KR20130086093A - Lead-free piezoelectric ceramics composition - Google Patents

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류주현
변선민
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세명대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A Pb-free piezoelectric ceramics composition is provided to enable production in a solid state reaction method as sintering property is excellent while being (Na,K)NbO3 system (NKN system) which does not contain lead (PbO) and to have excellent temperature stability while having good electrical property and piezoelectric property. CONSTITUTION: A Pb-free piezoelectric ceramics composition includes a composition expressed with a formula 1. In the formula 1, x is 0<x<1 and y is 0<y<0.02. A production method of the Pb-free piezoelectric ceramics composition includes the following steps; (a) a mixing, a grinding, a drying and a calcinations process are performed to a sample weighing the sample which contains the composition by the formula 1; and (b) the calcined sample is molded and sintered.

Description

무연 압전 세라믹스 조성물 {LEAD-FREE PIEZOELECTRIC CERAMICS COMPOSITION}Lead-Free Piezoelectric Ceramics Composition {LEAD-FREE PIEZOELECTRIC CERAMICS COMPOSITION}

본 발명은 납(PbO)이 포함되지 아니한 무연 압전 세라믹스 조성물에 관한 것으로, 특히 NKN계이면서도 소결성이 우수하여 고상반응법으로 제조가능할 뿐만 아니라, 전기적 특성과 압전 특성이 우수하면서도 온도 안정성이 우수한 개선된 압전 세라믹스 조성물에 관한 것이다. 또한, 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lead-free piezoelectric ceramic composition containing no lead (PbO), and in particular, NKN-based and sintering properties, not only can be manufactured by the solid-phase reaction method, but also has excellent electrical and piezoelectric properties and excellent temperature stability. It relates to a piezoelectric ceramic composition. It also relates to a method for producing the same.

압전 세라믹스는 전자분야의 기초재료로 다양한 연구가 이루어져 왔으며, 그 활용은 공진기 및 필터 등의 통신소자, 초음파 의료기기, 트랜스포머, 초정밀 액츄에이터, 초음파 모터, 각종 정밀 센서와 측정, 계측기기 등으로 가정용에서부터 첨단 기술분야까지 광범위하게 이루어지고 있다. Piezoelectric ceramics have been researched as a basic material in the electronic field, and their applications include communication devices such as resonators and filters, ultrasonic medical devices, transformers, ultra-precision actuators, ultrasonic motors, various precision sensors, measuring devices, and measuring devices. It is extensively made up to high technology fields.

압전 세라믹스 재료는 티탄산바륨(Barium Titanate)을 시작으로 물리적 성질 등이 우수한 PZT (Pb(Zr,Ti)O3), PCM (Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3-PbZrO3) 등 복합 페롭스카이트(perovskite) 구조를 가진 세라믹스를 중심으로 개발이 이루어지고 있으며, 최근에는 휘발성 공해물질인 PbO가 함유되지 않으면서도 물리적 성질과 기능이 우수한 압전 재료 개발 및 수요가 증대되고 있는 상황이다. Piezoelectric ceramic materials include barium titanate and composite ferrophores such as PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) and PCM (Pb (Mg, Nb) O 3 -PbTiO 3 -PbZrO 3 ) with excellent physical properties. The development is focused on ceramics having a perovskite structure, and recently, the development and demand for piezoelectric materials having excellent physical properties and functions without containing volatile pollutants PbO are increasing.

특히, PZT 압전 세라믹스는 MPB 조성에 가까운 우수한 전기적 특성에 기인하여 압전소자분야에서 중요한 역할을 하지만, 이 조성은 1,000℃에서 급속도로 많은 휘발을 하는 60 wt% 이상의 PbO를 함유하고 있어 인체에 치명적인 중독문제와 심각한 환경문제를 야기하며 납 휘발 억제 시설 구비에 따른 경제적인 측면에서도 많은 문제점을 갖는다. 이러한 이유로, PbO를 포함하지 않은 무연계 세라믹스 조성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. In particular, PZT piezoelectric ceramics play an important role in piezoelectric devices due to their excellent electrical properties close to that of MPB, but this composition contains more than 60 wt% of PbO which rapidly volatilizes at 1,000 ° C. It causes problems and serious environmental problems, and has many problems in terms of economics due to the provision of lead volatilization suppression facilities. For this reason, studies on lead-free ceramic compositions containing no PbO have been actively conducted.

이러한 무연계 세라믹스로서 BNT(bismuth sodium titanate) 세라믹스가 제시되었으나, PZT 물질에 비해 압전특성이 떨어지고 상전이 온도가 낮은 문제가 있다(J. Yoo et al. Integr . Ferroelctr, 105, 18, (2009); Z. Qian et al, J. Alloys comp ., 490, 260 (2010)). As such lead-free ceramics, bismuth sodium titanate (BNT) ceramics have been proposed, but the piezoelectric properties and the phase transition temperature are lower than those of PZT materials (J. Yoo et al. Integr . Ferroelctr , 105, 18, (2009); Z. Qian et al, J. Alloys comp ., 490, 260 (2010)).

반면에, 다른 무연계 세라믹스로서 (Na,K)NbO3계 세라믹스(이하, "NKN계 세라믹스")는 높은 큐리온도와 우수한 압전특성으로 PZT계 압전세라믹스를 대체할 수 있는 압전재료로서 주목받고 있다. NKN계 세라믹스는 사방정(orthorthomic) 상에서 정방정(tetragonal) 상으로 변하는 상전이 온도(To -t)와 테트라고날 상에서 입방정계(cubic) 상으로 변하는 상전이 온도(Tc)의 두 상전이 온도를 갖는다. 또한, NKN계 세라믹스에서 1차 상전이 온도(To -t)에서 압전특성이 변하는 특성이 있기 때문에 To -t가 높아야 온도 안정성이 우수하다. On the other hand, as other lead-free ceramics, (Na, K) NbO 3 -based ceramics (hereinafter, "NKN-based ceramics") are attracting attention as piezoelectric materials that can replace PZT-based piezoceramics with high curie temperature and excellent piezoelectric properties. . NKN-based ceramics have two phase transition temperatures: a phase transition temperature (T o -t ) that changes from an orthorthomic to a tetragonal phase and a phase transition temperature (T c ) that changes from a tetragonal to a cubic phase. . In addition, in NKN-based ceramics, since the piezoelectric characteristics change at the primary phase transition temperature (T o -t ), the temperature stability is excellent when the T o -t is high.

따라서, NKN계 세라믹스는 주요성분인 K의 높은 조해성으로 인해 일반적인 고상반응법으로는 고밀도의 세라믹을 얻기 힘들뿐 아니라, 또한 그 낮은 상전이 온도로 인해 압전특성이 불안정하여 응용에 많은 제약을 갖는다. 뿐만 아니라, NKN계 세라믹스의 제조방법으로서, 일반적인 고상반응법 대신, 핫 프레싱(hot pressing), SPS(spark plasma sintering), RTGG(reactive templated grain growth) 등의 특수한 소결방법이 제안되나, 이들 방법은 제조과정이 복잡하고 대량생산이 어려워 경제적으로 매우 비효율적이다. Therefore, NKN-based ceramics are not only difficult to obtain high-density ceramics by the general solid-phase reaction method due to the high deliquescent property of K, which is a main component, and also have a lot of limitations in application because the piezoelectric properties are unstable due to the low phase transition temperature. In addition, a special sintering method such as hot pressing, spark plasma sintering (SPS), and reactive templated grain growth (RTGG) has been proposed as a method of manufacturing NKN-based ceramics. The manufacturing process is complicated and the mass production is difficult, which is very economically inefficient.

이에, 본 발명은 납(PbO)이 포함되지 않는 NKN계이면서도 소결성이 우수하여 고상반응법으로 제조가능할 뿐만 아니라, 전기적 특성과 압전 특성이 우수하면서도 온도 안정성이 우수한 개선된 무연 압전 세라믹스 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention provides an improved lead-free piezoelectric ceramic composition which is NKN-based and does not contain lead (PbO) and is excellent in sintering property and can be manufactured by a solid-phase reaction method. For the purpose of

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물은 하기 식 1로 표현된 조성을 포함할 수 있다;Lead-free piezoelectric ceramic composition according to an aspect of the present invention for achieving the above object may include a composition represented by the following formula 1;

Li0 .04(NaxK1 -x)0.96(Nb0 .9Ta0 .10)1-2y/5ZnyO3 (식 1) Li 0 .04 (Na x K 1 -x) 0.96 (Nb 0 .9 Ta 0 .10) 1-2y / 5 Zn y O 3 (Equation 1)

이때, x는 0<x<1이고 y는 0<y<0.02이다.At this time, x is 0 <x <1 and y is 0 <y <0.02.

또한, 본 발명의 다른 일 관점에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 제조방법은 상기 식 1에 의한 시료를 칭량하여 혼합, 분쇄한 후 건조하여 하소하는 단계와, 상기 하소된 시료를 성형하고 이를 소결하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the method for producing a lead-free piezoelectric ceramic composition according to another aspect of the present invention comprises the steps of weighing, mixing, pulverizing and drying the sample according to Equation 1, and molding and calcining the calcined sample. It may include.

본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물은 납(PbO)이 포함되지 않는 NKN계이면서도 소결성이 우수하여 고상반응법으로 제조가능할 뿐만 아니라, 전기적 특성과 압전 특성이 우수하면서도 온도 안정성이 우수하다. 특히, d33·g33은 9.268 pm2/N으로서 종래 PZT-5A보다 월등히 높은 값을 보이며, 에너지 하베스팅(energy harvesting), 센서 및 액츄에이터등 각종 전자 디바이스에 매우 유망하다. The lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention is not only lead-free (PbO) NKN-based, but also has excellent sintering properties and can be manufactured by the solid-phase reaction method, and has excellent electrical and piezoelectric properties and excellent temperature stability. In particular, d 33 g 33 is 9.268 pm 2 / N, which is much higher than the conventional PZT-5A, and is very promising for various electronic devices such as energy harvesting, sensors, and actuators.

도 1은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량 변화에 따른 시편의 X선 회절분석 패턴.
도 2는 1,110℃의 소성온도에서 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn의 치환량 변화에 따른 시편의 전자현미경사진.
도 3은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량의 변화에 따른 시편의 밀도 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량 변화에 따른 시편의 전기기계결합계수(kp) 그래프.
도 5는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량 변화에 따른 시편의 기계적 품질계수(Qm) 그래프.
도 6은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량 변화에 따른 시편의 압전 상수(d33) 그래프.
도 7은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량 변화에 따른 시편의 유전상수(εr) 그래프.
도 8은 1,110℃의 소성온도에서 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량 및 온도 변화에 따른 시편의 유전상수 그래프.
도 9는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량 변화에 따른 시편의 P-E 히스테리시스 곡선 그래프.
도 10은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na의 양 변화에 따른 시편의 X선 회절분석 패턴.
도 11의 (a)~(d)는 1,110℃의 소성온도에서 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량(x) 변화에 따른 시편의 전자현미경사진.
도 12는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량 변화에 따른 시편의 밀도 그래프.
도 13은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량 변화에 따른 시편의 전기기계결합계수(kp) 그래프.
도 14는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량 변화에 따른 시편의 압전 상수(d33) 그래프.
도 15는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량 변화에 따른 시편의 기계적 품질계수(Qm) 그래프.
도 16은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량 변화에 따른 시편의 유전상수(εr) 그래프.
도 17은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량(x) 변화에 따른 시편의 압전전압상수(g33) 그래프.
도 18은 1,110℃의 소성온도에서 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량 및 온도 변화에 따른 시편의 유전상수 그래프.
도 19는 Na량이 0.56일 때 -20℃에서 80℃까지의 온도에서 측정한 kp 온도 의존도와

Figure pat00001
Figure pat00002
의 변화 그래프.
도 20은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량(x) 변화에 따른 d33·g33 그래프.1 is an X-ray diffraction pattern of the specimen according to the Zn substitution amount of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
2 is an electron micrograph of the specimen according to the change in the substitution amount of Zn of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention at a firing temperature of 1,110 ℃.
Figure 3 is a density graph of the specimen according to the change in the amount of Zn substitution of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
Figure 4 is a graph of the electromechanical coefficient (k p ) of the specimen according to the Zn substitution amount change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
5 is a mechanical quality factor (Q m ) graph of the specimen according to the Zn substitution amount change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
6 is a piezoelectric constant (d 33 ) graph of the specimen according to the Zn substitution amount change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
7 is a graph of dielectric constant (ε r ) of the specimen according to the Zn substitution amount of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
8 is a dielectric constant graph of the specimen according to the Zn substitution amount and temperature change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention at a firing temperature of 1,110 ℃.
9 is a graph of PE hysteresis curve of the specimen according to the Zn substitution amount change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
10 is an X-ray diffraction pattern of the specimen according to the amount of Na in the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
11 (a) to (d) are electron micrographs of the specimens according to the Na amount (x) change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention at a firing temperature of 1,110 ℃.
12 is a density graph of the specimen according to the change in the Na content of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
13 is a graph of the electromechanical coefficient (k p ) of the specimen according to the change in the Na content of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
14 is a piezoelectric constant (d 33 ) graph of the specimen according to the Na content change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
15 is a mechanical quality factor (Q m ) graph of the specimen according to the Na content change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
16 is a graph of dielectric constant (ε r ) of the specimen according to the Na content change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
17 is a graph of the piezoelectric voltage constant (g 33 ) of the specimen according to the Na amount (x) change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.
18 is a graph of dielectric constant of a specimen according to the Na content and temperature change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention at a firing temperature of 1,110 ° C.
19 is k p measured at a temperature from -20 ° C to 80 ° C when Na amount is 0.56. Temperature dependence
Figure pat00001
And
Figure pat00002
Graph of change.
20 is a graph of d 33 g 33 according to the change in the amount of Na (x) of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention.

본 발명자들은 (Na,K)NbO3계 세라믹스에 있어서 이의 B 사이트를 Zn으로 치환하면 산소(O) 공공(vacancy)이 유도되어 격자의 뒤틀림이 촉진되고 이에 따라 소결성이 개선되고 압전특성이 크게 향상됨을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 소결온도의 저하를 촉진하기 위해 A 사이트는 Li로 치환하고, 사방정계와 정방정계 간의 상 변이 촉진을 위해 B 사이트는 동시에 Ta로 치환하였다. 이에 따른 본 발명의 조성은 하기 식 1과 같다:The inventors of the present invention suggest that when the B site is replaced with Zn in (Na, K) NbO 3 -based ceramics, oxygen (O) vacancy is induced to promote distortion of the lattice, thereby improving sintering properties and greatly improving piezoelectric properties. Found. In addition, the present inventors substituted A site with Li in order to promote the reduction of the sintering temperature, and B site was simultaneously replaced with Ta to promote phase shift between the tetragonal and tetragonal systems. Accordingly, the composition of the present invention is as follows:

Li0 .04(NaxK1 -x)0.96(Nb0 .9Ta0 .10)1-2y/5ZnyO3 (식 1) Li 0 .04 (Na x K 1 -x) 0.96 (Nb 0 .9 Ta 0 .10) 1-2y / 5 Zn y O 3 (Equation 1)

이때, x는 0<x<1이고 바람직하게는 0.3<x<0.8이며 더 바람직하게는 0.5<x<0.6이다. 또한, y는 0<y<0.02이고 바람직하게는 0<y<0.01이고 더 바람직하게는 0.005이다.At this time, x is 0 <x <1, Preferably it is 0.3 <x <0.8, More preferably, it is 0.5 <x <0.6. Moreover, y is 0 <y <0.02, Preferably it is 0 <y <0.01, More preferably, it is 0.005.

이하, 본 발명의 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 상기 식 1의 조성 세라믹을 이하 "LNKNT 세라믹"으로 약칭한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the composition ceramic of Formula 1 is abbreviated as "LNKNT ceramic" hereafter.

시편의 제조Manufacture of specimens

본 실시예들에서는 상기 식 1의 조성을 산화물혼합법으로 제조하였다. In the present embodiments, the composition of Formula 1 was prepared by an oxide mixing method.

먼저, 99% 이상의 순도를 갖는 원료를 조성에 따라 10-4g까지 칭량하였으며, 1차 혼합은 아세톤을 분산매로 하여 3φ의 지르코니아 볼을 사용하여 24시간 동안 혼합분쇄하였고, 혼합분쇄된 시료를 80℃의 전기오븐에서 완전히 건조시켰다. 그리고, 상기 건조된 분말을 100메쉬로 조립한 후 알루미나 도가니에서 900℃에서 6시간 동안 하소하였다. 분쇄된 시료에 PVA(5wt% 수용액)를 첨가하고 100 메쉬로 조립하여, 21㎜ 몰더를 사용하여 1ton/㎠의 압력을 가하여 성형하였다. 상기 성형된 시편은 600℃에서 3시간 동안 결합제를 번아웃(burn out)한 후, 1,110℃에서 5시간 동안 소결하였다. First, a raw material having a purity of 99% or more was weighed to 10 -4 g depending on the composition, and the primary mixing was mixed and ground for 24 hours using acetone as a dispersion medium using 3φ zirconia balls, and the mixed and ground sample was 80 It was dried completely in an electric oven at ℃. Then, the dried powder was assembled into 100 mesh and calcined at 900 ° C. for 6 hours in an alumina crucible. PVA (5 wt% aqueous solution) was added to the pulverized sample, granulated into 100 mesh, and molded by applying a pressure of 1 ton / cm 2 using a 21 mm molder. The molded specimen was burned out of the binder at 600 ° C. for 3 hours and then sintered at 1,110 ° C. for 5 hours.

시편의 압전 및 유전 특성 측정 준비Preparing to Measure Piezoelectric and Dielectric Properties of Specimen

상기 소결된 시편은 1㎜의 두께로 연마하고 그 양면에 실버 페이스트(Dupont사, #3,288)를 스크린 인쇄하여 도포한 후, 600℃에서 10분간 열처리하여 전극을 형성하였다. 전극이 형성된 시편들은 120℃의 실리콘 오일에서 30㎸/㎝의 직류전계를 30분간 인가하여 분극처리를 하고 상온에서 24시간 경과한 후 제반특성을 측정하였다. The sintered specimens were polished to a thickness of 1 mm, coated with silver paste (Dupont Co., # 3,288) on both sides thereof, and then heat-treated at 600 ° C. for 10 minutes to form electrodes. The electrode formed specimens were subjected to polarization treatment by applying a 30 mA / cm direct current electric field for 30 minutes in a silicon oil at 120 ° C., and then measured various characteristics after 24 hours at room temperature.

또한, 유전특성을 조사하기 위하여 LCR 미터(ANDO AG-4,304)로 1kHz에서의 정전용량을 측정하여 유전상수를 산출하였고, 시편의 미세구조 및 결정구조는 각각 전자현미경(SEM)과 X선 회절분석(XRD)를 통해 분석하였다. 또한, IEEE 규정에 따라 임피던스 애널라이저(Agilent 4,294 A)로 공진 및 반공진 주파수와 공진저항을 측정하여 전기기계결합계수(kp) 및 기계적 품질계수(Qm)를 산출하였다. 또한, 전기기계결합계수(kp) 및 공진주파수(fr)의 온도계수는 -20℃~80℃ 범위로 측정하여 하기 식 2 및 3으로 산출하였다:In addition, the dielectric constant was calculated by measuring the capacitance at 1 kHz with an LCR meter (ANDO AG-4,304) to investigate the dielectric properties, and the microstructure and crystal structure of the specimen were analyzed by SEM and X-ray diffraction, respectively. Analysis via (XRD). In addition, the electromechanical coupling coefficient (k p ) and the mechanical quality coefficient (Q m ) were calculated by measuring the resonance and anti-resonant frequencies and the resonance resistance with an impedance analyzer (Agilent 4,294 A) according to the IEEE standard. In addition, the temperature coefficients of the electromechanical coupling coefficient (k p ) and the resonant frequency (f r ) were measured in the range of −20 ° C. to 80 ° C. and calculated by the following equations 2 and 3:

Figure pat00003
(식 2)
Figure pat00003
(Equation 2)

Figure pat00004
(식 3)
Figure pat00004
(Equation 3)

이하, 이렇게 측정된 제반특성들에 대해 기술한다. 하술하는 본 발명의 실시예들은 먼저 본 발명의 무연 압전 세라믹스 조성물에서 Zn의 몰 변화에 따른 제반 특성과 Na의 몰 변화에 따른 제반 특성을 각각 차례로 설명한다.Hereinafter, the various properties thus measured will be described. Embodiments of the present invention to be described below first describe the various properties according to the mole change of Zn and the various properties according to the mole change of Na in the lead-free piezoelectric ceramic composition of the present invention.

ZnZn 의 치환량 변화에 따른 시편의 소결특성 및 구조적 특성Sintering and Structural Properties of Specimen According to the Substitution of

도 1의 (a)~(b)는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량(즉, 상기 식 1의 "y") 변화에 따른 시편의 X선 회절분석 패턴을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 모든 시편에서 페롭스카이트(perovskite) 구조를 나타내었으며 2차상은 발견되지 않았다. 시편의 회절각 (2θ) 45°회절 부근에서 (200)와 (002) 피크가 분리된 정방정(tetragonal) 상을 나타냈다. Zn2 +는 제2단계 없이 LNKNT 세라믹 격자로 확산되며 균일한 고용체를 형성하였다. Zn의 치환은 격자의 뒤틀림을 유도하였고 이것은 2θ 안에서 서로 다른 피크가 약간 변화되었기 때문인 것으로 생각된다. 1 (a) to (b) shows the X-ray diffraction pattern of the specimen according to the Zn substitution amount (that is, "y" of the formula 1) of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. Referring to FIG. 1, all specimens showed a perovskite structure and no secondary phase was found. The tetragonal phase showed the (200) and (002) peaks separated near the diffraction angle (2θ) 45 ° diffraction of the specimen. Zn 2 + is spread with LNKNT ceramic grid without the second step to form a homogeneous solid solution. Substitution of Zn was induced distortion of the grid This is thought to be due to a slight change in peak was different from each other in the 2 θ.

하기 표 1은 1110℃에서 소결된 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량(즉, 상기 식 1의 "y") 변화에 따른 c/a 비와 격자상수의 변화를 나타낸 것이다.Table 1 below shows the change of c / a ratio and lattice constant according to the Zn substitution amount (that is, "y" in Formula 1) of the lead-free piezoelectric ceramic composition sintered at 1110 ° C.

Figure pat00005
Figure pat00005

표 1을 참조하면, Zn 치환량이 증가함에 따라 c/a는 감소하다가, Zn이 1.5 mol% 치환되었을 때 다시 증가하는 경향을 보였다. Zn2 +이온이 LNKNT 세라믹에 들어가면서 약간의 격자상수 변화를 나타내었는데, 이는 Zn2 +이온의 반경은 Ta5 +와 Nb5 +와 비슷하고 Zn2 +이온이 Ta5 +와 Nb5 +에 대해 대체됨에 따라 페롭스카이트의 B 사이트에 들어갈 수 있었기 때문이라고 이해된다. Referring to Table 1, c / a decreased with increasing Zn substitution, and then increased again when Zn was substituted with 1.5 mol%. Zn 2 + ions are entering the LNKNT ceramic eotneunde indicate some lattice constant changes, that the radius of Zn 2 + ions similar to the Ta 5 + and Nb 5 + and the Zn 2 + ions for a Ta 5 + and Nb 5 + It is understood that it was able to enter Perovskite B site as it was replaced.

도 2의 (a)~(d)는 1,110℃의 소성온도에서 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn의 치환량(즉, 상기 식 1의 "y") 변화에 따른 시편의 미세구조를 나타낸다. 도 2를 참조하면, 각 시편의 그레인의 형태는 전형적인 바이모달 그레인 사이즈의 입경구조를 나타낸다. 순수 LNKNT 세라믹스는 도 2에 나타내듯이 공공이 많고 불규칙한 그레인 크기에 따른 부적절한 소결상태를 보여준다. 하지만, 본 발명에 의한 세라믹스는 Zn이 작은 양으로 치환되므로, 공공이 감소하고 밀도가 약간 증가했다. 특히, 도 2의 (b)에 나타내듯이, Zn이 0.5mol% 치환되었을 경우에는 액상소결에 기인하여 공공이 감소됨에 따라 미세구조가 치밀화됨을 볼 수 있다. 또한, Zn 치환량이 증가함에 따라 시편의 결정립 크기는 상당히 증가하는 것을 볼 수 있고, Zn 치환량이 1.5mol%에서는 결정립 크기가 다른 시편에서보다 균일해지는 경향을 보였다. 이와 같이, Zn의 치환에 의해 순수한 LNKNT 세라믹스에 비해 미세구조의 치밀화가 이루어짐을 알 수 있다.2 (a) to 2 (d) show the microstructure of the specimen according to the change in the amount of Zn substitution (ie, “y” in Equation 1) of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention at a firing temperature of 1,110 ° C. Referring to FIG. 2, the grain shape of each specimen shows a typical bimodal grain size particle size structure. Pure LNKNT ceramics show inadequate sintering conditions due to large voids and irregular grain sizes as shown in FIG. 2. However, the ceramics according to the present invention, since Zn is substituted in small amounts, have reduced pores and slightly increased density. In particular, as shown in (b) of Figure 2, when Zn is 0.5mol% substituted it can be seen that the microstructure is densified as the pores are reduced due to liquid phase sintering. In addition, as the Zn substitution amount increased, it was found that the grain size of the specimen increased considerably. At 1.5 mol%, the grain size tended to be more uniform than that of other specimens. As such, it can be seen that densification of the microstructure is achieved by the substitution of Zn as compared to pure LNKNT ceramics.

또한, 도 3은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량의 변화에 따른 시편의 밀도를 나타낸다. 도 3을 참조하면, Zn 치환량이 증가함에 따라 밀도는 증가하는 모습이 관찰되었다. 순수 LNKNT세라믹스가 4.65g/cm3이였고 Zn의 치환량이 0.5mol%로 증가함에 따라 4.84g/cm3까지 도달한 이후 서서히 감소하였다. 이는 액상소결효과에 기인한 치밀화에 따른 결과로 이해되며, 특히 Zn의 치환이 본 조성계의 소결성을 향상시켰다는 것은 분명하다. 즉, ZnO는 Nb2O5, Na2CO3 등과 액상형성을 할 수 있고 Zn 이온은 ABO3 페롭스카이트 구조의 B 사이트에 들어가 산소공공을 만들기 때문에 입자의 확산을 용이하게 하였기 때문이다. In addition, Figure 3 shows the density of the specimen according to the change in the amount of Zn substitution of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. Referring to FIG. 3, it was observed that the density increased as the Zn substitution amount increased. LNKNT pure ceramics is 4.65g / cm 3 this was decreased slowly after reaching up to 4.84g / cm 3 as the substitution amount of Zn increases as 0.5mol%. This is understood as a result of densification due to the liquid phase sintering effect, and it is evident that in particular the substitution of Zn improved the sinterability of the present composition. That is, ZnO can form liquid phases such as Nb 2 O 5 , Na 2 CO 3, etc., and Zn ions enter the B site of the ABO 3 perovskite structure to make oxygen vacancies, thereby facilitating the diffusion of particles.

도 4는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량 변화에 따른 시편의 전기기계결합계수(kp)를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 전기기계결합계수(kp)는 Zn이 0mol%일 때 44.8%의 값을 나타내고 Zn이 0.5mol%일 때 47.5%까지 도달하였다가 이후 감소하였다. 이러한 변화는 Zn2 +의 B 사이트 치환이 증가하면서 B 사이트의 Zn2 + 농도가 증가함에 따른 완화작용의 결과라 해석된다. 이는 Zn2 +(0.74Å), Ta5 +(0.68Å), Nb5 +(0.69Å)의 이온반경은 작은 차이가 있고, Ta5 +와 Nb5 +에 대한 Zn2 +의 치환은 B 사이트 각의 뒤틀림을 증가시키고, 이에 따라 로컬조성을 변동시키기 때문이라고 이해된다.Figure 4 shows the electromechanical coefficient (k p ) of the specimen according to the Zn substitution amount change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. Referring to FIG. 4, the electromechanical coupling coefficient (k p ) represents a value of 44.8% when Zn is 0 mol%, and reaches up to 47.5% when Zn is 0.5 mol%, and then decreases. These changes are a result of the analysis la mitigation action resulting from the site B, while substitution of Zn 2 + increase the B site of the Zn 2 + concentration. This Zn 2 + (0.74Å), Ta 5 + (0.68Å), Nb ionic radius of 5 + (0.69Å) and is a small difference, replacement of Zn + 2 for the Ta and Nb 5 + 5 + B site is It is understood that this is because the distortion of the angle is increased and the local composition is changed accordingly.

ZnZn 의 치환량 변화에 따른 시편의 전기적 특성Electrical Characteristics of Specimen According to Changes in Substitution

도 5는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량 변화에 따른 시편의 기계적 품질계수(Qm)를 나타낸다. 도 5를 참조하면, Qm은 Zn의 치환량이 증가할수록 점차 증가하는 모습을 나타내어 Zn 치환량이 1.5%일 때는 최대값인 106까지 도달하였다. 이러한 결과는 Zn 이온의 B 사이트 치환은 어셉터 역할을 하여 이에 따라“하드너(harder)" 특성을 갖기 때문이다.5 shows the mechanical quality factor (Q m ) of the specimen according to the Zn substitution amount change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. Referring to FIG. 5, Q m gradually increased as the amount of Zn substitution increased, reaching a maximum value of 106 when the amount of Zn substitution was 1.5%. This result is because the B-site substitution of Zn ions acts as an acceptor and thus has "harder" characteristics.

도 6은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량 변화에 따른 시편의 압전 상수(d33)를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 측정된 d33는 kp와 밀도의 변화와 일치하는 경향을 나타내었는데, 압전상수는 전기기계 결합계수와 마찬가지로 Zn이 0.5mol%에서 265pC/N의 최대값을 나타냈다. Figure 6 shows the piezoelectric constant (d 33 ) of the specimen according to the Zn substitution amount change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. Referring to FIG. 6, the measured d 33 showed a tendency to coincide with the change in k p and the density. The piezoelectric constant showed a maximum value of 265 pC / N at 0.5 mol% as in the electromechanical coupling coefficient.

도 7은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량 변화에 따른 시편의 유전상수(εr)를 나타낸다. Zn이 0.5 mol%로 증가하였을 때 유전상수는 증가하면서 1223의 값에 도달하였으며, 이러한 유전상수의 피크값은 Kp, 밀도, d33와 비슷한 경향을 보였는데, 이는 Tc가 약간 감소함에 따른 영향으로 보인다.7 shows the dielectric constant ε r of the specimen according to the Zn substitution amount of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. As Zn increased to 0.5 mol%, the dielectric constant increased and reached a value of 1223. The peak value of these dielectric constants was similar to K p , density, and d 33 , which was influenced by a slight decrease in Tc. Seems.

도 8의 (a)~(b)는 1,110℃의 소성온도에서 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량 변화에 따른 시편의 유전상수의 온도의존성을 나타낸다. 유전상수 온도의존성은 -20∼430℃의 온도범위로 10kHz 주파수에서 측정되었다. Zn이 0.5 mol%일 때 1차 상전이온도(사방정-정방정; To-t)는 50℃를 나타냈고 큐리온도(Tc)는 370℃를 나타내었다. Zn 치환량이 증가함에 따라 To -t는 약간 증가하였고 Tc는 약간 감소하였으며, 이는 Zn 치환이 증가함과 함께 Tmax(즉, 최대유전상수일 때 온도)에서 유전피크의 주파수의존도가 완화작용에 의해 약화하였기 때문이다. 8 (a) to (b) show the temperature dependence of the dielectric constant of the specimen according to the Zn substitution amount change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention at a firing temperature of 1,110 ℃. The dielectric constant temperature dependence was measured at a frequency of 10 kHz over a temperature range of -20 to 430 ° C. The primary phase transition temperature when the Zn is 0.5 mol% (orthorhombic-tetragonal; ot T) is showed a 50 ℃ exhibited is 370 ℃ Curie temperature (T c). As the Zn substitution increased, T o -t increased slightly. T c decreased slightly because the frequency dependence of the dielectric peak at T max (ie, the temperature at the maximum dielectric constant) was attenuated by the increasing Zn substitution.

도 9는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량 변화에 따른 시편의 P-E 히스테리시스 곡선을 나타낸다. 11.1kV/cm로 항전계는 고정된 상태에서 순수 LNKNT 세라믹스의 잔류분극은 8.2μC/㎠의 값을 나타내었고, 이후 Zn의 치환량이 증가함에 따라 잔류분극은 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 억셉터 도핑의 전형적인 특징을 보여주었다. 잔류분극의 감소는 Zn2 +(0.74Å) 이온이 Ta5+(0.68Å)와 Nb5 +(0.69Å)의 이온사이트에 치환되면서 억셉터 도핑에 의한 "하드닝(hardening)" 효과 때문이다. 9 shows the PE hysteresis curve of the specimen according to the Zn substitution amount of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. Residual polarization of pure LNKNT ceramics showed a value of 8.2 μC / cm2 with the constant electric field fixed at 11.1 kV / cm, and then the residual polarization decreased with increasing Zn substitution. These results showed typical features of acceptor doping. The reduction in residual polarization is due to the "hardening" effect of acceptor doping as Zn 2 + (0.74 kW) ions are substituted for Ta 5+ (0.68 kW) and Nb 5 + (0.69 kW) ion sites. .

하기 표 2는 1110℃에서 소결된 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Zn 치환량(즉, 상기 식 1의 "y") 변화에 따른 제반 전기적 특성값을 나타낸다.Table 2 below shows various electrical property values according to Zn substitution amount (ie, “y” in Formula 1) of the lead-free piezoelectric ceramic composition sintered at 1110 ° C. according to the present invention.

Figure pat00006
Figure pat00006

NaNa /K 비 변화에 따른 시편의 소결특성 및 구조적 특성Sintering and Structural Characteristics of Specimen with Different K / K Ratios

또한, 본 실시예들에서는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 상기 식 1에서 Na의 양(즉, "x")을 변화시켜가며 그에 따른 소결특성과 구조적 특성 및 전기적 특성을 관찰하였다.In addition, in the present embodiments, the amount of Na (ie, “x”) in the above formula 1 of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention was changed, and thus the sintering characteristics, structural characteristics, and electrical characteristics were observed.

먼저, 도 10은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na의 양(즉, 상기 식 1의 "x") 변화에 따른 시편의 X선 회절분석 패턴을 나타낸다. 모든 시편에서 페롭스카이트 구조를 나타내었으며 2차상은 발견되지 않았다. 시편의 회절각(2θ) 45° 회절 부근에서 (202)와 (020) 피크가 분리된 사방정 상을 나타냈고, 이는 Na의 양이 증가할수록 새로운 LNKN 결정 격자 내에 Na가 완전히 고용되면서 이온반경이 작은 Na+(0.93Å)가 이온 반경이 큰 K+(1.33Å)보다 많은 양으로 치환되며 격자의 뒤틀림이 커졌기 때문에 결정구조에 영향을 미친 것이라 이해된다. First, FIG. 10 shows an X-ray diffraction pattern of a specimen according to a change in the amount of Na (ie, "x" in Formula 1) of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. All specimens showed a perovskite structure and no secondary phase was found. In the vicinity of the diffraction angle (2θ) 45 ° diffraction of the specimen, the (202) and (020) peaks were separated, indicating that the ion radius was reduced as the amount of Na was fully dissolved in the new LNKN crystal lattice. It is understood that the small Na + (0.93 kV) is substituted by a larger amount than the K + (1.33 kPa) with a larger ionic radius, and the lattice distortion is increased, thus affecting the crystal structure.

하기 표 3은 사방정 상 구조를 나타내는 모든 시편의 격자상수를 나타낸 것으로, Na의 양(x)이 증가함에 따라 a값은 점차 감소하고 그에 따른 β값은 증가하는 경향이 관찰되었다. Table 3 below shows the lattice constants of all specimens exhibiting a tetragonal phase structure. As the amount (x) of Na increases, the value of a gradually decreases and the value of β increases.

Figure pat00007
Figure pat00007

도 11의 (a)~(d)는 1,110℃의 소성온도에서 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량(x) 변화에 따른 시편의 미세구조를 나타낸다. 도 11의 (a)~(d)를 참조하면, Na의 양이 0.55일 때의 그레인의 형태는 전형적인 바이모달 그레인 사이즈의 입경구조를 나타내고 그레인 크기는 5.9㎛의 입경크기를 나타내었으며, Na의 양이 0.56으로 증가하였을 때는 7.3㎛의 입경크기로서 Na의 증가와 함께 그레인 크기가 증가한 모습이 관찰되었다. 이는 Na량의 증가가 소결과정 중 휘발하는 Na를 보상하고 최적의 소결온도를 조성하였기 때문에 그레인 크기가 증가하며 미세구조의 치밀화를 이룬 것이라 이해된다. 이후, Na량이 0.57부터는 Na의 과잉보상에 따른 소결성의 저하로 인하여 5.0㎛의 그레인 사이즈를 보이며 감소하기 시작하여 Na가 0.58일때는 4.4㎛의 최소 입경크기를 나타내었다. 11 (a) to (d) show the microstructure of the specimen according to the Na amount (x) change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention at a firing temperature of 1,110 ℃. Referring to (a) to (d) of FIG. 11, the grain shape when the amount of Na is 0.55 represents a grain structure of a typical bimodal grain size, and the grain size represents a grain size of 5.9 μm. When the amount increased to 0.56, grain size of 7.3 ㎛ was observed, and grain size increased with increasing Na. It is understood that the grain size increases and densifies the microstructure because the increase in the Na content compensates for the volatilized Na during the sintering process and the optimum sintering temperature is achieved. Afterwards, the Na content began to decrease from 0.57 due to the deterioration of sinterability due to excessive compensation of Na and decreased to a grain size of 5.0 μm. When Na was 0.58, the minimum particle size was 4.4 μm.

도 12는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량(x) 변화에 따른 시편의 밀도를 나타낸다. 도 12를 참조하면, Na량이 증가함에 따라 4.521~4.511 g/cm3 의 범위로 점차 감소하였는데, 이는 Na의 원자량이 K의 원자량보다 작아 가벼운 원소의 비율이 높아지면서 고용한계에 따른 입성장의 저하가 발생하였기 때문으로 이해된다.12 shows the density of the specimen according to the Na amount (x) change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. Referring to FIG. 12, the Na content was gradually decreased in the range of 4.521 to 4.511 g / cm 3 , which means that the atomic weight of Na is smaller than the atomic weight of K, so that the proportion of light elements is increased and the grain growth decreases due to the solid solution limit. It is understood that this has occurred.

NaNa /K 비 변화에 따른 시편의 전기적 특성Electrical Characteristics of Specimens with Different K / K Ratios

도 13은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량(x) 변화에 따른 시편의 전기기계결합계수(kp)를 나타낸 것이다. 1,110℃의 소성온도에서 Na량이 0.55일 때 전기기계결합계수(kp)는 0.4348의 값을 나타내고, Na량이 0.56일 때 4.4366으로 약간 증가했다가 이후로는 서서히 감소하는 모습을 보였다. 이러한 결과는 분극온도가 120℃이었기 때문에, 이 온도에서 사방정상과 정방정상이 혼재된 부분이 Na량이 0.56인 부근이므로 분극효율이 증가하여 전기기기계 결합계수가 높게 측정된 것으로 이해된다. 이후에 Na량이 0.57 이상 첨가된 시편에서는 kp가 감소하는 경향을 나타내었고, 이는 과잉의 Na가 확산되면서 소결온도가 최적의 소결온도를 초과하였기 때문이다.Figure 13 shows the electromechanical coefficient (k p ) of the specimen according to the change in the amount of Na (x) of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. At the firing temperature of 1,110 ° C, the electromechanical coefficient (k p ) was 0.4348 when Na was 0.55, and slightly increased to 4.4366 when Na was 0.56, and then gradually decreased. These results indicate that since the polarization temperature was 120 ° C., since the mixed portion of the tetragonal and tetragonal phases at this temperature was in the vicinity of 0.56 Na, the polarization efficiency increased and the electromechanical coupling coefficient was measured to be high. Later, when the Na content of 0.57 or more was added, the k p tended to decrease, because the excess sintered Na caused the sintering temperature to exceed the optimum sintering temperature.

도 14는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량(x) 변화에 따른 시편의 압전 상수(d33)를 나타낸다. 측정된 d33는 kp와 밀도의 변화와 일치하는 경향을 나타내었고, 압전상수는 전기기계결합계수와 마찬가지로 Na량이 0.56에서 261pC/N의 값을 나타냈다. 이러한 압전 특성은 PPT(polymorphic phase transition)부근에서 분극이 이루어졌으며 이는 소성 중에 휘발하는 Na가 보상된 결과 시편의 밀도와 kp가 증가하여 시편의 d33 또한 연계적으로 높게 측정되었고, 이후 감소한 것은 Na의 치환량이 적절한 치환량에서 벗어났기 때문에 치환량 부재에 의해 압전특성감소로 이어진 것으로 이해된다. 14 shows the piezoelectric constant (d 33 ) of the specimen according to the Na amount (x) change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. The measured d 33 showed a tendency to coincide with the change of k p and the density, and the piezoelectric constant showed the value of Na in the range of 0.56 to 261pC / N, similar to the electromechanical coupling coefficient. The piezoelectric properties are PPT (polymorphic phase transition) near the polarization is performed, which was the increase in the Na density and k p of the compensation result in the specimen to volatilize during firing of the specimen d 33 It was also measured in conjunction with the high, and it is understood that the decrease thereafter led to the reduction of the piezoelectric properties due to the absence of substitution because the substitution of Na was out of the appropriate substitution.

도 15는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량(x) 변화에 따른 시편의 기계적 품질계수(Qm)를 나타낸다. 1,110℃의 소성온도에서 Na량이 0.55일 때 Qm은 108.1로서 최대값을 나타내었고, Na량이 0.56일 때는 104.9였다. 이후 Na량의 변화량이 증가하면서 Qm값은 계속 감소하다가 거의 일정해지는 것이 관찰되었다.15 shows the mechanical quality factor (Q m ) of the specimen according to the Na amount (x) change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. At a firing temperature of 1,110 ° C, Q m was 108.1 when the Na content was 0.55 and 104.9 when the Na content was 0.56. After that, as the amount of change in the amount of Na increased, the Q m value continued to decrease and became nearly constant.

도 16은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량(x) 변화에 따른 시편의 유전상수(εr)를 나타낸다. Na량이 0.55일 때 725로 측정되었고 Na량이 0.56 증가했을 때 735로서 최대값을 나타내었고, 이후 계속 감소하는 모습을 보였다. 이 또한 Na가 K보다 더 많은 양이 치환되면서 원자량이 작은 Na(22.99g)가 K(39.10g)보다 많은 양으로 치환이 이루어져 밀도가 감소하여 유전상수도 감소한 것으로 이해된다.FIG. 16 shows the dielectric constant ε r of the specimen according to the Na amount (x) change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. When the Na content was 0.55, it was measured as 725. When the Na content was increased by 0.56, the maximum value was reached as 735, and then it continued to decrease. In addition, it is understood that Na is replaced with a larger amount than K (22.99 g), and Na is replaced with a larger amount than K (39.10 g), thereby decreasing the density and decreasing the dielectric constant.

도 17은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량(x) 변화에 따른 시편의 압전전압상수(g33)를 나타낸다. 1,110℃의 소성온도에서 Na량이 0.56일 때 g33는 35.51 [10-3mV/N]의 값을 나타내었고, 이후로 계속 증가하여 Na량이 0.58일때는 37.35 [10-3mV/N]까지 도달하였다. 이는 유전상수의 하강에 따라 압전전압계수는 상대적으로 증가하는 g33 = d3333 T의 식과 일치한다.17 shows the piezoelectric voltage constant (g 33 ) of the specimen according to the change in the amount of Na (x) of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. At a firing temperature of 1,110 ° C, g 33 at 35.51 [10 -3 mV / N] was found to increase to 35.51 [10 -3 mV / N], and subsequently increased to 37.35 [10 -3 mV / N] at Na8 at 0.58. It was. This may piezoelectric voltmeter in accordance with the lowering of the dielectric constant is 33 g, which increased to relative = d 33 / ε 33 T corresponds to the equation.

도 18의 (a)~(b)는 1,110℃의 소성온도에서 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량(x) 변화에 따른 시편의 유전상수의 온도의존성을 나타낸다. 도 18을 참조하면, Na변화에 따른 1차 상전이온도(사방정계-정방정계; To-t)는 모두 120℃부근으로 Na 변화량에 의한 큰 변화는 없었으며, 큐리온도(Tc)는 Na량이 0.55, 0.56, 0.57, 0.58일 때 각각 428℃, 428℃, 440℃, 428℃였다. 또한, Na가 증가할수록 유전상수는 감소하는 경향을 보이며, 이는 원자량이 상대적으로 작은 Na가 K보다 더 많이 치환되면서 K의 치환량 부재에 의한 압전특성 감소에 영향을 받아 유전상수도 감소한 것으로 사료된다. 18 (a) to (b) show the temperature dependence of the dielectric constant of the specimen according to the Na amount (x) change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention at a firing temperature of 1,110 ℃. Referring to FIG. 18, the primary phase transition temperature (orthogonal-square system; T ot ) according to Na change was all around 120 ° C., and there was no significant change due to the Na change amount, and the Curie temperature (T c ) was 0.55 Na. , 0.56, 0.57 and 0.58 were 428 ° C, 428 ° C, 440 ° C and 428 ° C, respectively. In addition, as Na increases, dielectric constant tends to decrease. It is thought that the dielectric constant also decreases due to the reduction of piezoelectric properties due to the absence of K substitution, as Na having relatively small atomic weight is substituted more than K.

도 19의 (a)~(b)는 Na량이 0.56일 때 -20℃에서 80℃까지의 온도에서 측정한 kp 온도 의존도와

Figure pat00008
Figure pat00009
의 변화를 나타낸 것이다. 도 19를 참조하면, 온도가 증가함에 따라 kp는 서서히 증가하는 것을 관찰할 수 있다.
Figure pat00010
는 40℃일 때 0.03의 값으로 최대값을 보였으며,
Figure pat00011
는 -20℃에서 0.020의 값으로 최대값을 보이며 우수한 온도 안정성을 보였다. 19 (a) to 19 (b) show the k p temperature dependence measured at a temperature from -20 ° C. to 80 ° C. when Na amount is 0.56.
Figure pat00008
And
Figure pat00009
The change is shown. Referring to FIG. 19, it can be observed that k p gradually increases as the temperature increases.
Figure pat00010
Was the maximum value of 0.03 at 40 ℃.
Figure pat00011
Showed a maximum value of 0.020 at -20 ° C and showed excellent temperature stability.

도 20은 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량(x) 변화에 따른 d33·g33 값을 나타낸 것이고, 하기 표 4는 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물의 Na량(x) 변화에 따른 제반 물성값을 나타내며, 하기 표 5는 상업적으로 구입가능한 종래 PZT-5A와 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물(x=0.56일 때)의 물리적 특성을 비교하여 나타낸 것이다. 20 shows d 33 · g 33 values according to the Na amount (x) change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention, and Table 4 below shows the Na amount (x) change of the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention. The physical properties according to the present invention are shown in Table 5 below. The physical properties of the commercially available PZT-5A and the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention (when x = 0.56) are shown.

Figure pat00012
Figure pat00012

Figure pat00013
Figure pat00013

특히 표 5를 참조하면, 종래 PZT-5A의 d33·g33은 8.228 pm2/N인 반면에, 본 발명에 의한 무연 압전 세라믹스 조성물은 Na량(x)이 0.56일 때 d33·g33은 9.268 pm2/N으로서 종래 PZT-5A보다 월등히 높은 값을 보인다. 이는 아주 우수한 값으로 본 연구의 목적인 에너지 하베스팅(energy harvesting), 센서 및 액츄에이터등 각종 전자 디바이스에 유망하다. In particular, referring to Table 5, while the d 33 · g 33 of the conventional PZT-5A is 8.228 pm 2 / N, the lead-free piezoelectric ceramic composition according to the present invention is d 33 · g 33 when the Na (x) is 0.56 Is 9.268 pm 2 / N, which is much higher than the conventional PZT-5A. This is a very good value and is promising for various electronic devices such as energy harvesting, sensors and actuators.

이상, 상술된 본 발명의 구현예 및 실시예에 있어서, 조성분말의 평균입도, 분포 및 비표면적과 같은 분말특성과, 원료의 순도, 불순물 첨가량 및 소결 조건에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연하다.In the above-described embodiments and examples of the present invention, the powder characteristics such as the average particle size, distribution and specific surface area of the composition powder, and the purity of the raw material, the amount of the impurity added, and the sintering conditions vary somewhat within a typical error range It is quite natural for a person of ordinary skill in the field to have such a possibility.

아울러 본 발명의 바람직한 구현예 및 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. , Changes, additions, and the like are to be regarded as falling within the scope of the claims.

Claims (2)

하기 식 1로 표현된 조성을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 압전 세라믹스 조성물;
Li0 .04(NaxK1 -x)0.96(Nb0 .9Ta0 .10)1-2y/5ZnyO3 (식 1)
이때, x는 0<x<1이고 y는 0<y<0.02이다.
A lead-free piezoelectric ceramic composition comprising a composition represented by the following formula 1;
Li 0 .04 (Na x K 1 -x) 0.96 (Nb 0 .9 Ta 0 .10) 1-2y / 5 Zn y O 3 (Equation 1)
At this time, x is 0 <x <1 and y is 0 <y <0.02.
제1항에 의한 조성을 포함하는 시료를 칭량하여 혼합, 분쇄한 후 건조하여 하소하는 단계와;
상기 하소된 시료를 성형하고 이를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연 압전 세라믹스 조성물의 제조방법.
Weighing, mixing, grinding and drying the sample comprising the composition according to claim 1, followed by drying and calcining;
Forming the calcined sample and sintering the method for producing a lead-free piezoelectric ceramic composition characterized in that it comprises.
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