KR20010039842A - 압전 세라믹 조성물 및 이를 사용한 압전 세라믹 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 압전 세라믹 조성물은 일반식 SrBi2Nb2O9의 구성 요소를 주성분으로 포함하고, 상기 일반식의 주성분 속에, Bi 1mol에 대해 0mol 보다 많고 0.3mol 이하의 비율로 Si를 반드시 포함한다. 상기 압전 세라믹 조성물은 SrBi2Nb2O9를 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물이 낮은 온도에서 소성할 수 있도록 하고, 1100℃ 이하의 소성 온도에서 소성되더라도 실용적인 전기기계 결합계수 kt를 나타내고, 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진기, 압전 세라믹 공진기, 및 기타 압전 세라믹 소자 등의 재료로써 유용하다. 상기 압전 세라믹 조성물을 사용함으로써 만족스러운 압전 세라믹을 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 압전 세라믹 조성물 및 상기 조성물을 사용한 압전 세라믹 소자에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 예를 들어, 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진기, 압전 세라믹 공진기, 및 기타 압전 세라믹 소자 등의 재료로써 유용한 압전 세라믹 조성물 및 상기 조성물을 사용하는 압전 세라믹 소자에 관한 것이다.
납 티탄산 지르콘산(Pb(TiXZr1-X)O3) 또는 티탄산 납(PbTiO3)을 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물은 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진기, 압전 세라믹 공진기, 그외 다른 압전 세라믹 소자 등의 압전 세라믹 조성물로써 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 납 티탄산 지르콘산 또는 티탄산 납을 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물은 구성 요소로써 반드시 다량의 납을 포함하고, 압전 세라믹의 제조 과정에서 납 산화물을 증발시켜 제조된 소자의 균일성을 저하시킨다. 제조 과정에 있어서, 납 산화물의 증발로 인한 제조된 소자의 균일성이 저하하는 것을 방지하기 위하여 압전 세라믹 조성물은 납을 전혀 포함하지 않거나 또는 소량의 납을 포함하는 것이 바람직하다.
이에 반해, SrBi2Nb2O9또는 비스무트층 화합물을 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물은 조성물 중에 납 산화물을 포함하고 있지 않아 상기 문제점이 발생하지 않는다.
그러나 SrBi2Nb2O9또는 비스무트층 화합물을 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물은 실용적인 전기기계 결합계수 kt(10% 이상)를 나타내는 압전 세라믹을 얻기 위하여 1250℃ 이상의 고온에서 소성되어야 한다. 이러한 고온에서 소성할 수 있는 비싼 소성로가 필요하다. 내부 전극을 갖는 압전 세라믹 필터 또는 다른 압전 세라믹 소자에 있어서, 전극 재료는 소성 온도보다 높은 녹는점을 가져야 한다. 그러한 압전 세라믹 소자는 백금 또는 팔라듐 등의 비싼 전극 재료를 필요로 하므로 제조 비용의 증대를 초래한다.
따라서, 본 발명의 주요 목적은 SrBi2Nb2O9를 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물이 낮은 온도에서 소성할 수 있도록 하고, 1100℃ 이하의 소성 온도에서 소성되더라도 실용적인 전기기계 결합계수 kt를 나타내는 예를 들어, 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진기, 및 압전 세라믹 공진기 등 다른 압전 세라믹 소자 등의 재료로써 유용한 압전 세라믹 조성물 및 상기 조성물을 사용한 압전 세라믹 소자를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 압전 세라믹 공진기의 하나의 실시형태를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압전 세라믹 공진기를 설명하는 단면도이다.
＜도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명＞
10 압전 세라믹 공진기 12 압전 세라믹
12a,12b 압전 세라믹 층 14a,14b,14c 진동 전극
16a,16b,16c 인출 전극 18a,18b 리드선
20a,20b 외부 단자
본 발명은 일반식 SrBi2Nb2O9로 표시되는 구성 요소를 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물을 제공한다. 상기 조성물은 상기 일반식으로 표시되는 주성분 중에 Bi 1mol에 대해 0mol 보다 많고 0.3mol 이하의 비율로 Si를 반드시 포함한다. 본 발명의 압전 세라믹 조성물은 예를 들어, 0＜y≤0.3인 일반식 SrBi2(Nb1-ySiy)2O9로 표시되는 주성분을 포함할 수 있다.
본 발명의 압전 세라믹 조성물은 또한 Sr이외의 2가 금속 원소를 Bi 1mol 에 대해 0mol 보다 많고 0.25mol 이하의 비율로 포함할 수 있다. 이 경우에, Sr이외의 2가 금속 원소는 Mg, Ca 및 Ba 중에서 선택된 적어도 하나이다.
본 발명의 압전 세라믹 조성물은 또한 Bi이외의 3가 금속 원소를 Bi 1mol 에 대해 0mol 보다 많고 0.15mol 이하의 비율로 포함할 수 있다. 이 경우에, Bi이외의 3가 금속 원소는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y 중에서 선택된 적어도 하나이다.
본 발명의 압전 세라믹 조성물은 또한 망간을 MnCO3으로 환산하여 0중량% 보다 많고 1.0중량% 이하의 비율로 포함하는 것이 바람직하다.
다른 측면에서, 본 발명은 압전 세라믹 소자를 제공한다. 상기 압전 세라믹 소자는 압전 세라믹 조성물로 구성된 압전 세라믹 및 압전 세라믹 상에 형성된 전극을 포함한다.
본 발명의 압전 세라믹 조성물은 Si를 Bi 1mol에 대해 0mol 보다 많고 0.3mol 이하의 비율로 포함하여야 한다. Si의 함유량이 이 범위를 초과하면 전기기계 결합계수 kt는 줄어들고, 실용적인 전기기계 결합계수를 얻을 수 없다.
본 발명은 또한 주성분 중에 Mg, Ca, 및 B 등의 다른 2가 금속 원소 또는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y 등의 다른 3가 금속 원소를 포함하는 압전 세라믹 조성물로서도 효과적이다. 특히, 주성분이 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y 중에서 선택된 적어도 하나를 Bi 1mol 에 대해 0.15mol이하의 비율로 포함하는 경우에, 그 이유는 분명하지 않지만 -20℃~80℃ 의 온도 범위 이내의 공진 주파수의 온도 결정 요소 즉, 이하의 식으로 나타내는 frTC는 감소한다. 따라서, 얻어진 압전 세라믹 조성물은 1100℃ 이하의 온도에서 소성할 수 있고, 실용적인 전기기계 결합계수를 갖으며, 낮은 공진 주파수의 온도 결정 요인 frTC를 갖는다. 이들 압전 세라믹 조성물은 예를 들어, 압전 세라믹 공진기 등 다른 압전 세라믹 소자의 재료로써 유용하다. 이러한 경우에, 주성분은 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y 중에서 선택된 적어도 하나를 Bi 1mol 에 대해 0mol 보다 많고 0.15mol 이하의 비율로 포함하는 것이 바람직하다. 이들 성분의 함유량이 상기 범위를 초과하면 상기 성분을 포함하지 않은 조성물과 비교할 때, 전기기계 결합계수 kt는 줄어들고, 이들 성분의 조합은 만족할 만한 이익을 나타내지 않는다.
frTC = (fr(max)-fr(min)) / (fr(20℃) × 100)
fr(max)는 -20℃~80℃ 온도 범위에서 공진 주파수의 최대값이고, fr(min)은 -20℃~80℃ 온도 범위에서 공진 주파수의 최소값이고, fr(20℃)은 20℃에서의 공진 주파수이다.
본 발명가들은 또한 일본국 특허 출원 10-156648호에 있어서, SrBi2Nb2O9를 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물에 망간을 MnCO3로 환산하여 1.0중량% 이하의 비율로 조합함으로써 전기기계 결합계수가 향상될 수 있다는 것을 발견했다. 본 발명은 또한 이러한 압전 세라믹 조성물에도 효과적이다. 얻어진 압전 세라믹 조성물은 1100℃ 이하의 온도에서 소성될 수 있고, 실용적인 전기기계 결합계수를 갖는 압전 세라믹 재료로써 유용하다.
또한 본 발명의 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참고로 하여 바람직한 실시형태의 이하의 설명으로부터 명백해 질 것이다.
(실시예)
시작 재료로써 SrCO3, Bi2O3, Nb2O5, MgCO3, CaCO3, BaCO3, La2O3, Nd2O3, Sm2O3, Y2O3, SiO2, 및 MnCO3를 준비하고, 조성(Sr1-XMx)Bi2(Nb1-ySiy)2O9+ z중량% MnCO3이 되도록 칭량하고, 여기서 M은 Mg, Ca, Ba, La, Nd, Sm 및 Y ; y 및 z은 다음 조건을 만족시킨다 : 0≤y≤0.35 및 0≤z≤1.1 ; 그리고 x는 다음 조건을 만족시킨다 : M이 Mg, Ca 또는 Ba일 때 0≤x≤0.6, 그리고 M이 La, Nd, Sm 또는 Y일 때 0≤x≤0.4. 칭량된 재료는 볼밀에서 약 4시간 동안 습식 혼합되어 혼합물을 생산한다. 상기 혼합물은 건조되고, 700℃~900℃ 에서 하소되어 하소물을 생산한다. 상기 하소물은 일단 접지되고, 볼밀에서 4시간 동안 적당량의 유기 바인더를 가하여 습식 분쇄된다. 상기 분쇄된 분말은 40메스(mesh)의 체를 통과하여 분쇄된 분말의 입자 크기가 조절된다. 상기 분말은 1000kgf/cm2의 압력으로 가압되고 직경 12.5mm, 두께 1mm의 원판이 성형된다. 상기 원판은 대기중에서 1100℃~1250℃의 온도에서 소성되어 세라믹 원판을 생산한다. 은 페이스트는 세라믹 원판의 표면(양 주면)상에 종래의 방법으로 도포되고, 구워져서 은 전극을 형성한다. 상기 세라믹 원판은 150℃~200℃에서 절연 오일 속에 10kv/mm의 직류 전압을 10~30분 동안 가함으로써 분극 처리되어 일련의 압전 세라믹(시료)을 생산한다.
상기 준비된 시료의 밀도, 공진 주파수의 온도 결정 요소 frTC, 및 전기기계 결합계수 kt가 결정된다. 그 결과를 표 1~3에 나타낸다. 표 1~3은 또한 각 시료의 조성에 있어서, M의 원소 기호, x/2, y와 z의 수치, 및 소성 온도를 나타낸다. 표 1~3에 있어서, "시료 No."란의 "*"표시는 시료가 본 발명의 범위 밖에 있다는 것을 나타낸다.
표 1~3에 있어서, 상기 일반식의 x의 반, 즉 x/2가 Bi 1mol에 대한 M의 함유량(mol)에 대응하고, 또한 상기 일반식의 y는 Bi 1mol에 대한 Si의 함유량(mol)에 대응하는 것에 주의해야 한다.
표 1~3은 개개의 성분의 비율이 본 발명에 명시된 이유를 나타낸다. 특히 본 발명에 있어서, 상기 일반식의 y의 범위가 0＜y≤0.3 로 명시되는 것은, y의 함유량이 이 범위 미만이라면 상기 조성물은 1100℃ 이하의 소성온도에서 충분히 소결될 수 없고, 분극될 수 없기 때문이다. 이에 반해, y의 함유량이 이 범위를 초과하면 실용적인 전기기계 결합계수 kt를 얻을 수 없다.
본 발명에 있어서, M이 Mg, Ca, 및 Ba중에서 선택된 적어도 하나인 경우에, x의 1/2, 즉 x/2의 범위는 0≤x/2≤0.25 로 한정된다. M의 함유량이 이 범위를 초과하면 M을 포함하지 않는 조성물과 비교해서 전기기계 결합계수 kt가 줄어들고, M을 사용한 이점을 충분히 얻을 수 없기 때문이다.
본 발명에 있어서, M이 La, Nd, Sm, 및 Y중에서 선택된 적어도 하나인 경우에, x의 반, 즉 x/2의 범위는 0≤x/2≤0.15 로 명시된다. M의 함유량이 이 범위를 초과하면 M을 포함하지 않는 조성물과 비교해서 전기기계 결합계수 kt가 줄어들고, M을 사용한 이점을 충분히 얻을 수 없기 때문이다.
본 발명에 있어서, 망간의 함유량은 MnCO3로 환산하여 1.0중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 망간의 범위가 이 범위를 초과하면 망간을 포함하지 않은 조성물과 비교하여 전기기계 결합계수 kt 및 공진 주파수의 온도결정 요소 frTC는 줄어들고, 망간의 조합의 이점을 충분히 얻을 수 없다.
표 1~3은 본 발명의 실시예에 따른 시료들이 1100℃ 이하의 소성온도에서 소결되더라도 실용적인 전기기계 결합계수 kt를 얻을 수 있다는 것을 나타낸다.
또한, 표 1~3은 본 발명의 실시예에 따른 시료에 있어서, M이 La, Nd, Sm, 및 Y중에서 선택된 적어도 하나인 경우에, 얻어진 압전 세라믹 조성물은 1100℃ 이하의 소성온도에서 소결되더라도 실용적인 전기기계 결합계수 kt를 갖고, 낮은 공진 주파수의 온도결정 요소 frTC를 갖고, 또한 압전 세라믹 재료로써 유용하다는 것을 나타낸다.
M이 Nd, Y 중 적어도 하나인 경우에, 얻어진 압전 세라믹 조성물은 특히 낮은 공진 주파수의 온도결정 요소 frTC를 갖는다.
본 발명의 압전 세라믹 조성물의 조성은 상기 실시예의 조성물에 한정되지 않고, 본 발명의 범위 내에 있는 어떠한 조성에도 효과적이다.
상기 일반식 SrBi2Nb2O9을 주성분으로 하는 본 발명의 압전 세라믹 조성물은 기본적으로 상술한 조성을 가져야 하고, 구성 요소는 약간의 몰 비율의 편차를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 압전 세라믹 공진기의 하나의 실시형태를 도시하는 사시도이고, 도 2는 상기 압전 세라믹 공진기의 단면해설도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 압전 세라믹 공진기 10은 예를 들어, 직방체 형상의 압전 세라믹 12를 포함한다. 상기 압전 세라믹 12는 2개의 압전 세라믹 층 12a, 12b를 포함한다. 이들 압전 세라믹 층 12a, 12b는 본 발명의 압전 세라믹 조성물로 이루어지고, 적층에 의해 일체로 형성된다. 상기 압전 세라믹 층 12a, 12b는 도 2에서 화살표로 표시된 바와 같이 동일한 두께 방향으로 분극되어 있다.
상기 압전 세라믹 층 12a, 12b의 사이의 중앙에는 예를 들어, 원형의 진동 전극 14a가 형성되고, 상기 진동 전극 14a에서 압전 세라믹 12의 한 단면으로 연장된 예를 들어, T자형의 인출 전극 16a가 형성된다. 압전 세라믹 층 12a의 표면의 중앙에는 예를 들어, 원형의 진동 전극 14b가 형성되고, 상기 진동 전극 14b에서 압전 세라믹 12의 다른 한 단면으로 연장된 예를 들어, T자형의 인출 전극 16b가 형성된다. 압전 세라믹 층 12b의 표면의 중앙에는 예를 들어, 원형의 진동 전극 14c가 형성되고, 상기 진동 전극 14c에서 압전 세라믹 12의 또 다른 한 단면으로 연장된 예를 들어, T자형의 인출 전극 16c가 형성된다.
하나의 외부 전극 20a는 리드선 18a를 통하여 인출 전극 16a에 접속되고, 다른 외부 전극 20b는 다른 리드선 18b를 통하여 인출 전극 16b 및 16c에 접속된다.
본 발명은 상술한 압전 공진기 10 이외에도 다른 압전 세라믹 공진기, 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진기 등의 다른 압전 세라믹 소자에도 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 SrBi2Nb2O9를 주성분으로 포함하며, 1100℃ 이하의 소성 온도에서 소결되더라도 낮은 온도에서 소성될 수 있고, 실용적인 전기기계 결합계수 kt를 나타내는 예를 들어, 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진기, 압전 세라믹 공진기, 및 다른 압전 세라믹 소자 등의 재료로써 유용한 압전 세라믹 조성물 및 이 조성물을 사용한 압전 세라믹 소자를 제공할 수 있다.
다른 실시 형태 및 변화는 종래 기술내의 상기 기술들로 명백해질 것이고, 본 발명은 위에서 설명된 명백한 사항들로 한정되지 않는다.
본 발명은 SrBi2Nb2O9를 주성분으로 포함하며, 1100℃ 이하의 소성 온도에서 소결되더라도 낮은 온도에서 소성될 수 있고, 실용적인 전기기계 결합계수 kt를 나타내는 예를 들어, 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진기, 압전 세라믹 공진기, 및 다른 압전 세라믹 소자 등의 재료로써 유용한 압전 세라믹 조성물 및 이 조성물을 사용한 압전 세라믹 소자를 제공할 수 있다.
Claims (8)
- 일반식 SrBi2Nb2O9로 표시되는 주성분을 포함하고, 상기 일반식에 의해 표시되는 상기 주성분에 있어서, Bi 1mol에 대해 0mol 보다 많고 0.3mol 이하의 비율로 Si를 함유하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
- 제 1항에 있어서, 일반식 SrBi2(Nb1-ySiy)2O9로 표시되는 성분을 주성분으로 함유하고, 상기 y는 0＜y≤0.3 인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 Bi 1mol에 대해 0mol 보다 많고 0.25mol 이하의 비율로 Sr 이외의 2가 금속 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
- 제 3항에 있어서, 상기 Sr이외의 2가 금속 원소가 Mg, Ca, 및 Ba중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, Bi 1mol에 대해 0mol 보다 많고 0.15mol 이하의 비율로 Bi이외의 3가 금속 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
- 제 5항에 있어서, 상기 Bi이외의 3가 금속 원소가 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 망간을 MnCO3로 환산하여 0중량% 보다 많고 1.0중량% 이하의 비율로 함유하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
- 제 1항 내지 제 7항에 따른 압전 세라믹 조성물로 구성된 압전 세라믹, 및 상기 압전 세라믹 상에 형성된 전극을 함유하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 소자.
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