KR20000057811A

KR20000057811A - 압전 세라믹 조성물 및 이것을 이용한 압전 세라믹 소자

Info

Publication number: KR20000057811A
Application number: KR1020000003701A
Authority: KR
Inventors: 기무라마사히코; 안도아키라; 사와다다쿠야; 하야시고이치
Original assignee: 무라타 야스타카; 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 1999-02-08
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2000-09-25
Also published as: JP2001181030A; FR2789385A1; JP3931513B2; CN1145593C; CN1263066A; DE10007260C2; US6248254B1; DE10007260A1; FR2789385B1

Abstract

본 발명의 압전 세라믹 조성물은 화학식 (Ca_1-XM1_X)Bi₄Ti₄O₁₅(단, M1은 Ca를 제외한 2가 금속과 Bi를 제외한 3가 금속 중의 하나이며, 0〈 x ≤0.3이다)로 표현되는 주성분과, 부성분으로서 MnCO₃로 환산하여 0이상 1.5 중량%이하로 함유되는 망간으로 조성된다. 예를 들어 상술한 2가 금속과 3가 금속으로는 Sr, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y가 포함된다. 상술한 압전 세라믹 조성물은 적어도 10%의 실용적인 전기화학 결합계수 kt를 갖는다. 또한, 상술한 세라믹 조성물은 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진자(oscillators), 및 압전 세라믹 진동자(vibrators)에 사용될 수 있다.

Description

압전 세라믹 조성물 및 이것을 이용한 압전 세라믹 소자{Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric ceramic device using the same}

본 발명은 압전 세라믹 조성물과 이것을 이용한 압전 세라믹 소자에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진자(oscillators), 및 압전 세라믹 진동자(vibrators)용 재료로 유용한 압전 세라믹 조성물에 관한 것이며 또한 이것을 이용한 압전 세라믹 소자에 관한 것이다.

주성분으로서 티탄산지르코산납(lead titanate zirconate; Pb(Ti_XZr_1-X)O₃) 또는 티탄산납(lead titanate; PbTiO₃)을 함유한 압전 세라믹 조성물은 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진자, 및 압전 세라믹 진동자에 폭넓게 이용된다. 주성분으로서 티탄산지르코산납 또는 티탄산납을 함유한 압전 세라믹 조성물의 제조 공정에있어서 통상 산화납(lead oxide)이 사용된다. 하지만, 산화납은 제조 공정 중의 증발로 허비되기 때문에, 생성물의 조성이 균일하지 않다.

한편, 주성분으로서 (Ca_1-XM_X)Bi₄Ti₄O₁₅등의 비스무트 층상(bismuth layered) 화합물을 포함한 압전 세라믹 조성물은 산화납을 함유하지 않고 상술한 문제를 유발하지 않는다.

하지만, 비스무트-기재 압전 세라믹 조성물은 작은 전기기계 결합계수 kt를 갖고 실제로 사용되지 않는다.

따라서, 본 발명의 목적은 적어도 10%의 높은 전기기계 결합계수 kt를 나타내는 압전 세라믹 조성물을 제공하는 것이다. 이러한 높은 전기기계 결합계수 kt를 가진 압전 세라믹 조성물은 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진자, 및 압전 세라믹 진동자용의 재료로서 유용하다.

본 발명의 다른 목적은 상술한 압전 세라믹 조성물을 이용한 압전 세라믹 소자를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전형적인 압전 세라믹 진동자의 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 압전 세라믹 진동자의 개략적인 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

12 ... 압전 세라믹

12a, 12b ... 압전 세라믹 층

14a, 14b, 14c ... 원형 진동 전극

16a, 16b, 16c ... 추출 전극

18a, 18b ... 리드선

20a, 20b ... 외부 단자

본 발명의 첫 번째 관점에 따르면, 압전 세라믹 조성물은,

화학식 CaBi₄Ti₄O₁₅로 표현되는 주성분; 및 부성분으로서 MnCO₃로 환산하여 0을 초과하고 1.5 중량% 이하로 함유되는 망간을 포함한다.

또한, 상술한 압전 세라믹 조성물은 주성분 내의 Bi 1몰에 대하여 Ca를 제외한 2가(divalent) 금속을 0이상 0.075몰 이하의 함량으로 더 함유할 수 있다. 이러한 경우에, Ca를 제외한 2가 금속으로는 Mg, Sr, 및 Ba으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소가 된다.

또한, 상술한 압전 세라믹 조성물은 주성분 내의 Bi 1몰에 대하여 Bi를 제외한 3가(trivalent) 금속을 0이상 0.075몰 이하의 함량으로 더 함유할 수 있다. 이러한 경우에, Bi를 제외한 3가 금속으로는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소가 된다.

본 발명의 두 번째 관점에 따르면, 압전 세라믹 조성물은,

화학식 (Ca_1-XM1_X)Bi₄Ti₄O₁₅(단, M1은 Ca를 제외한 2가 금속과 Bi를 제외한 3가 금속 중의 하나이며, 0〈 x ≤0.3이다)로 표현되는 주성분; 및 MnCO₃로 환산하여 0을 초과하고 1.5 중량% 이하로 함유되는 부성분으로서의 망간을 포함한다. 상술한 화학식에서 M1은 Sr, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소가 될 수 있다.

본 발명의 세 번째 관점에 따르면, 압전 세라믹 조성물은,

화학식 (Ca_1-XM2_2X/3)Bi₄Ti₄O₁₅(단, M2는 Bi를 제외한 3가 금속이며, 0〈 x ≤0.45이다)로 표현되는 주성분; 및 MnCO₃로 환산하여 0을 초과하고 1.5 중량% 이하로 함유되는 부성분으로서의 망간을 포함한다. 상술한 화학식에서 M2는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소가 될 수 있다.

본 발명의 네 번째 관점에 따르면, 압전 세라믹 조성물은 첫 번째에서 세 번째 관점 중의 하나에 따른 압전 세라믹 조성물을 포함한 압전 세라믹과 전극을 포함한다.

상술한 본 발명의 목적과 또 다른 목적, 특징, 및 효과는 이하의 특정 구현예에서 보다 명백하게 된다.

본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은, 화학식 CaBi₄Ti₄O₁₅로 표현되는 주성분, 또는 화학식 (Ca_1-XM1_X)Bi₄Ti₄O₁₅(단, M1은 Ca를 제외한 2가 금속과 Bi를 제외한 3가 금속 중의 하나이며, 0≤ x ≤0.3이다)로 표현되는 주성분,

또는 화학식 (Ca_1-XM2_2X/3)Bi₄Ti₄O₁₅(단, M2는 Bi를 제외한 3가 금속이며, 0≤ x ≤0.45이다)로 표현되는 주성분으로 구성된다.

상술한 화학식 (Ca_1-XM1_X)Bi₄Ti₄O₁₅로 표현되는 주성분을 포함하는 압전 세라믹에 있어서, M1의 함량을 나타내는 아래첨자 X는 0≤ x ≤0.3의 범위이다. 이 범위 외의 M1의 함량에서, 추가적인 효과가 뚜렷하게 발견되지 않았다.

상술한 화학식 (Ca_1-XM2_2X/3)Bi₄Ti₄O₁₅로 표현되는 주성분을 포함하는 압전 세라믹에 있어서, M2의 함량을 나타내는 아래첨자 X는 0≤ x ≤0.45의 범위이다. 이 범위 외의 M2의 함량에서, 추가적인 효과가 뚜렷하게 발견되지 않았다.

본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은 MnCO₃로 환산하여 0을 초과하고 1.5 중량% 이하로 함유되는 부성분으로서의 망간을 적절하게 함유한다. 상술한 망간이 MnCO₃로 환산하여 1.5 중량%를 초과하면, 압전 세라믹 조성물은 분극되지 않는다. 그리고, 망간을 첨가하지 않으면, 실용적인 수준의 전기기계 결합계수 kt가 얻어지지 않는다.

본 발명의 압전 세라믹 조성물은 주성분 내의 Bi 1몰에 대하여 Ca를 제외한 2가의 금속을 0이상 0.075몰 이하의 함량으로 더 함유할 수 있다. 이 경우에, 2가 금속이 상한을 초과하면, 전기기계 결합계수 kt가 실용적인 수준에 도달하지 못한다.

또한, 본 발명의 압전 세라믹 조성물은 주성분 내의 Bi 1몰에 대하여 Bi를 제외한 3가의 금속을 0이상 0.075몰 이하의 함량으로 더 함유할 수 있다. 이 경우에, 3가 금속이 상한을 초과하면, 전기기계 결합계수 kt가 실용적인 수준에 도달하지 못한다.

본 발명의 상술한 효과는 특히 M1이 Sr, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소인 경우에 더욱 뚜렷하다.

또한, 본 발명의 상술한 효과는 특히 M2가 Sr, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소인 경우에 더욱 뚜렷하다.

도 1은 본 발명에 따른 전형적인 압전 세라믹 진동자의 등각도이고, 도 2는 상술한 압전 세라믹 진동자의 개략적인 단면도이다. 압전 세라믹 진동자 10은 예를 들어 사각 압전 세라믹 12를 포함한다. 압전 세라믹 12는 두 개의 압전 세라믹 층들 12a와 12b를 구비한다. 이들 압전 세라믹 층들 12a와 12b는 본 발명의 압전 세라믹 조성물로 구성되고 적층된다. 또한, 압전 세라믹 층들 12a와 12b는 도 2에서 화살표로 도시된 것과 같이 두께 방향으로 분극된다.

원형 진동 전극 14a는 압전 세라믹 층들 12a와 12b의 사이에 형성되고, T-형의 추출 전극(extraction electrode) 16a는 상술한 진동 전극 14a로부터 압전 세라믹 12의 일단면까지 연장된다. 다른 원형 진동 전극 14b는 압전 세라믹 층 12a 위에 형성되고, T-형의 다른 추출 전극 16b는 진동 전극 14b로부터 압전 세라믹 12의 타단면까지 연장된다. 또한, 제3의 원형 진동 전극 14c는 압전 세라믹 층 12b 위에 형성되고, T-형의 추출 전극 16c는 진동 전극 14c로부터 압전 세라믹 12의 상술한 타단면까지 연장된다.

상술한 추출 전극 16a는 리드선(lead line) 18a를 통해 외부 단자 20a에 접속되고, 추출 전극들 16b와 16c는 다른 리드선 18b를 통해 다른 외부 단자 20b에 접속된다.

본 발명은 상술한 압전 세라믹 진동자 10에 의해 도시된 소자의 구성으로 한정되지 않으며, 다른 소자의 구성과 다른 압전 세라믹 소자, 예를 들어 압전 세라믹 진동자(예를 들면, 두께 변형 진동(thickness shear vibration) 또는 두께 3고조파)와, 압전 필터, 및 압전 세라믹 발진자에 적용될 수 있다.

구현예

출발 재료로서, CaCO₃, Bi₂O₃, TiO₂, SrCO₃, BaCO₃, La₂O₃, Nd₂O₃, Sm₂O₃, Y₂O₃, 및 MnCO₂를 준비하였다. 이들 재료의 무게를 측정하고 습식법으로 볼밀에서 약 4시간 동안 혼합하여, 조성식 (Ca_1-XM1_X)Bi₄Ti₄O₁₅+ y중량%의 MnCO₃(단, M1은 Ca를 제외한 2가 금속과 Bi를 제외한 3가 금속 중의 하나이며, 0≤ x ≤0.3, 0≤ y ≤1.6이다), 또는 조성식 (Ca_1-XM2_2X/3)Bi₄Ti₄O₁₅+ y중량%의 MnCO₃(단, M2는 Bi를 제외한 하나의 3가 금속이며, 0≤ x ≤0.5, 0≤ y ≤1.6이다)의 혼합물을 준비하였다. 이 혼합물을 건조하고 700 내지 900℃에서 하소하였다. 하소된 혼합물을 대략 가루로 만든 후에 4시간 동안 습식법으로 소정량의 유기 바인더와 함께 고운 가루로 만들었다. 이 가루 분말을 40-메시 체(40-mesh sieve)을 이용하여 체질하여 입자 크기를 조절하였다. 상술한 분말을 압력 1,000㎏/㎠하에서 압착하여 직경 12.5㎜와 두께 1㎜의 디스크(disk)를 형성하였다. 이 디스크를 대기중의 900 내지 1,250℃에서 소결하여 디스크 세라믹을 형성하였다. 그리고 디스크 세라믹의 양쪽 주면 위에 은 페이스트를 도포하여 은 전극을 형성하였다. 분극을 위하여 100 내지 150℃의 절연유 속에서 이들 은 전극들 사이에 DC전압 3 내지 10㎸/㎜를 10 내지 30분 동안 인가하였다. 이러한 공정에 의해 압전 세라믹 샘플들(samples)을 준비하였다. 유사하게 압전 세라믹 샘플들을 준비하였지만 이들 압전 세라믹 샘플들에서 M1 또는 M2의 종료, M1 또는 M2의 함량(x), 및 MnCO₃의 함량(y)는 서로 다르다.

상술한 화학식 (Ca_1-XM1_X)Bi₄Ti₄O₁₅의 아래첨자 x의 4분의 1은 본 발명의 두 번째 관점에서 주성분 내의 Bi 1몰에 대하여 Ca를 제외한 2가의 금속의 함량에 대응한다. 유사하게, 상술한 화학식 (Ca_1-XM2_2X/3)Bi₄Ti₄O₁₅의 아래첨자 x의 6분의 1은 본 발명의 세 번째 관점에서 주성분 내의 Bi 1몰에 대하여 상술한 3가의 금속의 함량에 대응한다.

다음으로, 각 시료의 밀도(density), 저항(resistivity) 및 전기기계 결합계수 kt를 측정하였다. 표 1과 표 2는 이것들의 측정 결과와 M1 또는 M2의 종류, 및 x, y의 값을 나타낸다. 표 1과 표 2에서, 별표된 샘플 번호는 본 발명의 범위 밖의 샘플들을 가리킨다.

상술한 표 1과 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 샘플들은 망간이 첨가되지 않은 샘플의 경우보다 더 높은 전기기계 결합계수 kt를 갖는다.

또한, 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은 상술한 구현예로 한정되지 않으며 본 발명의 범위 내에서 다른 변형을 포함할 수 있다.

상술한 구성에 의해, 본 발명의 압전 세라믹 조성물은 적어도 10%의 실용적인 전기화학 결합계수 kt를 갖는다. 또한, 상술한 세라믹 조성물은 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진자(oscillators), 및 압전 세라믹 진동자(vibrators)에 널리 사용할 수 있다.

Claims

화학식 CaBi₄Ti₄O₁₅로 표현되는 주성분; 및 부성분으로서 MnCO₃으로 환산하여 0을 초과하여 1.5중량% 이하로 함유되는 망간(manganese)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 압전 세라믹 조성물은 주성분 내의 Bi 1몰에 대하여 Ca를 제외한 하나의 2가 금속(a divalent metal)을 0이상 0.075이하의 함량으로 더 포함함을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제 2항에 있어서, 상기 Ca를 제외한 2가 금속은 Mg, Sr, 및 Ba로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소임을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 압전 세라믹 조성물은 주성분 내의 Bi 1몰에 대하여 Bi를 제외한 하나의 3가 금속(a trivalent metal)을 0이상 0.075이하의 함량으로 더 포함함을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제 4항에 있어서, 상기 Bi를 제외한 3가 금속은 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소임을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
화학식 (Ca_1-XM1_X)Bi₄Ti₄O₁₅(단, M1은 Ca를 제외한 2가 금속들과 Bi를 제외한 3가 금속들 중의 하나이며, x는 0〈x≤0.3이다)로 표현되는 주성분; 및 부성분으로서 MnCO₃으로 환산하여 0 이상 1.5중량% 이하의 함량의 망간(manganese)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제 6항에 있어서, 상기 M1은 Sr, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소임을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
화학식 (Ca_1-XM2_2X/3)Bi₄Ti₄O₁₅(단, M2는 Bi를 제외한 하나의 3가 금속이며, x는 0〈x≤0.45이다)로 표현되는 주성분; 및 부성분으로서 MnCO₃으로 환산하여 0 이상 1.5중량% 이하의 함량의 망간(manganese)을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제 8항에 있어서, 상기 M2는 Sr, Ba, Mg, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 원소임을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제 1항 내지 제 9항 중의 어느 한 항에 따른 압전 세라믹 조성물을 포함한 압전 세라믹; 및

전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 소자.