KR20030018144A - 압전 자기 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 자기 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아래의 조성식으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
따라서 상기와 같은 조성식으로 이루어진 압전 자기 조성물에 의하면, 소결시 결정립의 크기가 서버 마이크론이며, 소결 밀도가 높아 기계적 강도가 높고, 전기 기계 결합 계수 및 기계적 품질 계수가 높으며, 주파수 온도 안정성이 우수해 가혹 조건에서도 안정된 출력을 낼 수 있다

Description

압전 자기 조성물{PIEZOLECTRIC MAGNETIC COMPOSITION}
본 발명은 압전 자기 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소결시 결정립의 크기가 서버 마이크론(sub-micron)이며, 소결 밀도가 높아 기계적 강도가 높고, 전기 기계 결합 계수 및 기계적 품질 계수가 높으며, 주파수 온도 안정성이 우수해 가혹 조건에서도 안정된 출력을 내도록 설계한 압전 자기 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 압전 자기 조성물로는 지르콘 티탄산 연(PZT)으로 이루어진 이성분계 압전세라믹스 조성물을 이용하거나 지르콘 티탄산 연의 이성분계에 제 3성분으로서 복합 페로브스카이트(Complex Perovskite) 화합물을 첨가하여 특정 부분의 특성을 향상시켜 왔다. 이 제 3성분으로서 주로 쓰인 종래의 예를 보면 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3, Pb(Ni1/3Nb2/3)O3,Pb(Fe1/3Nb2/3)O3,Pb(Ni1/3Ta2/3)O3,Pb(Mn1/3Te2/3)O3,Pb(Sc1/2Nb1/2)O3, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3, Pb(CO1/3Nb2/3)O3, Pb(Fe1/3W2/3)O3, Pb(Li1/3Nb2/3)O3, Pb(Mn1/3Sb2/3)O3등을 사용하였다.
최근에는 제 3성분을 두가지 이상 조합하여 요구하는 특성을 도출해 내는 방법이 시도되는 경향이 두드러지며, 합성분체의 입도를 최소화시켜 소결시 비표면적을 넓혀 소결성을 향상시켜 낮은 소결 온도를 유도한 경우도 있지만 소결 온도를 낮추거나 압전 특성을 향상시키는데에는 한계가 있는 방법들이다.
특히 고전력 응용 분야에서는 전기 기계 결합 계수와 기계적 품질 계수가 높고, 주파수 안정성이 높은 것을 요구하는데 이 분야에 많이 응용되는 종래의 재료로는 Pb(Mn1/3Sb2/3)O3-Pb(ZrTi)O3또는 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-Pb(ZrTi)O3등이 많이 사용되어 왔다.
그러나 이들은 특정 전기적 특성을 향상시킬 목적으로 사용된 것이 대부분이고, 거기에 부가하여 물리적 특성(예를 들면, 기계적 강도, 소결 온도, 열화 특성)의 향상에는 큰 효과를 보지 못하였다. 특히 Pb(Mn1/3Sb2/3)O3계 압전 재료를 고출력 분야에 사용할 경우 전기 기계 결합 계수 및 기계적 품질 계수는 높지만, 소결 온도가 높으며, 그 결정립의 크기 또한 5㎛정도로 크다. 결정립의 크기가 크면 상당히 큰 진폭으로 진동시킬 경우(고전력 하) 결정립의 크기가 작은 경우보다 기계적 진동에 의한 마찰열이 더 심하게 발생하고 이에 따라 소체의 피로도가 더욱 심하게 진행된다. 이럴 경우 압전체의 경시 효과를 촉진시키는 결과를 가져올뿐만 아니라 소체의 피로에 의한 파손 현상까지도 발생하게 되는 문제점이 있다.
또한 최근 변압기에 압전세라믹스를 응용할 경우 고출력을 요구하면서 입력 전압을 낮추는 것이 요구되는데, 이를 만족시키기 위해서 변압기를 병렬로 적층(변압기와 변압기 사이에 내부 전극을 삽입)하는 방법이 이용되나, 이 경우에는 내부 전극과의 동시에 소결이 진행되어야 함으로 내부 전극에 영향을 주지 않는 저온 소결이 필수적으로 이루어져야 하나 종래의 압전 자기 조성물의 경우 소결시 소결 온도가 높아 적층형 변압기에 적용하기가 불가능한 다른 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 소결시 결정립의 크기가 서버 마이크론(sub-micron)이며, 소결 밀도가 높아 기계적 강도가 높고, 전기 기계 결합 계수 및 기계적 품질 계수가 높으며, 주파수 온도 안정성이 우수해 가혹 조건에서도 안정된 출력을 내도록 설계한 압전 자기 조성물을 제공하도록 하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
압전 자기 조성물은 아래의 조성식으로 형성된다.
(단, x, y는 mol, k, l은 wt%, m은 ppm 단위임, x+y=1)
0.045 ≤x ≤0.055, 0.945 ≤y ≤0.955, 0.45 ≤x ≤0.55, 200 ≤m ≤300의 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 의한 압전 자기 조성물을 상세하게 설명하기로 한다.
먼저 본 발명의 압전 자기 조성물은 원재료인 Pb0, Zr02, TiO2, Sb2O3, Nb2O5, MnO2, CrO 및 Ag를 아래의 조성식과 같이 조성한다.
여기에서 상기 x는 0.045~0.055의 비율로 혼합되고, 상기 y는 0.955~0.945의 비율로 혼합되며, 상기 k는 0.45~0.55의 중량비로 첨가되고, 상기 l은 0.45~0.55의 중량비로 첨가되며, m은 200~300의 ppm으로 첨가된다.
x y k l z 소결온도(℃) 밀도(g/㎠) 결정입자사이즈(㎛) 전기기계결합계수(%) 기계적품질계수 공진주파수의온도계수
1 0.05 0.95 0.5 - - 1200 7.76 5.0 59 580 370
2 0.05 0.95 0.5 0.05 - 1200 7.82 4.1 60 1800 150
3 0.05 0.95 0.5 0.05 - 1000 7.2 0.5 42 700 700
4 0.05 0.95 0.5 0.05 50 1000 7.45 0.7 55 1200 210
5 0.05 0.95 0.5 0.05 100 1000 7.86 1.2 60 1580 70
6 0.05 0.95 0.5 0.05 200 1000 7.85 2.1 59 1400 75
7 0.05 0.95 0.5 0.05 300 1000 7.74 10.0 51 1000 150
8 0.05 0.95 0.5 0.1 700 1000 7.65 15.0 Break Down
상기와 같은 압전 자기 조성물의 실험 과정을 살펴보면, 먼저 원재료인 Pb0, Zr02, TiO2, Sb2O3, Nb2O5, MnO2, CrO를 상기의 표 1에 나타낸 조성으로 평량한 후, 볼밀을 사용하여 12~24시간 습식 혼합을 한후 탈수 건조시킨다.
건조된 혼합 분말을 대기중에서 온도 700~900℃에서 2시간 정도 하소를 행하며 이렇게 만들어진 합성 분체를 유발(乳鉢)에서 조분쇄한 후 Ag 분말을 조성식에 따라 부가한다. 이것을 볼밀을 사용하여 48시간 습식 미분쇄한 다음 건조시킨다.
그후 이렇게 얻어진 분말에 PVA(Poly Vinyl Alcohol) 결합제를 첨가후 유압식 프레스를 사용하여 1.5ton/㎠의 압력으로 직경 18mm, 두께 2mm의 원판형펠릿(Pellet)을 성형하고 1000~1150℃에서 2시간 소성을 행한다.
그런 다음 상기에서 얻어진 소체의 양단에 Ag 전극을 형성시키고, 실리콘 오일중에서 100℃ 이상의 온도에서 2~4V/mm의 직류 전압을 인가해 분극시킨다.
그리고 소체의 특성 평가 방법은 이 분야에서의 통용되는 통상적으로 사용하는 방법으로 특성을 평가하였다.
표 1에서 알수 있듯이 Mn0의 첨가로 기계적 품질 계수가 향상시키는 효과를 얻을 수 있었다.
그러나 소결 온도가 1200℃로 높은 온도에서 소결하여야 높은 전기적 특성을 나타내고, 공진 주파수의 온도 안정성이 높아 고출력용 소자로로서 사용하는데는 어려움이 있다.
상기 조성에 Cr2O3를 첨가하면 고출력용에서 요구하는 압전 특성은 만족하여 고입력 전압으로 고출력을 내는 단판형 압전 변압기로서의 사용은 가능하지만 낮은 입력 전압하에서 높은 출력 전압을 요구하는 적층형에서는 내부 전극과의 동시 소성이 가능한 온도(1050℃이하)에서는 사용이 어렵다.
이를 해결하기 위하여 저온에서도 반응성이 좋은(녹는점 : 930℃) Ag 분말을 일정량 첨가하여 저온 소결을 시도해 보았다. 100ppm까지 Ag 분말을 첨가시키면 낮은 소결 온도에서도 높은 압전 특성 및 기계적 강도를 나타내지만 700ppm 이상에서는 분극시 Ag 분말의 영향으로 소체가 파손되는 브레이크 다운이 일어난다.
따라서 상기 표의 5 및 6에 의한 조성비로 설계된 압전 자기 조성물은 내부전극과 동시 소성이 가능한 온도에서 소결이 가능할 뿐만 아니라 전기 기게 결합 계수, 기계적 품질 계수가 높고, 결정립의 크기를 효과적으로 조절하여 기계적 강도가 높아 낮은 입력 전압하에서 고출력 전압을 요구하는 분야에 이용이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 압전 자기 조성물에 의하면, 소결시 결정립의 크기가 서버 마이크론이며, 소결 밀도가 높아 기계적 강도가 높고, 전기 기계 결합 계수 및 기계적 품질 계수가 높으며, 주파수 온도 안정성이 우수해 가혹 조건에서도 안정된 출력을 낼 수 있다.

Claims (1)

  1. 아래의 조성식으로 형성된 압전 자기 조성물.
    (단, x, y는 mol, k, l은 wt%, m은 ppm 단위임, x+y=1)
    0.045 ≤x ≤0.055, 0.945 ≤y ≤0.955, 0.45≤x ≤0.55, 200 ≤m ≤300의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 압전 자기 조성물.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100804680B1 (ko) * 2006-10-02 2008-02-20 한국전기연구원 단순 분극 공정이 가능한 압전 복합 자기 조성물 및 그제조방법

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