KR102308852B1 - BiScO3-PbTiO3 PIEZOELECTRIC MATERIAL COMPRISING BaTiO3 SEED LAYERS, AND METHOD OF FABRICATING THE SAME - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전 특성이 향상된 압전 소재에 관한 것이다. The present invention relates to a piezoelectric material with improved piezoelectric properties.
본 발명의 압전 특성이 향상된 압전 소재를 제조하기 위해 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 BiScO3-PbTiO3 의 결정 배향성을 제어한다.In order to manufacture a piezoelectric material with improved piezoelectric properties of the present invention, the crystal orientation of polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 using a BaTiO 3 seed layer is controlled.
1880년 프랑스에서 전기석(toutmalin)에서 압전효과를 발견함으로써 압전재료의 역사가 시작된 이래, 수중 초음파 탐지기에 처음 응용되었으며, 1947년 미국에서 BaTiO3를 개발함으로써 비로소 압전세라믹스의 응용분야가 크게 넓어지게 되었다. 이후, 우수한 압전특성을 가지는 PbTiO3(PT), Pb(Zr, Ti)O3(PZT)계 세라믹스가 개발되면서 압전재료의 응용이 크게 확대되었으며, 현재 압전세라믹스는 음향 기기,초음파 기기, 통신 기기, 계측 기기 등 광범한 분야에 응용되고 있다.Since its inception by the discovery of the piezoelectric effect in 1880 in France Tourmaline (toutmalin) history of piezoelectric material, which was first applied to underwater ultrasonic detector, by developing a BaTiO 3 in the United States in 1947 became finally applications of piezoelectric ceramics is significantly wider. Since then, PbTiO 3 (PT), Pb(Zr, Ti)O 3 (PZT)-based ceramics with excellent piezoelectric properties have been developed, and the application of piezoelectric materials has been greatly expanded. , and has been applied to a wide range of fields such as measuring instruments.
압전 소재는 단결정 압전 소재와 다결정 압전 소재가 있는데, 단결정 압전 소재의 경우에는 결정 성장 및 제작에 시간과 돈이 많이 든다는 문제점이 있다.The piezoelectric material includes a single crystal piezoelectric material and a polycrystalline piezoelectric material. In the case of a single crystal piezoelectric material, there is a problem in that crystal growth and production takes a lot of time and money.
다결정 압전 소재의 경우에는 비용이 단결정에 비해 훨씬 저렴하지만 다결정의 경우 각각의 그레인의 결정 방향이 한 방향으로 정렬되어 있지 아니하기 때문에 압전 특성이 떨어지는 문제점이 있다.In the case of a polycrystalline piezoelectric material, the cost is much lower than that of a single crystal, but in the case of a polycrystalline piezoelectric material, the crystal direction of each grain is not aligned in one direction, so there is a problem in that the piezoelectric properties are deteriorated.
따라서, 다결정 압전 소재의 제조 방법을 이용하여 다결정 압전 재료를 만들면서 결정립을 한 방향으로 최대한 정렬시켜 단결정과 유사한 도메인 정렬 구조를 만들 수 있다면 매우 효과적인 기술이 될 것이다.Therefore, it would be a very effective technique if a domain-aligned structure similar to a single crystal could be created by maximally aligning the grains in one direction while making the polycrystalline piezoelectric material using the method of manufacturing the polycrystalline piezoelectric material.
본 발명은 다결정 압전 재료의 결정립을 한 방향으로 정렬시킴으로써 단결정과 유사한 도메인 정렬 구조를 갖는 다결정 압전 재료를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a polycrystalline piezoelectric material having a domain alignment structure similar to that of a single crystal by aligning crystal grains of the polycrystalline piezoelectric material in one direction.
구체적으로 본 발명은 압전 특성이 향상된 압전 소재를 제조하기 위해 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 BiScO3-PbTiO3 의 결정 배향성을 제어하고자 한다.Specifically, the present invention is to control the crystal orientation of polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 using a BaTiO 3 seed layer in order to manufacture a piezoelectric material with improved piezoelectric properties.
본 발명의 일 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 BiScO3-PbTiO3 의 결정 배향성을 제어하는 방법은, BiScO3-PbTiO3 모재 분말을 포함한 슬러리를 준비하고 볼 밀링을 수행하는 단계; 상기 슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계; 상기 슬러리를 테입 캐스팅(tape casting) 공정을 이용해 템플레이트(template) 시트를 제작하는 단계; 및 상기 템플레이트 시트를 소결하는 단계를 포함하고, BaTiO3 씨드층에 의해 다결정 BiScO3-PbTiO3 가 BaTiO3 씨드층의 결정 방향을 따라 정렬된다.According to an embodiment of the present invention, a method for controlling crystal orientation of polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 using a BaTiO 3 seed layer includes: preparing a slurry including a BiScO 3 -PbTiO 3 base material powder and performing ball milling; adding a plurality of BaTiO 3 seed layers to the slurry; manufacturing a template sheet using the slurry using a tape casting process; And a step of sintering the template sheet, by BaTiO 3 seed layer has polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 are aligned along the crystal orientation of the seed BaTiO 3 layer.
상기 슬러리의 볼 밀링은 4 내지 24시간 동안 에탄올 용매 하에서 진행된다.Ball milling of the slurry is performed in an ethanol solvent for 4 to 24 hours.
상기 슬러리에 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계는, 상기 슬러리에 BaTiO3 씨드층을 첨가하고 에탄올 용매 하에서 12 내지 24시간 동안 혼합된다.Adding BaTiO 3 to the seed layer on the slurry, the addition of BaTiO 3 to the seed layer and the slurry is mixed for 12 to 24 hours under an ethanol solvent.
상기 BaTiO3 씨드층는 박막 시트 형태이고, 상기 BaTiO3 씨드층은 동일한 결정 배향을 갖고 있다.The BaTiO 3 seed layer is in the form of a thin film sheet, and the BaTiO 3 seed layer has the same crystal orientation.
상기 슬러리를 테입 캐스팅 공정을 이용해 템플레이트 시트를 제작하는 단계에서, 테입 캐스팅 장치의 블레이트(blade)의 높이를 제어하여 박막 형태의 상기 BaTiO3 씨드층이 모두 동일한 결정 배향을 갖도록 상기 템플레이트 시트 내에서 배치된다. 상기 블레이드의 높이는 상기 BaTiO3 씨드층의 평면에 수직한 두께보다 높게 제어된다.In the step of manufacturing the template sheet using the slurry using the tape casting process, the height of the blade of the tape casting apparatus is controlled to ensure that all of the BaTiO 3 seed layers in the form of a thin film have the same crystal orientation within the template sheet. are placed The height of the blade is controlled to be higher than the thickness perpendicular to the plane of the BaTiO 3 seed layer.
상기 템플레이트 시트를 소결하는 단계는, 950 내지 1150℃의 온도에서 2 내지 10시간 동안 수행된다. 상기 템플레이트 시트를 소결하는 단계는 1000℃에서 10시간 동안 수행된다.The step of sintering the template sheet is performed at a temperature of 950 to 1150° C. for 2 to 10 hours. The step of sintering the template sheet is performed at 1000° C. for 10 hours.
상기 슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계에서, 상기 BaTiO3 씨드층은 0 초과 1 wt% 이하로 첨가되고, 바람직하게는 0.3 내지 1 wt%로 첨가되며, 더욱 바람직하게는 0.5 wt%로 첨가된다.In the step of adding a plurality of BaTiO 3 seed layer to the slurry, the BaTiO 3 seed layer is added to or less than 0 1 wt%, and preferably is added at a 0.3 to 1 wt%, more preferably from 0.5 wt% is added with
상기 BiScO3-PbTiO3 모재 분말은 660℃ 내지 725℃에서 하소된 분말을 이용한다.The BiScO 3 -PbTiO 3 base material powder is calcined at 660°C to 725°C.
본 발명의 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 BiScO3-PbTiO3 의 결정 배향성을 제어하는 방법에 의해 제조된 BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 BiScO3-PbTiO3 압전 소재는, 결정 배향성을 가지며, 큐리 온도가 400℃ 이상이다.The polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric material including the BaTiO 3 seed layer prepared by the method of controlling the crystal orientation of polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 using the BaTiO 3 seed layer of the present invention has crystal orientation, and the Curie temperature is above 400°C.
상기 다결정 BiScO3-PbTiO3는 xBiScO3-(1-x)PbTiO3로 표시되고, 상기 x는 0.3≤x≤0.4를 만족하고, 바람직하게 0.34≤x≤0.38을 만족하며, 가장 바람직하게 x는 0.36이다.The polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 is represented by xBiScO 3 -(1-x)PbTiO 3 , wherein x satisfies 0.3≤x≤0.4, preferably 0.34≤x≤0.38, and most preferably x is It is 0.36.
상기 BaTiO3 는 0 초과 1 wt% 이하로 포함되고, 바람직하게 0.3 내지 1 wt%로 포함되며, 가장 바람직하게 0.5 wt%로 포함된다.The BaTiO 3 is contained in an amount greater than 0 and 1 wt% or less, preferably in an amount of 0.3 to 1 wt%, and most preferably in an amount of 0.5 wt%.
본 발명에 따르면 다결정 압전 재료의 결정립을 한 방향으로 정렬시킴으로써 단결정과 유사한 도메인 정렬 구조를 갖는 다결정 압전 재료를 제공함으로써 압전 특성은 단결정 압전 세라믹에 가깝고, 기계적 특성은 단결정보다 훨씬 강도가 우수한 압전 소재를 제공한다.According to the present invention, by aligning the crystal grains of the polycrystalline piezoelectric material in one direction to provide a polycrystalline piezoelectric material having a domain alignment structure similar to that of a single crystal, a piezoelectric material with piezoelectric properties close to that of single crystal piezoelectric ceramics and mechanical properties with much superior strength than single crystals. to provide.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 BiScO3-PbTiO3 의 결정 배향성을 제어 방법의 순서도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 제조 방법에 따른 전체적인 공정도를 도시한다.
도 3은 블레이드의 높이에 관한 관계식에 따른 템플레이트 시트의 두께 변화의 모습을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 BiScO3-PbTiO3 압전 소재를 적층하여 라미네이트 바디를 제조하는 과정의 모습을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 이용된 슬러리 배치 조건을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 압전 조성물의 압전 특성 그래프이다.
도 7은 단결정 압전 세라믹, 본 발명의 다결정 결정립 배향된 압전 세라믹, 일반적인 다결정 압전 세라믹의 미세구조 모식도를 도시한다.
도 8은 하소 온도 조건을 달리 하면서 BiScO3-PbTiO3 모재 분말을 합성한 이후 XRD 데이터를 도시한다.
도 9a 내지 9c는 하소 온도를 달리한 BiScO3-PbTiO3 모재 분말을 소결한 SEM 이미지이다.
도 10은 도 9b의 이미지를 확대한 이미지이다.
도 11은 하소 온도를 달리한 BiScO3-PbTiO3 모재 분말을 소결하였을 때 압전 특성을 관찰한 그래프이다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다. 1 is a flowchart illustrating a method for controlling crystal orientation of polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 using a BaTiO 3 seed layer according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the overall process diagram according to the manufacturing method of the present invention.
Figure 3 shows the appearance of the change in the thickness of the template sheet according to the relational expression regarding the height of the blade.
FIG. 4 shows a process of manufacturing a laminate body by laminating a polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric material including a BaTiO 3 seed layer prepared according to an embodiment of the present invention.
5 shows the slurry batch conditions used in Example 1 of the present invention.
6 is a graph showing the piezoelectric properties of the piezoelectric composition prepared according to Example 1 of the present invention.
7 shows a microstructure schematic diagram of a single crystal piezoelectric ceramic, a polycrystalline grain oriented piezoelectric ceramic of the present invention, and a general polycrystalline piezoelectric ceramic.
8 shows XRD data after synthesizing the BiScO 3 -PbTiO 3 base material powder while varying the calcination temperature conditions.
9a to 9c are SEM images of sintering the BiScO 3 -PbTiO 3 base material powder at different calcination temperatures.
10 is an enlarged image of the image of FIG. 9B.
11 is a graph of observing the piezoelectric properties when the BiScO 3 -PbTiO 3 base material powder having different calcination temperatures is sintered.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Various embodiments are now described with reference to the drawings, wherein like reference numerals are used to refer to like elements throughout. In this specification for purposes of explanation, various descriptions are presented to provide an understanding of the present invention. However, it is apparent that these embodiments may be practiced without these specific descriptions. In other instances, well-known structures and devices are presented in block diagram form in order to facilitate describing the embodiments.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 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. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification is present, and includes one or more other features or steps. , it should be understood that it does not preclude the possibility of the existence or addition of , operation, components, parts, or combinations thereof.
본 발명은 압전 특성이 향상된 압전 소재에 관한 것이다. The present invention relates to a piezoelectric material with improved piezoelectric properties.
본 발명의 압전 특성이 향상된 압전 소재를 제조하기 위해 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 BiScO3-PbTiO3 의 결정 배향성을 제어한다.In order to manufacture a piezoelectric material with improved piezoelectric properties of the present invention, the crystal orientation of polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 using a BaTiO 3 seed layer is controlled.
본 발명에 따르면 다결정 압전 재료의 결정립을 한 방향으로 정렬시킴으로써 단결정과 유사한 도메인 정렬 구조를 갖는 다결정 압전 재료를 제공함으로써 압전 특성은 단결정 압전 세라믹에 가깝고, 기계적 특성은 단결정보다 훨씬 강도가 우수한 압전 소재를 제공한다. According to the present invention, by aligning the crystal grains of the polycrystalline piezoelectric material in one direction to provide a polycrystalline piezoelectric material having a domain alignment structure similar to that of a single crystal, a piezoelectric material with piezoelectric properties close to that of single crystal piezoelectric ceramics and mechanical properties with much superior strength than single crystals. to provide.
압전재료의 특성값은 인트린식(Intrinsic)한 특성인 화학적 조성에 의해서 결정되기도 하지만, 결정립의 구조나 압전 도메인의 구조에 의해서도 크게 달라질 수 있다. 이에 따른 그레인 엔지니어링(Grain engineering) 또는 도메인(Domain engineering) 기술을 이용한 특성값 향상 연구가 본 발명에서 이루어졌다.The characteristic value of the piezoelectric material is determined by the chemical composition, which is an intrinsic characteristic, but may also vary greatly depending on the structure of the crystal grain or the structure of the piezoelectric domain. Accordingly, a study on improving the characteristic value using a grain engineering or domain engineering technique was made in the present invention.
본 발명의 기술은 다결정 압전재료의 결정립을 한 방향으로 정렬시킴으로 써, 단결정과 유사한 도메인 정렬 구조를 만들어 기존 다결정 압전재료 대비 압전 특성을 1.5 ~ 2배 이상 향상시킬 수 있는 획기적인 기술이다.The technology of the present invention is an innovative technology that can improve the piezoelectric properties by 1.5 to 2 times or more compared to the existing polycrystalline piezoelectric material by aligning the crystal grains of the polycrystalline piezoelectric material in one direction to create a domain-aligned structure similar to a single crystal.
또한, 이렇게 제작된 압전재료는 일반적인 벌크 세라믹 재료와 마찬가지로 다결정이기 때문에, 깨지기 쉬운 압전 단결정에 비해 강도가 월등히 우수하며, 압전 성능은 단결정과 유사한 특성을 나타내므로 기존 다결정 압전재료, 단결정 압전재료 시장을 동시에 대체할 수 장점을 갖고 있다. 도 7은 폴링 이후의 단결정 압전 세라믹, 본 발명의 다결정 결정립 배향된 압전 세라믹, 일반적인 다결정 압전 세라믹의 미세구조 모식도를 도시한다.In addition, since the piezoelectric material produced in this way is polycrystalline like general bulk ceramic materials, its strength is far superior to that of the fragile piezoelectric single crystal, and the piezoelectric performance shows characteristics similar to that of single crystal. At the same time, it has the advantage of being able to replace it. 7 shows a microstructure schematic diagram of a single crystal piezoelectric ceramic after poling, a polycrystalline grain oriented piezoelectric ceramic of the present invention, and a general polycrystalline piezoelectric ceramic.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 BiScO3-PbTiO3 의 결정 배향성을 제어 방법의 순서도를 도시한다. 도 2는 본 발명의 제조 방법에 따른 전체적인 공정도를 도시한다.1 is a flowchart illustrating a method for controlling crystal orientation of polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 using a BaTiO 3 seed layer according to an embodiment of the present invention. Figure 2 shows the overall process diagram according to the manufacturing method of the present invention.
도 1에서 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 BiScO3-PbTiO3 의 결정 배향성을 제어하는 방법은 BiScO3-PbTiO3 모재 분말을 포함한 슬러리를 준비하고 볼 밀링을 수행하는 단계(S 110); 상기 슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계(S 120); 상기 슬러리를 테입 캐스팅(tape casting) 공정을 이용해 템플레이트(template) 시트를 제작하는 단계(S 130); 및 상기 템플레이트 시트를 소결하는 단계(S 140)를 포함한다.As shown in FIG. 1 , the method for controlling the crystal orientation of polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 using a BaTiO 3 seed layer according to an embodiment of the present invention includes preparing a slurry including a BiScO 3 -PbTiO 3 base material powder and ball milling. performing (S 110); adding a plurality of BaTiO 3 seed layers to the slurry (S 120); manufacturing a template sheet using the slurry using a tape casting process (S 130); and sintering the template sheet (S 140).
S 110 단계에서는 BiScO3-PbTiO3 모재 분말을 포함한 슬러리를 준비하고 볼 밀링을 수행한다. 슬러리의 볼 밀링은 4 내지 24시간 동안 에탄올 용매 하에서 진행된다. 다양한 사이즈의 지르코니아 볼을 이용해 볼 밀링을 진행하는 것이 일반적이나 이에 제한되는 것은 아니다.In
S 120 단계에서는 슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가한다. 슬러리에 BaTiO3 씨드층을 첨가하고 에탄올 용매 하에서 12 내지 24시간 동안 혼합한다. 이러한 BaTiO3 씨드층는 박막 시트 형태이며 이는 별도로 제작된다. BaTiO3 씨드층의 제조 등에 대해서는 아래의 실시예에서 구체적으로 설명하도록 하겠다.In
한편 S 120 단계에서 첨가되는 복수개의 BaTiO3 씨드층은 동일한 결정 배향을 갖고 있는 것이 이용된다.On the other hand, a plurality of BaTiO 3 seed layers added in
슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계에서 BaTiO3 씨드층은 0 초과 1 wt% 이하로 첨가되고, 더욱 바람직하게는 BaTiO3 씨드층은 0.3 내지 1 wt%로 첨가되며, 가장 바람직하게는 BaTiO3 씨드층은 0.5 wt%로 첨가된다. 이 부분은 후술하는 실시예에서 더욱 자세히 설명하도록 하겠다.BaTiO 3 seed layer in the step of adding a plurality of BaTiO 3 seed layer to the slurry is added to or less than 0 1 wt%, BaTiO 3 seed layer and more preferably is added at from 0.3 to 1 wt%, and most preferably The BaTiO 3 seed layer is added at 0.5 wt%. This part will be described in more detail in the following examples.
S 130 단계에서는 슬러리를 테입 캐스팅(tape casting) 공정을 이용해 템플레이트(template) 시트를 제작한다. 도 2에서 처럼 슬러리를 테잎 캐스팅 공정을 이용해 템플레이트 시트를 제작하게 되는데, 테입 캐스팅 장치의 블레이트(blade)의 높이를 제어하여 박막 형태의 BaTiO3 씨드층이 모두 동일한 결정 배향을 갖도록 템플레이트 시트 내에서 배치된다. 이 경우 블레이드의 높이는 BaTiO3 씨드층의 평면에 수직한 두께보다 높게 제어된다. 이렇게 제어가 됨으로써 BaTiO3 씨드층이 블레이드를 빠져나갈 때 모두 평평하게 동일한 방향으로 배향이 되도록 배치되어 빠져나갈 수 있게 되며, 이는 도 2에서 확인이 가능하다.In
구체적으로 블레이드의 높이는 하기 관계식에 의해 결정된다.Specifically, the height of the blade is determined by the following relational expression.
ΔP, H, μ, t, U는 각각 저장부(reservoir)의 압력, 블레이드 갭, 슬러리 밀도, 블레이드 두께, 캐리어 속도를 나타낸다. ΔP, H, μ, t, and U represent reservoir pressure, blade gap, slurry density, blade thickness, and carrier velocity, respectively.
도 3은 블레이드의 높이에 관한 관계식에 따른 템플레이트 시트의 두께 변화의 모습을 도시한다. 구체적으로 도 3에서 확인할 수 있는 것처럼, 값은 3 이하인 것이 바람직한데, 그 의미는 블레이드의 높이가 씨드 크기의 3배 이하임을 의미한다.Figure 3 shows the appearance of the change in the thickness of the template sheet according to the relational expression regarding the height of the blade. Specifically, as can be seen in Figure 3, A value of 3 or less is preferred, meaning that the blade height is not more than 3 times the seed size.
예를 들어 BT 씨드가 균일하게 분산된 압전 슬러리는 닥터 블레이드에 의해 일정한 두께로 캐리어 필름 위에 도포되어 0℃, 25℃, 45℃, 60℃의 총 4개의 구간으로 나누어진 건조로를 통과하여 각종 유기물을 휘발시킨 후 장비 끝단에서 롤 형태로 제작된다. BT 씨드가 닥터블레이드를 지나 한 방향으로 정렬하여 균일한 압전 시트를 제조하기 위해서는 닥터블레이드 갭 조절이 필수적이다. 블레이드 갭이 너무 좁으면 시트에 라인 형상의 얼룩과 같은 결함이 발생하기 쉽고, 너무 넓으면 씨드가 블레이드를 지나도 한 방향으로 제대로 정렬되지 않는다. 따라서 예를 들어 약 10 ㎛ 크기의 BT 씨드를 사용할 경우 씨드 크기의 2 ~ 3배가 되는 20 ~ 30 ㎛ 정도의 범위로 닥터블레이드의 갭을 설정하여 캐스팅 한다. 이러한 테잎캐스팅 공정에서 압력 구동력 및 슬러리 구동력 사이의 비율을 나타내는 변수 Π를 위의 식과 같이 나타낸다. 이 식에 의하면 일정한 압력 및 슬러리 조건에서 캐리어 속도 조절을 통해 최종적으로 균일하게 정렬된 시트를 얻을 수 있다.For example, a piezoelectric slurry in which BT seeds are uniformly dispersed is coated on a carrier film with a constant thickness by a doctor blade and passed through a drying furnace divided into a total of 4 sections of 0°C, 25°C, 45°C, and 60°C to pass through various organic materials. After volatilizing, it is produced in the form of a roll at the end of the equipment. In order for the BT seeds to align in one direction past the doctor blade to produce a uniform piezoelectric sheet, the doctor blade gap adjustment is essential. If the blade gap is too narrow, defects such as line-shaped spots on the sheet are likely to occur, and if the blade gap is too wide, the seeds will not align properly in one direction even if they pass the blade. Therefore, for example, when using a BT seed with a size of about 10 μm, set the gap of the doctor blade in the range of about 20 to 30 μm, which is 2 to 3 times the size of the seed, and cast. The variable Π representing the ratio between the pressure driving force and the slurry driving force in this tape casting process is expressed as the above equation. According to this formula, a uniformly aligned sheet can be finally obtained by adjusting the carrier speed under constant pressure and slurry conditions.
S 140 단계에서는 템플레이트 시트를 소결한다. 템플레이트 시트를 소결하는 단계는 950 내지 1150℃의 온도에서 2 내지 10시간 동안 수행되고, 바람직하게는 1000℃에서 10시간 동안 수행된다.In
이러한 본 발명의 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 BiScO3-PbTiO3 의 결정 배향성을 제어하는 방법을 이용하여 제조된 다결정 BiScO3-PbTiO3 는 BaTiO3 씨드층에 의해 다결정 BiScO3-PbTiO3 가 BaTiO3 씨드층의 결정 방향을 따라 정렬된다. 즉, 본 발명의 방법에 의해 제조된 BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 BiScO3-PbTiO3 압전 소재는 결정 배향성을 갖는다. This invention example in BaTiO 3 seed layer of polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 polycrystalline BiScO prepared using the method of controlling the crystal orientation of the third accordance with the -PbTiO 3 is BaTiO 3 BiScO polycrystalline seed layer by 3 -PbTiO 3 is aligned along the crystal direction of the BaTiO 3 seed layer. That is, the polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric material including the BaTiO 3 seed layer prepared by the method of the present invention has crystal orientation.
본 발명의 일 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 BiScO3-PbTiO3 압전 소재에서, 다결정 BiScO3-PbTiO3는 xBiScO3-(1-x)PbTiO3로 표시되고, x는 0.34≤x≤0.38을 만족한다. 바람직하게 x는 0.36이다.In the polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric material including the BaTiO 3 seed layer according to an embodiment of the present invention, the polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 is represented by xBiScO 3 -(1-x)PbTiO 3 , and x is 0.34≤x ≤0.38. Preferably x is 0.36.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 BiScO3-PbTiO3 압전 소재에서, BaTiO3 는 0 초과 1 wt% 이하로 포함되어 있고, 바람직하게 BaTiO3 는 0.3 내지 1 wt%로 포함되어 있으며, 가장 바람직하게는 BaTiO3 는 0.5 wt%로 포함되어 있다. 이는 이하의 실시예에서 추가로 설명하도록 하겠다.In addition, in the polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric material including the BaTiO 3 seed layer according to an embodiment of the present invention , BaTiO 3 is contained in an amount greater than 0 and 1 wt% or less, preferably BaTiO 3 is 0.3 to 1 wt% and, most preferably, BaTiO 3 is contained in 0.5 wt%. This will be further described in the following examples.
본 발명의 방법에 따라 제조되고, 결정 배향성을 가진 BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 BiScO3-PbTiO3 압전 소재는 초음파 트랜스듀서 등 다양한 압전 특성을 나타내는 용도에 이용 가능하다. 도 4는 본 발명의 실시예에 의해 제조된 BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 BiScO3-PbTiO3 압전 소재를 적층하여 라미네이트 바디를 제조하는 과정의 모습을 도시한다.The polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric material prepared according to the method of the present invention and including a BaTiO 3 seed layer having crystal orientation can be used for applications exhibiting various piezoelectric properties such as ultrasonic transducers. FIG. 4 shows a process of manufacturing a laminate body by laminating a polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric material including a BaTiO 3 seed layer prepared according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가로 설명하도록 하겠다.Hereinafter, the content of the present invention will be further described along with specific examples.
먼저 이용된 슬러리 배치 조건은 도 5와 같다. 도 5는 본 발명의 실시예 1에서 이용된 슬러리 배치 조건을 도시한다.The first used slurry batch conditions are shown in FIG. 5 . 5 shows the slurry batch conditions used in Example 1 of the present invention.
1) 판상형 Bi4Ti3O12 (BiT) 합성 1) Synthesis of plate-shaped Bi 4 Ti 3 O 12 (BiT)
Bi4Ti3O12 템플릿 입자를 합성하기 위해 용융염법(Molten Salt Synthesis)을 사용하였다. 사용된 원료는 Bi2O3(purity 99.99%, Kojundo Chemical Laboratory, Japan), TiO2(purity 99.9%, Sigma-Aldrich, USA), NaCl(purity 99.5%, Sigma-Aldrich, USA)이다. 먼저 Bi2O3와 TiO2를 분자량에 맞게 평량하고 NaCl은 분말과 무게비 1:1로 폴리에틸렌 재질의 병에 투입하였다. 그리고 에탄올(purity 99.5%, Samchun Pure Chemical, Korea)과 지르코니아 볼(Φ= 3 mm, 5 mm, 10 mm)을 추가로 투입하여 24 시간 동안 분쇄 및 혼합을 한 후 120 ℃ 오븐에서 건조를 하였다. 건조된 분말을 밀봉된 알루미나 도가니에 넣고 분당 5 ℃씩 승온시켜서 1100 ℃에서 2 시간 유지하고 자연냉각을 시켰다. 합성이 끝난 Bi4Ti3O12를 80 ℃로 가열시킨 증류수로 염을 세척하였다. AgNO3 용액을 사용하여 염이 검출되지 않을 때까지 세척을 진행하였다. Molten Salt Synthesis was used to synthesize the Bi 4 Ti 3 O 12 template particles. The raw materials used were Bi 2 O 3 (purity 99.99%, Kojundo Chemical Laboratory, Japan), TiO 2 (purity 99.9%, Sigma-Aldrich, USA), NaCl (purity 99.5%, Sigma-Aldrich, USA). First, Bi 2 O 3 and TiO 2 were weighed according to the molecular weight, and NaCl was put into a polyethylene bottle at a weight ratio of 1:1 to powder. Then, ethanol (purity 99.5%, Samchun Pure Chemical, Korea) and zirconia balls (Φ = 3 mm, 5 mm, 10 mm) were additionally added, pulverized and mixed for 24 hours, and then dried in an oven at 120 °C. The dried powder was placed in a sealed alumina crucible, heated at a rate of 5°C per minute, maintained at 1100°C for 2 hours, and then cooled naturally. After the synthesis of Bi 4 Ti 3 O 12 , the salt was washed with distilled water heated to 80 °C. Washing was carried out using AgNO 3 solution until no salt was detected.
2) 판상형 BaTiO3 (BT) 합성 2) Synthesis of plate-shaped BaTiO 3 (BT)
판상형 BaTiO3를 합성하기 위해서는 TMC(Topochemical Microcrystal Conversion)법을 사용하였다. 사용된 원료는 BaCO3(purtiy 99.95%, Kojundo Chemical Laboratory, Japan), HNO3(purity 70%, Daejung Chemical and metals, Korea)이다. 위에서 만든 BiT 탬플릿 입자와 BaCO3를 분자량에 맞게 평량하고 NaCl을 분말과 무게비 1:1로 에탄올과 함께 폴리에틸렌 재질의 병에 투입하였다. BiT 탬플릿 입자의 판상을 유지하기위해 지르코니아 볼을 넣지 않고 24 시간동안 혼합을 한 후 120 ℃ 오븐에 건조하였다. 건조한 분말을 알루미나 도가니에 넣고 분당 5 ℃씩 승온시켜서 1020 ℃에서 3 시간 유지하고 자연냉각을 시켰다. 열처리가 끝난 BaTiO3를 80 ℃의 증류수로 AgNO3 용액을 사용하여 염이 검출되지 않을 때까지 세척을 진행하였다. 그리고 6M HNO3 수용액으로 잔류 Bi2O3와 BaCO3를 세척한 후 다시 80 ℃ 증류수로 남아있는 산을 세척하였다. In order to synthesize the plate-shaped BaTiO 3 , a TMC (Topochemical Microcrystal Conversion) method was used. The raw materials used were BaCO 3 (purtiy 99.95%, Kojundo Chemical Laboratory, Japan), HNO 3 (purity 70%, Daejung Chemical and metals, Korea). The BiT template particles and BaCO 3 prepared above were weighed according to the molecular weight, and NaCl was added to the powder and weight ratio of 1:1 with ethanol in a polyethylene bottle. In order to maintain the plate shape of the BiT template particles, the mixture was mixed for 24 hours without adding zirconia balls, and then dried in an oven at 120 °C. The dried powder was placed in an alumina crucible, heated at a rate of 5 °C per minute, maintained at 1020 °C for 3 hours, and then cooled naturally. After the heat treatment, BaTiO 3 was washed with distilled water at 80 °C using AgNO 3 solution until no salt was detected. And after washing residual Bi 2 O 3 and BaCO 3 with 6M HNO 3 aqueous solution, the remaining acid was washed again with distilled water at 80 °C.
3) 0.36BiScO3-0.64PBTiO3 세라믹 분말 제조 3) 0.36BiScO 3 -0.64PBTiO 3 Ceramic powder manufacturing
0.36BiScO3-0.64PbTiO3 세라믹 분말을 제조하기 위해 고상반응법을 사용하였다. 사용된 원료는 Bi2O3(99.99%, Kojundo Chemical Laboratory, Japan), Sc2O3(purity 99.9%, Kojundo Chemical Laboratory, Japan), PbO(purity 99.9%, Sigma-Aldrich, USA), TiO2(purity 99.9%, Sigma-Aldrich, USA)이다. Bi2O3, Sc2O3, PbO, TiO2를 분자량에 맞게 평량하고 폴리에틸렌 재질의 병에 에탄올과 지르코니아 볼(Φ= 1 mm, 3 mm, 5 mm, 10 mm)을 함께 투입하여 24 시간 동안 분쇄 및 혼합을 한 후 120 ℃ 오븐에서 건조를 하였다. 건조된 분말을 밀봉된 알루미나 도가니에 넣고 분당 5 ℃씩 승온시켜 700 ℃에서 4 시간 유지하고 자연냉각을 시켰다. 하소가 끝난 분말을 다시 폴리에틸렌 재질의 병에 지르코니아 볼((Φ= 1 mm, 3 mm, 5 mm, 10 mm)과 에탄올을 넣어 48 시간 동안 분쇄를 시켜준 후 120℃ 오븐에 건조하였다. 건조된 분말을 체(150 μm)로 체거름을 진행하였다. 0.36BiScO 3 -0.64PbTiO 3 A solid-state reaction method was used to prepare ceramic powder. The raw materials used were Bi 2 O 3 (99.99%, Kojundo Chemical Laboratory, Japan), Sc 2 O 3 (purity 99.9%, Kojundo Chemical Laboratory, Japan), PbO (purity 99.9%, Sigma-Aldrich, USA), TiO 2 (purity 99.9%, Sigma-Aldrich, USA). Bi 2 O 3, Sc 2 O 3 , PbO, TiO 2 were weighed according to the molecular weight, and ethanol and zirconia balls (Φ= 1 mm, 3 mm, 5 mm, 10 mm) were put together in a polyethylene bottle for 24 hours. After grinding and mixing, it was dried in an oven at 120 °C. The dried powder was placed in a sealed alumina crucible, heated at a rate of 5°C per minute, maintained at 700°C for 4 hours, and then cooled naturally. After the calcined powder was put into a polyethylene bottle, zirconia balls ((Φ = 1 mm, 3 mm, 5 mm, 10 mm) and ethanol were put and pulverized for 48 hours, and then dried in an oven at 120°C. The powder was sieved through a sieve (150 μm).
4) 0.36BiScO3-0.64PBTiO3 - x wt % BaTiO3 압전 후막소자 제조 4) 0.36BiScO 3 -0.64PBTiO 3 -x wt % BaTiO 3 Piezoelectric thick film device manufacturing
0.36BiScO3-0.64PBTiO3 - x wt % BaTiO3 압전 후막소자를 제조하기 위해 일반적으로 사용되는 테이프 캐스팅 공정을 사용하였다. 테이프캐스팅용 슬러리를 제조하기 위해 BS-PT 세라믹 분말과 에탄올 (purity 99.5%, Samchun Pure Chemical, Korea), 톨루엔(purity 99.5%, Samchun Pure Chemical, Korea), polyvinyl butyral (BM-SZ, Sekisui, Japan), dibutyl phthalate (purity 99.0%, Daejung Chemical, Korea)와 분산제(BYK-111, BYK-Chemie GmbH, Germany)를 최적의 비율로 혼합하였다. 혼합된 슬러리는 폴리에틸렌 재질의 병에 투입하였고 지르코니아 볼(Φ=3 mm, 5 mm, 10 mm, 15 mm)과 함께 24 시간 분쇄 및 혼합을 한 후 망(mesh)를 이용하여 혼합된 슬러리를 균일하게 체거름을 하였다. 그리고 진공 탈포기를 이용하여 ~760 mmHg의 진공도로 20 분간 슬러리 내부에 기포를 제거하였다. 판상형 BT 0, 0.5, 1, 2, 4, 8 wt %와 에탄올과 분산제를 바이알병에 넣고 소니케이터로 분산을 시킨 후 준비된 슬러리에 첨가하였다. BT를 첨가한 슬러리를 4 시간동안 약 10 rpm으로 에이징을 하였다. 에이징이 끝난 슬러리를 테이프 캐스팅 장비(TCA-2000, Techgen, Korea)를 사용하여 닥터 블레이드로 두께가 약 30 μm의 그린시트를 제작하였다. 제작한 그린시트에 외부전극으로 사용할 전극을 스크린 프린팅하였고 전극은 동시소성을 위해 Ag-Pd paste(WT-SPD30-A, Winner Technology, Korea)를 사용하였다. 제조된 그린시트는 라미네이터(Keko, Slovenia)를 이용하여 60 ℃에서 13 MPa의 압력으로 총 11장을 적층하였고 전극은 후막소자의 top, bottom에 위치하였다. 그 다음 65 ℃에서 20 분간 20 MPa의 압력으로 warm isostatic pressing(WIP)를 진행하였고 WIP가 완료된 압전후막소자를 1cm x 1cm로 커팅하여 소자제작을 완료하였다. 제작된 소자를 300 ℃까지 분당 2 ℃씩 승온 후 1시간 유지하고 600 ℃까지 분당 2 ℃씩 승온 후 1시간 유지하고 1000 ℃까지 분당 2 ℃씩 승온 후 10시간 유지하고 850 ℃까지 분당 2 ℃씩 냉각 후 자연냉각하였다. 소결이 끝난 압전후막소자를 3.5 kV/mm의 전계로 상온에서 10 분동안 air poling을 실시하였다. 0.36BiScO 3 -0.64PBTiO 3 -x wt % BaTiO 3 A tape casting process generally used for manufacturing a piezoelectric thick film device was used. To prepare a slurry for tape casting, BS-PT ceramic powder, ethanol (purity 99.5%, Samchun Pure Chemical, Korea), toluene (purity 99.5%, Samchun Pure Chemical, Korea), polyvinyl butyral (BM-SZ, Sekisui, Japan) ), dibutyl phthalate (purity 99.0%, Daejung Chemical, Korea) and a dispersant (BYK-111, BYK-Chemie GmbH, Germany) were mixed in an optimal ratio. The mixed slurry was put into a polyethylene bottle, and after pulverizing and mixing with zirconia balls (Φ=3 mm, 5 mm, 10 mm, 15 mm) for 24 hours, the mixed slurry was uniformly distributed using a mesh. sifted vigorously. Then, using a vacuum degassing machine, bubbles were removed from the inside of the slurry at a vacuum degree of ~760 mmHg for 20 minutes. Plate-shaped
실시예 1의 방법을 이용해 합성을 할 때 BiScO3-PbTiO3 모재 분말의 합성 온도에 따른 물성을 확인하였다.When synthesizing using the method of Example 1, BiScO 3 -PbTiO 3 Physical properties according to the synthesis temperature of the base material powder were confirmed.
BiScO3-PbTiO3 모재 분말은 하소하여 상 합성을 확인하고, 이후 실시예 1의 단계에서와 같이 볼 밀링을 진행한 이후 소결을 진행하게 된다.BiScO 3 -PbTiO 3 The base material powder is calcined to confirm phase synthesis, and then ball milling is performed as in the step of Example 1, followed by sintering.
도 8은 하소 온도 조건을 달리 하면서 BiScO3-PbTiO3 모재 분말을 합성한 이후 XRD 데이터를 도시한다.8 shows XRD data after synthesizing the BiScO 3 -PbTiO 3 base material powder while varying the calcination temperature conditions.
도 8에서 보는 것처럼 하소 온도가 낮은 660℃ 내지 725℃의 온도에서는 사각형 표시와 같은 Bi12PbO19와 같은 2차상이 형성됨을 확인할 수 있었다. 하소는 660℃ 내지 825℃의 온도로 변경하면서 4시간 동안 진행하였다.As shown in FIG. 8 , it was confirmed that a secondary phase such as Bi 12 PbO 19 as shown in a rectangular display was formed at a temperature of 660° C. to 725° C. where the calcination temperature was low. Calcination was carried out for 4 hours while changing the temperature to 660 °C to 825 °C.
도 9a 내지 9c는 하소 온도를 달리한 BiScO3-PbTiO3 모재 분말을 소결한 SEM 이미지이다. 소결은 1000℃에서 2시간 동안 소결을 진행하였으며 디스크 형태로 시편을 소결하였다. 1000℃에서의 소결에 의해 2차상은 모두 사라지고 페로브스카이트 결정이 형성되었다. 이때 도 9a는 660℃에서 하소한 모재 분말을 이용해 소결한 것이고, 도 9b는 700℃에서 하소한 모재 분말을 이용해 소결한 것이며, 도 9c는 750℃에서 하소한 모재 분말을 이용해 소결한 것이다. 도 9a 내지 9c에서 볼 수 있는 것처럼 본 발명의 하소 온도의 범위인 660℃ 내지 725℃의 온도 범위에서 하소된 모재 분말을 이용하여 소결할 경우, 하소 온도가 더 높은 750℃의 모재 분말을 이용하여 소결한 것보다 그레인 크기가 더 큼을 확인할 수 있었다. 즉, 입자 성장이 더 잘 되어 있음을 확인할 수 있었다. 그 이유는 도 10에서 보는 것처럼 도 9b의 이미지를 확대하였을 때 화살표로 표시된 부분과 같이 그레인과 그레인 사이에 액상이 형성되어 있음을 확인할 수 있었고, 이러한 액상은 앞서 언급된 660℃ 내지 725℃의 하소 온도 범위에서 하소된 모재 분말의 2차상이 녹으면서 생긴 것이며, 이러한 액상에 의해 BiScO3-PbTiO3 그레인이 소결시 더욱 성장된 것이다. 따라서, 이러한 결과로부터 BiScO3-PbTiO3 모재 분말의 하소 온도 조건(660℃ 내지 725℃)에 따라 BiScO3-PbTiO3 그레인 성장에 영향을 미치고, 결국 압전 재료의 물성에 영향을 미침을 알 수 있었고, 이는 도 11의 압전 특성 그래프로부터 확인할 수 있다.9a to 9c are SEM images of sintering the BiScO 3 -PbTiO 3 base material powder at different calcination temperatures. Sintering was carried out at 1000° C. for 2 hours, and the specimen was sintered in the form of a disk. All secondary phases disappeared by sintering at 1000° C. and perovskite crystals were formed. At this time, FIG. 9a is sintered using the base material powder calcined at 660°C, FIG. 9b is sintered using the base material powder calcined at 700°C, and FIG. 9c is sintered using the base material powder calcined at 750°C. As can be seen in FIGS. 9a to 9c , when sintering using the base material powder calcined in the temperature range of 660 ° C to 725 ° C, which is the range of the calcination temperature of the present invention, the calcination temperature is higher using the base material powder of 750 ° C. It was confirmed that the grain size was larger than that of the sintered one. That is, it was confirmed that the grain growth was better. The reason is that when the image of FIG. 9b is enlarged as shown in FIG. 10, it can be confirmed that a liquid phase is formed between the grains and the grains as shown by the arrow, and this liquid phase is calcined at 660 ° C. to 725 ° C. It is caused by the melting of the secondary phase of the calcined base material powder in the temperature range, and BiScO 3 -PbTiO 3 grains are further grown during sintering by this liquid phase. Therefore, from these results, it was found that BiScO 3 -PbTiO 3 affects the growth of BiScO 3 -PbTiO 3 grains according to the calcination temperature conditions (660° C. to 725° C.) of the base material powder, and eventually affects the physical properties of the piezoelectric material. , which can be confirmed from the piezoelectric characteristic graph of FIG. 11 .
도 11의 그래프를 살펴보면 BiScO3-PbTiO3 모재 분말의 하소 온도 조건(660℃ 내지 725℃)에서 하소된 모재 분말을 이용할 때 중요한 압전 특성 인자인 d33과 kp가 하소 온도가 낮음에도 불구하고 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 이는 낮은 하소 온도의 모재 분말이 더 높은 압전 특성을 나타낼 수 있음을 확인한 매우 중요한 결과로서 하소 온도 조건이 매우 유의미한 조건임을 알 수 있다. 도 11에서 보는 것처럼, 더욱 바람직한 하소 온도는 680℃ 내지 725℃이며, 가장 바람직하게는 700℃이다.Looking at the graph of FIG. 11 , d 33 and k p, which are important piezoelectric property factors when using the base powder calcined under the calcination temperature condition (660° C. to 725° C.) of the BiScO 3 -PbTiO 3 base powder, are low despite the low calcination temperature was found to be high. This is a very important result confirming that the base material powder having a low calcination temperature can exhibit higher piezoelectric properties, and it can be seen that the calcination temperature condition is a very significant condition. 11, a more preferable calcination temperature is 680°C to 725°C, and most preferably 700°C.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 압전 조성물의 압전 특성 그래프이다. 0.36BiScO3-0.64PBTiO3 - x wt % BaTiO3 (볼 밀 4시간 진행, 하소 온도는 700℃에서 4시간, 소결온도는 1100℃에서 10시간)에 대한 그래프로서, BaTiO3 의 함량에 따른 압전 특성 변화를 나타낸다.6 is a graph showing the piezoelectric properties of the piezoelectric composition prepared according to Example 1 of the present invention. As a graph for 0.36BiScO 3 -0.64PBTiO 3 -x wt % BaTiO 3 (ball mill 4 hours, calcination temperature at 700° C. for 4 hours, sintering temperature at 1100° C. for 10 hours), piezoelectricity according to the content of BaTiO 3 indicates a change in characteristics.
도 6에서 보는 것처럼, BaTiO3 의 함량이 0 초과 1 wt% 이하, 바람직하게 0.3 내지 1wt%, 더욱 바람직하게 0.5wt%에서 압전 특성이 매우 잘 나타남을 확인할 수 있었다. 도 6에서 d33 (압전변위계수)은 일정한 응력이 가해졌을 때 발생하는 전하량의 크기 또는 일정한 전계를 가했을 때 발생하는 변형률을 의미하고, kp (전기기계결합계수)는 기계에너지에서 전기에너지로의 변환효율 또는 전기에너지에서 기계에너지로의 변환 효율을 의미하며, g33 (압전전압계수)는 일정한 응력이 가해졌을 때 발생하는 전압의 크기를 의미하고, Qm (기계적품질계수)은 전기기계 변환과정에서의 에너지 손실에 대한 척도를 의미하며, d33 (압전변위계수)은 일정한 응력이 가해졌을 때 발생하는 전하량의 크기 또는 일정한 전계를 가했을 때 발생하는 변형률을 의미한다.As shown in FIG. 6 , it was confirmed that the piezoelectric properties were very well exhibited when the content of BaTiO 3 was greater than 0 and 1 wt% or less, preferably 0.3 to 1 wt%, and more preferably 0.5 wt%. In FIG. 6, d 33 (piezoelectric displacement coefficient) means the magnitude of the amount of charge generated when a constant stress is applied or the strain generated when a constant electric field is applied, and k p (electromechanical coupling coefficient) is from mechanical energy to electrical energy. means the conversion efficiency of or the conversion efficiency from electrical energy to mechanical energy, g 33 (piezoelectric voltage coefficient) means the magnitude of the voltage generated when a certain stress is applied, and Q m (mechanical quality factor) is the electric machine It refers to the measure of energy loss in the conversion process, and d 33 (piezoelectric displacement coefficient) refers to the magnitude of the electric charge generated when a constant stress is applied or the strain generated when a constant electric field is applied.
실시예 2와 실시예 3의 내용을 종합하면, 본 발명은 BiScO3-PbTiO3 모재 분말을 이용함에 있어서 모재 분말의 하소 온도 조건을 660℃ 내지 725℃에서 하소한 모재 분말을 이용하고, 이를 포함한 슬러리를 준비하여 볼 밀링을 수행하면서 여기에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가한 후 템플레이트 시트를 제작하여 소결하는 과정을 거치며, 이 경우 BaTiO3 의 함량이 0 초과 1 wt% 이하로 제어되는 것이 바람직하다.Combining the contents of Examples 2 and 3, the present invention uses the base material powder calcined at 660 ° C. to 725 ° C. under the conditions of the calcination temperature of the base material powder in using the BiScO 3 -PbTiO 3 base material powder. After preparing the slurry and performing ball milling, a plurality of BaTiO 3 seed layers are added thereto, and a template sheet is manufactured and sintered. In this case, the BaTiO 3 content is preferably controlled to be greater than 0 and less than 1 wt% do.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. You will understand that you can.
Claims (21)
상기 슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계;
상기 슬러리를 테입 캐스팅(tape casting) 공정을 이용해 템플레이트(template) 시트를 제작하는 단계; 및
상기 템플레이트 시트를 소결하는 단계를 포함하고,
BaTiO3 씨드층에 의해 다결정 BiScO3-PbTiO3 가 BaTiO3 씨드층의 결정 방향을 따라 정렬되며,
상기 슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계에서 상기 BaTiO3 씨드층은 0.3wt% 이상 0.5 wt% 미만으로 첨가되고,
상기 BiScO3-PbTiO3 모재 분말은 660℃ 내지 725℃에서 하소된 분말을 이용하며,
상기 슬러리를 테입 캐스팅 공정을 이용해 템플레이트 시트를 제작하는 단계에서, 테입 캐스팅 장치의 블레이드(blade)의 높이를 제어하여 박막 형태의 상기 BaTiO3 씨드층이 모두 동일한 결정 배향을 갖도록 상기 템플레이트 시트 내에서 배치되고, 상기 블레이드의 높이는 상기 BaTiO3 씨드층의 평면에 수직한 두께보다 높게 제어되는,
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 BiScO3-PbTiO3 의 결정 배향성을 제어하는 방법.
BiScO 3 -PbTiO 3 Preparing a slurry including a base material powder and performing ball milling;
adding a plurality of BaTiO 3 seed layers to the slurry;
manufacturing a template sheet using the slurry using a tape casting process; and
sintering the template sheet;
BaTiO 3 seed layer on the polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 by the aligned along the crystal orientation of the seed layer BaTiO 3,
The BaTiO 3 seed layer in the step of adding a plurality of BaTiO 3 seed layer to the slurry is added in at least 0.3wt% less than 0.5 wt%,
The BiScO 3 -PbTiO 3 base material powder uses a powder calcined at 660 ℃ to 725 ℃,
In the step of manufacturing the template sheet using the slurry using the tape casting process, the height of the blade of the tape casting apparatus is controlled to ensure that all of the BaTiO 3 seed layers in the form of a thin film have the same crystal orientation in the template sheet. and the height of the blade is controlled to be higher than the thickness perpendicular to the plane of the BaTiO 3 seed layer,
Method for controlling crystal orientation of polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 using a BaTiO 3 seed layer.
상기 슬러리에 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계는,
상기 슬러리에 BaTiO3 씨드층을 첨가하고 에탄올 용매 하에서 12 내지 24시간 동안 혼합되는,
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 BiScO3-PbTiO3 의 결정 배향성을 제어하는 방법.
The method of claim 1,
The step of adding a BaTiO 3 seed layer to the slurry,
A BaTiO 3 seed layer is added to the slurry and mixed for 12 to 24 hours under an ethanol solvent,
Method for controlling crystal orientation of polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 using a BaTiO 3 seed layer.
결정 배향성을 가지며,
큐리 온도가 400℃ 이상인,
BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 BiScO3-PbTiO3 압전 소재.
Prepared according to the method of claim 1 or 3,
has crystal orientation,
The Curie temperature is 400°C or higher,
Polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric material with BaTiO 3 seed layer.
상기 다결정 BiScO3-PbTiO3는 xBiScO3-(1-x)PbTiO3로 표시되고,
상기 x는 0.3≤x≤0.4를 만족하는,
BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 BiScO3-PbTiO3 압전 소재.
15. The method of claim 14,
The polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 is represented by xBiScO 3 -(1-x)PbTiO 3 ,
Wherein x satisfies 0.3≤x≤0.4,
Polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric material with BaTiO 3 seed layer.
상기 x는 0.36인,
BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 BiScO3-PbTiO3 압전 소재.
16. The method of claim 15,
wherein x is 0.36;
Polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric material with BaTiO 3 seed layer.
초음파 트랜스듀서.A polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric material including a BaTiO 3 seed layer, which is prepared according to the method of claim 1 or 3, has crystal orientation, and has a Curie temperature of 400° C. or higher,
ultrasonic transducer.
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