KR20020039826A - 압전자기 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 엑츄에이터(Actuator), 압전 변압기, 초음파 모터 등에 적용될 수 있는 압전자기 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서,

X Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃- Y Pb(Ti_1/2Zr_1/2)O₃+ Z Cr₂O₃화학식으로 압전 자기 조성물이 이루어지고, 반응성이 낮아 합성이 비교적 어려운 Mn, Sb, Ti, Zr의 화합물을 먼저 합성한 후 Pb 및 Cr₂O₃의 첨가제를 합성시키는 2단 합성 방식을 통해 적층형 압전변압기의 필수 요구 조건인 내부전극과 동시 소성에 의한 소결온도의 저온화를 충족시키면서 고전력 구동시 기계적 진동에 의한 피로 파괴를 억제할 수 있는 소자의 고강도화, 전기적 특성을 극대화시키기 위한 높은 전기기계 결합계수 및 기계적 품질계수의 구현을 실현 할 수 있는 효과를 제공하게 된다.

Description

압전자기 조성물 및 그 제조방법{A Piezo-electric Composition and a Method}

본 발명은 압전 엑츄에이터(Actuator), 압전 변압기, 초음파 모터 등에 적용될 수 있는 압전자기 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 적층형 압전변압기의 필수 요구 조건인 내부전극과 동시 소성에 의한 소결온도의 저온화를 충족시키면서 고전력 구동시 기계적 진동에 의한 피로 파괴를 억제할 수 있는 소자의 고강도화, 전기적 특성을 극대화시키기 위한 높은 전기기계 결합계수 및 기계적 품질계수의 구현을 실현 할 수 있는 압전자기 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 압전자기 조성물은 산화지르콘산티탄산연(PZT)을 주조성으로 하고, 여기에 첨가물로 망간, 크롬, 니켈 등을 사용하거나 스트론튬, 바륨, 칼슘 등을 치환하여 특정한 전기적 특성을 구현하게 된다.

일례로, 압전 변압기의 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이 합성분체를 건식 성형하고 1200℃ 이상의 고온에서 소결한 후 전극을 형성시키며, 이를 전극 소성이 가능한 저온에서 다시 소성 공정을 수행함으로써 압전 변압기(11)의 성능을 구현하게 된다.

이렇게, 상기 압전 변압기(11)의 성능을 구현하게 되면 압전 변압기(11)에서 요구되는 고승압비 및 저입력 전압에서의 구동에 한계가 발생하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 압전 변압기(21)의 전단에 1차 승압단(22)을 설치하여 1차 입력전압을 승압시키게 되는데, 이 경우 압전 변압기(21) 전단에서의 승압회로가 하나 더 첨가되어야 하는 문제점이 있다.

이를 개선하기 위해, 도 3에 도시된 바와 같이 압전 변압기들(31, 32, 33)을병렬로 여러 개 연결하여 출력단에서 높은 승압비를 얻어내게 된다. 그러나, 각 소자의 치수 불균일에 따른 공진주파수의 부정합이 발생되고, 다수의 소자를 제작하여 하는 공정상의 비효율성 및 회로의 거대화된다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 개선하기 위해, 도 4에 도시된 바와 같이 압전변압기(41)는 소자와 소자 사이에 전극을 형성시킨 후 이를 전극과 같이 동시 소성시킴으로써 소자를 다수개 연결시킨 효과를 나타내도록 형성되어 있다. 그런데, 상기 압전변압기(41)를 구현하기 위해서는 필수적으로 내부전극과 동시 소성을 가능하게 하는 저온 소성용 합성분체를 제공해야 한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 합성이 비교적 어려운 Mn, Sb, Ti, Zr의 화합물을 먼저 합성한 후 Pb 및 Cr₂O₃의 첨가제를 합성시키는 2단 합성 방식을 통해 적층형 압전변압기의 필수 요구 조건인 내부전극과 동시 소성에 의한 소결온도의 저온화를 충족시키면서 고전력 구동시 기계적 진동에 의한 피로 파괴를 억제할 수 있는 소자의 고강도화, 전기적 특성을 극대화시키기 위한 높은 전기기계 결합계수 및 기계적 품질계수의 구현을 실현 할 수 있는 압전자기 조성물 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 압전변압기의 구성이 도시된 사시도이고,

도 2는 도 1의 문제점을 개선하기 위해 승압회로가 추가된 압전변압기의 구성이 도시된 도면이며,

도 3은 도 2의 문제점을 개선하기 위해 병렬 연결된 다수의 압전변압기의 구성이 도시된 도면이고,

도 4는 도 3의 문제점을 개선하기 위해 내부전극이 형성된 압전변압기의 구성이 도시된 도면이며.

도 5는 본 발명에 따른 압전 자기 조성물 및 그 제조방법과 종래 기술에 따른 압전 자기 조성물의 제조방법에 의해 제작된 합성분체의 파괴강도 특성을 각각 비교한 그래프이다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 압전자기 조성물의 특징에 따르면, 조성식 X Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃- Y Pb(Ti_1/2Zr_1/2)O₃+ Z Cr₂O₃로서, 단, X는 4.5±0.05mol％, Y는 95.5±0.05mol％, Z는 0.3±0.05wt％으로 이루어진다.

한편, 본 발명에 의한 압전 자기 조성물의 제조 방법의 특징에 따르면, A, B그룹(A그룹의 반응성＜B그룹의 반응성)의 화합물과 첨가제로 이루어진 압전자기 조성물에서 A그룹의 화합물을 일정량 평량하고, 순수와 볼과 함께 볼통에 투입한 제1 설정시간 정도 혼합하는 제1 단계와, 상기 제1 단계가 완료된 후에 건조 공정을 통해 제1 설정 온도에서 제2 설정시간 동안 합성하는 제2 단계와, 상기 제2 단계에서 합성된 분체에 B 그룹의 화합물과 첨가제를 일정량 평량한 다음 순수와 볼을 동시에 투입하여 제3 설정시간 동안 혼합하는 제3 단계와, 상기 제3 단계가 완료된 후에 건조 공정을 통해 제2 설정온도에서 제4 설정시간 정도 열처리를 수행하고 이를 볼과 순수와 함께 볼통에 투입한 후 제5 설정시간 동안 분쇄를 수행한 후 성형 및 분극을 수행하는 제4 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 압전 자기 조성물의 화학식은 X Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃- Y Pb(Ti_1/2Zr_1/2)O₃+ Z Cr₂O₃이고, 여기서 X는 4.5±0.05mol％, Y는 95.5±0.05mol％, Z는 0.3±0.05wt％인데, 본 발명에서는 X는 4.5mol％, Y는 95.5mol％, Z는 0.3wt％로 한다.

상기 화학식을 이용하여 본 발명에 의한 압전자기 조성물의 제조 방법에 따라 합성 분체를 제조하면 다음과 같다.

먼저, 제1 단계에서는 상기 화학식에서 반응성에 따라 MnO₂, Sb₂O₃, Ti0₂, ZrO₂를 A그룹, PbO와 Cr₂0₃를 B그룹으로 나누어 B그룹보다 반응성이 낮은 A그룹을 상기 화학식에 따라 평량한 다음에 순수와 볼(Ball)과 함께 볼통에 투입하고 24시간 혼합한다.

그 후, 제2 단계에서는 상기 제1 단계에서 혼합된 혼합체를 건조 공정을 통해 1000℃에서 4시간 합성한다. 그리고, 제3 단계에서는 상기 제2 단계에서 합성된 합성 분체에 PbO와 Cr₂0₃를 상기 화학식에 준하여 평량한 후, 다시 순수 및 볼과 함께 동시 투입하여 48시간 혼합한다.

이렇게, 상기 제3 단계에서혼합된 분체를 제4 단계에서는 다시 건조 공정을 통해 900℃에서 2시간 열처리를 수행하고, 이를 순수 및 볼과 함께 볼통에 투입한 후에 200시간 분쇄를 수행한다.

상기에서 제작된 합성 분체는 제5 단계에서 10wt% 폴리비닐알콜 수용액을 첨가하여 원통형 보울러에 충진 후 프레스로 1ton/㎠의 힘으로 가압한 후 1000℃∼1250℃의 온도 범위로 소결된다. 그리고, 제6 단계에서는 상기 제5 단계의 소결체를 1㎜ 두께로 랩핑한 후 양단에 전극을 형성시키고 120℃의 실리콘 오일에서 3㎸/㎜의 전압으로 분극을 수행하게 된다.

이렇게 하여 제조된 압전자기 조성물의 특성을 평가해 보면 아래 표 1과 같다.

순서	소결온도	Graz size(㎛)	수축율(%)	밀도(g/㎤)	전기적 특성
					εr	Kp(%)	Qm
1	1000	1.1	19.3	7.99	1230	62	2000
2	1100	1.5	20.0	8.01	1300	61	1980
3	1200	2.1	19.5	7.98	1370	60	2000
4	1250	3.4	20.1	7.87	1410	61	1810

한편, 본 발명과 종래 기술을 비교하기 위해 상기 화학식(X Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃- Y Pb(Ti_1/2Zr_1/2)O₃+ Z Cr₂O₃)에 준하여 종래 압전자기 조성물의 제조 방법을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 제1 단계에서는 PbO, MnO₂, Sb₂O₃, TiO₂, Cr₂O(시약급/순도 99.5％ 이상)의 원재료를 화학식에 준하여 평량한 후 지르코니아 메디아와 순수를 볼통(Ball Jar)에 같이 투입한 다음 24시간 혼합한다.

그 후, 제2 단계에서는 상기 제1 단계에서 혼합된 혼합체를 건조 공정을 통해 순수를 제거한 후 850℃∼900℃에서 2시간 하소를 수행한다. 그리고, 제3 단계에서는 상기 제2 단계에서 하소된 합성 분체를 볼통에 볼과 순수를 동시에 투입한 후 48시간 동안 분쇄를 수행한 후 건조하게 된다.

마지막으로, 제4 단계에서는 성형 및 분극을 수행하고 본 발명과 동일한 특성 평가를 수행하여 표 2를 산출하게 된다.

순서	소결온도	Graz size(㎛)	수축율(%)	밀도(g/㎤)	전기적 특성
					εr	Kp(%)	Qm
1	1000	0.2	10	6.45	520	32	700
2	1100	1.5	14.5	7.24	1030	43	1070
3	1200	3.4	16	7.67	1150	57	1640
4	1250	5.0	18.5	7.82	1340	60	1530

표 1과 표 2를 통해 종래 기술과 본 발명을 상호 비교해 보면 표 3과 같이 나타난다.

	종래 기술	본 발명
물리적 특성	소결온도Graz size수축율밀도	12505.018.57.82	10001.119.37.99
전기적 특성	εrKp(%)Qm	1340601530	1230622000

표 3에 나타난 바와 같이 본 발명에 의한 압전자기 조성물의 제조방법이 종래 기술에 비해 소결온도는 250℃ 낮음에도 불구하고 물리적 특성 및 전기적 특성 모두가 더욱 향상되었으며, 도 5에 도시된 바와 같이 파괴강도도 훨씬 우수함을 알 수 있다.

이는 소결체의 평균 입경이 작고, 소결 밀도가 상승한 효과도 이 분야에서 통상적으로 인식되고 있는 이론과 일치하게 된다. 즉, 소결체의 평균 입경이 작고, 소결 밀도가 높을수록 강도가 향상되는 것이다.

따라서, 본 발명은 압전 자기 조성물과 압변압기용 원료로 사용되는 합성 분체를 제작하는 방법으로서 소결의 저온화, 강도의 향상, 전기적 특성(기계적 품질 계수, 전기기계 결합계수)의 향상을 구현하고 있다.

특히, 본 발명은 고전력 하에서 기계적으로 구동하는 분야, 적층이 요구되는 분야에 적용 가능하며, 압전 액츄에이터(Actuator), 압전 변압기, 초음파 모터 등에 적용 가능하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 X Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃- Y Pb(Ti_1/2Zr_1/2)O₃+ Z Cr₂O₃화학식으로 압전 자기 조성물이 이루어지고, 반응성이 낮아 합성이 비교적 어려운 Mn, Sb, Ti, Zr의 화합물을 먼저 합성한 후 Pb 및 Cr₂O₃의 첨가제를 합성시키는 2단 합성 방식을 통해 적층형 압전변압기의 필수 요구 조건인 내부전극과 동시 소성에 의한 소결온도의 저온화를 충족시키면서 고전력 구동시 기계적 진동에 의한 피로 파괴를 억제할 수 있는 소자의 고강도화, 전기적 특성을 극대화시키기 위한 높은 전기기계 결합계수 및 기계적 품질계수의 구현을 실현 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 아래의 조성식에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 자기 조성물.

   X Pb(Mn_1/3Sb_2/3)O₃- Y Pb(Ti_1/2Zr_1/2)O₃+ Z Cr₂O₃

   (단, X는 4.5±0.05mol％, Y는 95.5±0.05mol％, Z는 0.3±0.05wt％임.)
2. A, B그룹(A그룹의 반응성＜B그룹의 반응성)의 화합물과 첨가제로 이루어진 압전자기 조성물에서 A그룹의 화합물을 일정량 평량하고, 순수와 볼과 함께 볼통에 투입한 제1 설정시간 정도 혼합하는 제1 단계와;

   상기 제1 단계가 완료된 후에 건조 공정을 통해 제1 설정 온도에서 제2 설정시간 동안 합성하는 제2 단계와;

   상기 제2 단계에서 합성된 분체에 B 그룹의 화합물과 첨가제를 일정량 평량한 다음 순수와 볼을 동시에 투입하여 제3 설정시간 동안 혼합하는 제3 단계와;

   상기 제3 단계가 완료된 후에 건조 공정을 통해 제2 설정온도에서 제4 설정시간 정도 열처리를 수행하고 이를 볼과 순수와 함께 볼통에 투입한 후 제5 설정시간 동안 분쇄를 수행한 후 성형 및 분극을 수행하는 제4 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압전자기 조성물의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 내지 제5 설정시간은 대략 24시간, 4시간, 48시간, 2시간, 200시간으로 각각 정해진 것을 특징으로 하는 압전자기 조성물의 제조방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 설정 온도는 대략 1000℃, 900℃로 각각 정해진 것을 특징으로 하는 압전자기 조성물의 제조방법.