KR19990056603A - 압전 자기 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (0.01≤x≤0.10mol%, 0.01≤y≤0.10mol%, 0.1≤k≤0.09wt%)로 조성된 압전 자기 조성물에 관한 것으로서 상기 압전 자기 조성물의 기계적 품질계수(Qm)와 전기기계 결합계수(Kp)가 높은 값을 가지고 있어, 압전 변압기(Transformer), 액튜에이터, 초음파 진동자 등에 폭넓게 사용될 수 있는 압전 자기 조성물에 관한 것이다.

Description

압전 자기 조성물
본 발명은 압전 자기 조성물에 관한 것으로서, 압전 변압기에 사용될 수 있는 높은 기계적 품질계수(Qm)와 높은 전기기계결합계수(Kp)를 갖는 압접 자기 조성물에 관한 것이다.
종래의 압전 자기 조성물로서 티탄산지르콘산납(PZT)이 널리 알려져 있으나 이는 각종 압전재료가 필요로 하는 특성을 만족시키는데 한계가 있어 티탄산지르콘산납(PZT)의 A site 또는 B site에 여러 가지 원소를 치환하여 특성을 구현하거나, 제 3 성분인 마그네슘네오븀산납(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3), 망간네오븀산납(Pb(Mn1/2Nb2/3)O3)을 첨가시킨 조성물이 사용되었다.
그러나 상기의 PZT계에 마그네슘네오븀산납(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3)을 첨가한 경우 전기기계결합계수(Kp)는 높아지지만 파이로클로어(Pyroclore)가 생성되어 유전상수(εr)값이 저하되고 또한 기계적 품질계수가 낮은 단점이 있어 소결시 산화납(PbO ) 휘발이 문제가 된다. 또 다른 예로 망간네오븀산납(Pb(Mn1/2Nb2/3)O3)을 첨가한 경우 전반적으로 전기기계결합계수(Kp)가 낮고 소결온도가 높아 기계적 품질계수는 높지만 압전변압기용 조성물로는 부적합한 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 인출된 것으로서,티탄산지르콘산납(PZT)의 기본식에 마그네슘네오븀산(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3) 및 망간네오븀산납(Pb(Mn1/2Nb2/3)O3)을 첨가하고, 산화니켈(NiO), 산화세슘(CeO2)을 소량 첨가시킴으로서 압전 변압기에서 요구되는 높은 전기기계결합계수(Kp) 및 기계적 품질계수를 가지는 압전자기조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (0.01≤x≤0.10mol%, 0.01≤y≤0.10mol%, 0.1≤k≤0.09wt%)로 조성된 압전 자기 조성물을 특징으로 한다.
상기의 압전 자기 조성물은 삼성분계와 달리 상태도가 널리 알려지지 않은 새로운 사성분계 조성식인 Pb(Mn1/3Nb2/3)(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3을 기본 조성으로 하여 산화니켈(NiO), 산화세슘(CeO2)을 소량 첨가시킴으로써 압전 변압기에서 요구되는 특성을 구현한 것이다.
통상적으로 산화망간(MnO2)은 기계적 강도를 향상시키며 또한 소결 후 입경이 작아지고 치밀해져 밀도가 향상되어 기계적 품질 계수가 높아지게 한다. 또한, 산화니켈(NiO)를 소량 첨가시킴으로써 높은 전기기계 결합계수를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
산화납(PbO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화티탄(TiO2), 산화마그네슘(MgO), 산화네오븀(Nb2O5), 산화망간(MnO2), 산화세슘(CeO2), 산화니켈(NiO)을 다음의 각각의 실시예의 조성이 되도록 평량하여 습식혼합과 건조과정을 거친 다음 800 ~ 1,000℃에서 2시간 하소시키고 분쇄한다. 분쇄된 재료에 PVA(Poly Vinyl Alcohol)결합제를 첨가한 다음 직경 24㎜, 두께 1.5㎜의 원판형 펠렛(Pellet)으로 성형하여 1,150 ~ 1,250℃에서 2시간 소결 시킨다. 이와 같이 소결된 소체의 양면에 은(Ag) 전극을 형성시키고, 실리콘 오일 중에서 3∼4kV㎜의 직류전압을 10 ~ 30분간 인가한 다음 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적으로 사용하는 방법으로 각 실시 예의 밀도, 전기기계 결합계수(Kp), 기계적 품질계수(Qm), 정전용량을 각각 측정하여 그 결과를 얻었다. 다음의 <실시예 3>, <실시예 7>와 <실시예 8>에서 알 수 있듯이 상기의 압전자기조성물은 압전변압기에서 요구되는 특성을 만족하므로 적용이 가능하다.
<실시예 1>
xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (x=0.01mol%, y=0.09mol%, k=0.50wt%)로 조성된 압전 자기 조성물을 갖도록 소결온도 1150℃에서 상기의 방법으로 제조한 결과, 밀도는 7.62g/cm3, 전기기계 결합계수(Kp)는 51%, 기계적 품질계수(Qm)는 1300, 유전상수(εr)는 1400인 특성을 나타냈다.
<실시예 2>
xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (x=0.03mol%, y=0.07mol%, k=0.50wt%)로 조성된 압전 자기 조성물을 갖도록 소결온도 1150℃에서 상기의 방법으로 제조한 결과, 밀도는 7.71g/cm3, 전기기계 결합계수(Kp)는 58%, 기계적 품질계수(Qm)는 1000, 유전상수(εr)는 1000인 특성을 나타냈다.
<실시예 3>
xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (x=0.05mol%, y=0.05mol%, k=0.50wt%)로 조성된 압전 자기 조성물을 갖도록 소결온도 1200℃에서 상기의 방법으로 제조한 결과, 밀도는 7.88g/cm3, 전기기계 결합계수(Kp)는 62%, 기계적 품질계수(Qm)는 1460, 유전상수(εr)는 1123인 특성을 나타냈다.
<실시예 4>
xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (x=0.07mol%, y=0.03mol%, k=0.50wt%)로 조성된 압전 자기 조성물을 갖도록 소결온도 1200℃에서 상기의 방법으로 제조한 결과, 밀도는 7.84g/cm3, 전기기계 결합계수(Kp)는 60%, 기계적 품질계수(Qm)는 900, 유전상수(εr)는 960인 특성을 나타냈다.
<실시예 5>
xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (x=0.09mol%, y=0.01mol%, k=0.50wt%)로 조성된 압전 자기 조성물을 갖도록 소결온도 1200℃에서 상기의 방법으로 제조한 결과, 밀도는 7.85g/cm3, 전기기계 결합계수(Kp)는 57%, 기계적 품질계수(Qm)는 870, 유전상수(εr)는 800인 특성을 나타냈다.
<실시예 6>
xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (x=0.01mol%, y=0.09mol%, k=0.03wt%)로 조성된 압전 자기 조성물을 갖도록 소결온도 1150℃에서 상기의 방법으로 제조한 결과, 밀도는 7.56g/cm3, 전기기계 결합계수(Kp)는 48%, 기계적 품질계수(Qm)는 1350, 유전상수(εr)는 1400인 특성을 나타냈다.
<실시예 7>
xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (x=0.03mol%, y=0.07mol%, k=0.03wt%)로 조성된 압전 자기 조성물을 갖도록 소결온도 1150℃에서 상기의 방법으로 제조한 결과, 밀도는 7.69g/cm3, 전기기계 결합계수(Kp)는 58%, 기계적 품질계수(Qm)는 1460, 유전상수(εr)는 1630인 특성을 나타냈다.
<실시예 8>
xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (x=0.05mol%, y=0.05mol%, k=0.03wt%)로 조성된 압전 자기 조성물을 갖도록 소결온도 1150℃에서 상기의 방법으로 제조한 결과, 밀도는 7.79g/cm3, 전기기계 결합계수(Kp)는 60%, 기계적 품질계수(Qm)는 1170, 유전상수(εr)는 1570인 특성을 나타냈다.
<실시예 9>
xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (x=0.07mol%, y=0.03mol%, k=0.03wt%)로 조성된 압전 자기 조성물을 갖도록 소결온도 1200℃에서 상기의 방법으로 제조한 결과, 밀도는 7.88g/cm3, 전기기계 결합계수(Kp)는 55%, 기계적 품질계수(Qm)는 1390, 유전상수(εr)는 1600인 특성을 나타냈다.
<실시예 10>
xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (x=0.09mol%, y=0.01mol%, k=0.03wt%)로 조성된 압전 자기 조성물을 갖도록 소결온도 1200℃에서 상기의 방법으로 제조한 결과, 밀도는 7.55g/cm3, 전기기계 결합계수(Kp)는 49%, 기계적 품질계수(Qm)는 970, 유전상수(εr)는 1900인 특성을 나타냈다.
<비교예 1>
xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (x=0.00mol%, y=0.10mol%, k=0.50wt%)로 조성된 압전 자기 조성물을 갖도록 소결온도 1150℃에서 상기의 방법으로 제조한 결과, 밀도는 7.52g/cm3, 전기기계 결합계수(Kp)는 46%, 기계적 품질계수(Qm)는 1550, 유전상수(εr)는 1300인 특성을 나타냈다.
<비교예 2>
xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- 0.43mol%PbTiO3- 0.47mol%PbZrO3+ 0.2wt%CeO2+ kNiO (x=0.10mol%, y=0.00mol%, k=0.50wt%)로 조성된 압전 자기 조성물을 갖도록 소결온도 1200℃에서 상기의 방법으로 제조한 결과, 밀도는 7.77g/cm3, 전기기계 결합계수(Kp)는 53%, 기계적 품질계수(Qm)는 1500, 유전상수(εr)는 600인 특성을 나타냈다.
실시예 x(mol%) y(mol%) k(wt%) 소결온도℃ 밀도(g/cm3) 전기기계결합계수Kp(%) 기계적품질계수Qm εr
1 0.01 0.09 0.50 1150 7.62 51 1300 1400
2 0.03 0.07 0.50 1150 7.71 58 1000 1000
3 0.05 0.05 0.50 1150 7.88 62 1460 1123
4 0.07 0.03 0.50 1200 7.84 60 900 960
5 0.09 0.01 0.50 1200 7.85 57 870 800
6 0.01 0.09 0.03 1150 7.56 48 1350 1400
7 0.03 0.07 0.03 1150 7.69 58 1460 1630
8 0.05 0.05 0.03 1150 7.79 60 1170 1570
9 0.07 0.03 0.03 1200 7.88 55 1390 1600
10 0.09 0.01 0.03 1200 7.55 49 970 1900
비 교예 1 0.00 0.10 0.50 1150 7.52 46 1550 1300
비 교예 2 0.10 0.00 0.50 1200 7.77 53 1300 600
*비교예는 본실험 외의 것임.
본 발명에 의한 상기 압전자기 조성물은 높은 전기기계 결합계수(Kp)와 기계적 품질계수(Qm)를 갖고 있어 압전 변압기(Transformer), 액튜에이터, 초음파 진동자 등의 응용이 가능하다.

Claims (3)

  1. 조성성분과 비율이 아래 식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 압전 자기 조성물.
    xPb(Mn1/3Nb2/3)O3- yPb(Mg1/3Nb2/3)O3- aPbTiO3- bPbZrO3+ cCeO2+ kNiO
    상기에서, 0.01≤x≤0.10mol%, 0.01≤y≤0.10mol%, 0.33≤a≤0.53mol%, 0.37≤b≤0.57mol%, 0.01≤c≤0.3wt%, 0.1≤k≤0.09wt%임.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기에서 a = 0.43mol%, b = 0.47mol% 인 것을 특징으로 하는 압전자기 조성물.
  3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기에서 c= 0.2wt% 인 것을 특징으로 하는 압전자기 조성물.
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