KR20110107017A - K NONSTOICHIOMETRIC (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 CERAMIC COMPOSITE AND FABRICATION METHOD THEREOF - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 무연 복합 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 정방정(tetragonal) 상 구조의 BKT에 능면정(rhombohedral) 상 구조의 BI를 고용시켜서 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3로 표현되는 복합 세라믹스에서 알칼리메탈 K의 조성을 비양론적으로 조절하여 유전 특성과 압전 특성이 향상되고, 종래의 납(Pb)계통의 PZT 세라믹스가 인체에 유해하고 환경오염을 유발시키는 것과는 달리 Bi계통의 압전 세라믹스의 소재를 제공하므로 친환경적이며, 세라믹스들을 소결하여 무연 Bi계통의 세라믹스의 압전 특성을 향상시켜 종래의 납(Pb)계통의 압전 소재 부품들을 전부 또는 부분적으로 대체할 수 있으므로 경제적인 절감은 물론 환경 친화적성을 가져올 수 있는 효과가 있다. The present invention relates to a lead-free composite (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramics composition to which the composition of the eualkali metal K is added with a non-stoichiometrically controlled trivalent cation In, and its preparation The method relates to a method in which the tetragonal phase structure BKT is dissolved in a BI of a rhombohedral phase structure so that (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 Dielectric and piezoelectric properties are improved by controlling the composition of alkali metal K in the composite ceramics represented by .The PZT ceramics of lead (Pb) system are harmful to human body and cause environmental pollution. It provides eco-friendly materials by providing piezoelectric ceramics, and improves the piezoelectric properties of lead-free Bi-based ceramics by sintering ceramics, thereby replacing all or part of conventional lead-based piezoelectric materials. There is an effect that can bring a gender friendly environment.

Description

칼륨(K) 비양론성에 따른 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3복합 세라믹스의 조성물 및 그 제조방법{K nonstoichiometric (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 ceramic composite and fabrication method thereof}Composition of (1-x) (Bi0.5K0.5 + y) TioO3-xBInion3 composite ceramics according to potassium aproton and its manufacturing method {K nonstoichiometric (1-x) (Bi0.5K0.5 + y) TiO3-xBiInO3 ceramic composite and fabrication method

본 발명은 정방정(tetragonal) 상 구조의 BKT에 능면정(rhombohedral) 상 구조의 BI를 고용시켜서 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3로 표현되는 복합 세라믹스에서 알칼리메탈 K의 조성을 비양론적으로 조절하여 유전 특성과 압전 특성이 향상되고, 종래의 납(Pb)계통의 PZT 세라믹스가 인체에 유해하고 환경오염을 유발시키는 것과는 달리 Bi계통의 압전 세라믹스의 소재를 제공하므로 친환경적이며, 세라믹스들을 소결하여 무연 Bi계통의 세라믹스의 압전 특성을 향상시켜 종래의 납(Pb)계통의 압전 소재 부품들을 전부 또는 부분적으로 대체할 수 있으므로 경제적인 절감은 물론 환경 친화적성을 가져 올 수 있는 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 무연 복합 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물 및 그 제조방법에 관한 기술이다.
The present invention is an alkali in a composite ceramic represented by (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 by employing BI of a rhombohedral phase structure in BKT having a tetragonal phase structure. Dielectrically control the composition of metal K to improve the dielectric and piezoelectric properties, and unlike conventional lead (Pb) -based PZT ceramics are harmful to the human body and cause environmental pollution, it provides Bi-based piezoelectric ceramics material It is eco-friendly and improves the piezoelectric properties of lead-free Bi-based ceramics by sintering ceramics, thereby replacing all or part of the conventional lead-based piezoelectric material parts, resulting in economical savings and environmental friendliness. the composition of the alkali metal is K are controlled by three nonstoichiometric cation in the lead-free compound (1-x) is added in (Bi 0.5 K 0.5 + y) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramic composition and to a method of manufacturing the tube The technology.

일반적으로 Pb(Zr,Ti)O3(PZT)계열의 세라믹스 재료들은 우수한 압전특성을 갖고 있지만, 납(Pb)을 포함하고 있기 때문에 인체에 해롭고 환경오염을 유발시킨다. 그래서 이를 근본적으로 해결하기 위한 방안의 하나로서, 원천적으로 납을 포함하지 않는 무연(無鉛, Pb-free)계통의 재료들의 활용을 고려할 수 있지만, 현시점에서 보면, 무연 계통의 재료들은 그 특성들이 기존의 PZT를 대체할 수준에 미치지 못하고 있는 실정이다.Generally, Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) series ceramic materials have excellent piezoelectric properties, but because they contain lead (Pb), they are harmful to the human body and cause environmental pollution. So, as a way to solve this fundamentally, we can consider the use of Pb-free materials that do not contain lead, but at the present time, the materials of Pb-free systems This is not enough to replace PZT.

또한 현재 사용되고 있는 압전 소재들은 거의 대부분 납을 함유한 PZT계의 압전 소재들인데, 궁극적으로 무연계의 소재로 대체되어야 하는 실정이다. 왜냐하면 유럽에서 2003년 2월에 ‘특정유해물질 사용제한에 관한 지침(Restriction of Hazardous Substance, RoHS)이 공포되어 2006년 7월부터 납(Pb), 카드늄(Cd), 수은(Hg), 6가 크롬(Cr), 브롬(Br)계의 난연재 2종의 사용이 금지되었다. 하지만 PZT계의 압전 세라믹 부품을 대체할 소재가 아직 개발되지 않았기에 압전 세라믹 부품에 함유된 납에 한해서 예외적으로 허용되고 있지만, 대체 가능한 물질이 개발되면 압전 세라믹 부품에서도 납산화물의 사용이 금지될 것이다. 일본의 경우에도 2005년부터 납의 사용을 금지시킨다는 규정이 제정되어 있으나, 마찬가지로 납계의 압전부품소재를 대체할 소재가 아직 없다는 이유로 사용이 허용되고 있는 실정이다.         In addition, most of the piezoelectric materials currently used are PZT-based piezoelectric materials containing lead, and ultimately, they need to be replaced with lead-free materials. This is because in February 2003, the Restriction of Hazardous Substance (RoHS) was issued in February 2003, where lead (Pb), cadmium (Cd), mercury (Hg) and 6 The use of two kinds of chromium (Cr) and bromine (Br) flame retardants was prohibited. However, lead materials in piezoelectric ceramic parts are exceptionally allowed because PZT-based piezoelectric ceramic parts have not been developed. However, lead oxide will be banned in piezoelectric ceramic parts. . In Japan, the use of lead has been banned since 2005, but similarly, the use of lead-based piezoelectric component materials is still permitted.

Bi계 무연 압전 세라믹스 재료인 (Bi0.5K0.5)TiO3(BKT)는 화학적으로 ABO3(A, B=양이온 A와 B, O = 음이온 산소)로서 A자리에 Bi3+와 K1+이 공존하는 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖고 실온에서 정방정(tetragonal) 상구조의 강유전 압전체이다. 실온에서 큰 잔류분극(remnant polarization)을 갖고 있다는 장점은 있지만, 항전계(coercive field)가 높고 절연파괴전압(breakdown voltage)이 낮아서 분극(poling)이 어렵고 그 결과 압전특성이 미흡하여 실용적인 소자로 활용되지 못하고 있는 실정이다.Bi-based lead-free piezoelectric ceramic material of (Bi 0.5 K 0.5) TiO 3 (BKT) is chemically ABO 3 (A, B = A and B cations, O = oxygen anion) as Bi 3+ in the A position and the K 1+ It is a ferroelectric piezoelectric body having a co-perovskite structure and having a tetragonal phase structure at room temperature. Although it has the advantage of having a large residual polarization at room temperature, it has high coercive field and low breakdown voltage, making it difficult to polarize and consequently lacking piezoelectric characteristics, making it a practical device. This is not true.

그러므로 정방정(tetragonal) 상 구조의 BKT에 능면정(rhombohedral) 상 구조의 BI를 고용시켜서 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3로 표현되는 복합 세라믹스에서 알칼리메탈 K의 조성을 비양론적으로 조절한 새로운 세라믹스들을 소결시킨, 무연 Bi계통의 세라믹스의 압전 특성을 향상시켜 종래의 납(Pb)계통의 압전 소재 부품들을 전부 또는 부분적으로 대체할 수 있으므로 경제적인 절감은 물론 환경 친화적성을 가져 올 수 있는 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 무연 복합 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물 및 그 제조방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
Therefore, alkaline metal K in composite ceramics represented by (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 by incorporating BI of rhombohedral phase into tetragonal BKT Improves the piezoelectric properties of lead-free Bi-based ceramics, which are sintered new ceramics with an unproportionately controlled composition, thereby replacing all or part of the conventional lead (Pb) -based piezoelectric material parts. Lead-free composite (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramics composition with a non-stoichiometrically controlled trivalent cation In added to the composition of alkaline metal K And the development of the manufacturing method is urgently required.

따라서, 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 착상된 것으로서, 정방정(tetragonal) 상 구조의 BKT에 능면정(rhombohedral) 상 구조의 BI를 고용시켜서 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3에서 알칼리메탈 K의 조성이 비양론적으로 조절된 복합 세라믹스를 통해 유전 특성과 압전 특성이 향상되는 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 무연 복합 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been conceived to solve the above problems, by employing a bigonal rhombohedral phase BI in BKT of tetragonal phase structure (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) Lead-free lead containing trivalent cation In whose composition of alkali metal K improves dielectric and piezoelectric properties through composite ceramics in which the composition of alkali metal K is aproportionally controlled in TiO 3 -xBiInO 3 An object of the present invention is to provide a composite (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramic composition and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 종래의 납(Pb)계통의 PZT 세라믹스가 인체에 유해하고 환경오염을 유발시키는 것과는 달리 Bi계통의 압전 세라믹스의 소재를 제공하므로 친환경적인 알칼리메탈 K의 조성이 비양론적으로 조절된 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 무연 복합 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물 및 그 제조방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a material of Bi-based piezoelectric ceramics, unlike conventional lead (Pb) -based PZT ceramics are harmful to the human body and cause environmental pollution, the composition of environmentally friendly alkali metal K is controlled apronically. A lead-free composite (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramics composition containing a non-stoichiometrically controlled trivalent cation In having a composition of the prepared alkali metal K and a method of preparing the same It is.

본 발명의 다른 목적은 무연 Bi계통의 세라믹스의 압전 특성을 향상시켜 종래의 납(Pb)계통의 압전 소재 부품들을 전부 또는 부분적으로 대체할 수 있으므로 경제적인 절감은 물론 환경 친화적성을 가져 올 수 있는 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 무연 복합 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
Another object of the present invention is to improve the piezoelectric properties of lead-free Bi-based ceramics can replace all or part of the conventional lead (Pb) -based piezoelectric material parts, which can bring economic savings and environmental friendliness. Provided is a lead-free composite (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramics composition containing a non-stoichiometrically controlled trivalent cation In, and a method of preparing the alkali metal K. have.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 무연 복합 세라믹스 조성물은 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3으로 나타내는 조성물을 주성분으로 함유하는 무연 복합 세라믹 조성물로서, 상기 식에서 x 및 y를 조절하여 K의 조성을 0.5에서 벗어난 비양론적 조성으로 하는 것을 특징으로 한다. To achieve the above object, (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 − having a non-stoichiometrically controlled trivalent cation In added to the composition of alkali metal K according to a preferred embodiment of the present invention. The xBiInO 3 lead-free composite ceramic composition is a lead-free composite ceramic composition containing a composition represented by (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 as a main component, wherein x and y are adjusted to adjust the composition of K. It is characterized by a non-quantitative composition deviating from 0.5.

상기 본 발명에 있어서, 상기 정방정(tetragonal) 상 구조의 BKT에 능면정(rhombohedral) 상 구조의 BI를 고용시킨 것을 특징으로 한다. In the present invention, the tetragonal phase structure BKT is characterized by employing a BI of a rhombohedral phase structure.

또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 무연 복합 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물의 제조방법은 흡습성을 갖는 K2CO3 분말을 200℃에서 충분히 건조하는 단계와; Bi2O3, In2O3, TiO2, 분말을 추가하여 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3의 세라믹스 조성을 갖는 조성물을 칭량하고 혼합한 후 무수 에탄올을 사용하여 밀링하는 단계와; 상기 밀링한 분말을 80 내지 90℃에서 건조시키고 700 내지 800℃에서 2시간 동안 하소하는 단계와; 상기 하소된 분말을 다시 습식 밀링하고 건조시키는 단계와; 상기 건조된 분말을 700 내지 800℃에서 2시간 동안 2차 하소하는 단계와; 상기 하소된 분말을 다시 습식 밀링하고 건조시키는 단계와; 상기 건조된 분말을 성형을 위한 결합제로서 Polyvinyl Alcohol(PVA) 5 wt% 수용액을 분말에 0.5 wt% 첨가 혼합하고 sieve로 체가름한 후 성형하는 단계와; 상기 성형된 시편의 대기 중에서 900 내지 1150℃에서 2시간 동안 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
In addition, a lead-free composite (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) to which the composition of the alkali metal K according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object is added with a stoichiometrically controlled trivalent cation In. Method for producing a TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramic composition comprises the steps of sufficiently drying the K 2 CO 3 powder having hygroscopicity at 200 ℃; Add Bi 2 O 3 , In 2 O 3 , TiO 2 , and powder to weigh and mix the composition with a ceramic composition of (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 , followed by anhydrous ethanol Milling; Drying the milled powder at 80 to 90 ° C. and calcining at 700 to 800 ° C. for 2 hours; Wet milling and drying the calcined powder again; Secondly calcining the dried powder at 700 to 800 ° C. for 2 hours; Wet milling and drying the calcined powder again; Mixing the dried powder by adding 0.5 wt% of a 5 wt% aqueous polyvinyl alcohol (PVA) solution to the powder as a binder for shaping, and sieving through sieve; And sintering at 900 to 1150 ° C. for 2 hours in the atmosphere of the molded specimen.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 무연 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 가진다.As described above, the lead-free (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramics to which the trivalent cation In with the composition of the alkali metal K according to the present invention is non-stoichiometrically controlled is added. The composition and its preparation method have the following effects.

첫째, 본 발명은 정방정(tetragonal) 상 구조의 BKT에 능면정(rhombohedral) 상 구조의 BI를 고용시켜서 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3로 표현되는 새로운 복합 세라믹스에서 알칼리메탈 K의 조성을 비화학양론적으로 조절하여 유전 특성과 압전 특성이 향상된다. First, the present invention employs a BI complex of rhombohedral phase in BKT of tetragonal phase structure and is expressed as (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 . The dielectric properties and piezoelectric properties are improved by non-stoichiometrically controlling the composition of alkali metal K in ceramics.

둘째, 본 발명은 종래의 납(Pb)계통의 PZT 세라믹스가 인체에 유해하고 환경오염을 유발시키는 것과는 달리 Bi계통의 압전 세라믹스의 소재를 제공하므로 친환경적이다. Second, the present invention is environmentally friendly to provide a material of Bi-based piezoelectric ceramics, unlike the conventional lead (Pb) -based PZT ceramics are harmful to the human body and cause environmental pollution.

셋째, 본 발명은 무연 Bi계통의 세라믹스의 압전 특성을 향상시켜 종래의 납(Pb)계통의 압전 소재 부품들을 전부 또는 부분적으로 대체할 수 있으므로 경제적인 절감은 물론 환경 친화적성을 가져 올 수 있다.
Third, the present invention can improve the piezoelectric properties of the lead-free Bi-based ceramics to replace all or part of the conventional lead (Pb) -based piezoelectric material parts can bring economical savings and environmental friendliness.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물의 제조 및 평가의 공정 흐름도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물의 X-ray 회절 패턴을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물의 유전 특성을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물의 강유전 특성을 나타낸 도면.
도 5a와 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹 세라믹스 조성물의 압전 특성을 나타낸 도면.
1 is a process flow diagram of preparation and evaluation of (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramic composition according to one embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramic composition according to one embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing dielectric properties of (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramic composition according to one embodiment of the present invention.
4 is a view showing ferroelectric properties of (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramic composition according to one embodiment of the present invention.
5A and 5B illustrate piezoelectric properties of a (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramic ceramic composition according to one embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 일실시예를 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명인 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 비스무스(Bi)계 무연 복합 세라믹스의 조성물 및 그 제조방법을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Looking at a preferred embodiment of the present invention together with the accompanying drawings as follows, when it is determined that the detailed description of the known art or configuration related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention The detailed description will be omitted, and the following terms are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators, and the definitions thereof are non-chemical. It should be made based on the contents throughout the present specification to explain the composition of bismuth (Bi) -based lead-free composite ceramics to which the stoichiometrically controlled trivalent cation In is added, and a method of manufacturing the same.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 비스무스(Bi)계 무연 복합 세라믹스의 조성물 및 그 제조방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the composition of the bismuth (Bi) -based lead-free composite ceramics to which the composition of the alkali metal K according to the preferred embodiment of the present invention is non-stoichiometrically controlled trivalent cation In is added, and the preparation method thereof will be described below. same.

[실시예][Example]

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 알칼리메탈의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 무연 Bi계 복합 세라믹스 조성물의 제조 및 평가의 공정 흐름도이다. FIG. 1 is a process flowchart of preparing and evaluating a lead-free Bi-based composite ceramic composition to which a trivalent cation In is added in which a composition of an alkali metal is non-stoichiometrically controlled according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시한 바와 같이, 원료 분말들로서 Bi2O3, K2CO3, TiO2, In2O3를 사용하여 고상반응법(solid-state process)으로 세라믹스 각각의 조성을 갖는 조성물들을 제작하였다. 분말의 혼합은 원하는 조성 비율의 분말을 Yttria-stabilized zirconia(YSZ) 볼(ball)들과 함께 무수(anhydrous) ethanol을 사용하여 2시간 동안 습식 밀링(milling) 하였다.As shown in FIG. 1, compositions having respective compositions of ceramics were prepared by a solid-state process using Bi 2 O 3 , K 2 CO 3 , TiO 2 , In 2 O 3 as raw powders. . The mixing of the powder was wet milled for 2 hours using anhydrous ethanol with Yttria-stabilized zirconia (YSZ) balls of the desired composition ratio.

상기 밀링 후 80 내지 90℃ 오븐에서 건조시키고 700 내지 800℃에서 2시간 동안 2회 하소(calcination)하였다. After milling it was dried in an oven at 80-90 ° C. and calcined twice at 700-800 ° C. for 2 hours.

상기 하소된 분말을 다시 습식 밀링하고 건조시킨 후 성형을 위한 결합제로서 Polyvinyl Alcohol(PVA) 5 wt% 수용액을 분말에 0.5 wt% 첨가 혼합하고 150 sieve로 체가름을 하였다. 시편의 성형은 150 MPa의 압력을 1축으로 가하여 직경 10 또는 18 mm, 두께 1 mm의 원판 형으로 제작하였다. 상기 성형된 시편의 소결(sintering)은 대기 중에서 900 내지 1150℃에서 2시간 동안 하였다.The calcined powder was again wet milled and dried, and then 0.5 wt% of a 5 wt% polyvinyl alcohol (PVA) aqueous solution was added to the powder as a binder for molding, followed by sieving at 150 sieve. The specimen was molded into a disk of 10 or 18 mm in diameter and 1 mm thick with a pressure of 150 MPa in one axis. Sintering of the molded specimens was carried out for 2 hours at 900 to 1150 ℃ in the air.

시편의 연마는 400, 800, 1200 연마지(emery paper)로 최종 두께가 0.5 mm가 되도록 양면 연마하였다.The specimens were polished on both sides with 400, 800 and 1200 emery paper so that the final thickness was 0.5 mm.

시편의 상 분석은 X-Ray diffraction (XRD) 패턴(pattern)을 분석하여 확인하였다. 압전 특성의 측정을 위하여 연마된 시편의 양 면에 은(Ag) paste를 도포한 후 650 ℃에서 30분간 열처리를 하여 전극을 형성하였다. 시편의 분극(poling)은 실온의 실리콘 oil 속에서 4 kV/mm의 직류 전압을 30분간 가하여 실행하였고 24시간의 시효(aging) 처리를 하였다. 압전 계수(piezoelectric coefficient, d33)는 piezo d33meter를 사용하여 측정하였다. 또한 강유전 특성을 이력 곡선을 사용하여 측정하였다. Phase analysis of the specimen was confirmed by analyzing the X-Ray diffraction (XRD) pattern (pattern). In order to measure the piezoelectric properties, silver paste was applied to both surfaces of the polished specimens, followed by heat treatment at 650 ° C. for 30 minutes to form electrodes. The polarization of the specimens was carried out by applying a direct current voltage of 4 kV / mm for 30 minutes in a room temperature silicone oil and undergoing aging for 24 hours. Piezoelectric coefficient (d 33 ) was measured using a piezo d 33 meter. Ferroelectric properties were also measured using hysteresis curves.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물의 X-ray 회절 패턴으로서, BI 2 mol%에서 2차상의 형성이 없이 고용되었음을 보이고 있다.2 is a (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 complex having a non-stoichiometrically controlled trivalent cation In composition of an alkali metal K according to one embodiment of the present invention As an X-ray diffraction pattern of the ceramic composition, it is shown that at 2 mol% BI there is no solid solution formed.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물의 유전특성으로서, (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물의 유전상수 및 유전손실(100 kHz data)의 그래프이며, 화살표로 표시한 바와 같이 탈분극온도(depolarization temperature, Td, 압전특성을 잃는 온도)가 K의 조성이 비화학양론적으로 부족해짐에 따라 저하되는 것을 알 수 있다.3 is a (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 complex to which the composition of the alkali metal K is non-stoichiometrically controlled trivalent cation In according to an embodiment of the present invention As dielectric properties of ceramic composition, it is a graph of dielectric constant and dielectric loss (100 kHz data) of (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramic composition, as indicated by arrows, depolarization It can be seen that the temperature (depolarization temperature, T d , the temperature at which the piezoelectric characteristic is lost) decreases as the composition of K becomes nonstoichiometric.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물의 강유전특성으로서, K의 조성이 비화학양론적으로 부족해짐에 따라 이력특성이 개선 저하되는 것을 알 수 있다. 또한 x = 2 mol %에서 잔류분극(Pr, y 절편값)이 최대 25μC/cm2를 보임을 알 수 있다.4 is a (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 complex having a non-stoichiometrically controlled trivalent cation In composition of an alkali metal K according to one embodiment of the present invention As the ferroelectric properties of the ceramic composition, it can be seen that the hysteresis characteristics are improved and lowered as the composition of K is insufficiently stoichiometrically. In addition, it can be seen that the residual polarization (P r , y intercept value) shows a maximum of 25 μC / cm 2 at x = 2 mol%.

도 5a와 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물의 압전특성으로서, K의 조성이 화학양론적 0.5에서 벗어나 x = 2, y = -4 mol %에서 압전계수(piezoelectric coefficient, d33)는 최대 106 pC/N으로 향상됨을 알 수 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 도 5-a는 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 세라믹스 조성물의 y = 0 mol %로 고정하고 x를 변화시킴에 따른 압전특성을 나타낸 것으로서, x = 2 mol %로 증가함에 따라 압전계수는 93 pC/N으로 향상됨을 알 수 있었고, 도 5-b는 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 세라믹스 조성물의 x = 2 mol %로 고정하고 y를 변화시킴에 따른 압전특성을 나타낸 것으로서, x = y = 0 mol %의 경우 68 pC/N으로부터 x = 2, y = -4 mol %에서 최대 106 pC/N으로 향상됨을 알 수 있다.5A and 5B illustrate (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 − having a non-stoichiometrically controlled trivalent cation In added to an alkali metal K composition according to one embodiment of the present invention. Piezoelectric properties of the xBiInO 3 composite ceramics composition showed that the composition of K deviated from stoichiometric 0.5 and the piezoelectric coefficient (d 33 ) increased up to 106 pC / N at x = 2, y = -4 mol%. Can be. More specifically, FIG. 5-a shows piezoelectric properties according to the change of x and the fixed (y = 0 mol%) of (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 ceramic composition. , x = 2 mol%, the piezoelectric coefficient was found to be improved to 93 pC / N, Figure 5-b shows the (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 of the ceramic composition Piezoelectric properties with a fixed x = 2 mol% and varying y, where x = y = 0 mol%, from 68 pC / N to x = 2, y = -4 mol% up to 106 pC / N It can be seen that the improvement.

상술한 바와 같이, 분말의 제조 및 벌크(bulk) 조성물들의 하소(calcining) 및 소결(sintering) 공정조건(온도, 시간, 산소분압)들을 최적화하기 위하여 세라믹스들의 압전특성과 유전특성을 측정한 결과 정방정(tetragonal) 상(phase)과 능면정(rhombohedral) 상이 공존하는 Morphotropic Phase Boundary(MPB, 2가지 상이 공존하는 조성으로서 각각의 단일 상만 존재하는 경우보다 2상이 동시에 존재하여 특성에 기여함에 따라 보다 향상된 압전특성이 나타남)를 발견하였다. 특히 본원발명의 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 방식의 복합 세라믹스제조방법을 적용하여 새로운 압전 물질의 개발이 가능할 것이다.As described above, piezoelectric and dielectric properties of ceramics were measured to optimize powder manufacturing and calcination and sintering process conditions (temperature, time, oxygen partial pressure) of bulk compositions. Morphotropic Phase Boundary (MPB), in which the tetragonal phase and the rhombohedral phase coexist, and the two phases coexist more than each single phase, contributing to the characteristics. Piezoelectric properties). In particular, (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 type composite ceramics manufacturing method to which the composition of the alkali metal K of the present invention is added with a non-stoichiometrically controlled trivalent cation In is applied. The development of new piezoelectric materials will be possible.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.As described above, various substitutions, modifications, and changes can be made by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention, and thus, the embodiments and the accompanying drawings are limited. It doesn't happen.

상술한 바와 같이, 본 발명은 압전 소재들의 응용범위는 매우 다양하여 휴대폰, 자동차, TV디스플레이는 물론 각종 의료기기들의 부품에 이르기까지 다양한 분야에서 우리의 생활과 밀접하게 관련되어 있다. 또한 필터, 공진기, 진동자, 센서, 엑츄에이터, 변압기 등의 용도 및 형태로 사용되는데 예를 들면 잉크젯의 프린터헤드에서부터 카메라 자동초점조절, 진동 모터, 자동차 브레이크, 녹킹센서, 주차센서, 변압기, 초음파가습기, 치석제거기, 가스레인지 착화소자 등에 이르기까지 응용제품들이 무수히 많으며, 그 시장규모도 매우 클 것이다.
As described above, the present invention has a wide range of applications of piezoelectric materials and is closely related to our lives in various fields, ranging from mobile phones, automobiles, TV displays, as well as components of various medical devices. It is also used in the form and use of filters, resonators, vibrators, sensors, actuators, transformers, etc. For example, inkjet printheads, camera auto focus, vibration motors, car brakes, knocking sensors, parking sensors, transformers, ultrasonic humidifiers, There are numerous applications such as tartar removers and gas range ignition devices, and the market will be very large.

Claims (3)

(1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3으로 나타내는 조성물을 주성분으로 함유하는 무연 세라믹 조성물로서,
상기 식에서 x와 y를 조절하여 K의 조성을 0.5에서 벗어난 비양론적 조성으로 하는 것을 특징으로 하는 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 무연 복합 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물.
A lead-free ceramic composition containing, as a main component, a composition represented by (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 ,
The lead-free composite (1-x) to which the composition of the alkali metal K is added non-stoichiometrically controlled trivalent cation In is characterized by adjusting x and y in a non-stoichiometric composition by adjusting x and y in the above formula. (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramic composition.
제 1항에 있어서,
상기 정방정(tetragonal) 상 구조의 BKT에 능면정(rhombohedral) 상 구조의 BI를 고용시킨 것을 특징으로 하는 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물.
The method of claim 1,
The trivalent cation In of which the composition of the alkali metal K is non-stoichiometrically controlled is added to the tetragonal BKT in a solid rhombohedral phase BI. x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramic composition.
알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물의 제조방법에 있어서,
Bi2O3, K2CO3, In2O3, TiO2 분말을 사용하여 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3의 복합 세라믹스 조성을 갖는 조성물을 칭량하고 혼합한 후 무수 에탄올을 사용하여 밀링하는 단계와;
상기 밀링한 분말을 80 내지 90℃ 오븐에서 건조시키고 700 내지 800℃에서 2시간 동안 1차 하소하는 단계와;
상기 하소된 분말을 다시 습식 밀링하고 건조시키는 단계와;
상기 건조된 분말을 다시 700 내지 800℃에서 2시간 동안 2차 하소하는 단계와;
상기 하소된 분말을 습식 밀링하고 건조시키는 단계와;
상기 건조된 분말을 성형을 위한 결합제로서 Polyvinyl Alcohol(PVA) 5 wt% 수용액을 분말에 0.5 wt% 첨가 혼합하고 sieve로 체가름한 후 성형하는 단계와;
상기 성형된 시편의 대기 중에서 900 내지 1150℃에서 2시간 동안 소결하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리메탈 K의 조성이 비화학양론적으로 조절된 3가 양이온 In이 첨가된 (1-x)(Bi0.5K0.5+y)TiO3-xBiInO3 복합 세라믹스 조성물의 제조방법.
In the method for preparing a (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramic composition to which the composition of the alkali metal K is added, which is non-stoichiometrically controlled trivalent cation In,
Weighing and mixing a composition having a composite ceramic composition of (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 using Bi 2 O 3 , K 2 CO 3 , In 2 O 3 , and TiO 2 powder Milling using anhydrous ethanol;
Drying the milled powder in an oven at 80 to 90 ° C. and first calcining at 700 to 800 ° C. for 2 hours;
Wet milling and drying the calcined powder again;
Secondly calcining the dried powder at 700 to 800 ° C. for 2 hours;
Wet milling and drying the calcined powder;
Mixing the dried powder by adding 0.5 wt% of a 5 wt% aqueous polyvinyl alcohol (PVA) solution to the powder as a binder for shaping, and sieving through sieve;
Sintering at 900 to 1150 ° C. for 2 hours in the atmosphere of the molded specimen; Preparation of (1-x) (Bi 0.5 K 0.5 + y ) TiO 3 -xBiInO 3 composite ceramics composition to which the composition of the alkali metal K is added non-stoichiometrically controlled trivalent cation In Way.
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