KR20010096365A

KR20010096365A - 압전 자기 조성물

Info

Publication number: KR20010096365A
Application number: KR1020000020473A
Authority: KR
Inventors: 조영국
Original assignee: 송재인; 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2000-04-18
Filing date: 2000-04-18
Publication date: 2001-11-07

Abstract

본 발명은 적층형 압전 변압기의 원료로 쓰이는 압전 자기 조성물에 관한 것으로서, 조성식 xPb_(1-a)Ba_a(Mn_1/3Sb_2/3)O₃-yPb(Zr_0.5Ti_0.5)＋kCuO ( 단, 0.03 ≤x ≤0.08㏖, 0.01 ≤a ≤0.05㏖, 0.92 ≤y ≤0.97㏖, 0 ≤k ≤0.05wt%, x＋y=1)으로 이루어져, 전기적특성과 기계적 특성이 우수하여 트랜스듀서 및 액튜에이터에의 적용이 가능하고, 특히 저온에서 소결이 가능하므로 적층타입 소자와 높은 입출력을 요구하는 하이 파워용 소자에의 적용도 가능한 이점이 있다.

Description

압전 자기 조성물 {Piezoelectronic Magnetic Composition}

본 발명은 적층형 압전 변압기의 원료로 쓰이는 압전 자기 조성물에 관한 것으로서, 특히 저온 소성이 가능하고 소결시 결정립의 크기가 서브 마이크론(sub-micron)으로 기계적 강도가 높으며 전기기계 결합계수, 기계적 품질계수 및 주파수의 온도 안정성이 우수하며 고전력용 압전 디바이스에 사용이 가능한 압전 자기 조성물에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 압전체의 사시도이다.

도 1에서 부호 1은 압전체를 나타내고, 2는 출력측 단자전극을 나타내며, 3은 외부전극을 나타내고, 4는 내부전극을 나타내며, 5는 단자전로를 나타낸다.

종래의 압전 자기 조성물은 PZT(지르콘 티탄산 납)의 2성분계의 압전 세라믹스 조성물을 이용하거나 지르콘 티탄산 납의 2성분계에 제 3성분으로 복합 페로브스카이트(Complex Perovskite) 화합물을 첨가하여 일정부분의 특성을 향상시켜 왔다. 그 3성분은 주로 Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃, Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃, Pb(Fe_1/3Nb_2/3)O₃, Pb(Ni_1/3Ta_2/3)O_3,Pb(Mn_1/3Te_2/3)O_3,Pb(Sc_1/2Nb_1/2)O_3,Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O_3,Pb(Co_1/3Nb_2/3)O_3,Pb(Fe_1/3W_2/3)O_3,Pb(Li_1/3Nb_2/3)O_3,Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃등을 사용하였다.

최근에는 제3성분을 두 가지 이상 조합하여 요구하는 특성을 도출 해 내는 경우도 있다. 특히 고전력 응용분야에서는 전기기계 결합계수와 기계적 품질계수가 높고, 주파수의 온도 안정성이 높은 것을 요구하는 데 이 분야에 많이 응용 되는 재료가 Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃계이다.

그러나, 이들은 전기적 특성을 향상시킬 목적으로 사용된 것이 대부분이고, 거기에 부가하여 물리적특성(예를 들면, 기계적강도, 소결온도, 열화특성)의 향상에는 큰 효과를 보지 못하였다.

특히, Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃계 압전 재료를 고출력분야에서 사용할 경우 전기 기계 결합 계수 및 기계적 품질 계수는 높지만 소결온도가 1200℃정도로 상당히 높다.

최근 변압기에 압전 세라믹스를 응용할 경우 고출력을 요구하면서 입력전압을 낮추는 것이 요구되고 있는데, 이를 만족시키기 위해서 변압기를 병렬로 적층하는 방법이 이용된다.

이 경우 변압기와 변압기 사이에 내부전극이 삽입되게 되는데, 이 경우에는 내부전극과 동시 소결이 진행되어야 함으로 내부전극에 영향을 주지 않는 저온 소결이 필수적으로 이루어져야 하나 종래의 압전 자기 조성물을 적층시켜 소결할 경우 압전자기 조성물의 소결온도가 높기 때문에 고온에서 휘발성이 적은 팔라듐(Pd)과 같은 고가의 귀금속을 다량 함유한 내부전극의 사용이 불가피하였다.

또한, 종래의 압전 자기 조성물의 경우 소결 후 결정립의 크기가 평균 5㎛정도로 커서 이를 대 진폭으로 진동시킬 경우 기계적 진동에 의한 마찰열이 심하게 발생하고 이에 따라 소체의 피로도가 심하게 진행되어 압전성의 경시효과를 가져올 뿐 만 아니라 소체의 피로에 의한 파손현상까지도 생기게 된다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출 된 것으로서, 전기기계 결합계수 및 기계적 품질계수가 높고, 고출력분야에 사용 시 경시 변화 및 발열특성이 양호하며, 저온 소결이 가능한 압전 자기 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 압전체를 도시한 사시도이다.

<도면의 주요부분에 관한 부호의 설명>

1 : 압전체 2 : 출력측 단자전극

3 : 외부전극 4 : 내부전극

5 : 단자전로

상기의 목적을 달성하기 위한 발명은, 조성식 xPb_(1-a)Ba_a(Mn_1/3Sb_2/3)O_{3 -}yPb(Zr_0.5Ti_0.5)＋kCuO로 이루어진 압전 자기 조성물을 특징으로 한다. 상기 조성식에서, 0.03??x??0.08㏖, 0.01??a??0.05㏖, 0.92??y??0.97㏖, 0??k??0.05wt%, x＋y=1이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 조성식은 다음과 같다.

(조성식)

xPb_(1-a)Ba_a(Mn_1/3Sb_2/3)O₃-yPb(Zr_0.5Ti_0.5)＋kCuO

상기 조성식에 따라 원재료인 PbO, ZrO₂, TiO₂, Sb₂O₃, MnO₂, Cu0를 아래표에 나타낸 조성이 되도록 양을 조절 한 후, 볼 밀을 사용하여 12∼24시간 습식 혼합을 한 후 탈수 건조시킨다.

건조된 혼합 분말을 대기중에서 700∼900℃의 온도로 하소시켜 휘발성 성분을 없애고 재로 만든 후 용기에 넣고 조분쇄한 다음 볼 밀을 사용하여 48시간 습식 분쇄하여 이를 건조시킨다.

이렇게 얻어진 분말에 PVA(Poly Vinyl Alcohol)결합제를 첨가 후 전식 성형기에서 1.5ton/㎠의 압력으로 가압하여 직경 18㎜, 두께 2㎜의 원판형 펠릿(Pellet)을 성형하고 1050℃에서 2시간 소성을 행한다.

그 후 상기에서 얻어진 소체의 양단에 Ag전극을 형성시키고, 실리콘오일 중에서 2∼3kV/mm의 직류 전압을 인가하여, 소결밀도, 전기기계 결합계수(kp), 기계적 품질계수(Qm) 및 기계적 강도를 측정한 결과, 아래표에 기재된 값을 얻었다.

표에서 알 수 있듯이 산화구리(CuO)를 0.5wt%를 첨가한 경우가 첨가하지 않은 경우보다 낮은 온도에서 소결이 진행되어 산화구리(CuO)가 저온에서 치밀화를 촉진시키는 소결 조제로서의 역할을 함을 알 수 있다. 또한, Ba를 3㏖% Pb자리에서치환시켰을 때가 전기기계 결합계수를 향상시키는 효과를 가지고 있음을 알 수 있다.

또한, 결정립의 크기도 종래의 예보다 작은 1∼2㎛으로 기계적 강도가 종래보다 우수하다. 따라서 본 발명의 실시예 제2, 제 4, 제8, 제 10은 저온에소결

실시예	x(㏖)	y(㏖)	a(㏖)	k(wt%)	소결온도(℃)	소결밀도(g/㎤)	결정립크기(㎛)	kp(%)	Qm	강도(kgf/㎠)
1	0.03	0.97	0.01	-	1050	7.37	-	47	1000	680
2	0.03	0.97	0.01	0.5	1050	7.81	1.8	58	1530	1310
3	0.03	0.97	0.03	-	1050	7.30	-	50	1200	550
4	0.03	0.97	0.03	0.5	1050	7.78	2.5	59	1400	1250
5	0.03	0.97	0.05	-	1050	7.21	-	42	890	500
6	0.03	0.97	0.05	0.5	1050	7.67	1.9	58	1100	1100
7	0.05	0.95	0.01	-	1050	7.41	-	46	1140	520
8	0.05	0.95	0.01	0.5	1050	7.83	1.6	60	1510	1450
9	0.05	0.95	0.03	-	1050	7.36	-	49	930	670
10	0.05	0.95	0.03	0.5	1050	7.77	1.8	62	1450	1200
11	0.05	0.95	0.05	-	1050	7.20	-	44	700	510
12	0.05	0.95	0.05	0.5	1050	7.69	1.0	56	1070	1180
13	0.08	0.92	0.01	-	1050	7.21	-	38	1000	550
14	0.08	0.92	0.01	0.5	1050	7.72	3.1	52	1320	1200
15	0.08	0.92	0.03	-	1050	7.28	-	39	650	590
16	0.08	0.92	0.03	0.5	1050	7.61	3.5	54	1100	980
17	0.08	0.92	0.05	-	1050	7.29	-	30	320	520
18	0.08	0.92	1.05	-	1050	7.60	4.0	51	1020	1000

이 가능할 뿐만 아니라 전기기계결합계수, 기계적품질계수가 높고, 결정립의 크기를 효과적으로 조절하여 기계적 강도 또한 종래의 경우보다 많이 향상되어 적층 및 고전력용 압전 디바이스에 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의한 압전 자기 조성물은 전기적특성과 기계적 특성이 우수하여 트랜스듀서 및 액튜에이터에의 적용이 가능하고, 특히 저온에서 소결이 가능하므로 적층 타입 소자 및 높은 입출력을 요구하는 하이 파워용 소자에의 적용이 가능한 이점이 있다.

Claims

조성식 xPb_(1-a)Ba_a(Mn_1/3Sb_2/3)O₃-yPb(Zr_0.5Ti_0.5)＋kCuO에 의해 이루어진 것을 특징으로 하는 압전 자기 조성물.

상기 조성식에서 0.03 ≤ x ≤0.08㏖, 0.01 ≤ a ≤0.05㏖, 0.92 ≤y ≤0.97㏖, 0 ≤k ≤0.05wt%, x＋y=1임.