KR102348835B1 - Non Pb based piezoelectric ceramics production process through the atmosphere control - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 분위기 제어를 통한 비납계 압전 세라믹 제조방법에 있어서, Li(Nb0.8Ta0.2)O3 분말, Na(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말, K(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말을 각각 제조하는 단계와; 상기 분말들과 Li2CO3를 혼합하는 단계와; 혼합된 상기 분말들 및 상기 Li2CO3를 1000 내지 1100℃로 질소 기체 또는 수소-질소 혼합기체 분위기 하에서 소결하여 압전 세라믹을 얻는 단계를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 납이 함유되지 않은 압전 세라믹 조성물을 질소 기체 또는 질소와 수소 혼합 기체 분위기 하에서 소결하여 우수한 압전 특성을 지니도록 할 수 있다.The present invention provides a non-lead piezoelectric ceramic manufacturing method through the atmosphere control, Li (Nb 0.8 Ta 0.2) O 3 powder, Na (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder, K (Nb 0 .8 Ta preparing a 0 .2) O 3 powder, each with; mixing the powders with Li 2 CO 3 ; It is a technical summary to include the step of sintering the mixed powders and the Li 2 CO 3 at 1000 to 1100° C. under nitrogen gas or hydrogen-nitrogen mixed gas atmosphere to obtain a piezoelectric ceramic. Accordingly, the lead-free piezoelectric ceramic composition may be sintered under nitrogen gas or nitrogen and hydrogen mixed gas atmosphere to have excellent piezoelectric properties.

Description

분위기 제어를 통한 비납계 압전 세라믹 제조방법 {Non Pb based piezoelectric ceramics production process through the atmosphere control}Method for manufacturing lead-free piezoelectric ceramics through atmosphere control {Non Pb based piezoelectric ceramics production process through the atmosphere control}

본 발명은 분위기 제어를 통한 비납계 압전 세라믹 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 납이 함유되지 않은 압전 세라믹 조성물을 질소 기체 또는 질소와 수소 혼합 기체 분위기 하에서 소결하여 우수한 압전 특성을 지니도록 하는 분위기 제어를 통한 비납계 압전 세라믹 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a lead-free piezoelectric ceramic through atmosphere control, and more particularly, an atmosphere in which a lead-free piezoelectric ceramic composition is sintered under nitrogen gas or nitrogen and hydrogen mixed gas atmosphere to have excellent piezoelectric properties. It relates to a method for manufacturing lead-free piezoelectric ceramics through control.

최근 정밀 기계산업과 정보산업의 발달에 따라 미소변위를 제어하거나 진동을 제어하는 압전 액추에이터가 정밀 광학기기, 반도체 장비, 기체유량제어 펌프, 밸브 등에 폭 넓게 응용되고 있다. 이는 종래의 기계식 구동소자에 비하여 압전 액추에이터가 소형화 및 정밀제어가 가능하며, 응답속도가 빠른 장점이 있기 때문이다. 따라서 메카트로닉스의 발전과 더불어 미소변위제어 부품은 종래의 스텝모터를 이용하는 방식에서 압전 액추에이터를 이용하는 방식으로 전환되고 있다. 따라서 압전 세라믹스의 압전 액추에이터 응용에 있어 고변위를 발생하는 재료가 필요하다.With the recent development of precision machinery and information industries, piezoelectric actuators that control micro-displacements or control vibrations have been widely applied to precision optical devices, semiconductor equipment, gas flow control pumps, and valves. This is because the piezoelectric actuator has the advantages of being able to miniaturize and precisely control the piezoelectric actuator compared to the conventional mechanical driving element, and the response speed is fast. Therefore, along with the development of mechatronics, micro-displacement control parts are being converted from a method using a conventional step motor to a method using a piezoelectric actuator. Therefore, in the application of piezoelectric actuators of piezoelectric ceramics, a material that generates high displacement is required.

압전 세라믹스 중 PZT(perovskite lead zirconate titanate)는 현재 가장 우수한 압전 특성을 가진 압전 재료로서 많은 응용분야에서 이용되고 있다. PbTiO3 와 PbZrO3의 고용체에 있어서 정방정계-삼방정계의 상경계(MPB : Morphotropic Phase Boundary)에서 강한 압전 특성을 가지면서 390℃의 Curie 온도를 가지는 PZT 고용체가 발견됨에 따라, 이 세라믹스를 이용해서 압전 효과, 역 압전 효과를 이용한 압전 액추에이터(actuator), 압전 트랜스듀서(transducer), 센서(sensor), 레조네이터(resonater) 등에 적용하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.Among piezoelectric ceramics, perovskite lead zirconate titanate (PZT) is currently used in many applications as a piezoelectric material with the best piezoelectric properties. In a solid solution of PbTiO 3 and PbZrO 3 , a PZT solid solution having a Curie temperature of 390°C while having strong piezoelectric properties at the tetragonal-trigonal phase boundary (MPB: Morphotropic Phase Boundary) was found. Effects and inverse piezoelectric effects are being actively studied to be applied to piezoelectric actuators, piezoelectric transducers, sensors, resonators, and the like.

그러나 압전 특성이 우수한 대부분 세라믹스의 경우 PZT와 같이 납(Pb)을 포함하는 조성을 가짐으로써 1000℃ 이상에서는 PbO가 급격히 휘발함으로 인해 조성의 변동이 생겨 재현성이 어렵다. 이를 방지하기 위해 조성에 과잉으로 PbO를 첨가하여 압전 세라믹스를 제조하고 있다. 이는 환경 오염을 야기시킴은 물론 가격 경쟁력 측면에서도 문제가 있기 때문에, 최근에는 무연 세라믹스의 조성에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. However, since most ceramics with excellent piezoelectric properties have a composition containing lead (Pb) like PZT, PbO rapidly volatilizes above 1000° C. In order to prevent this, the piezoelectric ceramics are manufactured by adding PbO excessively to the composition. Since this causes environmental pollution as well as a problem in terms of price competitiveness, a lot of research on the composition of lead-free ceramics has been recently conducted.

무연 압전 세라믹스 중 (Na0 .5K0 .5)NbO3는 높은 상전이 온도(420℃), 낮은 항전계(5kV/cm), 높은 잔류분극(30μC/cm2) 등의 특성을 가지고 있어 납을 기본조성으로 하는 압전 세라믹스를 대체할 수 있는 대표적인 물질 중 하나로 여겨지고 있다. 특히 (Na0.5K0.5)NbO3에 리튬(Li)과 탄탈럼(Ta) 이온이 고용되면 상경계를 이루며 높은 압전 특성을 보인다고 알려져 더욱더 각광받고 있으나, 아직 상용화하기에는 부족한 실정이다. 또한 Na2CO3, K2CO3 등과 같은 원료 물질들의 높은 흡습성과 소결 중의 휘발로 인하여 통상적인 소결 방법으로는 높은 특성을 지닌 소결체를 제조하기가 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 지금까지는 핫 프레스(hot press), 스파크 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 등과 같은 고가의 제조공정을 이용하여 소결하였다.Of the lead-free piezoelectric ceramic (Na 0 .5 0 .5 K) NbO 3 has got the characteristics such as high phase transition temperature (420 ℃), a low coercive field (5kV / cm), high remnant polarization (30μC / cm 2) lead It is considered as one of the representative materials that can replace piezoelectric ceramics with a basic composition. In particular, when lithium (Li) and tantalum (Ta) ions are dissolved in (Na 0.5 K 0.5 )NbO 3 , they form a phase boundary and are known to exhibit high piezoelectric properties. In addition, it is known that it is difficult to manufacture a sintered body having high properties by a conventional sintering method due to the high hygroscopicity of raw materials such as Na 2 CO 3 , K 2 CO 3 and the like and volatilization during sintering. Therefore, until now, sintering has been performed using expensive manufacturing processes such as hot press and spark plasma sintering.

압전 세라믹스를 소결하는 종래 기술로는 '대한민국특허청 등록특허 제10-1012143호 센서 및 액추에이터용 비납계 압전 세라믹 조성물 및 그 제조방법'이 알려져 있다. 이러한 종래기술은 납계 압전 세라믹스가 가지는 높은 소성온도와 낮은 압전 상수의 문제점을 개선하여 낮은 소성온도에서도 압전 세라믹스를 제조 가능하다는 것이 특징이다. 압전 세라믹스는 산소(O)를 포함하는 산화물 압전 세라믹스가 일반적이기 때문에, 제조하는 과정에서 산소가 포함된 공기 중에서 열처리가 주로 이루어진다. 하지만 산소 분위기 하에서 압전 세라믹스를 제조할 경우, 비납계 압전 세라믹스 특히 종래기술과 같이 (Nb0 .8Ta0 .2)O3를 포함하는 압전 세라믹스는 큰 입자로 성장되어 압전 재료로 사용되기 어렵다는 단점이 있다.As a prior art for sintering piezoelectric ceramics, 'a lead-free piezoelectric ceramic composition for sensors and actuators and a method for manufacturing the same' is known in Korean Patent Office Registration No. 10-1012143. This prior art is characterized in that it is possible to manufacture the piezoelectric ceramics even at a low firing temperature by improving the problems of the high firing temperature and low piezoelectric constant of the lead-based piezoelectric ceramics. Since oxide piezoelectric ceramics containing oxygen (O) are common for piezoelectric ceramics, heat treatment is mainly performed in air containing oxygen during the manufacturing process. However, to manufacture the piezoelectric ceramic, non-lead piezoelectric ceramic, especially as in the prior art (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 piezoelectric ceramics containing large particles are grown to be difficult to be used as a piezoelectric material in an oxygen atmosphere disadvantages There is this.

대한민국특허청 등록특허 제10-1012143호Korean Intellectual Property Office Registered Patent No. 10-1012143

따라서 본 발명의 목적은 납이 함유되지 않은 압전 세라믹 조성물을 질소 기체 또는 질소와 수소 혼합 기체 분위기 하에서 소결하여 우수한 압전 특성을 지니도록 하는 분위기 제어를 통한 비납계 압전 세라믹 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a lead-free piezoelectric ceramic through atmosphere control in which a lead-free piezoelectric ceramic composition is sintered in a nitrogen gas or nitrogen-hydrogen mixed gas atmosphere to have excellent piezoelectric properties.

상기한 목적은, Li(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말, Na(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말, K(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말을 각각 제조하는 단계와; 상기 분말들과 Li2CO3를 혼합하는 단계와; 혼합된 상기 분말들 및 상기 Li2CO3를 1000 내지 1100℃로 질소 기체 또는 수소-질소 혼합기체 분위기 하에서 소결하여 압전 세라믹을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분위기 제어를 통한 비납계 압전 세라믹 제조방법에 의해 달성된다.The above object is, the Li (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder, Na (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder, K (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder manufacturing each; mixing the powders with Li 2 CO 3 ; Preparation of lead-free piezoelectric ceramics through atmosphere control, characterized in that it comprises the step of sintering the mixed powders and the Li 2 CO 3 at 1000 to 1100° C. under a nitrogen gas or hydrogen-nitrogen mixed gas atmosphere to obtain a piezoelectric ceramic achieved by the method.

여기서, 상기 분말들과 Li2CO3를 혼합하는 단계는, 상기 분말들이 (NaxK0 .98-xLi0.02)(Nb0.8Ta0.2)O3 분말이 되도록 비율에 맞게 혼합하고, 상기 (NaxK0 .98-xLi0.02)(Nb0.8Ta0.2)O3 분말 1mol에 대해 상기 Li2CO3는 0.005 내지 0.015mol 혼합되는 것이 바람직하다. (여기서, x는 0.47 내지 0.53이다.)Here, mixing the said powder and Li 2 CO 3 is, and the powders are mixed to scale such that (Nb 0.8 Ta 0.2) O 3 powder (Na x K 0 .98-x Li 0.02), the ( Na x K 0 .98-x Li 0.02) (Nb 0.8 Ta 0.2) O 3 for powder 1mol the Li 2 CO 3 is preferably from 0.005 to 0.015mol mixture. (Here, x is 0.47 to 0.53.)

또한, 상기 소결하여 압전 세라믹을 얻는 단계에서, 열처리 온도는 1000 내지 1050℃이며, 상기 질소 기체는 전량이 질소로 이루어진 기체이며, 상기 질소와 수소 혼합 기체는 전체에서 5% 이하의 수소 기체와 잔량이 질소 기체로 이루어진 것이 바람직하다.In addition, in the step of obtaining the piezoelectric ceramic by sintering, the heat treatment temperature is 1000 to 1050° C., the nitrogen gas is a gas in which the entire amount is nitrogen, and the nitrogen and hydrogen mixed gas is 5% or less of hydrogen gas and the remaining amount It is preferable to consist of this nitrogen gas.

상기 소결하여 압전 세라믹을 얻는 단계 이후에, 상기 압전 세라믹을 800 내지 1000℃로 산소 기체 분위기 하에서 후 열처리하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.After the step of sintering to obtain the piezoelectric ceramic, it is preferable to further include the step of post-heating the piezoelectric ceramic at 800 to 1000 ℃ in an oxygen gas atmosphere.

상술한 본 발명의 구성에 따르면 납이 함유되지 않은 압전 세라믹 조성물을 질소 기체 또는 질소와 수소 혼합 기체 분위기 하에서 소결하여 우수한 압전 특성을 지니도록 할 수 있다.According to the above-described configuration of the present invention, the lead-free piezoelectric ceramic composition may be sintered under nitrogen gas or nitrogen and hydrogen mixed gas atmosphere to have excellent piezoelectric properties.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 분위기 제어를 통한 비납계 압전 세라믹 제조방법의 순서도이고,
도 2는 산소(O2) 분위기 하에서 압전 세라믹을 다양한 온도로 소결한 결과를 나타낸 SEM 사진이고,
도 3은 공기(20O2-80N2) 분위기 하에서 압전 세라믹을 다양한 온도로 소결한 결과를 나타낸 SEM 사진이고,
도 4는 질소(N2) 분위기 하에서 압전 세라믹을 다양한 온도로 소결한 결과를 나타낸 SEM 사진이고,
도 5는 수소혼합가스(5H2-95N2) 분위기 하에서 압전 세라믹을 다양한 온도로 소결한 결과를 나타낸 SEM 사진이이고,
도 6은 온도에 따른 압전 상수를 나타낸 그래프이다.
1 is a flowchart of a lead-free piezoelectric ceramic manufacturing method through atmosphere control according to an embodiment of the present invention;
2 is an SEM photograph showing the results of sintering the piezoelectric ceramic at various temperatures under an oxygen (O 2 ) atmosphere;
3 is an SEM photograph showing the results of sintering the piezoelectric ceramic at various temperatures in an air (200O 2 -80N 2 ) atmosphere,
4 is a SEM photograph showing the results of sintering the piezoelectric ceramic at various temperatures under a nitrogen (N 2 ) atmosphere,
5 is a SEM photograph showing the results of sintering the piezoelectric ceramic at various temperatures under a hydrogen gas mixture (5H 2 -95N 2 ) atmosphere;
6 is a graph showing the piezoelectric constant according to temperature.

이하 본 발명에 따른 분위기 제어를 통한 비납계 압전 세라믹 제조방법을 도면을 통해 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for manufacturing a lead-free piezoelectric ceramic through atmosphere control according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

먼저, Li(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말, Na(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말, K(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말을 각각 제조한다(S1).First, the prepared Li (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder, Na (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder, K (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder, each (S1).

Li2CO3, Nb2O5, Ta2O5의 시료를 출발물질로 하고 비율에 맞게 칭량 및 혼합하여 Li(Nb0 .8Ta0 .2)O3 조성의 분말을 제조한다. Na2CO3, Nb2O5, Ta2O5의 시료를 출발물질로 하고 비율에 맞게 칭량 및 혼합하여 Na(Nb0 .8Ta0 .2)O3 조성의 분말을 제조하고, K2CO3, Nb2O5, Ta2O5의 시료를 출발물질로 하고 비율에 맞게 칭량 및 혼합하여 K(Nb0.8Ta0.2)O3 조성의 분말을 제조한다. 이와 같이 본 발명의 압전 세라믹은 납을 포함하지 않는 비납계 압전 세라믹이 된다. Li 2 CO 3, Nb 2 O 5, a sample with a Ta 2 O 5 as starting materials and were weighed and mixed according to the proportion of O 3 to prepare a powder composition of Li (Nb 0 .8 Ta 0 .2 ). Na 2 CO 3, Nb 2 O 5, Ta 2 O 5 and weighed sample of the starting material according to the ratio, and mixed to prepare the Na (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder of the composition, and K 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 Using a sample as a starting material, weighing and mixing according to a ratio, a powder of K(Nb 0.8 Ta 0.2 )O 3 composition is prepared. As described above, the piezoelectric ceramic of the present invention becomes a lead-free piezoelectric ceramic that does not contain lead.

각각 분말들 및 Li2CO3를 혼합한다(S2).Each of the powders and Li 2 CO 3 are mixed (S2).

Li(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말, Na(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말, K(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말을 (NaxK0 .98-xLi0.02)(Nb0.8Ta0.2)O3 분말이 형성되도록 비율에 맞게 혼합한다. 여기서 x는 0.47 내지 0.53인 것이 바람직하다. 만약 x가 0.47 미만일 경우 정방정계(tetragonal) 결정구조만 형성되어 압전 세라믹의 특성이 저하되고, x가 0.53을 초과할 경우 사방정계(orthorhombic) 결정구조만이 형성되어 이 또한 압전 세라믹의 특성이 저하된다는 단점이 있다. 이에 비해 x가 0.47 내지 0.53 범위 내에 있는 경우 사방정계와 정방정계 두 상이 공존하여 MPB(Morphotropic Phase Boundary)가 형성된다. MPB는 형태가 연속적으로 변화하는 경계를 뜻하며, MPB 특성이 나타나는 압전 세라믹은 유전 상수가 크고 압전성 등 특성이 우수하다고 보고되어 있다. 따라서 MPB가 형성되는 것이 압전 세라믹에 있어서 유리하므로 x는 0.47 내지 0.53인 것이 바람직하다.Li (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder, Na (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder, K (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder (Na x K 0 .98-x Li 0.02 )(Nb 0.8 Ta 0.2 )O 3 Mix in proportion to form a powder. Here, x is preferably 0.47 to 0.53. If x is less than 0.47, only a tetragonal crystal structure is formed and the properties of the piezoelectric ceramic are deteriorated. There is a downside to being On the other hand, when x is within the range of 0.47 to 0.53, two orthorhombic and tetragonal phases coexist to form a morphotropic phase boundary (MPB). MPB means a boundary that changes continuously in shape, and it has been reported that piezoelectric ceramics exhibiting MPB characteristics have a large dielectric constant and excellent piezoelectric properties. Therefore, since it is advantageous for the piezoelectric ceramic to form MPB, x is preferably 0.47 to 0.53.

원하는 비율로 혼합된 (NaxK0 .98- xLi0 .02)(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말 1mol에 대해 Li2CO3를 0.005 내지 0.015mol로 혼합한다. Li2CO3는 압전 세라믹의 밀도를 증가시키며 소결에 의해 휘발될 경우 이를 보상하는 역할로 Li2CO3가 혼합된 경우 압전 특성이 증가하게 된다. 여기서 Li2CO3가 0.005mol 미만으로 혼합될 경우 혼합되는 양이 적어 소결조제로 역할을 제대로 수행하지 못하며, 0.015mol을 초과할 경우 이차 상이 형성되어 전기적 특성에 악영향을 미친다. 따라서 Li2CO3는 0.05 내지 0.015mol 혼합되는 것이 바람직하다.Are mixed in a (K x Na x Li 0 .98- 0 .02) (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder of Li 2 CO 3 for a 0.005 to 1mol 0.015mol mixed in the desired proportions. Li 2 CO 3 increases the density of the piezoelectric ceramic and compensates for volatilization by sintering. When Li 2 CO 3 is mixed, the piezoelectric properties increase. Here, when Li 2 CO 3 is mixed at less than 0.005 mol, the mixed amount is small, so that it does not function properly as a sintering aid, and when it exceeds 0.015 mol, a secondary phase is formed, which adversely affects electrical properties. Therefore, Li 2 CO 3 It is preferable to mix 0.05 to 0.015 mol.

특히 가장 바람직한 비율은 (NaxK0 .98- xLi0 .02)(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말에서 x는 0.51이며, (NaxK0.98-xLi0.02)(Nb0.8Ta0.2)O3 분말 1mol에 대해 Li2CO3는 0.01mol인 것이다.In particular, the most preferred ratio is (Na x K x Li 0 .98- 0 .02) (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 in the powder x is 0.51, and, (Na x K 0.98-x Li 0.02) (Nb 0.8 Ta 0.2 )O 3 For 1 mol of powder, Li 2 CO 3 is 0.01 mol.

혼합된 (NaxK0 .98- xLi0 .02)(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말 및 Li2CO3를 소결하여 압전 세라믹을 형성한다(S3).The mixture (Na x K x Li 0 .98- 0 .02) (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 and by sintering the powder, and Li 2 CO 3 to form a piezoelectric ceramic (S3).

혼합된 (NaxK0 .98- xLi0 .02)(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말 및 Li2CO3를 소결이 용이한 형상으로 성형한 후 950 내지 1100℃의 온도에서 소결(sintering)을 진행한다. 소결 온도가 950℃ 미만일 경우 원활한 소결이 이루어지지 않으며, 1100℃를 초과할 경우 원하지 않는 다른 상이 형성될 우려가 있다.The mixture (Na x K x Li 0 .98- 0 .02) (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder and Li 2 CO 3 and then molded into a shape 950 to facilitate the sintering temperature of 1100 ℃ Sintering is carried out in If the sintering temperature is less than 950 ℃, smooth sintering is not made, and if it exceeds 1100 ℃, there is a fear that other unwanted phases are formed.

일반적으로 산소(O)를 포함하는 산화물 압전 세라믹은 산소를 포함하는 기체 분위기 하에서 소결이 진행된다. 하지만 본 발명에서는 산소를 포함하지 않고 100% 질소 기체(N2) 분위기 또는 질소 기체(N2)와 수소 기체(H2)의 혼합 분위기 하에서 소결이 이루어진다. 종래와 같이 산소 기체를 포함하는 분위기 하에서 소결을 하는 것보다 본 발명의 방법을 통해 소결할 경우 압전 세라믹의 특성이 더욱 좋아진다.In general, the oxide piezoelectric ceramic containing oxygen (O) is sintered in a gas atmosphere containing oxygen. However, in the present invention, sintering is performed under a 100% nitrogen gas (N 2 ) atmosphere or a mixed atmosphere of nitrogen gas (N 2 ) and hydrogen gas (H 2 ) without oxygen. In the case of sintering through the method of the present invention, the properties of the piezoelectric ceramic are better than that of sintering in an atmosphere containing oxygen gas as in the prior art.

100% 질소 기체 분위기는 산소 기체 또는 수소 기체를 포함하지 않기 때문에 압전 세라믹의 조성비에 영향을 주지 않으며, 오히려 산소 기체 분위기일 때보다 더 좋은 압전 특성을 나타낸다. The 100% nitrogen gas atmosphere does not affect the composition ratio of the piezoelectric ceramic because it does not contain oxygen gas or hydrogen gas, and rather shows better piezoelectric properties than the oxygen gas atmosphere.

질소 기체와 수소 기체의 혼합 분위기 하에서 소결을 할 경우 수소 기체에 의해 산화물 압전 세라믹이 일부 환원된다. 이때 수소의 혼합비율이 전체에서 5%를 초과할 경우 수소에 의한 폭발 위험이 있기 때문에 수소는 전체 기체의 5% 이하로 혼합되는 것이 바람직하다. 가장 바람직한 비율은 수소 : 질소 = 5 : 95 비율로 혼합되는 것이다.When sintering is performed in a mixed atmosphere of nitrogen gas and hydrogen gas, the oxide piezoelectric ceramic is partially reduced by hydrogen gas. At this time, if the mixing ratio of hydrogen exceeds 5% of the total, since there is a risk of explosion by hydrogen, it is preferable that hydrogen is mixed in 5% or less of the total gas. The most preferred ratio is hydrogen : nitrogen = 5 : 95 ratio.

이 경우 별도의 후 열처리 공정을 통해 압전 세라믹을 재산화시킨다. 수소 분위기에서 열처리된 압전 세라믹은 산화가 이루어지지 않으면 압전 성능을 가지지 않기 때문에 후 열처리를 통해 압전 성능을 가지도록 한다. 이때 후 열처리 조건은 산소를 포함하는 기체 분위기 하에서 800 내지 1000℃에서 4시간 정도 이루어지는 것이 바람직하다.In this case, the piezoelectric ceramic is reoxidized through a separate post heat treatment process. Since the piezoelectric ceramic heat treated in a hydrogen atmosphere does not have piezoelectric performance unless it is oxidized, it is made to have piezoelectric performance through post heat treatment. In this case, it is preferable that the post-heat treatment condition is performed at 800 to 1000° C. for about 4 hours in a gas atmosphere containing oxygen.

이하에서는 본 발명의 실시예를 좀더 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail.

<실시예><Example>

Li2CO3, Nb2O5, Ta2O5의 시료를 출발물질로 하여 Li(Nb0 .8Ta0 .2)O3 조성의 분말을 제조하였다. 에탄올과 지르코니아 볼(zirconia ball)을 이용하여 출발물질들을 24시간 분쇄 및 건조한 후, 알루미나(alumina) 도가니를 이용하여 850℃에서 5시간 동안 하소(calcine)하였다. 이때 보다 완벽한 상 합성을 위하여 분쇄, 건조 및 하소 단계를 두 번 반복하였다. Li 2 CO 3, Nb 2 O 5, and a sample with a Ta 2 O 5 as starting materials was prepared the powder of O 3 composition of Li (Nb 0 .8 Ta 0 .2 ). The starting materials were pulverized and dried for 24 hours using ethanol and zirconia balls, and then calcined at 850° C. for 5 hours using an alumina crucible. At this time, the grinding, drying and calcining steps were repeated twice for more complete phase synthesis.

이와 같은 동일한 방법으로 Na2CO3, Nb2O5, Ta2O5의 시료를 출발물질로 하여 Na(Nb0.8Ta0.2)O3 조성의 분말을 제조하고, K2CO3, Nb2O5, Ta2O5의 시료를 출발물질로 하여 K(Nb0.8Ta0.2)O3 조성의 분말을 제조하였다.In the same manner as described above, a powder of Na(Nb 0.8 Ta 0.2 )O 3 composition was prepared using a sample of Na 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , and Ta 2 O 5 as a starting material, and K 2 CO 3 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 Using a sample as a starting material, a powder having a composition of K(Nb 0.8 Ta 0.2 )O 3 was prepared.

상기와 같은 방법을 통해 제조된 Li(Nb0 .8Ta0 .2)O3, Na(Nb0 .8Ta0 .2)O3, K(Nb0.8Ta0.2)O3 분말을 xNa(Nb0 .8Ta0 .2)O3 - (0.98-x)K(Nb0 .8Ta0 .2)O3 - 0.02Li(Nb0.8Ta0.2)O3의 비율로 혼합하고, 혼합된 분말 1 mol 대비 0.01 mol의 비율로 Li2CO3를 혼합한다.It is manufactured by a method such as the Li (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3, Na (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3, K (Nb 0.8 Ta 0.2) O 3 powder the xNa (Nb 0 .8 Ta 0 .2) O 3 - (0.98-x) K (Nb 0 .8 Ta 0 .2) O 3 - 0.02Li (Nb 0.8 Ta 0.2) mixed at a ratio of O 3, and the mixed powder 1 Li 2 CO 3 is mixed in a ratio of 0.01 mol to mol.

혼합된 최종 분말을 디스크(disk) 형태로 몰드(mold)와 CIP를 이용하여 성형한 후, 알루미나 도가니를 이용하여 950℃, 1000℃, 1050℃, 1100℃에서 각각 4시간 동안 열처리를 하였다. 열처리 분위기는 1) 산소(O2), 2) 공기(20O2-80N2), 3) 질소(N2), 4) 수소-질소 혼합기체(5H2-95N2)를 각각 이용하여, 열처리 분위기에 따른 변화를 관찰하였다. 이때 원료분말은 흡습성이 높기 때문에 모든 공정에서 수분과의 접촉을 최대한 억제하였다.The final mixed powder was molded in the form of a disk using a mold and CIP, and then heat-treated at 950° C., 1000° C., 1050° C., and 1100° C. for 4 hours using an alumina crucible, respectively. The heat treatment atmosphere is 1) oxygen (O 2 ), 2) air (20O 2 -80N 2 ), 3) nitrogen (N 2 ), 4) hydrogen-nitrogen mixed gas (5H 2 -95N 2 ) Using each, heat treatment Changes according to the atmosphere were observed. At this time, since the raw material powder has high hygroscopicity, contact with moisture was suppressed as much as possible in all processes.

최종분말 및 소결된 시편을 XRD 분석을 통하여 상을 확인하였고, SEM을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 도 2는 산소(O2) 분위기 하에서 압전 세라믹을 다양한 온도로 소결한 결과를 나타낸 SEM 사진이다. 도 2a는 950℃, 도 2b는 1000℃, 도 2c는 1050℃, 도 2d는 1100℃에서 소결한 결과로, 도 2a의 경우 산화물 세라믹 소재로 계면이 안정화되며, 이로 인해 비정상 입자성장이 가속화되어 크고 작은 입자들이 불규칙적 공존하는 것을 확인할 수 있다. 또한 도 2b와 같이 소결 온도가 증가할수록 입자의 크기가 커지며 입자가 비정상적으로 성장하게 되며, 큰 입자들끼리 서로 부딪히게 된다. 또한 도 2c 및 도 2d의 경우 큰 입자들만 존재하며 큐빅(cubic) 입자모양 형성에 따라 기공이 형성되어 밀도가 감소하게 된다.The phase of the final powder and the sintered specimen was confirmed through XRD analysis, and the microstructure was observed using SEM. 2 is an SEM photograph showing the results of sintering the piezoelectric ceramic at various temperatures in an oxygen (O 2 ) atmosphere. 2a is the result of sintering at 950°C, FIG. 2b is 1000°C, FIG. 2c is 1050°C, and FIG. 2d is 1100°C. In the case of FIG. 2a, the interface is stabilized with the oxide ceramic material. It can be seen that large and small particles coexist irregularly. In addition, as the sintering temperature increases, as shown in FIG. 2B , the size of the particles increases and the particles grow abnormally, and the large particles collide with each other. Also, in the case of FIGS. 2C and 2D , only large particles exist, and pores are formed according to the cubic particle shape, so that the density is reduced.

도 3은 공기(20O2-80N2) 분위기 하에서 압전 세라믹을 다양한 온도로 소결한 결과를 나타낸 SEM 사진이다. 도 3a는 950℃, 도 3b는 1000℃, 도 3c는 1050℃, 도 3d는 1100℃에서 소결한 결과로, 도 3a의 경우 도 2와 마찬가지로 크고 작은 입자들이 불규칙적 공존하고, 비정상 입자 성장이 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 또한 도 3b와 같이 소결 온도가 증가할수록 입자의 크기가 커지며 입자가 비정상적으로 성장하게 되며, 도 3c의 경우 각진 형상으로 크게 자란 비정상 입자들이 부딪혀 서로 간 성장을 억제하게 된다. 또한 도 3d의 경우 큰 입자들만 존재하며 평형 입자모양 형성에 따라 기공이 형성되어 밀도가 감소하게 된다.3 is an SEM photograph showing the results of sintering the piezoelectric ceramic at various temperatures in an air (200O 2 -80N 2 ) atmosphere. 3a is the result of sintering at 950°C, FIG. 3b is 1000°C, FIG. 3c is 1050°C, and FIG. 3d is 1100°C. can check that In addition, as the sintering temperature increases, as shown in FIG. 3b , the size of the particles increases and the particles grow abnormally. Also, in the case of FIG. 3D , only large particles exist, and pores are formed according to the formation of an equilibrium particle shape, resulting in a decrease in density.

압전 특성에 가장 영향을 많이 주는 요소는 압전 세라믹의 밀도이다. 하지만 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 압전 세라믹의 입자가 큐빅 형상과 같은 각진 형상으로 이루어질 경우 입자 사이에 빈 공간이 형성되어 밀도가 낮아지게 된다. 따라서 밀도가 낮아짐에 의해 이를 압전 세라믹으로 사용할 경우 압전 특성이 낮아진다는 단점이 있다. The factor that most affects the piezoelectric properties is the density of the piezoelectric ceramic. However, as shown in FIGS. 2 and 3 , when the particles of the piezoelectric ceramic are formed in an angular shape such as a cubic shape, an empty space is formed between the particles to decrease the density. Therefore, there is a disadvantage in that the piezoelectric properties are lowered when the density is lowered and the piezoelectric ceramic is used.

도 4는 질소(N2) 분위기 하에서 압전 세라믹을 다양한 온도로 소결한 결과를 나타낸 SEM 사진이다. 도 4a는 950℃, 도 4b는 1000℃, 도 4c는 1050℃, 도 4d는 1100℃에서 소결한 결과로, 산화물 계면 에너지 상승에 따른 입자 성장 거동의 변화를 확인할 수 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이 질소 분위기 하에서 소결을 진행할 경우 작고 균일한 압전 세라믹 입자를 얻게 되며, 도 4b 또한 전체적으로 작고 균일한 입자를 얻게 된다. 도 4c 및 도 4d의 경우 압전 세라믹 입자를 핵으로 하여 성장한 것을 나타내는 데, 도 4a 및 도 4b와 같이 균일하고 직경이 작으며 둥근 입자에 의해 성장하는 압전 세라믹 입자 또한 각지지 않고 둥근 형상으로 성장하게 된다. 특히 도 4d의 경우 성장한 입자들이 서로 부딪히게 되며 이때 입자의 밀도는 산소 또는 공기 분위기 하에서 소결할 때보다 높은 밀도로 이루어지는 것을 확인할 수 있다.4 is a SEM photograph showing the results of sintering the piezoelectric ceramic at various temperatures under a nitrogen (N 2 ) atmosphere. 4A is a result of sintering at 950°C, FIG. 4B is 1000°C, FIG. 4C is 1050°C, and FIG. 4D is 1100°C, and it can be seen that the grain growth behavior changes according to the increase in oxide interface energy. When sintering is performed under a nitrogen atmosphere as shown in FIG. 4A , small and uniform piezoelectric ceramic particles are obtained, and FIG. 4B also obtains small and uniform particles as a whole. 4c and 4d show that the piezoelectric ceramic particles are grown as the nucleus, and the piezoelectric ceramic particles grown by the uniform, small diameter and round particles are also grown in a round shape without being angled as shown in FIGS. 4a and 4b. do. In particular, in the case of FIG. 4d , the grown particles collide with each other, and it can be seen that the density of the particles is higher than when sintering in an oxygen or air atmosphere.

도 5는 수소-질소 혼합기체(5H2-95N2) 분위기 하에서 압전 세라믹을 다양한 온도로 소결한 결과를 나타낸 SEM 사진으로, 수소 환원 분위기에 따라 계면 에너지가 더욱 상승하게 되며 입자 성장 양상이 바뀌게 된다. 도 5a는 950℃, 도 5b는 1000℃, 도 5c는 1050℃, 도 5d는 1100℃에서 소결한 결과로, 도 5a 내지 도 5d에 도시된 바와 같이 온도를 증가시켜 소결할수록 천천히 모든 입자들이 고르게 성장하는 정상 입자 성장을 확인할 수 있다. 또한 4 가지 기체 분위기 중 압전 세라믹의 밀도가 가장 높은 것을 확인할 수 있다.5 is a SEM photograph showing the results of sintering piezoelectric ceramics at various temperatures under a hydrogen-nitrogen mixed gas (5H 2 -95N 2 ) atmosphere. The interface energy is further increased according to the hydrogen reduction atmosphere, and the grain growth pattern is changed. . 5a is the result of sintering at 950°C, FIG. 5b is 1000°C, FIG. 5c is 1050°C, and FIG. 5d is 1100°C. Normal grain growth can be confirmed. Also, it can be seen that the density of the piezoelectric ceramic is the highest among the four gas atmospheres.

본 발명의 압전 세라믹은 산소를 포함하고 있는 산화물 압전 세라믹이며, 일반적으로 산화물 압전 세라믹은 산소를 포함하는 분위기 하에서 소결하는 것이 바람직하다고 알려져 있다. 하지만 압전 세라믹의 밀도가 높을수록 압전 특성이 증가하기 때문에 도 4 및 도 5와 같이 질소 또는 수소-질소 분위기 하에서 소결이 이루어지는 것이 공기 또는 산소 분위기 하에서 이루어지는 것보다 바람직하다.The piezoelectric ceramic of the present invention is an oxide piezoelectric ceramic containing oxygen, and it is generally known that the oxide piezoelectric ceramic is preferably sintered in an atmosphere containing oxygen. However, since the piezoelectric properties increase as the density of the piezoelectric ceramic increases, as shown in FIGS. 4 and 5 , sintering in a nitrogen or hydrogen-nitrogen atmosphere is more preferable than in an air or oxygen atmosphere.

실시예에 따른 압전 세라믹의 전기적 특성 측정을 위하여 1mm 두께로 연마한 시편에 은(Ag) 전극을 도포하여 열처리한 후, 130℃에서 30분간 2.8kV/cm으로 분극처리 하였다. 임피던스 해석기(HP4194A)로 공진-반공진 법을 이용하여 압전 세라믹의 전기기계결합계수(kp)와 유전율(εr)을 측정하였고, 압전상수(d33)는 베를린코트 유전상수 미터(Berlincourt d33 meter)를 이용하여 측정하였다. 측정된 값은 표 1을 통해 확인할 수 있다.In order to measure the electrical properties of the piezoelectric ceramic according to the embodiment, a silver (Ag) electrode was applied to the polished specimen to a thickness of 1 mm and heat-treated, followed by polarization treatment at 130° C. for 30 minutes at 2.8 kV/cm. The electromechanical coupling coefficient (k p ) and dielectric constant (ε r ) of the piezoelectric ceramic were measured using the resonance-anti-resonance method with an impedance analyzer (HP4194A), and the piezoelectric constant (d 33 ) was measured by a Berlincourt dielectric constant meter (Berlincourt d 33 meter) was used. The measured values can be confirmed through Table 1.

번호number 분위기atmosphere 온도(℃)Temperature (℃) d33(pC/N)d 33 (pC/N) kp k p εr ε r 상대밀도
(%)
relative density
(%)
1One 5H2-95N2 5H 2 -95N 2 950950 153153 0.280.28 814814 93.893.8 22 10001000 223223 0.380.38 855855 98.198.1 33 10501050 261261 0.410.41 902902 98.698.6 44 11001100 255255 0.360.36 895895 98.998.9 55 N2 N 2 950950 167167 0.360.36 823823 93.593.5 66 10001000 270270 0.450.45 966966 97.997.9 77 10501050 324324 0.520.52 992992 98.498.4 88 11001100 255255 0.380.38 878878 98.298.2 99 20O2-80N2 20O 2 -80N 2 950950 197197 0.360.36 843843 94.194.1 1010 10001000 290290 0.460.46 955955 97.597.5 1111 10501050 282282 0.450.45 956956 97.897.8 1212 11001100 233233 0.320.32 833833 96.596.5 1313 O2 O 2 950950 220220 0.410.41 854854 96.196.1 1414 10001000 265265 0.430.43 920920 95.595.5 1515 10501050 234234 0.390.39 910910 93.793.7 1616 11001100 205205 0.310.31 874874 89.589.5

표 1에 기재된 내용 중 압전상수는 도 6의 그래프를 통해서도 확인할 수 있다.The piezoelectric constant among the contents described in Table 1 can also be confirmed through the graph of FIG. 6 .

수소혼합 기체 분위기 하에서 소결할 경우 산소 공공이 형성됨에 따라 압전성을 일부 잃어버리게 된다. 하지만 어닐링과 같은 후 열처리 공정이 900℃에서 4시간 시행된 후에는 압전성을 회복하게 된다. 950℃, 1000℃, 1050℃로 온도가 증가할수록 점진적으로 물성이 향상된다. 이는 정상 입자 성장 및 치밀화 진행에 따라 물성이 향상되는 것으로, 1100℃에서는 그 물성이 약간 감소하나 다른 온도와 크게 다르지 않는다. 1100℃에서 밀도는 가장 높으나 물성이 감소하는 것은 휘발에 따른 조성변화 때문인 것으로 예측된다.When sintering in a hydrogen mixture gas atmosphere, some piezoelectricity is lost as oxygen vacancies are formed. However, after a heat treatment process such as annealing is performed at 900°C for 4 hours, the piezoelectricity is restored. As the temperature increases to 950°C, 1000°C, and 1050°C, the physical properties are gradually improved. This means that the physical properties are improved as normal grain growth and densification progress, and although the properties are slightly decreased at 1100° C., they are not significantly different from other temperatures. It is predicted that the density is highest at 1100°C, but the decrease in physical properties is due to a change in composition due to volatilization.

질소 분위기에서 열처리할 경우 산소 공공이 형성됨에 따라 압전성을 일부 잃어버리게 된다. 하지만 수소혼합 기체 분위기와 마찬가지로 어닐링과 같은 후 열처리 공정이 900℃에서 4시간 시행된 후에는 압전성을 회복하게 된다. 어닐링을 수행하더라도 미세구조는 차이가 없음을 확인하였다. 압전특성의 경우 950℃에서 공기보다 낮게 나오는데 이는 입자 성장 및 치밀화 정도가 낮기 때문이다. 하지만 1000℃에서는 그 차이가 감소하고, 1050℃에서는 매우 우수한 특성을 보인다. 또한 1100℃에서는 약간 감소하는 것을 확인할 수 있다.In the case of heat treatment in a nitrogen atmosphere, some piezoelectricity is lost as oxygen vacancies are formed. However, as in the hydrogen mixture gas atmosphere, the piezoelectricity is restored after a post-annealing process such as annealing is performed at 900°C for 4 hours. It was confirmed that there was no difference in the microstructure even when annealing was performed. In the case of piezoelectric properties, it comes out lower than air at 950°C because of the low degree of grain growth and densification. However, at 1000°C, the difference decreases, and at 1050°C, it shows very good characteristics. In addition, it can be seen that the temperature decreases slightly at 1100 °C.

공기 분위기 하에서 소결을 하는 경우 큰 입자와 작은 입자가 공존하는 1000℃에서 가장 높은 특성을 보였으며, 1050℃에서도 특성이 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 1100℃에서는 압전 특성이 감소하였는데 이는 밀도 감소 및 휘발에 따른 조성 변화로 판단된다. 공기 분위기 하에서 생성된 압전 세라믹은 수소혼합 기체 분위기 또는 질소 분위기 하에서 소결된 압전 세라믹보다 그 특성이 낮은 것을 알 수 있다.In the case of sintering in an air atmosphere, the highest characteristics were shown at 1000°C, where large and small particles coexist, and it was confirmed that the characteristics were also high at 1050°C. However, at 1100°C, the piezoelectric properties decreased, which is judged to be a change in composition due to a decrease in density and volatilization. It can be seen that the piezoelectric ceramic produced under an air atmosphere has lower properties than that of the piezoelectric ceramic sintered under a hydrogen gas atmosphere or a nitrogen atmosphere.

산소 분위기 하에서 소결이 이루어진 경우 일반적으로 산화물 압전 세라믹이기 때문에 전기적 특성이 향상될 것으로 기대되었다. 그 결과로 950℃에서는 공기 분위기보다 물성이 향상되는 것을 확인하였으나, 1000℃에서는 공기보다 특성이 좋지 못하였으며 특히 질소 또는 수소혼합 기체보다는 특성이 더 나쁜 것이 확인 되었다. 이는 큐빅 입자 모양 유지에 따른 기공 형성, 밀도 감소 때문인 것으로 예측된다. 또한 1050℃, 1100℃에서는 밀도가 더욱 낮아지고, 물성이 나빠지는 것을 알 수 있었으며, 이는 미세구조가 전기적 특성에 큰 영향을 끼친다는 것이 증명되었다.When sintering is performed in an oxygen atmosphere, it is expected that electrical properties will be improved because it is generally an oxide piezoelectric ceramic. As a result, it was confirmed that the physical properties were improved at 950°C than in the air atmosphere, but at 1000°C, the properties were worse than that of air, and in particular, it was confirmed that the properties were worse than that of nitrogen or hydrogen gas mixture. It is predicted that this is due to the formation of pores and a decrease in density due to the maintenance of the cubic particle shape. In addition, at 1050°C and 1100°C, it was found that the density was further lowered and the physical properties were deteriorated, which proved that the microstructure had a great influence on the electrical properties.

이를 정리하면, 1000 내지 1050℃에서 열처리를 통해 소결할 때 압전 세라믹의 물성이 우수한 것을 확인할 수 있었고, 1100℃ 이후에는 미세 구조보다 휘발에 따른 상분해가 더 영향을 끼칠 것으로 예상된다. 또한 압전특성은 1100℃ 보다는 1000 내지 1050℃가 더 좋게 나타나는 것으로 확인된다. 상대밀도를 비교하였을 때 산소 또는 공기 분위기 하에서 소결하는 것보다 질소 또는 수소-질소 혼합기체 분위기 하에서 소결하는 것이 밀도가 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는 산소 또는 공기 분위기 하에서 소결할 때 생기는 큐빅 형상의 입자에 의해 밀도가 낮아지기 때문이다.Summarizing this, it was confirmed that the physical properties of the piezoelectric ceramic were excellent when sintered through heat treatment at 1000 to 1050 ° C. After 1100 ° C, it is expected that the phase decomposition due to volatilization will have more influence than the microstructure. In addition, it is confirmed that the piezoelectric properties are better at 1000 to 1050°C than at 1100°C. When the relative densities were compared, it was confirmed that sintering in nitrogen or hydrogen-nitrogen mixed gas atmosphere had higher density than sintering in oxygen or air atmosphere. This is because the density is lowered by cubic-shaped particles generated when sintering in an oxygen or air atmosphere.

Claims (5)

분위기 제어를 통한 비납계 압전 세라믹 제조방법에 있어서,
Li(Nb0.8Ta0.2)O3 분말, Na(Nb0.8Ta0.2)O3 분말, K(Nb0.8Ta0.2)O3 분말을 각각 제조하는 단계와;
상기 분말들과 Li2CO3를 혼합하는 단계와;
혼합된 상기 분말들 및 상기 Li2CO3를 1000 내지 1100℃로 질소 기체 또는 수소-질소 혼합기체 분위기 하에서 소결하여 상대밀도가 97.9 ~ 99.0%인 압전 세라믹을 얻는 단계; 및
상기 소결된 압전 세라믹의 압전성을 회복하기 위하여 800 내지 1000℃로 산소 기체 분위기 하에서 후 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 분위기 제어를 통한 비납계 압전 세라믹 제조방법.
In a lead-free piezoelectric ceramic manufacturing method through atmosphere control,
preparing Li(Nb 0.8 Ta 0.2 )O 3 powder, Na(Nb 0.8 Ta 0.2 )O 3 powder, and K(Nb 0.8 Ta 0.2 )O 3 powder, respectively;
mixing the powders with Li 2 CO 3 ;
sintering the mixed powders and the Li 2 CO 3 at 1000 to 1100° C. under a nitrogen gas or hydrogen-nitrogen mixed gas atmosphere to obtain a piezoelectric ceramic having a relative density of 97.9 to 99.0%; and
and post-heating at 800 to 1000° C. under an oxygen gas atmosphere to recover the piezoelectric properties of the sintered piezoelectric ceramic.
제 1항에 있어서,
상기 분말들과 Li2CO3를 혼합하는 단계는,
상기 분말들이 (NaxK0 .98- xLi0 .02)(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말이 되도록 비율에 맞게 혼합하고, 상기 (NaxK0 .98- xLi0 .02)(Nb0 .8Ta0 .2)O3 분말 1mol에 대해 상기 Li2CO3는 0.005 내지 0.015mol 혼합되는 것을 특징으로 하는 분위기 제어를 통한 비납계 압전 세라믹 제조방법.
(여기서, x는 0.47 내지 0.53이다.)
The method of claim 1,
Mixing the powders and Li 2 CO 3 is,
The powder will (Na x K x Li 0 .98- 0 .02) (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 mixed to scale so that the powder and the (Na x K x Li 0 .98- 0 .02) (Nb 0 0 .8 .2 Ta) O 3 powder for the Li 2 CO 3 1mol 0.005 to 0.015mol non-lead piezoelectric ceramic manufacturing method through the controlled atmosphere characterized in that the mixture.
(Here, x is 0.47 to 0.53.)
제 1항에 있어서,
상기 소결하여 압전 세라믹을 얻는 단계에서, 열처리 온도는 1000 내지 1050℃인 것을 특징으로 하는 분위기 제어를 통한 비납계 압전 세라믹 제조방법.
The method of claim 1,
In the step of obtaining the piezoelectric ceramic by sintering, the heat treatment temperature is a lead-free piezoelectric ceramic manufacturing method through atmosphere control, characterized in that 1000 to 1050 ℃.
제 1항에 있어서,
상기 질소 기체는 전량이 질소로 이루어진 기체이며,
상기 질소와 수소 혼합 기체는 전체에서 5% 이하의 수소 기체와 잔량이 질소 기체로 이루어진 것을 특징으로 하는 분위기 제어를 통한 비납계 압전 세라믹 제조방법.
The method of claim 1,
The nitrogen gas is a gas wholly composed of nitrogen,
The nitrogen-hydrogen mixed gas is a lead-free piezoelectric ceramic manufacturing method through atmosphere control, characterized in that the total amount of hydrogen gas or less and nitrogen gas in the remaining amount of 5% or less.
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