b) BNT 및 BT의 이종 시드로 텍스쳐링된 PMN-PT 세라믹이다 (EBSD 이미지 내 흰색원은 배향되지 않은 램던 그래인들을 나타낸다.)
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 실시예 및 비교예세서 제조된 압전 세라믹의 소결 온도에 따른 압전 특성 측정 결과를 나타낸 것으로, (a) 및 (b) FOM, (c) Large d33(Piezoelectric d-coefficient), 및 (d), (e) 및 (f) kp이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 압전 세라믹의 인가된 전계에 따른 스트레인 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 압전 세라믹의 온도에 따른 (a) 유전율(Dielectric permittivity) 및 (b) 스트레인 측정 결과를 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은, PMN-PT 기반 압전 세라믹에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 PMN-PT 기반 압전 세라믹은, 이종 템플릿(Bi-template)에 의한 미세구조 조절을 통해 텍스쳐링된 것으로, 높은 배향도를 유지하면서 랜덤 그래인의 성장을 억제하여 우수한 압전 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹은, 원하는 방향에 따라 일정하게 배열된 이종 템플릿(Bi-template); 및 상기 이종 템플릿 주위로 형성된 PMN-PT(Lead magnesium niobate-lead titanate) 매트릭스 결정을 포함할 수 있다. 즉, 상기 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹은, 상기 이종템플릿을 제어된 미세구조 조직을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 이종 템플릿은, PMN-PT 시스템에서 배향되지 않은 랜덤 배향 매트릭스 그래인(random matrix grain) 성장을 억제하여 크기를 제어하고, 압전 세라믹의 높은 배향성을 유지시킬 수 있다.
상기 PMN-PT 대 이종 템플릿의 부피비는, 0.99:0.01 내지 0.5:0.5; 또는 0.99:0.01 내지 0.85:0.15인 것일 수 있으며, 상기 부피비는 텍스쳐링에 필요한 최소 및 유의미한 최대 시드비율 포함하여 텍스쳐링을 통한 미세구조 제어에 용이하다.
상기 이종 템플릿은, 0.5 μm 내지 30 μm의 크기를 가질 수 있다. 상기 크기는, 입자 (또는 시드) 형태에 따라 너비(폭), 두께, 직경 및/또는 길이를 의미할 수 있다. 즉, 상기 이종의 템플릿 시드는, 플레이트렛 형태이며, 0.5 μm 내지 2 μm 두께, 2 μm 내지 30 μm의 폭(가로) 및 2 μm 내지 30 μm의 길이(세로)를 가질 수 있고, 예를 들어, 0.5 μm x 2 μm x 2 μm (두께x가로x세로) 내지 2 μm x 30 μm x 30 μm (두께x가로x세로) 크기의 플레이트렛 형태이다.
상기 이종 템플릿은, BNT(sodium bismuth titanate) 및 BT(barium titanate)을 포함할 수 있고, 상기 BNT 대 BT의 몰비는, 0.9 : 0.1 내지 0.1 : 0.9; 또는 0.9 : 0.1 내지 0.5 : 0.5인 것일 수 있다. 상기 볼비 범위 내에 포함되면 시드의 비율에 따라 매트릭스 그래인의 성장을 효과적으로 제어할 수 있다.
상기 PMN 대 PT의 몰비는, 0.9:0.1 내지 0.5:0.5 이고, 상기 몰비 범위 내에 포함되면 PMN-PT의 조성을 조절하여 상경계 구간을 포함하여 텍스쳐링에 유리한 매트릭스를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹은, 단일층 또는 다중층을 포함할 수 있고, 상기 다중층은 내부전극을 포함하여 2층 이상; 2층 내지 50층; 또는 5층 내지 30층을 포함할 수 있고, 상기 다중층은 동일하거나 또는 상이한 텍스쳐링된 PMN-PT 세라믹을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹의 압전상수(Piezoelectric d-coefficient, d33)는, 1000 pC/N 이상이고, Lotgering factor 는 98 % 이상일 수 있다.
본 발명은, 본 발명에 의한 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹을 포함하는, 압전소자에 관한 것으로, 상기 압전소자는, 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹을 압전체로 적용한 부품을 포함할 수 있다. 상기 압전소자는, 압전체가 적용 가능한 것이라면 제한 없으며, 예를 들어, 상기 압전소자는, 센서, 스피커, 액츄에이터, 트랜스듀서 및 에너지 하베스트로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 압전소자는, 적층형 압전소자이며, 구동을 위해서 내부 및 외부 전극, 및/또는 적층형 압전소자 내에 적층된 전극층 등을 더 포함할 수 있으며, 본 명세서는 구체적으로 언급하지 않는다.
본 발명은, 본 발명에 의한 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제조방법은, TGG(Templated Grain Growth) 방법에 의한 이종 템플릿 배양을 이용하여, 높은 배향성을 유지하면서 압전 특성이 기존의 소재에 비하여 월등하게 향상된 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제조방법은, PMN-PT 기반 압전 세라믹의 원료 분말을 준비하는 단계; 화합물을 형성하는 단계; 그린 바디를 형성하는 단계; 및 그린 바디를 소결하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, PMN-PT 기반 압전 세라믹의 원료 분말을 준비하는 단계는, PMN-PT 기반 압전 세라믹 소자에서 PMN-PT 매트릭스 분말을 합성하고, 이종의 템플릿 시드 분말을 준비하는 단계이다.
상기 PMN-PT 분말은, 0.2 μm 내지 0.8 μm 크기를 갖고, 상기 이종의 템플릿 시드는 0.5 μm 내지 30 μm의 크기를 가질 수 있다. 상기 크기는, 입자 (또는 시드) 형태에 따라 너비, 두께, 직경 및/또는 길이를 의미할 수 있다. 즉, 상기 이종의 템플릿 시드는 플레이트렛 이며, 0.5 μm 내지 2 μm 두께, 2 μm 내지 30 μm의 폭(가로) 및 2μm 내지 30 μm의 길이(세로)를 가질 수 있고, 예를 들어, 0.5 μm x 2 μm x 2 μm (두께x가로x세로) 내지 2 μm x 30 μm x 30 μm (두께x가로x세로) 크기의 플레이트렛 형태이다.
상기 PMN-PT 분말 대 상기 이종의 템플릿 시드의 혼합부피비는, 0.9:0.1 내지 0.1:0.9 일 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 혼합물을 형성하는 단계는, 그린 바디 형성 공정에 적합한 혼합물을 형성하는 단계이며, 상기 PMN-PT 분말 및 상기 이종의 템플릿 시드 분말을 혼합하여 분말 형태, 슬러리 형태, 페이스트 형태 등의 혼합물을 제조할 수 있다. 상기 슬러리 형태 및 페이스트 형태는, 유기용매, 바인더 분산제 등을 필요에 따라 포함하거나 혼합물 제조 시 이용할 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는, 톨루엔, 메틸에틸케톤, 에탄올, n-부틸알코올, 등의 유기용매일 수 있다.
상기 혼합물은, 초음파 장치,　볼 밀 (ball mill), 교반 장치 (stirred machine) 등과 같은 기계적 혼합 장치, 교반 장치 등에 의해서 1 시간 이상; 또는 1 시간 내지 30 시간 동안 혼합하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 그린 바디를 형성하는 단계는, 상기 혼합물로부터 그린 바디로 성형하고, 상기 그린 바디 내에서 이종의 템플릿 시드를 원하는 방향에 따라 일정하게 배열하는 단계이다. 예를 들어, 테입 캐스팅(tape-casting) 공정에 의해서 상기 혼합물로부터 그린 테이프, 즉, 필름 또는 시트 형태를 형성하면서, PMN-PT 매트릭스 내에서 원하는 방향(orientation)으로 이종의 템플릿 시드를 배열시킬 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 제조방법은, 그린 바디 적층체를 형성하는 단계; 및 그린 바디 적층체를 라미네이팅하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 그린 바디 적층체를 형성하는 단계는, 상기 그린 바디를 형성하는 단계에서 획득한 그린 바디를 2층 이상 적층하는 단계이며, 예를 들어, 필름 또는 시트 형태의 세라믹 그린 테이프를 2층 이상 적층한다. 상기 적층체는 일정한 크기로 절단하거나 또는 적층 이전에 그린 테이프를 절단할 수 있다.
상기 소결하는 단계는, 900 ℃ 이상; 1000 ℃ 이상; 1200 ℃ 이상; 또는 900 ℃ 내지 1250 ℃ 온도에서 1 시간 이상; 5 시간 이상; 10 시간 이상; 또는 1 시간 내지 15 시간 동안 상기 그린 바디를 소결할 수 있다. 또한, 상기 소결하는 단계는, 공기, 산소, 비활성 기체 등을 포함하는 분위기 또는 진공 하에서 이루어질 수 있다.
실시예
(1) PMN-PT matrix 분말의 합성
PMN-PT matrix 분말은 columbite precursor를 이용해 합성하였다. PbO, MgO, Nb2O5, TiO2 원료분말을 이용해 MgNb2O6 전구체를 거쳐 공정을 거쳐 최종 PMN-PT 분말을 합성한다.
(2) BT seed와 BNT seed의 합성
BT seed와 BNT seed는 molten salt 공정으로 aurivillius phase를 갖는 전구체를 합성하고 이를 이용해 Tophochemical reaction을 거친 치환공정을 통해 합성하였다.
(3) 텍스쳐링된 압전 세라믹의 제조
상기 합성한 PMN-PT 분말은 Toluene, 에탄올, 결합제, 가소제, 분산제 등과 지르코니아볼을 폴리에틸렌 자에서 혼합하여 슬러리를 제조하였다. 제조한 슬러리는 seed와 혼합하여 테이프 케스팅을 이용해 green sheet으로 제작하였다. Green sheet는 적층, burnout, 소결 공정을 거져 텍스쳐링된 압전 세라믹을 제조하였다. 소결 조건은 900 ℃ - 1250 ℃에서 2시간 내지 10시간으로 조절하였다.
비교예 1
템플릿 첨가하지 않는 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 1200 ℃에서 2시간 동안 소결하여 압전 세라믹을 제조하였다.
비교예 2
템플릿으로 BNT seed를 적용한 것 외에는 실시예와 동일한 방법으로 압전 세라믹을 제조하였다
비교예 3
템플릿으로 BT seed를 적용한 것 외에는 실시예와 동일한 방법으로 압전 세라믹을 제조하였다.
특성 분석
(1) 이미지, SEM 및 XRD 분석
도 1은, 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 압전 세라믹의 그래인 배향의 모식도 및 미세구조 이미지로, 랜덤 배향을 갖는 PMN-PT와 비교하여 일정한 방향으로 배열된 단일(BT 또는 BNT) 및 이종 템플릿(BT 및 BNT) 을 확인할 수 있다.
도 2에 나타낸 본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 압전 세라믹의 XRD 패턴에서 템플릿의 종류에 따른 XRD 패턴 특성을 확인할 수 있다.
또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 제조된 압전 세라믹의 SEM 이미지에서 이종 템플릿 및 이들의 배향을 확인할 수 있다.
(2) 압전 특성 분석
본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 압전 세라믹의 압전 특성을 분석하여 도 4에 나타내었다.
상기 실시예에서 제조한 압전세라믹은 비교예 1내지 2에 비해 월등히 높은 압전 상수, d33 값을 보인다. 도3에서 상기 실시예 및 비교예 2에서 제조된 배향 세라믹 간 랜덤그래인의 크기를 비교해 볼때 상기 실시예에서 제조된 배향라믹의 랜덤 그랜인의 크기가 작음을 확인 할 수 있다. 배향 세라믹에서 랜덤그래인의 감소는 배향도의 증가를 뜻하며 배향 압전 세라믹에서 배향정도는 압전특성에 영향을 미치는 중요 요소 이므로 상기 실시예에서는 미세구조 조절을 통해 랜덤 그래인을 감소시켜 압전특성을 향상시켰음을 확인 할 수 있다. 또한, 상기 실시예의 배향 압전 세라믹은 비교예의 압전세라믹 내지 배향압전세라믹에 비해 높은 g33, FOM 값을 갖고 있다. 또한, 상기 실시예의 배향 압전 세라믹은 비교예 1 내지 2의 압전세라믹에 비해 높은 electro-mechanical coupling factor, kp 값을 보이며 비교예 1내지 2내지 3에 비해 낮은 유전율, εr 을 갖고 있다.
본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 압전 세라믹의 온도에 따른 (a) 유전율(Dielectric permittivity) 및 (b) 스트레인을 분석하여 도 5에 나타내었다. 상기 실시예의 배향 압전 세라믹은 비교예1의 압전세라믹, 비교예 2내지 3의 배향 압전 세라믹에 비해 우수한 온도 안정성을 갖는 유전율특성을 보인다. 또한, 본 발명에 의한 이종 템플릿을 적용 시 압전 세라믹이 온도에 의존하지 않고 일정한 스트레인 값을 유지하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예 및 비교예에서 제조된 압전 세라믹의 낮은 전기장에서 스트레인을 측정하여 표 1 및 도 6에 나타내었다. 표 1 및 도 6을 살펴보면, 본 발명의 실시예에서 이종 템플릿으로 텍스쳐링된 압전 세라믹은 순수 PMT-PT 분말, 단일 템플릿이 적용된 압전 세라믹에 비해서 월등하게 향상된 스트레인을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 단결정 PMN-30PT와 거의 유사한 값의 스트레인에 해당된다.
Figure 112019054143315-pat00001
본 발명은, 이종 템플릿 배양에 의해서 압전 특성이 월등하게 향상된 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹을 제공할 수 있고, 이는 기존의 고가의 단결정 압전 세라믹에 대체물질로 적용할 수 있는 우수한 압전 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 간단하고 경제적인 제조 공정에 의해서 낮은 비용으로 압전 세라믹의 대량생산을 실현시킬 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (16)

  1. 이종 템플릿(Bi-template);
    을 포함하고,
    상기 이종 템플릿은, BNT(sodium bismuth titanate) 및 BT(barium titanate)를 포함하고,
    상기 이종 템플릿(Bi-template)에 의한 미세구조 조절을 통해 텍스쳐링된,
    PMN-PT(lead magnesium niobate-lead titanate) 기반 압전 세라믹.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PMN-PT 대 상기 이종 템플릿의 부피비는, 0.99:0.01 내지 0.5:0.5 인 것인,
    PMN-PT 기반 압전 세라믹.
  3. 삭제
  4. 이종 템플릿(Bi-template);
    을 포함하고,
    상기 이종 템플릿은, BNT(sodium bismuth titanate) 및 BT(barium titanate)를 포함하고,
    상기 BNT 대 상기 BT의 몰비는, 0.9:0.1 내지 0.1:0.9인 것인,
    PMN-PT 기반 압전 세라믹.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 PMN 대 상기 PT의 몰비는, 0.9:0.1 내지 0.5:0.5인 것인,
    PMN-PT 기반 압전 세라믹.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이종 템플릿은, 플레이트렛 형상을 포함하고,
    상기 이종 템플릿은, 0.5 μm 내지 2 μm 두께, 2 μm 내지 30 μm의 폭 및 2 μm 내지 30 μm의 길이를 포함하는 것인,
    PMN-PT 기반 압전 세라믹.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 PMN-PT 기반 압전 세라믹은, 상기 이종템플릿에 의해 배향되지 않은 랜덤 그래인(random grain)의 크기를 제어하고,
    상기 PMN-PT 기반 압전 세라믹의 스트레인은, 온도에 비의존적인 것인,
    PMN-PT 기반 압전 세라믹.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹의 압전상수(Piezoelectric d-coefficient, d33)는, 1000 pC/N 이상인 것인,
    PMN-PT 기반 압전 세라믹.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 PMN-PT 기반 압전 세라믹은, 단일층 또는 다중층을 포함하는 것인,
    PMN-PT 기반 압전 세라믹.
  10. 제1항의 PMN-PT 기반 압전 세라믹;
    을 포함하는,
    압전소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 압전소자는, 센서, 스피커, 액츄에이터, 트랜스듀서 및 에너지 하베스트로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나에 적용되는 부품인 것인,
    압전소자.
  12. 이종 템플릿 시드(Bi-template seed) 및 PMN-PT 분말을 혼합하여 세라믹 혼합물을 형성하는 단계;
    PMN-PT 매트릭스 내에 이종 템플릿 시드가 일정하게 배열되도록 상기 혼합물로부터 그린 바디를 형성하는 단계; 및
    상기 그린 바디를 소결하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 이종 템플릿은, BNT(sodium bismuth titanate) 및 BT(barium titanate)를 포함하고,
    상기 이종 템플릿(Bi-template)에 의한 미세구조 조절을 통해 텍스쳐링된, PMN-PT(lead magnesium niobate-lead titanate) 기반 압전 세라믹의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 그린 바디를 형성하는 단계는, 테입 캐스팅하여 그린 바디를 형성하고 이종 템플릿 시드를 배열하는 것인,
    텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 그린 바디를 적층하여 그린 바디 적층체를 형성하는 단계;
    상기 그린 바디 적층체를 라미네이팅하는 단계; 및
    를 더 포함하는,
    텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹의 제조방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 그린 바디를 소결하는 단계 이전에, 상기 그린 바디를 압착하는 단계;를 더 포함하는,
    PMN-PT 기반 압전 세라믹의 제조방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 소결하는 단계는, 900 ℃ 이상의 온도에서 소결하는 것인,
    PMN-PT 기반 압전 세라믹의 제조방법.
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