KR102515781B1 - Electret - Google Patents

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Abstract

일렉트릿(1)은 2개의 상이한 금속 원소(A 및 B)를 포함하는 ABO3형 페로브스카이트 구조를 갖는 복합 산화물을 포함한다. 복합 산화물은 분극된 상태에 있으며, 금속 원소(A 및 B) 중 하나의 금속 원소의 적어도 일부가 금속 원소(A 및 B) 중 상기 하나의 금속 원소보다 낮은 가수를 갖는 도펀트 원소로 치환되고, 복합 산화물은 4eV 이상의 밴드갭 에너지를 갖는다.The electret 1 includes a composite oxide having an ABO 3 type perovskite structure including two different metal elements (A and B). The composite oxide is in a polarized state, at least a part of one of the metal elements (A and B) is substituted with a dopant element having a lower valence than the one of the metal elements (A and B), and Oxides have band gap energies greater than 4 eV.

Description

일렉트릿{ELECTRET}electret {ELECTRET}

본 개시내용은 일렉트릿(electret)에 관한 것이다.The present disclosure relates to electrets.

환경 중에 존재하는 에너지를 전력으로 변환하는 에너지 하베스팅 기술(energy harvesting technology)로서, 일렉트릿을 사용한 진동 발전 소자 등의 실용화가 검토되고 있다. 일렉트릿의 구성 재료로서는, 예를 들어 불소 수지 등의 유기 고분자 재료가 일반적으로 사용된다. 유기 고분자 재료는 박막 형성에서의 형상 자유도 및 막 두께의 우수한 제어성 등의 이점을 갖지만, 유기물이기 때문에 표면 전위의 열적 안정성 및 고온 환경에서의 시간 경과에 따른 성능 저하에 대한 우려가 있다.As an energy harvesting technology that converts energy existing in the environment into electric power, practical use of a vibrating power generation element using an electret or the like is being considered. As a constituent material of the electret, for example, an organic polymer material such as fluororesin is generally used. Organic polymer materials have advantages such as freedom of shape in thin film formation and excellent controllability of film thickness, but because they are organic materials, there are concerns about thermal stability of surface potential and performance degradation over time in a high temperature environment.

한편, 고온에서 우수한 안정성을 갖는 무기 화합물 재료를 사용해서 일렉트릿을 형성하는 것이 검토되고 있다. 예를 들어, JP 6465377 B2는, 육방정 히드록시아파타이트(hexagonal hydroxyapatite)의 결정 구조를 갖고, 수산화물 이온 함유량이 화학량론적 조성을 갖는 히드록시아파타이트보다 적은 소결체를 사용한 일렉트릿 재료가 제안되고 있다. 이 소결체는, 히드록시아파타이트 분체로 이루어지는 성형물을 1250℃ 초과 1500℃ 미만의 고온에서 소결 및 탈수함으로써 얻어지며, 수산화물 이온의 결함으로 인해 분극 처리 후에 높은 표면 전위가 발현되는 것으로 생각된다.On the other hand, forming an electret using an inorganic compound material having excellent stability at high temperatures has been studied. For example, JP 6465377 B2 proposes an electret material using a sintered body having a crystal structure of hexagonal hydroxyapatite and having a lower hydroxide ion content than that of hydroxyapatite having a stoichiometric composition. This sintered body is obtained by sintering and dehydrating a molding made of hydroxyapatite powder at a high temperature of more than 1250°C and less than 1500°C, and it is thought that a high surface potential is developed after polarization treatment due to hydroxide ion defects.

6465377 B2의 일렉트릿 재료에서는, 히드록시아파타이트가 고온에서 탈수될 때, 히드록시아파타이트의 일부가 옥시히드록시아파타이트가 되고 결정 결함이 발생한다. 그 경우에, 처리 조건 등에 따라 탈수량을 어느 정도 조정하는 것이 가능하지만, 탈수량을 정확하게 제어하는 것은 어렵다. 또한, 장치 형상에서 결함의 양을 정량적으로 평가하는 것도 어려웠다. 따라서, 아파타이트 구조에서 발생되는 결함의 양을 제어하는 것이 어렵고, 원하는 표면 전위를 갖는 일렉트릿을 얻는 것은 항상 용이하지는 않다.In the electret material of 6465377 B2, when hydroxyapatite is dehydrated at high temperature, a part of hydroxyapatite becomes oxyhydroxyapatite and crystal defects occur. In that case, although it is possible to adjust the amount of dehydration to some extent depending on processing conditions and the like, it is difficult to accurately control the amount of dehydration. It was also difficult to quantitatively evaluate the amount of defects in the device geometry. Therefore, it is difficult to control the amount of defects generated in the apatite structure, and it is not always easy to obtain an electret having a desired surface potential.

상기 과제를 감안하여, 본 개시내용의 목적은 우수한 열적 안정성을 갖고, 결정 결함의 양의 제어가 가능하며, 사용 환경에서 안정된 특성을 갖는 일렉트릿을 제공하는 것이다.In view of the above problems, an object of the present disclosure is to provide an electret that has excellent thermal stability, is capable of controlling the amount of crystal defects, and has stable characteristics in a use environment.

본 개시내용의 양태에 따른 일렉트릿은, 2개의 상이한 금속 원소(A 및 B)를 포함하는 ABO3형 페로브스카이트 구조를 갖는 복합 산화물을 포함하고, 복합 산화물은 분극된 상태에 있고, 금속 원소(A 및 B) 중 하나의 금속 원소의 적어도 일부가 금속 원소(A 및 B) 중 상기 하나의 금속 원소보다 낮은 가수를 갖는 도펀트 원소로 치환되며, 복합 산화물은 4eV 이상의 밴드갭 에너지(bandgap energy)를 갖는다.An electret according to aspects of the present disclosure comprises a composite oxide having an ABO 3 type perovskite structure comprising two different metal elements (A and B), the composite oxide being in a polarized state, and At least a part of one of the metal elements (A and B) is substituted with a dopant element having a lower valence than the one of the metal elements (A and B), and the composite oxide has a bandgap energy of 4 eV or more. ) has

상기 구성을 갖는 일렉트릿은 ABO3형 복합 산화물을 사용하며, 금속 원소 중 적어도 하나의 일부를 낮은 가수의 도펀트 원소로 치환함으로써 산소 결함이 도입된다. 따라서, 도펀트 원소에 의한 치환량을 제어함으로써, 표면 전위의 발현에 기여하는 것으로 추측되는 결함의 양을 제어하는 것이 가능하다. 또한, 무기 유전체 재료인 복합 산화물은, 열적으로 안정되고, 4eV 이상의 높은 밴드갭 에너지를 가짐으로써, 분극 처리 동안의 절연 파괴 전압을 증가시킬 수 있다. 따라서, 가열 조건 하에서 고전압을 인가함으로써 높은 표면 전위를 얻을 수 있고, 일렉트릿은 고온 환경 및 장기 사용에서 안정된 특성을 갖는다.The electret having the above configuration uses an ABO 3 type composite oxide, and oxygen defects are introduced by substituting a part of at least one of the metal elements with a dopant element having a low valence. Therefore, by controlling the amount of replacement by the dopant element, it is possible to control the amount of defects presumed to contribute to the expression of surface potential. In addition, the composite oxide, which is an inorganic dielectric material, is thermally stable and has a high band gap energy of 4 eV or more, so that the dielectric breakdown voltage during the polarization process can be increased. Therefore, a high surface potential can be obtained by applying a high voltage under heating conditions, and the electret has stable characteristics in a high-temperature environment and long-term use.

상술한 바와 같이, 상기 양태에 따르면, 우수한 열적 안정성을 갖고, 결정 결함의 양의 제어가 가능하며, 사용 환경에서 안정된 특성을 갖는 일렉트릿을 제공하는 것이 가능하다.As described above, according to the above aspect, it is possible to provide an electret that has excellent thermal stability, can control the amount of crystal defects, and has stable characteristics in a use environment.

본 개시내용의 상기 및 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참고하여 이루어지는 다음의 상세한 설명으로부터 더 명확해질 것이다. 도면에서:
도 1은 제1 실시형태에서의 일렉트릿의 개략 구성 및 분극 방법을 설명하기 위한 개략도이고;
도 2는 일 실시예에 따른 일렉트릿 분극 방법의 구체예를 설명하기 위한 개략도이고;
도 3은 실시예에서의 Ca 치환량과 표면 전위 사이의 관계를 도시하는 도면이며;
도 4는 예에서의 Ca 치환량과 표면 전위 사이의 관계를 도시하는 도면이다.
The above and other objects, features and advantages of the present disclosure will become more apparent from the following detailed description made with reference to the accompanying drawings. In the drawing:
1 is a schematic diagram for explaining a schematic configuration of an electret and a polarization method in a first embodiment;
2 is a schematic diagram for explaining a specific example of an electret polarization method according to an embodiment;
Fig. 3 is a diagram showing the relationship between the amount of Ca replacement and the surface potential in Examples;
Fig. 4 is a diagram showing the relationship between the amount of Ca replacement and the surface potential in the examples.

(제1 실시형태)(First Embodiment)

제1 실시형태에 따른 일렉트릿에 대해도 도 1을 참고하여 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 일렉트릿(1)은, 2개의 상이한 금속 원소(A 및 B)를 포함하는 ABO3형 페로브스카이트 구조를 갖는 복합 산화물을 포함하며, 복합 산화물은 분극된 상태에 있다. 복합 산화물에서, 금속 원소(A 및 B) 중 적어도 하나는 금속 원소(A 및 B)보다 낮은 가수를 갖는 도펀트 원소로 부분적으로 치환되며, 밴드갭 에너지가 4eV 이상이다. 바람직하게는, 복합 산화물을 미리결정된 형상으로 형성한 소결체가 사용된다.The electret according to the first embodiment will also be described with reference to FIG. 1 . As shown in FIG. 1 , the electret 1 of this embodiment includes a composite oxide having an ABO 3 type perovskite structure including two different metal elements (A and B), and the composite oxide is in a polarized state. In the composite oxide, at least one of the metal elements (A and B) is partially substituted with a dopant element having a lower valence than that of the metal elements (A and B), and the bandgap energy is 4 eV or more. Preferably, a sintered body in which complex oxides are formed in a predetermined shape is used.

일렉트릿(1)은, 표면에 정극성 또는 부극성의 전하를 유지하고 주위에 정전기장을 제공하는 대전 물질이다. 무기 유전체 재료인 복합 산화물에 후술하는 분극 처리가 행해져서 표면 전위를 발현시킨다. 일렉트릿(1)은, 예를 들어, 기계 에너지와 전기 에너지를 서로 변환하는 다양한 장치, 예를 들어 환경 진동을 동력원으로 사용하는 소형 정전식 진동 발전 장치에서 집적 회로 내장형 발전 소자로서 이용된다.The electret 1 is a charging material that retains positive or negative charges on its surface and provides an electrostatic field to its surroundings. A polarization treatment described later is performed on the composite oxide as an inorganic dielectric material to develop a surface potential. The electret 1 is used, for example, as an integrated circuit-embedded power generation element in various devices that convert mechanical energy and electrical energy to each other, for example, a small-sized electrostatic vibration generator that uses environmental vibration as a power source.

일렉트릿(1)을 구성하는 복합 산화물은, 조성식(ABO3)으로 표현되는 페로브스카이트형 결정 구조를, 기본 구조로서 갖고, 대표적으로는 입방정 단위 셀(cubic unit cell)을 갖는다. 금속 원소(A)는 입방정의 각각의 정점에 위치되고, 금속 원소(B)는 입방정의 중심 위치에 위치되며, 산소 원자(O)가 정팔면체로 금속 원소(A 및 B) 각각에 대하여 배위된다.The composite oxide constituting the electret 1 has a perovskite type crystal structure represented by the composition formula (ABO 3 ) as a basic structure, and typically has a cubic unit cell. The metal element (A) is located at each vertex of the cubic crystal, the metal element (B) is located at the central position of the cubic crystal, and the oxygen atom (O) is coordinated to each of the metal elements (A and B) in a regular octahedron.

도펀트 원소는, 조성식(ABO3)에서의 금속 원소(A) 또는 금속 원소(B), 또는 금속 원소(A 및 B)의 양자 모두에 대하여 치환된다. 금속 원소(A 및 B)의 조합은, 이것이 4eV 이상의 밴드갭 에너지를 갖는 복합 산화물인 한은 특별히 제한되지 않으며, 도펀트 원소는 치환될 금속 원소(A 또는 B)의 가수보다 낮은 가수를 갖는 금속 원소라면 된다. 더 낮은 가수의 도펀트 원소로 치환됨으로써, 전기적 중립성을 유지하기 위해서 페로브스카이트 구조에서 산소 결손에 의한 결정 결함이 발생하고, 이는 표면 전위의 향상에 기여한다.The dopant element is substituted for both the metal element (A) or the metal element (B) or the metal elements (A and B) in the composition formula (ABO 3 ). The combination of the metal elements (A and B) is not particularly limited as long as it is a composite oxide having a bandgap energy of 4 eV or more, and the dopant element is a metal element having a valence lower than that of the metal element (A or B) to be substituted as long as it is a metal element. do. By substituting with a dopant element of a lower valence, crystal defects due to oxygen vacancies are generated in the perovskite structure in order to maintain electrical neutrality, which contributes to the improvement of the surface potential.

이때, 도펀트 원소에 의한 치환량과 결함의 양 사이에 상관이 있기 때문에, 도펀트 원소의 도입량을 제어함으로써 표면 전위에 영향을 미치는 결함의 양을 제어하는 것이 가능하다. 또한, 4eV 이상의 비교적 큰 밴드갭 에너지를 갖는 무기 유전체 재료를 사용함으로써 복합 산화물의 절연 파괴 전압이 증가하기 때문에, 일렉트릿(1)은 분극 처리 동안 고전압이 인가됨으로써 원하는 높은 전위를 발현할 수 있다. 4.5eV 이상, 더 바람직하게는 5.5eV 이상의 밴드갭 에너지를 갖는 무기 유전체 재료를 사용하는 것이 더 바람직하다.At this time, since there is a correlation between the amount of replacement by the dopant element and the amount of defects, it is possible to control the amount of defects affecting the surface potential by controlling the amount of introduction of the dopant element. In addition, since the dielectric breakdown voltage of the composite oxide is increased by using an inorganic dielectric material having a relatively large bandgap energy of 4 eV or more, the electret 1 can develop a desired high potential by applying a high voltage during the polarization process. It is more preferable to use an inorganic dielectric material having a bandgap energy of 4.5 eV or more, more preferably 5.5 eV or more.

페로브스카이트 구조에서, A 사이트를 점유하는 금속 원소(A)와 B 사이트를 점유하는 금속 원소(B)의 조합은, 조합이 조성식(ABO3)을 충족하는 한, 특별히 제한되지 않는다. 그 경우에는, 예를 들어 3가의 금속 원소(A)와 3가의 금속 원소(B)의 조합 이외에, 1가 및 5가의 조합 및 2가 및 4가의 조합이 사용될 수 있다.In the perovskite structure, the combination of the metal element (A) occupying the A site and the metal element (B) occupying the B site is not particularly limited as long as the combination satisfies the composition formula (ABO 3 ). In that case, for example, in addition to the combination of the trivalent metal element (A) and the trivalent metal element (B), a combination of monovalent and pentavalent and a combination of divalent and tetravalent may be used.

구체예로서는, ABO3형 페로브스카이트 구조에서, A 사이트를 La, Y, Pr, Sm 및 Nd로부터 선택되는 희토류 원소(R)(금속 원소 A)가 점유할 수 있고, B 사이트를 Al(금속 원소 B)가 점유할 수 있다. 이들 성분이 조합된 희토류 알루미네이트는, 4eV 이상의 큰 밴드갭 에너지 및 비교적 작은 비유전율(예를 들어, 100 이하)을 갖기 때문에, 높은 표면 전위를 실현할 수 있다. 또한, 희토류 알루미네이트는 비교적 저렴한 재료를 사용해서 제조될 수 있고, 이는 제조 비용면에서 유리하다.As a specific example, in the ABO 3 type perovskite structure, the A site can be occupied by a rare earth element (R) (metal element A) selected from La, Y, Pr, Sm and Nd, and the B site can be occupied by Al (metal element B) can occupy. Rare earth aluminate in which these components are combined has a large bandgap energy of 4 eV or more and a relatively small relative permittivity (for example, 100 or less), so a high surface potential can be realized. In addition, rare earth aluminates can be produced using relatively inexpensive materials, which is advantageous in terms of manufacturing cost.

이 경우에, 금속 원소(A 및 B)에 대하여 치환되는 도펀트 원소는, 3가의 금속 원소(A 및 B)보다 낮은 가수를 갖는 금속 원소일 수 있다. 예를 들어, 금속 원소(A)가 3가의 희토류 원소(R)일 경우에는, 2가의 알칼리 토류 금속 원소(Mg를 포함)가 바람직하게 사용되고, 적합하게는 Ca 또는 Sr이 사용될 수 있다. 금속 원소(B)가 3가의 Al일 경우에는, 2가의 알칼리 토류 금속 원소(Mg를 포함) 및 Zn으로부터 선택되는 1개 이상의 원소, 예를 들어 Zn 또는 Mg가 바람직하게 사용된다.In this case, the dopant element to be substituted for the metal elements A and B may be a metal element having a lower valence than the trivalent metal elements A and B. For example, when the metal element (A) is a trivalent rare earth element (R), a divalent alkaline earth metal element (including Mg) is preferably used, and Ca or Sr can be suitably used. When the metal element (B) is trivalent Al, at least one element selected from divalent alkaline earth metal elements (including Mg) and Zn, such as Zn or Mg, is preferably used.

구체적으로는, 희토류 알루미네이트의 대표예로서 란탄 알루미네이트(LaAlO3)를 들 수 있고, La의 일부를 알칼리 토류 금속 원소(예를 들어, Ca)로 치환한 구조를 사용할 수 있다. 그 경우에는, 이를 조성식((La, Ca)AlO3-δ)으로 나타낼 수 있고, δ은 산소 결함의 양을 나타낸다. 산소 결함의 양은 도펀트 원소에 의한 치환량, 분위기 등에 따라 달라진다. 도펀트 원소에 의한 치환 비율이 x(원자%)일 때, 산소 결함이 치환에 의한 것이라면, 조성식은 La(1-x)CaxAlO3-x/2이다.Specifically, lanthanum aluminate (LaAlO 3 ) is exemplified as a representative rare earth aluminate, and a structure in which La is partially substituted with an alkaline earth metal element (eg, Ca) can be used. In that case, it can be represented by the composition formula ((La, Ca)AlO 3-δ ), where δ represents the amount of oxygen defects. The amount of oxygen defects varies depending on the amount of replacement by the dopant element, the atmosphere, and the like. When the substitution rate by the dopant element is x (atomic %), if the oxygen defect is due to substitution, the composition formula is La (1-x) Ca x AlO 3-x/2 .

금속 원소(A)를 치환하는 도펀트 원소의 치환 비율은, 예를 들어 20 원자% 이하의 범위에서 적절히 설정될 수 있다. 마찬가지로, 금속 원소(B)를 치환하는 도펀트 원소의 치환 비율은, 예를 들어 20 원자%의 범위에 있는 것이 바람직하다. 치환 비율이 0을 초과할 때, 도펀트 원소가 도입되는 않는 경우에 비하여, 표면 전위를 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 바람직하게는, 치환 비율이 0.05 원자% 이상일 때, 표면 전위는 크게 향상된다. 그러나, 치환 비율이 증가할 때, 도펀트 원소를 도입하는 효과는 저감되는 경향이 있다. 이 이유는 완전히 명백하지는 않지만, 비유전율의 증가가 표면 전위를 낮추도록 작용하는 것으로 추측된다. 그러므로, 치환 비율이 20 원자%를 초과하지 않는 범위에서, 원하는 특성이 얻어질 수 있도록, 치환 비율을 적절히 설정하는 것이 바람직하다. 치환 비율은 0.05 원자% 내지 18.8 원자%의 범위인 것이 바람직하며, 0.05 원자% 내지 2.5 원자%의 범위인 것이 더 바람직하다.The substitution ratio of the dopant element substituting the metal element (A) can be appropriately set within a range of, for example, 20 atomic % or less. Similarly, the substitution rate of the dopant element substituting the metal element (B) is preferably in the range of, for example, 20 atomic %. When the substitution ratio exceeds 0, an effect of improving the surface potential can be obtained compared to the case where no dopant element is introduced. Preferably, when the substitution ratio is 0.05 atomic % or more, the surface potential is greatly improved. However, when the substitution ratio increases, the effect of introducing the dopant element tends to decrease. Although the reason for this is not entirely clear, it is speculated that the increase in relative permittivity acts to lower the surface potential. Therefore, it is preferable to set the substitution ratio appropriately so that desired properties can be obtained within a range where the substitution ratio does not exceed 20 atomic %. The substitution ratio is preferably in the range of 0.05 atomic % to 18.8 atomic %, more preferably in the range of 0.05 atomic % to 2.5 atomic %.

일렉트릿(1)은, 예를 들어 이러한 페로브스카이트 구조를 갖는 복합 산화물에 분극 처리를 행하여 미리결정된 형상(이하, 복합 산화물 소결체라 지칭됨)을 갖는 소결체가 되도록 함으로써 얻어질 수 있다. 일렉트릿(1)이 되는 복합 산화물 소결체는 임의의 외형(예를 들어, 직사각형 평판 형상 또는 디스크 형상)을 가질 수 있다. 여기에서는, 도면 중의 연직 방향을, 일렉트릿(1)의 두께 방향(X)이라 칭하고, 이후 두께 방향(X)의 표면을 상위 표면 또는 하위 표면으로서 설명한다.The electret 1 can be obtained, for example, by subjecting a complex oxide having such a perovskite structure to polarization treatment to make it into a sintered body having a predetermined shape (hereinafter referred to as a complex oxide sintered body). The composite oxide sintered body to be the electret 1 may have an arbitrary external shape (for example, a rectangular flat plate shape or a disk shape). Here, the vertical direction in the drawing is referred to as the thickness direction (X) of the electret 1, and the surface in the thickness direction (X) is hereinafter described as an upper surface or a lower surface.

분극 처리 방법은, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이, 일렉트릿(1)의 상위 표면(11) 및 하위 표면(12)에 각각 전극(21 및 22)을 형성하고, 전압을 인가한다. 분극 처리 조건에 대해서는, 예를 들어 100℃ 이상에서 전계 강도가 4kV/mm 이상이 되도록, 직류 전압을 인가하는 것이 바람직하다. 진동 발전 등의 장치용의 효율적인 발전을 실현하기 위해서는, 400V 이상의 표면 전위가 필요하며, 4kV/mm 이상의 전계 강도에 의한 분극 처리에 의해 원하는 표면 전위를 실현하는 것이 가능하다. 또한, 실온보다 높은 온도에서 분극 처리를 행함으로써, 사용 환경이 고온인 용도에서도 안정된 일렉트릿 성능을 실현할 수 있다.The polarization treatment method is not particularly limited, but, for example, as shown in FIG. 1 , electrodes 21 and 22 are formed on the upper surface 11 and the lower surface 12 of the electret 1, respectively; Apply voltage. Regarding the polarization treatment conditions, it is preferable to apply a direct current voltage so that the electric field intensity becomes 4 kV/mm or more at 100°C or higher, for example. In order to realize efficient power generation for devices such as vibration power generation, a surface potential of 400 V or more is required, and a desired surface potential can be realized by polarization treatment with an electric field strength of 4 kV/mm or more. In addition, by performing the polarization treatment at a temperature higher than room temperature, stable electret performance can be realized even in applications where the usage environment is high temperature.

[실시예][Example]

(실시예 1)(Example 1)

도 1에 도시된 구성을 갖는 일렉트릿(1)은 다음의 방법에 의해 제작되었다. 일렉트릿(1)을 구성하는 무기 유전체 재료로서는, 페로브스카이트 구조를 갖는 란탄 알루미네이트(LaAlO3)의 La의 일부를 도펀트 원소로 치환한 조성을 갖는 LAO계 복합 산화물을 사용했다. 실시예 1에서는, 도펀트 원소로서 Ca를 사용하고 (La0.9995, Ca0.0005)AlO3-δ의 조성을 갖도록 원료를 제조함으로써 얻어진 복합 산화물 소결체가 분극 처리되어 일렉트릿(1)이 되었다.The electret 1 having the configuration shown in FIG. 1 was manufactured by the following method. As the inorganic dielectric material constituting the electret 1, an LAO-based composite oxide having a composition in which a part of La of lanthanum aluminate (LaAlO 3 ) having a perovskite structure is substituted with a dopant element was used. In Example 1, a composite oxide sinter obtained by using Ca as a dopant element and preparing a raw material to have a composition of (La 0.9995 , Ca 0.0005 )AlO 3-δ was subjected to polarization treatment to become the electret 1.

LAO계 무기 유전체 재료의 대표적인 조성인 란탄 알루미네이트(LaAlO3)는, 5.6eV의 밴드갭 에너지를 가지며, Al의 일부가 도펀트 원소인 Ca로 치환된 구성도 거의 동일한 밴드갭 에너지를 갖는다.Lanthanum aluminate (LaAlO 3 ), a typical composition of LAO-based inorganic dielectric materials, has a band gap energy of 5.6 eV, and a composition in which a portion of Al is substituted with Ca as a dopant element has almost the same band gap energy.

<분체의 제조><Manufacture of powder>

먼저, LAO계 복합 산화물 소결체의 원료로서, 다음의 질산염 시약을 제조하고, Ca의 치환량이 0.05 원자%가 되도록 칭량했다. 각각의 시약을 포함하는 비커에 20 ml의 초순수를 첨가하여, 각각의 시약이 용해된 용액을 얻었다.First, as a raw material for the LAO-based composite oxide sintered body, the following nitrate reagent was prepared and weighed so that the Ca substitution amount was 0.05 atomic%. 20 ml of ultrapure water was added to the beaker containing each reagent to obtain a solution in which each reagent was dissolved.

· FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation에 의해 제조된 La(NO3)3·6H2O 6.03 g6.03 g of La(NO 3 ) 3 6H 2 O manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation

· FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation에 의해 제조된 Al(NO3)3·9H2O 5.25 g5.25 g of Al(NO 3 ) 3 9H 2 O manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation

· FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation에 의해 제조된 Ca(NO3)2·4H2O 1.65 mg1.65 mg of Ca(NO 3 ) 2 4H 2 O manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation

얻어진 각각의 시약의 용액을 플라스틱 비커로 옮겼고 교반자를 사용하여 교반하고 혼합했다. 교반은, 플라스틱 비커에 교반자를 넣고, 500 rpm으로 교반자를 회전시킴으로써 행했다. 이 혼합 용액을 포함하는 비커에, 12M의 몰 농도를 갖는 수성 NaOH 용액을, pH 미터로 측정하면서 점적기를 사용하여 조금씩 첨가하여 pH를 10.5로 조정하였다. 그 후, 침전물을 감소된 압력하에서 여과에 의해 회수했고 약 100 ml의 에탄올 및 초순수로 세정했다. NaOH 수용액용의 NaOH 및 에탄올에는 다음의 시약을 사용했다.The obtained solution of each reagent was transferred to a plastic beaker and stirred and mixed using a stirrer. Stirring was performed by placing a stirrer in a plastic beaker and rotating the stirrer at 500 rpm. To the beaker containing this mixed solution, an aqueous NaOH solution having a molar concentration of 12 M was added little by little using a dropper while measuring with a pH meter to adjust the pH to 10.5. Thereafter, the precipitate was recovered by filtration under reduced pressure and washed with about 100 ml of ethanol and ultrapure water. The following reagents were used for NaOH and ethanol for NaOH aqueous solution.

· Kanto Chemical Co., Inc.에 의해 제조된 NaOH 특급(과립상)· NaOH special grade (granular) manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.

· Kanto Chemical Co., Inc.에 의해 제조된 에탄올(99.5)Ethanol (99.5) manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.

이어서, 세척된 시료가 놓인 여과지를 120℃에서 건조기에 넣고, 12 시간 이상 동안 건조하였다. 건조된 시료를 마노 유발(agate mortar)에 넣고 분쇄하였으며, 또한 분급(<100μm)했다.Then, the filter paper on which the washed sample was placed was placed in a dryer at 120° C., and dried for 12 hours or longer. The dried samples were placed in an agate mortar and pulverized, and also classified (<100 μm).

<성형체/소결체의 제작><Production of molded body/sintered body>

분급에 의해 얻어진 분체를 알루미나 보트에 넣어서 가소하였다. 가소 조건으로서, 온도를 2.5℃/min의 온도 상승 속도로 1000℃까지 상승시켰고, 6시간 동안 1000℃에서 유지하였으며, 그후 2.5℃/min의 온도 하강 속도로 실온까지 낮추었다.The powder obtained by classification was placed in an alumina boat and calcined. As a calcination condition, the temperature was raised to 1000 °C at a temperature ramping rate of 2.5 °C/min, held at 1000 °C for 6 hours, and then lowered to room temperature at a temperature lowering rate of 2.5 °C/min.

가소 후의 시료를 마노 유발에 넣고 분쇄하였고, 또한 분급(<100 μm)하여 성형 분체를 얻었다. 약 0.65 g의 성형 분체를, Φ13 mm의 직경을 갖는 펠릿 성형 유닛에 넣어서, 250 MPa의 압력에서 3분간 가압하여 디스크 형상 펠릿을 형성했다.The calcined sample was placed in an agate mortar, pulverized, and further classified (<100 μm) to obtain molded powder. About 0.65 g of the molding powder was put into a pellet forming unit having a diameter of φ13 mm, and pressed at a pressure of 250 MPa for 3 minutes to form disk-shaped pellets.

얻어진 성형 펠릿을 소결 온도보다 높은 온도에서 소성하여, LAO계 복합 산화물 소결체로 이루어지는 소결 펠릿을 얻었다. 소결 조건으로서, 온도를 2.5℃/min의 온도 상승 속도로 1650℃까지 상승시키고, 2시간 동안 1650℃에서 유지하였으며, 2.5℃/min의 온도 하강 속도로 실온까지 낮추었다. 얻어진 소결 펠릿의 직경은 약 Φ11 mm였다. 연마에 의해 두께를 1 mm로 조정하였다.The obtained molded pellets were fired at a temperature higher than the sintering temperature to obtain sintered pellets made of an LAO-based composite oxide sintered body. As a sintering condition, the temperature was raised to 1650°C at a temperature rising rate of 2.5°C/min, maintained at 1650°C for 2 hours, and lowered to room temperature at a temperature decreasing rate of 2.5°C/min. The diameter of the obtained sintered pellets was about Φ11 mm. The thickness was adjusted to 1 mm by polishing.

또한, 얻어진 LAO계 복합 산화물 소결체에 대해서, ICP 방사 분광법을 사용하여 원소 분석을 행하고, 원하는 조성((La0.9995, Ca0.0005)AlO3-δ)을 갖는 소결체가 얻어질 수 있는지를 확인했다. 구체적으로는, 유발에서 분쇄한 소결체를 용매에 용해하여 얻은 용액을 분석 시료로서 사용했고, ICP(고주파 유도 결합 플라즈마)에 의해 생성된 발광 선으로부터 소결체의 구성 원소(constituent element)를 판별했다. 그 결과, 이하에 나타낸 바와 같이, 원료 제조 시의 Ca의 치환 비율(투입 Ca 치환량)인 0.05 원자%에 대하여, 거의 동일한 분석 결과(0.051 원자%)가 얻어졌다.Further, the obtained LAO-based composite oxide sintered body was subjected to elemental analysis using ICP radiation spectroscopy, and it was confirmed whether a sintered body having a desired composition ((La 0.9995 , Ca 0.0005 )AlO 3-δ ) could be obtained. Specifically, a solution obtained by dissolving the sintered body ground in a mortar in a solvent was used as an analysis sample, and constituent elements of the sintered body were determined from emission lines generated by ICP (Induction Coupled Plasma). As a result, as shown below, almost the same analysis result (0.051 atomic %) was obtained with respect to 0.05 atomic %, which is the substitution ratio of Ca (input Ca substitution amount) at the time of raw material production.

(투입 Ca 치환량 0.05 원자%)(Input Ca replacement amount 0.05 atomic%)

ICP 분석 결과 0.051 원자%ICP analysis result 0.051 atomic %

LAO계 복합 산화물 소결체의 분석은 ICP 방사 분광 분석법으로 제한되지 않고, XPS(X선 광전자 분광 분석) 방법 및 XRF(형광 X선 분석) 방법 등의 임의의 방법을 채용할 수 있다. 이러한 방식으로 도펀트 원소를 도입함으로써, 치환량을 용이하게 제어할 수 있으며, 정량적인 평가를 용이하게 행할 수 있다.The analysis of the LAO-based complex oxide sintered body is not limited to ICP radiation spectroscopy, and any method such as XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) method and XRF (X-ray fluorescence analysis) method can be employed. By introducing the dopant element in this way, the amount of substitution can be easily controlled, and quantitative evaluation can be easily performed.

<분극 처리><Polarization treatment>

전술한 바와 같이 얻어진 소결 펠릿에 도 2에 도시되는 분극 처리 장치를 사용하여 분극 처리를 실시했다. 도 2에서, 소결 펠릿(10)에서, 두께 방향(X)의 상위 및 하위 표면(11 및 12)에 한 쌍의 금 전극(21 및 22)을 미리 인쇄하였다(하위 표면(12) 상의 금 전극(22)은 도시되지 않는다). 한 쌍의 금 전극(21 및 22) 사이에 전압을 인가할 수 있도록 소결 펠릿(10)을 백금선(31)을 감은 2개의 알루미나 막대(3) 사이에 끼웠다. 2개의 알루미나 막대(3)는, 소결 펠릿(10)의 직경보다 길었고, 길이 방향(두께 방향(X)과 직교하는 방향)의 양 단부에서 불소 수지(폴리테트라플루오로에틸렌)로 이루어진 실(4)로 묶음으로써 고정되었다. 이어서, 이것을 분극용 기구에 감고, 공기의 절연 파괴를 방지하기 위해서 전체를 실리콘 오일(5)로 코팅했다.The sintered pellets obtained as described above were subjected to polarization treatment using the polarization treatment apparatus shown in FIG. 2 . In FIG. 2, in the sintered pellet 10, a pair of gold electrodes 21 and 22 were printed in advance on the upper and lower surfaces 11 and 12 in the thickness direction X (gold electrodes on the lower surface 12). (22) is not shown). The sintered pellet 10 was sandwiched between two alumina rods 3 around which a platinum wire 31 was wound so that a voltage could be applied between the pair of gold electrodes 21 and 22 . The two alumina rods 3 were longer than the diameter of the sintered pellets 10, and at both ends in the longitudinal direction (direction perpendicular to the thickness direction X), yarns 4 made of fluorine resin (polytetrafluoroethylene) ) was fixed by tying them together. Next, this was wound around a device for polarization, and the whole was coated with silicone oil 5 to prevent dielectric breakdown in air.

이 분극용 기구를, 박스 로에 넣고, 로 내부의 온도가 200℃로 안정될 때까지 방치했다. 이어서, 200℃로 안정화되어 있는 상태에서, 소결 펠릿(10)의 한 쌍 금 전극(21)의 사이에 8.0kV/mm의 직류 전계를 인가함으로써 분극을 행했다. 미리결정된 시간이 경과한 후에, 직류 전계가 계속 인가되는 상태에서 온도가 40℃ 이하가 될 때까지 소결 펠릿(10)이 냉가되도록 하였다. This polarizing device was placed in a box furnace and left standing until the temperature inside the furnace stabilized at 200°C. Next, polarization was performed by applying a DC electric field of 8.0 kV/mm between the pair of gold electrodes 21 of the sintered pellet 10 in a state stabilized at 200°C. After a predetermined period of time had elapsed, the sintered pellets 10 were allowed to cool until the temperature reached 40° C. or lower while the direct current electric field was continuously applied.

<일렉트릿의 제작><Production of the electret>

분극 처리 후, 소결 펠릿(10)의 양쪽 표면의 금 전극(21 및 22)을 연마 시트를 사용해서 제거했다. 이어서, 소결 펠릿(10)을, 에탄올과 순수를 사용하여 각각 10분간 초음파 세정하였고, 또한 100℃의 건조기 내에 3시간 이상 방치하여 일렉트릿(1)을 얻었다.After the polarization treatment, the gold electrodes 21 and 22 on both surfaces of the sintered pellet 10 were removed using a polishing sheet. Subsequently, the sintered pellets (10) were ultrasonically cleaned using ethanol and pure water for 10 minutes each, and left in a dryer at 100°C for 3 hours or more to obtain an electret (1).

<표면 전위 측정><Surface potential measurement>

상술한 바와 같이 얻어진 일렉트릿(1)(실시예 1)의 표면 전위를 측정하였다. 측정에는, 표면 전위계(MODEL341-B: Trek Japan Co., Ltd.에 의해 제조됨)를 사용하여, 접촉 없이 표면 전위를 측정하고, 5400초가 경과한 후의 값을 판독했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.The surface potential of the electret 1 (Example 1) obtained as described above was measured. For the measurement, a surface potential was measured without contact using a surface potential meter (MODEL341-B: manufactured by Trek Japan Co., Ltd.), and the value after 5400 seconds had elapsed was read. The results are shown in Table 1.

실시예/비교예Example/Comparative Example Ca 치환량(원자%)Ca replacement amount (atomic %) 표면 전위(V)surface potential (V) 실시예 1Example 1 0.050.05 438438 비교예 1Comparative Example 1 -- 2020 비교예 2Comparative Example 2 -- 44

(비교예 1 및 2)(Comparative Examples 1 and 2)

비교를 위하여, La가 치환되어 있지 않은 LaAlO3 소결체로서, 상업적으로 입수가능한 LaAlO3(100) 단결정 기판(Crystal Base Co., Ltd.에 의해 제조됨)을 사용하였고, 실시예 1과 동일한 방식으로 분극 처리를 행하여 비교예 1의 일렉트릿을 얻었다. 또한, 페로브스카이트 구조 및 3.5eV의 밴드갭 에너지를 갖는 복합 산화물인 티타늄산 바륨(BaTiO3)의 소결체를 제조하고, 실시예 1과 동일한 방식으로 분극 처리를 행하여 비교예 2의 일렉트릿을 얻었다.For comparison, as a LaAlO 3 sintered body in which La is not substituted, a commercially available LaAlO 3 (100) single crystal substrate (manufactured by Crystal Base Co., Ltd.) was used, in the same manner as in Example 1. Polarization treatment was performed to obtain the electret of Comparative Example 1. In addition, a sintered body of barium titanate (BaTiO 3 ), which is a complex oxide having a perovskite structure and a band gap energy of 3.5 eV, was prepared, and a polarization treatment was performed in the same manner as in Example 1 to obtain the electret of Comparative Example 2. got it

여기서, 비교예 2의 BaTiO3 소결체에서는, 다음의 시약을 성형용 원료로서 사용했다.Here, in the BaTiO 3 sintered body of Comparative Example 2, the following reagents were used as raw materials for molding.

· 티타늄산 바륨 나노 파우더(순도 99%, FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation에 의해 제조됨)Barium titanate nanopowder (purity 99%, manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation)

이 성형용 원료를, 상기 실시예 1과 동일한 방식으로 13 mm의 직경을 갖는 펠릿 성형 유닛에 넣고 3분간 250MPa의 압력에서 가압했으며, 얻어진 성형 펠릿을 소결하여 소결 펠릿을 얻었다. 소결 조건은, 온도 상승 속도 및 2.5℃/min의 온도 하강 속도였고, 1255℃에서 0.5시간 동안 소결을 행했다.This raw material for molding was put into a pellet forming unit having a diameter of 13 mm in the same manner as in Example 1, and pressed at a pressure of 250 MPa for 3 minutes, and the resulting molded pellets were sintered to obtain sintered pellets. The sintering conditions were a temperature increase rate and a temperature decrease rate of 2.5°C/min, and sintering was performed at 1255°C for 0.5 hour.

비교예 1 및 2의 일렉트릿의 표면 전위를 실시예 1과 동일한 방식으로 측정했고, 그 결과도 표 1에 나타냈다. 표 1로부터 명백한 바와 같이, LaAlO3의 La의 일부를 Ca로 치환한 실시예 1에서는, 표면 전위가 438V였으며, 8.0kV/mm의 직류 전위의 인가에 의해 400V 이상의 높은 표면 전위가 얻어졌다. 한편, LaAlO3의 단결정으로 이루어졌고 도펀트 원소로 치환되지 않은 비교예 1에서는, 표면 전위가 20V로 크게 저하되었다. 또한, 4eV 미만의 밴드갭 에너지를 갖는 BaTiO3을 사용한 비교예 2에서는, 표면 전위가 4V로 더 저하되었다.The surface potential of the electrets of Comparative Examples 1 and 2 was measured in the same manner as in Example 1, and the results are also shown in Table 1. As is clear from Table 1, in Example 1 in which a part of La in LaAlO 3 was replaced with Ca, the surface potential was 438 V, and a high surface potential of 400 V or more was obtained by applying a DC potential of 8.0 kV/mm. On the other hand, in Comparative Example 1 made of a single crystal of LaAlO 3 and not substituted with a dopant element, the surface potential was significantly lowered to 20V. Further, in Comparative Example 2 using BaTiO 3 having a band gap energy of less than 4 eV, the surface potential was further lowered to 4 V.

(실시예 2 내지 5)(Examples 2 to 5)

La(1-x)CaxAlO3-δ의 조성에서, 실시예 1과 동일한 방법으로, 도펀트 원소(Ca)에 의한 La의 치환 비율(x)을 변경했고, 1 원자% 내지 20 원자%(투입 Ca 치환량)의 범위의 조성을 갖도록 원료를 제조하였으며, LAO계 복합 산화물 소결체로 이루어지는 일렉트릿(1)을 제조했다.In the composition of La (1-x) Ca x AlO 3-δ , in the same manner as in Example 1, the substitution ratio (x) of La by the dopant element (Ca) was changed, and 1 atomic% to 20 atomic% ( A raw material was prepared to have a composition within a range of input Ca replacement amount), and an electret 1 made of a LAO-based composite oxide sintered body was manufactured.

· 실시예 2 1 원자%Example 2 1 atomic %

· 실시예 3 5 원자%Example 3 5 atomic %

· 실시예 4 10 원자%Example 4 10 atomic %

· 실시예 5 20 원자%Example 5 20 atomic %

도펀트 원소(Ca)에 의한 La의 치환 비율(x)이 1 원자% 내지 20 원자%의 범위에 있도록 제조된 원료를 사용하여 성형 펠릿을 제조했고, 성형 펠릿을 소결하여 얻은 소결 펠릿에 분극 처리를 행하여 일렉트릿(1)을 얻었다. 표 2의 실시예 2 내지 5로서 나타낸 바와 같이, 얻어진 LAO계 복합 산화물 소결체에 ICP 방사 분광 분석을 사용하여 원소 분석을 행했고, 조성을 확인했다. 그 결과, 실제 치환 비율은 원료 제조 시의 Ca 치환 비율(투입 Ca 치환량)의 1/5 이하인 0.16 원자% 내지 0.93 원자%의 범위였다.Molding pellets were prepared using a raw material prepared so that the substitution ratio (x) of La by the dopant element (Ca) was in the range of 1 atomic % to 20 atomic %, and polarization treatment was applied to the sintered pellets obtained by sintering the molding pellets. This was done to obtain an electret (1). As shown in Examples 2 to 5 in Table 2, the obtained LAO-based composite oxide sintered body was subjected to elemental analysis using ICP radiation spectroscopy, and the composition was confirmed. As a result, the actual substitution ratio was in the range of 0.16 atomic% to 0.93 atomic%, which is 1/5 or less of the Ca substitution ratio (input Ca substitution amount) at the time of raw material production.

얻어진 실시예 2 내지 5의 일렉트릿(1)의 표면 전위를 실시예 1과 동일한 방식으로 측정하였고, 그 결과도 표 2에 나타냈다. 실시예 2 내지 5의 일렉트릿(1)이 실시예 1과 동일한 제작 방법(액체상 방법)에 의한 원료 제작 시에 Ca와 충분히 결합되지 않은 이유는 완전히 명확하지는 않지만, 투입 Ca 치환량과 실제 치환량 사이의 관계를 미리 아는 것에 의해 원하는 치환 비율을 갖는 일렉트릿(1)을 얻을 수 있다.The surface potential of the obtained electret (1) of Examples 2 to 5 was measured in the same manner as in Example 1, and the results are also shown in Table 2. The reason why the electrets 1 of Examples 2 to 5 were not sufficiently combined with Ca when the raw material was prepared by the same manufacturing method (liquid phase method) as in Example 1 is not completely clear, but the relationship between the input Ca substitution amount and the actual substitution amount By knowing the relationship in advance, the electret 1 having a desired substitution ratio can be obtained.

실시예Example Ca 치환량(원자%)Ca replacement amount (atomic %) 표면 전위(V)surface potential (V) 실시예 2Example 2 0.160.16 36883688 실시예 3Example 3 0.30.3 21552155 실시예 4Example 4 0.50.5 14001400 실시예 5Example 5 0.930.93 34333433

표 2로부터 명백해진 바와 같이, 실시예 2 내지 5에서는, 표면 전위가 실시예 1에서의 표면 전위보다 높고, 1000 V보다 높은 1400 V(실시예 4) 내지 3688 V(실시예 2)의 표면 전위가 얻어졌다. 이것은, 페로브스카이트 구조를 갖는 LaAlO3에 대하여, 더 낮은 가수 도펀트 원소에 의한 치환이 치환량에 따라 산소 결함을 야기하고, 이는 높은 표면 전위의 발현에 기여하기 때문이라고 추측된다. 도 3은, 비교예 1 및 실시예 1 내지 5에 기초하는 Ca 치환량과 표면 전위 사이의 관계를 나타낸 것이며, Ca 치환량이 0.05 원자% 이상일 때 높은 표면 전위가 발현된다. Ca 치환량이 0.16 원자% 이상으로 증가할 때, 표면 전위 또한 크게 증가한다.As is clear from Table 2, in Examples 2 to 5, the surface potential is higher than that in Example 1, and the surface potential is 1400 V (Example 4) to 3688 V (Example 2), which is higher than 1000 V. is obtained This is presumed to be because, for LaAlO 3 having a perovskite structure, substitution with a lower valence dopant element causes oxygen vacancies depending on the amount of substitution, which contributes to the development of a high surface potential. Fig. 3 shows the relationship between the amount of Ca substitution and the surface potential based on Comparative Example 1 and Examples 1 to 5, and a high surface potential develops when the amount of Ca substitution is 0.05 atomic% or more. When the Ca substitution amount is increased to 0.16 atomic % or more, the surface potential also increases greatly.

(실시예 6 내지 12)(Examples 6 to 12)

일렉트릿(1)을 구성하는 무기 유전체 재료로서, 이트륨 알루미네이트(YALO3)의 Y의 일부가 도펀트 원소로 치환된 조성을 갖는 YAO계 복합 산화물을 사용했다. 도펀트 원소는 Ca였고, Y(1-x)CaxAlO3-δ의 조성에서, Ca에 의한 Y의 치환 비율(x)은 YAO계 복합 산화물 소결체로 이루어진 일렉트릿(1)을 제조하기 위해 변경되었다. 이때, 1 원자% 내지 20 원자%(투입 Ca 치환량)의 범위의 조성을 갖도록 원료를 제조하였다.As an inorganic dielectric material constituting the electret 1, a YAO-based composite oxide having a composition in which a part of Y of yttrium aluminate (YALO 3 ) is substituted with a dopant element was used. The dopant element was Ca, and in the composition of Y (1-x) Ca x AlO 3-δ , the substitution ratio (x) of Y by Ca was changed to prepare the electret 1 made of the YAO-based composite oxide sintered body. It became. At this time, the raw material was prepared to have a composition in the range of 1 atomic % to 20 atomic % (input Ca substitution amount).

· 실시예 6 0.05 원자%Example 6 0.05 atomic %

· 실시예 7 1 원자%Example 7 1 atomic %

· 실시예 8 2.5 원자%Example 8 2.5 atomic %

· 실시예 9 3.5 원자%Example 9 3.5 atomic %

· 실시예 10 5 원자%Example 10 5 atomic %

· 실시예 11 10 원자%Example 11 10 atomic %

· 실시예 12 20 원자%Example 12 20 atomic %

YAO계 무기 유전체 재료의 대표적인 조성인 이트륨 알루미네이트(YALO3)는 7.9 eV의 밴드갭 에너지를 가지며, Y의 일부가 도펀트 원소인 Ca로 치환된 구성도 거의 동일한 밴드갭 에너지를 갖는다.Yttrium aluminate (YALO 3 ), a representative composition of YAO-based inorganic dielectric materials, has a band gap energy of 7.9 eV, and a composition in which a portion of Y is substituted with Ca as a dopant element has almost the same band gap energy.

<분체의 제조><Manufacture of powder>

먼저, YAO계 복합 산화물 소결체의 원료로서, 다음의 산화물 및 탄산염 시약을 제조하고 Ca 치환량이 1 원자% 내지 20 원자%가 되도록 칭량했다.First, as raw materials for the YAO-based composite oxide sintered body, the following oxide and carbonate reagents were prepared and weighed so that the Ca substitution amount was 1 atomic % to 20 atomic %.

· FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation에 의해 제조된 Y2O3 8.211 g 내지 10.161 g8.211 g to 10.161 g of Y 2 O 3 manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation

· FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation에 의해 제조된 Al2O3 4.635 g4.635 g of Al 2 O 3 manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation

· FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation에 의해 제조된 CaCO3 0.091 g 내지 1.820 g0.091 g to 1.820 g of CaCO 3 manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation

칭량된 시약을 마노 유발에 넣어서 혼합하고, 또한 분급(< 100 μm)했다.The weighed reagent was put into an agate mortar, mixed, and further classified (< 100 μm).

<성형체/소결체의 제작><Production of molded body/sintered body>

분급에 의해 얻어진 분체를 알루미나 도가니에 넣어서 가소했다. 가소 조건으로서, 온도는 2.5℃/min의 온도 상승 속도로 1100℃까지 상승되었고 1100℃에서 10 시간 동안 유지되었다. 또한, 온도는 2.5℃/min의 온도 상승 속도로 1350℃까지 상승되었고, 1350℃에서 10 시간 동안 유지되었으며, 그후 2.5℃/min의 온도 하강 속도로 실온까지 하강되었다.The powder obtained by classification was placed in an alumina crucible and calcined. As a calcination condition, the temperature was raised to 1100°C at a temperature rising rate of 2.5°C/min and maintained at 1100°C for 10 hours. Further, the temperature was raised to 1350°C at a temperature rising rate of 2.5°C/min, maintained at 1350°C for 10 hours, and then lowered to room temperature at a temperature decreasing rate of 2.5°C/min.

가소 후의 시료를 마노 유발에 넣고 분쇄하였고, 또한 분급(<100 μm)하여 성형 분체를 얻었다. 약 0.5 g의 성형 분체를 Φ10 mm의 직경을 갖는 펠릿 성형 유닛에 넣고, 5분간 20 MPa의 압력에서 가압하여 디스크 형상 펠릿을 형성했다.The calcined sample was placed in an agate mortar, pulverized, and further classified (<100 μm) to obtain molded powder. About 0.5 g of the molding powder was put into a pellet forming unit having a diameter of ?10 mm and pressed at a pressure of 20 MPa for 5 minutes to form disk-shaped pellets.

얻어진 성형 펠릿을 소결 온도보다 높은 온도에서 소결하여 YAO계 복합 산화물 소결체로 이루어진 소결 펠릿을 얻었다. 소결 조건으로서, 온도를 2.5℃/min의 온도 상승 속도로 1600℃까지 상승시켰고, 1600℃에서 2 시간 동안 유지하였으며, 그후 2.5℃/min의 온도 하강 속도로 실온까지 하강시켰다. 얻어진 소결 펠릿의 직경은 약 Φ9.5 mm였다. 연마에 의해 두께를 1 mm로 조정하였다.The obtained molded pellets were sintered at a temperature higher than the sintering temperature to obtain sintered pellets made of a YAO-based composite oxide sintered body. As a sintering condition, the temperature was raised to 1600°C at a temperature rising rate of 2.5°C/min, maintained at 1600°C for 2 hours, and then lowered to room temperature at a temperature decreasing rate of 2.5°C/min. The diameter of the obtained sintered pellets was about φ9.5 mm. The thickness was adjusted to 1 mm by polishing.

또한, 표 3에 도시된 바와 같이, 얻어진 YAO계 복합 산화물 소결체에 대해서, 에너지 분산형 X선 분석(이하, 적절히 EDX라 칭함)을 사용하여 원소 분석을 행하고, 실질적으로 원하는 조성을 갖는 소결체가 얻어진 것을 확인했다. 구체적으로는, 소결체를 유발에서 분쇄하여 얻은 분체를 분석 시료로 사용했고, 전자빔의 조사에 의해 발생되는 특성 X선의 스펙트럼으로부터 소결체의 구성 원소를 판별했다. 그 결과, 실시예 6 내지 12에 대해서, 원료 제조 시의 Ca 치환 비율(투입 Ca 치환량)에 대하여, 거의 동일한 분석 결과가 얻어졌다.In addition, as shown in Table 3, elemental analysis was performed on the obtained YAO-based composite oxide sintered body using energy dispersive X-ray analysis (hereinafter appropriately referred to as EDX), and a sintered body having a substantially desired composition was obtained. Confirmed. Specifically, powder obtained by crushing the sintered body in a mortar was used as an analysis sample, and constituent elements of the sintered body were determined from the spectrum of characteristic X-rays generated by electron beam irradiation. As a result, with respect to Examples 6 to 12, almost the same analysis results were obtained with respect to the Ca replacement ratio (input Ca replacement amount) at the time of raw material production.

YAO계 복합 산화물 소결체의 분석은, 에너지 분산형 X선 분석에 한하지 않고, ICP 방사 분광 분석법, XPS(X선 광전자 분광 분석) 방법, 및 XRF(형광 X선 분석) 방법 같은 임의의 방법을 채용할 수 있다. 이러한 방식으로 도펀트 원소를 도입함으로써, 치환량을 용이하게 제어할 수 있으며, 정량적인 평가를 용이하게 행할 수 있다. 에너지 분산형 X 선 분석에 의한 조성 결과에는 약 ±1% 정도의 오차가 발생할 수 있다는 것에 유의한다.The analysis of the YAO complex oxide sintered body is not limited to energy dispersive X-ray analysis, and any method such as ICP radiation spectroscopy, XPS (X-ray photoelectron spectroscopy), and XRF (X-ray fluorescence analysis) is employed. can do. By introducing the dopant element in this way, the amount of substitution can be easily controlled, and quantitative evaluation can be easily performed. Note that an error of about ±1% may occur in the composition result by energy dispersive X-ray analysis.

<분극 처리><Polarization treatment>

이와 같이 하여 얻어진 소결 펠릿에 분극 처리를 행해서 일렉트릿(1)을 얻었다. 분극 처리에는 코로나 방전을 사용하고, 디스크 형상 펠릿의 일 면을 접지하고, 다른 측에 대향하여 코로나 방전 전극을 배치하였으며, 부전압을 인가하여 코로나 방전을 발생시켰다. 코로나 방전의 조건은 다음과 같았다. 온도가 하강해도, 온도가 실온에 도달할 때까지 코로나 방전은 계속되었다.A polarization treatment was performed on the sintered pellets thus obtained to obtain an electret (1). Corona discharge was used for the polarization treatment, one side of the disk-shaped pellet was grounded, and a corona discharge electrode was disposed facing the other side, and a negative voltage was applied to generate corona discharge. The corona discharge conditions were as follows. Even when the temperature dropped, corona discharge continued until the temperature reached room temperature.

· 방전 전압: -5.5 kVDischarge voltage: -5.5 kV

· 온도: 200℃Temperature: 200℃

· 처리 시간: 1분· Processing time: 1 minute

그 결과, Y, Ca, Al, 및 O를 포함하는 소결체가 분극되었고, 코로나 방전 전극에 대면하는 표면이 마이너스 대전되어, 일렉트릿(1)이 형성되었다. 이때, 분극 처리 조건에 대응하는 높은 표면 전위가 얻어질 수 있고, 분극 처리를 실온보다 높은 온도(예를 들어, 200℃)에서 행함으로써, 사용 환경이 고온인 용도에서도 표면 전위의 변동이 용이하게 억제되고, 안정된 일렉트릿 성능을 실현할 수 있게 된다. 분극 처리의 온도 및 다른 조건은 상정되는 사용 환경에서 요구되는 특성에 따라 적절히 변경될 수 있다. As a result, the sintered body containing Y, Ca, Al, and O was polarized, the surface facing the corona discharge electrode was negatively charged, and the electret 1 was formed. At this time, a high surface potential corresponding to the conditions of the polarization treatment can be obtained, and by performing the polarization treatment at a temperature higher than room temperature (eg, 200° C.), fluctuations in the surface potential can be easily made even in applications where the use environment is a high temperature. suppressed, and stable electret performance can be realized. The temperature and other conditions of the polarization treatment can be appropriately changed depending on the characteristics required in the assumed use environment.

<표면 전위 측정><Surface potential measurement>

상술한 바와 같이 해서 얻어진 일렉트릿(1)(실시예 6 내지 9)의 표면 전위를 측정했다. 측정에는, 표면 전위계(MODEL341-B: Trek Japan Co., Ltd.에 의해 제조됨)를 사용하여, 접촉 없이 표면 전위를 측정했고, 분극 직후의 값을 판독했다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.The surface potential of the electret 1 (Examples 6 to 9) obtained as described above was measured. For the measurement, a surface potential was measured without contact using a surface electrometer (MODEL341-B: manufactured by Trek Japan Co., Ltd.), and the value immediately after polarization was read. The results are shown in Table 3.

실시예Example Ca 치환량(원자%)Ca replacement amount (atomic %) 표면 전위(V)surface potential (V) 실시예 6Example 6 0.050.05 -908-908 실시예 7Example 7 1One -1155-1155 실시예 8Example 8 2.52.5 -931-931 실시예 9Example 9 3.53.5 -160-160 실시예 10Example 10 4.84.8 -306-306 실시예 11Example 11 9.79.7 -279-279 실시예 12Example 12 18.818.8 -331-331

표 3에 명백해진 바와 같이, YAlO3의 Y의 일부를 Ca로 치환한 실시예 6 내지 12에서의 표면 전위는, -160V 내지 -1155V였으며, 높은 표면 전위가 얻어졌다. 특히, 실시예 6 내지 8에서는, 약 1000V의 높은 표면 전위가 얻어졌다. 또한, YAlO3의 Al의 일부가 Zn로 치환된 Zn 치환량이 1 원자%인 YAO계 복합 산화물 소결체를 사용하며, 상기와 동일한 방식으로 제작 및 분극된 일렉트릿(1)에 대해서도 표면 전위를 측정했다. 그 결과, Ca 치환의 경우의 표면 전위와 동등한 값(-1230V)이 얻어졌고, 표면 전위가 도펀트 종류에 의존하지 않는다는 것을 발견하였다. 이들의 결과로부터, 페로브스카이트 구조의 A 사이트 또는 B 사이트를 점유하는 금속 원소(A 및 B)에 대한 도펀트 원소의 치환 비율은, 바람직하게는 0.05 원자% 내지 18.8 원자%의 범위이고, 더 바람직하게는 0.05 원자% 내지 2.5 원자%의 범위이다. 그리고, 원료 제조 시의 도펀트 원소의 치환 비율(투입 치환량)과 실제 치환량 사이의 관계를 미리 아는 것에 의해, 원하는 조성 및 특성을 갖는 일렉트릿(1)을 제작할 수 있다.As is clear from Table 3, the surface potentials in Examples 6 to 12 in which a part of Y of YAlO 3 was replaced with Ca were -160 V to -1155 V, and high surface potentials were obtained. In particular, in Examples 6 to 8, high surface potentials of about 1000 V were obtained. In addition, a YAO-based composite oxide sintered body in which a portion of Al of YAlO 3 is substituted with Zn and a Zn substitution amount of 1 atomic % was used, and the surface potential was measured for the electret 1 prepared and polarized in the same manner as above. . As a result, a value (-1230 V) equivalent to the surface potential in the case of Ca substitution was obtained, and it was found that the surface potential did not depend on the type of dopant. From these results, the substitution ratio of the dopant element to the metal elements (A and B) occupying the A site or B site of the perovskite structure is preferably in the range of 0.05 atomic % to 18.8 atomic %, and further It is preferably in the range of 0.05 atomic % to 2.5 atomic %. In addition, by knowing in advance the relationship between the substitution ratio (input substitution amount) of the dopant element at the time of raw material production and the actual substitution amount, the electret 1 having desired composition and characteristics can be produced.

이와 같이 하여, 우수한 열적 안정성을 갖고, 결정 결함의 양의 제어가 가능하며, 사용 환경에서 안정된 특성을 갖는 일렉트릿(1)을 형성할 수 있다.In this way, it is possible to form the electret 1 having excellent thermal stability, control of the amount of crystal defects, and stable characteristics in a use environment.

본 개시내용은 상기 실시형태로 한정되는 것이 아니라, 개시내용의 사상을 일탈하지 않는 본 개시내용의 범위 내에서 다양한 변형이 적용될 수 있다.The present disclosure is not limited to the above embodiments, but various modifications may be applied within the scope of the present disclosure without departing from the spirit of the disclosure.

Claims (7)

2개의 상이한 금속 원소(A 및 B)를 포함하는 ABO3형 페로브스카이트 구조를 갖는 복합 산화물을 포함하는 일렉트릿(1)이며,
복합 산화물은 분극된 상태에 있고,
금속 원소(A 및 B) 중 하나의 금속 원소의 적어도 일부가 금속 원소(A 및 B) 중 상기 하나의 금속 원소보다 낮은 가수를 갖는 도펀트 원소로 치환되며,
복합 산화물은 4 eV 이상의 밴드갭 에너지를 갖고,
페로브스카이트 구조의 A 사이트를 점유하는 상기 금속 원소(A)는 La, Y, Pr, Sm 및 Nd을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 희토류 원소(R)이며,
B 사이트를 점유하는 금속 원소(B)는 Al이고,
금속 원소(A)를 치환하는 도펀트 원소의 치환 비율은 0.05 원자% 내지 2.5 원자%이며,
금속 원소(B)를 치환하는 도펀트 원소의 치환 비율은 0.05 원자% 내지 2.5 원자%인 일렉트릿.
An electret (1) comprising a composite oxide having an ABO 3 type perovskite structure including two different metal elements (A and B),
The complex oxide is in a polarized state,
At least a part of one of the metal elements (A and B) is substituted with a dopant element having a lower valency than the one of the metal elements (A and B);
The composite oxide has a bandgap energy of 4 eV or more,
The metal element (A) occupying the A site of the perovskite structure is a rare earth element (R) selected from the group including La, Y, Pr, Sm and Nd,
The metal element (B) occupying the B site is Al,
The substitution ratio of the dopant element substituting the metal element (A) is 0.05 atomic% to 2.5 atomic%,
An electret wherein a substitution ratio of a dopant element substituting the metal element (B) is 0.05 atomic % to 2.5 atomic %.
제1항에 있어서,
금속 원소(A)를 치환하는 도펀트 원소는 알칼리 토류 금속 원소이며,
금속 원소(B)를 치환하는 도펀트 원소는, 알칼리 토류 금속 원소 및 Zn을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 1개 이상의 원소인 일렉트릿.
According to claim 1,
The dopant element substituting the metal element (A) is an alkaline earth metal element,
The electret, wherein the dopant element substituting the metal element (B) is at least one element selected from the group consisting of an alkaline earth metal element and Zn.
제2항에 있어서,
알칼리 토류 금속 원소는 Ca 또는 Sr인 일렉트릿.
According to claim 2,
An electret in which the alkaline earth metal element is Ca or Sr.
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