KR20190023176A - Piezoelectric ceramic composition and piezoelectric ceramic element using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 압전 세라믹 조성물 및 이를 이용한 압전 세라믹 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition and a piezoelectric ceramic device using the same.
현재까지 널리 사용되어 온 대표적인 압전세라믹 조성물은 Pb(Zr,Ti)O3를 기반으로 하는 납(Pb) 함유 조성물(PZT계 압전 세라믹 조성물)이다. 최근 납 성분의 환경오염에 대한 국제 사회적 관심의 증대로, 전 세계적으로 전자제품 및 전기기기의 납 사용에 대한 규제법안(유럽연합: RoHS, 미국: TSCA, 중국: China RoHS)이 발효됨에 따라 유해물질의 사용이 제한되고 폐 전기/전자제품의 회수 및 재활용이 의무화되었다.A typical piezoelectric ceramic composition widely used up to now is a lead (Pb) -containing composition (PZT piezoelectric ceramic composition) based on Pb (Zr, Ti) O 3 . Due to the recent increase in international concern about the environmental pollution of lead, the legislation (European Union: RoHS, USA: TSCA, China: China RoHS) for lead use of electronic products and electric appliances has come into effect worldwide, The use of materials has been restricted and the collection and recycling of waste electrical / electronic products has become mandatory.
이에 따라 기존의 PZT 압전 세라믹 조성물을 대체하기 위한 친환경 비납계 압전 세라믹 조성물에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는데, 그 중 (K,Na)NbO3를 기반으로 하는 납(Pb) 비함유 조성물(KNN계 압전 세라믹 조성물)은 높은 큐리 온도(Curie temperature)(250~420℃)와 우수한 압전특성(d 33 = 150 ~ 500pC/N)을 동시에 나타내기 때문에 PZT 압전 세라믹 조성물을 대체하기 위한 친환경 비납계 압전 세라믹 조성물에 대한 후보물질로 큰 주목을 받고 있는 상황이다. (K, Na) NbO 3 -based compositions (Pb-free compositions based on (K, Na) NbO 3 ) have been actively studied to replace conventional PZT piezoelectric ceramic compositions. (Piezoelectric ceramic composition) exhibits a high Curie temperature (250 to 420 ° C) and excellent piezoelectric properties ( d 33 = 150 to 500 pC / N) Has attracted great attention as a candidate substance for the composition.
KNN계 압전 세라믹 조성물은 온도에 따라 상구조(phase structure)가 변화하는 상경계(polymorphic phase boundary)를 가지는데, 순수한 KNN계 압전 세라믹 조성물에 다양한 물질을 도핑하여, 사방정계(Orthorhombic), 정방정계(Tetragonal) 및 능면정계(Rhombohedral) 중 두가지 이상의 상구조가 혼재된 상경계를 형성시킴으로써, 압전특성을 더욱 향상시키기 위한 연구가 이루어지고 있다. The KNN piezoelectric ceramics composition has a polymorphic phase boundary in which the phase structure changes according to the temperature. The KNN piezoelectric ceramic composition is doped with a variety of materials into an orthorhombic, tetragonal Tetragonal) and rhombohedral are mixed to form a phase difference system, thereby further improving the piezoelectric characteristics.
그러나, KNN계 압전 세라믹 조성물의 상경계에서 각 상구조의 상분율을 제어함으로써, 최대 압전특성을 연구한 예는 현재까지 없었다. However, there have been no examples of studying the maximum piezoelectric properties by controlling the phase fraction of each phase structure in the phase diagram of the KNN piezoelectric ceramic composition.
본 발명은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 포함하는 압전 세라믹 조성물에 있어서, 상기 압전 세라믹 조성물은 능면정계(Rhombohedral) 구조 및 정방정계(Tetragonal) 구조를 포함하는 상경계를 가지고, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물 등을 제공하고자 한다.The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition comprising (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1), wherein the piezoelectric ceramic composition has a rhombohedral structure and a tetragonal structure Wherein the ratio of the surface roughness of the rough surface structure to the phase fraction of the tetragonal structure is 10:90 to 18:82.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other matters not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 포함하는 압전 세라믹 조성물에 있어서, 상기 압전 세라믹 조성물은 능면정계(Rhombohedral) 구조 및 정방정계(Tetragonal) 구조를 포함하는 상경계를 가지고, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물을 제공한다.The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition comprising (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1), wherein the piezoelectric ceramic composition has a rhombohedral structure and a tetragonal structure Wherein the ratio of the surface smoothness of the rough surface structure to the phase fraction of the tetragonal structure is 10:90 to 18:82.
본 발명의 일 구현 예로, 상기 압전 세라믹 조성물을 이용한 압전 세라믹 소자를 제공한다. In one embodiment of the present invention, a piezoelectric ceramic device using the piezoelectric ceramic composition is provided.
본 발명에 따른 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 포함하는 압전 세라믹 조성물은 능면정계(Rhombohedral) 구조 및 정방정계(Tetragonal) 구조를 포함하는 상경계를 가지고, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 바, 상기 압전 세라믹 조성물은 높은 큐리 온도를 가지면서도, 최대 압전특성(d 33)을 가지는바, 다양한 형태의 압전 세라믹 소자로 유용하게 활용될 수 있다. 이때, 상기 압전 세라믹 소자는 납을 함유하고 있지 않으므로, 납으로 인한 환경 오염을 방지할 수 있는 이점을 가진다. The piezoelectric ceramic composition containing (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1) according to the present invention has a topographic system including a rhombohedral structure and a tetragonal structure, Wherein the ratio of the rough surface structure to the tetragonal structure is 10:90 to 18:82, and the piezoelectric ceramic composition has a maximum Curie temperature and a maximum piezoelectric property ( d 33 ) Bar, and various types of piezoelectric ceramic elements. At this time, since the piezoelectric ceramic element does not contain lead, it has an advantage of preventing environmental pollution due to lead.
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물(x1=0, 0.01, 0.02, 0.025, 0.03, 0.035, 0.04, 0.045, 0.05, 0.06, 0.07)의 (a) XRD(44~47°) 패턴 분석 결과, (b) -100~200℃ 온도에 따른 유전상수(ε r) 측정 결과, (c) XRD Rietveld refinement 방법을 통한 상온(25℃)에서 능면정계(Rhombohedral; R) 구조, 사방정계(Orthorhombic; O) 구조 및 정방정계(Tetragonal; T) 구조의 상분율 계산 결과 및 (d) 압전상수(d 33) 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 2는 실시예 2에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물(x2=0.03, 0.035, 0.04, 0.045, 0.05, y2=0, 0.005, 0.01, 0.015, 0.02, 0.03)의 (a) XRD(44~47°) 패턴 분석 결과, (b) -100~200℃ 온도에 따른 유전상수(ε r) 측정 결과, (c) XRD Rietveld refinement 방법을 통한 상온(25℃)에서 능면정계(Rhombohedral; R) 구조, 사방정계(Orthorhombic; O) 구조 및 정방정계(Tetragonal; T) 구조의 상분율 계산 결과 및 (d) 압전상수(d 33) 평가 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3은 실시예 3에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물(y3=0, 0.005, 0.01, 0.015, 0.02)의 (a) XRD(44~47°) 패턴 분석 결과, (b) -100~200℃ 온도에 따른 유전상수(ε r) 측정 결과, (c) XRD Rietveld refinement 방법을 통한 상온(25℃)에서 능면정계(Rhombohedral; R) 구조, 사방정계(Orthorhombic; O) 구조 및 정방정계(Tetragonal; T) 구조의 상분율 계산 결과 및 (d) 압전상수(d 33) 평가 결과를 보여주는 그래프이다.Figure 1 shows the XRD (44-47) pattern of the piezoelectric ceramic composition (x1 = 0, 0.01, 0.02, 0.025, 0.03, 0.035, 0.04, 0.045, 0.05, 0.06, 0.07) As a result of the analysis, (b) dielectric constant ( ε r ) measured at -100 ℃ to 200 ℃, (c) rhombohedral (R) structure at room temperature (25 ℃) through XRD Rietveld refinement method, (D) calculation results of the piezoelectric constant ( d 33 ) of the orthorhombic (O) structure and the tetragonal (T) structure.
Figure 2 shows the results of (a) XRD (44-47 [deg.]) Of the piezoelectric ceramic composition (x2 = 0.03,0.035,0.04,0.045,0.05, y2 = 0,0.005,0,0,0,015,0,02,0,03) As a result of the pattern analysis, (b) the dielectric constant ( ε r ) measured at -100 to 200 ° C., (c) the rhombohedral (R) structure at room temperature (25 ° C.) through the XRD Rietveld refinement method, (D) calculation results of the piezoelectric constant ( d 33 ) of the orthorhombic (O) structure and the tetragonal (T) structure.
FIG. 3 shows (a) XRD (44 to 47 °) pattern analysis results of the piezoelectric ceramic composition (y3 = 0, 0.005, 0.01, 0.015, 0.02) dielectric constant in accordance with the (ε r) measurements, (c) XRD Rietveld refinement method neungmyeon political at room temperature (25 ℃) through (Rhombohedral; R) structure, the orthorhombic (orthorhombic; O) structure and a tetragonal (tetragonal; T ) Structure and (d) the piezoelectric constant ( d 33 ).
본 발명자들은 KNN계 압전 세라믹 조성물을 대상으로, 이의 상경계에서 각 상구조의 상분율과 최대 압전특성 간의 상관관계에 대해서 연구하던 중, 능면정계(Rhombohedral)-정방정계(Tetragonal) 구조의 상경계에서, 능면정계 구조 및 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 경우, 최대 압전특성(d 33)을 보임을 확인하고, 본 발명을 완성하였다. The inventors of the present invention studied the relationship between the phase fraction of each phase structure and the maximum piezoelectric property in a KNN piezoelectric ceramic composition, and found that in a system of a rhombohedral-tetragonal structure, ( D 33 ) of 10:90 to 18:82 in terms of the ratio of the ratio of the surface smoothness structure to the tetragonal structure is 10:90 to 18:82, thereby completing the present invention.
본 명세서 내 “압전”이라 함은 압전체를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환하는 작용을 말하는 것으로, 압력이나 진동(기계에너지)을 가하면 전기가 생기는 효과를 말한다. 이러한 압전 성능을 나타내는 지표로는 압전상수(d 33, d 31) 등이 있다. 이때, 압전상수는 전계(V/m)를 인가할 때 변위하는 정도 혹은 그 반대를 말하는 것으로, 압전상수가 클수록 미소변위 제어가 가능한 이점을 가진다.The term " piezoelectric " in this specification refers to an action of converting mechanical energy and electrical energy through a piezoelectric body, and refers to an effect of generating electricity when pressure or vibration (mechanical energy) is applied. Indicators for such piezoelectric performance include piezoelectric constants ( d 33 , d 31 ) and the like. At this time, the piezoelectric constant refers to the degree of displacement when the electric field (V / m) is applied, or vice versa. The larger the piezoelectric constant is, the smaller the displacement control becomes.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 포함하는 압전 세라믹 조성물에 있어서, 상기 압전 세라믹 조성물은 능면정계(Rhombohedral) 구조 및 정방정계(Tetragonal) 구조를 포함하는 상경계를 가지고, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물을 제공한다. The present invention relates to a piezoelectric ceramic composition comprising (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1), wherein the piezoelectric ceramic composition has a rhombohedral structure and a tetragonal structure Wherein the ratio of the surface smoothness of the rough surface structure to the phase fraction of the tetragonal structure is 10:90 to 18:82.
먼저, 본 발명에 따른 압전 세라믹 조성물은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 기본으로 포함하는 것으로, 일명, KNN계 압전 세라믹 조성물이라고도 한다. 상기 KNN계 압전 세라믹 조성물은 높은 큐리 온도(Curie temperature)(250~420℃)와 우수한 압전특성(d 33 = 150 ~ 500pC/N)을 동시에 나타내기 때문에 PZT 압전 세라믹 조성물을 대체하기 위한 비납계 압전 세라믹 조성물로 볼 수 있다. 따라서, 납으로 인한 환경 오염을 방지할 수 있는 이점을 가진다. First, the piezoelectric ceramic composition according to the present invention basically includes (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1) and is also called a KNN piezoelectric ceramic composition. Since the KNN piezoelectric ceramic composition simultaneously exhibits a high Curie temperature (250 to 420 ° C) and excellent piezoelectric properties ( d 33 = 150 to 500 pC / N), the non-lead piezoelectric ceramic composition Ceramic composition. Therefore, it has an advantage that environmental pollution due to lead can be prevented.
상기 압전 세라믹 조성물은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1) 외에, Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1)를 추가로 포함할 수 있다. Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1)를 일정 함량 이상, 바람직하게는 4.5몰% 내지 5몰% 도핑하는 경우, 능면정계 구조 및 정방정계 구조의 상분율의 비를 10:90 내지 18:82 범위 내(구체적으로, 16:84 내지 18:82)로 유지시킬 수 있어, 최대 압전특성(d 33)을 보일 수 있다. In addition to the above piezoelectric ceramic composition (K a Na (1-a )) NbO 3 (0 <a <1),
또한, 상기 압전 세라믹 조성물은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1) 및 Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1) 외에, BiScO3를 추가로 포함할 수 있다. Bi0.5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1)를 일정 함량 이상, 바람직하게는 3몰% 내지 4몰% 도핑하면서, BiScO3를 일정 함량 이상, 바람직하게는 0.5몰% 내지 1몰% 도핑하는 경우, 능면정계 구조 및 정방정계 구조의 상분율의 비를 10:90 내지 18:82 범위 내(구체적으로, 14:86 내지 16:84)로 유지시킬 수 있어, 최대 압전특성(d 33)을 보일 수 있다. Further, the piezoelectric ceramic composition (K a Na (1-a )) NbO 3 (0 <a <1) and Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 (0 Besides ≤b1≤1, 0≤b2≤1), it may further comprise a BiScO 3. (0? B1? 1, 0? B2 ? 1) is doped with a certain amount or more, preferably 3 to 4 mol%, of Bi 0.5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2) ) 0.5 ZrO 3 When the BiScO 3 is doped to a certain amount or more, preferably 0.5 to 1 mol%, the ratio of the aspect ratio of the seamless crystal structure and the tetragonal structure is in the range of 10:90 to 18:82 (specifically, 14:86 To 16:84), and it is possible to show the maximum piezoelectric property d 33 .
또한, 상기 압전 세라믹 조성물은 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1) 및 Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1) 외에, (BicNa(1-c))TiO3(0≤c≤1)를 추가로 포함할 수 있다. Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1)를 일정 함량 이상, 약 3몰% 도핑하면서, Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1)를 일정 함량 이상, 바람직하게는 1.5몰% 내지 2몰% 도핑하는 경우, 능면정계 구조 및 정방정계 구조의 상분율의 비를 10:90 내지 18:82 범위 내(구체적으로, 11:89 내지 15:85)로 유지시킬 수 있어, 최대 압전특성(d 33)을 보일 수 있다. Further, the piezoelectric ceramic composition (K a Na (1-a )) NbO 3 (0 <a <1) and Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 (0 in addition ≤b1≤1, 0≤b2≤1), it may comprise a (Bi c Na (1-c )) add TiO 3 (0≤c≤1). Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 (0≤b1≤1, 0≤b2≤1) a predetermined amount or more, and doped with about 3 mol%, Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1 -b1-b2)) 0.5 ZrO 3 (0≤b1≤1, 0≤b2≤1) a predetermined amount or more, preferably if 1.5 mol% to 2 mol% doping, neungmyeon The ratio of the phase constants of the crystal structure and the tetragonal structure can be maintained in the range of 10:90 to 18:82 (specifically, 11:89 to 15:85), and the maximum piezoelectric property d 33 can be shown .
구체적으로, 상기 압전 세라믹 조성물은 하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 조성을 가질 수 있다:Specifically, the piezoelectric ceramic composition may have at least one composition selected from the group consisting of the following
[화학식 1][Chemical Formula 1]
(1-x1)(KaNa(1-a))NbO3-x1Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3 (0.04<x1<0.06, 0<a<1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1), (1-x1) (K a Na (1-a)) NbO 3 -
[화학식 2](2)
(1-x2-y2)(KaNa(1-a))NbO3-x2Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3-y2BiScO3 (0.025<x2≤0.05, 0<y2<0.015, 0<a<1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1),(1-x2-y2) ( K a Na (1-a)) NbO 3 -x2Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 -y2BiScO 3 (0.025 <x2? 0.05, 0 <y2 <0.015, 0 <a <1, 0? B1? 1, 0? B2? 1)
[화학식 3](3)
(0.97-y3)(KaNa(1-a))NbO3-0.03Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3-y3(BicNa(1-c))TiO3 (0.010<y3<0.025, 0<a<1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1 및 0≤c≤1). (0.97-y3) (K a Na (1-a)) NbO 3 -0.03
상기 상경계에서 상구조는 온도에 따라 좌우될 수 있다. 따라서, 상기 상경계가 능면정계-정방정계 구조로서, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것은, 10℃ 내지 50℃에서 확인될 수 있고, 20℃ 내지 40℃에서 확인되는 것이 바람직하고, 상온(25)에서 확인되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. The phase structure in the above system can be temperature-dependent. Therefore, the ratio of the surface roughness structure to the cubic phase structure of the tetragonal system is 10:90 to 18:82, which can be confirmed at 10 to 50 ° C, and 20 But it is preferable that the reaction is confirmed at room temperature (25), but it is not limited thereto.
상기 상경계는 사방정계 구조를 포함하지 아니한 것을 특징으로 한다. 이때, 사방정계 구조를 포함하게 되면, 압전특성이 저하되는 문제점이 있다. 구체적으로, 사방정계 구조를 포함하지 않은 상경계를 구현하기 위해서는, (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)에, Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1)의 도핑량을 높이거나, BiScO3 또는 (BicNa(1-c))TiO3(0≤c≤1) 도핑량을 높일 필요가 있다. The system of the present invention is characterized in that it does not include a rectangular parallelepiped structure. At this time, if a quadrangular pyramid structure is included, the piezoelectric characteristics are deteriorated. Specifically, in order to implement the phase boundary that does not contain an orthorhombic structure, (K a Na (1- a)) NbO 3 (0 <a <1),
상기 압전 세라믹조성물의 압전상수(d 33 )는 200pC/N 내지 500 pC/N 일 수 있고, 300pC/N 내지 500 pC/N인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. The piezoelectric constant ( d 33 ) of the piezoelectric ceramic composition may be 200 pC / N to 500 pC / N, preferably 300 pC / N to 500 pC / N, but is not limited thereto.
또한, 본 발명은 상기 압전 세라믹 조성물을 이용한 압전 세라믹 소자를 제공한다. The present invention also provides a piezoelectric ceramic device using the piezoelectric ceramic composition.
본 발명에 따른 압전 세라믹 소자는 상기 압전 세라믹 조성물을 이용하여 제조되는 것으로, 상기 "압전 세라믹 조성물"의 구체적인 내용에 대해서는 전술한 바와 같으므로, 중복 설명을 생략하기로 한다. The piezoelectric ceramic device according to the present invention is manufactured using the above-described piezoelectric ceramic composition. The specific contents of the above-described " piezoelectric ceramic composition " are the same as described above, and a duplicate description will be omitted.
상기 압전 세라믹 소자는 최대 압전특성을 가지는바, 충격 센서; 가속도 센서; 초음파 센서; 적층형 압전 액추에이터; 압전 변압기; 및 초음파 진동자 또는 착화소자 등과 같은 같은 고신뢰성 압전부품으로 제조될 수 있으며, 이때, 납을 함유하고 있지 않으므로, 납으로 인한 환경 오염을 방지할 수 있는 이점이 있다. The piezoelectric ceramic device has a maximum piezoelectric property, Acceleration sensor; Ultrasonic sensors; Stacked piezoelectric actuators; Piezoelectric transformers; And high reliability piezoelectric parts such as an ultrasonic vibrator or an ignition element. In this case, since it does not contain lead, there is an advantage that environmental pollution due to lead can be prevented.
따라서, 본 발명에 따른 (KaNa(1-a))NbO3(0<a<1)를 포함하는 압전 세라믹 조성물은 능면정계(Rhombohedral) 구조 및 정방정계(Tetragonal) 구조를 포함하는 상경계를 가지고, 상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 바, 상기 압전 세라믹 조성물은 높은 큐리 온도를 가지면서도, 최대 압전특성(d 33)을 가지는바, 다양한 형태의 압전 세라믹 소자로 유용하게 활용될 수 있다. 이때, 상기 압전 세라믹 소자는 납을 함유하고 있지 않으므로, 납으로 인한 환경 오염을 방지할 수 있는 이점을 가진다. Therefore, the piezoelectric ceramic composition containing (K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 <a <1) according to the present invention is a piezoelectric ceramic composition comprising a rhombohedral structure and a tetragonal structure Wherein the piezoelectric ceramic composition has a maximum Curie temperature and a maximum piezoelectric property ( d 33 ). The piezoelectric ceramic composition according to
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples.
[[ 실시예Example ]]
실시예Example 1 One
(K0.48Na0.52)NbO3(이하, 'KNN'이라 함)에 Bi0 .5(Na0 .7K0. 2Li0 . 1)0.5ZrO3(이하, 'BNKLZ'라 함)를 0~7몰%로 도핑하여 압전 세라믹 조성물[(1-x1)KNN-x1BNKLZ]을 제조하였다. (K 0.48 Na 0.52) NbO 3 ( hereinafter 'KNN' term) to Bi 0 .5 (Na 0 .7 K 0. 2
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물의 (a) XRD(44~47°) 패턴 분석 결과, (b) -100~200℃ 온도에 따른 유전상수(ε r) 측정 결과, (c) XRD Rietveld refinement 방법을 통한 상온(25℃)에서 능면정계(Rhombohedral; R) 구조, 사방정계(Orthorhombic; O) 구조 및 정방정계(Tetragonal; T) 구조의 상분율 계산 결과 및 (d) 압전상수(d 33) 평가 결과를 보여주는 그래프이다.1 is a graph showing the results of (a) XRD pattern analysis (44 ~ 47 °) of the piezoelectric ceramic composition prepared according to Example 1, (b) dielectric constant ( ε r ) (XRD) Rietveld refinement method at room temperature (25 ° C), and (d) the piezoelectric constants of the rhombohedral (R) structure, the orthorhombic (O) structure and the tetragonal ( d 33 ) is a graph showing the evaluation result.
도 1(a) 및 (b)에 나타난 바와 같이, BNKLZ의 도핑량이 증가함에 따라 XRD(44~47°) 패턴이 변화하고 TR-O 및 TO-T에 해당하는 피크의 위치가 변화하는 것으로 확인된다. 이를 통해, 실시예 1에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물의 상구조를 분석하면, BNKLZ가 도핑되지 않거나 작게 도핑된 경우(0몰%, 1몰%) O 구조를 유지하다가, BNKLZ의 도핑량이 증가함에 따라(2몰%, 2.5몰%, 3몰%, 3.5몰%, 4몰%) R-0-T 구조로 변화한 다음, BNKLZ의 도핑량이 더욱 증가함에 따라(4.5몰%, 5몰%, 6몰%, 7몰%) R-T 구조로 다시 변화하는 것으로 확인된다. 다만, 동일한 구조의 상경계를 가진다고 할지라도, XRD(44~47°) 패턴과 TR-O 및 TO-T에 해당하는 피크의 위치가 다소 상이한 것으로 확인되는데, 이는 동일한 구조의 상경계라고 할지라도 상경계를 이루는 각 구조의 상분율의 비가 상이하기 때문이다. As shown in FIGS. 1 (a) and (b), as the doping amount of BNKLZ increases, it is confirmed that the pattern of XRD (44 ~ 47 °) changes and the position of the peak corresponding to T RO and T OT changes. Analysis of the phase structure of the piezoelectric ceramic composition prepared according to Example 1 revealed that when the BNKLZ was not doped or doped small (0 mol%, 1 mol%), the O structure was maintained and the doping amount of BNKLZ was increased The structure was changed to the R-0-T structure (4.5 mol%, 5 mol%, 2.5 mol%, 2.5 mol%, 3.5 mol%, and 3.5 mol%) as the doping amount of BNKLZ further increased. 6 mol%, 7 mol%) RT structure. Although the XRD (44 ~ 47 °) pattern and the positions of the peaks corresponding to T RO and T OT are somewhat different from each other, even if they have the same structure, The ratio of the phase fraction of the structure is different.
도 1(c)에 나타난 바와 같이, BNKLZ의 도핑량이 증가함에 따라 O 구조는 줄어들다가 결국 사라지면서, R-T 구조의 상경계가 형성되는 것으로 확인된다. 또한, R-T 구조의 상경계가 형성된 이후에는, 총 상경계 대비, R 구조의 상분율이 점점 증가하는 것으로 확인된다. As shown in FIG. 1 (c), as the doping amount of BNKLZ increases, the O structure is reduced and eventually disappears, confirming that the R-T structure is formed. In addition, after the R-T structure system is formed, it is confirmed that the phase fraction of the R structure increases gradually with respect to the total CMC system.
도 1(d)에 나타난 바와 같이, BNKLZ의 도핑량이 증가함에 따라 압전상수(d 33)는 증가하다가 다시 감소하는 추세를 보이는 것으로 확인된다. 구체적으로, BNKLZ의 도핑량이 4.5~5몰%일 때(즉, R 구조 및 T 구조의 상분율의 비가 16.3:83.7~17.6: 82.4일 때), 압전상수(d 33)가 최대인 것으로 확인된다. As shown in FIG. 1 (d), as the doping amount of BNKLZ increases, the piezoelectric constant ( d 33 ) increases and then decreases again. Specifically, it is confirmed that the piezoelectric constant ( d 33 ) is the maximum when the doping amount of BNKLZ is 4.5 to 5 mol% (that is, when the ratio of the phase ratio of the R structure and the T structure is 16.3: 83.7 to 17.6: 82.4) .
실시예Example 2 2
(K0.48Na0.52)NbO3(이하, 'KNN'이라 함)에 Bi0 .5(Na0 .7K0. 2Li0 . 1)0.5ZrO3(이하, 'BNKLZ'라 함)를 3~5몰%로 도핑한 다음, BiScO3(이하, 'BS'라 함)를 0~3몰%로 도핑하여 압전 세라믹 조성물[(1-x2-y2)KNN-x2BNKLZ-y2BS]을 제조하였다. (K 0.48 Na 0.52) Bi 0 .5 to NbO 3 (hereinafter referred to as, 'KNN') (Na 0 .7
도 2은 실시예 2에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물의 (a) XRD(44~47°) 패턴 분석 결과, (b) -100~200℃ 온도에 따른 유전상수(ε r) 측정 결과, (c) XRD Rietveld refinement 방법을 통한 상온(25℃)에서 능면정계(Rhombohedral; R) 구조, 사방정계(Orthorhombic; O) 구조 및 정방정계(Tetragonal; T) 구조의 상분율 계산 결과 및 (d) 압전상수(d 33) 평가 결과를 보여주는 그래프이다.Figure 2 is the embodiment of the piezoelectric ceramic composition produced according to 2 (a) XRD (44 ~ 47 °) pattern analysis, (b) -100 ~ 200 ℃ dielectric constant according to the temperature (ε r) measurements, (c (XRD) Rietveld refinement method at room temperature (25 ° C), and (d) the piezoelectric constants of the rhombohedral (R) structure, the orthorhombic (O) structure and the tetragonal ( d 33 ) is a graph showing the evaluation result.
도 2(a) 및 (b)에 나타난 바와 같이, BS의 도핑량이 증가함에 따라 XRD(44~47°) 패턴이 변화하고 TR-O 및 TO-T에 해당하는 피크의 위치가 변화하는 것으로 확인된다. 이를 통해, 실시예 2에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물의 상구조를 분석하면, BNKLZ가 3몰%, 3.5몰% 또는 4몰% 도핑된 경우, BS가 도핑되지 않거나 작게 도핑되었을때 R-0-T 구조를 유지하다가, BS의 도핑량이 증가함에 따라 R-T 구조로 변화하는 것으로 확인된다. 한편, BNKLZ가 4.5몰% 또는 5몰% 도핑된 경우에는 BS 도핑량에 상관없이 R-T 구조의 상경계를 형성하는 것으로 확인된다. As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), as the doping amount of BS increases, it is confirmed that the XRD pattern (44 to 47 °) changes and the positions of the peaks corresponding to T RO and T OT change. Analysis of the phase structure of the piezoelectric ceramic composition prepared according to Example 2 showed that when BNKLZ was doped at 3 mol%, 3.5 mol% or 4 mol% and BS was not doped or doped to a small extent, R-0- T structure, it is confirmed that the RT structure is changed as the doping amount of BS increases. On the other hand, it is confirmed that when BNKLZ is doped at 4.5 mol% or 5 mol%, the RT system of the RT structure is formed irrespective of the amount of BS doping.
또한, BNKLZ 및 BS 도핑량이 증가함에 따라 TR- O 는 점점 증가하면서 TO-T는 점점 감소하는 것으로 확인된다. 구체적으로, TR- O 가 -80℃ 이상으로 증가하면서 TO-T 가 127℃ 이하로 감소하면 상온에서 R-O-T 구조의 상경계가 형성된다. BNKLZ 및 BS 도핑량이 더욱 증가함에 따라 TR-O 및 TO-T에 해당하는 피크는 상온 부근에서 하나의 피크로 합쳐지는데, 이로써, 상온에서는 R-T 구조의 상경계가 형성된다. 다만, 동일한 구조의 상경계를 가진다고 할지라도, XRD(44~47°) 패턴과 TR-O 및 TO- T에 해당하는 피크의 위치가 다소 상이한 것으로 확인되는데, 이는 동일한 구조의 상경계라고 할지라도 상경계를 이루는 각 구조의 상분율의 비가 상이하기 때문이다. In addition, as the amount of BNKLZ and BS doping increases, T R - O gradually increases and T OT decreases gradually. More specifically, if T is R- O increases above -80 ℃ and T OT is reduced to less than 127 ℃ to form the phase boundary of the ROT structure at room temperature. As BNKLZ BS and doping amount is further increased peak corresponding to T RO and T OT is makin together as one peak at about room temperature, Thus, at room temperature to form the structure of the RT phase boundary. Although the XRD (44 ~ 47 °) pattern and the positions of the peaks corresponding to T RO and T O- T are somewhat different from each other, even if they have the same structure, The ratio of the phase fraction of each structure is different.
도 2(c)에 나타난 바와 같이, BNKLZ 및 BS의 도핑량이 증가함에 따라 O 구조는 줄어들다가 결국 사라지면서, R-T 구조의 상경계가 형성되는 것으로 확인된다. 또한, R-T 구조의 상경계가 형성된 이후에는, 총 상경계 대비, R 구조의 상분율이 점점 증가하는 것으로 확인된다. As shown in FIG. 2 (c), as the doping amount of BNKLZ and BS increases, the O structure is reduced and eventually disappears, confirming that the R-T structure is formed. In addition, after the R-T structure system is formed, it is confirmed that the phase fraction of the R structure increases gradually with respect to the total CMC system.
도 2(d)에 나타난 바와 같이, BNKLZ가 3몰%, 3.5몰% 또는 4몰% 도핑된 경우, BS의 도핑량이 증가함에 따라 압전상수(d 33)는 증가하다가 다시 감소하는 추세를 보이는 것으로 확인된다. 구체적으로, BS의 도핑량이 0.5~1몰%일 때(즉, R 구조 및 T 구조의 상분율의 비가 14.4: 85.6~15.8:84.2일 때), 압전상수(d 33)가 최대인 것으로 확인된다. As shown in FIG. 2 (d), when BNKLZ is doped with 3 mol%, 3.5 mol%, or 4 mol%, the piezoelectric constant d 33 increases with the doping amount of BS, Is confirmed. Specifically, it is confirmed that the piezoelectric constant d 33 is the maximum when the doping amount of the BS is 0.5 to 1 mol% (that is, when the ratio of the R fraction and the phase fraction of the T structure is 14.4: 85.6 to 15.8: 84.2) .
실시예Example 3 3
(K0.48Na0.52)NbO3(이하, 'KNN'이라 함)에 Bi0 .5(Na0 .7K0. 2Li0 . 1)0.5ZrO3(이하, 'BNKLZ'라 함)를 3몰%로 도핑한 다음, (Bi0.5Na0.5)TiO3(이하, 'BNT'라 함)를 0~2몰%로 도핑하여 압전 세라믹 조성물[(0.97-y3)KNN-0.03BNKLZ-y3BNT]을 제조하였다. (K 0.48 Na 0.52) Bi 0 .5 to NbO 3 (hereinafter referred to as, 'KNN') (Na 0 .7
도 3은 실시예 3에 따라 제조된 압전 세라믹 조성물의 (a) XRD(44~47°) 패턴 분석 결과, (b) -100~200℃ 온도에 따른 유전상수(ε r) 측정 결과, (c) XRD Rietveld refinement 방법을 통한 상온(25℃)에서 능면정계(Rhombohedral; R) 구조, 사방정계(Orthorhombic; O) 구조 및 정방정계(Tetragonal; T) 구조의 상분율 계산 결과 및 (d) 압전상수(d 33) 평가 결과를 보여주는 그래프이다.3 is a graph showing the results of (a) XRD pattern analysis (44 ~ 47 °) of the piezoelectric ceramic composition prepared in Example 3, (b) dielectric constant ( ε r ) (XRD) Rietveld refinement method at room temperature (25 ° C), and (d) the piezoelectric constants of the rhombohedral (R) structure, the orthorhombic (O) structure and the tetragonal ( d 33 ) is a graph showing the evaluation result.
도 3(a) 및 (b)에 나타난 바와 같이, BNT의 도핑량이 증가함에 따라 XRD(44~47°) 패턴이 변화하고 TR-O 및 TO-T에 해당하는 피크의 위치가 변화하는 것으로 확인된다. BNT가 도핑되지 않거나 작게 도핑되었을때 (0몰%, 0.5몰%, 1몰%) R-0-T 구조를 유지하다가, BNT의 도핑량이 증가함에 따라(1.5몰%, 2몰%) R-T 구조로 변화하는 것으로 확인된다. 다만, 동일한 구조의 상경계를 가진다고 할지라도, XRD(44~47°) 패턴과 TR-O 및 TO-T에 해당하는 피크의 위치가 다소 상이한 것으로 확인되는데, 이는 동일한 구조의 상경계라고 할지라도 상경계를 이루는 각 구조의 상분율의 비가 상이하기 때문이다. As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), as the doping amount of BNT increases, the pattern of XRD (44 to 47 °) changes and the positions of the peaks corresponding to T RO and T OT change. RT structure (1.5 mol%, 2 mol%) as the doping amount of BNT was increased while maintaining the R-0-T structure when BNT was not doped or small (0.5 mol% . ≪ / RTI > Although the XRD (44 ~ 47 °) pattern and the positions of the peaks corresponding to T RO and T OT are somewhat different from each other, even if they have the same structure, The ratio of the phase fraction of the structure is different.
도 3(c)에 나타난 바와 같이, BNT의 도핑량이 증가함에 따라 O 구조는 줄어들다가 결국 사라지면서, R-T 구조의 상경계가 형성되는 것으로 확인된다. 또한, R-T 구조의 상경계가 형성된 이후에는, 총 상경계 대비, T 구조의 상분율이 점점 증가하는 것으로 확인된다. As shown in FIG. 3 (c), as the doping amount of BNT increases, the O structure is reduced and eventually disappears, confirming that the R-T structure is formed. In addition, after the R-T structure system is formed, it is confirmed that the phase fraction of the T structure increases gradually with respect to the total system.
도 3(d)에 나타난 바와 같이, BNT의 도핑량이 증가함에 따라 압전상수(d 33)는 증가하다가 다시 감소하는 추세를 보이는 것으로 확인된다. 구체적으로, BNT의 도핑량이 1.5~2몰%일 때(즉, R 구조 및 T 구조의 상분율의 비가 11.3:88.7~14.7:85.3일 때), 압전상수(d 33)가 최대인 것으로 확인된다. As shown in FIG. 3 (d), the piezoelectric constant d 33 increases with the doping amount of BNT, and then decreases again. Specifically, it is confirmed that the piezoelectric constant ( d 33 ) is the maximum when the doping amount of the BNT is 1.5 to 2 mol% (that is, when the ratio of the R fraction and the phase fraction of the T structure is 11.3: 88.7 to 14.7: 85.3) .
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
Claims (9)
상기 압전 세라믹 조성물은 능면정계(Rhombohedral) 구조 및 정방정계(Tetragonal) 구조를 포함하는 상경계를 가지고,
상기 능면정계 구조 및 상기 정방정계 구조의 상분율의 비는 10:90 내지 18:82인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
(K a Na (1-a) ) NbO 3 (0 < a < 1)
The piezoelectric ceramic composition has a topographic system including a rhombohedral structure and a tetragonal structure,
Wherein the ratio of the surface-perfecting structure to the tetragonal structure is 10:90 to 18:82.
상기 압전 세라믹 조성물은 Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3(0≤b1≤1, 0≤b2≤1)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
The method according to claim 1,
The piezoelectric ceramic composition Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 , characterized in that the piezoelectric ceramic further comprises a (0≤b1≤1, 0≤b2≤1) Composition.
상기 압전 세라믹 조성물은 BiScO3 또는 (BicNa(1-c))TiO3(0≤c≤1)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
3. The method of claim 2,
Wherein the piezoelectric ceramic composition further comprises BiScO 3 or (Bi c Na (1-c) ) TiO 3 ( 0? C? 1 ).
상기 압전 세라믹 조성물은 하기 화학식 1 내지 화학식 3으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 조성을 가진 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물:
[화학식 1]
(1-x1)(KaNa(1-a))NbO3-x1Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3 (0.04<x1<0.06, 0<a<1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1),
[화학식 2]
(1-x2-y2)(KaNa(1-a))NbO3-x2Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3-y2BiScO3 (0.025<x2≤0.05, 0<y2<0.015, 0<a<1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1),
[화학식 3]
(0.97-y3)(KaNa(1-a))NbO3-0.03Bi0 .5(Nab1Kb2Li(1-b1-b2))0.5ZrO3-y3(BicNa(1-c))TiO3 (0.010<y3<0.025, 0<a<1, 0≤b1≤1, 0≤b2≤1 및 0≤c≤1).
The method according to claim 1,
Wherein the piezoelectric ceramic composition has at least one composition selected from the group consisting of the following Chemical Formulas 1 to 3:
[Chemical Formula 1]
(1-x1) (K a Na (1-a)) NbO 3 -x1Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 (0.04 <x1 <0.06, 0 <a <1, 0? B1? 1, 0? B2? 1)
(2)
(1-x2-y2) ( K a Na (1-a)) NbO 3 -x2Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 -y2BiScO 3 (0.025 <x2? 0.05, 0 <y2 <0.015, 0 <a <1, 0? B1? 1, 0? B2? 1)
(3)
(0.97-y3) (K a Na (1-a)) NbO 3 -0.03Bi 0 .5 (Na b1 K b2 Li (1-b1-b2)) 0.5 ZrO 3 -y3 (Bi c Na (1-c ) ) TiO 3 (0.010 < y 3 < 0.025, 0 < a 1, 0 b 1 1, 0 b 2 1 and 0 c 1).
상기 상경계는 10℃ 내지 50℃에서 확인되는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the glass-ceramics system is confirmed at 10 占 폚 to 50 占 폚.
상기 상경계는 사방정계(Orthorhombic) 구조를 포함하지 아니한 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the ceramic system does not include an orthorhombic structure.
상기 압전 세라믹 조성물은 비납계인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein the piezoelectric ceramic composition is a non-piezoelectric ceramic composition.
상기 압전 세라믹조성물의 압전상수(d 33 )는 200pC/N 내지 500 pC/N 인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 조성물.
The method according to claim 1,
Wherein a piezoelectric constant ( d 33 ) of the piezoelectric ceramic composition is 200 pC / N to 500 pC / N.
A piezoelectric ceramic device using the piezoelectric ceramic composition according to any one of claims 1 to 8.
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