KR20010050189A

KR20010050189A - 압전 세라믹 조성물 및 상기 조성물을 사용한 압전 세라믹장치

Info

Publication number: KR20010050189A
Application number: KR1020000049186A
Authority: KR
Inventors: 사와다다쿠야; 기무라마사히코; 안도아키라; 하야시고이치
Original assignee: 무라타 야스타카; 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
Priority date: 1999-08-26
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2001-06-15
Also published as: US6423244B1; DE10041503A1; GB2353524A; TW473742B; DE10041503B4; CN1194354C; KR100379201B1; JP2001130960A; GB0018988D0; GB2353524B; CN1286476A; JP3646619B2

Abstract

압전 세라믹 조성물은 화학식 SrBi₂Nb₂O₉의 성분을 주성분으로 포함하고, 주성분에서 Bi의 1몰에 비례하여 0.15몰 이하(0몰 제외)의 비율로, 주성분을 구성하는 Bi를 제외한 삼가(三價) 금속 원소를 적어도 하나 포함한다. SrBi₂Nb₂O₉를 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물은 개선된 공진 주파수의 온도의존계수 (temperature-dependent factor of resonant frequency)를 갖는 압전 세라믹 장치용 재료로서 사용된다. 상기의 만족할 만한 압전 세라믹 장치는 상기 압전 세라믹 조성물을 사용함으로써 제공된다.

Description

압전 세라믹 조성물 및 상기 조성물을 사용한 압전 세라믹 장치{Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric ceramic device using the same}

본 발명은 압전 세라믹 조성물 및 상기 조성물을 사용한 압전 세라믹 장치에 관한 것이다. 특별히, 본 발명은, 예를 들어, 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진기(oscillator), 압전 세라믹 공진기(resonator), 및 기타 압전 세라믹 장치용 재료로서 사용되는 압전 세라믹 조성물 및 상기 조성물을 사용한 압전 세라믹 장치에 관한 것이다.

티탄산 지르콘산 납(Pb(Ti_xZr_1-x)O₃) 또는 티탄산 납(PbTiO₃)을 주성분으로 하는 압전 세라믹 조성물은 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진기, 압전 세라믹 공진기, 및 다른 압전 세라믹 장치에 대한 압전 세라믹 조성물로서 폭넓게 사용되어져 오고있다. 그러나, 티탄산 지르콘산 납 또는 티탄산 납을 주성분으로 포함하는 상기와 같은 압전 세라믹 조성물은, 반드시 하나의 성분으로서 다량의 납을 포함하고 있으며, 납 산화물(lead oxide)은 생산 단계 중에 증발하여, 생산된 장치의 특성의 균일성을 저하시킨다. 생산 단계 중에 납 산화물의 증발에 기인한, 생산된 장치의 특성의 저하되는 균일성을 방지하기 위하여, 납을 포함하지 않거나 소량의 납을 포함한 압전 세라믹 조성물이 바람직하다.

반대로, SrBi₂Nb₂O₉또는 다른 층상의 비스무스 화합물을 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물은 조성물 내에 납 산화물을 포함하지 않으며, 상기의 문제점을 초래하지 않는다.

그러나, 압전 세라믹 필터 또는 발진기가 SrBi₂Nb₂O₉또는 다른 층상의 비스무스 화합물을 주성분으로 포함하는 상기와 같은 압전 세라믹 조성물을 사용하여 준비된 경우, 상기의 결과로서 생기는 압전 세라믹 필터 또는 발진기는 티탄산 지르콘산 납 또는 티탄산 납을 포함하는 종래의 조성물보다 더 높은 공진 주파수의 온도의존계수(temperature-dependent factor)를 나타내고, 아직 널리 실용화되지 못하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 -20~80℃의 온도 범위 내에서 아래의 방정식에 의해 보여지는 공진 주파수의 온도의존계수 frTC를 개선시키고, 특히 압전 세라믹 발진기로 이용되는 압전 세라믹 장치용 재료로서 사용되는, SrBi₂Nb₂O₉를 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물 및 상기 조성물을 사용한 압전 세라믹 장치를 제공하는 것이다.

frTC = (fr(max)-fr(min)) / (fr(20℃)×100)

상기 식에서 fr(max)는 -20~80℃의 온도 범위 내에서의 최고 공진 주파수이며; fr(min)은 -20~80℃의 온도 범위 내에서의 최저 공진 주파수이고; fr(20℃)는 20℃에서의 공진 주파수이다.

도 1은 고안된 압전 세라믹 공진기의 실시예의 사시도이고,

도 2는 도 1에서 보여지는 압전 세라믹 공진기를 예시한 단면도이다.

〈도면 부호의 설명〉

10 : 압전 세라믹 공진기

12 : 압전 세라믹

12a, 12b : 압전 세라믹 층

14a, 14b, 14c : 진동 전극

16a, 16b, 16c : 인입(leading) 전극

18a, 18b : 리드선

20a, 20b : 외부 전극

한 관점에서, 본 발명은 화학식 SrBi₂Nb₂O₉으로 표시되는 성분을 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물을 제공하고, 주성분에서 Bi 1몰에 비례하여 0.15몰 이하의 비율(0몰은 제외)로, 주성분을 구성하는 원소 Bi를 제외한 삼가(三價) 금속 원소를 적어도 하나 포함한다.

고안된 압전 세라믹 조성물은, 예를 들어, 화학식 (Sr_1-xM_x)Bi₂Nb₂O₉의 성분을 주성분으로 포함할 수 있으며, 상기 식에서 M은 주성분을 구성하는 원소 Bi를 제외한 삼가 금속 원소이고, 0〈x≤0.3 이다.

고안된 압전 세라믹 조성물은, 예를 들어, 화학식 (Sr_1-xM_2x/3)Bi₂Nb₂O₉의 성분을 주성분으로 포함할 수 있으며, 상기 식에서 M은 주성분을 구성하는 원소 Bi를 제외한 삼가 금속 원소이고, 0〈x≤0.45이다.

고안된 압전 세라믹 조성물에서, Bi를 제외한 삼가 금속 원소가, 예를 들어, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것이 바람직하다.

더구나, 고안된 압전 세라믹 조성물은 MnCO₃으로 환산하여 1.0중량%이하의 비율로 망간을 포함한다.

다른 관점에서, 본 발명은 압전 세라믹 조성물로 이루어진 압전 세라믹을 포함하는 압전 세라믹 장치 및 압전 세라믹에 형성된 전극을 제공한다.

화학식 SrBi₂Nb₂O₉으로표시되는 화합물을 주성분으로 포함하는 고안된 압전 세라믹 조성물은, 주성분에서 Bi 1몰에 비례하여, 0.15몰 이하의 비율(0몰은 제외)로, 주성분을 구성하는 원소 Bi를 제외한 삼가 금속 원소를 적어도 하나 포함한다. 만약 삼가 금속 원소의 함유량이 상기 범위를 벗어난다면, 전기기계결합계수 kt는 감소되며, 실용적인 전기기계결합계수는 얻어지지 못하고, 공진 주파수의 온도의존계수는 증가된다.

Bi를 제외한 상기와 같은 삼가 금속 원소는, 예를 들어, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y를 포함한다.

일본 특허 출원공개번호 10-156648에서, 본 발명자들은 또한 SrBi₂Nb₂O₉을 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물에 MnCO₃으로 환산하여 1.0중량% 이하의 비율로 망간을 첨가함으로써, 전기기계계수를 향상시킬 수 있다는 것을 찾아내었다. 본 발명은 또한 상기와 같은 압전 세라믹 조성물에 대해 효과적이고, 상기의 결과로서 생기는 압전 세라믹 조성물로부터 높은 전기기계계수 및 낮은 공진 주파수의 온도의존계수 frTC를 갖는 압전 세라믹 장치가 만들어질 수 있다.

화학식 SrBi₂Nb₂O₉을 주성분으로 포함하는 고안된 압전 세라믹 조성물은 단지 앞서 언급한 성분을 기본적으로 가져야만 하며, 성분 원소들은 몰 비율로 다소의 편차를 가질 수도 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징, 및 이점이 첨부 도면을 참고로 하여 바람직한 실시예로서 아래에 확실히 설명된다.

실시예 1

출발 재료인 SrCO₃, Bi₂O₃, Nb₂O₅, La₂O₃, Nd₂O₃, Sm₂O₃, Y₂O₃, 및 MnCO₃은 (Sr_1-xM1_x)Bi₂Nb₂O₉+ y중량%의 MnCO₃조성물을 얻기 위해 칭량되며, 상기 식에서 M1은 La, Nb, Sm, 및 Y중에서 선택된 하나이고, 0≤x≤0.4; 및 0≤y≤1.1 이다. 칭량된 재료는 혼합물을 얻기 위해 약 4시간 동안 볼 밀(ball mill)에서 습식 혼합된다. 혼합물은 건조되고, 하소물(calcined product)을 얻기 위해 700~900℃에서 하소된다. 상기 하소물은 대강 놓여지고, 적정량의 유기 바인더를 첨가하여 4시간 동안 볼 밀에서 습식 분쇄된다. 분쇄된 분말은 입자 크기 조절을 위하여 40-메시의 체로 걸러진다. 다음에, 상기 분말은 1000kgf/㎠의 압력으로 성형되어 직경 12.5mm 및 두께 2mm의 디스크로 된다. 상기 디스크는 세라믹 디스크를 얻기 위해 대기 중에서 1100~1250℃의 온도로 소성된다. 은(銀) 페이스트는 은 전극을 형성하는 종래의 방법으로 세라믹 디스크 표면(양쪽 주면(柱面))에 발라지고, 소성된다. 그 후, 시료는, 일련의 압전 세라믹(시료들)을 얻기 위해 150~200℃의 절연 오일에서 10~30분간 10kV/mm의 직류 전압을 인가함으로써, 분극 처리를 받게 된다.

상기 준비된 시료들의 밀도, 전기기계계수 kt, 및 공진 주파수의 온도의존계수 frTC는 결정되었다. 결과는 표 1에서 보여진다. 조성물에서 x의 절반, 즉, x/2는 Bi의 1몰에 비례하여 M1의 함유량(몰)에 따른다는 것에 유의해야 한다. 표 1에서, "시료 번호"열의 표식 "*"는 당해 시료가 본 발명의 범위를 벗어난 것임을 가리킨다.

실시예 2

출발 재료인 SrCO₃, Bi₂O₃, Nb₂O₅, La₂O₃, Nd₂O₃, Sm₂O₃, Y₂O₃, 및 MnCO₃은 (Sr_1-xM2_2x/3)Bi₂Nb₂O₉+ y중량%의 MnCO₃조성을 얻기 위해 칭량되며, 상기 식에서 M2는 La, Nd, Sm, 및 Y중에서 선택된 하나이고, 0≤x≤0.5; 0≤y≤1.1 이다. 칭량된 재료들은 일련의 압전 세라믹(시료들)을 얻기 위해 실시예 1에서와 같이 동일한 절차로 제조된다.

상기 준비된 시료들의 전기기계계수 kt 및 공진 주파수의 온도의존계수 frTC가 결정되었다. 결과는 표 2에서 보여진다. 조성물에서 x의 삼분의 일, 즉, x/3이 Bi의 1몰에 비례하여 M2의 함유량(몰)을 따른다는 것에 유의하여야 한다. 표 2에서, "시료 번호"열의 표식 "*"는 당해 시료가 본 발명의 범위를 벗어난 것임을 가리킨다.

표 1 및 표 2는 개개의 성분들의 비례 범위가 본 발명에서 특정되는 원인을 보여준다. 구체적으로, x의 범위는 표 1에서 0〈x≤0.3 로서 특정되고, 표 2에서 0〈x≤0.45 로서 특정된다. 즉, 화학식 SrBi₂Nb₂O₉의 주성분에서 원소 Bi를 제외한 삼가 금속 원소의 함유량은 주성분에서 Bi의 1몰에 비례하여 0.15몰이하(0몰 제외)로 특정된다. 이것은 만약 함유량이 상기 범위를 벗어난다면, 실용적인 전기기계계수 kt가 현저히 얻어질 수 없고, 공진 주파수의 온도의존계수는 실용적인 수준을 초과하기 때문이다.

본 발명에서 망간의 함유량은 MnCO₃으로 환산하여 1.0중량% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 만약 망간 함유량이 상기 범위를 초과하게 되면, 전기기계계수는 개선되기 어렵다.

표 1 및 표 2는, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 개개의 시료들 중에서, 본 발명의 범위 내의 시료들이 실용 가능한 수준으로서 25이하의 온도의존계수 frTC를 갖고, 실용 가능한 수준으로서 10이상의 전기기계계수 kt를 가짐을 보여준다. 상기 압전 세라믹 조성물은 따라서 압전 세라믹 장치, 특별히 압전 세라믹 발진기 또는 그와 유사한 장치용 재료로서 유용하다. M1 또는 M2가 Nd 및 Y중 적어도 하나인 경우, 결과로서 생기는 압전 세라믹 조성물은 특별히 낮은 공진 주파수의 온도의존계수 frTC를 가진다.

고안된 압전 세라믹 조성물의 조성은 상기 실시예에서의 시료들에 제한되지 않고, 본 발명의 범위 내에 어떠한 조성도 유효하다.

도 1은 고안된 압전 세라믹 공진기의 실시예의 사시도이고, 도 2는 고안된 압전 세라믹 공진기를 예시한 단면도이다. 도 1 및 도 2에서 보여지는 압전 세라믹 공진기 10은, 예를 들어, 직사각 기둥 형태의 압전 세라믹 12를 포함한다. 압전 세라믹 12는 두개의 압전 세라믹 층들 12a 및 12b를 포함한다. 상기 압전 세라믹 층들 12a 및 12b는 고안된 압전 세라믹 조성물로 이루어져 있고, 적층에 의하여 일체로 형성되어 있다. 상기 압전 세라믹 층들 12a 및 12b는 도 2에서 화살표가 지시하는 동일한 두께 방향으로 분극 된다.

압전 세라믹 층들 12a 및 12b 사이의 중간에, 예를 들어, 원형의 진동 전극(vibrating electrode) 14a가 형성되고, 예를 들어, 문자 "T"와 같은 형태로 인입(leading) 전극 16a가 진동 전극 14a로부터 압전 세라믹 12의 한쪽 단면까지 연장하여 형성된다. 압전 세라믹 층 12a의 표면의 중앙에, 예를 들어, 원형의 진동 전극 14b가 형성되고, 예를 들어, 문자 "T"와 같은 형태로 인입 전극 16b가 진동 전극 14b로부터 압전 세라믹 12의 다른 쪽 단면까지 연장하여 형성된다. 압전 세라믹 층 12b의 표면의 중앙에, 예를 들어, 원형의 진동 전극 14c가 형성되고, 예를 들어, 문자 "T"와 같은 형태로 인입 전극 16c가 진동 전극 14c로부터 압전 세라믹 12의 상기와 다른 쪽 단면까지 연장하여 형성된다.

한 외부 전극 20a는 리드선 18a를 경유하여 인입 전극 16a에 접속되고, 다른 외부 전극 20b는 다른 리드선 18b를 경유하여 인입 전극들 16b 및 16c에 접속된다.

본 발명은, 앞서 언급한 압전 세라믹 공진기 10과 더불어, 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진기, 및 기타 압전 세라믹 장치에 실시될 수 있다.

상기에 설명된 바와 같이, 본 발명은, 25이하로 개선된 공진 주파수의 온도의존계수 frTC 및 실용 가능한 전기기계계수 kt를 갖고, 예를 들어, 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진기, 압전 세라믹 공진기, 및 기타 압전 세라믹 장치용 재료로서 사용되는, SrBi₂Nb₂O₉를 주성분으로 포함하는 압전 세라믹 조성물을 제공한다. 본 발명은 또한 상기 압전 세라믹 조성물을 사용한 압전 세라믹 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 실시예 및 변형예는 이 분야의 당업자에 대해서 명백하고, 본 발명은 상기 언급된 특정 물질에 제한되는 것은 아니다.

Claims

화학식 SrBi₂Nb₂O₉로 표시되는 성분을 주성분으로 포함하고,

주성분에서 Bi의 1몰에 비례하여 0.15몰 이하(0몰 제외)의 비율로,

주성분을 구성하는 원소 Bi를 제외한 삼가(三價) 금속 원소를 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제 1항에 있어서, 화학식 (Sr_1-xM_x)Bi₂Nb₂O₉의 성분을 주성분으로 포함하고,

상기 식에서 M이 주성분을 구성하는 Bi를 제외한 삼가 금속 원소이고, 0〈x≤0.3 인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제 1항에 있어서, 화학식 (Sr_1-xM_2x/3)Bi₂Nb₂O₉의 성분을 주성분으로 포함하고,

상기 식에서 M이 주성분을 구성하는 Bi를 제외한 삼가 금속 원소이고, 0〈x≤0.45 인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, Bi를 제외한 상기 삼가 금속 원소가 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb, Sc, 및 Y로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제 1항에 있어서, MnCO₃으로 환산하여 1.0중량% 이하(0중량% 제외)의 비율로 망간을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제 1항에 기재된 압전 세라믹 조성물로 구성된 압전 세라믹 및

상기 압전 세라믹에 형성된 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 장치.