KR20160084898A - 비납계 압전체 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 압전체 - Google Patents

비납계 압전체 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 압전체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비납계 압전체 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 압전체에 관한 것으로, a) 출발물질로써 Bi2O3, Fe2O3, BaCO3, TiO2, NiO 의 분말을 소정 무게비로 에탄올과 혼합하는 단계; (b) 상기 에탄올과 혼합된 상기 분말을 볼 밀링하고, 건조 후 하소(Calcination)하는 과정을 반복하는 단계; (c) 상기 (b) 단계 이후 생성된 분말에 결합체인 PVA(polyvinyl alcohol)를 혼합하고 100㎛ 이하의 분말을 선별하는 단계; (d) 소정 무게의 상기 분말을 금형에 넣어 가압 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및 (e) 상기 성형체의 가열하여 상기 PVA를 휘발시키고, 소결한 후 수냉하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명은 고온에서 사용가능한 우수한 압전성을 보이는 새로운 친환경 고온 압전체의 제조방법 및 이 방법을 통해 제조된 비납계 압전체를 제공한다.

Description

비납계 압전체 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 압전체{manufacturing method of piezoelectric ceramics in lead-free, and piezoelectric ceramics using of it}
본 발명은 압전체 제조방법 및 그 방법으로 제조된 압전체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온에서 사용가능한 우수한 압전성을 보이는 새로운 친환경 고온 비납계 압전체 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 압전체에 관한 것이다.
금속 산화물은 고유의 강유전성, 압전성, 자성, 초전도성, 광학성, 열적 성질 등으로 전자소자 등 첨단 소자분야에 광범위하게 응용되고 있다. 압전체는 기계적 에너지와 전기적 에너지의 상호 변환이 가능한 물질로써 외부에서 물리적인 힘이 가해지면 전기가 발생하고, 역으로 외부에서 전기장이 가해지면 결정격자의 변형이 발생한다. 압전체의 응용분야는 액추에이터, 센서, 착화소자, 진동소자, 음향필터, 변압기 등과 같이 다양한 분야에 널리 응용되고 있다.
또한, 일반적으로 압전 세라믹은 전자산업과 메카트로닉스 분야에서 중요한 역할을 하며, 초음파 송수신용, 비파괴용 초음파 트랜스듀서, 어군 탐지기, 광세트, 광변조기 컬러필터, 연소가스 조정용 엑츄에이터를 비롯한 특수용 압전체에 이용된다.
Pb(Zr,Ti)O3 (이하, 'PZT'라고 함) 세라믹 소재는 압전특성이 우수하고 가격이 저렴하면서 제조 공정기술이 잘 알려져 있는 압전 재료로서 많은 응용분야에서 이용되고 있다. PbTiO3와 PbZrO3의 고용체에 있어서 정방정계-삼방정계의 상경계(MPB: Morphotropic Phase Boundary)에서 강한 압전성을 가지면서 390 ℃의 퀴리(Curie) 온도를 가지는 PZT 고용체가 발견됨에 따라, 이 세라믹스를 이용해서 압전효과를 이용한 액츄에이터(Actuator)나 압전 트랜스듀서(Piezoelectric transducer), 센서(Sensor), 진동자(Resonator) 등 여러 전자소자로서 압전 세라믹스의 활용에 대한 연구가 광범위하게 이루어져 왔다.
그러나, 2000년대 초반 이후 세계적으로 관심이 고조되고 있는 환경문제에 대한 인식으로 인하여 환경에 유해한 물질을 전기·전자 제품 등에 사용을 금지하는 규정이 유럽을 비롯한 여러 국가에서 제정되고 법규가 공표되었다. 예로써 EU에서는 전기·전자 제품에 6대 유해물질의 함유를 제하는 Restriction of Certain Hazardous Substances (RoHS)를 2006년부터 시행하였으며, 이와 더불어 EU 내에서 3 톤 이상 제조 또는 수입되는 화학물질에 대한 등록, 평가, 허가, 제한을 가하는 Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals (REACH) 법안을 2007년부터 시행하였다. 유해한 화학물질로는 납, 수은, 카드뮴 등을 포함하는데 이러한 환경 유해물질에 관한 규제는 전 세계적으로 확대되고 있는 추세이며 이에 대한 대응책 마련이 시급한 실정이다.
현재 상업적으로 가장 많이 사용되고 있는 압전체는 상술한 Pb(Zr,Ti)O3 계열로써 우수한 압전성을 보이는 반면 환경에 유해한 납을 포함하고 있다. 이에 Pb(Zr,Ti)O3를 대체할 비납계 친환경 압전체에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며, 많은 연구가 진행되고 있는 비납계 압전체는 BaTiO3, (Bi,Na)TiO3, (Bi,K)TiO3 및 (K,Na)NbO3 계열이다.
BaTiO3는 간단한 페로브스카이트 (perovskite) 구조를 가진 대표적인 압전체이지만, 압전성이 사라지는 상전이 온도가 130℃ 정도로 낮아 실제 소자로의 응용에 제한을 가져온다. (Bi,Na)TiO3와 (Bi,K)TiO3는 상전이 온도(300℃) 이하에서 탈분극 온도(100℃)가 존재하여 BaTiO3와 같이 사용 온도가 충분히 높지 않다는 문제점이 있다. (K,Na)NbO3은 상전이 온도가 400℃ 이상으로 높지만, K와 Na 같은 알칼리 금속의 높은 흡습성 및 휘발성의 문제로 조성제어에 어려움이 있다.
최근에 연구가 시작되고 있는 친환경 압전체는 (1-x)BiFeO3-xBaTiO3 고용체이다. 상온에서 BiFeO3는 rhombohedral 결정구조를 가지며, BaTiO3는 tetragonal 결정구조를 가진다. 결정구조가 서로 다른 두 물질이 고용체를 형성할 경우 어떤 조성 영역에서 상경계 영역 (morphotropic phase boundary)을 형성한다.
상경계 영역은 두 개의 결정구조가 혼합되어 있는 영역으로 외부의 힘에 의해 분극이 쉽게 정렬되기 때문에 우수한 압전성이 나타나는 것으로 알려져 있다. (1-x)BiFeO3-xBaTiO3의 경우, x=0.33 mol%에서 상경계 영역이 형성된다고 보고되고 있으며, 상경계 영역 조성의 상전이 온도는 400℃ 이상이다.
현재 대부분의 (1-x)BiFeO3-xBaTiO3 연구는 상경계 영역 조성보다 BiFeO3가 많은 조성에서 연구가 진행되고 있다. 따라서 상경계 영역 조성에서 더 우수한 압전성을 가지는 BiFeO3-BaTiO3를 제조할 수 있을 것으로 기대된다. 이와 더불어 BiFeO3의 높은 누설전류는 압전성뿐만 아니라 강유전성에 나쁜 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. BiFeO3의 높은 누설전류는 산소공공과 Fe3+ 이온의 Fe2 + 이온으로의 전이 때문이라고 알려져 있으며, 불순물 첨가에 의해 산소공공과 Fe2 +로의 전이를 억제하여 누설전류를 감소시킬 수 있다.
그러나, 상술한 바와 같이 종래에 연구되어 보고된 비납계 압전체는 실용화하기 위해서는 아직 전기적 특성의 개량이 더 필요한 실정이다. 따라서, 압전 특성을 향상시켜 종래의 PZT 계통의 압전 소재 부품들을 대체할 수 있고, 경제적인 절감은 물론 환경 친화적 특성을 가져 올 수 있는 무연 세라믹스의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1318088호(등록일자:2013년10월07일)
상술한 문제를 해결하고자 하는 본 발명의 과제는 고온에서 사용가능한 우수한 압전성을 보이는 새로운 친환경 고온 압전체의 제조방법 및 이 방법을 통해 제조된 비납계 압전체를 제공하고자 함이다.
상술한 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 제1 특징은, (a) 출발물질로써 Bi2O3, Fe2O3, BaCO3, TiO2, NiO 의 분말을 소정 무게비로 에탄올과 혼합하는 단계; (b) 상기 에탄올과 혼합된 상기 분말을 볼 밀링하고, 건조 후 하소(Calcination)하는 과정을 반복하는 단계; (c) 상기 (b) 단계 이후 생성된 분말에 결합체인 PVA(polyvinyl alcohol)를 혼합하고 100㎛ 이하의 직경을 갖는 분말을 선별하는 단계; (d) 소정 무게의 상기 분말을 금형에 넣어 가압 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및 (e) 상기 성형체의 가열하여 상기 PVA를 휘발시키고, 소결한 후 수냉하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 분말의 무게비는 (1-x)(0.67BiFeO3-0.33BaTiO3)-xBi(Ni0.5Ti0.5)O3 (x=0, 0.01) 압전체를 형성하기 위한 무게비인 것이 바람직하고, 상기 (b) 단계는, 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 동안 볼 밀링(ball milling)하는 단계와, 80℃에서 6시간 동안 건조하는 단계와, 700℃에서 2시간 동안 하소하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는 상기 볼 밀링, 건조 및 하소 단계를 2번 반복하는 것일 수 있고, 상기 (d) 단계에서 3 톤의 힘으로 일축 가압 성형하여 성형체를 형성하는 단계인 것일 수 있으며, 상기 성형체는 0.3g의 분말을 이용하여 직경 10mm 와 1mm의 두께를 갖는 성형체인 것일 수 있다.
그리고, 본 발명의 제2 특징은 상술한 방법으로 제조된 비납계 압전체를 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명은 고온에서 사용가능한 우수한 압전성을 보이는 새로운 친환경 고온 압전체의 제조방법 및 이 방법을 통해 제조된 비납계 압전체를 제공한다.
또한, 상경계 영역 조성인 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3에서 종래에 보고된 압전체의 압전성보다 더 우수한 압전성을 나타낼 뿐만 아니라, 화학적 안정성을 높여 누설전류 문제를 해결하고 압전성을 향상시킬 수 있는 비납계 압전체 및 그 제조방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법의 공정 흐름을 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법으로 제조된 압전체의 X-선 회절 패턴을 나태내는 그래프이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법으로 제조된 압전체의 미세조직을 확인하기 위한 표면 형상(field emission scanning electron microscope)을 나타낸 사진이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법으로 제조된 압전체의 전기장 인가에 따른 변형률 곡선을 나타낸 그래프이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법으로 제조된 압전체의 강유전 이력곡선을 나타낸 그래프이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법으로 제조된 압전체의 온도에 따른 유전률의 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 통해 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 여기에서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 본 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도면들에 있어서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니며 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 명세서에서 "및/또는"이란 표현은 전후에 나열된 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 명세서에서 사용되는 "포함한다" 또는 "포함하는"으로 언급된 구성요소, 단계, 동작 및 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 소자 및 장치의 존재 또는 추가를 의미한다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법의 공정 흐름을 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법은, a) 출발물질로써 Bi2O3, Fe2O3, BaCO3, TiO2, NiO 의 분말을 소정 무게비로 에탄올과 혼합하는 단계; (b) 상기 에탄올과 혼합된 상기 분말을 볼 밀링하고, 건조 후 하소(Calcination)하는 과정을 반복하는 단계; (c) 상기 (b) 단계 이후 생성된 분말에 결합체인 PVA(polyvinyl alcohol)를 혼합하고 100㎛ 이하의 분말을 선별하는 단계; (d) 소정 무게의 상기 분말을 금형에 넣어 가압 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및 (e) 상기 성형체의 가열하여 상기 PVA를 휘발시키고, 소결한 후 수냉하는 단계를 포함하여 구성된다.
이와 같이 본 발명의 실시예는 상경계 영역 조성인 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3에 소량의 Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3를 첨가하여 고온에서 사용가능한 우수한 압전성을 보이는 새로운 친환경 고온 비납계 압전체 제조방법을 제공하고 이 방법으로 제조된 압전체를 제공하고자 한다.
실험방법
도 1에 나타낸 바와 같이, (a) 단계는 출발물질로써 Bi2O3, Fe2O3, BaCO3, TiO2, NiO 분말을 소정 무게비(Weighing)로 에탄올과 혼합하는 단계로서, 본 발명의 실시예에서는 (1-x)(0.67BiFeO3-0.33BaTiO3)-xBi(Ni0 .5Ti0 .5)O3 (x=0, 0.01) 비납계 압전체를 제조하기 위하여 출발물질로 Bi2O3, Fe2O3, BaCO3, TiO2, NiO 분말을 사용하였다.
즉, 본 발명의 실시예에서는 상경계 영역 조성인 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3에서 종래 연구 결과의 압전성보다 더 우수한 압전성을 얻을 수 있을 것으로 예상되고, 또한 소량의 Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3 첨가는 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 결정구조에 영향을 끼치지 않을 것으로 예상되며, Fe 자리에 Ni과 Ti 이온의 치환은 Fe3 +의 화학적 안정성을 높여 누설전류 문제를 해결하고 압전성을 향상시킬 수 있기 때문에 (1-x)(0.67BiFeO3-0.33BaTiO3)-xBi(Ni0.5Ti0.5)O3 (x=0, 0.01) 비납계 압전체의 제조방법을 제안하는 것이다.
(b) 단계는 에탄올과 혼합된 상기 분말을 볼 밀링하고, 건조(Drying) 후 하소(Calcination)하는 과정을 반복하는 단계로서, 상기 조성비에 따른 분말을 전자저울을 이용하여 칭량한 후, 에탄올과 지르코니아 볼과 함께 24시간 볼 밀링(ball milling)을 실시하였고, 볼 밀된 분말은 80℃에서 6시간 건조 후 700℃에서 2시간 하소하였다. 하소된 분말의 균질성을 높이기 위하여 볼밀, 건조 및 하소 공정을 반복하였다.
(c) 단계는, 생성된 분말에 결합체인 PVA(polyvinyl alcohol)를 혼합하고 100㎛ 이하의 직경을 갖는 분말을 선별하는 단계로, 2차 하소가 끝난 분말에 결합제인 polyvinyl alcohol (PVA)를 혼합하여(Add PVA) 잘 섞어준 후 체가름(Sieving)하여 직경 100 μm 이하의 분말을 선별하였다.
(d) 단계는, 소정 무게의 상기 분말을 금형에 넣어 가압 성형하여 성형체를 형성하는 단계로, 약 0.3 g의 분말을 금형에 채우고 40초 동안 3 톤(ton)의 힘으로 일축 가압 성형하여 직경 10 mm와 두께 1 mm의 성형체를 제조하였다.(Press forming)
그리고, (e) 단계로, 상기 성형체의 PVA를 휘발시키기 위하여 500℃에서 30분 유지하였으며, 980℃에서 2시간 동안 소결한 후 수냉하여(Water cooling) 비납계 압전체를 제조하였다.
분석 준비
본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법으로 제조된 압전체의 전기적인 측정을 위하여 소결된 압전체의 두께가 500 μm가 되도록 양면을 연마한 후, 이온 코터(ion coater)를 이용하여 백금(Pt) 전극을 양면에 증착하고 은(Ag) 페이스트를 백금 전극위에 도포한 후 80℃에서 30분간 건조시켰다. 시편의 분극처리 (poling)는 상온의 실리콘 오일 속에서 3000V의 직류 전압을 15분간 가하여 실시하였다.
그리고, 제조된 압전체의 결정구조를 확인하기 위하여 X-ray diffractometer (Miniflex II, Rigaku)를 이용하여 X-선 회절 패턴을 측정하였고, 제조된 압전체의 미세조직을 확인하기 위하여 field emission scanning electron microscope (S-4800, Hitachi)을 이용하여 표면 형상을 관찰하였다.
또한, 제조된 압전체의 정압전계수를 확인하기 위하여 piezo-d33-meter (ZJ-6B, IACAS)을 이용하여 0.25 N, 110 Hz의 조건하에서 발생하는 전하량을 측정하였다. 제조된 압전체의 변형률과 역압전계수를 확인하기 위하여 linear variable differential transformer (Millimar 1240, Mahr)을 이용하여 50 mHz의 펄스 전압 인가에 따른 변형률에서의 변화를 측정하였다.
그리고, 제조된 압전체의 잔류분극 값과 항전기장 값을 확인하기 위하여 ferroelectric measurement system (RT6000 HVS, Radiant)을 이용하여 20 Hz의 펄스 전압 인가에 따른 분극에서의 변화를 측정하였다. 더하여, 제조된 압전체의 상전이 온도를 확인하기 위하여 LF Impedance Analyzer (HP 4192A)를 이용하여 온도에 따른 유전률의 변화를 측정하였다.
결과 및 토의
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법으로 제조된 압전체의 X-선 회절 패턴을 나태내는 그래프이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 소량의 Bi(Ni0.5Ti0.5)O3 첨가는 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 결정구조에 영향을 끼치지 않았다. 이것은 Ni2 + 이온과 Ti4 + 이온의 평균 이온 크기가 Fe3 + 이온의 크기와 비슷한 반경을 가지기 때문이라고 판단된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법으로 제조된 압전체의 미세조직을 확인하기 위한 field emission scanning electron microscope (S-4800, Hitachi)의 결과이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 소량의 Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3 첨가는 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 미세조직에 영향을 끼쳤다. Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3 첨가는 결정립 미세화를 가져왔다. 이것은 Ni과 Ti이 결정립 성장을 억제하였기 때문이라고 판단된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법으로 제조된 압전체의 전기장 인가에 따른 변형률 곡선을 나타낸 그래프이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 소량의 Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3 첨가는 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 전기장 인가에 따른 변형률에 영향을 끼쳤다. 인가된 전기장이 50 kV/cm에서, Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3가 첨가된 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 최대변형률은 0.146%로 순수한 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 0.125% 보다 큰 변형률을 보여주고 있다. 변형률로부터 계산된 Bi(Ni0.5Ti0.5)O3가 첨가된 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 역압전계수는 300 pm/V로 순수한 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 255 pm/V보다 큰 값을 보였다. Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3가 첨가된 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 정압전계수는 165 pC/N으로 순수한 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 161 pC/N보다 큰 값을 보였다. Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3가 첨가된 경우 더 우수한 압전성을 보임을 확인하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법으로 제조된 압전체의 강유전 이력곡선을 나타낸 그래프이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 소량의 Bi(Ni0.5Ti0.5)O3 첨가는 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 강유전성에 영향을 끼치고 있음을 알 수 있다. 인가된 전기장이 50 kV/cm에서, Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3가 첨가된 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 잔류분극 (2Pr) 값은 46 μC/cm2이며, 항전기장 (2Ec) 값은 50 kV/cm이었다. 순수한 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 잔류분극 (2Pr) 값은 40 μC/cm2이며, 항전기장 (2Ec) 값은 48 kV/cm으로 나타났다. Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3가 첨가된 경우 더 우수한 강유전성을 보임을 확인하였다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 비납계 압전체 제조방법으로 제조된 압전체의 온도에 따른 유전률의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 소량의 Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3 첨가는 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 상전이 온도에 영향을 끼쳤다. Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3가 첨가된 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 상전이 온도는 455℃로 순수한 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 451℃ 보다 높은 상전이 온도를 보여주고 있다.
결론
본 발명의 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조된 비납계 (1-x)(0.67BiFeO3-0.33BaTiO3)-xBi(Ni0.5Ti0.5)O3 (x=0, 0.01) 압전체에서의 결정구조, 미세조직, 상전이 온도, 압전성 및 강유전성을 관찰할 수 있었다. 이를 통해 Bi(Ni0.5Ti0.5)O3가 첨가된 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3는 순수한 0.67BiFeO3-0.33BaTiO3의 결정구조에 영향을 끼치지 않았고, 이것은 Ni2 +과 Ti4 +의 평균 이온 반경이 Fe3 + 이온 반경과 비슷하기 때문이라고 판단된다. 이와는 다르게 Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3 첨가는 미세조직, 상전이 온도, 압전성 및 강유전성에 영향을 주었음을 알 수 있었다.
Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3 첨가는 결정립 미세화를 가져왔는데, 이것은 Ni과 Ti이 결정립 성장을 억제하였기 때문이라고 판단되고, 또한 Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3 첨가에 따른 향상된 상전이 온도, 압전성 및 강유전성은 Fe 자리에 Ni과 Ti 이온의 치환으로 인한 Fe3 +의 화학적 안정성을 높여 BiFeO3의 높은 누설전류를 억제하였기 때문이라고 판단된다.
또한, 455℃의 상전이 온도, 165 pC/N의 정압전계수 및 300 pm/V의 역압전계수를 가지는 0.99(0.67BiFeO3-0.33BaTiO3)-0.01Bi(Ni0 .5Ti0 .5)O3 압전체는 현재 상업적으로 가장 많이 사용되고 있는 Pb(Zr,Ti)O3 계열의 압전체를 대체할 비납계 고온 압전체로의 높은 가능성을 제시한다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능 하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. (a) 출발물질로써 Bi2O3, Fe2O3, BaCO3, TiO2, NiO 의 분말을 소정 무게비로 에탄올과 혼합하는 단계;
    (b) 상기 에탄올과 혼합된 상기 분말을 볼 밀링하고, 건조 후 하소(Calcination)하는 과정을 반복하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계 이후 생성된 분말에 결합체인 PVA(polyvinyl alcohol)를 혼합하고 100㎛ 이하의 직경을 갖는 분말을 선별하는 단계;
    (d) 소정 무게의 상기 분말을 금형에 넣어 가압 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 성형체의 가열하여 상기 PVA를 휘발시키고, 소결한 후 수냉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비납계 압전체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분말의 무게비는 (1-x)(0.67BiFeO3-0.33BaTiO3)-xBi(Ni0 .5Ti0 .5)O3 (x=0, 0.01) 압전체를 형성하기 위한 무게비인 것을 특징으로 하는 비납계 압전체 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    지르코니아 볼을 이용하여 24시간 동안 볼 밀링(ball milling)하는 단계와,
    80℃에서 6시간 동안 건조하는 단계와,
    700℃에서 2시간 동안 하소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비납계 압전체 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 볼 밀링, 건조 및 하소 단계를 2번 반복하는 것을 특징으로 하는 비납계 압전체 제조방법.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 3 톤의 힘으로 일축 가압 성형하여 성형체를 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 비납계 압전체 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 성형체는 0.3g의 분말을 이용하여 직경 10mm와 1mm의 두께를 갖는 성형체인 것을 특징으로 하는 비납계 압전체 제조방법.
  7. 제2항 내지 제4항의 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 비납계 압전체.



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