KR102346330B1 - 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법 - Google Patents

코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

Bi2O3가 도핑된 LNKN계로 조성된 코어층과 BNK계로 조성된 코팅층으로 이루어진 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 본체와, 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 구비되는 표피전류 접속전극으로 구성하는 것에 의해, 무연 압전 세라믹 본체로의 전기신호 공급이 손실 없이 안정적으로 전달될 수 있을 뿐만 아니라 전원 케이블의 결속에 대한 신뢰성을 확보할 수 있는 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹은 Bi2O3가 도핑된 LNKN으로 이루어진 코어층과, 상기 코어층의 표면을 감싸도록 배치되며, Bi, Na 및 K 성분으로 이루어진 BNK 코팅층을 포함하는 무연 압전 세라믹 본체; 및 상기 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 배치된 표피전류 접속전극;을 포함하며, 상기 LNKN은 (Li1-xNa1-yK1-z)NbO3 (여기서, x는 0.8 ~ 0.99이고, y는 0.3 ~ 0.7이고, z는 0.5 ~ 0.8임.)의 조성비를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법{LEAD FREE PIEZOELECTRIC CERAMIC WITH CORE SHELL STRUCTURE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Bi2O3가 도핑된 LNKN계로 조성된 코어층과 BNK계로 조성된 코팅층으로 이루어진 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 본체와, 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 구비되는 표피전류 접속전극으로 구성하는 것에 의해, 무연 압전 세라믹 본체로의 전기신호 공급이 손실 없이 안정적으로 전달될 수 있을 뿐만 아니라 전원 케이블의 결속에 대한 신뢰성을 확보할 수 있는 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
압전 세라믹은 입력되는 전원에 의하여 진동을 유발하게 물리적 압력에 대하여 파장을 갖는 전기신호를 출력하기 위해 사용된다.
이를 위해, 압전 세라믹으로는 우수한 압전특성을 갖는 Pb(Zr,Ti)O3 계열의 세라믹을 사용하고 있다.
그러나, PZT 계열의 압전 세라믹은 납(Pb)을 포함하고 있기 때문에 인체에 해롭고 환경오염을 유발시킬 뿐만 아니라, 규제 강화로 사용에 대한 제약이 따르는 추세에 있다.
아울러, PZT 계열의 압전 세라믹은 압전 세라믹 본체에 공급되는 전기신호의 손실이 발생하고, 단순히 압전 세라믹 본체에 전원 케이블을 솔더링 작업으로 접속시키는 구조로 설계되는 관계로 전원 케이블의 결속이 완벽하지 못한 문제점이 있었다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0037483호(2020.04.09. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 무연 압전 세라믹 조성물 및 무연 압전 세라믹 제조 방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 Bi2O3가 도핑된 LNKN계로 조성된 코어층과 BNK계로 조성된 코팅층으로 이루어진 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 본체와, 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 구비되는 표피전류 접속전극으로 구성하는 것에 의해, 무연 압전 세라믹 본체로의 전기신호 공급이 손실 없이 안정적으로 전달될 수 있을 뿐만 아니라 전원 케이블의 결속에 대한 신뢰성을 확보할 수 있는 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법은 (a) (Li1-xNa1-yK1-z)NbO3 (여기서, x는 0.8 ~ 0.99이고, y는 0.3 ~ 0.7이고, z는 0.5 ~ 0.8임.)의 조성비를 갖는 LNKN 압전 물질에 Bi2O3를 첨가하여 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말을 합성하는 단계; (b) Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 산성용액을 첨가하고 교반하여 BNK 코팅 용액을 형성하는 단계; (c) 상기 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말에 BNK 코팅 용액 및 바인더를 혼합하고 볼 밀링한 후, 건조 및 분쇄하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 형성하는 단계; (d) 상기 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 하소한 후, 결합제를 첨가하고 가압 성형하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 형성하는 단계; 및 (e) 상기 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계에서, 상기 Bi2O3는 상기 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여, 0.1 ~ 0.5 중량부로 첨가한다.
상기 (c) 단계에서, 상기 바인더는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral, PVB) 및 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol, PEG) 중 선택된 1종 이상을 포함한다.
상기 (c) 단계에서, 상기 BNK 코팅 용액은 상기 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 15 ~ 30 중량부로 첨가한다.
상기 (d) 단계에서, 상기 가압 성형은 1 ~ 3 ton/㎠ 의 압력 조건으로 실시한다.
상기 (e) 단계에서, 상기 소결은 950 ~ 1,150℃에서 1 ~ 5시간 동안 실시한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹은 Bi2O3가 도핑된 LNKN으로 이루어진 코어층과, 상기 코어층의 표면을 감싸도록 배치되며, Bi, Na 및 K 성분으로 이루어진 BNK 코팅층을 포함하는 무연 압전 세라믹 본체; 및 상기 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 배치된 표피전류 접속전극;을 포함하며, 상기 LNKN은 (Li1-xNa1-yK1-z)NbO3 (여기서, x는 0.8 ~ 0.99이고, y는 0.3 ~ 0.7이고, z는 0.5 ~ 0.8임.)의 조성비를 갖는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 표피전류 접속전극은 내부 저항 감소를 위해, 상기 무연 압전 세라믹 본체 방향으로 갈수록 그 면적이 넓어지는 콘 형상을 가지며, 바닥면이 상기 무연 압전 세라믹 본체에 접속된 내부 중공 접속전극; 상기 내부 중공 접속전극과 이격된 외측에서 상기 내부 중공 접속전극을 감싸는 콘 형상을 갖도록 배치되어, 상기 내부 중공 접속전극과의 사이 공간에 전원 케이블을 삽입하기 위한 케이블 삽입구가 구비되며, 바닥면이 상기 무연 압전 세라믹 본체에 접속된 외부 중공 접속전극; 및 상기 외부 중공 접속전극의 하측을 관통하도록 형성되어, 상기 케이블 삽입구로 충진되는 솔더가 원활하게 유동되게 내부의 공기를 외부로 배출하기 위해 등 간격으로 이격 배치된 복수의 공기 배출구;를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법은 Bi2O3가 도핑된 LNKN계로 조성된 코어층과 BNK계로 조성된 코팅층으로 이루어진 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 본체와, 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 구비되는 표피전류 접속전극으로 구성하는 것에 의해, 무연 압전 세라믹 본체로의 전기신호 공급이 손실 없이 안정적으로 전달될 수 있을 뿐만 아니라 전원 케이블의 결속에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법은 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 합성 후, Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 표면에 Bi, Na 및 K 성분을 갖는 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)를 표면 코팅하는 것에 의해 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 형성함에 따라, 저온소성이 가능하며, 낮은 소결온도에서도 우수한 밀도, 압전 및 유전 특성을 나타낼 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 나타낸 단면도.
도 4는 도 2의 표피전류 접속전극을 확대하여 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 변형예에 따른 표피전류 접속전극을 확대하여 나타낸 사시도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법은 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 합성 단계(S110), BNK 코팅 용액 형성 단계(S120), 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말 형성 단계(S130), 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체 형성 단계(S140) 및 소결 단계(S150)를 포함한다.
Bi 2 O 3 가 도핑된 LNKN 분말 합성
Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 합성 단계(S110)에서는 (Li1-xNa1-yK1-z)NbO3 (이하, LNKN이라 약칭함.) (여기서, x는 0.8 ~ 0.99이고, y는 0.3 ~ 0.7이고, z는 0.5 ~ 0.8임.)의 조성비를 갖는 LNKN 압전 물질에 Bi2O3를 첨가하여 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말을 합성한다.
여기서, Bi2O3는 밀도 특성, 압전 특성 및 유전 특성을 향상시키기 위해 도핑된다. 이를 위해, Bi2O3는 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여, 0.1 ~ 0.5 중량부로 첨가하는 것이 바람직하다. Bi2O3가 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여, 0.1 중량부 미만으로 첨가될 경우에는 그 첨가량이 미미하여 밀도, 압전 및 유전 특성 향상 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, Bi2O3가 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여, 0.5 중량부를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 다량의 Bi2O3만을 필요로 하기 때문에 경제적이지 못하다.
BNK 코팅 용액 형성
BNK 코팅 용액 형성 단계(S120)에서는 Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 산성용액을 첨가하고 교반하여 BNK 코팅 용액을 형성한다.
이때, Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3의 각 원료는 10분 간격으로 완전 용해가 이루어진 것을 확인한 후 순차적으로 첨가하는 것이 바람직하다. 산성용액으로는 질산, 염산 및 황산 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
여기서, 교반은 100 ~ 500rpm의 속도로 실시하는 것이 바람직하다. 교반 속도가 100rpm 미만일 경우에는 Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3의 각 원료와 산성용액 간의 균일한 혼합이 이루어지지 못할 우려가 있다. 반대로, 교반 속도가 500rpm을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말 형성
코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말 형성 단계(S130)에서는 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말에 BNK 코팅 용액 및 바인더를 혼합하고 볼 밀링한 후, 건조 및 분쇄하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 형성한다.
여기서, 바인더는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral, PVB) 및 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol, PEG) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있으며, 이 중 폴리비닐 알코올을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 폴리비닐 알코올을 바인더로 이용할 시, PVA내 (-OH)의 음전하(negative charge)를 1로 하였을 때, Bi3+, Na+ 및 K+의 전하가 1 : 1의 비율이 되도록 계산하여 첨가하는 것이 바람직하다.
여기서, 볼 밀링 방법으로는 지르코니아 볼에 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말, BNK 코팅 용액 및 바인더를 투입한 후, 10 ~ 30시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.
이때, 건조는 100 ~ 150℃에서 5 ~ 20시간 동안 실시될 수 있다.
본 단계에서, BNK 코팅 용액은 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 15 ~ 30 중량부로 첨가하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 20 ~ 25 중량부를 제시할 수 있다. BNK 코팅 용액이 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 15 중량부 미만으로 첨가될 경우에는 그 첨가량이 미미하여 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말을 BNK가 완벽하게 코팅하지 못할 우려가 있다. 반대로, BNK 코팅 용액이 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 30 중량부를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 압전 성능을 저하시킬 우려가 있으므로, 바람직하지 못하다.
코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체 형성
코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체 형성 단계(S140)에서는 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 하소한 후, 결합제를 첨가하고 가압 성형하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 형성한다.
이때, 가압 성형은 100 ~ 180℃에서 1 ~ 3 ton/㎠ 의 압력 조건으로 1 ~ 60분 동안 실시하는 것이 바람직하다.
가압 성형 온도가 100℃ 미만이거나, 가압 성형 시간이 1분 미만일 경우에는 충분한 경화가 이루어지지 않을 우려가 크다. 반대로, 가압 성형 온도가 180℃를 초과하거나, 가압 성형 시간이 60분을 초과할 경우에는 물성에 큰 변화 없이 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
또한, 가압 성형 압력이 1 ton/㎠ 미만일 경우에는 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 가압 성형 압력이 3 ton/㎠을 초과할 경우에는 과도한 압력으로 인해 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체의 형태에 변형이 발생할 우려가 있다.
소결
소결 단계(S150)에서는 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 소결한다.
본 단계에서, 소결은 950 ~ 1,150℃에서 1 ~ 5시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.
소결 온도가 950℃ 미만이거나, 소결 시간이 1시간 미만일 경우에는 강도, 밀도, 압전 및 유전 특성을 확보하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 소결 온도가 1,150℃를 초과거나, 소결 시간이 5시간을 초과할 경우에는 압전 특성의 변화를 초래할 우려가 있으므로, 바람직하지 못하다.
이상으로, 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법이 종료될 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법은 Bi2O3가 도핑된 LNKN계로 조성된 코어층과 BNK계로 조성된 코팅층으로 이루어진 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 본체와, 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 구비되는 표피전류 접속전극으로 구성하는 것에 의해, 무연 압전 세라믹 본체로의 전기신호 공급이 손실 없이 안정적으로 전달될 수 있을 뿐만 아니라 전원 케이블의 결속에 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법은 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 합성 후, Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 표면에 Bi, Na 및 K 성분을 갖는 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)를 표면 코팅하는 것에 의해 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 형성함에 따라, 저온소성이 가능하며, 낮은 소결온도에서도 우수한 밀도, 압전 및 유전 특성을 나타낼 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 나타낸 단면도이며, 도 4는 도 2의 표피전류 접속전극을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹(200)은 무연 압전 세라믹 본체(220) 및 표피전류 접속전극(240)을 포함한다.
무연 압전 세라믹 본체(220)는 Bi2O3가 도핑된 LNKN으로 이루어진 코어층과, 코어층의 표면을 감싸도록 배치되며, Bi, Na 및 K 성분으로 이루어진 BNK 코팅층을 포함한다. 여기서, LNKN은 (Li1-xNa1-yK1-z)NbO3 (여기서, x는 0.8 ~ 0.99이고, y는 0.3 ~ 0.7이고, z는 0.5 ~ 0.8임.)의 조성비를 갖는다.
표피전류 접속전극(240)은 무연 압전 세라믹 본체(220)의 적어도 일면에 배치된다.
이러한 표피전류 접속전극(240)은 내부 중공 접속전극(241), 외부 중공 접속전극(242) 및 공기 배출구(244)를 갖는다.
내부 중공 접속전극(241)은 내부 저항 감소를 위해, 무연 압전 세라믹 본체(220) 방향으로 갈수록 그 면적이 넓어지는 콘 형상을 가지며, 바닥면이 무연 압전 세라믹 본체(220)에 접속된다.
외부 중공 접속전극(242)은 내부 중공 접속전극(241)과 이격된 외측에서 내부 중공 접속전극(241)을 감싸는 콘 형상을 갖도록 배치되어, 내부 중공 접속전극(241)과의 사이 공간에 전원 케이블을 삽입하기 위한 케이블 삽입구(243)가 구비되며, 바닥면이 무연 압전 세라믹 본체(220)에 접속된다.
공기 배출구(244)는 복수개가 외부 중공 접속전극(242)의 하측을 관통하도록 형성되어, 케이블 삽입구(243)로 충진되는 솔더가 원활하게 유동되게 내부의 공기를 외부로 배출하기 위해 등 간격으로 이격 배치된다. 여기서, 복수의 공기 배출구(244)는 상호 간이 동일한 직경을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹(200)은 Bi2O3가 도핑된 LNKN계로 조성된 코어층과 BNK계로 조성된 코팅층으로 이루어진 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 본체(220)와, 무연 압전 세라믹 본체(220)의 적어도 일면에 구비되는 표피전류 접속전극(240)으로 구성되는 것에 의해, 납이 첨가되어 있지 않아 환경오염이 최소화되고, 표피 전류 접속전극(240)을 통하여 무연 압전 세라믹 본체(220)로의 전기신호 공급이 손실 없이 안정적으로 전달될 수 있을 뿐만 아니라 전원 케이블의 결속에 대한 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹(200)은 표피 전류 접속전극(240)이 콘 형상으로 형성되고, 콘의 확장부가 무연 압전 세라믹 본체(220)에 결속되며, 무연 압전 세라믹 본체(220) 방향으로 갈수록 그 면적이 넓어져 내부저항이 최소화될 수 있게 된다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹(200)은 내부 중공 접속전극(241) 및 외부 중공 접속전극(242)의 접속을 위해, 무연 압전 세라믹 본체(220) 측에 전원 케이블을 솔더링하는 과정시 유입되는 솔더가 원활하게 유동되게 내부의 공기를 외부로 배출하고 솔더가 안정적으로 결속되게 등 간격으로 공기 배출구(244)가 이격 배치되어 있으므로, 전원 케이블의 접속이 안정적으로 이루어지고 신호손실이 최소화될 수 있는 구조적인 이점을 갖는다.
또한, 본 발명의 내부 중공 접속전극(240)은 내부가 빈 중공 구조의 중공 냉각구(245)가 구비되어 있으므로, 중공 냉각구(245)를 통한 자연 냉각 방식으로 내부 중공 접속전극(241) 내부의 원활한 공기 흐름에 의해 방열이 원활하게 이루어질 수 있게 된다.
한편, 도 5는 본 발명의 변형예에 따른 표피전류 접속전극을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변형예에 따른 표피전류 접속전극(200)은 진동 감쇄 절개부(246)를 더 갖는 것을 제외하고는, 도 4를 참조하여 설명한 실시예에 따른 표피전류 접속전극과 실질적으로 동일하므로, 중복 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.
즉, 본 발명의 변형예에 따른 표피전류 접속전극(240)은 무연 압전 세라믹 본체(220)와 맞닿는 외부 중공 접속전극(242)의 바닥면에 진동 감쇠 절개부(246)가 등 간격으로 이격되도록 배치되어 있다. 이러한 진동 감쇠 절개부(246)는, 단면 상으로 볼 때, 삼각형 형상을 가질 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 그 형상은 다양하게 변경될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 변형예에 따른 표피전류 접속전극(240)은 진동 감쇠 절개부(246)가 등 간격으로 이격되도록 배치되어 있으므로, 무연 압전 세라믹 본체(220)로의 전기 신호 공급에 따른 진동시 내부 및 외부 중공 접속전극(241, 242)으로 인한 감쇠가 최소화될 수 있게 된다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 무연 압전 세라믹 제조
실시예 1
(Li0.05Na0.57K0.38)NbO3의 조성비를 갖는 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여 Bi2O3를 2 중량부를 첨가하여 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말을 합성하였다.
다음으로, Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 1M HNO3에 첨가하면서 400rpm의 속도로 교반하여 BNK 코팅 용액을 제조하였다.
다음으로, Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말에 BNK 코팅 용액 및 바인더를 혼합하고 20시간 동안 볼 밀링한 후, 110℃에서 24시간 동안 건조하고 나서 분쇄하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 제조하였다. 이때, BNK 코팅 용액은 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 20 중량부로 첨가하였다.
다음으로, 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 650℃에서 3시간 동안 하소한 후, 결합제인 PVA 수용액(5wt%)를 첨가하고 150℃에서 2 ton/㎠ 의 압력 조건으로 30분 동안 가압 성형하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 제조하였다.
다음으로, 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 1,050℃에서 3시간 동안 소결하여 무연 압전 세라믹을 제조하였다.
실시예 2
BNK 코팅 용액은 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 15 중량부로 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 무연 압전 세라믹을 제조하였다.
실시예 3
BNK 코팅 용액은 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 30 중량부로 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 무연 압전 세라믹을 제조하였다.
비교예 1
(Li0.05Na0.57K0.38)NbO3의 조성비를 갖는 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여 Bi2O3를 2 중량부를 첨가하여 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말을 합성하였다.
다음으로, Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말을 600℃에서 2시간 동안 하소한 후, 결합제인 PVA 수용액(5wt%)를 첨가하고 150℃에서 2 ton/㎠ 의 압력 조건으로 30분 동안 가압 성형하여 무연 압전 세라믹 성형체를 제조하였다.
다음으로, 무연 압전 세라믹 성형체를 1,100℃에서 3시간 동안 소결하여 무연 압전 세라믹을 제조하였다.
2. 물성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따른 무연 압전 세라믹에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이다. 이때, 전기적 특성을 측정하기 위하여, 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에 따라 제조된 무연 압전 세라믹을 1mm의 두께로 연마하고 Ag 전극을 도포한 뒤, 열처리 후 120℃의 절연유 속에서 30kV/cm의 직류전계를 30분 동안 인가하여 분극처리를 실시하였으며, 24시간 후에 전기적 특성을 측정하였다. 아울러, 유전 특성은 LCR 미터(AN DO AG-4304)를 사용하여 측정하였다.
[표 1]
Figure 112021066802155-pat00001
표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 무연 압전 세라믹은, 비교예 1에 따라 제조된 무연 압전 세라믹에 비하여, 소결밀도가 높게 측정되었을 뿐만 아니라, 압전 특성 및 유전 특성에서 확연하게 향상된 값을 나타내는 것을 확인하였다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 합성 단계
S120 : BNK 코팅 용액 형성 단계
S130 : 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말 형성 단계
S140 : 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체 형성 단계
S150 : 소결 단계
200 : 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 220 : 무연 압전 세라믹 본체
240 : 표피전류 접속전극 241 : 내부 중공 접속전극
242 : 외부 중공 접속전극 243 : 케이블 삽입구
244 : 공기 배출구 245 : 중공 냉각구
246 : 진동 감쇄 절개부

Claims (8)

  1. (a) (Li1-xNa1-yK1-z)NbO3 (여기서, x는 0.8 ~ 0.99이고, y는 0.3 ~ 0.7이고, z는 0.5 ~ 0.8임.)의 조성비를 갖는 LNKN 압전 물질에 Bi2O3를 첨가하여 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말을 합성하는 단계;
    (b) Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 산성용액을 첨가하고 교반하여 BNK 코팅 용액을 형성하는 단계;
    (c) 상기 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말에 BNK 코팅 용액 및 바인더를 혼합하고 볼 밀링한 후, 건조 및 분쇄하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 형성하는 단계;
    (d) 상기 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 하소한 후, 결합제를 첨가하고 가압 성형하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 소결하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 (c) 단계에서, 상기 BNK 코팅 용액은 상기 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 15 ~ 30 중량부로 첨가하고,
    상기 (d) 단계에서, 상기 가압 성형은 100 ~ 180℃에서 1 ~ 3 ton/㎠ 의 압력 조건으로 1 ~ 60분 동안 실시하며,
    상기 (e) 단계에서, 상기 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹은 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 본체와, 상기 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 구비되는 표피전류 접속전극으로 구성되고,
    상기 표피전류 접속전극은 내부 저항 감소를 위해, 상기 무연 압전 세라믹 본체 방향으로 갈수록 그 면적이 넓어지는 콘 형상을 가지며, 바닥면이 상기 무연 압전 세라믹 본체에 접속된 내부 중공 접속전극; 상기 내부 중공 접속전극과 이격된 외측에서 상기 내부 중공 접속전극을 감싸는 콘 형상을 갖도록 배치되어, 상기 내부 중공 접속전극과의 사이 공간에 전원 케이블을 삽입하기 위한 케이블 삽입구가 구비되며, 바닥면이 상기 무연 압전 세라믹 본체에 접속된 외부 중공 접속전극; 상기 외부 중공 접속전극의 하측을 관통하도록 형성되어, 상기 케이블 삽입구로 충진되는 솔더가 원활하게 유동되게 내부의 공기를 외부로 배출하기 위해 등 간격으로 이격 배치된 복수의 공기 배출구; 및 상기 무연 압전 세라믹 본체와 맞닿는 외부 중공 접속전극의 바닥면에 등 간격으로 이격되도록 배치된 진동 감쇠 절개부;를 갖는 것을 특징으로 하는 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 Bi2O3는
    상기 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여, 0.1 ~ 0.5 중량부로 첨가하는 것을 특징으로 하는 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 바인더는
    폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral, PVB) 및 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol, PEG) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서,
    상기 소결은
    950 ~ 1,150℃에서 1 ~ 5시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법.
  7. Bi2O3가 도핑된 LNKN으로 이루어진 코어층과, 상기 코어층의 표면을 감싸도록 배치되며, Bi, Na 및 K 성분으로 이루어진 BNK 코팅층을 포함하는 무연 압전 세라믹 본체; 및
    상기 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 배치된 표피전류 접속전극;을 포함하며,
    상기 표피전류 접속전극은 내부 저항 감소를 위해, 상기 무연 압전 세라믹 본체 방향으로 갈수록 그 면적이 넓어지는 콘 형상을 가지며, 바닥면이 상기 무연 압전 세라믹 본체에 접속된 내부 중공 접속전극; 상기 내부 중공 접속전극과 이격된 외측에서 상기 내부 중공 접속전극을 감싸는 콘 형상을 갖도록 배치되어, 상기 내부 중공 접속전극과의 사이 공간에 전원 케이블을 삽입하기 위한 케이블 삽입구가 구비되며, 바닥면이 상기 무연 압전 세라믹 본체에 접속된 외부 중공 접속전극; 상기 외부 중공 접속전극의 하측을 관통하도록 형성되어, 상기 케이블 삽입구로 충진되는 솔더가 원활하게 유동되게 내부의 공기를 외부로 배출하기 위해 등 간격으로 이격 배치된 복수의 공기 배출구; 및 상기 무연 압전 세라믹 본체와 맞닿는 외부 중공 접속전극의 바닥면에 등 간격으로 이격되도록 배치된 진동 감쇠 절개부;를 갖고,
    상기 LNKN은 (Li1-xNa1-yK1-z)NbO3 (여기서, x는 0.8 ~ 0.99이고, y는 0.3 ~ 0.7이고, z는 0.5 ~ 0.8임.)의 조성비를 갖는 것을 특징으로 하는 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹.
  8. 삭제
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WO2023113306A1 (ko) * 2021-12-13 2023-06-22 주식회사 해븐 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법

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