KR20010105276A - 압전 세라믹 조성물과 압전 세라믹 소자 - Google Patents

압전 세라믹 조성물과 압전 세라믹 소자 Download PDF

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Abstract

납을 함유하지 않거나 소량을 함유하여 구성되는 SrBi2Nb2O9를 주성분으로 형성되는 효과적인 물질이고, 실제 사용하기에 적정한 수준으로 Qmax가 향상된 압전 세라믹 조성물을 제공한다. Sr, Bi, Nb와 산소를 포함하는 비스무스계 층 혼합물을 주성분으로 하는 압전 세라믹 조성물에서, 비스무스계 층 혼합물에 주성분으로 포함된 Sr, Bi와 Nb의 몰 비율이 a : b : c 로 표현될 때, 0.275 ≤a/c < 0.5 그리고 4≤(2a + 3b)/c ≤4.5 로 표현되는 관계를 만족한다.

Description

압전 세라믹 조성물과 압전 세라믹 소자{Piezoelectric ceramic compact and piezoelectric ceramic device}
본 발명은 압전 세라믹스와 이를 이용한 압전소자에 관한 것으로, 더 상세히 설명하면, 본 발명은 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진자, 그리고 압전 세라믹 진동자와 같은 압전 세라믹 소자를 형성하는 효과적인 물질로써의 압전 세라믹 조성물과, 이 조성물을 이용한 압전 세라믹 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 발진자, 그리고 압전 세라믹 진동자와 같은 압전 세라믹 소자는 티탄-지르코늄산 납(Pb(TixZr1-x)O3) 또는 티탄산 납(PbTiO3)을 주성분으로 하는 압전 세라믹 조성물이 사용되었다. 그러나, Pb(TixZr1-x)O3또는 PbTiO3을 주성분으로 하는 압전 세라믹 조성물은 다량의 납이 함유하기 때문에, 생산 공정에서 납산화물의 기화로 인해 제품의 균일성이 저하되는 문제점이 있었다. 상기한 문제점을 해결하기 위하여 압전 세라믹 조성물은 되도록 납을 함유하지 않거나, 소량의 납만을 함유하는 것이 좋다.
압전 세라믹 조성물은 SrBi2Nb2O9와 같이 비스무스계 층 혼합물로 되어 있으므로 산화납을 포함하지 않기 때문에, 상기한 문제는 발생하지 않는다.
일반적으로, 압전 세라믹 소자, 특히 압전 세라믹 발진자에 사용되는 물질은 가급적 공진주파수로부터 반공진주파수까지의 대역폭에서 전기적 품질 계수 Q(1/tanδ)의 최대값 Qmax이 큰 것이 좋다. 그러나, 압전 세라믹 조성물이 SrBi2Nb2O9와 같이 비스무스계 층 혼합물로 되어 있으므로 실제로 사용하기 위해 충분히 큰 Qmax를 가지지 못하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 납을 함유하지 않거나, 납 화합물을 함유하지 않거나, 이들을 소량 함유하는 SrBi2Nb2O9를 주성분으로 하여 구성되어 실질적으로 사용가능한 수준의 최대값 Qmax를 가지는 압전 세라믹 소자와 이와 같은 소자를 형성하는 효과적인 물질인 압전 세라믹 조성물을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 상기한 압전 세라믹 조성물을 사용한 압전 세라믹 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 압전 세라믹 진동자의 투시도이다.
도 2 는 도 1 의 압전 세라믹 진동자의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
10 : 압전 세라믹 진동자 12 : 압전 세라믹 조성물
12a, 12b : 압전 세라믹 층 14a, 14b, 14c : 진동전극
16a, 16b 16c : 유도전극 18a, 18b : 유도선
20a, 20b : 외부단자
본 발명에 따르면, Sr, Bi, Nb, 그리고 산소를 함유하여 구성되는 비스무스계 층 혼합물을 주성분으로 하여 이루어진 압전 세라믹 조성물에서, 비스무스계 층 혼합물의 주성분으로써의 Sr, Bi, Nb의 몰 비율을 나타내는 a : b : c 의 관계는 0.275 ≤a/c < 0.5 그리고 4 ≤(2a + 3b)/c ≤4.5 로 표현된다.
본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은 주성분 중 하나인 1몰의 Nb에 대해서 0을 제외한 0.1 몰 이하의 영역에서 Sr이 아닌 2가의 금속 원소를 포함하거나, Bi가 아닌 3가의 금속 원소를 포함한다. 이 경우, 압전 세라믹 조성물에 함유된 Sr이 아닌 2가의 금속 원소는 Mg, Ca, Ba, 그리고 Pb로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소가 더 첨가되는 것이 적당하다. 또한, 압전 세라믹 조성물에 함유된 Bi가 아닌 3가의 금속 원소는 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, 그리고 Yb로 구성된 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소가 더 첨가되는 것이 적당하다.
본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물은 주성분 중 하나인 1몰의 Nb에 대해서 0을 제외한 0.25몰 미만의 영역에서 Ta를 더 포함한다.
또한, 본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물은 MnCo3로 0을 제외한 1.5중량% 이하의 영역에서 Mn을 더 포함한다.
본 발명에 의한 압전 세라믹 소자는 본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물로구성되어 압전 세라믹 조성물에 전극을 제공한다.
여기서, 본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물은 압전 세라믹 조성물을 위한 시작물질의 소성에 의해 형성된 소결체이나, 소성 전후 어떤 조성 비율의 변화도 거의 발생하지 않는다.
본 발명에 따르면, Sr, Bi, Nb, 그리고 산소를 포함하여 구성된 비스무스계 층 혼합물을 주성분으로 하는 압전 세라믹 조성물에서, 비스무스계 층 혼합물에서의 Sr, Bi, Nb의 몰 비율로 표현되는 a : b : c 는 0.275 ≤a/c < 0.5 그리고 4 ≤(2a + 3b)/c ≤4.5 의 관계로 한정된다. 상기한 관계를 벗어날 때에는, 이로인해 실제적인 사용을 위한 Qmax는 적당해 질 수 없다.
또한 본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물의 주성분 중의 하나인 Nb 1몰에 대해서 Sr이 아닌 2가 금속인 원소 또는 Bi가 아닌 3가 금속인 원소가 0을 제외한 0.1몰 이하로 더 첨가될 때, 본 발명의 이점은 더욱 현저해진다. Nb 1몰에 대해서 Sr이 아닌 2가 금속인 원소 또는 Bi가 아닌 3가 금속인 원소가 0을 제외한 0.1몰 이하로 이루어진 압전 세라믹 조성물이 상기 범위를 초과하여 함유될 때, Qmax는 상기 금속 원소가 포함되지 않을 경우에 비하여 감소하는 경향이 있다.
또한, 본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물에서 주성분 중의 하나인 Nb 1몰에 대하여 0을 제외한 0.25몰 미만의 범위로 Ta가 포함될 때, 본 발명의 이점은 더욱 현저해진다. Nb 1몰에 대하여 0을 제외한 0.25몰 미만의 범위로 Ta를 포함하여 이루어진 압전 세라믹 조성물에서 상기 범위를 초과하여 Ta가 함유될 때, Qmax는 상기Ta가 포함되지 않을 경우에 비하여 감소하는 경향이 있다.
게다가, 본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물이 MnCO3의 형태로 0을 제외한 1.5중량% 이하의 범위로 Mn이 더 함유될 때, 본 발명의 이점은 더욱 현저해진다. MnCO3의 0을 제외한 1.5중량% 이하의 범위를 초과하여 Mn이 함유된 압전 세라믹 조성물의 Qmax는 Mn이 포함되지 않은 경우에 비하여 감소하는 경향이 있다.
본 발명의 목적, 특징, 이점은 다음의 실시예의 설명을 통해 더욱 명백해진다.
실시예
시작물질로서, SrCO3, Bi2O3, Nb2O5, CaCO3, BaCO3, La2O3, Nd2O3, Ta2O5와 MnCO3가 SraBibNbcO9+ x몰 Me + y몰 Ta + z wt% MnCO3)로 표현되는 조성물을 위해 준비되고 측정된다. 이때 Me는 Ca, Ba, Nd 또는 La이고, a, b, c, x, y와 z는 후술되는 표 1과 표 2 에 게시된 바와 같다. 이처럼 준비된 조성물은 볼 분쇄기를 사용하여 대략 4시간동안 습식혼합되어 혼합물이 산출된다. 이 혼합물은 건조후에 700~900℃에서 배소(calcine)되어 배소물을 얻게된다. 배소된 물질들은 거칠게 분쇄되고, 적당량의 유기 접합재가 각 물질에 첨가되고, 볼 분쇄기를 사용하여 4시간동안 습식으로 분쇄되고, 습식 분쇄된 물질은 40메시 규격의 체를 통해 통과하여 입자를 분류하게 된다. 이후, 그 물질들은 1,000Kg/cm2에서 2mm의 두께 그리고12.5mm 직경의 원형 디스크 형태로 형성되고, 이후 1,000~1,300℃의 온도에서 가열되고, 이것에 의해 세라믹스는 원형판의 형태가 된다. 세라믹의 두개의 주요 표면은 일반적인 방법에 의해 은 페이스트가 덮여지고, 이에 따라 은 전극이 형성된다. 이후 150~200℃의 온도의 절연유에 5~10kV/mm의 DC전압 인가에 의해 극성 처치가 수행되어 압전 세라믹 소자가 산출된다.(시료)
이처럼 산출된 모든 시료에서, 원형판 진동자의 두께방향 종파장 기본파의 최대값 Qmax가 측정되었다. 그 결과는 아래의 표 1 과 표 2 에서 보여진다.
시료 번호 a b c Me x y z 가열온도(℃) Qmax
1* 0.5 2.5 2.0 - 0 0 0 1100 8.3
2* 0.55 2.2 2.0 - 0 0 0 1200 9.2
3 0.55 2.3 2.0 - 0 0 0 1150 15.2
4 0.55 2.6 2.0 - 0 0 0 1050 16.6
5* 0.55 2.7 2.0 - 0 0 0 1050 9.4
6* 0.6 2.2 2.0 - 0 0 0 1200 8.7
7 0.6 2.3 2.0 - 0 0 0 1150 16.2
8 0.6 2.6 2.0 - 0 0 0 1050 16.7
9* 0.6 2.7 2.0 - 0 0 0 1050 9.2
10* 0.8 2.1 2.0 - 0 0 0 1150 9.5
11 0.8 2.2 2.0 - 0 0 0 1100 18.8
12 0.8 2.4 2.0 - 0 0 0 1050 19.1
13* 0.8 2.5 2.0 - 0 0 0 1050 9.5
14* 1.0 2.0 2.0 - 0 0 0 1250 9.8
15* 0.8 2.1 2.0 Nd 0.1 0 0 1150 9.7
16 0.8 2.2 2.0 Nd 0.1 0 0 1100 22.2
17 0.8 2.4 2.0 Nd 0.1 0 0 1050 23.1
18* 0.8 2.5 2.0 Nd 0.1 0 0 1050 9.8
19* 0.8 2.1 2.0 Nd 0.2 0 0 1150 9.4
20 0.8 2.2 2.0 Nd 0.2 0 0 1100 20.3
21 0.8 2.4 2.0 Nd 0.2 0 0 1050 20.6
22* 0.8 2.5 2.0 Nd 0.2 0 0 1050 9.6
23* 0.8 2.4 2.0 Nd 0.25 0 0 1200 7.8
24* 0.8 2.1 2.0 Ba 0.1 0 0 1050 9.6
25 0.8 2.2 2.0 Ba 0.1 0 0 1150 22.0
26 0.8 2.4 2.0 Ba 0.1 0 0 1050 22.6
27* 0.8 2.5 2.0 Ba 0.1 0 0 1200 9.5
28* 0.8 2.1 2.0 Ba 0.2 0 0 1150 9.1
29 0.8 2.2 2.0 Ba 0.2 0 0 1050 19.4
30 0.8 2.4 2.0 Ba 0.2 0 0 1050 20.1
시료 번호 a b c Me x y z 가열온도(℃) Qmax
31* 0.8 2.5 2.0 Ba 0.2 0 0 1050 9.3
32* 0.8 2.4 2.0 Ba 0.25 0 0 1200 7.2
33 0.8 2.4 2.0 Ca 0.1 0 0 1050 18.6
34 0.8 2.4 2.0 Ca 0.2 0 0 1050 18.1
35* 0.8 2.4 2.0 Ca 0.25 0 0 1050 8.9
36 0.8 2.4 2.0 La 0.1 0 0 1050 20.5
37* 0.8 2.1 2.0 - 0 0.1 0 1150 9.3
38 0.8 2.2 2.0 - 0 0.1 0 1100 21.2
39 0.8 2.4 2.0 - 0 0.1 0 1050 20.7
40* 0.8 2.5 2.0 - 0 0.1 0 1050 9.8
41* 0.8 2.1 2.0 - 0 0.2 0 1050 9.1
42 0.8 2.2 2.0 - 0 0.2 0 1150 20.1
43 0.8 2.4 2.0 - 0 0.2 0 1050 19.4
44* 0.8 2.5 2.0 - 0 0.2 0 1200 9.3
45* 0.8 2.4 2.0 - 0 0.25 0 1050 6.7
46* 0.8 2.1 2.0 - 0 0 1 1200 9.9
47 0.8 2.2 2.0 - 0 0 1 1100 19.7
48 0.8 2.4 2.0 - 0 0 1 1050 20.1
49* 0.8 2.5 2.0 - 0 0 1 1050 9.5
50* 0.8 2.1 2.0 - 0 0 1.5 1200 9.5
51 0.8 2.2 2.0 - 0 0 1.5 1050 18.2
52 0.8 2.4 2.0 - 0 0 1.5 1050 18.8
53* 0.8 2.5 2.0 - 0 0 1.5 1150 9.6
54* 0.8 2.1 2.0 - 0 0 1.6 1100 8.8
주 : 시료 번호 행의 * 는 본 발명의 범위 밖에 있는 시료를 나타낸다.
표 1 과 표 2 에서, Qmax는 다양한 환경(배소 온도, 가열 온도, 분극동안의 DC전압과 절연유의 온도)하의 동일한 합성물의 시료로부터 얻은 최대 값이다. 또한, 비록, 시료의 모양, 진동 모드, 전극타입 등에 따라 변할지라도, 본 실시예의 상황하에 얻은 Qmax는 10 또는 그 이상이므로, 시료는 실제적인 사용에 적정한 수준으로 고려될 수 있다.
표 1 과 표 2 에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 시료의 모든 Qmax는 10 또는 그 이상이므로, 시료가 압전 세라믹 소자, 특히 압전 세라믹 발진자를 형성하는 효과적인 물질임이 명백하게 이해된다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 시료들은 SrBi2Nb2O9보다 낮은 온도에서의 모든 시료에서 큰 Qmax가 획득되어지므로, 가열 온도가 낮아지는 부가적인 효과가 입증되었다. 소성 온도가 낮아지는 것에 의해, 소성을 위한 전력 에너지가 줄어들 수 있고, 도가니의 수명 또는 가열되는 동안 압전 세라믹스를 받는 장치의 수명이 연장되고, 이에 따라 생산 비용의 절감을 이룰 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물은 상기한 시료의 재료에 제한되지 않고, 본 발명의 사상에 의한 어떤 형태의 압전 세라믹 소자도 사용될 수 있다.
또한, 상기한 시료에서, 두께방향 종파장 모드에서 원형판모양 진동자의 Qmax는 시료에 의해 표현되었으나, 본 발명의 이점은 이에 제한되지 않고, 두께방향 종파장의 경우에 더하여, 본 발명은 압전 세라믹 소자를 이용한, 특히 압전 세라믹 발진자를 이용한 전단 진동이나 외부 고조파 진동같은 다른 진동 모드를 충분히 지원한다.
더불어, T. Atsuki 외 공동 논문 Jpn. J. Appl. Pys., Vol.34, Part 1, 9B, pp 5096-5099에서, SrBi2Ta2O9와 같은 물질로 구성된 비스무스계 층 혼합물은 강유전 메모리에 사용되는 박막물질로 사용된다고 설명되고, 이는 잔류 극성을 개선한다고 하였다. 그러나, 본 발명에 의한 조성물은 상기한 책에서의 밝힌것과 다르다. 또한, 본 발명의 목적은 압전 세라믹 소자를 위한 물질로서의 효과적인 압전 세라믹 조성물을 제공하는 것이고, 상기한 혼합물과 목적이 다르다. 더불어, 강유전 메모리를 형성하는데 사용되는 물질과 압전 세라믹 소자를 형성하는데 사용되는 물질은 속성이 다르고, 본 발명은 T Atsuki 외 에 의해 수행된 연구로부터 용이하게 착상할 수 없는 것이다.
도 1 은 본 발명에 의한 압전 세라믹 진동자의 일 예를 표현한 투시도이고, 도 2 는 이의 단면도이다. 도 1 과 도 2 에 도시된 압전 세라믹 진동자 10 는 예로 직사각형의 평행 파이프로된 압전 세라믹 조성물 12로 구성된다. 압전 세라믹 조성물 12는 두개의 압전 세라믹층 12a와 12b로 구성된다. 압전 세라믹층 12a와 12b는 상기한 본 발명의 압전 세라믹 조성물로 형성되고, 박판으로 포개어 집적되어 형성된다. 또한, 압전 세라믹층 12a와 12b는 도 2 에서 도시된 두께 방향 화살표 방향으로 분극된다.
진동 전극 14a 는 일 실시예로 원판형으로 압전 세라믹층 12a와 12b사이의 압전 세라믹 조성물 12의 중앙 위치에 형성되고, 유도 전극 16a는 일 실시예로 T형으로 압전 세라믹 조성물 12의 한 가장자리 면에 형성된다. 또한, 압전 세라믹층 12a의 표면의 중앙부에는 진동 전극 14b가 일실시예로 원판형으로 형성되고, 진동 전극 14b로부터 압전 세라믹 조성물 12의 다른 가장자리면까지 유도전극 16b가 일실시예로 T형으로 형성된다. 더불어, 압전 세라믹층 12b의 표면의 중앙부에는 진동 전극 14c가 일실시예로 원판형으로 형성되고, 진동 전극 14c로부터 압전 세라믹 조성물 12의 다른 가장자리면까지 유도 전극 16c가 일 실시예로 T형으로 형성된다.
이후, 유도 전극 16a는 유도선 18a를 경유하여 외부 단자 20a에 연결되고, 다른 유도전극 16b와 16c는 다른 유도선 18b를 경유하여 외부 단자 20b에 연결된다.
이같은 연결에서, 본 발명은 상기한 압전 세라믹 진동자에 의해 도시된 기본 구조와 진동 모드뿐만 아니라, 압전 세라믹 진동자, 압전 세라믹 필터 그리고 압전 세라믹 발진자와 같이 다른 기본 구조와 전단 진동이나 두께방향 외부 제3의 고조파와 같은 다른 진동 모드에도 적용될 수 있다.
본 발명에 의하면, 주성분이 SrBi2Nb2O9로 납을 함유하지 않거나 거의 함유하지 않는 압전 세라믹 소자와 그와 같은 소자를 위한 효과적인 물질이 될 수 있는 압전 세라믹 조성물을 제공하고, 실제적으로 유용하게 적절한 수준의 최대값 Qmax를 가지는 압전 세라믹 조성물을 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. Sr, Bi, Nb와 산소를 함유한 비스무스계 층 혼합물을 주성분으로 하여 구성되되;
    비스무스계 층 혼합물에 주성분으로 함유된 Sr, Bi와 Nb의 몰 비율을 a :b :c로 나타낼 때 0.275≤a/c <0.5 와 4≤(2a + 3b)/c ≤4.5 의 관계를 만족하는 압전 세라믹 조성물.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    Nb 1 몰에 대하여 0을 제외한 0.1몰 이하의 범위에서 Sr이 아닌 2가 금속 원소 중 하나를 추가로 함유하고, Bi가 아닌 3가 금속 원소 중 하나를 추가로 함유하는 압전 세라믹 조성물.
  3. 청구항 2 에 있어서,
    Sr이 아닌 2가 금속 원소는 Mg, Ca, Ba 그리고 Pb로 구성된 군으로부터 적어도 하나의 원소가 선택되는 압전 세라믹 조성물.
  4. 청구항 2 에 있어서,
    Bi가 아닌 3가 금속 원소는 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er 그리고 Yb로 구성된 군으로부터 적어도 하나의 원소가 선택되는 압전 세라믹 조성물.
  5. 청구항 1 에 있어서,
    Nb 1몰에 대하여 0을 제외한 0.25몰 미만의 범위에서 Ta를 추가로 포함하는 압전 세라믹 조성물.
  6. 청구항 1 에 있어서,
    MnCO3의 형태로 0을 제외한 1.5중량% 이하의 범위에서 Mn을 추가로 포함하는 압전 세라믹 조성물.
  7. 청구항 1 내지 6 의 어느 한 항의 압전 세라믹 조성물; 및
    상기 압전 세라믹 조성물에 공급되는 전극을 포함하는 압전 세라믹 소자.
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