KR20040005360A

KR20040005360A - 저온에서 소결이 가능한 ｐｚｔ 조성물과 이를 이용한압전 세라믹 장치

Info

Publication number: KR20040005360A
Application number: KR1020020039881A
Authority: KR
Inventors: 유리포노마레브; 김영민
Original assignee: (주)동일기연
Priority date: 2002-07-10
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2004-01-16
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: DE10331036A1; JP4804709B2; JP2004051476A; KR100482724B1; DE10331036B4

Abstract

본 발명은 저온 소결이 가능한 압전 세라믹 조성물과 그것을 이용한 압전 세라믹 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은 아래의 화학식으로 표현된다.

[(Pb_1-m-n-pSr_mBa_nCd_p)(Zr_xTi_1-x)_1-k(Bi_aMn_b)_k]O₃+ y(wt ％)Bi₂O₃+ z(wt ％)F

상기 화학식에서 0.00 ≤m < 0.15,0.00 ≤ n < 0.15, 0.00 < (m+n) < 0.21, 0.00 < p < 0.04, 0.50 ≤ x ≤ 0.56, 0.00 < a ≤ 1.00, 0.00 < b ≤1.00, 0.00 < k < 0.04, 0.00 ≤y ≤1.00 (wt ％), 0.00 ≤z ≤1.00 ( wt ％) 이고, 불소화합물은 LiF 또는 MgF₂이다.

본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물을 이용하여 다층 압전 세라믹 장치, 압전 변압기, 압전 액추에이터 또는 압전 변압기등과 같은 압전 세라믹 장치를 만들 수 있다.

Description

저온에서 소결이 가능한 ＰＺＴ 조성물과 이를 이용한 압전 세라믹 장치{Low Temperature Firable PZT Compositions and piezoelectric ceramic devices using the same}

본 발명은 저온에서 소결이 가능한 PZT 세라믹 조성물과 그것을 이용한 압전 세라믹 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 1050 ℃이하의 낮은 온도에서 소결될 수 있고, 더 나아가서 940 ℃의 낮은 온도에서도 순은 Ag 전극과 함께 동시소결 할 수 있는 저손실 압전 세라믹 물질과 이를 이용한 압전 세라믹 장치,다층 압전 세라믹 장치, 다층 부분과 단층 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 장치에 관한 것이다.

압전 변압기와 압전 액추에이터와 같은 다층 압전 세라믹 장치의 출원이 최근 증가하고 있다. 그러나, 납 지르코네이트 티타네이트(lead zirconate titanate, PZT) 물질로 만들어진 기존의 다층 압전 세라믹 장치는 PZT물질의 높은 소결온도 때문에 Pt, Pd 또는 Ag-Pd 페이스트와 함께 동시 소결되었어야만 했다. 이런 내부전극의 고비용은 다층 압전기 장치의 광범한 사용을 제한하였다. 따라서, 저온에서 특히 순은(Ag)의 녹는점인 962℃ 이하에서 소결이 가능한 PZT 물질을 개발하려는 다양한 노력이 있어왔다.

압전 세라믹 변압기에서와 같이 연속적으로 구동되는 응용에 있어서 고효율을 얻기 위해, 높은 압전 정수 (d_ij,piezo modulus), 높은 전기기계 결합계수 k_p(electro-mechanical coupling coefficient), 높은 유전상수를 갖는 저손실 경질압전 세라믹 물질이 요구된다. 그러나 경질 압전 세라믹의 압전 특성을 악화시키지 아니하고 소결온도를 저하시키는데는 많은 어려움이 있다.

액상소결에 의해 낮은 온도에서 치밀화(densification)을 가속시키기 위해 낮은 녹는점을 갖는 유리프릿(glass frit)을 단순히 첨가함으로써 PZT 물질의 소결온도를 저하할 수 있다. 그러나 이 방법은 압전 정수(piezoelectric parameter)를 저하시키는 문제점이 있다.

미국특허 No.5,792,379는 900℃ 이하의 소결온도를 갖고 내부 전극 물질로서 순은과 동시 소결할 수 있는 PZT 세라믹 조성물에 관한 것이다. B₂O₃, Bi₂O₃, MeO과 CuO로 구성된 소결조제(여기서 Me는 Ca,Sr,Ba 과 Zn으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속임)를 사용함으로써 소결온도를 저하시켰다. 그러나, 소결온도 저하에 따라 0.60 이상의 K_p(전기기계결합계수)를 갖는 경질 압전 세라믹과 비교했을때, K_p는 최고 0.55 이하로 감소되었다.

미국특허 No.5,433,917은 CuO의 공융 혼합물과 알칼리토금속의 산화물을 이용하여 약 1,000℃의 낮은 소결온도를 갖는 PZT 조성물에 관한 것이다. 그러나 유전상수(dielectric constant)와 유전손실(dielectric loss)를 제외하고 다른 상세한 압전 정수(piezoelectric parameter)에 관한 보고는 없다. Gui et, al 또한B₂O₃, Bi₂O₃, CdO를 작은 양 사용하여 PZT의 소결온도를 저하하는 방법을 설명하고 있다. 그러나 양 선행기술에서 소결온도는 은 전극과 동시 소결하기에는 여전히 높다는 문제점이 있다.

이러한 선행기술에서 낮은 녹는점을 갖는 유리 프릿(glass frit)이 소결조제로 사용되지만, 유리프릿에 있어서 모든 원소, 예를 들어 붕소는 소결 중 PZT 기지(matrix)의 페로브스카이트 결정 격자 구조에 치환되지 않는다. 따라서 소결 후 그것들이 결정립계(grain boudary)를 따라 유리상으로 남아 있게 되고 이는 압전기적 특성을 악화시키는 문제점이 된다.

상기의 문제점을 해결하기 위해서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 낮은 유전손실(dielectric loss)과 높은 압전 정수(piezoelectric parameter)를 갖고, 저온에서 소결이 가능한 압전 세라믹 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 낮은 유전손실(dielectric loss)과 높은 압전 정수(piezoelectric parameter)를 갖고, 낮은 온도, 특히 은(Ag)의 녹는점인 962℃ 이하에서 순은과 동시 소결이 가능한 저온 소결 압전 세라믹 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물을 이용하여 다층 압전 세라믹 변압기, 다층 압전 세라믹 액추에이터등과 같이 연속 구동을 하는데 적합한 압전 세라믹 장치를 제공하는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 압전 세라믹 장치의 일실시예인 압전 세라믹 변압기내의 압전 세라믹의 사시도이다.

도2는 본 발명에 따른 압전 세라믹 장치의 일실시예인 압전 세라믹 변압기의 동작 특성 중 출력 전압의 주파수 특성을 보여주는 그래프이다.

도3은 본 발명에 따른 압전 세라믹 장치의 일실시예인 압전 세라믹 변압기의 동작 특성 중 open-load(100MOhm)과 200kOhm에 대한 주파수 특성을 보여주는 그래프이다.

도4는 본 발명에 따른 압전 세라믹 장치의 일실시예인 압전 세라믹 변압기의 동작 특성 중 출력 전류와 출력 전압의 특성을 보여주는 그래프이다.

<도면의 주요 부호의 설명>

I: Input section(입력부분)O: Output section (출력부분)

P: Polarization (분극)

상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물의 조성성분과 비율이 아래의 화학식으로 표현되고, 아래의 화학식에서 F는 LiF 또는 MgF₂이고, m,n,p,x,a,b,k,y,z 가 각각 아래의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.

0.00 ≤m < 0.15, 0.00 ≤n < 0.15, 0.00 < (m+n) < 0.21,

0.00 < p < 0.04, 0.50 ≤x < 0.56, 0.00 < a ≤ 1.00,

0.00 < b ≤1.00, 0.00 < k < 0.04, 0.00 ≤ y ≤ 1.00 (wt ％),

0.00 ≤z ≤1.00 (wt ％)

상기 화학식에서 3a+ 4b = 4인 것이 바람직하다.

상기 화학식에서 p=k인 것이 바람직하다.

상기 화학식에서 0.00 < z ≤1.00 (중량 ％)인 것이 바람직하다.

상기 화학식에 의한 압전 세라믹 조성물이 0.50 중량 ％ 이하(0 중량％ 제외)의 MnO₂를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 압전 세라믹 장치는 상기의 화학식으로 표현되고 상기의 화학식에서 F는 LiF 또는 MgF₂이고, m,n,p,x,a,b,k,y,z 가 각각 상기의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물 또는 상기 화학식에서 3a+ 4b = 4인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물을 1075 ℃ 이하에서 소결시켜 얻은 압전세라믹을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다층 압전 세라믹 장치는 상기의 화학식으로 표현되고 상기의 화학식에서 F는 LiF 또는 MgF₂이고, m,n,p,x,a,b,k,y,z 가 각각 상기의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물 또는 상기 화학식에서 3a+ 4b =4인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물을 Ag 내부전극과 함께 960℃ 이하에서 동시소결하여 얻은 압전 세라믹 층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다층 압전 세라믹 장치는 상기의 화학식으로 표현되고 상기의 화학식에서 F는 LiF 또는 MgF₂이고,m,n,p,x,a,b,k,y,z 가 각각 상기의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물 또는 상기 화학식에서 3a+ 4b =4인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물을 Ag-Pd 내부 전극과 함께 동시소결하여 얻은 압전 세라믹 층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기에서 Pd의 양은 Ag 와 Pd 의 총 중량의 20 중량 ％이하(0 중량％ 제외)인 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 압전 세라믹 장치는 상기의 화학식으로 표현되고 상기의 화학식에서 F는 LiF 또는 MgF₂이고, m,n,p,x,a,b,k,y,z 가 각각 상기의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물 또는 상기 화학식에서 3a+ 4b=4인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물을 Ag 내부 전극과 함께 960 ℃ 이하에서 동시소결하여 얻은 압전 세라믹 층을 포함하여 구성되고, 다층부분과 단층부분을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 압전 세라믹 장치는 상기의 화학식으로 표현되고 상기의 화학식에서 F는 LiF 또는 MgF₂이고, m,n,p,x,a,b,k,y,z 가 각각 상기의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물 또는 상기 화학식에서 3a+ 4b=4인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물을 Ag-Pd 내부전극과 함께 1050 ℃ 이하에서 동시소결하여 얻은 압전 세라믹 층을 포함하여 구성되고, 다층 부분과 단층 부분을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 Pd 의 양은 Ag 와 Pd 의 총 중량의 20 중량 ％ 이하(0 중량％ 제외)인 것이 바람직하다.

이하에서 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은 납 지르코늄 티타네이트(lead zirconium titanate, PZT)의 고용체(solid solution)을 스트론튬, 바륨, 카드뮴, 비스무스, 리튬 그리고 망간이온과 함께 합금한다. 또 높은 기계적응력 또는 높은 전기장에서의 높은 압전 특성을 개선하기 위해서 불소 화합물을 사용하여 불소 또한 첨가한다.

압전 정수(piezoelectric parameter)를 악화시키지 않고 소결온도를 저하시키 위해서 반응성이 높은 Cd 와 Bi를 첨가한다. Zr⁴⁺또는 Ti⁴⁺을 대신 Bi³⁺로 치환한다. 알리오발런트 이온(aliovalent ion)의 치환에 따른 전하의 균형(charge netrurality)은 소결동안 확산과정(diffusional process)을 증가시키는 산소 원자공공(oxygen vacancy)의 생성에 의해 유지되고 따라서 효과적으로 소결온도를 저하시킨다. 이러한 물질 시스템에서 Cd²⁺는 Pb²⁺를 치환하고, Cd²⁺의 높은 활성도는 소결과정에서 확산과정을 가속화시키며, 효과적으로 소결온도를 저하시킨다. Cd의양, p는 0 < p < 0.04로 제한된다. Cd의 양이 이 범위를 벗어나게 되는 경우, 전기기계결합계수, K_p(electromechanical coupling coefficient)와 압전정수 d₃₃(piezo modulus)가 비실용 레벨(nonpractical level)까지 감소한다.

Bi는 Bi_aMn_b로 표현되는 Mn과 함께 첨가된다. Mn은 기계적 품질계수, Q_m(mechnical qouality factor)를 증가시키고, 소결체 (sintered element)의 결정입자크기를 제어하기 위해 첨가된다. Bi와 Mn의 상대적인 양인, a와 b는 0 < (a 또는 b) ≤1의 범위이고, 바람직하게는 다음의 관계를 만족하도록 설정되지만 이것에 제한되는 것은 아니다.

3a + 4b = 4

예를 들어, 각각 a=1,2/3, 1/2 또는 1/3이고 b=1/4, 1/2,5/8 또는 3/4 이다. 이러한 조건에서 만약 Bi³⁺또는 Mn⁴⁺이 Zr⁴⁺와 Ti⁴⁺를 치환한 경우, 기지(matrix) 1 몰당 k(a/4) 몰양의 Bi³⁺또는 Mn⁴⁺이온이 과량으로 존재하게 된다. 따라서 PZT 기지(matrix)로 치환되지 아니한 과량의 Bi³⁺또는 Mn⁴⁺이온은 소결동안 액상을 형성하고 치밀화를 돕는다. Bi_aMn_b의 최대량, k는 0 < k < 0.04로 제한된다. 이러한 범위를 벗어나게 되면 K_p와 d₃₃는 급격하게 감소한다.

유전상수(dielectric constant)를 증가시키고, 압전 정수(piezoelectric parameter)에 대한 뚜렷한 역효과 없이 치밀화를 향상시키기 위해서 Sr 또는 Ba을 첨가한다. Pb를 치환할 수 있는 Sr 또는 Ba의 최대량은 단독으로 첨가되었을 때 PZT에 있어서 약 15 mole ％이다. 그러나, 함께 첨가되었을 때, (Sr + Ba)의 최대량은 18 ∼ 20 mole ％까지 확장될 수 있고, 따라서 더 높은 유전상수 (dielectric constant)를 얻을 수 있다. 게다가, 혼합 치환은 동일한 원자비율로 첨가되었을 때 단독 치환에 비해 더 좋은 소결 특성을 보여준다. Sr 또는 Ba의 양인, m 또는 n은 0.0 < ( m 또는 n ) < 0.15 그리고 0 < ( m + n ) < 0.21로 제한된다. 이러한 범위를 벗어나게 되면, 소결온도는 아주 크게 증가한다.

첨가제는 LiF와 MgF₂와 같은 불소 물질과 Bi₂O₃및/또는 MnO₂등의 혼합물로 구성된다. 불소(F)는 높은 전기장에서 압전 특성을 향상시키고 유전상수(dielectric constant)를 증가시킨다. 따라서 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물에 이러한 목적으로 불소를 LiF 또는 MgF₂의 형태로 첨가한다. F의 양인 z는 0.01 < z < 1.0 (중량 ％)로 제한된다. 부가적으로 Bi₂O₃또는 MnO₂을 소결성 또는 기계적 품질계수(mechnical qouality factor)를 향상시키기 위해 더 첨가할 수 있다.

본 발명은 압전 세라믹 조성물과 그것을 이용한 압전 세라믹 변압기에 관한 아래의 실시예에 의해 용이하게 이해될 수 있다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

실시예 1 압전 세라믹 조성물

PbO, ZrO₂, TiO₂, SrCO₃, BaCO₃, CdO, Bi₂O₃,MnO₂와 LiF 또는 MgF₂를 출발 물질로 사용한다. 출발물질을 표1에 도시된 조성에 따라 계량한다. 계량한 물질을 2시간 동안 탈이온수를 첨가해 아트리션 밀에서 습식 혼합한 뒤. 그 슬러리를 진공여과한다. 여과한 덩어리를 120 ℃의 오븐에서 건조한 뒤, 700 ∼ 875 ℃에서 2시간 동안 하소한다. 하소한 물질을 다시 아트리션 밀에서 약 0.8 마이크론(micron)의 평균 입자크기로 미분쇄한다. 미분쇄한 슬러리를 건조하고. 10 ％ PVA (Poly Vinyl Alcohol) 용액을 사용하여 과립한다. PVA 양은 미분쇄한 분말의 2 wt ％ 이다. 과립 분말로 지름 25 mm, 두께 약 2.5 mm의 그린 디스크(green disk)를 1,000 kg/cm²의 압력하에서 성형한다. 그린 디스크(green disk)를 2시간 동안 920 ∼ 1000 ℃ 에서 소결시킨다. 소결한 디스크의 양 표면에 Ag 페이스트를 프린트하고 15분 동안 700 ∼ 770 ℃ 에서 가열한다. 전극을 형성한 디스크를 15분 동안 120 ∼ 140 ℃의 실리콘 오일 조에서 3 ∼ 4 kV/mm 전압을 인가하여 분극처리한다. 유전상수 (dielectric constant) 와 유전손실 계수(dielectric loss tangent)는 1Vrms의 입력 레벨, 1kHz에서 LCR meter를 사용하여 측정한다. 압전정수 d₃₃는 Berlincourt d₃₃meter를 사용하여 측정한다. 평면결합계수 (planar coupling coefficient)와 기계적 품질계수 Qm(mechanical qouality factor)는 공진 주파수 f_r(resonant frequency), 반공진 주파수 f_a(antiresonant frequency) 와 LCR meter로 측정된 전기용량 C_o및 Impedance/Gain-Phase analyser로 측정된 공진 임피던스 Z_r(resonanat impedance)로 부터 다음의 관계식에 의해 계산된다.

1/k_p=0.395f_r/(f_a-f_r)+ 0.574

Q_m=1/2 πf_rZ_rC_o(1-(f_r/f_a)²)

표1에서 별표가 표시된 조성물은 비교를 위한 샘플이고 본 발명의 범위 밖이다. 1050 ℃, 965 ℃와 950 ℃에서 소결된 샘플의 특성이 표2에 도시되어 있다. 표에서 볼 수 있듯이, 유용한 압전 정수(piezoelectric parameter)를 1050 ℃ 또는 심지어 950 ℃에서 소결시켰을 때에도 얻을 수 있다. Cd의 양인 x가 0.04(샘플 4)가 되었을 때 k_p가 급격하게 떨어졌다. (Ba + Sr)의 총량이 22 mol ％(샘플 #1 과 샘플 #2)일 때, Pb 에 비해 Ba 와 Sr의 확산속도가 느리기 때문에 K_p또한 이러한 소결온도에서 급격하게 감소한다. 샘플 #10과 샘플 #11은 F가전기기계결합계수(electromechanical coupling coefficient)에 큰 영향없이 1 중량 ％까지 첨가될 수 있음을 보여준다. MgF₂를 사용할 수 있지만, MgF₂로 된 샘플의 파라미터는 LiF로 된 샘플에 비해 좋지 않다.

Zr/Ti의 비율을 변화시킴으로써 보다 다양한 특성을 얻을 수 있다. 본 발명에 따라 Zr/Ti 비율을 변화시킨 저온 소결가능한 압전 세라믹 조성물을 표3에 도시된 바와 같이 준비하였다. 940 ℃에서 소결되었고, 준비한 압전 디스크(piezoelectric disk)의 특성은 표4에 도시되었다. 모든 조성물은 940 ℃에서 잘 소결되었고, 양호한 압전기적 특성인 0.2 ∼ 0.4 ％의 작은 유전손실(dielectric loss), 1470 ∼ 1850 의 높은 유전상수(dielectric constant), 310 ∼ 396의 d₃₃, 610 ∼ 730 의 기계적 품질계수(mechnical quality factor)를 보였다. Zr/Ti비율을 변화시킴으로써 샘플 # 61 ∼ # 64에서 볼 수 있듯이 공진 주파수의 온도계수(tempatature coefficient)와 유전상수(dielectric constanat)를 조절하는 것이 가능하다. 게다가 LiF를 첨가함으로써, 샘플 #63과 샘플 #65로 부터 볼 수 있듯이 공진 주파수(resonant frequency)의 온도계수(temparature coefficient)의 현저한 악화없이 유전상수(dielectric constant)를 증가시킬 수 있다. 이런 낮은 소결온도는 압전 세라믹 변압기와 압전 액추에이터와 같은 다층 압전 세라믹 부품에 있어서 내부전극으로 순은 페이스트를 사용하는 것을 가능하게 한다. 높은 유전상수 (dielectric constanat)와 공진 주파수의 낮은 온도계수(temparature coefficient)는 압전 세라믹 변압기와 같이 공진 모드에서 동작하는 응용에 적용하기 유용하다.

실시예 2 순은(Ag) 내부전극을 갖는 압전 세라믹 변압기

순은(Ag) 내부전극을 갖는 압전 세라믹 변압기를 본 발명에 의한 조성물을 가지고 만들었다. 조성물 샘플 #63을 그 예로 선택하였다. 만든 로젠 타입 압전 세라믹 변압기(Rosen-type piezoceramic transformer)를 도1에서 보여주는데, 도1에서 볼 수 있듯이 입력부분(I)은 다층 구조이고, 다층 구조의 각각의 층은 두께 방향으로 위아래 교대로 분극된다. 출력부분(O)은 단층으로 구성되고 변압기의 길이를 따라 분극(P)되어 있다. 압전 세라믹 변압기를 만드는 것은 PZT 물질의 그린시트(green sheet)를 준비하는 것으로 시작된다. 하소된 물질을 폴리비닐부티랄(PVB,Polyvinyl Butyral), 다이부틸프탈레이트(DBP, Dibutyl Phthalate), 어유(fish oil), 메틸에틸케톤(MEK, Methyl Ethyl Ketone)과 톨루엔(toluene)으로 구성된 결합제 용액과 함께 볼밀에서 36시간 동안 혼합한다.분쇄된 슬러리를 진공하에서 탈포하고 닥터 블레이드 캐스팅 머신(doctor blade casting machine)을 이용하여 PET 필름 위에 두께 95 미크론의 테이프를 성형한다. 그린 테이프(green tape)를 정렬용 구멍을 가진 150 mm × 150 mm 의 시트(sheet)로 자른다. 교대로 반복되는 내부 전극은 Ag 페이스트를 사용해서 그린 시트(green sheet)에 프린트하고, 연속식 오븐에서 건조한다. 프린트된 그린 시트(green sheet)를 정렬용 구멍을 이용하여 내부전극이 일정하게 배열되도록 적층하고 85 ℃, 진공하에서 가열압착한다. 가열 압착된(hot-laminated) 그린 바 (green bar)를 각각의 그린 엘리먼트(green element)로 자른다. 그린 엘리먼트(green element)에 있는 다른 유기물 뿐만 아니라 결합제는 260 ℃ 에서 탈바인더 한 후 940 ℃ 에서 2시간 동안 소결되었다. 외부 입력, 출력 전극은 Ag 페이스트로 스크린 인쇄하였고, 780 ℃에서 가열하였다. 입력부분은 450VDC의 분극 전압으로 그리고 출력부분은 25kVDC의 분극 전압으로 130 ℃의 실리콘 오일 조안에서 분극이 이루어 졌다.

압전 세라믹 변압기의 크기는 26.0 mm ×5.0 mm ×1.3 mm 이고 15개의 압전활성층(piezo-active layer)을 가지고, 16개의 내부전극을 가지고 있다. Ag 페이스트는 본 발명에 따른 조성물 샘플 #63로 만든 PZT 기지(matrix)와 940 ℃에서 동시소결시 거의 반응하지 않았다. Ag 내부전극은 전극면을 100 ％ 덮고 있었으며 적층분리(delamination)도 없었고, 매우 작은 공진 임피던스(resonance impedance)와 우수한 압전 특성을 보였다. 압전 세라믹 변압기의 특성이 표5에 도시되어 있다.도2에 동작 특성이 도시되어 있다. 변환효율(conversion efficiency)은 93％ 이상으로 측정되었다.

본 발명에 따른 저온 소결이 가능한 압전 세라믹 조성물의 적용이 압전 세라믹 변압기에만 한정되는 것이 아니다. 단층 압전 변환기 뿐만 아니라 다층 액추에이터. 다층 센서, 바이모르프(bimorph)에 또한 적용될 수 있다.

상기에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은 낮은 유전 손실(dielectric loss)과 높은 압전 정수(piezoelectric parameter)를 갖고, 저하된 온도, 특히 은(Ag)의 녹는점인 962℃ 이하에서 순은과 동시 소결이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 압전 세라믹 장치는 압전 세라믹 변압기, 다층 압전 세라믹 액추에이터등과 같이 연속 동작을 하는 응용에 적합하며 우수한 변환효율(conversion efficiency)을 갖는다.

Claims

조성성분과 비율이 아래의 화학식으로 표현되고, 아래의 화학식에서 F는 LiF 또는 MgF₂이고, m,n,p,x,a,b,k,y,z 가 각각 아래의 조건을 만족하는 압전 세라믹 조성물.

[(Pb_1-m-n-pSr_mBa_nCd_p)(Zr_xTi_1-x)_1-k(Bi_aMn_b)_k]O₃+ y(wt ％)Bi₂O₃+ z(wt ％)F

0.00 ≤m < 0.15, 0.00 ≤n < 0.15, 0.00 < (m+n) < 0.21, 0.00 < p < 0.04,

0.50 ≤x < 0.56, 0.00 < a ≤ 1.00, 0.00 < b ≤1.00, 0.00 < k < 0.04,

0.00 ≤ y ≤ 1.00 (wt ％), 0.00 ≤z ≤1.00 (wt ％)
제1항에서, 상기 화학식에서 3a+ 4b=4인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제1항에서, 상기 화학식에서 p=k인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제1항에서, 상기 화학식에서 0.00 < z ≤1.00 (중량 ％)인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제1항에서, 0.50 중량 ％이하 (0 중량％제외)의 MnO₂를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
제1항 또는 제2항의 압전 세라믹 조성물을 1075 ℃ 이하에서 소결시켜 얻은 압전 세라믹을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 장치.
제1항 또는 제2항의 압전 세라믹 조성물을 Ag 내부전극과 함께 960℃ 이하에서 동시 소결하여 얻은 압전 세라믹 층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다층 압전 세라믹 장치.
제1항 또는 제2항의 압전 세라믹 조성물을 Ag-Pd 내부 전극과 함께 동시소결하여 얻은 압전 세라믹 층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다층 압전 세라믹 장치.
제8항에서, 상기의 Pd의 양은 Ag 와 Pd 의 총중량의 20 중량 ％이하(0 중량％ 제외)인 것을 특징으로 하는 다층 압전 세라믹 장치.
제1항 또는 제2항의 압전 세라믹 조성물을 Ag 내부 전극과 함께 960 ℃ 이하에서동시 소결하여 얻은 압전 세라믹 층을 포함하여 구성되고, 다층 부분과 단층부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 장치.
제1항 또는 제2항의 압전 세라믹 조성물을 Ag- Pd 내부전극과 함께 1050℃ 이하에서 동시소결하여 얻은 압전 세라믹 층을 포함하여 구성되고, 다층부분과 단층부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 장치.
제11항에서, 상기의 Pd의 양은 Ag 와 Pd의 총중량의 20 중량 ％ 이하(0 중량％ 제외)인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 장치.