KR20090010446A - 센서 및 액추에이터용 비납계 압전 세라믹 조성물 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서 및 액추에이터용으로 납이 함유되지 않은 압전 세라믹의 조성물과 그의 제조방법에 관한 것으로, 이를 위한 압전 세라믹 조성물은 xLiTaO₃ - y(Na_0.5K_0.5)TaO₃ - 0.8(Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ + a mol% Li₂O으로서, 이때, 0<x<0.05, 0.15<y<0.02, 0<a<3이며 산화물 혼합법으로 제조한 것이다. 즉, 먼저 Li₂CO₃, Ta₂O₅ 의 시료를 혼합, 분쇄한 후 건조하여 하소하고, 이 하소한 시료를 재 하소한 후, 다시 혼합, 분쇄, 건조의 과정으로 LiTaO₃ 분말을 제조하였다. 동일한 방법으로 Na₂CO₃, K₂CO₃, Ta₂O₅의 시료로 (Na_0.5K_0.5)TaO₃를, Na₂CO₃, K₂CO₃, Nb₂O₅의 시료로 (Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃를 각각 제조하여, 상기의 조성식에 맞추어 다시 혼합, 분쇄, 건조의 과정으로 최종 압전 분말을 제조한 것이다. 이에 따라 본 발명은 센서 및 액추에이터에 적용될 수 있는 우수한 전기기계결합계수 및 압전특성을 지닌 납이 함유되지 않은 압전 세라믹 조성물과 그 제조방법을 제공하여, 압전 특성이 우수하여 충격 센서, 가속도센서, 초음파 센서, 적층형 압전액추에이터, 압전변압기 및 초음파 진동자, 착화소자와 같은 고신뢰성 압전부품을 제조할 수 있으며, 특히 납을 함유하지 않은 조성으로써 납으로 인한 환경 오염을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

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Description

센서 및 액추에이터용 비납계 압전 세라믹 조성물 및 그 제조방법{Composition of lead-free piezoelectric ceramics for sensor and actuator and method for manufacturing the same}

본 발명은 납이 함유되지 않은 압전 세라믹 조성물과 그의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 센서 및 액추에이터에 적용될 수 있는 우수한 전기기계결합계수 및 압전특성을 지닌 납이 함유되지 않은 압전 세라믹 조성물과 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 정밀 기계산업과 정보산업의 발달에 따라 미소변위를 제어하거나 진동을 제어하는 압전 액추에이터가 정밀광학기기, 반도체 장비, 기체유량제어 펌프, 밸브 등에 폭 넓게 응용되고 있다. 이는 종래의 기계식 구동소자에 비하여 압전 액추에이터가 소형화 및 정밀제어가 가능하며, 응답속도가 빠른 장점이 있기 때문이다. 따라서 메카트로닉스의 발전과 더불어 미소변위제어 부품은 종래의 스텝모터를 이용하는 방식에서 압전 액추에이터를 이용하는 방식으로 전환될 것이다. 압전 세라믹스의 압전 액추에이터 응용에 있어 고변위를 발생하는 재료가 필요하다. 압전 체의 변형율 S는 압전체에 인가된 전계 E와 압전상수 d₃₃의 관계로 나타낼 수 있으며, 다음과 같은 수식으로 표현된다.

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액추에이터의 변위량(S)은 압전상수(d₃₃) 및 전계(E)에 비례하므로, 압전체의 큰 변위량(S)을 얻기 위해서는 높은 압전 상수(d₃₃) 및 전계(E)가 요구된다. 또한, 변위량(S)은 압전재료의 두께(T)에 비례하고, 큰 변위량(S)을 얻기 위한 압전재료의 두께 증가는 높은 인가전압(E)이 요구된다. 이는 소형화 및 정밀제어 시스템의 회로구성상 바람직하지 않다. 따라서 소비 전력 및 발열량이 적고 응답성도 양호함과 동시에 적층수에 따라 변형량을 조절할 수 있으며, 높은 발생력도 가능한 적층형 압전 액추에이터가 요구되고 있는 실정이다.

또한, 세라믹 조성물을 살펴보면 비납계 압전 세라믹스 중 (Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃은 높은 상전이온도, 낮은 항전계, 높은 잔류분극들의 특성을 가지고 있어 납을 기본조성으로 하는 압전 세라믹스를 대체할 수 있는 대표적인 물질중의 하나로 여겨지고 있다.

그러나 원료 물질들의 높은 흡습성과 소결 중의 휘발로 인하여 일반 통상적 인 소결 방법으로는 높은 특성을 지닌 소결체를 제조하기가 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 지금까지는 Hot Press, Spark Plasma Sintering 등과 같은 고가의 제조공정을 이용하여 소결하였다. 즉, 보다 경제적인 소결법을 강구해야 하는 당위성이 있다.

따라서, 본 발명은 센서 및 액추에이터에 적용될 수 있는 우수한 전기기계결합계수 및 압전특성을 지닌 납이 함유되지 않은 압전 세라믹 조성물과 그 제조방법을 제공하는 것을 그 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 센서 및 액추에이터에 적용될 수 있는 우수한 전기기계결합계수 및 압전특성을 지닌 납이 함유되지 않은 압전 세라믹 조성물은 안정한 페로브스카이트 ABO₃ 구조를 갖는 xLiTaO₃ - y(Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃ - 0.8(Na_0.5K_0.5)NbO₃ + a mol% Li₂O 이며, 0<x<0.05, 0.15<y<0.02, 0<a<3의 조성을 갖는 것을 그 기술적 요지로 한다.

또한, 본 발명은, 센서 및 액추에이터용 압전 세라믹 조성물의 제조방법이 제공되는 바, 이는 산화물 혼합법으로써, 즉, 먼저 Li₂CO₃, Ta₂O₅ 의 시료를 혼합, 분쇄한 후 건조하여 하소하고, 이 하소한 시료를 재 하소한 후, 다시 혼합, 분쇄, 건조하는 단계로 LiTaO₃ 분말을 제조하는 단계와, 동일한 방법으로 Na₂CO₃, K₂CO₃, Ta₂O₅의 시료로 (Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃를, Na₂CO₃, K₂CO₃, Nb₂O₅의 시료로 (Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃를 각각 제조하는 단계와, 제조한 각각의 분말을 다시 혼합, 분쇄, 건조의 과정으로 최종 압전 분말을 xLiTaO₃ - y(Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃ - 0.8(Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ + a mol% Li₂O 의 조성식 에 따라 제조하는 단계와, 상기 건조된 시료를 성형하여 이를 소결하는 단계를 포함하는 것을 또 다른 기술적 요지로 하며, 여기에서 소결온도는 1000~1100℃가 바람직하다.

상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, 센서 및 액추에이터에 적용될 수 있는 우수한 전기기계결합계수 및 압전특성을 지닌 납이 함유되지 않은 압전 세라믹 조성물과 그 제조방법을 제공하고, 압전 특성이 우수하여 충격 센서, 가속도센서, 초음파 센서, 적층형 압전액추에이터, 압전변압기 및 초음파 진동자, 착화소자와 같은 고신뢰성 압전부품을 제조할 수 있으며, 특히 납을 함유하지 않은 조성으로써 납으로 인한 환경 오염을 감소시킬 수 있는 효과도 있다.

본 발명에서는 종래의 압전 세라믹스가 가지는 높은 소성온도와 낮은 압전상수의 문제점을 개선하기 위하여 x LiTaO₃ - y (Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃ - 0.8 (Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ + a mol% Li₂O 을 합성함으로써 유전율 및 전기기계결합계수(kp)의 증가와 우수한 압전상수(d₃₃)를 얻었다.

도 1은 xLiTaO₃ - y(Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃ - 0.8(Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ + a mol% Li₂O 의 화학조성과 소결온도를 나타낸 표이다. 우선 Li₂CO₃, Ta₂O₅의 시료를 출발물질로 LiTaO₃ 조성의 분말을 제조하였다. 에탄올과 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 동안 분쇄 하고 건조한 후, 알루미나 도가니를 이용하여 850℃에서 5시간 동안 하소하였다.

보다 완벽한 상 합성을 위하여 분쇄, 건조, 하소를 두 번 반복하였다. 동일한 방법으로 Na₂CO₃, K₂CO₃, Ta₂O₅의 시료로 (Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃를, Na₂CO₃, K₂CO₃, Nb₂O₅의 시료로 (Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ 분말을 제조하였다. 제조한 3종류의 분말을 다시 혼합, 분쇄, 건조의 과정으로 최종 압전 분말을 xLiTaO₃ - y(Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃ - 0.8(Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ + a mol% Li₂O 의 조성식에 따라 제조하였다.

제조된 xLiTaO₃ - y(Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃ - 0.8(Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ + a mol% Li₂O 최종분말에 PVA(폴리비닐알콜)를 첨가하여 disk 형태로 성형한 후, 알루미나 도가니를 이용하여 900~1100℃에서 4시간 동안 열처리하였다. 원료분말의 흡습성이 높기 때문에 모든 공정에서 수분과의 접촉을 최대한 억제하였다.

최종분말 및 소결된 시편을 XRD분석을 통하여 상을 확인하였고, SEM을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 전기적 특성을 측정하기 위하여 1mm 두께로 연마한 시편에 Ag 전극을 도포하여 열처리 한 후, 130℃에서 30분간 2.8 kV/cm 직류 전계로 분극처리하였다. 이후, 임피던스 해석기(HP4194A)로 압전 세라믹스의 공진주파수(f_r), 반공진주파수(f_a), 정전용량(C), 유전손실(tanδ)을 측정하였고, 압전상수(d₃₃)는 베를린코트 유전상수 미터(Berlincourt d₃₃ meter)를 이용하여 측정하였다. 그리고 면진동 모드 전기기계결합계수(kp)와 유전율(ε_r)은 각각 다음과 같은 수식을 이용하여 계산하였다.

-------------- (2)

------------------ (3)

여기서, f=f_a-f_r, C는 1kHz에서의 정전용량, A는 시편의 면적, t는 시편의 두께, ε₀는 진공유전율로 8.854 x 10^-12F/m 이다.

본 발명의 압전 세라믹 조성물은 전술한 바와 같이, xLiTaO₃ - y(Na_0.5K_0.5)TaO₃ - 0.8(Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ + a mol% Li₂O 이며, 0<x<0.05, 0.15<y<0.02, 0<a<3의 범위의 값을 각각 갖는다. 이와 같은 본 발명의 압전 세라믹 조성물을 1000~1150℃에서 소결하였으며, 그 물성을 측정한 결과를 도 1에 각 조성과 함께 나타내었다.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 압전 세라믹 조성물은 높은 압전특성을 가짐을 알 수 있었다. 보다 자세히 살펴보기 위하여, 도 2에 0.02LiTaO₃ - 0.18(Na_0.5K_0.5)TaO₃ - 0.8(Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ + a mol% Li₂O 조성에서 Li₂O함량(a)과 소결 온도에 따른 압전상수(d₃₃), 전기기계결합계수(k_p), 유전상수(ε_r)의 변화 그래프를 나타내었다.

이는 도 1에 나타낸 시편 번호 25번부터 39번까지의 샘플에 대한 결과이다. 29번 시편인 0.02LiTaO₃ - 0.18(Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃ - 0.8(Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ + 1 mol% Li₂O 조성 분말을 1050℃에서 4시간 동안 소결하였을때에 압전상수가 260 pC/N으로 가장 높았으며, 전기기계 결합계수 0.38, 유전율 910으로써 우수한 특성을 보였다.

도 1은 xLiTaO₃ - y(Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃ - 0.8(Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ + a mol% Li₂O 의 화학조성과 소결온도에 따른 각 시편의 유전 및 압전 특성을 나타낸 표.

도 2는 0.02LiTaO₃ - 0.18(Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃ - 0.8(Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ + a mol% Li₂O 조성에서 Li₂O함량(a)과 소결 온도에 따른 압전상수(d₃₃), 전기기계결합계수(k_p), 유전상수(e_r)의 변화 그래프.

Claims (3)

1. LiTaO₃, (Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃, (Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃을 각각 분말로 제조하여 합성한 xLiTaO₃ - y(Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃ - 0.8(Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ + a mol% Li₂O 의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 및 액추에이터용 비납계 압전 세라믹 조성물.
2. 제 1항에 있어서, x, y 및 a는,

   각각 0<x<0.05, 0.15<y<0.02, 0<a<3의 범위의 값을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 센서 및 액추에이터용 비납계 압전 세라믹 조성물.
3. Li₂CO₃, Ta₂O₅ 의 시료를 혼합, 분쇄한 후 건조하여 825~875℃에서 하소하고, 이 하소한 시료를 재 하소한 후, 다시 혼합, 분쇄, 건조하여 LiTaO₃ 분말을 제조하는 단계와;

   동일한 방법으로 Na₂CO₃, K₂CO₃, Ta₂O₅의 시료로 (Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃ 분말을 제조하는 단계와;

   동일한 방법으로 Na₂CO₃, K₂CO₃, Nb₂O₅의 시료로 (Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ 분말을 제조하는 단계와;

   제조한 각각의 상기 분말을 다시 혼합, 분쇄, 건조하여, 이를 1000~1100℃ 온도 범위에서 소결하여, xLiTaO₃ - y(Na_{0 .5}K_{0 .5})TaO₃ - 0.8(Na_{0 .5}K_{0 .5})NbO₃ + a mol% Li₂O를 조성식을 갖는 최종분말을 제조하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물의 제조 방법.

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