KR19990088647A - 압전세라믹,압전세라믹제조방법및압전발진기 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 압전세라믹은 주요성분으로 티탄산납을 포함하고, 상기 주요 성분에는 산화티탄 결정상이 포함된다. 압전세라믹의 제조방법 및 압전세라믹을 이용하여 제작된 압전발진기도 나타난다.
Description
본 발명은 압전세라믹(piezoelectric ceramic), 더욱 상세히는 10㎒ 이상의 고주파 대역에 이용되는 압전세라믹에 관한 발명이다. 본 발명은 또한 압전세라믹을 이용한 압전 발진기(piezoelectric oscillator) 및 압전세라믹 제조방법에 관한 것이다.
종래에는 10㎒ 이상의 진동 주파수를 갖는 압전발진기는 주요성분으로 티탄산납(lead titanate)을 포함하는 압전세라믹이 주로 이용되어 왔다. 그런 형태의 발진기에서, 발진기에서 길이방향 진동의 3배 진동모드가 이용되어 왔다. 상기 모드의 이용은 고주파 지역에서 입력신호에 대한 양호한 응답을 이루기 위하여 특히 유용하다. 압전세라믹의 3배 진동을 늘리기 위한 방법은 자기를 조밀하게 하기 위하여 자기의 기공(pore)을 줄이는 방법이 이미 알려져있다. 그러나, 압전세라믹의 치밀화는 3배 진동의 응답을 개선하는 것 외에, 또한 3배 진동모드가 이용되는 경우에는 불필요한 5배 진동의 응답을 늘린다. 따라서, 상기 5배 진동을 발생하는 압전 발진기는 특성을 향상시킬 필요가 있다.
반대로, 압전세라믹에 분산된 기공을 형성하여 5배 진동 응답의 발생을 억제하는 방법이 있다. 그러나, 이 경우, 자기의 기공률이 증가하여, 압전세라믹의 기계적 강도 및 신뢰도가 나빠진다.
본 발명의 목적은 압전세라믹의 기계적 강도 및 신뢰도를 떨어뜨리지 않고서도 5배 진동의 응답을 억제하는 압전세라믹을 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적들은 상기 압전세라믹의 제조방법의 제공 및 압전세라믹을 이용한 압전 발진기를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 압전발진기의 개략 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 압전발진기의 일부 단면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 압전발진기의 일부 단면 사시도이다.
[도면 부호의 설명]
1, 2 : 압전발진기 3, 4 : 압전세라믹 소자
3a, 4a : 압전세라믹
3b : 전극 4b : 내부전극
5 : 절연 기판
6a : 상부 기판 6b : 하부 기판
7 : 패턴 전극 8 : 에폭시계 접착제
9 : 리드 단자 10 : 외부 전극
13 : 외장 수지 15 : 와이어
따라서, 본 발명의 첫번째 측면으로, 주요성분으로 티탄산 납을 포함하며, 상기 주요성분에는 산화티탄 결정상이 포함된 압전세라믹이 제공된다..
상기 구성을 사용함으로서, 압전세라믹의 기계적 강도 및 신뢰도를 떨어뜨리지 않고서도 불필요한 진동의 억제에 의하여 5배 진동의 응답이 감소한다.
산화 티탄 결정상의 그레인의 크기는 약 4~28㎛가 바람직하다.
본 발명의 두번째 측면으로, 티탄산 납을 주로 포함하는 압전세라믹으로 형성된 압축성형물을 약 1230~1245℃에서 소성(firing)하는 단계를 포함하는 압전세라믹 제조방법이 제공된다.
상기 온도범위를 사용함으로서 3배 진동의 응답의 실질적인 감소없이도 5배 진동의 응답이 억제된다.
본 발명의 세번째 측면으로, 아래의 (1) ~ (5) 단계,
(1) 산화납 및 산화티탄을 포함하는 압전세라믹 재료를 혼합하여 혼합물을 제작하는 단계;
(2) 상기 혼합물을 소성하여 하소(calcine) 생성물을 제작하는 단계;
(3) 상기 하소 생성물을 분쇄하고, 상기 분쇄된 하소 생성물에 산화티탄 분말 및 결합제를 첨가하여 결합제 함유 혼합물을 제작하는 단계;
(4) 상기 결합제 함유 혼합물을 성형하여 압축 성형물을 제작하는 단계; 및
(5)상기 압축 성형물을 소성하는 단계,
를 포함하는 압전세라믹 제조방법이 제공된다.
상기 단계를 이용함으로써, 주요성분으로 사용되는 티탄산 납에 산화티탄 결정상을 분산시키는 것이 보장된다.
본 발명의 네번째 측면으로, 절연 기판, 압전세라믹 소자, 리드(lead) 단자, 및 상기 압전세라믹 소자를 덮기 위한 외장 수지를 포함하는 압전 발진기가 제공된다. 여기서,
상기 절연 기판은 그 위에 패턴(pattern) 전극을 갖고;
상기 압전세라믹 소자는 상기 압전세라믹 및 상기 자기의 두개의 주요 면에 형성된 전극을 포함하고, 상기 패턴전극에 전기적으로 접속되어 있으며; 또한
상기 리드 단자는 상기 패턴 전극에 전기적으로 접속되어 있다.
본 발명의 다섯번째 측면으로 압전세라믹 소자, 압전세라믹 소자를 끼고있는 상부 및 하부 기판, 및 외부전극을 포함하는 압전 발진기가 제공된다. 여기서,
상기 압전세라믹 소자는 상기 압전세라믹 및 상기 압전세라믹의 두개의 주요 면 위에 형성된 내부전극을 포함하고; 또한,
상기 외부전극은 내부전극에 전기적으로 접속되어 있고, 압전세라믹 소자의 측면 및 상부 및 하부기판의 측면에 형성된다.
상기 구성을 이용함으로써, 불필요한 5배 진동의 반응이 억제된 압전 발진기가 제공된다.
본 발명의 다양한 다른 목적, 특징, 및 이에 수반되는 많은 이익들은 수반되는 도면을 참조한, 다음의 실시예들의 상세한 설명에 의하여 보다 잘 이해될 수 있고, 평가될 수 있다.
본 발명에 따른 압전세라믹은 주요 성분으로 티탄산 납을 포함하고, 상기 주요 성분에는 산화티탄 결정상이 포함된다.
상기 압전세라믹은 또한 필요에 따라 La2O3및 MnO등과 같은 다양한 2차 성분을 포함할 수 있다.
본 발명의 산화티탄 결정상은 산화티탄을 포함하는 2차상을 가리키고, 그 형태는 특별히 제한되지 않는다.
산화티탄 결정상은 소성 중에 티탄산 납에서 산화티탄을 격리하거나, 티탄산 납에 별도로 산화티탄 분말을 첨가해서 결정화함으로서 생성될 수 있다.
본 발명에 따른 압전세라믹의 소성 온도는 산화티탄 결정상이 형성되는 온도이어야 한다. 소성 온도가 더 높아질수록 주요성분에서 산화티탄 결정상의 비율은 더 커지고, 산화티탄 결정상의 그레인의 크기도 증가한다.
압전세라믹 제조방법 및 압전 발진기는 실시예에 따라 도 1 내지 도 3을 참고로 이후 상세히 설명된다. 도 1은 본 발명에 따른 압전 발진기의 개략적인 사시도이다. 도 1에서 이점 쇄선은 보호 덮개 및 성형 수지(molding resin)의 위치를 표시한다.
[실시예 1]
PbO, TiO2, La2O3, 및 MnCO3의 분말이 출발원료로 제공된다. 상기 분말들은 소정의 비율로 얻기 위하여 칭량되고, 볼밀(ball mill)을 이용하여 습식 혼합되어서, 혼합물을 얻는다. 상기 혼합물은 탈수되고, 조립화되어 980℃에서 1시간동안 하소(calcined)되어 하소 생성물을 얻는다. 상기 하소 생성물을 분쇄하고 결합제가 첨가되어 결합제 함유 혼합물이 얻어진다. 상기 결합제 함유 혼합물을 4ton/㎠의 압력하에서 평판으로 압축성형 하여 압축성형품을 얻는다. 주요 성분에서 TiO2결정상의 침전을 유도하기 위하여, 상기 압축성형품은 1220~1260℃에서 소성되고, 그것에 의하여 압전세라믹을 얻는다. 전극은 압전세라믹의 두 주요 표면에 형성되어서 압전세라믹 소자를 얻는다.
그렇게 얻어진 압전세라믹은 상기 자기의 주요성분 중에서 TiO2결정상의 평균 입자 크기를 측정하기 위하여 거울면 연마(mirror polishing)한 후, SEM 사진을 측정한다. 압전세라믹 소자의 3배 진동의 응답(3θmax) 및 5배 진동의 응답 (5θmax)은 임피던스 이득 위상 분석기를 이용하여 결정된다. 그 결과가 표 1에 나타난다. TiO2결정상이 없는 시편이 이의 비교예이다. 표 1에서 *로 표시된 시편은 범위를 벗어난 것이다.
| 시료번호 | 소성온도 (℃) | TiO2결정상의 평균 그레인 크기 (㎛) | 3θ max (도) | 5θ max (도) |
| *1 | 1220 | 3.0 | 82.6 | 54.1 |
| 2 | 1230 | 4.0 | 81.3 | 49.2 |
| 3 | 1235 | 4.5 | 80.5 | 41.8 |
| 4 | 1240 | 5.0 | 80.5 | 41.0 |
| 5 | 1245 | 28.0 | 78.7 | 32.3 |
| *6 | 1250 | 52.5 | 64.1 | -21.3 |
| *7 | 1260 | 100.0 | 59.7 | -25.4 |
| 비교예 | 1180 | - | 81.6 | 54.5 |
표 1에서 알 수 있듯이, TiO2결정상을 갖지 않는 시편과 비교했을 때, TiO2결정상을 갖는 시편의 5배 진동 응답(5θ max)은 억제된다.
TiO2결정상의 평균 결정의 크기는 약 4~28㎛의 범위 안에 놓여 있는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 평균 크기가 시편 1의 경우와 같이 4㎛보다 작은 경우 5배 진동 응답(5θ max)을 억제하는 효과는 불리하게 적어지고, 평균 크기가 상기 시편 6 또는 7의 경우와 같이 28㎛보다 큰 경우 3배 진동 응답(3θ max)은 억제되는데 이는 불리하다.
압전세라믹 물질의 소성온도는 1230~1245℃가 바람직하다. 왜냐하면, 시편 1에서와 같이 소결온도가 1230℃보다 낮으면, 5배 진동 응답(5θ max)을 억제하는 효과는 불리하게 적어지고, 시편 6 또는 7에서와 같이 소결온도가 1245℃보다 높으면, 3배 진동 응답(3θ max)도 억제되는데 이는 불리하다.
[실시예 2]
실시예 1에서 설명된 것과 유사한 방식으로 PbTiO3의 하소 생성물이 생성된다. 하소된 PbTiO3는 분쇄되고 TiO2분말이 첨가되어 혼합된다. 결합제가 첨가되고, 상기 합성된 분쇄 생성물과 혼합하여 결합제 함유 혼합물을 얻는다. 결합제 함유 혼합물은 4ton/㎠의 압력하에서 평판으로 가압성형되어 압축 성형품을 형성한다. 상기 압축 성형품은 1180℃에서 소성되어 본 발명의 압전세라믹을 얻는다. 전극이 압전세라믹의 두 주요면에 형성되어서 압전세라믹 소자를 얻는다.
상기 합성된 압전세라믹은 실시예 1에서 설명된 방식으로 측정되어져서, TiO2결정상이 압전 자기의 주요 성분으로 작용하는 PbTiO3안에 있고, 압전세라믹의 5배 진동응답 (5θ max)이 억제된다는 것을 확실히 한다.
[실시예 3]
수지-몰딩형(resin-molding type) 압전발진기가 다음에 설명된다. 그러나, 본 발명의 압진발진기는 본 실시예의 공진기로 제한되지 않는다.
도 1에서 보듯이, 전극 3b가 실시예 1 또는 2로 부터 얻어진 압전세라믹 3a의 두 주요 면에 형성되어서, 압전세라믹 소자 3을 얻는다. 이어서, 세개의 패턴 전극 7이 인쇄된 절연기판 5가 제공되고, 도면에서는 도시되지 않은 전도성 접착제를 이용하여 압전세라믹 소자 3이 절연기판 5위에 설치된다. 여기서 압전세라믹 소자 3의 저면에 있는 전극은 두개의 패턴전극 7에 직접 접속되어 있고, 압전세라믹 소자 3의 윗면에 있는 전극은 와이어(wire) 15를 이용하여 남아있는 패턴전극 7에 접속되어 있다. 리드 단자 9는 패턴전극 7에 땜납되고, 그 후, 절연 기판의 전부는 성형에 의하여 외장 수지로 덮히게 되고, 압전 발진기 1을 얻는다. 압전세라믹 3a의 진동구역은 먼저 왁스를 대응부분에 도포하여 형성되고, 이어서 경화될 동안 외장 수지 13의 비산에 의하여 공동을 얻는다.
[실시예 4]
표면실장형(surface mounted type) 압전발진기가 다음에 설명된다. 그러나 본 발명의 압전발진기는 본 실시예의 공진기로 제한되지 않는다.
도 2에서 보듯이 내부전극 4b가 실시예 1 또는 2로 부터 얻어진 압전세라믹 4a의 두 주요 면에 형성되어서, 압전세라믹 소자 4를 얻는다. 이어서, 절연재료로 형성된 상부 및 하부 기판 6a 및 6b가 압전세라믹 4를 지지하기 위하여 에폭시계 접착제 8을 이용하여 압전세라믹 소자 4의 상하 주요면에 각각 고정된다. 외부전극 10은 내부전극 4b가 연장된 압전세라믹 소자 4의 외부면에 형성되고, 압전발진기 2를 얻는다.
도 3에서 보듯이 상부 기판이 유전체 기판으로 형성되고, 외부전극 10이 압전발진기 2의 윗면의 중심부에 추가로 제공될 때, 축전기의 기능을 가진 압전 발진기 2를 얻을 수 있다. 진동지역으로 작용하기 위하여 상하부 기판 6a 및 6b 각각은 공동을 형성하기 위하여 오목부로 제공된다.
따라서, 본 발명에서는 주요성분으로 티탄산 납을 포함하는 압전세라믹이 제공되고, 상기 주요성분에는 산화티탄 결정상이 포함된다.
상기 구성을 사용함으로서, 압전세라믹의 기계적 강도 및 신뢰도를 떨어뜨리지 않고서도 불필요한 진동의 억제에 의하여 5배 진동의 응답이 감소한다.
또한, 압전세라믹 재료를 1230~1245℃로 소성하고, 산화티탄 결정상의 결정의 크기는 4~28㎛로 한다.
상기 온도범위를 사용함으로서 3배 진동의 응답의 실질적인 감소없이도 5배 진동의 응답이 억제된다.
산화납 및 산화티탄을 포함하는 압전세라믹 재료를 혼합하여 혼합물을 제작하는 단계, 상기 혼합물을 소성하여 하소 생성물을 제작하는 단계, 상기 하소 생성물을 분쇄하고, 상기 분쇄된 하소 생성물에 산화티탄 분말 및 결합제를 첨가하여 결합제 함유 혼합물을 제작하는 단계, 상기 결합제 함유 혼합물을 성형하여 압축 성형물을 제작하는 단계; 및 상기 압축 성형물을 소성하는 단계의 상기 단계들을 이용함으로써, 주요성분으로 사용되는 티탄산 납에 산화티탄 결정상을 분산시키는 것이 보장된다.
본 발명에서는 절연 기판, 압전세라믹 소자, 리드 단자, 및 상기 압전세라믹 소자를 덮기 위한 외장 수지를 포함하는 압전 발진기가 제공된다. 여기서, 상기 절연 기판은 그 위에 패턴(pattern) 전극을 갖고, 상기 압전세라믹 소자는 상기 압전세라믹 및 상기 자기의 두개의 주요 면에 형성된 전극을 포함하고, 상기 패턴전극에 전기적으로 접속되어 있으며, 상기 리드 단자는 상기 패턴 전극에 전기적으로 접속되어 있다.
본 발명에서는 압전세라믹 소자, 압전세라믹 소자를 끼고있는 상부 및 하부 기판, 및 외부전극을 포함하는 압전 발진기가 제공된다. 여기서, 상기 압전세라믹 소자는 압전세라믹 및 상기 압전세라믹의 두개의 주요 면 위에 형성된 내부전극을 포함하고, 상기 외부전극은 내부전극에 전기적으로 접속되어 있고, 압전세라믹 소자의 측면 및 상부 및 하부기판의 측면에 형성된다.
상기 구성을 이용함으로써, 불필요한 5배 진동의 반응이 억제된 압전 발진기가 제공된다.
Claims (6)
- 주요성분으로 티탄산 납을 포함하고, 여기서 상기 주요성분에는 산화티탄 결정상이 포함되는 것을 특징으로 하는 압전세라믹.
- 제 1 항에 있어서, 상기 산화티탄 결정상의 평균 그레인의 크기는 4~28㎛임을 특징으로 하는 압전세라믹.
- 티탄산 납을 주 성분으로 하는 압전 자기로 형성된 압축 성형체를 1230~1245℃에서 소성하는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 제조방법.
- 산화납 및 산화티탄을 포함하는 압전세라믹 재료를 혼합하여 혼합물을 얻는 단계;상기 혼합물을 소성하여 하소 생성물을 얻는 단계;상기 하소 생성물을 분쇄하고, 상기 분쇄된 하소 생성물에 산화티탄 분말 및 결합제를 첨가하여 결합제 함유 혼합물을 제작하는 단계;상기 결합제 함유 혼합물을 성형하여 압축 성형물을 제작하는 단계; 및상기 압축 성형물을 소성하는 단계,를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전세라믹 제조방법.
- 절연 기판, 압전세라믹 소자, 리드 단자, 및 상기 압전세라믹 소자를 덮기 위한 외장수지를 포함하는 압전 발진기로서,상기 절연 기판은 그 위에 패턴 전극을 갖고;상기 압전세라믹 소자는 제 1 항 또는 제 2 항의 압전세라믹 및 상기 압전세라믹의 두 주면 상에 형성되고, 상기 패턴 전극에 전기적으로 접속된 전극을 포함하고;상기 리드 단자는 상기 패턴 전극에 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 압전세라믹 소자, 상기 압전세라믹 소자를 끼고 있는 상부 및 하부 기판, 및 외부 전극을 포함하는 압전 발진기에 있어서,상기 압전세라믹 소자는 압전세라믹 및 상기 압전세라믹의 두 주요 표면에 형성된 내부 전극을 포함하고;상기 외부 전극은 내부 전극에 전기적으로 접속되고, 상기 압전세라믹 소자의 측면 및 상기 상부 및 하부 기판의 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
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