KR20000054267A - 고진폭 압전 디바이스용 압전 세라믹 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고진폭 및 고출력 압전 디바이스로 응용하기 위한 xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(0.85 ≤ x ≤ 0.95몰%, 0.05 ≤ y ≤ 0.15몰%, 0 < z ≤ 0.1중량%)로 이루어진 압전 세라믹 조성물에 관한 것으로서, 높은 전기기계 결합계수(kp)와 기계적 품질계수(Qm), 높은 압전 정수(d)와 낮은 유전손실(tanδ)을 갖고 있으므로 압전 변압기, 초음파모터, 압전액츄에이터와 같은 고출력 압전 소자의 압전세라믹소재로의 응용이 가능하다.
Description
본 발명은 고진폭 압전 디바이스용 압전 세라믹 조성물에 관한 것으로서, 압전 변압기, 초음파 모터와 같은 고진폭 및 고출력 압전 디바이스에 사용될 수 있는 높은 기계적 품질계수(Qm)와 전기기계 결합계수(kp), 높은 압전정수(d), 낮은 유전손실(tanδ)을 갖는 압전 세라믹 조성물에 관한 것이다.
압전세라믹 조성물은 크게 연성(soft)계와 경성(hard)계로 나눌 수 있으며 연성 압전 세라믹은 압전정수가 높으나 기계적 품질계수는 낮고, 경성 압전 세라믹은 기계적 품질계수는 높으나 압전 정수가 낮다. 최근 액정 표시장치의 백라이트 인버터의 핵심부품으로 주목받고 있는 압전 변압기, 메카트로닉스 분야에서 미소변위 및 정밀위치 제어에 필수적인 소자인 초음파 모터(또는 압전 모터), 압전 액츄에이터와 같이 진동진폭이 크고 출력이 높은 압전 디바이스가 다방면에 이용되기 시작했다.
이들 디바이스들은 자기(magnetic)식에 비하여 소비전력이 낮고, 전자(electromagnetic)소음을 발생시키지 않으며, 소형 박형이어서 소형화, 경량화가 요구되는 시스템의 부품으로 매우 유리한 점이 있어서 최근에 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 이들 디바이스 중 압전 모터나 압전 액츄에이터는 원리상 압전체의 압전 왜형효과(압전역효과)에 의해서 교류 고전압 인가시 생기는 기계적 진동을 이용하는 소자이고, 압전 변압기는 압전 왜형효과에 의해서 고전압 인가로 생긴 기계적 진동이 압전 정효과에 의해 전기적 출력으로 변환되는 원리를 이용하는 소자인데, 이 종류의 디바이스는 모두 고전압 인가에 의해서 안정된 기계적 진동을 얻어야 하기 때문에 이 디바이스의 핵심소재인 압전 세라믹은 기계적 품질계수, 전기기계 결합계수 및 압전정수가 높고, 유전손실(tanδ)이 적으며, 온도 안정성이 높은 특성을 가진 세라믹 조성이어야 하며, 이러한 특성을 가진 압전 세라믹의 개발이 활발하게 연구되어 왔다.
현재까지 개발된 실용적인 압전세라믹 재료로는 일반식 ABO3로 표시되는 페로브스카이트(perovskite)형 결정구조를 지닌 물질이 대부분으로, 일반적으로 사용되는 압전세라믹 재료인 PZT(Pb(ZrTi)O3)는 순수한 상태에서 분극이 쉽지 않고 전기적 특성 등의 안정성이 떨어지기 때문에, 이러한 결점을 극복하고자 종래에 개발된 티탄산지르콘산납(PZT)의 B 사이트(site)의 지르코늄이나 티타늄을 망간, 니오비움, 마그네슘, 안티모늄, 아연, 니켈, 철과 같은 산화물로, A 사이트(site)의 납을 바륨, 칼슘, 란타늄과 같은 산화물로 일부 또는 완전 치환하여 만든 Pb(Nb1/2Fe1/2)O3-PbTiO3-PbZrO3, Pb(Nb2/3Mg1/3)O3-PbTiO3-PbZrO3등의 3성분계 압전 세라믹재료에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으나, 압전 변압기, 압전 모터와 같은 고진폭 및 고출력 압전 디바이스에 사용될 수 있도록 유전손실이 낮고, 기계적 품질계수, 전기기계 결합계수 및 압전 정수가 동시에 높은 전기적 특성을 만족하는 압전 세라믹 조성물은 제조되지 못하고 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 높은 기계적 품질계수(Qm)와 전기기계 결합계수(kp), 높은 압전 정수(d)와 낮은 유전손실(tanδ)를 갖고 높은 큐리온도와 온도 안정성을 갖는 압전 세라믹 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 압전 세라믹 조성물은 xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(0.85 ≤ x ≤ 0.95몰%, 0.05 ≤ y ≤ 0.15몰%, 0 < z ≤0.1중량%)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 압전 세라믹 조성물에 있어서, z는 특히 0.01중량%인 것이 바람직하다.
본 발명의 압전 세라믹 조성물은 티탄산지르콘산납(PZT)에 압전 및 유전 특성을 현격하게 증가시키기 위해 망간/니오비움/안티모늄산납(Pb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3)을 첨가한 삼성분계이며, 혼합비율 x, y는 상경계(MPB; morphotropic phase boundary)를 고려하여 정해진 것이고, 피닝효과(pinning effect)에 의해서 기계적 품질 계수를 높이고 유전 손실을 저하시키기 위하여 산화크롬을 소량 첨가한 것이다. 본 발명의 압전 세라믹 조성물은 높은 기계적 품질 계수(Qm)와 전기기계 결합계수(kp), 낮은 유전손실(tanδ)을 가지므로 압전 변압기(piezoelectric transformer), 압전 액츄에이터(piezoelectric actuator), 압전 모터(piezoelectric motor), 압전진동자 등의 고진폭 및 고출력 압전 디바이스에 폭넓게 사용될 수 있다.
본 발명을 일예에 따라 상세히 설명한다.
본 조성에 의해서 압전 세라믹을 제조하는 방법은 일반적인 압전 세라믹 제조과정도 또한 사용할 수 있다. 산화납(PbO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화티타늄 (TiO2), 산화망간(MnO), 산화니오비움(Nb2O5), 산화안티몬(Sb2O3), 산화크롬(Cr2O3)을 화학량론적으로 일정량 칭량한 후 볼밀을 이용하여 습식 혼합한 후, 건조기를 이용하여 건조한 다음, 750℃에서 2시간 하소시키고 다시 볼밀을 이용하여 습식혼합·분쇄한다. 분쇄된 파우더에 폴리비닐알콜(Poly Vinyl Alcohol:PVA) 바인더를 첨가하고 건조한 다음 직경 15㎜의 원통형 몰더(molder)에 파우더를 넣고 2 톤/cm2의 압력으로 가압성형한다. 성형체는 1100∼1300℃에서 1∼3시간 소결시킨다. 이와 같이 소결된 소결체의 양면에 은(Ag) 전극을 형성시키고, 실리콘 오일 중에서 2∼5kV/㎜의 직류전압을 10∼30분간 인가한 다음, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상적으로 사용하는 방법으로 각 실시예의 밀도, 전기기계 결합계수(kp), 기계적 품질계수(Qm), 정전용량, 압전 정수(d)를 각각 측정하여 그 결과를 얻었다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 예시적인 목적일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(x = 0.85몰%, y = 0.15몰%, z = 0.01중량%)로 조성된 압전 세라믹 조성물을 가지도록 소결온도 1200℃에서 상기의 방법으로 제조하였고, 전기기계 결합계수, 기계적 품질 계수, 유전손실을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
측정한 결과 전기기계 결합계수(kp)는 40%, 기계적 품질 계수(Qm)는 1400, 유전손실(tanδ)는 1.6%인 특성을 나타냈다.
실시예 2
xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(x = 0.85몰%, y = 0.15몰%, z = 0.05중량%)로 조성된 압전 세라믹 조성물을 가지도록 소결온도 1150℃에서 상기의 방법으로 제조하였고, 전기기계 결합계수, 기계적 품질 계수, 유전손실을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
측정한 결과 전기기계 결합계수(kp)는 43%, 기계적 품질 계수(Qm)는 1260, 유전손실(tanδ)는 1.1%인 특성을 나타냈다.
실시예 3
xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(x = 0.85몰%, y = 0.15몰%, z = 0.1중량%)로 조성된 압전 세라믹 조성물을 가지도록 소결온도 1100℃에서 상기의 방법으로 제조하였고, 전기기계 결합계수, 기계적 품질 계수, 유전손실을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
측정한 결과 전기기계 결합계수(kp)는 45%, 기계적 품질 계수(Qm)는 1015, 유전손실(tanδ)는 0.9%인 특성을 나타냈다.
실시예 4
xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(x = 0.90몰%, y = 0.10몰%, z = 0.01중량%)로 조성된 압전 세라믹 조성물을 가지도록 소결온도 1250℃에서 상기의 방법으로 제조하였고, 전기기계 결합계수, 기계적 품질 계수, 유전손실을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
측정한 결과 전기기계 결합계수(kp)는 48%, 기계적 품질 계수(Qm)는 1770, 유전손실(tanδ)는 1.0%인 특성을 나타냈다.
실시예 5
xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(x = 0.90몰%, y = 0.10몰%, z = 0.05중량%)로 조성된 압전 세라믹 조성물을 가지도록 소결온도 1200℃에서 상기의 방법으로 제조하였고, 전기기계 결합계수, 기계적 품질 계수, 유전손실을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
측정한 결과 전기기계 결합계수(kp)는 52%, 기계적 품질 계수(Qm)는 1540, 유전손실(tanδ)는 0.8%인 특성을 나타냈다.
실시예 6
xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(x = 0.90몰%, y = 0.10몰%, z = 0.1중량%)로 조성된 압전 세라믹 조성물을 가지도록 소결온도 1150℃에서 상기의 방법으로 제조하였고, 전기기계 결합계수, 기계적 품질 계수, 유전손실을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
측정한 결과 전기기계 결합계수(kp)는 53%, 기계적 품질 계수(Qm)는 1420, 유전손실(tanδ)는 0.8%인 특성을 나타냈다.
실시예 7
xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(x = 0.95몰%, y = 0.05몰%, z = 0.01중량%)로 조성된 압전 세라믹 조성물을 가지도록 소결온도 1250℃에서 상기의 방법으로 제조하였고, 전기기계 결합계수, 기계적 품질 계수, 유전손실을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
측정한 결과 전기기계 결합계수(kp)는 51%, 기계적 품질 계수(Qm)는 2650, 유전손실(tanδ)는 0.9%인 특성을 나타냈다.
실시예 8
xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(x = 0.95몰%, y = 0.05몰%, z = 0.05중량%)로 조성된 압전 세라믹 조성물을 가지도록 소결온도 1200℃에서 상기의 방법으로 제조하였고, 전기기계 결합계수, 기계적 품질 계수, 유전손실을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
측정한 결과 전기기계 결합계수(kp)는 54%, 기계적 품질 계수(Qm)는 2150, 유전손실(tanδ)는 0.7%인 특성을 나타냈다.
실시예 9
xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(x = 0.95몰%, y = 0.05몰%, z = 0.1중량%)로 조성된 압전 세라믹 조성물을 가지도록 소결온도 1150℃에서 상기의 방법으로 제조하였고, 전기기계 결합계수, 기계적 품질 계수, 유전손실을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
측정한 결과 전기기계 결합계수(kp)는 55%, 기계적 품질 계수(Qm)는 1830, 유전손실(tanδ)는 0.7%인 특성을 나타냈다.
실시예 10
상기 실시예 9의 조성을 갖는 로젠형 압전 변압기(두께 2.5mm, 가로 11mm, 세로 36mm)를 제작하여 상용 제품과 성능을 비교하였다. 상용 제품은 입력 교류 157V, 출력 520V, 용량 2W, 효율 90%를 나타냈으나, 본 실시예에 따른 변압기는 입력 교류 50V, 출력 620V, 용량 5W, 효율 98%를 나타내어, 시제품에 비하여 매우 우수한 성능을 나타냈다.
비교예 1
xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(x = 0.85몰%, y = 0.15몰%, z = 0중량%)로 조성된 압전 세라믹 조성물을 가지도록 소결온도 1200℃에서 상기의 방법으로 제조하였고, 전기기계 결합계수, 기계적 품질 계수, 유전손실을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
측정한 결과 전기기계 결합계수(kp)는 37%, 기계적 품질 계수(Qm)는 1520, 유전손실(tanδ)는 1.9%인 특성을 나타냈다.
비교예 2
xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(x = 0.90몰%, y = 0.10몰%, z = 0중량%)로 조성된 압전 세라믹 조성물을 가지도록 소결온도 1250℃에서 상기의 방법으로 제조하였고, 전기기계 결합계수, 기계적 품질 계수, 유전손실을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
측정한 결과 전기기계 결합계수(kp)는 42%, 기계적 품질 계수(Qm)는 1870, 유전손실(tanδ)는 1.3%인 특성을 나타냈다.
비교예 3
xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(x = 0.95몰%, y = 0.05몰%, z = 0중량%)로 조성된 압전 세라믹 조성물을 가지도록 소결온도 1250℃에서 상기의 방법으로 제조하였고, 전기기계 결합계수, 기계적 품질 계수, 유전손실을 측정하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
측정한 결과 전기기계 결합계수(kp)는 47%, 기계적 품질 계수(Qm)는 2040, 유전손실(tanδ)는 1.0%인 특성을 나타냈다.
| 몰% | 중량% | 소결온도(℃) | 전기기계 결합계수(kp) % | 기계적 품질계수(Qm) | 유전손실(tanδ)% | ||
| x | y | z | |||||
| 실시예 1 | 0.85 | 0.15 | 0.01 | 1200 | 40 | 1400 | 1.6 |
| 실시예 2 | 0.85 | 0.15 | 0.05 | 1150 | 43 | 1260 | 1.1 |
| 실시예 3 | 0.85 | 0.15 | 0.1 | 1100 | 45 | 1015 | 0.9 |
| 실시예 4 | 0.90 | 0.1 | 0.01 | 1250 | 48 | 1770 | 1.0 |
| 실시예 5 | 0.90 | 0.1 | 0.05 | 1200 | 52 | 1540 | 0.8 |
| 실시예 6 | 0.90 | 0.1 | 0.1 | 1150 | 53 | 1420 | 0.8 |
| 실시예 7 | 0.95 | 0.05 | 0.01 | 1250 | 51 | 2650 | 0.9 |
| 실시예 8 | 0.95 | 0.05 | 0.05 | 1200 | 54 | 2150 | 0.7 |
| 실시예 9 | 0.95 | 0.05 | 0.1 | 1150 | 55 | 1830 | 0.7 |
| 비교예 1 | 0.85 | 0.15 | 0 | 1200 | 37 | 1520 | 1.9 |
| 비교예 2 | 0.9 | 0.1 | 0 | 1250 | 42 | 1870 | 1.3 |
| 비교예 3 | 0.95 | 0.05 | 0 | 1250 | 47 | 2040 | 1.0 |
상기 실시예 7, 실시예 8 및 실시예 9에서 알 수 있듯이, 상기의 압전 세라믹 조성물은 압전 변압기와 같은 고출력 압전 응용 소자에서 요구되는 특성을 만족하므로 이들에 적용이 가능하다.
상기에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물은 높은 전기기계 결합계수(kp)와 기계적 품질계수(Qm), 높은 압전 정수와 낮은 유전손실을 갖고 있으므로 압전 변압기, 압전 모터, 압전 액츄에이터, 압전 진동자와 같은 고출력 압전 응용 소자로의 응용이 가능하다.
Claims (2)
- xPb(Zr0.53Ti0.47)O3+ yPb(Mn1/3Nb1/3Sb1/3)O3+ zCr2O3(0.85 ≤ x ≤ 0.95몰%, 0.05 ≤ y ≤ 0.15몰%, 0 < z ≤0.1중량%)로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
- 제1항에 있어서, z는 0.01중량%인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
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