KR20080004903A - 압전 세라믹스, 이의 제조 방법 및 압전 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기본 조성인 Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃에 고용체로 BiFeO₃, (K_1/2Bi_1/2)TiO₃ 또는 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃로부터 선택된 하나의 화합물이 합성된 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스, 이의 제조 방법 및 이를 포함한 압전 소자를 제공한다. 이에 따라, 본 발명은 Pb를 포함하지 않는 페로브스카이트 구조의 압전 세라믹스를 제조할 수 있다. 또한, 압전 세라믹스의 안정성 및 재현성을 향상시키고 환경 오염을 방지할 수 있으며, 이를 이용하여 우수한 전기적 특성 및 신뢰성을 갖고 친환경적인 압전 소자를 제조할 수 있다.

압전 세라믹스, 무연, pb-free, 페로브스카이트, 압전 소자, 소결, PZT

Description

압전 세라믹스, 이의 제조 방법 및 압전 소자 {Piezoelectric ceramics, Method of manufacturing the same and Piezoelectric device}

도 1은 종래 압전 세라믹스의 조성 영역을 표시한 상태도.

도 2는 종래 압전 세라믹스의 조성에 따른 기계적 품질 계수 특성을 도시한 도면.

도 3은 종래 압전 세라믹스의 조성에 따른 전기 기계 결합 계수 특성을 도시한 도면.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 실시예의 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃의 몰비율에 따른 X선 회절 분석도.

도 6은 본 발명에 따른 실시예의 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃를 1mol%의 몰비율로 합성한 경우의 주사 전자 현미경(SEM) 사진.

본 발명은 압전 세라믹스, 이의 제조 방법 및 압전 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환경 오염의 원인이 되는 Pb 성분이 들어가지 않는 무연(無鉛)계 압 전 세라믹스에 관한 것이다.

압전 세라믹스는 전기적 에너지가 기계적 에너지로, 또는 그 반대로 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환되는 압전성(piezoelectricity)을 갖는데, 이러한 특성을 이용하여 다양한 분야에 응용되고 있다. 예를 들어, 통신기기 분야에서는 레조네이터, 필터, 디스크 리미네이터, 압전 스피커, 딜레이 라인(delay line), 압전 트랜스포머, 광가변 필터용 미세변위기 등에 사용되고, 의료기기 분야에서는 초음파 진단용 탐촉자, 초음파 혈류계, 초음파 세척기 등에 사용되고, 센서기기 분야에서는 가속도 센서, 충격 센서, 압력 센서, 노크(knock) 센서, 자동차용 거리 센서 등에 사용되고, 가정용 전자기기 분야에서는 오디오용 필터, 초음파 가습기, 안정기(ballast), 버저(buzzer) 등에 사용된다. 또한, 정밀계측기기 분야에서는 압전 마이크로미터, 스트레인게이지(straingage), 포지셔너(positioner) 등에 사용되고, 디스플레이 분야에서는 LCD 백라이트용 트랜스포머, 비디오 자동초점용 압전모터, 비디오-카메라용 떨림방지용 액츄에이터(vibration suppressor) 등에 사용된다. 또한, 각종 액츄에이터 분야에서 광간섭 AC 팽창계(dilatometer), 가변형 미러(mirror), 가변 광회절격자, 현미경용 스테이지, 절삭오차 보정용 디바이스, 유공압제어용 서브 밸브(serve valve), VTR 헤드, 프린터 헤드, 초음파 나이프, 압전 펌프 등의 특수한 용도로도 사용될 수 있다.

이러한 압전 세라믹스의 응용을 위해 종래에는 주로 Pb(Zr, Ti)O₃(이하,“PZT"라 함)계 조성으로 이루어진 PZT 세라믹을 이용하였다. PZT 세라믹은 우수한 기계적, 전기적 특성을 가지며, 티탄산납(PbTiO₃)과 지르코산납(PbZrO₃)을 일정한 비율로 섞은 것으로 사용 용도에 따라 불순물을 첨가하여 여러 가지 재료 물성을 사용할 수 있다.

예를 들어 도 1은 종래 Pb(Mg_{1 /3}Nb_{2 /3})O₃-PbZrO₃-PbTiO₃ 세라믹(PMN-PZ-PT)의 조성 영역을 표시한 상태도로, 이는 주 구성 원소인 PbO, ZrO₂ 및 TiO₂와 불순물인 MgO, Nb₂O₅ 등의 원료를 혼합시킨 후 고온에서 하소하는 고상 합성법을 이용하여 합성된다. 상기 세라믹의 전기적 특성을 나타내는 도 2 및 도 3에서 볼 수 있듯이, 합성된 세라믹은 그 조성에 따라 압전 특성에 큰 영향을 미치므로 불순물로 첨가되는 MgO, Nb₂O₅ 등의 고용량을 고려하는 것이 매우 중요하다.

이와 같은 PZT 세라믹은 1200 내지 1350℃의 높은 온도에서 소결이 가능하기 때문에, 소결 도중에 다량의 PbO가 휘발되어 제조되는 세라믹의 미세 구조 및 물성의 제어를 어렵게 한다. 또한 대기중으로 방출되는 PbO로 인해 산성비 및 기타 공해의 원인을 제공하며, 심각한 환경 오염을 야기하는 문제점이 있다.

또한 PZT 세라믹을 이용하여 적층형 압전 소자를 제조할 경우에는 높은 소결 온도로 인해 Pt 또는 Pd와 같은 고융점의 귀금속을 내부 전극으로 사용하여야 하며, 이는 제조 단가를 상승시키는 단점이 있다.

또한 PZT 세라믹을 이용하여 압전 세라믹스/금속 복합체를 제조할 경우에는 금속의 산화 방지를 위해 압전 세라믹스를 먼저 제조한 후 압전 세라믹스/금속 복 합체를 제조하여야 하므로, 제조 공정이 복잡하고 번거로워지며, 압전 세라믹스/금속 결합 강도 등의 계면 특성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, Li_0.06(K_1/2Na_1/2)_0.94(Nb_0.92Sb_0.08)O₃를 기본 조성으로 하고 BiFeO₃, (K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃ 또는 Ba(Fe_1/2Nb_1/2)O₃를 고용체로 합성한 압전 세라믹스를 제조함으로써, Pb를 포함하지 않아 소결시 PbO 휘발로 인한 압전 세라믹스의 안정성 저하 및 환경 오염을 방지할 수 있는 압전 세라믹스 및 이의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 향상된 안정성 및 재현성을 갖는 압전 세라믹스를 이용하여 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있고 친환경적인 압전 소자를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기본 조성인 Li_0.06(K_1/2Na_1/2)_0.94(Nb_0.92Sb_0.08)O₃에 고용체로 BiFeO₃, (K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃ 또는 Ba(Fe_1/2Nb_1/2)O₃로부터 선택된 하나의 화합물이 합성된 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스를 제공한다.

본 발명에 따른 압전 세라믹스는 하기 화학식 1의 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

<화학식 1>

(1-x)Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃ - xBiFeO₃

상기 x는 0.0005 < x < 0.05이다.

본 발명에 따른 압전 세라믹스는 하기 화학식 2의 페로브스카이트 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

<화학식 2>

(1-x)Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃ - x(K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃

상기 x는 0.0005 < x < 0.05이다.

본 발명에 따른 압전 세라믹스는 하기 화학식 3의 페로브스카이트 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

<화학식 3>

(1-x)Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃ - xBa(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃

상기 x는 0.0005 < x < 0.05이다.

본 발명은 Li₂CO₃, K₂CO₃, Na₂CO₃, Sb₂O₃ 또는 Nb₂O₅를 혼합하여 제조된 제 1 화합물을 분쇄 및 1차 하소하는 단계, Bi₂O₃, Fe₂O₃, K₂CO₃, TiO₂, BaO 또는 Nb₂O₅를 혼합하여 제조된 제 2 화합물을 분쇄 및 1차 하소하는 단계 및 상기 제 1 화합물 및 제 2 화합물을 혼합하여 분쇄 및 2차 하소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스의 제조 방법을 제공한다.

상기 제 1 화합물은 Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃이고, 상기 제 2 화합물 은 BiFeO₃, (K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃ 또는 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃로부터 선택된 하나의 화합물인 것을 특징으로 한다.

상기 1차 및 2차 하소는 600 내지 1100℃의 온도에서 1 내지 10시간 동안 진행할 수 있다.

또한, 본 발명은 기본 조성인 Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃에 고용체로 BiFeO₃, (K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃ 또는 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃로부터 선택된 하나의 화합물이 합성된 압전 세라믹스를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 제공한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 압전 세라믹스, 이의 제조 방법 및 압전 소자에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

압전 세라믹스는 압전 특성, 즉 전기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환하고, 또한 기계적 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 특성을 이용하여 산업 전반에 걸쳐 매우 광범위하게 활용되고 있다.

본 발명은 압전 특성, 즉 전기적 에너지를 기계적인 에너지로 변환하고 또는 기계적 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 특성을 얻기 위한 다성분계 조성에 따라 결정상을 형성하고 환경 문제와 직결되는 Pb 성분이 들어가지 않는 압전 세라믹스를 제공하고자 한다. 이를 위해 Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃를 기본 조성으로 하고 BiFeO₃, (K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃ 또는 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃를 고용체로 하여 합성함으로써, 페로브스카이트(perovskite) 구조의 압전 세라믹스를 제조한다.

본 발명에 따른 압전 세라믹스는 하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시될 수 있다.

(1-x)Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃ - xBiFeO₃

(1-x)Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃ - x(K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃

(1-x)Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃ - xBa(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃

상기 화학식 1 내지 화학식 3에 있어서, 상기 x는 0.0005보다 크고 0.05보다 작은 것이 바람직하다. 상기 x가 0.0005 이하이거나 0.05 이상인 경우에는 원하는 압전 특성을 얻기가 어려운 문제점이 있다.

이러한 본 발명에 따른 압전 세라믹스의 제조 공정은 다음과 같다.

먼저 Li₂CO₃, K₂CO₃, Na₂CO₃, Sb₂O₃, Nb₂O₅를 몰비에 따라 칭량한 후 혼합하여 Li_0.06(K_1/2Na_1/2)_0.94(Nb_0.92Sb_0.08)O₃의 제 1 화합물을 제조한다. 이에 분산 용매로서 에틸 알코올(ethyl alcohol) 또는 메틸 알코올(methyl alcohol)과 함께 볼밀링하여 분쇄한 후, 600 내지 1100℃의 온도에서 1 내지 10시간 동안 1차 하소하여 제 1 화합물의 1차 파우더를 제조한다. 또한, Bi₂O₃, Fe₂O₃, K₂CO₃, TiO₂, BaO, Nb₂O₅를 몰비 에 따라 칭량한 후 혼합하여 BiFeO₃, (K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃ 또는 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃의 제 2 화합물을 제조한다. 이에 마찬가지로 분산 용매로서 에틸 알코올(ethyl alcohol) 또는 메틸 알코올(methyl alcohol)과 함께 볼밀링하여 분쇄한 후, 600 내지 1100℃의 온도에서 1 내지 10시간 동안 1차 하소하여 제 2 화합물의 1차 파우더를 제조한다.

다음으로, 상기 제조된 제 1 화합물 및 제 2 화합물의 1차 파우더를 혼합하고 볼밀링하여 분쇄한 후 2차 하소하여 2차 파우더를 제조한다. 여기서, 2차 하소는 600 내지 1100℃의 온도에서 1 내지 10시간 동안 진행하는 것이 바람직하다.

이로써, 본 발명은 상기의 화학식 1 내지 화학식 3으로 표시되는 페로브스카이트 구조를 갖는 압전 세라믹스를 제조할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃를 기본 조성으로 하고 BiFeO₃, (K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃ 또는 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃를 고용체로 하여 합성함으로써, Pb를 포함하지 않는 페로브스카이트(perovskite) 구조의 압전 세라믹스를 제조할 수 있다. 이에 따라, 종래 PZT 세라믹스의 경우 소결시 PbO의 휘발로 인해 특성의 산포가 크고 재현성의 확보가 어려웠던 것에 비해 본 발명의 압전 세라믹스는 소결 후 안정적인 특성을 얻을 수 있으며, 특히 친환경적인 이점이 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 제조되는 압전 세라믹스를 포함하는 압전 소자를 제공한다. 압전 소자는 상기 압전 세라믹스와 상기 압전 세라믹스에 형성된 전극을 포함한다.

본 발명에 따른 압전 소자는 상기 압전 세라믹스를 이용하여 통상적으로 알 려진 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다.

예를 들어, 상기 합성된 압전 세라믹스에 불순물로 La₂CO₃, Y₂O₃, Nb₂O₅의 소프트너(softner) 또는 Fe₂O₃, Cr₂O₃의 하드너(hardener)를 첨가한다. 또한, MnO₂의 스테빌라이저(stabilizer)를 첨가하고, PVA 수용액을 소량 첨가하여 10㎛ 이하로 입경을 균일화시킨다. 입경이 균일화된 압전 세라믹스를 1ton/㎠의 성형압으로 직경 1㎝의 디스크(disk) 타입으로 성형하여 시편을 제조한다. 상기 시편을 1 내지 2℃/분의 승온 속도로 온도 상승시키되, 250℃의 온도에서 2시간 동안 유지하여 흡착수 및 부착수를 연소시키고, 600℃의 온도에서 2시간 동안 유지하여 결합수와 바인더를 연소시킨다. 이후, Pt 플레이트를 이용하여 1000 내지 1200℃의 온도에서 1 내지 2시간 동안 열처리함으로써, 소결 시편을 제조한다. 본 발명의 세라믹스는 기존의 PZT보다 상대적으로 낮은 온도에서 소결 가능한 이점이 있다.

상기 소결 시편을 연마하고 세척한 후 양면에 실버 페이스트(silver paste)를 스크린 인쇄하고, 700℃의 온도에서 10분간 소부하여 은 전극을 입힌다. 이를 분극처리하기 위하여 실리콘 오일 속에서 전압을 인가하여 압전 소자를 제조한다. 이 때, 상기 실리콘 오일의 온도는 상온 내지 120℃의 온도인 것이 바람직하고, 전압은 1 내지 5kV/㎜를 인가하는 것이 바람직하다.

이로써, 본 발명은 Pb를 포함하지 않으며 우수한 전기적 특성을 갖고 신뢰성이 향상된 압전 소자를 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 압전 소자의 제조 공정은 상술한 바에 한정되지 않고, 원하 는 소자의 특성 및 공정상 편의에 따라 다양한 수정과 변경이 가능하다.

이와 같이 본 발명은 Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃를 기본 조성으로 하고 BiFeO₃, (K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃ 또는 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃를 고용체로 하여 합성함으로써, Pb를 포함하지 않는 페로브스카이트 구조의 압전 세라믹스를 제조할 수 있다. 이에 따라 압전 세라믹스의 안정성 및 재현성을 향상시키고 환경 오염을 방지할 수 있으며, 이를 이용하여 우수한 전기적 특성 및 신뢰성을 갖고 친환경적인 압전 소자를 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

먼저 Li₂CO₃, K₂CO₃, Na₂CO₃, Sb₂O₃, Nb₂O₅를 몰비에 따라 칭량한 후 혼합하여 Li_0.06(K_1/2Na_1/2)_0.94(Nb_0.92Sb_0.08)O₃의 제 1 화합물을 제조한다. 이에 분산 용매를 첨가하여 볼밀링하여 분쇄한 후, 850℃의 온도에서 5시간 동안 1차 하소하여 제 1 화합물의 1차 파우더를 제조한다. 또한, Bi₂O₃, Fe₂O₃, K₂CO₃, TiO₂, BaO, Nb₂O₅를 몰비에 따라 칭량한 후 혼합하여 BiFeO₃, (K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃ 또는 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃의 제 2 화합물을 제조한다. 이에 마찬가지로 분산 용매를 첨가하여 볼밀링하여 분쇄한 후, 850℃의 온도에서 5시간 동안 1차 하소하여 제 2 화합물의 1차 파우더를 제조한다.

다음으로, 상기 제조된 제 1 화합물 및 제 2 화합물의 1차 파우더를 혼합하고 볼밀링하여 분쇄한 후, 800℃의 온도에서 2시간 동안 2차 하소하여 2차 파우더 를 제조한다.

이와 같이 제조된 압전 세라믹스에 PVA 수용액을 소량 첨가하여 10㎛ 이하로 입경을 균일화시키고, 1ton/㎠의 성형압으로 직경 1㎝의 디스크(disk) 타입으로 성형하여 시편을 제조한다. 상기 시편을 1℃/분의 승온 속도로 온도 상승시키되, 250℃의 온도에서 2시간 동안 유지하여 흡착수 및 부착수를 연소시키고, 600℃의 온도에서 2시간 동안 유지하여 결합수와 바인더를 연소시킨다. 이후, Pt 플레이트를 이용하여 1000 내지 1200℃의 온도에서 2시간 동안 열처리함으로써, 소결 시편을 제조한다. 상기 소결 시편을 연마 및 세척한 후 양면에 실버 페이스트를 스크린 인쇄하고, 700℃의 온도에서 10분간 소부하여 은 전극을 입힌다. 이를 분극처리하기 위하여 3kV/㎜의 전압을 30분 동안 인가하여 압전 소자를 제조한다.

하기 표 1은 상기 실시예의 전기적 특성 평과 결과를 나타낸 것으로, 고용체의 종류 및 몰비율에 따라 전기 기계 결합 계수(Kp, electromechanical coupling factor), 압전 상수 d₃₃(pC/N, piezoelectric charge sensor constant), 유전율(ε^T ₃₃/ε₀) 및 기계적 품질 계수 Qm(mechanical quality factor)를 비교하였다.

여기서, 전기 기계 결합 계수 및 기계적 품질 계수는 임피던스 애널라이저를 이용하여 공진반공진법으로 측정하였고, 유전율은 LCR 미터를 이용하여 1kHz에서 측정하였고, 압전 상수는 D₃₃ 미터를 이용하여 측정하였다.

상기 표 1에서 볼 수 있듯이 본 실시예는 기본 조성인 Li_0.06(K_1/2Na_1/2)_0.94(Nb_0.92Sb_0.08)O₃에 고용체인 BiFeO₃, (K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃ 또는 Ba(Fe_1/2Nb_1/2)O₃를 0.05보다 작은 몰비율로 합성함으로써, 적어도 20% 이상의 양호한 전기 기계 결합 계수(k_P)를 갖고 우수한 압전 특성을 갖는 압전 세라믹스를 제조할 수 있다.

또한 고용체의 종류 및 몰비율에 따라 전기적 특성이 다르게 나타나는 것을 볼 수 있다. Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃, (K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃, BiFeO₃ 순으로 우수한 압전 특성을 나타내며, 즉 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃이 상대적으로 가장 우수한 압전 특성을 나타냄을 알 수 있다. 또한, 고용체의 몰비율이 0.01인 경우에 상대적으로 가장 우수한 압전 특성을 나타내며, 고용체의 몰비율이 0.05인 경우에 압전 특성이 불안정한 것을 볼 수 있다. 따라서 안정적인 압전 특성을 얻기 위해 고용체의 몰비율은 0.05 이하인 것이 바람직하다.

도 4 및 도 5는 상기 실시예의 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃의 몰비율에 따른 X선 회절 분석도를 나타낸 것이다. 즉, (1-x)Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃ - xBa(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃ 로 표시되는 압전 세라믹스에 대하여 x가 0.01, 0.03, 0.05 및 0.10인 경우를 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 본 실시예의 압전 세라믹스는 페로브스카이트 구조를 나타내며 불순물의 과잉 첨가로 인한 2차상(second phase)이 발생하지 않은 것을 알 수 있다. 또한 회절각(2θ)이 44.0 내지 47.5인 경우를 확대한 도 5를 참조하면, 고용체의 몰비율이 증가함에 따라 정방성(tetragonality)이 감소하며, 특히 5mol% 이상인 경우에는 입방정상(cubic)으로 상전이가 이루어진 것을 볼 수 있다. 이로 인해 고용체의 몰비율이 0.05 이상인 경우에 압전 특성을 나타내지 않는 것이다. 따라서, 안정적인 압전 특성을 얻기 위해서는 고용체의 몰비율이 0.05보다 작은 것이 바람직하다.

도 6은 상기 실시예의 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃를 1mol%의 몰비율로 합성한 경우의 주사 전자 현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이다. 도 6을 참조하면, 0.99Li_0.06(K_1/2Na_1/2)_0.94(Nb_0.92Sb_0.08)O₃ - 0.01Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃ 로 합성된 압전 세라믹스의 입자가 비교적 작고 고른 모양을 하고 있으며 치밀한 것을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명은 Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃를 기본 조성으로 하고 BiFeO₃, (K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃ 또는 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃를 0.05보다 작은 몰비율의 고용체로 합성함으로써, 우수한 전기적 특성을 갖는 압전 세라믹스를 제조할 수 있다. 고용체의 종류 및 몰비율에 따라 전기적 특성이 다르게 나타나며, 이를 조절하여 원하는 전기 기계 결합 계수 및 압전 상수를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 세라믹스는 기존의 PZT보다 상대적으로 낮은 온도에서 소결 가능한 이점이 있다.

더욱이 본 발명의 압전 세라믹스는 Pb를 포함하지 않기 때문에, 소결시 PbO의 휘발로 인한 특성의 신뢰성 저하를 방지하고 합성된 압전 세라믹스의 안정성 및 재현성을 확보하여, 이에 따라 압전 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 특히, 환경 문제를 야기하고 인체에 유해한 재료인 Pb를 포함하지 않기 때문에 친환경적인 이점이 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

본 발명은 Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃를 기본 조성으로 하고 BiFeO₃, (K_1/2Bi_1/2)TiO₃ 또는 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃를 고용체로 하여 합성함으로써, Pb를 포함하지 않는 페로브스카이트 구조의 압전 세라믹스를 제조할 수 있다. 이에 따라 압전 세라믹스의 안정성 및 재현성을 향상시키고 환경 오염을 방지할 수 있으며, 이를 이용하여 우수한 전기적 특성 및 신뢰성을 갖고 친환경적인 압전 소자를 제조할 수 있다.

Claims (8)

1. 기본 조성인 Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃에 고용체로 BiFeO₃, (K_1/2Bi_1/2)TiO₃ 또는 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃로부터 선택된 하나의 화합물이 합성된 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스.
2. 청구항 1에 있어서,

   하기 화학식 1의 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스.

   <화학식 1>

   (1-x)Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃ - xBiFeO₃

   상기 x는 0.0005 < x < 0.05이다.
3. 청구항 1에 있어서,

   하기 화학식 2의 페로브스카이트 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스.

   <화학식 2>

   (1-x)Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃ - x(K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃

   상기 x는 0.0005 < x < 0.05이다.
4. 청구항 1에 있어서,

   하기 화학식 3의 페로브스카이트 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스.

   <화학식 3>

   (1-x)Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃ - xBa(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃

   상기 x는 0.0005 < x < 0.05이다.
5. Li₂CO₃, K₂CO₃, Na₂CO₃, Sb₂O₃ 또는 Nb₂O₅를 혼합하여 제조된 제 1 화합물을 분쇄 및 1차 하소하는 단계;

   Bi₂O₃, Fe₂O₃, K₂CO₃, TiO₂, BaO 또는 Nb₂O₅를 혼합하여 제조된 제 2 화합물을 분쇄 및 1차 하소하는 단계; 및

   상기 제 1 화합물 및 제 2 화합물을 혼합하여 분쇄 및 2차 하소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스의 제조 방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 제 1 화합물은 Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃이고, 상기 제 2 화합물은 BiFeO₃, (K_{1 /2}Bi_{1 /2})TiO₃ 또는 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃로부터 선택된 하나의 화합물인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스의 제조 방법.
7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,

   상기 1차 및 2차 하소는 600 내지 1100℃의 온도에서 1 내지 10시간 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹스의 제조 방법.
8. 기본 조성인 Li_{0 .06}(K_{1 /2}Na_{1 /2})_0.94(Nb_{0 .92}Sb_{0 .08})O₃에 고용체로 BiFeO₃, (K_1/2Bi_1/2)TiO₃ 또는 Ba(Fe_{1 /2}Nb_{1 /2})O₃로부터 선택된 하나의 화합물이 합성된 압전 세라믹스를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 소자.

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