KR20190079061A - 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹스의 제조방법은 인체에 유해하고 환경오염을 유발시키는 종래의 납 계통의 PZT계 세라믹 소재와는 달리 비스무스 계통의 압전 세라믹 소재를 제공하므로 환경 친화적이며, 완화형강유전체인 BNT-ST와 강유전체인 BNKT-BCZ 무연 압전 세라믹스를 혼합하여 제조함으로써, 납을 포함하지 않으면서 저전계에서도 전계유기 변형 특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 무연 압전 세라믹스의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 납을 함유하지 않고, 전계유기 변형특성이 우수한 비스무스계 압전 세라믹스의 제조방법에 관한 것이다.
압전 세라믹스는 우수한 압전 및 유전 특성으로 전자산업과 메카트로닉스 분야에서 중요한 역할을 하며, 통신기기 분야에서 필터, 압전 트랜스포머 등에 사용되는 것을 비롯하여 의료기기 분야, 센서기기 분야, 가정용 전자기기 분야, 정밀계측기기 분야 등에서 유용하게 사용되고 있다. 특히, 최근에는 고정밀 액츄에이터(actuator)나 초음파 응용 소자 또는 정보통신 소자에 적용가능한 소재로서 각광받고 있다.
현재, 압전 세라믹 소재로는 Pb(Zr,Ti)O3(이하, 'PZT')계 세라믹 소재가 널리 이용되고 있다.
상기 PZT계 세라믹 소재는 압전 특성이 우수하고 가격이 저렴하면서 제조 공정기술이 잘 알려져 있어, 다양한 압전 센서 및 액추에이터에 적용되고 있으며, 이외에도 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer), 센서, 진동자(resonator) 등의 전자 소자에 활용하기 위한 연구 개발이 광범위하게 이루어져 왔다.
그러나, 현재 사용되고 있는 대부분의 PZT계 세라믹 소재는 중량비로 50% 이상을 차지하는 납(Pb)을 포함하는 조성을 가지고 있어, 인체에 해로우며 환경오염을 유발시킬 수 있는 문제점이 있다.
또한, 최근에는 전 세계적으로 납이 함유된 소재의 사용이 규제되고 있는 실정이나, 전자 산업에 있어서 PZT계 세라믹 소재를 대체할 수 있는 무연 소재가 개발되지 않아 규제 대상에서 제외되고 있다.
이를 근본적으로 해결하기 위한 방안으로, 원천적으로 납을 포함하지 않는 무연(Pb-free) 계통의 세라믹 소재를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 기존의 PZT계 소재를 대체할 수 있는 수준의 무연 계통의 소재에 대해서는 보고된 바가 없다.
한편, 최근까지 개발된 무연 압전 세라믹 소재로서, 비스무스(Bi)계 무연 압전 세라믹인 (Bi1/2Na1/2)TiO3(이하 'BNT')계 세라믹 소재 및 (Bi1/2K1/2)TiO3(이하 'BKT')계 세라믹 소재가 있으며, 이들은 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가지며 우수한 압전 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다.
그러나, 항전계(coercive field)가 높고 절연 파괴 전압(breakdown voltage)이 낮아서 분극이 어렵다는 단점으로 인하여 실용적인 소자로 활용되기에는 압전 특성이 미흡하다는 문제점이 있다.
이에 따라, 이들 물질에 BaZrO3, CeO2, BiO2, 또는 SrCO3 등을 첨가 및 치환시키는 화학적 개량에 대한 연구가 수행되고 있으나, 지금까지 연구된 무연 압전 세라믹은 5 kV/mm 이상의 높은 전계에서는 PZT계 세라믹 압전 소재에 비해 높은 변형률을 나타내는 반면, 실용범위인 4 kV/mm 이하의 낮은 전계에서는 전계유기 변형률이 현저히 낮아, 실용화하기 위해서는 전기적 특성의 개선이 추가적으로 필요한 실정이다(특허문헌 1 및 특허문헌 2 참조).
또한, 여러 가지 압전특성 중에서도 압전 액츄에이터 분야에 적용하기 위해서는 전계를 인가할 때 높은 변형율을 나타내는 것이 요구되며, 특히 휴대폰, 현미경 및 정밀기기와 같이 소형화 및 고정밀도를 필요로 하는 액츄에이터에 적용하기 위해서는 저전계에서도 우수한 변형 특성을 나타내는 것이 필수적이나, 이러한 특성을 가진 무연 압전 세라믹 소재에 대해서는 알려진 바가 없다.
본 발명의 목적은 완화형강유전체인 BNT-ST와 강유전체인 BNKT-BCZ 무연 압전 세라믹스를 혼합하여 제조함으로써, 납을 포함하지 않으면서 저전계에서도 전계유기 변형 특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1의 조성을 만족하도록 Bi2O3, Na2CO3, TiO2, 및 SrCO3을 칭량하고, 화학식 2의 조성을 만족하도록 Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, Ba2CO3, 및 CaCO3 및 ZrO2를 칭량한 후, 습식 혼합하여 제1슬러리 및 제2슬러리를 생성하는 단계; 상기 제1슬러리 및 제2슬러리를 건조(drying)하여 제1혼합 분말 및 제2혼합 분말을 생성하는 단계; 상기 제1혼합 분말 및 제2혼합 분말을 하소(calcination)시켜 제1세라믹 분말 및 제2세라믹 분말을 생성하는 단계; 상기 제1세라믹 분말 및 제2세라믹 분말을 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 세라믹 분말을 하소시키는 단계를 포함하는, 하기 화학식 3으로 표시되는 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법을 제공한다.
[화학식 1]
(1-x)Bi1/2Na1/2TiO3-xSrTiO3
상기 화학식 1에서, x는 0.28의 실수이고,
[화학식 2]
(1-y)Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-y(Ba0.8Ca0.2)ZrO2
상기 화학식 2에서, y는 0.01의 실수이고,
[화학식 3]
1-z{(1-x)Bi1/2Na1/2TiO3-xSrTiO3}+ z{(1-y)Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-y(Ba0.8Ca0.2)ZrO2}
상기 화학식 3에서, x는 0.28의 실수이고, y는 0.01의 실수이고, z는 0.1 에서 0.3의 실수임.
또한 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된, 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 무연 압전 세라믹스를 포함하는, 압전 응용 소자를 제공한다.
본 발명에 따른 무연 압전 세라믹스의 제조방법은 인체에 유해하고 환경오염을 유발시키는 종래의 납 계통의 PZT계 세라믹 소재와는 달리 비스무스 계통의 압전 세라믹 소재를 제공하므로 환경 친화적이며, 완화형강유전체인 BNT-ST와 강유전체인 BNKT-BCZ 무연 압전 세라믹스를 혼합하여 제조함으로써, 저전계에서도 높은 변형율을 나타내어 압전 특성이 향상된 압전 세라믹스를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무연 압전 세라믹스의 제조방법을 나타낸 개략도이다.
도 2는 화학식 3의 조성을 갖는 무연 압전 세라믹스 시료의 전계유기 변형 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 화학식 3의 조성을 갖는 무연 압전 세라믹스 시료의 전계유기 변형률(S-E) 곡선을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 화학식 3의 조성을 갖는 무연 압전 세라믹스 시료의 전계유기 변형 특성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 화학식 3의 조성을 갖는 무연 압전 세라믹스 시료의 전계유기 변형률(S-E) 곡선을 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명인 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 발명자들은 우수한 압전 특성을 나타내는 무연 압전 세라믹에 대해 연구 개발 하던 중 (Bi1/2Na1/2)TiO3(BNT)를 포함한 비스무스(Bi)계 세라믹의 경우 저전계에서도 높은 변형율을 나타내어 압전 특성을 향상시킬 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 하기 화학식 1의 조성을 만족하도록 Bi2O3, Na2CO3, TiO2, 및 SrCO3을 칭량하고, 화학식 2의 조성을 만족하도록 Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, Ba2CO3, 및 CaCO3 및 ZrO2를 칭량한 후, 습식 혼합하여 제1슬러리 및 제2슬러리를 생성하는 단계; 상기 제1슬러리 및 제2슬러리를 건조(drying)하여 제1혼합 분말 및 제2혼합 분말을 생성하는 단계; 상기 제1혼합 분말 및 제2혼합 분말을 하소(calcination)시켜 제1세라믹 분말 및 제2세라믹 분말을 생성하는 단계; 상기 제1세라믹 분말 및 제2세라믹 분말을 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 세라믹 분말을 하소시키는 단계를 포함하는, 하기 화학식 3으로 표시되는 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법을 제공한다.
[화학식 1]
(1-x)Bi1/2Na1/2TiO3-xSrTiO3
상기 화학식 1에서, x는 0.28의 실수이고,
[화학식 2]
(1-y)Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-y(Ba0.8Ca0.2)ZrO2
상기 화학식 2에서, y는 0.01의 실수이고,
[화학식 3]
1-z{(1-x)Bi1/2Na1/2TiO3-xSrTiO3}+ z{(1-y)Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-y(Ba0.8Ca0.2)ZrO2}
상기 화학식 3에서, x는 0.28의 실수이고, y는 0.01의 실수이고, z는 0.1 에서 0.3의 실수임.
상기 화학식 1로 표시되는 세라믹스를 제조하기 위하여 Bi1/2Na1/2TiO3에 SrTiO3이 첨가되어 고용체를 이루며, 화학식 2로 표시되는 세라믹스를 제조하기 위하여 Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3에 Ba0.8Ca0.2ZrO2이 첨가되어 고용체를 이루며 제1 세라믹 분말 및 제2 세라믹 분말을 각각 합성한 후, 이를 혼합하여 제조하게 된다.
예를 들어, SrTiO3의 조성 z가 0.3인 화학식 3로 표시되는 세라믹스를 제조하기 위하여 화학식 2에서 y가 0.01인 0.99Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-0.01(Ba0.8Ca0.2)ZrO2 분말과, 화학식 1에서 x가 0.28인 0.72Bi1/2Na1/2TiO3-0.28SrTiO3 분말을 만든 후, 이들 분말을 혼합하여 세라믹스를 제조할 수 있다.
즉, 아래와 같은 조건을 만족하는 두 가지 세라믹 분말(화학식 1 및 화학식 2)을 각각 제조한 후, 혼합하여 원하는 조성을 가진 세라믹스 제조하는 방법을 통하여 보다 우수한 유기전계 변형률을 갖는 압전 세라믹스를 얻을 수 있게 된다.
[식 1]
{(완화형강유전체 BNT-ST) + (강유전체 BNKT-BCZ)} = (원하는 조성)
이때, 상기 Na2CO3와 K2CO3 분말은 흡습성을 가지므로 보관 중 주변 환경으로부터 수분을 흡수하여 무게가 증가할 수 있으며, 칭량 전 건조가 충분하지 않으면 함유하고 있는 수분의 양만큼 조성이 달라지게 되어 이에 따라 압전 특성도 변할 수 있다. 따라서, Na2CO3와 K2CO3 분말을 80 내지 100℃의 건조 오븐에서 24시간 동안 충분히 건조시킨 후, 이미 함유된 수분의 건조에 따른 무게감소가 더 이상 없는 상태, 즉 완전 건조의 상태를 확인한 후 칭량할 수 있다.
또한, 상기 습식 혼합은 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법 또는 조건이라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. 예를 들어, 볼 밀링법으로 수행할 수 있으며, 볼 밀링법으로 수행할 경우 무수 에탄올, 에탄올, 아세톤과 같은 유기 용매를 이용하여 24시간 동안 습식 혼합할 수 있다.
상기 건조(drying)는 70 내지 90℃에서 24시간 동안 수행하는 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1세라믹 분말 및 제2세라믹 분말을 혼합하는 단계는 제1세라믹 분말 및 제2세라믹 분말을 부피비로 혼합하는 단계일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 하소는 800℃ 내지 900℃의 온도에서 1 내지 3시간 동안 수행하는 것일 수 있으며, 혼합된 세라믹 분말을 800℃ 내지 900℃의 온도에서 1 내지 3시간 동안 하소시킴으로써 판상의 무연 압전 세라믹스를 제조할 수 있고, 상기 하소 조건은 본 발명에 따른 압전 세라믹스의 구조가 변형되지 않는 조건이라면 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 혼합된 세라믹 분말의 하소 단계 이후에 상기 혼합 세라믹 분말을 습식 분쇄하고 건조시킨 후, 압축 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 1100℃ 내지 1200℃의 온도에서 소결하여 판상의 시편을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 성형체를 제조하는 단계에 있어서 상기 성형체는 건조된 분말에 폴리비닐 알콜(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral, PVB) 또는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol, PEG)과 같은 바인더를 혼합하고 성형하여 제조할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된, 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스를 제공한다.
상기 무연 압전 세라믹스는 4 kV/mm의 구동 전계에서 550 pm/V 이상의 전계유기 변형률(S max /E max )을 가질 수 있고, 3 kV/mm의 구동 전계에서 450 pm/V 이상의 전계유기 변형률(S max /E max )을 가질 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한 본 발명은 상기 무연 압전 세라믹스를 포함하는, 압전 응용 소자를 제공한다.
상기 압전 응용 소자는, 압전 응용 소자의 압전 특성이 발휘되도록 하기 위해 본 발명에 따른 압전 세라믹스를 포함하는 압전 세라믹 제품을 일컫는다. 상기 압전 응용 소자는, 본 발명에 따른 조성을 갖는 비스무스(Bi) 계통의 무연 압전 세라믹스를 포함함으로써, 낮은 전계 조건에서도 우수한 전계유기 변형률을 나타낼 수 있어, 다양한 분야에 적용할 수 있다. 적용 가능한 분야로는 우리의 생활과 밀접하게 관련되어 있는 휴대폰, 자동차, TV 디스플레이 등으로부터 각종 의료기기, 정밀기기의 부품에 이르기까지 다양한 분야에 적용할 수 있으며, 필터, 압전 공진기, 진동자, 센서, 액츄에이터, 변압기, 압전 발전 소자(energy harvesting devices) 등의 용도 및 형태로도 적용할 수 있다.
이하, 하기 실시예에 의해 본 발명인 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 무연 압전 세라믹스의 제조
Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, BaCO3, CaCO3, ZrO2 및 SrCO3 분말을 사용하여 0.72Bi1/2Na1/2TiO3-0.28SrTiO3의 조성 및 0.99Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-0.01(Ba0.8Ca0.2)ZrO2의 조성을 만족하는 몰비가 되도록 각각 칭량하여 볼 밀링(ball milling) 방법으로 습식 혼합하여 제1슬러리 및 제2슬러리를 생성하였다. 볼 밀링 조건은 하기와 같다.
-볼(ball): 3 Φ, 5 Φ의 지르코늄 볼(Zr ball)
- 교반속도: 300 rpm
- 시간 및 온도: 상온(RT), 24시간
-용매: 에탄올
습식 혼합되어 생성된 제1슬러리 및 제2슬러리를 80℃에서 22시간 동안 건조(drying)시켜 제1혼합 분말 및 제2혼합 분말을 생성하였다.
이후 고상 화학반응을 일으키기 위하여 건조된 제1혼합 분말 및 제2혼합 분말을 850℃에서 2시간 동안 하소(calcination)하여 제1 세라믹 분말 및 제2 세라믹 분말을 합성하였다.
합성된 제1세라믹 분말 및 제2세라믹 분말을 부피분율로 혼합하여 얻어진 혼합된 세라믹 분말을 850℃에서 2시간 동안 하소(calcination)하여 0.9{0.72Bi1/2Na1/2TiO3-0.28SrTiO3}+0.1{0.99Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-0.01(Ba0.8Ca0.2)ZrO2}의 조성을 갖는 세라믹 혼합 분말을 합성하였다.
그 다음, 하소된 세라믹 혼합 분말을 평균입경이 100 ㎛ 이하로 습식 분쇄하고, 이를 200 mesh로 조립한 다음, 프레스를 이용하여 압축 성형법으로 성형(금형의 직경: 12 mm, 압력: 약 100 MPa)하였다.
성형체를 전기로에서 1175℃에서 2시간 동안 소결하여 판상의 시편을 제조하였다.
<실시예 2> 무연 압전 세라믹스의 제조
Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, BaCO3, CaCO3, ZrO2 및 SrCO3 분말을 사용하여 0.72Bi1/2Na1/2TiO3-0.28SrTiO3의 조성 및 0.99Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-0.01(Ba0.8Ca0.2)ZrO2의 조성을 만족하는 몰비가 되도록 각각 칭량하여 0.8{0.72Bi1/2Na1/2TiO3-0.28SrTiO3}+0.2{0.99Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-0.01(Ba0.8Ca0.2)ZrO2}의 조성을 갖는 세라믹 혼합 분말을 합성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 무연 압전 세라믹스를 제조하였다.
<실시예 3> 무연 압전 세라믹스의 제조
Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, BaCO3, CaCO3, ZrO2 및 SrCO3 분말을 사용하여 0.72Bi1/2Na1/2TiO3-0.28SrTiO3의 조성 및 0.99Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-0.01(Ba0.8Ca0.2)ZrO2의 조성을 만족하는 몰비가 되도록 각각 칭량하여 0.7{0.72Bi1/2Na1/2TiO3-0.28SrTiO3}+0.3{0.99Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-0.01(Ba0.8Ca0.2)ZrO2}의 조성을 갖는 세라믹 혼합 분말을 합성한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 무연 압전 세라믹스를 제조하였다.
<비교예 1> 무연 압전 세라믹스의 제조
Bi2O3, Na2CO3, TiO2, 및 SrCO3 분말을 사용하여 0.72Bi1/2Na1/2TiO3-0.28SrTiO3의 조성을 만족하는 몰비가 되도록 칭량하여 볼 밀링(ball milling) 방법으로 습식 혼합하여 슬러리를 생성하였다. 볼 밀링 조건은 하기와 같다.
-볼(ball): 3 Φ, 5 Φ의 지르코늄 볼(Zr ball)
- 교반속도: 300 rpm
- 시간 및 온도: 상온(RT), 24시간
-용매: 에탄올
습식 혼합되어 생성된 슬러리를 80℃에서 22시간 동안 건조(drying)시켜 혼합 분말을 생성한 후, 고상 화학반응을 일으키기 위하여 건조된 혼합 분말을 850℃에서 2시간 동안 하소(calcination)하여 세라믹 혼합 분말을 합성하였다.
그 다음, 상기 하소된 세라믹 혼합 분말을 평균입경이 100 ㎛ 이하로 습식 분쇄하고, 이를 200 mesh로 조립한 다음, 프레스를 이용하여 압축 성형법으로 성형(금형의 직경: 12 mm, 압력: 약 100 MPa)하였다.
성형체를 전기로에서 1100℃에서 2시간 동안 소결하여 판상의 시편을 제조하였다.
<비교예 2> 무연 압전 세라믹스의 제조
Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, BaCO3, CaCO3 및 ZrO2 분말을 사용하여 0.99Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-0.01(Ba0.8Ca0.2)ZrO2의 조성을 만족하는 몰비가 되도록 칭량한 것을 제외하고는, 상기 비교예 1과 동일한 조건으로 무연 압전 세라믹스를 제조하였다.
<실험예 1> 무연 압전 세라믹스의 전계유기 변형률
실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 2에 따라 제조된 무연 압전 세라믹스의 전계유기 변형률을 측정하기 위해, 시편의 양면에 고전압을 인가하면서 선형가변 미분변환기(linear variable differential transducer; LVDT)를 이용하여 측정하였다.
측정하기 전, 실시예 1 내지 실시예 3 및 비교예 1 내지 비교예 2에 따라 합성된 시편을 분극하기 위하여 두께가 약 1.0 mm가 되도록 가공한 다음, 양면에 인쇄 도포법으로 은(Ag) 전극을 도포하고, 120℃에서 4 kV/mm의 전계를 30분 동안 인가하여 분극(poling)하였다.
측정된 전계유기 변형 곡선(도 2 및 도 3)에서 정규화된 변형률(normalized strain; S max /E max )을 계산하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| 시료 |
세라믹 조성 |
||||
| 조성 1의 x | 조성 2의 y | 조성 2 의 분율 |
전계(kv/mm) | Smax/Emax(pm/V) |
|
| 1 | 0.28 | 0.01 | 0 | 2 | 172 |
| 2 | 0.28 | 0.01 | 0 | 3 | 420 |
| 3 | 0.28 | 0.01 | 0 | 4 | 407 |
| 4 | 0.28 | 0.01 | 10 | 2 | 191 |
| 5 | 0.28 | 0.01 | 10 | 3 | 456 |
| 6 | 0.28 | 0.01 | 10 | 4 | 556 |
| 7 | 0.28 | 0.01 | 20 | 2 | 182 |
| 8 | 0.28 | 0.01 | 20 | 3 | 461 |
| 9 | 0.28 | 0.01 | 20 | 4 | 690 |
| 10 | 0.28 | 0.01 | 30 | 2 | 194 |
| 11 | 0.28 | 0.01 | 30 | 3 | 721 |
| 12 | 0.28 | 0.01 | 30 | 4 | 678 |
| 13 | 0.28 | 0.01 | 100 | 2 | 174 |
| 14 | 0.28 | 0.01 | 100 | 3 | 341 |
| 15 | 0.28 | 0.01 | 100 | 4 | 328 |
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 무연 압전 세라믹스는 3 kV/mm의 낮은 전계에서도 전계유기 변형률이 우수한 것을 알 수 있다.
구체적으로, 상기 실시예 1 내지 실시예 3에 따라 제조된 무연 압전 세라믹스들은 3 kV/mm의 낮은 구동 전계에서도 450 pm/V 이상의 높은 전계유기 변형률을 나타내었다.
특히, 단일 조성으로 제조된 무연 압전 세라믹스(비교예 1 내지 비교예 2)보다 서로 다른 세라믹 분말을 합성한 후 제조한 경우, 단일 조성으로 제조된 세라믹 분말보다 우수한 전계유기 변형특성을 나타냄을 확인하였다.
그러나, 단일 조성으로 제조된 무연 압전 세라믹스(비교예 1)는 3 kV/mm의 구동 전계에서 420 pm/V의 변형률을 보였고, 이러한 결과로부터 본 발명에 따라 제조된 무연 압전 세라믹스가 보다 월등히 높은 전계유기 변형특성을 나타냄을 확인할 수 있었다(표 1, 도 2 및 도 3 참조).
상기 결과로부터, 본 발명에 따라 제조된 무연 압전 세라믹스는 실용 조건인 3 kV/mm의 구동 전계 및 450 pm/V 이상의 보다 우수한 전계유기 변형률을 충족시킬 수 있어 실용화가 가능함으로써 소형화 및 고정밀도를 필요로 하는 액츄에이터에 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 압전 세라믹스는 기존의 PZT계 세라믹 소재와 달리 인체에 유해한 납을 함유하지 않음으로써 PZT를 대체할 수 있는 압전 세라믹 소재로서의 적용가능성을 나타냄을 확인하였고, 상기 전계유기 변형률은 낮은 전계에서도 450 pm/V 이상의 값을 나타내므로, 현재 상용화되고 있는 PZT의 전계유기 변형률이 250 pm/V인 점을 감안할 때, 실용성 면에서 적합성이 뛰어남을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
Claims (8)
- 하기 화학식 1의 조성을 만족하도록 Bi2O3, Na2CO3, TiO2, 및 SrCO3을 칭량하고, 화학식 2의 조성을 만족하도록 Bi2O3, Na2CO3, K2CO3, TiO2, Ba2CO3, 및 CaCO3 및 ZrO2를 칭량한 후, 습식 혼합하여 제1슬러리 및 제2슬러리를 생성하는 단계; 상기 제1슬러리 및 제2슬러리를 건조(drying)하여 제1혼합 분말 및 제2혼합 분말을 생성하는 단계; 상기 제1혼합 분말 및 제2혼합 분말을 하소(calcination)시켜 제1세라믹 분말 및 제2세라믹 분말을 생성하는 단계; 상기 제1세라믹 분말 및 제2세라믹 분말을 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 세라믹 분말을 하소시키는 단계를 포함하는, 하기 화학식 3으로 표시되는 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법을 제공한다.
[화학식 1]
(1-x)Bi1/2Na1/2TiO3-xSrTiO3
상기 화학식 1에서, x는 0.28의 실수이고,
[화학식 2]
(1-y)Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-y(Ba0.8Ca0.2)ZrO2
상기 화학식 2에서, y는 0.01의 실수이고,
[화학식 3]
1-z{(1-x)Bi1/2Na1/2TiO3-xSrTiO3}+ z{(1-y)Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2TiO3-y(Ba0.8Ca0.2)ZrO2}
상기 화학식 3에서, x는 0.28의 실수이고, y는 0.01의 실수이고, z는 0.1 내지 0.3의 실수임. - 청구항 1에 있어서,
상기 건조(drying)는,
70 내지 90℃에서 20 내지 24시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는, 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1세라믹 분말 및 제2세라믹 분말을 혼합하는 단계는,
제1세라믹 분말 및 제2세라믹 분말을 부피비로 혼합하는 것을 특징으로 하는, 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 하소는,
800℃ 내지 900℃의 온도에서 1 내지 3시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는, 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 혼합된 세라믹 분말의 하소 단계 이후에,
상기 혼합 세라믹 분말을 습식 분쇄하고 건조시킨 후, 압축 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및
상기 성형체를 1100℃ 내지 1200℃의 온도에서 소결하여 판상의 시편을 제조하는 단계
를 더 포함하는, 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스의 제조방법. - 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 따라 제조된, 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스.
- 청구항 6에 있어서,
상기 무연 압전 세라믹스는,
3 kV/mm의 구동 전계에서 450 pm/V 이상, 4 kV/mm의 구동 전계에서 550 pm/V 이상의 전계유기 변형률(S max /E max )을 갖는 것을 특징으로 하는, 전계유기 변형특성이 우수한 무연 압전 세라믹스. - 청구항 6 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 따른 무연 압전 세라믹스를 포함하는, 압전 응용 소자.
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| CN113964266A (zh) * | 2021-10-13 | 2022-01-21 | 中国科学院光电技术研究所 | 一种制备高性能铋基无铅压电驱动器的方法 |
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2017
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