KR20130090696A - 피지엔-피지티계 압전 세라믹 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

피지엔-피지티계 압전 세라믹 조성물 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20130090696A
KR20130090696A KR1020120012020A KR20120012020A KR20130090696A KR 20130090696 A KR20130090696 A KR 20130090696A KR 1020120012020 A KR1020120012020 A KR 1020120012020A KR 20120012020 A KR20120012020 A KR 20120012020A KR 20130090696 A KR20130090696 A KR 20130090696A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
piezoelectric ceramic
bimno
lamno
compound
ceramic composition
Prior art date
Application number
KR1020120012020A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101299677B1 (ko
Inventor
김경원
정현진
정광현
김관수
김수찬
Original Assignee
경원산업 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경원산업 주식회사 filed Critical 경원산업 주식회사
Priority to KR1020120012020A priority Critical patent/KR101299677B1/ko
Publication of KR20130090696A publication Critical patent/KR20130090696A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101299677B1 publication Critical patent/KR101299677B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
    • C04B35/49—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates
    • C04B35/491—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates containing also titanium oxides or titanates based on lead zirconates and lead titanates, e.g. PZT
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/495—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on vanadium, niobium, tantalum, molybdenum or tungsten oxides or solid solutions thereof with other oxides, e.g. vanadates, niobates, tantalates, molybdates or tungstates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C04B2235/3227—Lanthanum oxide or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3244—Zirconium oxides, zirconates, hafnium oxides, hafnates, or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
    • C04B2235/3251—Niobium oxides, niobates, tantalum oxides, tantalates, or oxide-forming salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3298—Bismuth oxides, bismuthates or oxide forming salts thereof, e.g. zinc bismuthate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/45—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on copper oxide or solid solutions thereof with other oxides
    • C04B35/4521—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on copper oxide or solid solutions thereof with other oxides containing bismuth oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes

Abstract

본 발명은 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 (PZN-PZT)계 압전 세라믹 조성물를 제조함에 있어서, 첨가제로 BiMnO3와 LaMnO3를 단독 또는 함께 0.5 내지 1.5 wt%와 다른 첨가제를 0.1 내지 0.5w t%범위로 첨가함으로써, 유전율 (K33), 전기기계 결합계수 (kp) 및 압전정수(d33)를 크게 저하시키지 않으면서, 기계적 품질계수 (Qm)를 대폭적으로 개선시키는 우수한 특성을 갖는 압전 세라믹 조성물의 제조에 관한 것이다.

Description

피지엔-피지티계 압전 세라믹 조성물 및 그 제조방법{PZN-PZT Piezoelectric Ceramic and Method for manufactruing the Same}
본 발명은 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 (PZN-PZT)계 압전 세라믹 조성물를 제조함에 있어서, 첨가제로 BiMnO3와 LaMnO3를 단독 또는 함께 0.5 내지 1.5 wt%와 다른 첨가제를 0.1 내지 0.5 wt%범위로 첨가함으로써, 유전율 (K33), 전기기계 결합계수 (kp) 및 압전정수(d33)를 크게 저하시키지 않으면서, 기계적 품질계수 (Qm)를 대폭적으로 개선시키는 우수한 특성을 갖는 압전 세라믹 조성물의 제조에 관한 것이다.
압전 세라믹 재료는 압전 변압기, 초음파 모터 및 수중 음파탐지기 (SONAR) 등에 응용하고자, 고출력이 가능한 압전 액추에이터 (piezoelectric actuator)에 집중적으로 연구되어 왔으며, 이러한 고출력 액추에이터 응용의 기본은 액추에이터용 세라믹 재료의 개발에 있다.
액추에이터용 소재로서 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)계 압전 세라믹 조성물은 이미 여러 분야에 적용이 이루어져 제품화되고 있으며, PZT를 기본 조성으로 Pb(Mg,Nb)O3, Pb(Zn,Nb)O3등의 복합페로브스카이트 화합물을 고용하여 다양한 조성의 변화를 통해 액추에이터용 소재의 개발이 진행되어 왔다. [전기전자 세라믹스, 박창엽, 2002,(주)피어슨 에듀케이션 코리아] 그러나 고출력 액추에이터를 제조하기 위해서는 우수한 특성의 전기기계 결합계수 및 압전정수와 함께 높은 기계적 품질계수를 요구한다. 기계적 품질계수는 내부 마찰효과에 대한 진동에너지의 손실을 나타내는 인자로서 기계적 품질계수가 낮으면 에너지 손실에 따른 온도 상승으로 인하여 압전 특성을 저하되므로, MnO2 등의 전이금속 산화물을 첨가제로 소량 첨가하여 기계적 품질계수를 증진시키는 연구가 진행되고 있다.
한편, PZN-PZT계 압전 세라믹 조성물는 우수한 압전 특성을 가지며, 특히 특별한 소결조제가 없이도 은 (Ag) 전극과 함께 동시소성이 가능하여 소형 적층 엑추에이터로 응용이 기대되는 압전 재료이다. 대한민국 특허 제10-0794290호에 의하면 xPZN-(1-x)PZT계의 조성에서 x를 0.1내지 0.6 mol 범위에서, 그리고 MnO2를 0.1내지 0.6 wt% 범위를 첨가하여 기계적 품질계수를 개선시킨 압전 세라믹 조성물를 개시하고 있으나, PZN 함량이 적은 영역 (x=0.2 mol)에서는 소량의 MnO2를 첨가하여도 소결성이 크게 저하되며, 이에 따라 전기기계 결합계수 및 압전정수도 급격히 감소하는 특성을 나타내어 제품 응용이 어려운 실정이다.
따라서 적층 엑추에이터 등의 다양한 적용 분야를 고려할 때, 은전극과의 동시소성이 가능하고 전기기계 결합계수 (Kp), 압전상수 (d33)를 크게 저하시키지 않으면서 기계적 품질계수가 높은 새로운 압전 세라믹 조성물의 개발이 절실히 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 종래의 PZN-PZT계 압전 세라믹의 유전율, 전기기계 결합계수 및 압전정수 등의 압전 특성이 높은 수준을 유지하면서 기계적 품질계수가 높은 압전 세라믹을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 종래의 PZN-PZT계 압전 세라믹 조성물에서 특성 증진을 위한 첨가제를 간단히 추가함으로써 유전율, 전기기계 결합계수등의 압전 특성이 높을 뿐만 아니라, 기계적 품질계수 특성이 우수하여 신뢰성이 높으며, 은전극과 동시소성이 가능한 압전 세라믹 조성물를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은
화학식 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 + x BiMnO3 + y LaMnO3 + z CuO로 표시되고,
x + y가 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 1.5 wt%이고, z가 0.1 내지 0.5 wt%인 범위로 첨가된 것을 특징으로 하다.
상기 CuO에 갈음하여 Co2O3, Cr2O3, Fe2O3, 및 WO3 중 적어도 어느 하나가 첨가될 수 있다.
상기 BiMnO3 와 LaMnO3 단독 또는 동시에 첨가될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물 제조방법은 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 압전 세라믹 조성물 제조방법에 있어서,
PbO, ZrO2, TiO2, ZnO, 및 Nb2O5 를 0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 이 되도록 계량하여 지르코니아 볼밀을 이용하여 혼합 분쇄하여 800℃ 내지 850℃에서 하소하여 합성하는 단계; 하소된 0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 화합물을 볼밀로 재분쇄하는 단계; Bi2O3, La2O3 및 산화망간 (MnO2, Mn2O3 또는 Mn3O4)을 각각 BiMnO3과 LaMnO3이 되도록 계량하여 지르코니아 볼밀을 이용하여 혼합 분쇄하고 700℃와 1000℃에서 소정시간 동안 하소하여 합성하는 단계;하소된 BiMnO3, LaMnO3 ,화합물을 볼밀로 재분쇄하는 단계; 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 화합물에 BiMnO3, LaMnO3 및 CuO 중 하나 이상을 첨가하여 지르코니아 볼밀로 혼합 분쇄하는 단계; 고압으로 성형한 후 은전극과 동시에 소성이 가능한 880℃ 내지 920℃의 온도로 소결하는 단계로 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 하소된 화합물은 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 + x BiMnO3 + y LaMnO3 + z CuO 로 표시되고,
x + y가 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 1.5 wt%이고, z가 0.1 내지 0.5 wt%인 것이 바람직하다.
상기 CuO에 갈음하여 Co2O3, Cr2O3, Fe2O3, 및 WO3 중 적어도 어느 하나가 첨가될 수 있다.
상기 BiMnO3 와 LaMnO3는 단독 또는 동시에 첨가될 수 있다.
상기 고압은 약 100MPa인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물는 고출력 액추에이터로 응용시 중요한 특성인자인 전기기계 결합계수와 압전정수뿐만 아니라 기계적 품질계수가 높고 은전극과 동시소성이 가능하므로, 이를 적층액추에이터에 응용할 경우 압전 특성이 우수하여 출력효율의 향상은 물론 부품의 소형화와 신뢰성을 크게 높일 수 있다.
도 1은 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 + 0.42 wt% BiMnO3 + 0.33wt% LaMnO3계 압전 세라믹 조성물에서 CuO첨가량에 따른 기계적 품질계수 (Qm) 값의 변화를 나타내는 그래프.
도 2는 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 + 0.42wt% BiMnO3 + 0.33wt% LaMnO3계 압전 세라믹 조성물에서 CuO첨가량에 따른 전기기계 결합계수 (Kp) 값의 변화를 나타내는 그래프.
도 3은 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 + 0.42wt% BiMnO3 + 0.33wt% LaMnO3계 압전 세라믹 조성물에서 CuO첨가량에 따른 압전정수 (d33) 값의 변화를 나타내는 그래프.
본 발명은 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 (PZN-PZT)계 압전 세라믹 조성물를 제조함에 있어서, 첨가제로 BiMnO3와 LaMnO3를 단독 또는 함께 0.5 내지 1.5 wt%와 다른 첨가제를 0.1 내지 0.5 wt%범위로 첨가함으로써 유전율 (K33), 전기기계 결합계수 (kp) 및 압전정수 (d33)를 크게 저하시키지 않으면서 기계적 품질계수 (Qm)를 대폭적으로 개선시키는 우수한 특성을 갖는 압전 세라믹 조성물의 제조에 관한 것이다.
본 발명에 의한 압전 세라믹 조성물의 조성비를 구체적으로 나타내면 다음과 같다. 화학식 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 + x BiMnO3 + y LaMnO3 + z 첨가물 로 표시되는 식 중, x + y가 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 1.5 wt%이고, z는 0.1 내지 0.5 wt%이다. 상기 첨가물은 CuO, Co2O3, Cr2O3, Fe2O3, WO3 등과 같은 산화물이 사용될 수 있다.
본 발명의 압전 세라믹 조성물은 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 조성물에 합성한 BiMnO3, LaMnO3, 그리고 CuO 등의 특성개선 첨가제를 함께 첨가하여 제조되며, 이와 같은 본 발명의 조성물은 다음과 같은 일반적인 산화물 혼합 방법에 의해 용이하게 제조할 수 있다.
먼저, PbO, ZrO2, TiO2, ZnO 및 Nb2O5를 0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3이 되도록 계량하여 지르코니아 볼밀을 이용하여 혼합 분쇄하여 800℃ 내지 850℃에서 하소하여 합성한다. 이때 사용되는 원료는 가열에 의해 용이하게 산화물로 전환이 가능한 화합물, 즉 수산화물 및 탄산염 등이 원료 화합물로서 사용될 수 있다. 더욱이 Bi2O3, La2O3 및 산화망간 (MnO2, Mn2O3 또는 Mn3O4)을 각각 BiMnO3과 LaMnO3이 되도록 계량하여 지르코니아 볼밀을 이용하여 혼합 분쇄하고 700℃와 1000℃에서 하소하여 합성한다. 다시 0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 화합물에 BiMnO3, LaMnO3 및 CuO 등의 특성개선 첨가제를 함께 첨가하여 표 1과 같이 적정 비율로 계량한 후, 지르코니아 볼밀로 혼합분쇄한다. 상기 혼합된 화합물에 PVA 등의 결합제를 첨가하고 100 MPa의 압력으로 성형한 후 은전극과 동시소성이 가능한 880℃ 내지 920℃의 온도로 소결한다. 소결시 산화물의 조성 성분 중 하나인 PbO는 휘발 온도가 약 880℃로 낮기 때문에, PbO 휘발에 따른 조성물의 정확한 화학적 등량을 이루지 못할 경우 압전 특성의 저하를 초래하기 때문에, PbZrO3 분위기 분체를 PbO의 휘발을 억제하기 위하여 밀폐 용기 내에서 이용하였다.
제조된 소결체는 양면에 전극을 형성시키고 600℃에서 열처리한 후 120℃의 실리콘유 내에서 3.5 KV/mm의 직류 전계를 이용하여 분극한 후, 여러 가지 압전특성을 평가하였다. 이와 같은 제조 공정을 통하여 전기기계 결합계수 및 압전정수 등의 압전 특성이 높은 수준에서 유지되면서도 기계적 품질계수가 높은 우수한 PZN-PZT계 압전 세라믹 조성물를 용이하게 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의해 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 범위가 이들 실시예에만 국한되는 것은 아니다.
<실시예>
먼저, PbO, ZrO2, TiO2, ZnO 및 Nb2O5를 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3이 되도록 계량하여 지르코니아 볼밀을 이용하여 혼합 분쇄하여 800℃ 내지 850℃에서 하소하여 합성한다. 하소된 0.2Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 화합물을 볼밀로 재분쇄하고, Bi2O3, La2O3 및 산화망간 (MnO2, Mn2O3 또는 Mn3O4)을 각각 BiMnO3과 LaMnO3 이 되도록 계량하여 지르코니아 볼밀을 이용하여 혼합분쇄하고 700℃와 1000℃에서 하소하여 합성한다. 다시 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 화합물에 BiMnO3, LaMnO3 및 CuO 등의 특성개선 첨가제를 함께 첨가하여 표 1과 같이 적정 비율로 계량하여 지르코니아 볼밀로 혼합분쇄한다. 상기 혼합된 화합물에 PVA 등의 결합제를 첨가하고 100 MPa의 압력으로 성형한 후 은전극과 동시소성이 가능한 880℃ 내지 920℃의 온도로 소결한다. 소결시 PbO의 휘발을 억제하기 위하여 밀폐 용기 내에서 PbZrO3 분위기 분체를 이용한다.
상기와 같이 제조된 소결체의 성능 테스트를 위해 직경 15 mm, 두께 1 mm의 원판상으로 가공한 후, 양면에 전극을 형성시키고 600에서 열처리한 후 120의 실리콘유내에서 3.5 KV/mm의 직류 전계를 이용하여 분극하였다.
분극이 완료된 시편에 대한 전기기계 결합계수 (Kp) 등의 특성을 문헌 (IRE, STD (Proc. of the IRE 1961, pp. 1161-1169))에 따라 측정하였으며, 그 결과를 표 1과 도 1, 도 2, 그리고 도 3과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
아래 표 1은 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물의 소결 및 압전 특성을 나타낸 것이다.
Figure pat00001
상기 표 1의 참조하면, PZN-PZT계 압전 세라믹 조성물에서 BiMnO3와 LaMnO3의 첨가량이 증가함에 따라 유전율 (K33), 전기기계 결합계수 (Kp)와 압전상수 (d33)가 서서히 감소하고 있으나, 기계적 품질계수 (Qm)가 크게 향상되는 특성을 확인할 수 있다. 이는 BiMnO3와 LaMnO3가 PZN-PZT와 같은 페로브스카이트 구조를 가지므로 서로 고용이 이루어지므로 MnO2를 단독으로 첨가하는 경우보다 매우 효율적으로 압전 특성을 변화시킬 수 있음을 알 수 있다.
여기에서, 유전율 (K33), 전기기계 결합계수 (Kp)와 압전상수 (d33)가 감소하는 원인을 살펴보면, BiMnO3와 LaMnO3의 첨가가 MnO2와 마찬가지로 밀도특성에서 보듯이 소결성을 저하시킴에 기인한 것임을 알 수 있다.
따라서, CuO 등의 또 다른 특성개선 첨가제가 필요함을 알 수 있으며, 표 1과 도 1, 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 이들을 소량 첨가할 경우, 소결성 증진과 함께 모든 압전 특성이 향상됨을 볼 수 있다. 그러나 도 1, 도 2 그리고 도 3에 나타난 것과 같이 이들의 첨가량이 과다하면 오히려 압전 특성이 감소하는 경향을 나타내므로, 적정량의 첨가가 요구됨을 알 수 있다. 특히, 기본 첨가물인 BiMnO3와 LaMnO3은 단독으로 첨가하여도 개선효과가 있지만 서로 상호 보완하여 첨가할 경우 더욱 우수한 압전 특성이 발현됨을 알 수 있다.
대한민국 특허 제10-0794290호와 비교하면 xPZN-(1-x)PZT계 조성의 PZN 함량이 적은 영역 (x=0.2 mol)에서는 소량의 MnO2를 첨가하여도 소결성이 크게 저하되며, 이로 인해 전기기계 결합계수와 압전정수가 각각 50 %와 300 pCN정도로 급격히 떨어져 제품에 응용이 어려운 실정이다.
따라서 본 발명을 통하여 전기기계 결합계수와 압전정수가 각각 58 %와 400 pCN 정도, 그리고 기계적 품질계수가 700정도로 압전 특성이 우수한 압전 세라믹 조성물를 제공하는 것이 목적이다.

Claims (8)

  1. 화학식 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 + x BiMnO3 + y LaMnO3 + z CuO로 표시되고,
    x + y가 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 1.5 wt%이고, z가 0.1 내지 0.5 wt%인 범위로 첨가된 것을 특징으로 하는 PZN-PZT계 압전 세라믹 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 CuO에 갈음하여 Co2O3, Cr2O3, Fe2O3, 및 WO3 중 적어도 어느 하나가 첨가되는 것을 특징으로 하는 PZN-PZT계 압전 세라믹 조성물.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 BiMnO3 와 LaMnO3 단독 또는 동시에 첨가되는 것을 특징으로 하는 PZN-PZT계 압전 세라믹 조성물.
  4. 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 압전 세라믹 조성물 제조방법에 있어서,
    PbO, ZrO2, TiO2, ZnO, 및 Nb2O5 를 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 이 되도록 계량하여 지르코니아 볼밀을 이용하여 혼합 분쇄하여 800℃ 내지 850℃에서 하소하여 합성하는 단계;
    하소된 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 화합물을 볼밀로 재분쇄하는 단계;
    Bi2O3, La2O3 및 산화망간 (MnO2, Mn2O3 또는 Mn3O4)을 각각 BiMnO3과 LaMnO3이 되도록 계량하여 지르코니아 볼밀을 이용하여 혼합 분쇄하고 700℃와 1000℃에서 소정시간 동안 하소하여 합성하는 단계;
    하소된 BiMnO3, LaMnO3 ,화합물을 볼밀로 재분쇄하는 단계;
    0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 화합물에 BiMnO3, LaMnO3 및 CuO 중 하나 이상을 첨가하여 지르코니아 볼밀로 혼합 분쇄하는 단계;
    고압으로 성형한 후 은전극과 동시에 소성이 가능한 880℃ 내지 920℃의 온도로 소결하는 단계;로 제조되는 압전 세라믹 조성물 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 하소된 화합물은 0.2Pb(Zn1 /3Nb2 /3)O3-0.8Pb(Zr,Ti)O3 + x BiMnO3 + y LaMnO3 + z CuO 로 표시되고,
    x + y가 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 1.5 wt%이고, z가 0.1 내지 0.5 wt%인 압전 세라믹 조성물 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 CuO에 갈음하여 Co2O3, Cr2O3, Fe2O3, 및 WO3 중 적어도 어느 하나가 첨가되는 압전 세라믹 조성물 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 BiMnO3 와 LaMnO3는 단독 또는 동시에 첨가되는 압전 세라믹 조성물 제조방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 고압은 약 100MPa인 압전 세라믹 조성물 제조방법.

KR1020120012020A 2012-02-06 2012-02-06 피지엔-피지티계 압전 세라믹 조성물 및 그 제조방법 KR101299677B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120012020A KR101299677B1 (ko) 2012-02-06 2012-02-06 피지엔-피지티계 압전 세라믹 조성물 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120012020A KR101299677B1 (ko) 2012-02-06 2012-02-06 피지엔-피지티계 압전 세라믹 조성물 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130090696A true KR20130090696A (ko) 2013-08-14
KR101299677B1 KR101299677B1 (ko) 2013-08-27

Family

ID=49216229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120012020A KR101299677B1 (ko) 2012-02-06 2012-02-06 피지엔-피지티계 압전 세라믹 조성물 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101299677B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111133597A (zh) * 2017-09-01 2020-05-08 Trs技术股份有限公司 极性纳米工程化的弛豫PbTiOi铁电晶体
WO2022177262A1 (ko) * 2021-02-16 2022-08-25 한양대학교 산학협력단 무연 압전 세라믹 조성물 및 무연 압전 세라믹 제조 방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6123867A (en) * 1997-12-03 2000-09-26 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric device using the same
JP2004002069A (ja) 2002-05-30 2004-01-08 Tdk Corp 圧電磁器の製造方法および圧電素子の製造方法
KR20050056331A (ko) * 2003-12-10 2005-06-16 재단법인서울대학교산학협력재단 피제트엔-피제트티 복합체의 제조방법
KR100794290B1 (ko) 2005-04-14 2008-05-13 재단법인서울대학교산학협력재단 이산화망간이 첨가된 피제트엔-피제트티 복합체 및 그의제조방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111133597A (zh) * 2017-09-01 2020-05-08 Trs技术股份有限公司 极性纳米工程化的弛豫PbTiOi铁电晶体
WO2022177262A1 (ko) * 2021-02-16 2022-08-25 한양대학교 산학협력단 무연 압전 세라믹 조성물 및 무연 압전 세라믹 제조 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101299677B1 (ko) 2013-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100905886B1 (ko) 압전체 자기 조성물, 및 압전 세라믹 전자부품
JP4929522B2 (ja) 圧電磁器組成物
US9105845B2 (en) Piezoelectric ceramic comprising an oxide and piezoelectric device
JPWO2007094115A1 (ja) 圧電磁器組成物
JP7078037B2 (ja) 圧電組成物および圧電素子
JP4491537B2 (ja) ペロブスカイト固溶体組成物およびこのものから得られる圧電セラミックス
JP2005179143A (ja) 圧電磁器およびその製造方法
JPWO2006018930A1 (ja) 圧電磁器組成物、及び圧電素子
KR101299677B1 (ko) 피지엔-피지티계 압전 세라믹 조성물 및 그 제조방법
JP2011088786A (ja) 圧電セラミックス
KR101091192B1 (ko) 저온 소성용 무연 압전세라믹 조성물 및 제조방법
KR20150042075A (ko) 저온 소결용 압전재료
JP7031661B2 (ja) 圧電組成物および圧電素子
JP2014069988A (ja) 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子
KR101077961B1 (ko) 저온 동시소성용 고출력 압전 세라믹 조성물
JPWO2006093002A1 (ja) 圧電磁器組成物
JP5462759B2 (ja) 圧電セラミックスおよび圧電素子
JP5894222B2 (ja) 積層型電子部品およびその製法
KR101205422B1 (ko) 온도 안정성 및 열충격 특성이 향상된 팬-피지티계 압전 세라믹 조성물
JP7077704B2 (ja) 圧電組成物および圧電素子
JP5662731B2 (ja) 圧電磁器組成物
JP2010052977A (ja) 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子
KR101176502B1 (ko) 압전 세라믹 조성물
JP2016179931A (ja) 圧電磁器およびそれを用いた圧電素子
JP6076058B2 (ja) 圧電材料、および圧電材料の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180712

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190716

Year of fee payment: 7