KR102663619B1 - Piezoelectric single crystal including internal bias electric field, manufacturing method thereof and use for piezoelectric and dielectric articles using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부 전기장을 포함하는 압전 단결정, 그 제조방법 및 상기 압전 단결정을 이용한 압전 및 유전 응용 부품에 관한 것이다.
본 발명의 압전 단결정은 페로브스카이트형 결정 구조([A][B]O3)에서, [A] 자리 이온 및 [B] 자리 이온의 조성 및 제조공정상 열처리시 산소 분압을 제어함으로써, 압전 단결정 고유의 높은 유전 상수 및 압전 상수를 유지하면서, 압전 단결정의 전기적 안정성에 필수적인 높은 내부 전기장(Internal Bias Electric Field, EI) 특성을 동시에 충족함에 따라, 우수한 특성의 압전 단결정을 이용한 압전 응용 부품 및 유전 응용 부품들을 넓은 온도 영역과 사용 전압 조건에서 제작하고 사용할 수 있다.
The present invention includes an internal electric field It relates to a piezoelectric single crystal, a manufacturing method thereof, and piezoelectric and dielectric application components using the piezoelectric single crystal.
The piezoelectric single crystal of the present invention has a perovskite-type crystal structure ([A][B]O 3 ) by controlling the composition of the [A] site ion and the [B] site ion and the oxygen partial pressure during heat treatment during the manufacturing process. Piezoelectric application components and dielectrics using piezoelectric single crystals with excellent properties are maintained while maintaining the inherent high dielectric constant and piezoelectric constant, while simultaneously meeting the high Internal Bias Electric Field (E I ) characteristics essential for the electrical stability of piezoelectric single crystals. Application parts can be manufactured and used in a wide temperature range and operating voltage conditions.

Description

내부 전기장을 포함하는 압전 단결정, 그 제조방법 및 그를 이용한 압전 및 유전 응용 부품{PIEZOELECTRIC SINGLE CRYSTAL INCLUDING INTERNAL BIAS ELECTRIC FIELD, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND USE FOR PIEZOELECTRIC AND DIELECTRIC ARTICLES USING THE SAME}Piezoelectric single crystal containing internal electric field, manufacturing method thereof, and piezoelectric and dielectric application components using the same

본 발명은 내부 전기장을 포함하는 압전 단결정, 그 제조방법 및 그를 이용한 압전 및 유전 응용 부품에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 유전 상수, 높은 압전 상수과 높은 항전계를 유지하면서 압전 단결정의 전기적 안정성에 필수적인 높은 내부 전기장(Internal Bias Electric Field, EI≥0.5∼3.0 kV/㎝) 특성을 동시에 충족하는 신규한 페로브스카이트형 결정 구조의 압전 단결정, 그 제조방법 및 그를 이용한 압전 및 유전 응용 부품에 관한 것이다.The present invention includes an internal electric field This relates to a piezoelectric single crystal, its manufacturing method, and piezoelectric and dielectric application components using the same. In more detail, it relates to a high internal electric field (Internal Bias Electric Field) essential for the electrical stability of the piezoelectric single crystal while maintaining a high dielectric constant, a high piezoelectric constant, and a high coercive field. , E I ≥0.5∼3.0 kV/cm) It relates to a piezoelectric single crystal with a novel perovskite-type crystal structure that simultaneously satisfies the same characteristics, its manufacturing method, and piezoelectric and dielectric application components using the same.

페로브스카이트형 결정 구조([A][B]O3)의 압전 단결정들은 기존의 압전 다결정체 재료에 비하여 월등히 높은 유전 상수(K3 T)와 압전 상수(d33과 k33)를 나타내어, 압전 액추에이터, 초음파 트랜스듀서, 압전 센서와 유전 캐페시터 등과 같은 고성능 부품에 이용되며 각종 박막 소자의 기판 재료로서도 그 응용이 기대된다. Piezoelectric single crystals with a perovskite-type crystal structure ([A][B]O 3 ) exhibit significantly higher dielectric constants (K 3 T ) and piezoelectric constants (d 33 and k 33 ) compared to existing piezoelectric polycrystalline materials. It is used in high-performance components such as piezoelectric actuators, ultrasonic transducers, piezoelectric sensors, and dielectric capacitors, and is also expected to be applied as a substrate material for various thin film devices.

현재까지 개발된 페로브스카이트형 결정 구조의 압전 단결정들에는 PMN-PT (Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3), PZN-PT (Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3), PInN-PT (Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3), PYbN-PT (Pb(Yb1/2Nb1/2)O3-PbTiO3), PSN-PT (Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-PbTiO3), PMN-PInN-PT, PMN-PYbN-PT와 BiScO3-PbTiO3 (BS-PT) 등이 있다. 이러한 단결정들은 용융(melting)시에 공융(congruent melting) 거동을 하여, 통상적으로 기존의 단결정 성장법인 플럭스법(flux method), 브리지만법(Bridgman method) 등으로 제조되어 왔다. Piezoelectric single crystals with a perovskite-type crystal structure developed to date include PMN-PT (Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -PbTiO 3 ), PZN-PT (Pb(Zn 1/3 Nb 2/ 3 )O 3 -PbTiO 3 ), PInN-PT (Pb(In 1/2 Nb 1/2 )O 3 -PbTiO 3 ), PYbN-PT (Pb(Yb 1/2 Nb 1/2 )O 3 -PbTiO 3 ), PSN-PT (Pb(Sc 1/2 Nb 1/2 )O 3 -PbTiO 3 ), PMN-PInN-PT, PMN-PYbN-PT and BiScO 3 -PbTiO 3 (BS-PT). . These single crystals exhibit congruent melting behavior when melted, and have typically been manufactured using existing single crystal growth methods such as the flux method and Bridgman method.

그러나 기존에 개발된 PMN-PT와 PZN-PT의 압전 단결정들은 상온에서 높은 유전 및 압전 특성들(K3 T>4,000, d33>1,400 pC/N, k33>0.85)을 보이는 장점이 있으나, 낮은 상전이 온도들(TC와 TRT), 낮은 항전계(EC)와 취성(brittleness) 등의 결점으로 압전 단결정의 활용이 상당히 제한된다.However, previously developed piezoelectric single crystals of PMN-PT and PZN-PT have the advantage of showing high dielectric and piezoelectric properties (K 3 T >4,000, d 33 >1,400 pC/N, k 33 >0.85) at room temperature. Shortcomings such as low phase transition temperatures (T C and T RT ), low coercive field (E C ), and brittleness significantly limit the utility of piezoelectric single crystals.

일반적으로 페로브스카이트형 결정 구조의 압전 단결정들은 능면체상과 정방정상의 상경계 즉, MPB(morphotropic phase boundary) 조성 부근 영역에서 유전 및 압전 특성이 가장 높다고 알려져 있다. In general, piezoelectric single crystals with a perovskite-type crystal structure are known to have the highest dielectric and piezoelectric properties in the region near the MPB (morphotropic phase boundary) composition, which is the phase boundary between the rhombohedral phase and the tetragonal phase.

그러나 페로브스카이트형 결정 구조의 압전 단결정들은 일반적으로 능면체상일 때 가장 우수한 유전 및 압전 특성을 보이기 때문에 능면체상의 압전 단결정들의 응용이 가장 활발하나, 능면체상의 압전 단결정들은 능면체상과 정방정상의 상전이 온도(TRT) 이하에서만 안정하기 때문에, 능면체상이 안정할 수 있는 최대 온도인 TRT 이하에서만 사용이 가능하다. 따라서, TRT 상전이 온도가 낮은 경우에는 능면체상의 압전 단결정의 사용 온도가 낮아지고, 압전 단결정 응용 부품의 제작 온도와 사용 온도도 TRT 이하로 제한된다. However, piezoelectric single crystals with a perovskite-type crystal structure generally show the best dielectric and piezoelectric properties when in the rhombohedral phase, so the applications of rhombohedral piezoelectric single crystals are most active. Since it is stable only below the phase transition temperature (T RT ), it can be used only below T RT , which is the maximum temperature at which the rhombohedral phase can be stable. Therefore, when the T RT phase transition temperature is low, the use temperature of the rhombohedral piezoelectric single crystal is lowered, and the manufacturing and use temperatures of piezoelectric single crystal application parts are also limited to T RT or lower.

또한 상전이 온도들(TC와 TRT)과 항전계(EC)가 낮은 경우에는 기계가공, 응력, 열 발생과 구동 전압 하에서 압전 단결정들이 쉽게 폴링이 제거(depoling)되고 우수한 유전 및 압전 특성을 상실하게 된다. 따라서 상전이 온도들(TC와 TRT)과 항전계(EC)가 낮은 압전 단결정들은 단결정 응용 부품 제작 조건, 사용 온도 조건과 구동 전압 조건 등이 제한된다. PMN-PT 단결정의 경우 일반적으로 TC <150℃, TRT<80℃와 EC<2.5 kV/cm이고, PZN-PT 단결정의 경우 일반적으로 TC <170℃, TRT<100℃와 EC<3.5 kV/cm이다. 그리고 이러한 압전 단결정들로 제작된 유전 및 압전 응용 부품들도 제조 조건, 사용 온도 범위나 사용 전압 조건 등이 제한되어 압전 단결정 응용 부품의 개발과 실용화에 장애가 되어 왔다.In addition, when the phase transition temperatures (T C and T RT ) and coercive field (E C ) are low, piezoelectric single crystals are easily depoled and have excellent dielectric and piezoelectric properties under machining, stress, heat generation, and driving voltage. will be lost Therefore, piezoelectric single crystals with low phase transition temperatures (T C and T RT ) and low coercive fields (E C ) have limited single crystal application component manufacturing conditions, use temperature conditions, and driving voltage conditions. For PMN-PT single crystals, typically T C <150℃, T RT <80℃ and E C <2.5 kV/cm, and for PZN-PT single crystals, typically T C <170℃, T RT <100℃ and E C <3.5 kV/cm. In addition, dielectric and piezoelectric application parts made from these piezoelectric single crystals are also limited in manufacturing conditions, use temperature range, use voltage conditions, etc., which has been an obstacle to the development and commercialization of piezoelectric single crystal application parts.

압전 단결정의 단점을 극복하기 위하여 PInN-PT, PSN-PT와 BS-PT 등과 같은 새로운 조성의 단결정이 개발되었고, 또한 PMN-PInN-PT와 PMN-BS-PT 등과 같이 서로 혼합한 단결정 조성들도 연구되고 있다. To overcome the shortcomings of piezoelectric single crystals, single crystals of new compositions such as PInN-PT, PSN-PT and BS-PT have been developed, and also mixed single crystal compositions such as PMN-PInN-PT and PMN-BS-PT have been developed. It is being studied.

그러나 이러한 단결정들의 경우 유전 상수, 압전 상수, 상전이 온도들, 항전계와 기계적 특성 등을 동시에 개선하지는 못하였고, Sc와 In 등과 같이 비싼 원소를 주성분으로 하는 조성의 압전 단결정들은 높은 단결정 제조 원가로 인하여 단결정의 실용화에 장애가 되는 문제가 있다.However, in the case of these single crystals, the dielectric constant, piezoelectric constant, phase transition temperature, coercive field, and mechanical properties could not be improved at the same time, and piezoelectric single crystals with compositions containing expensive elements such as Sc and In as main components due to the high single crystal manufacturing cost. There are problems that hinder the practical use of single crystals.

현재까지 개발된 PMN-PT를 포함하는 페로브스카이트형 결정 구조의 압전 단결정들이 낮은 상전이 온도를 보이는 이유를 크게 세 가지로 나눌 수 있는데, 첫째, PT와 함께 주된 구성 성분이 되는 릴랙서(relaxor; PMN이나 PZN 등)의 상전이 온도가 낮다는 점이다. The reasons why piezoelectric single crystals with a perovskite-type crystal structure, including PMN-PT, developed to date show a low phase transition temperature can be broadly divided into three. First, the relaxor, which is the main component along with PT; The phase transition temperature of PMN, PZN, etc.) is low.

비특허문헌 1에는 페로브스카이트형 구조 압전 세라믹 다결정체들의 정방정상과 입방정상의 상전이 온도(TC)가 표 1에 제시되어 있다. 압전 단결정의 큐리온도는 같은 조성의 다결정체의 큐리온도와 유사하기 때문에, 다결정체의 큐리온도로부터 압전 단결정의 큐리온도를 추정할 수 있다. In Non-Patent Document 1, the phase transition temperatures (T C ) of the tetragonal and cubic phases of perovskite-type structured piezoelectric ceramic polycrystals are presented in Table 1. Since the Curie temperature of a piezoelectric single crystal is similar to the Curie temperature of a polycrystal of the same composition, the Curie temperature of the piezoelectric single crystal can be estimated from the Curie temperature of the polycrystal.

둘째, 정방정상과 능면체상이 경계를 이루는 MPB가 온도 축에 대하여 수직으로 되지 못하고 완만하게 기울어져 있기 때문에, 능면체상과 정방정상의 상전이 온도(TRT)를 올리기 위해서는 큐리온도(TC) 감소가 필연적이기 때문에 큐리온도(TC)와 능면체상과 정방정상의 상전이 온도(TRT)를 동시에 높이기 어렵다. Second, because the MPB that forms the boundary between the tetragonal phase and the rhombohedral phase is not perpendicular to the temperature axis but is gently inclined, the Curie temperature (T C ) is required to raise the phase transition temperature (T RT ) between the rhombohedral phase and the tetragonal phase. Because reduction is inevitable, it is difficult to simultaneously increase the Curie temperature (T C ) and the phase transition temperature (T RT ) between the rhombohedral phase and the tetragonal phase.

셋째, 상전이 온도가 비교적 높은 릴랙서(PYbN, PInN나 BiScO3 등)를 PMN-PT 등에 섞어 주는 경우에도 상전이 온도가 조성에 비례하여 단순히 증가하지 않거나 또는 유전 및 압전 특성이 저하되는 문제를 발생시키기 때문이다. Third, even when a relaxer with a relatively high phase transition temperature (PYbN, PInN, BiScO 3 , etc.) is mixed with PMN-PT, etc., the phase transition temperature does not simply increase in proportion to the composition or the dielectric and piezoelectric properties deteriorate. Because.

나아가, 비특허문헌 1에 제시된 Relaxor-PT계 단결정들은 주로 용융 공정을 이용하는 기존의 단결정 성장법인 플럭스법과 브리지만법 등으로 제조되는데, 단결정 제조 공정상의 이유로 조성이 균일한 큰 단결정을 제조하기 어렵고 제조원가가 높고 대량 생산이 어려워 상용화에 아직 성공하지 못하고 있다. Furthermore, the Relaxor-PT series single crystals presented in Non-Patent Document 1 are mainly manufactured by existing single crystal growth methods such as the flux method and Bridgman method using a melting process. However, due to the single crystal manufacturing process, it is difficult to manufacture large single crystals with uniform composition and the manufacturing cost is high. Due to the high cost and difficulty in mass production, commercialization has not yet been successful.

또한, 일반적으로 압전 다결정 세라믹에 비하여, 압전 단결정은 높은 압전 상수(d33≥2,000∼4,000 pC/N)를 보이나, 항전계가 낮아서(EC≤2 kV/cm) 쉽게 디폴링(depoling) 되므로 전기적 안정성이 낮아서 실제 사용에는 제한적이다. 이에, 압전 단결정의 항전계를 높이는 방법이 제안되었으나, 항전계의 증가는 압전 특성의 저하가 수반되는 문제로 여전히 낮은 실효성이 지적되어 왔다. In addition, compared to piezoelectric polycrystalline ceramics, piezoelectric single crystals generally exhibit a high piezoelectric constant (d 33 ≥2,000∼4,000 pC/N), but have a low coercive field (E C ≤2 kV/cm) and are easily depoled, making them electrically Due to low stability, practical use is limited. Accordingly, a method of increasing the coercive electric field of a piezoelectric single crystal has been proposed, but its effectiveness has been pointed out as still being low due to the problem that increasing the coercive field is accompanied by a decrease in piezoelectric properties.

이에, 본 발명자들은 종래 문제점을 개선하고자 노력한 결과, 항전계와 내부 전기장을 적절하게 증가시켜 압전 단결정의 전기적 안정성과 동시에 높은 압전 특성을 유지하는 방법을 설계하고, 페로브스카이트형 결정 구조([A][B]O3)에서, [A] 자리 이온 및 [B] 자리 이온들의 조성 및 제조공정상 열처리시 산소 분압을 제어함으로써, 압전 단결정 고유의 높은 유전 상수 및 압전 상수를 유지하면서, 압전 단결정의 전기적 안정성에 필수적인 높은 내부 전기장(Internal Bias Electric Field, EI) 특성을 동시에 충족하는 물성을 확인함으로써, 본 발명을 완성하였다. Accordingly, as a result of efforts to improve the conventional problems, the present inventors designed a method to maintain high piezoelectric properties while maintaining the electrical stability of the piezoelectric single crystal by appropriately increasing the coercive field and internal electric field, In the perovskite-type crystal structure ([A][B]O 3 ), by controlling the composition of the [A] site ions and [B] site ions and the oxygen partial pressure during heat treatment during the manufacturing process, the high dielectric constant and intrinsic piezoelectric single crystal The present invention was completed by confirming the physical properties that simultaneously satisfy the high internal electric field (E I ) characteristics essential for the electrical stability of piezoelectric single crystals while maintaining the piezoelectric constant.

대한민국특허 제0564092호 (2006.03.27 공고)Republic of Korea Patent No. 0564092 (announced on March 27, 2006) 대한민국특허 제0743614호 (2007.07.30 공고)Republic of Korea Patent No. 0743614 (announced on July 30, 2007)

IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 44, no. 5, 1997, pp. 1140-1147.IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol. 44, no. 5, 1997, pp. 1140-1147.

본 발명의 목적은 내부 전기장을 포함하는 압전 단결정을 제공하는 것이다. The object of the present invention is to include an internal electric field To provide a piezoelectric single crystal.

본 발명의 다른 목적은 상기 압전 단결정의 제조방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the piezoelectric single crystal.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 압전 단결정을 이용한 압전 부품 또는 유전 부품에 적용하는 것이다. Another object of the present invention is to apply it to piezoelectric components or dielectric components using the piezoelectric single crystal.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 (1) 내지 (4)의 물성을 충족하는 내부 전기장을 포함한 페로브스카이트형 구조([A][B]O3)의 압전 단결정을 제공한다. In order to achieve the above-described object, the present invention provides a piezoelectric single crystal of a perovskite-type structure ([A][B]O 3 ) including an internal electric field that satisfies the physical properties (1) to (4) below. do.

(1) 유전 상수(Dielectric Constant, K3 T)가 4,000 이상 (1) Dielectric Constant (K 3 T ) is 4,000 or more

(2) 압전 상수(Piezoelectric Charge Constant, d33)가 1,400 pC/N 이상(2) Piezoelectric Charge Constant (d 33 ) is 1,400 pC/N or more

(3) 항전계 (Coercive Electric Field, EC)가 3.0 kV/cm 이상 및(3) Coercive Electric Field (E C ) is 3.0 kV/cm or more and

(4) 내부 전기장 (Internal Bias Electric Field, EI)가 0.5 kV/cm 이상.(4) Internal Bias Electric Field (E I ) is more than 0.5 kV/cm.

본 발명의 페로브스카이트형 구조([A][B]O3)의 압전 단결정은 [A] 자리 이온 및 [B] 자리 이온들의 조성을 제어함으로써, 항전계와 내부 전기장을 증가시켜서 압전 단결정의 전기적 안정성과 높은 압전 특성을 유지한다. The piezoelectric single crystal of the perovskite-type structure ([A][B]O 3 ) of the present invention increases the coercive field and internal electric field by controlling the composition of the [A] site ions and [B] site ions, thereby increasing the electric field of the piezoelectric single crystal. Maintains stability and high piezoelectric properties.

이에, 본 발명의 페로브스카이트형 구조([A][B]O3)의 압전 단결정의 제1실시형태는 하기 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정을 제공한다. Accordingly, the first embodiment of the piezoelectric single crystal of the perovskite-type structure ([A][B]O 3 ) of the present invention provides a piezoelectric single crystal having the composition formula (1) below.

화학식 1Formula 1

[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(L)yTix]O3 [A 1-(a+1.5b) B a C b ][(MN) 1-xy (L) y Ti x ]O 3

상기 식에서, A는 Pb 또는 Ba이고, In the above formula, A is Pb or Ba,

B는 Ba, Ca, Co, Fe, Ni, Sn 및 Sr으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상이며, B is at least one selected from the group consisting of Ba, Ca, Co, Fe, Ni, Sn and Sr,

C는 Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이며, C is one or more selected from the group consisting of Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu,

L은 Zr 또는 Hf에서 선택된 단독 또는 혼합 형태이고, L is selected from Zr or Hf, alone or in mixed form,

M은 Ce, Co, Fe, In, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb 및 Zn로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며, M is at least one member selected from the group consisting of Ce, Co, Fe, In, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb and Zn,

N은 Nb, Sb, Ta 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며,N is at least one selected from the group consisting of Nb, Sb, Ta and W,

0<a≤0.10, 0<b≤0.05, 0.05≤x≤0.58, 0.05≤y≤0.62이다.0<a≤0.10, 0<b≤0.05, 0.05≤x≤0.58, 0.05≤y≤0.62.

상기 L이 혼합 형태일 때, 하기 화학식 2의 조성식을 가지는 압전 단결정을 제공한다. When L is in a mixed form, a piezoelectric single crystal having the composition formula (2) below is provided.

화학식 2Formula 2

[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(Zr1-w, Hfw)yTix]O3 [A 1-(a+1.5b) B a C b ][(MN) 1-xy (Zr 1-w , Hf w ) y Ti x ]O 3

상기에서, A, B, C, M 및 N은 상기 화학식 1과 동일하고, a, b, x 및 y도 동일하다. 다만, 0.01≤w≤0.20를 나타낸다. In the above, A, B, C, M and N are the same as in Formula 1, and a, b, x and y are also the same. However, it indicates 0.01≤w≤0.20.

본 발명의 화학식 1 또는 화학식 2의 조성식을 가지는 압전 단결정에 있어서, 단결정 내의 기공률(Porosity)가 0.5 vol% 이상인 것이 바람직하다. In the piezoelectric single crystal having the composition formula (1) or (2) of the present invention, it is preferable that the porosity in the single crystal is 0.5 vol% or more.

본 발명의 화학식 1 또는 화학식 2의 조성식을 가지는 압전 단결정에서, 0.01≤a≤0.10 및 0.01≤b≤0.05을 충족하는 조성이며, 더욱 바람직하게는 상기 식에서 a/b≥2를 충족하는 것이다. In the piezoelectric single crystal having the composition formula of Formula 1 or Formula 2 of the present invention, the composition satisfies 0.01≤a≤0.10 and 0.01≤b≤0.05, and more preferably satisfies a/b≥2 in the above formula.

본 발명의 화학식 1 또는 화학식 2의 조성식을 가지는 압전 단결정에서, 0.10≤x≤0.58 및 0.10≤y≤0.62를 총족하는 것이 더욱 바람직하다. In the piezoelectric single crystal having the composition formula of Formula 1 or Formula 2 of the present invention, it is more preferable to satisfy 0.10≤x≤0.58 and 0.10≤y≤0.62.

또한, 본 발명의 화학식 1 또는 화학식 2의 조성식을 가지는 압전 단결정은 단결정 내부의 조성 구배가 0.2 내지 0.5몰%로 이루어진 것으로 균일성의 특징을 부여한다. In addition, the piezoelectric single crystal having the composition formula of Formula 1 or Formula 2 of the present invention has a composition gradient inside the single crystal of 0.2 to 0.5 mol%, giving it the characteristic of uniformity.

상기 압전 단결정에서, 상기 x와 y는 능면체상과 정방정상의 상경계(MPB) 조성으로부터 10 mol%, 더욱 바람직하게는 상기 x와 y는 능면체상과 정방정상의 상경계(MPB) 조성으로부터 5 mol% 이내의 범위에 속하는 것이다. In the piezoelectric single crystal, x and y are 10 mol% from the phase boundary (MPB) composition of the rhombohedral phase and the tetragonal phase, more preferably, x and y are 5 mol% from the phase boundary (MPB) composition of the rhombohedral phase and the tetragonal phase. It falls within the range of mol%.

이상의 압전 단결정은 큐리온도(Curie temperature, Tc)가 180℃ 이상이며 동시에 능면체상과 정방정상의 상전이온도(phase transition temperature between rhombohedral phase and tetragonal phase, TRT)가 100℃ 이상인 압전 단결정을 제공한다. The piezoelectric single crystal above has a Curie temperature (Tc) of 180°C or higher and a phase transition temperature between rhombohedral phase and tetragonal phase (T RT ) of 100°C or higher. .

또한, 상기 압전 단결정이 전기기계결합계수(longitudinal electromechanical coupling coefficient, k33)가 0.85 이상이며, 항전계(coercive electric field, Ec)가 3.0 내지 12kV/cm를 충족한다. In addition, the piezoelectric single crystal has a longitudinal electromechanical coupling coefficient (k 33 ) of 0.85 or more and a coercive electric field (Ec) of 3.0 to 12 kV/cm.

더욱 바람직하게는, 상기 압전 단결정은 유전 상수(K3 T) 4,000 내지 15,000 및 압전 상수(d33) 1,400 내지 6,000pC/N를 충족한다. More preferably, the piezoelectric single crystal satisfies a dielectric constant (K 3 T ) of 4,000 to 15,000 and a piezoelectric constant (d 33 ) of 1,400 to 6,000 pC/N.

본 발명은 상기의 압전 단결정을 제조하는 방법으로서, The present invention is a method of manufacturing the above piezoelectric single crystal,

(a) 상기 조성을 가지는 다결정체의 기지상 입자들(matrix grains)의 평균 크기를 조절하여 비정상 입자의 개수 밀도(number density: number of abnormal grains/unit area)를 감소시키는 단계 및 (a) reducing the number density of abnormal grains (number of abnormal grains/unit area) by adjusting the average size of matrix grains of the polycrystalline body having the above composition, and

(b) 상기 단계(a)를 통해 얻어진 비정상 입자의 개수 밀도가 감소된 다결정체를 열처리하여 비정상 입자를 성장시키는 단계를 포함하는 압전 단결정의 제조방법을 제공한다. (b) heat treating the polycrystal with a reduced number density of abnormal particles obtained through step (a) to grow abnormal particles.

또 다른 제조방법으로서, 상기 조성을 가지는 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기를 조절하여 비정상 입자의 개수 밀도를 감소시키는 조건하에서 다결정체를 열처리하는, 압전 단결정의 제조방법을 제공한다. As another manufacturing method, a method for manufacturing a piezoelectric single crystal is provided, in which the polycrystal is heat treated under conditions that reduce the number density of abnormal particles by controlling the average size of the matrix particles of the polycrystal having the above composition.

상기에서 다결정체의 비정상 입자의 개수 밀도는 감소된 상태에서 발생된 소수의 비정상 입자만을 계속하여 성장시켜 단결정을 얻을 수 있다. In the above, a single crystal can be obtained by continuing to grow only a small number of abnormal particles generated while the number density of abnormal particles in the polycrystal is reduced.

상기 다결정체의 열처리 전에 다결정체에 종자 단결정을 접합시켜 열처리 중에 종자 단결정을 다결정체 안으로 계속 성장시키는 압전 단결정의 제조방법을 제공할 수 있다. 이때, 상기 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기(R)는 비정상 입자 생성이 일어나는 임계 크기(비정상 입자의 개수 밀도가 "0 (zero)"이 되는 기지상 입자들의 평균 크기, Rc)의 0.5 내지 2배 크기 범위(0.5Rc≤R≤2Rc)내로 조절되는 것이다. A method of manufacturing a piezoelectric single crystal can be provided by bonding a seed single crystal to the polycrystal before heat treatment of the polycrystal and continuing to grow the seed single crystal into the polycrystal during heat treatment. At this time, the average size (R) of the matrix particles of the polycrystalline body is 0.5 to 2 of the critical size at which abnormal particles are generated (the average size of matrix particles at which the number density of abnormal particles is “0 (zero),” R c ). It is controlled within the ship size range (0.5R c ≤R≤2R c ).

상기 압전 단결정의 제조방법은 페로브스카이트형 결정 구조([A][B]O3)의 압전 단결정에서, [A] 자리 이온 및 [B] 자리 이온들의 조성을 제어하고, 제조공정상 열처리시 산소 분압을 제어함으로써, 압전 단결정 고유의 높은 유전 상수, 압전 상수 및 항전계를 유지하면서, 일반적인 PMN-PT 단결정에는 없는 내부 전기장(Internal Bias Electric Field, EI)을 충분히 유도할 수 있어 외부 환경에 저항성이 큰 새로운 압전 단결정을 제공할 수 있다. The method for manufacturing the piezoelectric single crystal is to control the composition of the [A] site ions and the [B] site ions in a piezoelectric single crystal with a perovskite-type crystal structure ([A][B]O 3 ), and to control the oxygen partial pressure during heat treatment during the manufacturing process. By controlling the piezoelectric single crystal, it is possible to sufficiently induce an internal electric field (Internal Bias Electric Field, E I ) that is not present in a typical PMN-PT single crystal while maintaining the high dielectric constant, piezoelectric constant, and coercive field inherent in the piezoelectric single crystal, making it resistant to the external environment. Large new piezoelectric single crystals can be provided.

나아가, 본 발명은 상기 우수한 특성의 압전 단결정으로 이루어진 압전체 또는 상기 압전 단결정과 폴리머가 복합화된 압전체를 이용한 압전 응용 부품 및 유전 응용 부품을 제공한다. Furthermore, the present invention provides piezoelectric application components and dielectric application components using a piezoelectric material made of the piezoelectric single crystal with excellent properties or a piezoelectric material composed of a composite of the piezoelectric single crystal and a polymer.

상기의 압전 응용 부품 및 유전 응용 부품의 일례로는 초음파 트랜스듀서 (ultrasonic transducers), 압전 액추에이터 (piezoelectric actuators), 압전 센서 (piezoelectric sensors), 유전 캐패시터 (dielectric capacitors), 전기장 방사 트랜스듀서 (Electric Field Generating Transducers) 및 전기장-진동 방사 트랜스듀서 (Electric Field and Vibration Generating Transducers)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나에 적용할 수 있다. Examples of the above piezoelectric and dielectric application components include ultrasonic transducers, piezoelectric actuators, piezoelectric sensors, dielectric capacitors, and electric field generating transducers. It can be applied to any one selected from the group consisting of Transducers and Electric Field and Vibration Generating Transducers.

본 발명에 의한 압전 단결정 및 압전 단결정 응용 부품은, 유전 상수(K3 T) 4,000 이상, 압전 상수(d33) 1,400 pC/N 이상 및 항전계(EC) 3 kV/㎝ 이상의 우수한 물성 뿐만 아니라 "압전 단결정의 전기적 안정성에 필수적인" 높은 내부 전기장(Internal Bias Electric Field, EI≥0.5∼3.0 kV/cm) 특성을 동시에 가져 넓은 온도 영역과 사용 전압조건에서 사용가능하게 하는 장점이 있다. The piezoelectric single crystal and piezoelectric single crystal application parts according to the present invention not only have excellent physical properties such as a dielectric constant (K 3 T ) of 4,000 or more, a piezoelectric constant (d 33 ) of 1,400 pC/N or more, and a coercive electric field (E C ) of 3 kV/cm or more. It has the advantage of having a high internal electric field (E I ≥0.5∼3.0 kV/cm), which is “essential for the electrical stability of piezoelectric single crystals,” allowing it to be used in a wide temperature range and operating voltage conditions.

또한, 단결정 대량 생산에 적합한 고상 단결정 성장법을 이용하여 압전 단결정들을 제조하고 값비싼 원료를 포함하지 않는 단결정 조성을 개발하여 압전 단결정 상용화를 가능하게 할 수 있다. In addition, it is possible to manufacture piezoelectric single crystals using a solid-phase single crystal growth method suitable for mass production of single crystals and to develop a single crystal composition that does not contain expensive raw materials, making it possible to commercialize piezoelectric single crystals.

나아가, 본 발명에 의한 압전 단결정 및 압전 단결정 응용 부품은 우수한 특성의 압전 단결정을 이용한 압전 응용 부품 및 유전 응용 부품들을 넓은 온도 영역에서 제작하고 사용하는 것을 가능하다.Furthermore, the piezoelectric single crystal and piezoelectric single crystal application components according to the present invention make it possible to manufacture and use piezoelectric application components and dielectric application components using piezoelectric single crystals with excellent characteristics in a wide temperature range.

도 1은 본 발명의 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.1; y=0) 압전 단결정이고,
도 2는 본 발명의 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.01; y=0.05) 압전 단결정 [단결정 성장 분위기 - Air; Mn 첨가로 인해 검은색]이고,
도 3은 본 발명의 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.01; y=0.05) 압전 단결정 [단결정 성장 분위기 - N2-H2; Mn 첨가로 인해 검은색]이고,
도 4는 본 발명의 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.01; y=0.05) 압전 단결정[단결정 성장 분위기 - Air]에 대한 분극(Polarization)-전기장(Electric Field) 그래프이고,
도 5는 고상 단결정 성장법 제조된 일반적인 PMN-30PT 압전 단결정[단결정 성장 분위기 - Air]에 대한 분극(Polarization)-전기장(Electric Field) 그래프이고,
도 6은 본 발명의 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.01; y=0.1) 압전 단결정[단결정 성장 분위기 - N2-H2]에 대한 분극(Polarization)-전기장(Electric Field) 그래프이다.
Figure 1 shows [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x=0.1;y=0) is a piezoelectric single crystal,
Figure 2 shows [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x=0.01; y=0.05) Piezoelectric single crystal [Single crystal growth atmosphere - Air; black due to Mn addition],
Figure 3 shows [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x=0.01; y=0.05) Piezoelectric single crystal [single crystal growth atmosphere - N 2 -H 2 ; black due to Mn addition],
Figure 4 shows [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x=0.01; y=0.05) Polarization-Electric Field graph for piezoelectric single crystal [single crystal growth atmosphere - Air],
Figure 5 is a polarization-electric field graph for a typical PMN-30PT piezoelectric single crystal (single crystal growth atmosphere - Air) manufactured by the solid-phase single crystal growth method;
Figure 6 shows [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x=0.01; y=0.1) This is a polarization-electric field graph for a piezoelectric single crystal [single crystal growth atmosphere - N 2 -H 2 ].

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 항전계와 내부 전기장을 증가시켜서 압전 단결정의 전기적 안정성과 동시에 높은 압전 특성을 유지하는 압전 단결정을 제공한다. The present invention provides a piezoelectric single crystal that maintains high piezoelectric properties while maintaining electrical stability of the piezoelectric single crystal by increasing the coercive field and internal electric field.

이에, (1) 유전 상수(Dielectric Constant, K3 T)가 4,000 이상 Accordingly, (1) the dielectric constant (K 3 T ) is 4,000 or more

(2) 압전 상수(Piezoelectric Charge Constant, d33)가 1,400 pC/N 이상(2) Piezoelectric Charge Constant (d 33 ) is 1,400 pC/N or more

(3) 항전계 (Coercive Electric Field, EC)가 3.0 kV/cm 이상 및(3) Coercive Electric Field (E C ) is 3.0 kV/cm or more and

(4) 내부 전기장 (Internal Bias Electric Field, EI)가 0.5 kV/cm 이상을 충족하는 페로브스카이트형 구조([A][B]O3)의 압전 단결정을 제공한다. (4) Provides a piezoelectric single crystal with a perovskite-type structure ([A][B]O 3 ) whose internal electric field (E I ) satisfies 0.5 kV/cm or more.

더욱 바람직하게는 (1) 유전 상수(Dielectric Constant)가 4,000 이상 및 (2) 압전 상수(Piezoelectric Charge Constant [d33])가 1,400 pC/N 이상을 유지하면서, (3) 항전계 (Coercive Electric Field [EC])가 4.0 kV/cm 이상 및 (4) 내부 전기장 (Internal Bias Electric Field [EI])가 1.0 kV/cm 이상을 충족하는 압전 단결정을 제공하는 것이다.More preferably, (1) the dielectric constant is maintained at 4,000 or more and (2) the piezoelectric charge constant [d 33 ] is maintained at 1,400 pC/N or more, and (3) the coercive electric field [E C ]) is 4.0 kV/cm or more and (4) Internal Electric Field (Internal Bias Electric Field [E I ]) is to provide a piezoelectric single crystal that satisfies 1.0 kV/cm or more.

상기 유전 상수 및 압전 상수값은 상온의 동일 온도조건에서 평가되며, 본 발명의 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, 30℃에서 평가된 유전 상수 및 압전 상수 값을 의미한다. The dielectric constant and piezoelectric constant values are evaluated under the same temperature conditions at room temperature, and unless otherwise specified in the specification of the present invention, they mean the dielectric constant and piezoelectric constant values evaluated at 30°C.

또한, 상기 압전 단결정이 20 내지 80℃ 온도에서 (1) 내지 (4)를 물성이 유지되는 것을 특징으로 한다. In addition, the piezoelectric single crystal is characterized in that physical properties (1) to (4) are maintained at a temperature of 20 to 80 ° C.

상기 페로브스카이트형 구조([A][B]O3)의 압전 단결정은 [A] 자리 이온 및 [B] 자리 이온의 조성을 제어함으로써, 항전계와 내부 전기장을 증가시켜 압전 단결정의 전기적 안정성과 높은 압전 특성을 유지한다. The piezoelectric single crystal of the perovskite-type structure ([A][B]O 3 ) increases the coercive field and internal electric field by controlling the composition of the [A] site ion and the [B] site ion, thereby improving the electrical stability of the piezoelectric single crystal. Maintains high piezoelectric properties.

이에, 본 발명의 페로브스카이트형 구조([A][B]O3)의 압전 단결정은 하기 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정을 제공한다. Accordingly, the piezoelectric single crystal of the perovskite-type structure ([A][B]O 3 ) of the present invention provides a piezoelectric single crystal having the composition formula (1) below.

화학식 1Formula 1

[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(L)yTix]O3 [A 1-(a+1.5b) B a C b ][(MN) 1-xy (L) y Ti x ]O 3

상기 식에서, A는 Pb 또는 Ba이고, In the above formula, A is Pb or Ba,

B는 Ba, Ca, Co, Fe, Ni, Sn 및 Sr으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상이며, B is at least one selected from the group consisting of Ba, Ca, Co, Fe, Ni, Sn and Sr,

C는 Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이며, C is one or more selected from the group consisting of Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu,

L은 Zr 또는 Hf에서 선택된 단독 또는 혼합 형태이고, L is selected from Zr or Hf alone or in mixed form,

M은 Ce, Co, Fe, In, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb 및 Zn로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며, M is at least one member selected from the group consisting of Ce, Co, Fe, In, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb and Zn,

N은 Nb, Sb, Ta 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며,N is at least one selected from the group consisting of Nb, Sb, Ta and W,

0<a≤0.10, 0<b≤0.05, 0.05≤x≤0.58, 0.05≤y≤0.62이다.0<a≤0.10, 0<b≤0.05, 0.05≤x≤0.58, 0.05≤y≤0.62.

이상의 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정에 있어서, 단결정 내의 기공률(Porosity)가 0.5 vol% 이상인 것이 바람직하다. In the piezoelectric single crystal having the above formula (1), it is preferable that the porosity in the single crystal is 0.5 vol% or more.

본 발명의 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정은 화학적 조성이 복합해지면서 압전 특성이 더욱 증가하는 경향에 기반하여, 페로브스카이트형 결정 구조([A][B]O3)에서, [A] 자리 이온들을 복합 조성으로 구성한다.The piezoelectric single crystal having the composition formula of Formula 1 of the present invention has a perovskite-type crystal structure ([A][B]O 3 ), [A] based on the tendency for piezoelectric properties to further increase as the chemical composition becomes more complex. Site ions are composed of complex compositions.

이때, 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정에서 [A] 자리 이온의 복합조성을 구체적으로 살피면, [A1-(a+1.5b)BaCb]로 구성될 수 있으며, 상기 A 조성은 유연 또는 무연 원소를 포함하며 본 발명의 실시예에서는 A가 Pb인 유연계 압전 단결정에 한정하여 설명하나, 이에 한정되지는 아니할 것이다. At this time, if we look specifically at the complex composition of the [A] site ion in the piezoelectric single crystal with the composition formula of Formula 1, it may be composed of [A 1-(a+1.5b) B a C b ], and the A composition is flexible or It contains a lead-free element, and in the embodiments of the present invention, the description is limited to a leaded piezoelectric single crystal where A is Pb, but it will not be limited thereto.

상기 [A] 자리 이온에 있어서, B 조성은 금속 2가 원소, 바람직하게는 Ba, Ca, Co, Fe, Ni, Sn 및 Sr으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상이며, C 조성은 금속 3가의 원소라면 사용하다. In the [A] site ion, the B composition is a metal divalent element, preferably at least one selected from the group consisting of Ba, Ca, Co, Fe, Ni, Sn, and Sr, and the C composition is a metal trivalent element. If it is an element, use it.

바람직하게는 Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이며, 더욱 바람직하게는 란탄계 원소를 1종 또는 2종 혼합형태로 사용하는 것이다. Preferably, it is at least one selected from the group consisting of Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, and more preferably In other words, lanthanide elements are used alone or in a mixture of two types.

본 발명의 실시예에서는 [A] 자리 이온에 있어서, C 조성은 La 및 Sm을 포함한 단독 또는 1종이상의 혼합조성으로 설명하고 있으나 이에 한정되지는 아니할 것이다. In the embodiments of the present invention, in the [A] site ion, the C composition is described as a single composition or a mixture of one or more types including La and Sm, but will not be limited thereto.

상기 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정에서 [A] 자리 이온의 복합조성에 있어서, [A] 자리 이온에 해당되는 [A1-(a+1.5b)BaCb] 조성은 목표하는 물성을 구현하기 위한 요건으로서, A가 유연계 또는 무연계 압전 단결정일 때, 금속 2가 원소 및 금속 3가 원소의 조합하여 구성되는 것을 특징으로 한다. In the complex composition of the [A] site ion in the piezoelectric single crystal having the composition formula of Formula 1, the [A 1-(a+1.5b) B a C b ] composition corresponding to the [A] site ion has the target physical properties. As a requirement for implementation, when A is a leaded or lead-free piezoelectric single crystal, it is characterized by being composed of a combination of a metal divalent element and a metal trivalent element.

바람직하게는 화학식 1의 압전 단결정 조성에서 도너(Donor)에 해당되는 [A] 자리 이온의 복합조성에 있어서, 0.01≤a≤0.10 및 0.01≤b≤0.05을 충족해야 하며, 더욱 바람직하게는 a/b≥2를 충족하는 것이다. 이때, 상기에서 a가 0.01 미만이면, 페로브스카이트 상이 불안정한 문제가 있고, 0.10을 초과하면 상전이 온도가 너무 낮아져 실제 사용이 어려져 바람직하지 않다. Preferably, in the composite composition of the [A] site ion corresponding to the donor in the piezoelectric single crystal composition of Formula 1, 0.01≤a≤0.10 and 0.01≤b≤0.05 must be satisfied, and more preferably, a/ It satisfies b≥2. At this time, if a is less than 0.01, there is a problem that the perovskite phase is unstable, and if it exceeds 0.10, the phase transition temperature becomes too low, making actual use difficult, which is not desirable.

또한, a/b≥2 요건을 충족하지 않으면, 유전 및 압전 특성이 최대화되지 않거나 단결정 성장이 제한되는 문제로 바람직하지 않다.In addition, if the requirement a/b≥2 is not met, it is undesirable because the dielectric and piezoelectric properties are not maximized or single crystal growth is limited.

이때, 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정에서 [A] 자리 이온의 복합조성에 있어서 금속 3가 원소 또는 금속 2가 원소 단독으로 구성된 경우 대비, 복합조성일 때, 우수한 유전 상수를 구현할 수 있다. At this time, in the composite composition of the [A] site ion in the piezoelectric single crystal having the composition formula of Chemical Formula 1, an excellent dielectric constant can be realized when the composite composition is composed of only trivalent metal elements or divalent metal elements.

일반적으로 알려진 [A][MN]O3-PbTiO3-PbZrO3 상태도에 따르면, 능면체상과 정방정상의 상경계(MPB) 주위에서 우수한 유전 및 압전 특성을 나타내는 조성 영역을 나타낸다. [A][MN]O3-PbTiO3-PbZrO3 상태도에서 능면체상과 정방정상의 상경계 조성에서 유전 및 압전 특성이 최대화되고 MPB 조성에서 조성이 멀어질수록 유전 및 압전 특성이 점차 감소한다. 그리고 MPB 조성에서 능면체상 영역으로 5mol% 조성 이내의 경우에는 유전 및 압전 특성의 감소가 적어 아주 높은 유전 및 압전 특성 값을 유지하였고, MPB 조성에서 능면체상 영역으로 10 mol% 조성 이내의 경우에는 유전 및 압전 특성이 연속적으로 감소하였지만 유전 및 압전 응용 부품에 적용하기에 충분히 높은 유전 및 압전 특성 값을 보였다. MPB 조성에서 정방정상 영역으로 조성이 변하는 경우에는 능면체상 영역에서 보다 유전 및 압전 특성의 감소가 보다 빠르게 일어난다. 그러나 정방정상 영역으로 5 mol% 조성 이내의 경우나 10 mol% 조성 이내의 경우에도 유전 및 압전 특성이 연속적으로 감소하였지만 유전 및 압전 응용 부품에 적용하기에 충분히 높은 유전 및 압전 특성 값을 보인다. According to the generally known [A][MN]O 3 -PbTiO 3 -PbZrO 3 phase diagram, a composition region showing excellent dielectric and piezoelectric properties is shown around the phase boundary (MPB) of the rhombohedral phase and the tetragonal phase. In the [A][MN]O 3 -PbTiO 3 -PbZrO 3 phase diagram, the dielectric and piezoelectric properties are maximized at the phase boundary composition of the rhombohedral phase and the tetragonal phase, and as the composition moves away from the MPB composition, the dielectric and piezoelectric properties gradually decrease. In addition, when the MPB composition is within 5 mol% of the rhombohedral region, there is little decrease in dielectric and piezoelectric properties, maintaining very high dielectric and piezoelectric property values, and when the MPB composition is within 10 mol% of the rhombohedral region. Although the dielectric and piezoelectric properties decreased continuously, the dielectric and piezoelectric properties values were sufficiently high to be applied to dielectric and piezoelectric application components. When the composition changes from the MPB composition to the tetragonal region, the decrease in dielectric and piezoelectric properties occurs more rapidly than in the rhombohedral region. However, even when the composition is within 5 mol% or within 10 mol% in the tetragonal normal region, the dielectric and piezoelectric properties continuously decrease, but the dielectric and piezoelectric properties are sufficiently high to be applied to dielectric and piezoelectric application components.

PbTiO3와 PbZrO3의 상경계(MPB)는 PbTiO3: PbZrO3 = x: y = 0.48: 0.52 (몰비)으로 알려져 있다. The phase boundary (MPB) of PbTiO 3 and PbZrO 3 is known as PbTiO 3 : PbZrO 3 = x: y = 0.48: 0.52 (molar ratio).

MPB 조성에서 능면체상과 정방정상 영역으로 각각 5 mol% 조성이 변하는 경우에는 x와 y의 최대값은 각각 0.53과 0.57(다시 말하면, x가 최대인 경우의 x: y= 0.53: 0.47이고, y가 최대인 경우의 x: y = 0.43: 0.57) 이 된다. 그리고 MPB 조성에서 능면체상과 정방정상 영역으로 각각 10 mol% 조성이 변하는 경우에는 x와 y의 최대값은 각각 0.58과 0.62(다시 말하면, x가 최대인 경우의 x: y = 0.58: 0.42이고, y가 최대인 경우의 x: y = 0.38: 0.62)가 된다. MPB 조성에서 능면체상과 정방정상 영역으로 각각 5 mol% 조성 이내의 범위에서 높은 유전 및 압전 특성 값을 유지하였고, MPB 조성에서 능면체상과 정방정상 영역으로 각각 10 mol% 조성 이내의 범위에서는 유전 및 압전 응용 부품에 적용하기에 충분히 높은 유전 및 압전 특성 값을 보인다.When the MPB composition changes by 5 mol% from the rhombohedral phase to the tetragonal phase, the maximum values of x and y are 0.53 and 0.57, respectively (in other words, when x is the maximum, x: y = 0.53: 0.47, When y is the maximum, x: y = 0.43: 0.57). And when the composition changes by 10 mol% from the MPB composition to the rhombohedral and tetragonal regions, the maximum values of x and y are 0.58 and 0.62, respectively (in other words, when x is the maximum, x: y = 0.58: 0.42 and , when y is the maximum, x: y = 0.38: 0.62). High dielectric and piezoelectric properties were maintained within the range of 5 mol% in the rhombohedral and tetragonal regions of the MPB composition, and within the range of 10 mol% in the rhombohedral and tetragonal regions of the MPB composition. It exhibits sufficiently high dielectric and piezoelectric property values to be applied to dielectric and piezoelectric application components.

또한, PbTiO3와 PbZrO3의 함량 즉, x와 y 값이 0.05이하인 경우에는 능면체상과 정방정상의 상경계를 만들 수 없거나 상전이 온도들과 항전계가 너무 낮아 본 발명에 적합하지 않다. In addition, if the contents of PbTiO 3 and PbZrO 3 , that is, the x and y values are less than 0.05, the phase boundary between the rhombohedral phase and the tetragonal phase cannot be created, or the phase transition temperatures and coercive fields are too low, making it not suitable for the present invention.

따라서, 상기 화학식 1의 압전 단결정 조성에서 억셉터(Acceptor)에 해당되는 [B] 자리 이온의 복합조성에 있어서, x는 0.05≤x≤0.58의 범위에 속하는 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 0.10≤x≤0.58이다. 이때, x가 0.05 미만인 경우에는 상전이 온도(Tc와 TRT), 압전 상수(d33, k33) 또는 항전계(Ec)가 낮으며 x가 0.58을 초과하는 경우에는 유전 상수(K3 T), 압전 상수(d33, k33) 또는 상전이 온도(TRT)가 낮기 때문이다. 한편, y는 0.05≤y≤0.62의 범위에 속하는 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 0.10≤y≤0.62를 충족하는 것이다. 그 이유는 y가 0.05 미만인 경우에는 상전이 온도(Tc와 TRT), 압전 상수(d33, k33) 또는 항전계(Ec)가 낮으며 0.62를 초과하는 경우에는 유전 상수(K3 T) 또는 압전 상수(d33, k33)가 낮기 때문이다. Therefore, in the complex composition of the [B] site ion corresponding to the acceptor in the piezoelectric single crystal composition of Formula 1, x is preferably in the range of 0.05≤x≤0.58, and more preferably 0.10≤x. ≤0.58. At this time, if x is less than 0.05, the phase transition temperature (Tc and T RT ), piezoelectric constant (d 33 , k 33 ), or coercive electric field (Ec) is low, and if x is more than 0.58, the dielectric constant (K 3 T ) , This is because the piezoelectric constants (d 33 , k 33 ) or phase transition temperature (T RT ) are low. Meanwhile, y preferably falls within the range of 0.05≤y≤0.62, and more preferably satisfies 0.10≤y≤0.62. The reason is that when y is less than 0.05, the phase transition temperature (Tc and T RT ), piezoelectric constant (d 33 , k 33 ) or coercive field (Ec) is low, and when y exceeds 0.62, the dielectric constant (K 3 T ) or This is because the piezoelectric constants (d 33 , k 33 ) are low.

본 발명의 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정은 페로브스카이트형 결정 구조([A][B]O3)에서, [B] 자리 이온에서 금속 4가 원소를 포함하되, 특히 L 조성에 대하여, Zr 또는 Hf에서 선택된 단독 또는 혼합 형태로 한정한다. The piezoelectric single crystal having the composition formula of Formula 1 of the present invention has a perovskite-type crystal structure ([A][B]O 3 ) and contains a tetravalent metal element at the [B] site ion, especially for the L composition, It is limited to a single or mixed form selected from Zr or Hf.

상기 혼합 형태이면, 하기 화학식 2의 조성식을 가지는 압전 단결정을 제공한다. In the above mixed form, a piezoelectric single crystal having the composition formula (2) below is provided.

화학식 2Formula 2

[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(Zr1-w, Hfw)yTix]O3 [A 1-(a+1.5b) B a C b ][(MN) 1-xy (Zr 1-w , Hf w ) y Ti x ]O 3

상기에서, A, B, C, M 및 N은 상기 화학식 1과 동일하고, a, b, x 및 y도 동일하며, 다만 0.01≤w≤0.20를 나타낸다. In the above, A, B, C, M and N are the same as in Formula 1, and a, b, x and y are also the same, except that 0.01≤w≤0.20.

이때, 상기 w가 0.01 미만이면, 유전 및 압전 특성이 최대화되지 않는 문제가 있고, 0.20을 초과하면, 유전 및 압전 특성이 급격히 감소하여 바람직하지 않다. At this time, if w is less than 0.01, there is a problem that the dielectric and piezoelectric properties are not maximized, and if w is more than 0.20, the dielectric and piezoelectric properties are drastically reduced, which is not desirable.

이상의 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정에 대하여, 바람직한 일례로 실시예에 기반한 페로브스카이트형 구조의 압전 단결정은 하기 화학식 3의 조성식을 가지는 것을 특징으로 한다. Regarding the piezoelectric single crystal having the composition formula of Formula 1 above, as a preferred example, the piezoelectric single crystal with a perovskite-type structure based on the embodiment is characterized by having the composition formula of Formula 3 below.

화학식 3Formula 3

[Pb1-(a+1.5b)SraCb][(MN)1-x-y(Zr)yTix]O3 [Pb 1-(a+1.5b) Sr a C b ][(MN) 1-xy (Zr) y Ti x ]O 3

상기 식에서, In the above equation,

C는 Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이며, C is one or more selected from the group consisting of Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu,

M은 Ce, Co, Fe, In, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb 및 Zn로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며, M is at least one member selected from the group consisting of Ce, Co, Fe, In, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb and Zn,

N은 Nb, Sb, Ta 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며, N is at least one selected from the group consisting of Nb, Sb, Ta and W,

0.02≤a≤0.10, 0.005≤b≤0.05, 0.35≤x≤0.58 및 0.05≤y≤0.62이다. 0.02≤a≤0.10, 0.005≤b≤0.05, 0.35≤x≤0.58 and 0.05≤y≤0.62.

또한, 실시예에서는 상기 화학식 3의 조성을 가지는 압전 단결정의 조성에 있어서, 도너(Donor) 및 억셉터(Acceptor) 조성비를 한정하여, 압전 단결정 고유의 높은 유전 상수, 압전 상수 및 항전계를 유지하면서, 항전계와 내부 전기장이 효과적으로 증가되는 결과를 설명하고 있으나, 상기 조성 및 조성비는 이에 한정되지 아니하고 화학식 1의 조성범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능할 것이다. In addition, in the embodiment, in the composition of the piezoelectric single crystal having the composition of Formula 3, the composition ratio of the donor and the acceptor is limited, while maintaining the high dielectric constant, piezoelectric constant, and coercive field inherent in the piezoelectric single crystal, Although the result of effectively increasing the coercive field and internal electric field is explained, the composition and composition ratio are not limited thereto, and various variations and modifications may be made within the composition range of Formula 1.

상기 압전 단결정의 조성에 있어서, 도너(Donor) 함량 및 억셉터(Acceptor), 바람직하게는, Mn 함량을 최적화하여 조절함으로써, 항전계 (Corecive Electric Field)와 내부 전기장(Internal Electric Field)가 효과적으로 증가되어 전기장 구동시와 기계적 하중 조건에서 압전 단결정의 안정성이 증가한다.  따라서 압전 특성을 최대화하고 동시에 안정성도 높일 수 있다. In the composition of the piezoelectric single crystal, the corecive electric field and internal electric field are effectively increased by optimizing and controlling the donor content and the acceptor, preferably, the Mn content. This increases the stability of the piezoelectric single crystal when driven by an electric field and under mechanical load conditions. Therefore, piezoelectric properties can be maximized and stability can be increased at the same time.

본 발명에 의한 화학식 1의 조성식을 가지는 압전 단결정은 전기기계결합계수(k33)가 0.85 이상인 것이며, 상기 전기기계결합계수가 0.85 미만이면 압전 다결정체 세라믹스와 특성이 유사하고 에너지 변환 효율이 낮아지기 때문에 바람직하지 않다. The piezoelectric single crystal having the composition formula of Formula 1 according to the present invention has an electromechanical coupling coefficient (k 33 ) of 0.85 or more. If the electromechanical coupling coefficient is less than 0.85, the characteristics are similar to those of piezoelectric polycrystalline ceramics and the energy conversion efficiency is lowered. Not desirable.

본 발명에 의한 압전 단결정은 항전계(EC)가 3.0 kV/cm 이상, 더욱 바람직하게는 3.5 kV/cm 이상, 가장 바람직하게는 4 내지 12 kV/㎝인 것이 바람직하고, 상기 항전계가 3.0 kV/cm 미만이면, 압전 단결정 가공시 또는 압전 단결정 응용 부품 제작 또는 사용 시에 쉽게 폴링(poling)이 제거되는 문제가 있다. The piezoelectric single crystal according to the present invention preferably has a coercive electric field (E C ) of 3.0 kV/cm or more, more preferably 3.5 kV/cm or more, and most preferably 4 to 12 kV/cm, and the coercive electric field is 3.0 kV. If it is less than /cm, there is a problem that poling is easily removed when processing piezoelectric single crystals or when manufacturing or using piezoelectric single crystal application parts.

더욱 바람직하게는, 본 발명에 의한 압전 단결정은 높은 유전 상수(K3 T≥4,000∼15,000) 및 높은 압전 상수(d33≥1,400∼6,000 pC/N)를 동시에 충족한다. More preferably, the piezoelectric single crystal according to the present invention simultaneously satisfies a high dielectric constant (K 3 T ≥4,000∼15,000) and a high piezoelectric constant (d 33 ≥1,400∼6,000 pC/N).

또한, 본 발명의 화학식 1 또는 화학식 2의 조성식을 가지는 압전 단결정은 단결정 내부의 조성 구배가 0.2 내지 0.5몰%로 이루어져 균일성있는 단결정을 제공할 수 있다. In addition, the piezoelectric single crystal having the composition formula of Formula 1 or Formula 2 of the present invention can provide a uniform single crystal with a composition gradient inside the single crystal of 0.2 to 0.5 mol%.

지르콘산납(PbZrO3)은 230℃의 높은 상전이 온도를 가질 뿐 만 아니라, MPB가 온도 축에 대해서 더욱 수직하게 만드는 효과가 있어 높은 큐리온도를 유지하면서 높은 능면체상과 정방정상의 상전이온도(TRT)를 얻는 것이 가능하여, Tc와 TRT가 동시에 높은 조성을 개발할 수 있다. Lead zirconate (PbZrO 3 ) not only has a high phase transition temperature of 230℃, but also has the effect of making MPB more perpendicular to the temperature axis, maintaining a high Curie temperature and maintaining a high rhombohedral phase and tetragonal phase transition temperature (T RT ), it is possible to develop compositions with high Tc and T RT at the same time.

종래 압전 단결정 조성에 지르콘산납을 섞어 주는 경우에도 상전이 온도가 지르콘산납의 함량에 비례하여 증가하기 때문이다. 따라서 지르코늄(Zr) 또는 지르콘산납을 포함하는 페로브스카이트형 결정 구조의 압전 단결정은 기존의 압전 단결정들의 문제점들을 극복할 수 있다. 또한, 지르코니아(ZrO2) 또는 지르콘산납은 기존의 압전 다결정 재료에서 주성분으로 사용되고 있고 또한 저렴한 원료이기 때문에 단결정의 원료 가격을 높이지 않고 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.This is because even when lead zirconate is mixed with a conventional piezoelectric single crystal composition, the phase transition temperature increases in proportion to the content of lead zirconate. Therefore, a piezoelectric single crystal with a perovskite-type crystal structure containing zirconium (Zr) or lead zirconate can overcome the problems of existing piezoelectric single crystals. In addition, zirconia (ZrO 2 ) or lead zirconate is used as a main component in existing piezoelectric polycrystalline materials and is an inexpensive raw material, so the purpose of the present invention can be achieved without increasing the raw material price of single crystals.

반면에, 지르콘산납을 포함하는 페로브스카이트형 압전 단결정은 용융 시에 PMN-PT와 PZN-PT 등과 달리 공융(congruent melting) 거동을 보이지 않고 비공융(incongruent melting) 거동을 보인다. 따라서 비공융 거동을 보이면 고상의 용융 시에 액상과 고상 지르코니아(solid phase ZrO2)로 분리되고, 액상 내의 고상 지르코니아 입자들이 단결정 성장을 방해하여 용융 공정을 이용하는 일반적인 단결정 성장법인 플럭스법과 브리지만 법 등으로는 제조할 수 없다.On the other hand, perovskite-type piezoelectric single crystals containing lead zirconate do not show congruent melting behavior when melted, unlike PMN-PT and PZN-PT, but show incongruent melting behavior. Therefore, if it shows non-eutectic behavior, it is separated into liquid phase and solid phase zirconia (solid phase ZrO 2 ) when the solid phase is melted, and the solid phase zirconia particles in the liquid phase interfere with single crystal growth, so general single crystal growth methods using the melting process, such as the flux method and Bridgman method, are used. It cannot be manufactured with

또한, 용융 공정을 이용하는 일반적인 단결정 성장법으로는 강화 이차상을 포함하는 단결정 제조가 어렵고 아직까지 보고된 바가 없다. 왜냐하면 용융 온도 이상에게 강화 이차상이 액상과 화학적으로 불안정하여 반응하므로 독립적인 이차상 형태를 유지하지 못하고 소멸하기 때문이다. 또한 액상 내에서 이차상과 액상의 밀도 차이로 인하여 이차상과 액상의 분리가 일어나서, 이차상을 포함하는 단결정 제조가 어렵고 더욱이 단결정 내부에 강화 이차상의 부피 분율(volume fraction), 크기(size), 형태(shape), 배열(arrangement) 및 분포(distribution) 등을 조절할 수 없다. In addition, it is difficult to manufacture a single crystal containing a strengthened secondary phase using a general single crystal growth method using a melting process, and this has not yet been reported. This is because, above the melting temperature, the reinforced secondary phase is chemically unstable and reacts with the liquid phase, so it cannot maintain its independent secondary phase form and disappears. In addition, separation of the secondary phase and liquid phase occurs due to the difference in density between the secondary phase and the liquid phase within the liquid phase, making it difficult to manufacture a single crystal containing the secondary phase. Furthermore, the volume fraction, size, and The shape, arrangement, and distribution cannot be controlled.

이에, 본 발명은 용융 공정을 이용하지 않는 고상 단결정 성장법을 이용하여 강화 이차상을 포함하는 압전 단결정들을 제조한다. 고상 단결정 성장법에서는 단결정 성장이 용융 온도 이하에서 일어나므로 강화 이차상과 단결정과의 화학적 반응이 억제되고 강화 이차상은 단결정 내부에 독립적인 형태로 안정하게 존재할 수 있게 된다. Accordingly, the present invention manufactures piezoelectric single crystals containing a reinforced secondary phase using a solid-phase single crystal growth method that does not use a melting process. In the solid-phase single crystal growth method, single crystal growth occurs below the melting temperature, so the chemical reaction between the reinforced secondary phase and the single crystal is suppressed, and the strengthened secondary phase can stably exist in an independent form inside the single crystal.

또한, 단결정 성장이 강화 이차상을 포함하는 다결정체에서 일어나고 단결정 성장 중에 강화 이차상의 부피 분율, 크기, 형태, 배열 및 분포 등의 변화가 없다. 따라서 강화 이차상을 포함하는 다결정체를 만드는 공정에서 다결정 내부의 강화 이차상의 부피 분율, 크기, 형태, 배열 및 분포 등을 조절하고 단결정을 성장시키면, 결과적으로 원하는 형태의 강화 이차상을 포함하는 단결정 즉, 강화 압전 단결정(second phase-reinforced single crystals)을 제조할 수 있다. In addition, single crystal growth occurs in a polycrystal containing a reinforcing secondary phase and there is no change in the volume fraction, size, shape, arrangement and distribution of the reinforcing secondary phase during single crystal growth. Therefore, in the process of making a polycrystal containing a strengthened secondary phase, if the volume fraction, size, shape, arrangement, and distribution of the strengthened secondary phase inside the polycrystal are adjusted and a single crystal is grown, the single crystal containing the strengthened secondary phase of the desired shape will result. That is, second phase-reinforced single crystals can be manufactured.

따라서, 종래 단결정 성장법인 플럭스법과 브리지만 법으로는 페로브스카이트형 결정 구조([A][B]O3)에 있어서, 복합조성으로 압전 단결정을 제조할 수 없다. 특히, 용융 공정을 포함하는 플럭스법과 브리지만 법의 경우 제조공정에서 단결정 내부의 조성 구배가 1 내지 5몰% 이상으로 제조되는 반면, 본 발명의 고상 단결정 성장법으로는, 단결정 내부의 조성 구배가 0.2 내지 0.5 몰%의 균일한 조성으로 제조될 수 있다. Therefore, it is impossible to produce a piezoelectric single crystal with a composite composition in a perovskite-type crystal structure ([A][B]O 3 ) using the conventional single crystal growth methods, such as the flux method and Bridgman method. In particular, in the case of the flux method including the melting process and the Bridgman method, the composition gradient inside the single crystal is manufactured at 1 to 5 mol% or more during the manufacturing process, whereas in the solid-phase single crystal growth method of the present invention, the composition gradient inside the single crystal is 1 to 5 mol% or more. It can be manufactured with a uniform composition of 0.2 to 0.5 mol%.

따라서, 본 발명의 고상 단결정 성장법에 의해, 지르콘산납을 포함하는 페로브스카이트형 결정 구조([A][B]O3)에 있어서, [A] 자리 이온의 복합 조성 및 [B]자리 이온간 조합이 복잡한 조성이라도 균일하게 압전 단결정을 성장하게 함으로써, 종래 압전 단결정들에 비하여 유전 상수(K3 T≥4,000∼15,000)와 압전 상수(d33≥1,400∼6,000 pC/N) 및 높은 항전계(EC≥4∼12 kV/㎝)가 현저히 높아진 신규 압전 단결정을 제공할 수 있다. Therefore, by the solid-phase single crystal growth method of the present invention, in the perovskite-type crystal structure ([A][B]O 3 ) containing lead zirconate, the complex composition of the [A] site ion and the [B] site ion By growing piezoelectric single crystals uniformly even with complex compositions, the dielectric constant (K 3 T ≥4,000∼15,000) and piezoelectric constant (d 33 ≥1,400∼6,000 pC/N) and high coercive field are achieved compared to conventional piezoelectric single crystals. It is possible to provide a new piezoelectric single crystal with a significantly higher (E C ≥ 4∼12 kV/cm).

또한, 압전 단결정의 전기적 안정성에 필수적인 높은 내부 전기장(Internal Bias Electric Field, EI)이 0.5 kV/cm 이상, 더욱 바람직하게는 0.5∼3.0 kV/cm) 특성을 동시에 가져 넓은 온도 영역과 사용 전압 조건에서 사용을 가능하게 하는 장점이 있다. In addition, it has a high internal electric field (E I ) of 0.5 kV/cm or more, more preferably 0.5 to 3.0 kV/cm, which is essential for the electrical stability of the piezoelectric single crystal, allowing it to be used in a wide temperature range and operating voltage conditions. It has the advantage of enabling use in .

본 발명의 압전 단결정의 제조방법은 고상 단결정 성장법에 따라 수행되며 [특허문헌 1 및 2 참조], 플럭스법과 브리지만 법 대비, 낮은 공정 가격으로 대량 생산이 가능하다. The method for manufacturing a piezoelectric single crystal of the present invention is performed according to a solid-phase single crystal growth method [see Patent Documents 1 and 2], and mass production is possible at a lower process cost compared to the flux method and Bridgman method.

구체적으로 본 발명의 고상 단결정 성장법에 따른 압전 단결정의 제조방법은 Specifically, the method for manufacturing a piezoelectric single crystal according to the solid-phase single crystal growth method of the present invention is

(a) 상기 조성을 가지는 다결정체의 기지상 입자들(matrix grains)의 평균 크기를 조절하여 비정상 입자의 개수 밀도(number density: number of abnormal grains/unit area)를 감소시키는 단계 및 (a) reducing the number density of abnormal grains (number of abnormal grains/unit area) by adjusting the average size of matrix grains of the polycrystalline body having the above composition, and

(b) 상기 단계(a)를 통해 얻어진 비정상 입자의 개수 밀도가 감소된 다결정체를 열처리하여 비정상 입자를 성장시키는 단계를 포함한다. (b) heat-treating the polycrystalline body with a reduced number density of abnormal particles obtained through step (a) to grow abnormal particles.

또 다른 제조방법으로서, 상기 조성을 가지는 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기를 조절하여 비정상 입자의 개수 밀도를 감소시키는 조건하에서 다결정체를 열처리하는, 압전 단결정의 제조방법을 제공한다. As another manufacturing method, a method for manufacturing a piezoelectric single crystal is provided, in which the polycrystal is heat treated under conditions that reduce the number density of abnormal particles by controlling the average size of the matrix particles of the polycrystal having the above composition.

상기에서 다결정체의 비정상 입자의 개수 밀도는 감소된 상태에서 발생된 소수의 비정상 입자만을 계속하여 성장시켜 단결정을 얻을 수 있다. In the above, a single crystal can be obtained by continuing to grow only a small number of abnormal particles generated while the number density of abnormal particles in the polycrystal is reduced.

상기 다결정체의 열처리 전에 다결정체에 종자 단결정을 접합시켜 열처리 중에 종자 단결정을 다결정체 안으로 계속 성장시키는 압전 단결정의 제조방법을 제공할 수 있다. A method of manufacturing a piezoelectric single crystal can be provided by bonding a seed single crystal to the polycrystal before heat treatment of the polycrystal and continuing to grow the seed single crystal into the polycrystal during heat treatment.

상기 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기(R)는 비정상 입자 생성이 일어나는 임계 크기(비정상 입자의 개수 밀도가 "0 (zero)"이 되는 기지상 입자들의 평균 크기, Rc)의 0.5 내지 2배 크기 범위(0.5Rc≤R≤2Rc)내로 조절되는 것이다. 이때, 상기 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기가 0.5Rc 보다 작은 경우(0.5Rc> R)에는 비정상 입자들의 개수 밀도가 너무 높아 단결정이 성장을 하지 못하고, 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기가 2Rc 보다 큰 경우(2Rc <R)에는 비정상 입자들의 개수 밀도는 "0"이나 단결정의 성장 속도가 너무 느려서 큰 단결정을 제조할 수 없다. The average size (R) of the matrix particles of the polycrystalline body is 0.5 to 2 times the critical size at which abnormal particles are generated (the average size of matrix particles at which the number density of abnormal particles is "0 (zero), R c ). It is controlled within the range (0.5R c ≤R≤2R c ). At this time, when the average size of the matrix particles of the polycrystal is smaller than 0.5Rc (0.5Rc > R), the number density of abnormal particles is too high for single crystals to grow, and the average size of the matrix particles of the polycrystal is less than 2Rc. In the large case (2Rc <R), the number density of abnormal particles is "0", but the growth rate of the single crystal is too slow to produce a large single crystal.

본 발명의 압전 단결정의 제조방법에 있어서, 상기 열처리는 산소 분압을 조절하여 수행할 수 있다. 이때, 산소 분압 조절을 공기(Air) 조건, N2 분위기 또는 H2-N2 분위기에서 수행할 수 있으며, 상기 분위기 중 산소 분압 크기가 감소함에 따라, 유전 상수와 압전 상수는 연속적으로 감소하나 항전계(EC) 및 내부 전기장(EI)이 증가되는 경향의 물성이 구현된다. In the method for manufacturing a piezoelectric single crystal of the present invention, the heat treatment can be performed by controlling the oxygen partial pressure. At this time, oxygen partial pressure control can be performed in air conditions, N 2 atmosphere, or H 2 -N 2 atmosphere, and as the size of oxygen partial pressure in the atmosphere decreases, the dielectric constant and piezoelectric constant decrease continuously, but The physical properties of the electric field (E C ) and internal electric field (E I ) tend to increase.

따라서, 단결정 성장 열처리 공정 중의 분위기[산소 분압의 크기] 조절을 통하여, 일반적인 PMN-PT 단결정에는 없는 내부 전기장(EI)을 충분히 크게 유도할 수 있어, 외부 환경에 저항성이 큰 새로운 압전 단결정을 제조할 수 있다.Therefore, by controlling the atmosphere [size of oxygen partial pressure] during the single crystal growth heat treatment process, it is possible to induce a sufficiently large internal electric field (E I ), which is not present in a typical PMN-PT single crystal, to manufacture a new piezoelectric single crystal with high resistance to the external environment. can do.

나아가, 본 발명은 상기의 압전 단결정 단독 또는 상기 압전 단결정과 폴리머가 복합화된 압전체를 제공한다. Furthermore, the present invention provides a piezoelectric body composed of the above piezoelectric single crystal alone or a composite of the above piezoelectric single crystal and a polymer.

상기 폴리머로는 특별히 한정되지 아니하나, 대표적 일례로 에폭시 수지를 혼용할 때, 기계적 충격에 대한 저항성이 크고 기계 가공이 용이한 형태로 제공될 수 있다. The polymer is not particularly limited, but when epoxy resin is used as a representative example, it can be provided in a form that has high resistance to mechanical shock and is easy to machine.

나아가, 본 발명은 상기 압전체를 이용한 압전 응용 부품 및 유전 응용 부품을 제공할 수 있으며, 상기 압전 응용 부품들은 초음파 트랜스듀서(의료용 초음파 진단기, 소나용 트랜스듀서, 비파괴 검사용 트랜스듀서, 초음파 세척기, 초음파 모터 등), 압전 액추에이터(d33 형 액추에이터, d31 형 액추에이터, d15 형 액추에이터, 미세위치 제어용 압전 액추에이터, 압전 펌프, 압전 밸브와 압전 스피커 등)와 압전 센서(압전 가속도계 등), 전기장 방사 트랜스듀서 (Electric Field Generating Transducers) 및 전기장-진동 방사 트랜스듀서 (Electric Field and Vibration Generating Transducers) 등이 있다. Furthermore, the present invention can provide piezoelectric application components and dielectric application components using the piezoelectric material, and the piezoelectric application components include ultrasonic transducers (medical ultrasonic diagnostic devices, sonar transducers, non-destructive testing transducers, ultrasonic cleaners, ultrasonic motors, etc.), piezoelectric actuators (d 33 type actuator, d 31 type actuator, d 15 type actuator, piezoelectric actuator for fine position control, piezoelectric pump, piezoelectric valve and piezoelectric speaker, etc.), piezoelectric sensors (piezoelectric accelerometer, etc.), electric field radiation transformer There are Electric Field Generating Transducers and Electric Field and Vibration Generating Transducers.

또한, 유전 응용 부품으로는 고효율 커패시터(capacitor), 적외선 센서, 유전체 필터 등이 있다. Additionally, dielectric application components include high-efficiency capacitors, infrared sensors, and dielectric filters.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples.

본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. These examples are intended to illustrate the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

<실시예 1> 내부 전기장 포함 압전 단결정 제조 1<Example 1> Fabrication of piezoelectric single crystal with internal electric field 1

고상 단결정 성장법으로 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (0.0≤x≤0.02 [Donor 함량]; 0.0≤y≤0.1 [Acceptor 함량]) 조성의 압전 단결정을 제조하였다. By solid - phase single crystal growth method , [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La A piezoelectric single crystal with a composition of ≤x≤0.02 [Donor content]; 0.0≤y≤0.1 [Acceptor content] was manufactured.

분말 합성 공정에서 과량의 MgO와 PbO를 추가하여, 제조된 단결정 내부에는 MgO 이차상과 기공 강화상 2 vol% 포함되도록 하였다. 우선 하기 표 1에 제시된 바와 같이, [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (0.0≤x≤0.02, 0.0≤y≤0.1) 조성의 세라믹 분말을 쿨롬바이트(Columbite)법을 이용하여 제조하였다. 먼저 MgO와 Nb2O5 분말을 볼 밀링하여 혼합한 후에 하소하여 MgNb2O6 상을 제조하고, 추가적으로 원료 분말들을 정량비로 다시 혼합하고 하소하여 페로브스카이트상 분말을 제조하였다. 상기 제조된 분말에 과량의 PbO와 MgO를 첨가하여 혼합 분말들을 만들었다. 상기 혼합 분말들을 성형한 후에 200MPa의 정수압으로 가압 성형하였고, 분말 성형체는 900℃와 1300℃ 사이의 다양한 온도 조건에서 25℃ 간격으로 100 시간까지 각각 열처리하였다. In the powder synthesis process, an excessive amount of MgO and PbO were added so that the produced single crystal contained 2 vol% of the MgO secondary phase and pore-enhancing phase. First, as shown in Table 1 below, [Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x ][(Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.4-y (Mn 1/3 Nb 2/3 ) y Zr 0.25 Ti 0.35 ] Ceramic powder with a composition of O 3 (0.0≤x≤0.02, 0.0≤y≤0.1) was manufactured using the Columbite method. First, MgO and Nb 2 O 5 powder were mixed by ball milling and then calcined to prepare the MgNb 2 O 6 phase. Additionally, the raw material powders were mixed again in a fixed ratio and calcined to prepare perovskite phase powder. Mixed powders were prepared by adding an excess amount of PbO and MgO to the prepared powder. After the mixed powders were molded, they were pressed and molded at a hydrostatic pressure of 200 MPa, and the powder molded bodies were each heat-treated for up to 100 hours at 25°C intervals under various temperature conditions between 900°C and 1300°C.

다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기(R)를 비정상 입자의 생성이 일어나는 임계 크기의 0.5배 이상 2배 이하인 크기 범위(0.5Rc≤R≤2Rc)로 조절할 수 있는 조건으로서, 첨가되는 과량 PbO의 양이 10∼20 mol% 범위로 결정되었고, 열처리 온도가 1000∼1200℃ 범위로 결정되었다(1차 소결). 이와 같이 제조된 다결정체 위에 Ba(Ti0.7Zr0.3)O3 종자 단결정을 올려놓고 열처리하였고(단결정 성장 열처리), 종자 단결정의 다결정체내로의 연속적인 성장을 이용하여 다결정체 조성의 단결정을 제조하였다.As a condition under which the average size (R) of the matrix particles of a polycrystalline body can be adjusted to a size range (0.5R c ≤R≤2R c ) that is 0.5 to 2 times the critical size at which abnormal particles are generated, the excess PbO added is The amount was determined to be in the range of 10 to 20 mol%, and the heat treatment temperature was determined to be in the range of 1000 to 1200°C (primary sintering). A Ba(Ti 0.7 Zr 0.3 )O 3 seed single crystal was placed on the polycrystal prepared in this way and heat treated (single crystal growth heat treatment), and the polycrystal composition was determined using the continuous growth of the seed single crystal into the polycrystal. A single crystal was prepared.

상기 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기(R)를 비정상 입자의 생성이 일어나는 임계 크기(비정상 입자의 개수 밀도가 "0 (zero)"이 되는 기지상 입자들의 평균 크기, Rc)의 0.5배 이상 2배 이하인 크기 범위(0.5Rc≤R≤2Rc)로 조절하였을 때, 종자 단결정은 다결정체 내부로 연속적으로 성장하였다. 본 실시예에서는 과량 PbO의 양과 열처리 온도를 조절하였을 때, 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기(R)를 비정상 입자의 생성이 일어나는 임계 크기의 0.5배 이상 2배 이하인 크기 범위로 조절할 수 있었다. 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기(R)를 0.5Rc≤R≤2Rc의 범위로 조절하였을 때, 열처리 중에 Ba(Ti0.7Zr0.3)O3 종자 단결정이 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (0.0≤x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) 다결정체 내부로 연속적으로 성장하여 다결정과 같은 조성의 단결정을 제조하였다. 이때, 성장한 단결정의 크기는 20ⅹ20㎟ 이상이었다.The average size (R) of the matrix particles of the polycrystalline body is at least 0.5 times the critical size at which abnormal particles are generated (the average size of matrix particles at which the number density of abnormal particles becomes "0 (zero), R c )" 2 When adjusted to a smaller size range (0.5R c ≤R ≤2R c ), the seed single crystals continued to grow inside the polycrystal. In this example, when the amount of excess PbO and the heat treatment temperature were adjusted, the average size (R) of the polycrystalline matrix particles was adjusted to a size range of 0.5 to 2 times the critical size at which abnormal particles are generated. When the average size (R) of the matrix particles of the polycrystalline was adjusted to the range of 0.5R c ≤R≤2R c , during heat treatment, Ba(Ti 0.7 Zr 0.3 )O 3 seed single crystal [Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x ][(Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.4-y (Mn 1/3 Nb 2/3 ) y Zr 0.25 Ti 0.35 ]O 3 (0.0≤x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) inside polycrystalline By continuously growing, a single crystal with the same composition as a polycrystal was manufactured. At this time, the size of the grown single crystal was more than 20×20㎟.

상기에서 제조된 압전 단결정의 일례로서, 도 1은 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.1; y=0) 압전 단결정이고, 도 2는 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.01; y=0.05) 압전 단결정이다. 이때, 도 2는 단결정 성장 분위기 Air상에 Mn 첨가로 인해 검은색을 띈다. As an example of the piezoelectric single crystal manufactured above, Figure 1 shows [Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x ][(Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.4-y (Mn 1/3 Nb 2/3 ) y Zr 0.25 Ti 0.35 ]O 3 (x=0.1; y=0) is a piezoelectric single crystal, and Figure 2 shows [Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x ][(Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.4-y (Mn 1 /3 Nb 2/3 ) y Zr 0.25 Ti 0.35 ]O 3 (x=0.01; y=0.05) It is a piezoelectric single crystal. At this time, Figure 2 appears black due to the addition of Mn in the air phase of the single crystal growth atmosphere.

또한, 세라믹 분말 성형체의 1차 소결과 단결정 성장 열처리 중에 분위기 내의 산소 분압을 변화시키면서 압전 단결정을 제조할 수 있으며, 그 일례로서, 도 3의 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.01; y=0.05) 압전 단결정을 제조할 수 있다. 이때, 단결정 성장 분위기 N2-H2에서 Mn 첨가로 인해 검은색을 확인하였다. In addition, a piezoelectric single crystal can be manufactured by changing the oxygen partial pressure in the atmosphere during the primary sintering and single crystal growth heat treatment of the ceramic powder molded body. As an example, [Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x ][(Mg) in FIG. 3 1/3 Nb 2/3 ) 0.4-y (Mn 1/3 Nb 2/3 ) y Zr 0.25 Ti 0.35 ]O 3 (x=0.01; y=0.05) A piezoelectric single crystal can be manufactured. At this time, black color was confirmed due to the addition of Mn in the single crystal growth atmosphere N 2 -H 2 .

<실험예 1> 압전 단결정에 대한 유전 및 압전 특성 평가 1<Experimental Example 1> Evaluation of dielectric and piezoelectric properties of piezoelectric single crystal 1

상기 실시예 1에서 제조된 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (0.0≤x≤0.02 [Donor 함량]; 0.0≤y≤0.1 [Acceptor 함량]) 조성의 압전 단결정에 있어서, 표 1에 제시된 압전 단결정들에서 조성(x와 y의 변화)과 표 2에 제시된 세라믹 분말 성형체의 1차 소결과 단결정 성장 열처리 중에 분위기 내의 산소 분압을 조절하여 제조된 압전 단결정의 유전 및 압전 특성을 평가하였다. [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La (0.0≤x≤0.02 [Donor content]; 0.0≤y≤0.1 [Acceptor content]) For piezoelectric single crystals of composition, the composition (change in x and y) of the piezoelectric single crystals shown in Table 1 and the ceramic shown in Table 2 The dielectric and piezoelectric properties of the manufactured piezoelectric single crystal were evaluated by controlling the oxygen partial pressure in the atmosphere during the primary sintering of the powder compact and single crystal growth heat treatment.

구체적으로, 상기 제조된 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (0.0≤x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) 단결정에서 x[Donor 함량]와 y[Mn 함량]의 변화에 따른 유전 상수, 상전이 온도들(TC와 TRT), 압전 상수, 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)의 특성 변화를 각각 임피던스 분석기 등을 이용하여 IEEE 법으로 측정하여 하기 표 1에 기재하였다. Specifically , the prepared [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La 0.0≤x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) Dielectric constant, phase transition temperatures (T C and T RT ), piezoelectric constant, and coercive field (E) according to changes in x[Donor content] and y[Mn content] in a single crystal. Changes in the characteristics of C ) and internal electric field (E I ) were measured by the IEEE method using an impedance analyzer, etc., and are listed in Table 1 below.

상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 압전 단결정(x=0.0, y=0.05)의 경우(비교예 1), 압전 전하 상수, 유전 상수와 유전 손실 특성을 평가한 결과, 압전 전하 상수(d33)는 1,600[pC/N]이고, 유전 상수는 5,640이고, 유전 손실(tan d)은 0.4%를 나타내어 유전 및 압전 특성은 우수하였다. 이때, 내부 전기장(EI)은 0.4이었다. As seen in Table 1, in the case of a piezoelectric single crystal (x=0.0, y=0.05) (Comparative Example 1), the piezoelectric charge constant, dielectric constant and dielectric loss characteristics were evaluated, and the piezoelectric charge constant (d 33 ) is 1,600 [pC/N], the dielectric constant is 5,640, and the dielectric loss (tan d) is 0.4%, showing excellent dielectric and piezoelectric properties. At this time, the internal electric field (E I ) was 0.4.

또한, (001) 압전 단결정(x=0.01, y=0.0) 단결정의 경우(비교예 2), 압전 전하 상수(d33)는 2,650[pC/N]이고, 유전 상수는 8,773이고, 유전 손실(tan d)은 0.5%이었다. 이때, 내부 전기장(EI)은 0이었다. In addition, in the case of a (001) piezoelectric single crystal (x = 0.01, y = 0.0) single crystal (Comparative Example 2), the piezoelectric charge constant (d 33 ) is 2,650 [pC/N], the dielectric constant is 8,773, and the dielectric loss ( tan d) was 0.5%. At this time, the internal electric field (E I ) was 0.

반면에, x[Donor 함량]와 y[Mn 함량]의 변화에 따라 제조된 압전 단결정의 경우, x[Donor 함량]의 증가에 따라 유전 상수와 압전 상수가 증가하는 반면, y[Mn 함량]의 증가에 따라 유전 상수와 압전 상수는 연속적으로 감소하나, 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)은 증가하였다. On the other hand, in the case of piezoelectric single crystals manufactured according to changes in x[Donor content] and y[Mn content], the dielectric constant and piezoelectric constant increase with an increase in x[Donor content], while the With the increase, the dielectric constant and piezoelectric constant decreased continuously, but the coercive electric field (E C ) and internal electric field (E I ) increased.

또한, 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 압전 단결정은 x[Donor 함량]와 y[Mn 함량]의 값이 일정 값 이상인 경우(x≠0.0 및 y≠0.0), 유전 상수와 압전 상수는 일반적인 PMN-PT 단결정과 유사하게 유지하면서 동시에 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)을 크게 증가시킬 수 있었다. 특히, 일반적인 PMN-PT 단결정에는 없는 내부 전기장(EI)을 충분히 크게 유도할 수 있어, 외부 환경에 저항성이 큰 새로운 압전 단결정을 개발하였다.In addition, as shown in Table 1, in the piezoelectric single crystal of the present invention, when the values of x [Donor content] and y [Mn content] are above a certain value (x≠0.0 and y≠0.0), the dielectric constant and piezoelectric constant are general It was possible to significantly increase the coercive electric field (E C ) and internal electric field (E I ) while maintaining the same properties as PMN-PT single crystals. In particular, a new piezoelectric single crystal with high resistance to the external environment was developed by being able to induce a sufficiently large internal electric field (E I ), which is not present in typical PMN-PT single crystals.

또한, 하기 표 2에 기재된 물성은 상기 제조된 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) 압전 단결정에 있어서, 1차 소결과 단결정 성장 열처리 공정 중의 분위기[산소 분압의 크기] 변화에 따른 압전 단결정의 물성 변화를 관찰한 결과이다. In addition, the physical properties shown in Table 2 are similar to those of the prepared [Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x ][(Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.4-y (Mn 1/3 Nb 2/3 ) y Zr 0.25 Ti 0.35 ]O 3 (x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) This is the result of observing the change in physical properties of the piezoelectric single crystal according to the change in atmosphere [size of oxygen partial pressure] during the primary sintering and single crystal growth heat treatment process. .

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 1차 소결과 단결정 성장 열처리 공정 중의 분위기 중 산소 분압의 크기가 감소함에 따라 유전 상수와 압전 상수는 연속적으로 감소하였으나, 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)은 증가하였다. As shown in Table 2, the dielectric constant and piezoelectric constant decreased continuously as the size of the oxygen partial pressure in the atmosphere decreased during the primary sintering and single crystal growth heat treatment process, but the coercive electric field (E C ) and internal electric field (E I ) increased.

이러한 효과는 x[Donor 함량]와 y[Mn 함량]의 값이 클수록 더욱 증가하는 경향을 보였다. 따라서, x[Donor 함량]와 y[Mn 함량]을 포함하는 조성의 압전 단결정을 산소 분압이 낮은 조건에서 제조하면, 유전 상수와 압전 상수는 일반적인 PMN-PT 단결정과 유사하게 유지하면서 동시에 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)을 크게 증가시킬 수 있었다. This effect tended to increase as the values of x[Donor content] and y[Mn content] increased. Therefore, when a piezoelectric single crystal with a composition containing x [Donor content] and y [Mn content] is manufactured under conditions of low oxygen partial pressure, the dielectric constant and piezoelectric constant are maintained similar to those of a typical PMN-PT single crystal, while at the same time the coercive electric field ( E C ) and internal electric field (E I ) could be significantly increased.

이상으로부터, 본 발명은 1차 소결과 단결정 성장 열처리 공정 중의 분위기[산소 분압의 크기] 조절을 통하여, 일반적인 PMN-PT 단결정에서는 없는 내부 전기장(EI)을 충분히 크게 유도할 수 있어, 외부 환경에 저항성이 큰 새로운 압전 단결정을 개발하였다.From the above, the present invention can induce a sufficiently large internal electric field (E I ), which is not present in a typical PMN-PT single crystal, through controlling the atmosphere [size of oxygen partial pressure] during the primary sintering and single crystal growth heat treatment process, thereby protecting the external environment from A new piezoelectric single crystal with high resistance was developed.

상기 결과로부터, [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (0.0≤x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) 단결정에서 "x[Donor 함량], y[Mn 함량]와 x/y 비율"을 조절하고 동시에 1차 소결과 단결정 성장 열처리 공정 중의 분위기[산소 분압의 크기]를 조절하는 경우, 제조된 압전 단결정의 압전 상수, 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)을 최적화할 수 있었다. 따라서 특정 이상 크기(EI> 0.5 또는 1.0 kV/cm)의 내부 전기장(EI)을 포함하는 압전 단결정들은 기존의 일반적인 PMN-PT 또는 PIN-PMN-PT 단결정과는 달리 높은 압전 특성이 외부 환경의 변화에 대해서 안정적으로 유지되는 특징을 보였다. From the above results , [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) Adjusts “x[Donor content], y[Mn content] and x/y ratio” in single crystal and at the same time atmosphere [size of oxygen partial pressure] during primary sintering and single crystal growth heat treatment process. When adjusting, it was possible to optimize the piezoelectric constant, coercive electric field (E C ), and internal electric field (E I ) of the manufactured piezoelectric single crystal. Therefore, unlike conventional PMN-PT or PIN-PMN-PT single crystals, piezoelectric single crystals containing an internal electric field (E I ) of a certain ideal size (E I > 0.5 or 1.0 kV/cm) have high piezoelectric properties that can be used in external environments. It showed characteristics of remaining stable despite changes in .

<실시예 2> 내부 전기장 포함 압전 단결정 제조 2<Example 2> Fabrication of piezoelectric single crystal with internal electric field 2

상기 실시예 1과 동일한 공정으로 수행하되, [Pb0.98-1.5xSr0.02Smx][(Mg1/3Nb2/3)0.25(Ni1/3Nb2/3)0.10-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.30Ti0.35]O3 (0.0≤x≤0.02 [Donor 함량]; 0.0≤y≤0.1 [Acceptor 함량])조성의 압전 단결정을 제조하였다. Carry out the same process as Example 1, but [Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 Sm x ][(Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.25 (Ni 1/3 Nb 2/3 ) 0.10-y (Mn 1 /3 Nb 2/3 ) y Zr 0.30 Ti 0.35 ]O 3 (0.0≤x≤0.02 [Donor content]; 0.0≤y≤0.1 [Acceptor content]) A piezoelectric single crystal was manufactured.

<실험예 2> 유전 및 압전 특성 평가 2<Experimental Example 2> Dielectric and piezoelectric properties evaluation 2

고상 단결정 성장법으로 제조된 [Pb0.98-1.5xSr0.02Smx][(Mg1/3Nb2/3)0.25(Ni1/3Nb2/3)0.10-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.30Ti0.35]O3 (0.0≤x≤0.02 [Donor 함량]; 0.0≤y≤0.1 [Acceptor 함량]) 조성의 압전 단결정에 있어서, 표 3에 제시된 압전 단결정들에서 조성(x와 y의 변화)과 표 4에 제시된 세라믹 분말 성형체의 1차 소결과 단결정 성장 열처리 중에 분위기 내의 산소 분압을 조절하여 제조된 압전 단결정의 유전 및 압전 특성을 평가하였다.[Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 Sm x ][(Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.25 (Ni 1/3 Nb 2/3 ) 0.10-y (Mn 1/3 Nb 2 /3 ) y Zr 0.30 Ti 0.35 ]O 3 (0.0≤x≤0.02 [Donor content]; 0.0≤y≤0.1 [Acceptor content]) In the piezoelectric single crystal of the composition, the composition (x) in the piezoelectric single crystals shown in Table 3 and changes in y) and the dielectric and piezoelectric properties of the piezoelectric single crystal manufactured by controlling the oxygen partial pressure in the atmosphere during the primary sintering and single crystal growth heat treatment of the ceramic powder molded body shown in Table 4 were evaluated.

상기 [Pb0.98-1.5xSr0.02Smx][(Mg1/3Nb2/3)0.25(Ni1/3Nb2/3)0.10-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.30Ti0.35]O3 (0.0≤x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) 압전 단결정의 유전 상수, 상전이 온도들(TC와 TRT), 압전 상수, 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)의 특성 변화를 각각 임피던스 분석기 등을 이용하여 IEEE 법으로 측정하여 하기 표 3에 기재하였다. The above [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 Sm Ti 0.35 ]O 3 (0.0≤x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) Dielectric constant, phase transition temperatures (T C and T RT ), piezoelectric constant, coercive field (E C ) and internal electric field (E I) of piezoelectric single crystal ) The changes in characteristics were measured by the IEEE method using an impedance analyzer, etc., and are listed in Table 3 below.

상기 표 3의 단결정의 압전 전하 상수, 유전 상수와 유전 손실 특성을 평가한 결과, 고상 단결정 성장법으로 [Pb0.98-1.5xSr0.02Smx][(Mg1/3Nb2/3)0.25(Ni1/3Nb2/3)0.10-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.30Ti0.35]O3 (0.0≤x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) 조성의 압전 단결정에서, 조성(x=0.0, y=0.05)의 경우(비교예 3) 및 조성(x=0.01, y=0.0)의 경우(비교예 4)는 압전 전하 상수(d33), 유전 상수 및 유전 손실(tan d) 특성은 우수하게 확인되었으나, 내부 전기장(EI)은 낮거나 유도되지 않았다. As a result of evaluating the piezoelectric charge constant, dielectric constant and dielectric loss characteristics of the single crystal in Table 3 above, the solid-phase single crystal growth method yielded [Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 Sm x ][(Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.25 ( In a piezoelectric single crystal of the composition Ni 1/3 Nb 2/3 ) 0.10-y (Mn 1/3 Nb 2/3 ) y Zr 0.30 Ti 0.35 ]O 3 (0.0≤x≤0.02; 0.0≤y≤0.1), the composition In the case of (x=0.0, y=0.05) (Comparative Example 3) and in the case of composition (x=0.01, y=0.0) (Comparative Example 4), the piezoelectric charge constant (d 33 ), dielectric constant and dielectric loss (tan d) The characteristics were confirmed to be excellent, but the internal electric field (E I ) was low or not induced.

따라서, 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 압전 단결정은 x[Donor 함량]와 y[Mn 함량]의 값이 일정 값 이상인 경우(x≠0.0 및 y≠0.0), 유전 상수와 압전 상수는 일반적인 PMN-PT 단결정과 유사하게 유지하면서 동시에 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)을 크게 증가시킬 수 있음을 확인하였다. Therefore, as shown in Table 3, in the piezoelectric single crystal of the present invention, when the values of x[Donor content] and y[Mn content] are above a certain value (x≠0.0 and y≠0.0), the dielectric constant and piezoelectric constant are general It was confirmed that the coercive electric field (E C ) and internal electric field (E I ) can be significantly increased while maintaining the same properties as PMN-PT single crystals.

특히, 일반적인 PMN-PT 단결정에는 없는 내부 전기장(EI)을 충분히 크게 유도할 수 있어, 외부 환경에 저항성이 큰 새로운 압전 단결정을 개발하였다.In particular, a new piezoelectric single crystal with high resistance to the external environment was developed by being able to induce a sufficiently large internal electric field (E I ), which is not present in typical PMN-PT single crystals.

하기 표 4에 기재된 물성은 상기 제조된 [Pb0.98-1.5xSr0.02Smx][(Mg1/3Nb2/3)0.25(Ni1/3Nb2/3)0.10-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.30Ti0.35]O3 (0.0≤x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) 압전 단결정에 있어서, 1차 소결과 단결정 성장 열처리 공정 중의 분위기[산소 분압의 크기] 변화에 따른 압전 단결정의 물성 변화를 관찰한 결과이다. The physical properties shown in Table 4 below are the above - prepared [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 Sm 3 Nb 2/3 ) y Zr 0.30 Ti 0.35 ]O 3 (0.0≤x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) In piezoelectric single crystals, changes in the atmosphere [magnitude of oxygen partial pressure] during the primary sintering and single crystal growth heat treatment process This is the result of observing changes in the physical properties of a piezoelectric single crystal.

상기 표 4에 나타난 바와 같이, 1차 소결과 단결정 성장 열처리 공정 중의 분위기 중 산소 분압의 크기가 감소함에 따라 유전 상수와 압전 상수는 연속적으로 감소하였으나, 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)은 증가하였다. As shown in Table 4, the dielectric constant and piezoelectric constant decreased continuously as the size of the oxygen partial pressure in the atmosphere decreased during the primary sintering and single crystal growth heat treatment process, but the coercive electric field (E C ) and internal electric field (E I ) increased.

이러한 효과는 x[Donor 함량]와 y[Mn 함량]의 값이 클수록 더욱 증가하였으며, x[Donor 함량]와 y[Mn 함량]을 포함하는 조성의 압전 단결정을 산소 분압이 낮은 조건에서 제조하면, 유전 상수와 압전 상수는 일반적인 PMN-PT 단결정과 유사하게 유지하면서 동시에 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)을 크게 증가시킬 수 있음을 확인하였다. This effect further increased as the values of x[Donor content] and y[Mn content] increased. When a piezoelectric single crystal with a composition containing x[Donor content] and y[Mn content] was manufactured under conditions of low oxygen partial pressure, It was confirmed that the coercive electric field (E C ) and internal electric field (E I ) can be significantly increased while maintaining the dielectric constant and piezoelectric constant similar to those of a typical PMN-PT single crystal.

따라서, 본 발명은 1차 소결과 단결정 성장 열처리 공정 중의 분위기[산소 분압의 크기] 조절을 통하여, 일반적인 PMN-PT 단결정에는 없는 내부 전기장(EI)을 충분히 크게 유도할 수 있어, 외부 환경에 저항성이 큰 새로운 압전 단결정을 개발할 수 있었다.Therefore, the present invention can induce a sufficiently large internal electric field (E I ), which is not present in a typical PMN-PT single crystal, by controlling the atmosphere [size of oxygen partial pressure] during the primary sintering and single crystal growth heat treatment process, thereby providing resistance to the external environment. This allowed the development of a new large piezoelectric single crystal.

상기 결과로부터, [Pb0.98-1.5xSr0.02Smx][(Mg1/3Nb2/3)0.25(Ni1/3Nb2/3)0.10-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.30Ti0.35]O3 (0.0≤x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) 단결정에서 "x[Donor 함량], y[Mn 함량]와 x/y 비율"을 조절하고 동시에 1차 소결과 단결정 성장 열처리 공정 중의 분위기[산소 분압의 크기]를 조절하는 경우, 제조된 압전 단결정의 압전 상수, 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)을 최적화할 수 있었다. 이렇게 특정 이상 크기(EI> 0.5 또는 1.0 kV/cm)의 내부 전기장(EI)을 포함하는 압전 단결정들은 기존의 일반적인 PMN-PT 또는 PIN-PMN-PT 단결정과는 달리 높은 압전 특성이 외부 환경의 변화에 대해서 안정적으로 유지되는 특징을 보였다.From the above results, [Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 Sm x ][(Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.25 (Ni 1/3 Nb 2/3 ) 0.10-y (Mn 1/3 Nb 2/3 ) y Zr 0.30 Ti 0.35 ]O 3 (0.0≤x≤0.02; 0.0≤y≤0.1) Controls “x[Donor content], y[Mn content] and x/y ratio” in single crystal and simultaneously performs primary sintering and single crystal When adjusting the atmosphere [size of oxygen partial pressure] during the growth heat treatment process, the piezoelectric constant, coercive field (E C ), and internal electric field (E I ) of the manufactured piezoelectric single crystal could be optimized. Unlike conventional PMN-PT or PIN-PMN-PT single crystals, piezoelectric single crystals containing an internal electric field (E I ) of a certain ideal size (E I > 0.5 or 1.0 kV/cm) have high piezoelectric properties that can be used in external environments. It showed characteristics of remaining stable despite changes in .

<실험예 3> 온도 변화에 따른 내부 전기장의 변화 관찰<Experimental Example 3> Observation of changes in internal electric field according to temperature changes

상기 실시예 1의 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.01; y=0.05) 조성의 압전 단결정과 일반적인 PMN-30PT 압전 단결정을 고상 단결정 성장법으로 각각 제조하였다. 상기 제조된 압전 단결정들을 이용하여 "(001) 4ⅹ4ⅹ0.5(T)㎜" 크기의 측정 샘플을 제작하고, 온도 증가에 따른 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)의 변화를 관찰하였다.[Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x ][(Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.4-y (Mn 1/3 Nb 2/3 ) y Zr 0.25 Ti 0.35 ]O 3 (x = 0.01; y = 0.05) and a typical PMN-30PT piezoelectric single crystal were manufactured using a solid-phase single crystal growth method. A measurement sample with a size of "(001) 4ⅹ4ⅹ0.5(T)㎜" was produced using the above-prepared piezoelectric single crystals, and changes in coercive field (E C ) and internal electric field (E I ) with increase in temperature were observed. .

도 4는 상기 실시예 1의 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.01; y=0.05) 압전 단결정[단결정 성장 분위기 - Air]의 전기장(Electric Field)에 대한 분극(Polarization) 변화 그래프로서, 상온에서 온도를 증가시키면서 항전계와 내부 전기장의 변화를 관찰하였다. Figure 4 shows [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La 3 (x=0.01; y=0.05) This is a graph of changes in polarization of the electric field of a piezoelectric single crystal [single crystal growth atmosphere - Air], observing changes in the coercive field and internal electric field as the temperature increases from room temperature. did.

그 결과, 25℃에서 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)은 각각 4.4와 1.0 kV/cm이었고, 온도가 80℃로 증가하면 항전계와 내부 전기장은 각각 2.3과 0.6kV/cm로 감소하였다. As a result, at 25℃, the coercive electric field (E C ) and internal electric field (E I ) were 4.4 and 1.0 kV/cm, respectively, and when the temperature increased to 80℃, the coercive electric field and internal electric field were 2.3 and 0.6kV/cm, respectively. decreased.

도 5는 고상 단결정 성장법 제조된 일반적인 PMN-30PT 압전 단결정 [단결정 성장 분위기 - Air]의 전기장(Electric Field)에 대한 분극(Polarization) 변화 관찰한 그래프로서, 상온에서 온도를 증가시키면서 항전계와 내부 전기장의 변화를 관찰하였다. Figure 5 is a graph observing the polarization change with respect to the electric field of a typical PMN-30PT piezoelectric single crystal [single crystal growth atmosphere - air] manufactured by the solid-phase single crystal growth method. As the temperature increases at room temperature, the coercive electric field and the internal Changes in the electric field were observed.

그 결과, 25℃에서 항전계는 2.5 kV/cm이었고 내부 전기장은 관찰되지 않았다. 그리고 온도가 80℃로 증가하면 항전계는 1.2 kV/cm 로 현저히 감소하였다. As a result, the coercive field at 25°C was 2.5 kV/cm and no internal electric field was observed. And when the temperature increased to 80℃, the coercive field decreased significantly to 1.2 kV/cm.

상기 결과로부터, 본 발명의 실시예 1에서 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.01; y=0.05) 압전 단결정[단결정 성장 분위기 - Air]은 일반적인 PMN-30PT 압전 단결정 [단결정 성장 분위기 - Air]에 비하여 항전계는 2 배 정도이며 특히 내부 전기장을 포함한다는 특징이 있다. From the above results, in Example 1 of the present invention, [Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La x ][(Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.4-y (Mn 1/3 Nb 2/3 ) y Zr 0.25 Ti 0.35 ]O 3 (x=0.01; y=0.05) The piezoelectric single crystal [single crystal growth atmosphere - Air] has a coercive electric field about twice that of the general PMN-30PT piezoelectric single crystal [single crystal growth atmosphere - Air], especially including the internal electric field. It has the characteristic of doing so.

또한, 온도가 증가하더라도 항전계와 내부 전기장을 유지하여, 온도 변화에 대해서 디폴링(Depoling)되지 않고 특성을 유지하는 특성을 보였다. 특히, 80℃에서 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.01; y=0.05) 압전 단결정[단결정 성장 분위기 - Air]의 항전계는 상온에서 PMN-30PT 압전 단결정 [단결정 성장 분위기 - Air]의 항전계와 유사하였고, 내부 전기장을 유지하여, 상대적으로 높은 안정성을 보이는 것으로 확인되었다. In addition, even when the temperature increases, the coercive field and internal electric field are maintained, showing the characteristic of maintaining the characteristics without depoling in response to temperature changes. In particular , at 80 ° C , [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La =0.01; y=0.05) The coercive electric field of the piezoelectric single crystal [single crystal growth atmosphere - Air] was similar to that of the PMN-30PT piezoelectric single crystal [single crystal growth atmosphere - Air] at room temperature, and the internal electric field was maintained, making it relatively high. It was confirmed to be stable.

<실험예 4> 온도 변화에 따른 내부 전기장의 변화 관찰<Experimental Example 4> Observation of changes in internal electric field according to temperature changes

상기 실시예 1에서 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.01; y=0.1) 압전 단결정을 고상 단결정 성장법으로 제조하였다. 제조과정에 1차 소결과 단결정 성장 열처리 중에 N2-H2 분위기를 사용하여, 산소 분압을 조절하여 제조된 압전 단결정들을 이용하여 "(001) 4ⅹ4ⅹ0.5(T)㎜" 크기의 측정 샘플을 제작하고 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)의 변화를 관찰하였다. In Example 1 , [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La =0.01; y=0.1) Piezoelectric single crystals were manufactured using a solid-phase single crystal growth method. During the manufacturing process, a measurement sample with a size of "(001) 4ⅹ4ⅹ0.5(T)㎜" was made using piezoelectric single crystals manufactured by controlling the oxygen partial pressure using N 2 -H 2 atmosphere during primary sintering and single crystal growth heat treatment. It was manufactured and changes in the coercive electric field (E C ) and internal electric field (E I ) were observed.

도 6은 [Pb0.98-1.5xSr0.02Lax][(Mg1/3Nb2/3)0.4-y(Mn1/3Nb2/3)yZr0.25Ti0.35]O3 (x=0.01; y=0.1) 압전 단결정[단결정 성장 분위기 - N2-H2]의 분극(Polarization)-전기장(Electric Field)의 그래프로서, 일정 크기 이상의 x[Donor 함량]와 y[Mn 함량]를 가지는 압전 단결정을 산소 분압이 낮은 조건에서 제조하면, 항전계(EC)와 내부 전기장(EI)을 각각 5.6과 2.8 kV/cm 로 크게 증가시킬 수 있음을 확인하였다. Figure 6 shows [ Pb 0.98-1.5x Sr 0.02 La ; y=0.1) A graph of the polarization-electric field of a piezoelectric single crystal [single crystal growth atmosphere - N 2 -H 2 ], which has x[Donor content] and y[Mn content] above a certain size. It was confirmed that when a single crystal is manufactured under conditions of low oxygen partial pressure, the coercive electric field (E C ) and internal electric field (E I ) can be significantly increased to 5.6 and 2.8 kV/cm, respectively.

이상으로부터, 압전 단결정 조성에서 x[Donor 함량]와 y[Mn 함량]를 조절하는 것과 동시에 1차 소결과 단결정 성장 열처리 공정 중의 분위기[산소 분압의 크기] 조절을 통해, 일반적인 PMN-PT 단결정에는 없는 내부 전기장(EI)을 충분히 크게 유도할 수 있음을 확인하였다.From the above, by controlling x [Donor content] and y [Mn content] in the piezoelectric single crystal composition and simultaneously controlling the atmosphere [size of oxygen partial pressure] during the primary sintering and single crystal growth heat treatment process, It was confirmed that the internal electric field (E I ) could be induced sufficiently large.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.In the above, the present invention has been described in detail only with respect to the described embodiments, but it is clear to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the technical scope of the present invention, and it is natural that such changes and modifications fall within the scope of the appended patent claims.

Claims (18)

고상 단결정 성장법에 의한 단결정 성장 시 열처리 중 산소 분압 감소 조건에 따라 항전계(EC) 및 내부 전기장(EI) 물성이 제어되되, 하기 (1) 내지 (4)의 물성을 동시에 충족하고,
상기 물성이 20 내지 80℃ 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 내부 전기장을 포함한 페로브스카이트형 구조([A][B]O3)의 압전 단결정:
(1) 유전 상수(Dielectric Constant, K3 T)가 4,000 이상
(2) 압전 상수(Piezoelectric Charge Constant, d33)가 1,400 pC/N 이상
(3) 항전계 (Coercive Electric Field, EC)가 3.0 kV/cm 이상 및
(4) 내부 전기장 (Internal Bias Electric Field, EI)가 0.5 kV/cm 이상.
When growing a single crystal by the solid-phase single crystal growth method, the coercive field (E C ) and internal electric field (E I ) properties are controlled according to the oxygen partial pressure reduction conditions during heat treatment, and the following physical properties (1) to (4) are simultaneously satisfied,
Including an internal electric field, characterized in that the physical properties are maintained at a temperature of 20 to 80 ° C. Piezoelectric single crystal with perovskite-type structure ([A][B]O 3 ):
(1) Dielectric Constant (K 3 T ) is 4,000 or more
(2) Piezoelectric Charge Constant (d 33 ) is 1,400 pC/N or more
(3) Coercive Electric Field (E C ) is 3.0 kV/cm or more and
(4) Internal electric field (E I ) is more than 0.5 kV/cm.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 페로브스카이트형 구조의 압전 단결정이 하기 화학식 1의 조성식을 가지는 것을 특징으로 하는 압전 단결정:
화학식 1
[A1-(a+1.5b)BaCb][(MN)1-x-y(L)yTix]O3
상기 식에서,
A는 Pb 또는 Ba이고,
B는 Ba, Ca, Co, Fe, Ni, Sn 및 Sr으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상이며,
C는 Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이며,
L은 Zr 또는 Hf에서 선택된 단독 또는 혼합 형태이고,
M은 Ce, Co, Fe, In, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb 및 Zn로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며,
N은 Nb, Sb, Ta 및 W로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 한 종 이상이며,
0<a≤0.10, 0<b≤0.05, 0.05≤x≤0.58 및 0.05≤y≤0.62이다.
The piezoelectric single crystal of claim 1, wherein the piezoelectric single crystal of the perovskite-type structure has the following formula:
Formula 1
[A 1-(a+1.5b) B a C b ][(MN) 1-xy (L) y Ti x ]O 3
In the above equation,
A is Pb or Ba,
B is at least one selected from the group consisting of Ba, Ca, Co, Fe, Ni, Sn and Sr,
C is one or more selected from the group consisting of Co, Fe, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu,
L is selected from Zr or Hf, alone or in mixed form,
M is at least one member selected from the group consisting of Ce, Co, Fe, In, Mg, Mn, Ni, Sc, Yb and Zn,
N is at least one selected from the group consisting of Nb, Sb, Ta and W,
0<a≤0.10, 0<b≤0.05, 0.05≤x≤0.58 and 0.05≤y≤0.62.
제3항에 있어서, 상기 단결정 내의 기공률(Porosity)이 0.5 vol% 이상인 것을 특징으로 하는 압전 단결정.The piezoelectric single crystal according to claim 3, wherein the single crystal has a porosity of 0.5 vol% or more. 제3항에 있어서, 상기 식에서
0.01≤a≤0.10,
0.01≤b≤0.05인 것을 특징으로 하는 압전 단결정.
The method of claim 3, wherein in the formula
0.01≤a≤0.10,
A piezoelectric single crystal characterized by 0.01≤b≤0.05.
제3항에 있어서, 상기 식에서
a/b≥2인 것을 특징으로 하는 압전 단결정.
The method of claim 3, wherein in the formula
A piezoelectric single crystal characterized by a/b≥2.
제3항에 있어서, 상기 식에서
0.10≤x≤0.58 및 0.10≤y≤0.62인 것을 특징으로 하는 압전 단결정.
The method of claim 3, wherein in the formula
A piezoelectric single crystal characterized by 0.10≤x≤0.58 and 0.10≤y≤0.62.
제3항에 있어서, 상기 단결정 내의 기공률(Porosity)가 0.5 vol% 이상인 것을 특징으로 하는 압전 단결정.The piezoelectric single crystal according to claim 3, wherein the single crystal has a porosity of 0.5 vol% or more. 제3항에 있어서, 상기 압전 단결정이 단결정 내부의 조성 구배가 0.2 내지 0.5몰%로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 단결정.The piezoelectric single crystal according to claim 3, wherein the piezoelectric single crystal has a composition gradient inside the single crystal of 0.2 to 0.5 mol%. 제3항에 있어서, 상기 x와 y는 능면체상과 정방정상의 상경계(MPB) 조성으로부터 10 mol% 이내의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 압전 단결정.The piezoelectric single crystal according to claim 3, wherein x and y fall within a range of 10 mol% from the phase boundary (MPB) composition of the rhombohedral phase and the tetragonal phase. 제3항에 있어서, 상기 x와 y는 능면체상과 정방정상의 상경계(MPB) 조성으로부터 5 mol% 이내의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 압전 단결정.The piezoelectric single crystal according to claim 3, wherein x and y are within a range of 5 mol% from the phase boundary (MPB) composition of the rhombohedral phase and the tetragonal phase. (a) 제3항에 따른 압전 단결정을 구성하는 조성을 가지는 다결정체의 기지상 입자들(matrix grains)의 평균 크기를 조절하여 비정상 입자의 개수 밀도(number density: number of abnormal grains/unit area)를 감소시키는 단계 및
(b) 상기 단계(a)를 통해 얻어진 비정상 입자의 개수 밀도가 감소된 다결정체를 열처리하여 비정상 입자를 성장시키는 단계를 포함하는 압전 단결정의 제조방법.
(a) Reduce the number density (number of abnormal grains/unit area) of abnormal grains by adjusting the average size of matrix grains of the polycrystalline body having the composition constituting the piezoelectric single crystal according to clause 3. Steps and
(b) A method of producing a piezoelectric single crystal comprising the step of heat-treating the polycrystal with a reduced number density of abnormal particles obtained through step (a) to grow abnormal particles.
제12항에 있어서, 상기 다결정체의 기지상 입자들의 평균 크기(R)는, 비정상 입자 생성이 일어나는 임계 크기(비정상 입자의 개수 밀도가 "0 (zero)"이 되는 기지상 입자들의 평균 크기, Rc)의 0.5배 이상 2배 이하인 크기 범위(0.5Rc≤R≤2Rc)로 조절되는 것을 특징으로 하는 압전 단결정의 제조방법.The method of claim 12, wherein the average size (R) of the matrix particles of the polycrystal is a critical size at which abnormal particles are generated (the average size of matrix particles at which the number density of abnormal particles becomes "0 (zero)", R c ) A method of manufacturing a piezoelectric single crystal, characterized in that it is adjusted to a size range of 0.5 to 2 times (0.5R c ≤R≤2R c ). 제12항에 있어서, 상기 열처리 중 산소 분압 조건에 따라 항전계(EC) 및 내부 전기장(EI) 물성을 제어하는 것을 특징으로 하는 압전 단결정의 제조방법.The method of claim 12, wherein the coercive field (E C ) and internal electric field (E I ) properties are controlled according to oxygen partial pressure conditions during the heat treatment. 제14항에 있어서, 상기 산소 분압 감소에 따라 상기 항전계(EC) 및 내부 전기장(EI)이 증가되는 물성이 구현된 것을 특징으로 하는 압전 단결정의 제조방법.The method of claim 14, wherein the coercive field (E C ) and the internal electric field (E I ) are increased as the oxygen partial pressure decreases. 제15항에 있어서, 상기 물성이
(1) 유전 상수(Dielectric Constant)가 4,000 이상,
(2) 압전 상수(Piezoelectric Charge Constant [d33])가 1,400 pC/N 이상으로 유지되고,
(3) 항전계 (Coercive Electric Field [EC]) 가 4.0 kV/cm 이상 및
(4) 내부 전기장 (Internal Bias Electric Field [EI])가 1.0 kV/cm 이상 구현된 것을 특징으로 하는 압전 단결정의 제조방법.
The method of claim 15, wherein the physical properties are
(1) Dielectric constant is 4,000 or more,
(2) Piezoelectric Charge Constant [d 33 ] is maintained above 1,400 pC/N,
(3) Coercive Electric Field [E C ]) is 4.0 kV/cm or more and
(4) A method of manufacturing a piezoelectric single crystal, characterized in that an internal electric field (Internal Bias Electric Field [E I ]) of 1.0 kV/cm or more is implemented.
제1항, 제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 압전 단결정 단독으로 이루어진 압전체 또는 상기 압전 단결정과 폴리머가 복합화된 압전체를 이용한 압전 응용 부품 및 유전 응용 부품. Piezoelectric application components and dielectric application components using a piezoelectric material made of a single piezoelectric crystal according to any one of claims 1, 3 to 11 or a composite of the piezoelectric single crystal and a polymer. 제17항에 있어서, 상기 압전 응용 부품 및 유전 응용 부품이 초음파 트랜스듀서 (ultrasonic transducers), 압전 액추에이터 (piezoelectric actuators), 압전 센서 (piezoelectric sensors), 유전 캐패시터 (dielectric capacitors), 전기장 방사 트랜스듀서 (Electric Field Generating Transducers) 및 전기장-진동 방사 트랜스듀서 (Electric Field and Vibration Generating Transducers)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 압전 응용 부품 및 유전 응용 부품.

The method of claim 17, wherein the piezoelectric application components and dielectric application components include ultrasonic transducers, piezoelectric actuators, piezoelectric sensors, dielectric capacitors, and electric field radiation transducers. Piezoelectric application components and dielectric application components, characterized in that one selected from the group consisting of Field Generating Transducers and Electric Field and Vibration Generating Transducers.

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