KR20240081898A - 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
낮은 소결온도에서도 우수한 압전특성을 나타내는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법은 (a) (Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3 (여기서, x는 0.1 ~ 0.3임)의 조성을 갖는 BNKT 분말을 합성하는 단계; (b) Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 산성용액을 첨가하고 교반하여 BNK 코팅 용액을 형성하는 단계; (c) 바인더 수지를 용매에 용해시켜 바인더 용액을 형성하는 단계; (d) 상기 BNKT 분말에 BNK 코팅 용액 및 바인더 용액을 혼합하고 볼 밀링한 후, 건조 및 분쇄하는 단계; 및 (e) 상기 분쇄된 분말을 550 ~ 650℃에서 1 ~ 3시간 동안 하소하는 단계;를 포함하며, 상기 바인더 수지는 셀룰로오스계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법은 (a) (Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3 (여기서, x는 0.1 ~ 0.3임)의 조성을 갖는 BNKT 분말을 합성하는 단계; (b) Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 산성용액을 첨가하고 교반하여 BNK 코팅 용액을 형성하는 단계; (c) 바인더 수지를 용매에 용해시켜 바인더 용액을 형성하는 단계; (d) 상기 BNKT 분말에 BNK 코팅 용액 및 바인더 용액을 혼합하고 볼 밀링한 후, 건조 및 분쇄하는 단계; 및 (e) 상기 분쇄된 분말을 550 ~ 650℃에서 1 ~ 3시간 동안 하소하는 단계;를 포함하며, 상기 바인더 수지는 셀룰로오스계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 소결온도에서도 우수한 압전특성을 나타내는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, Pb(Zr,Ti)O3 계열의 세라믹은 우수한 압전특성을 가지고 있으나, 납(Pb)을 포함하고 있기 때문에 인체에 해롭고 환경오염을 유발시킨다. 이를 근본적으로 해결하기 위한 방안의 하나로서, 원천적으로 납을 포함하지 않는 무연 계통의 재료들의 활용을 고려하고 있는 상황이다.
최근에는, (Na1-XKX)0.5Bi0.5TiO3 (이하 BNKT로 약칭함.) 범위의 상경계(Morphotropic Phase Boundary)를 갖는 Bi 계 무연압전 세라믹은 높은 압전특성을 갖는 재료로 친환경 재료로 각광을 받으며 많은 연구가 진행되고 있다.
BNKT 세라믹 조성에 Ca, Zr, Nb, Mg 등 여러 성분을 도핑함으로써 압전특성이 크게 개선되어 왔다. 그러나, Bi계 압전 세라믹 보통 1150℃ 부근에서 소결되었을 때 우수한 압전특성을 갖는데, 이처럼 높은 온도에서는 Na, K, Bi 성분들이 쉽게 휘발할 수 있어 조성의 변화를 초래하여 압전특성의 변화를 초래할 수 있다.
따라서, 안정적인 압전특성을 갖는 무연압전 세라믹을 제조하기 위해서는 소결온도를 낮출 필요가 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0043339호(2011.04.27. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 저온 소성용 무연 압전세라믹 조성물 및 제조방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 코어쉘 구조를 갖는 무연압전 세라믹에 새롭게 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀을 바인더로 도입하여 압전특성을 보다 더 증가시킬 수 있는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법은 (a) (Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3 (여기서, x는 0.1 ~ 0.3임)의 조성을 갖는 BNKT 분말을 합성하는 단계; (b) Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 산성용액을 첨가하고 교반하여 BNK 코팅 용액을 형성하는 단계; (c) 바인더 수지를 용매에 용해시켜 바인더 용액을 형성하는 단계; (d) 상기 BNKT 분말에 BNK 코팅 용액 및 바인더 용액을 혼합하고 볼 밀링한 후, 건조 및 분쇄하는 단계; 및 (e) 상기 분쇄된 분말을 550 ~ 650℃에서 1 ~ 3시간 동안 하소하는 단계;를 포함하며, 상기 바인더 수지는 셀룰로오스계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계는, (a-1) BiO3, Na2CO3, K2CO3 및 TiO2를 칙량한 후, 볼 밀링으로 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 (a-2) 상기 혼합물을 건조 및 해쇄한 후, 850 ~ 1100℃에서 1 ~ 5시간 동안 하소하여 BNKT 분말을 수득하는 단계;를 포함한다.
상기 BNK는 상기 BNKT 분말 100 중량부에 대하여, 0.5 ~ 10 중량부로 첨가한다.
상기 (d) 단계에서, 상기 BNKT 분말 표면에 Na, K 및 Bi 성분을 갖는 BNK 코팅층이 형성된다.
상기 셀룰로오스계 고분자는 히알루론산 고분자 또는 카복시메틸셀룰로오스가 함유된 셀룰로오스 고분자를 이용하는 것이 바람직하다.
상기 바인더 수지는 상기 바인더 용액 전체 중량의 0.2 ~ 6wt%의 함량비로 첨가된다.
상기 바인더 수지는 상기 셀룰로오스계 고분자와 더불어, 그래핀을 더 포함할 수 있다.
상기 바인더 수지는 상기 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 1 : 2 ~ 2 : 1의 중량비로 첨가된다.
상기 (e) 단계 이후, (f) 상기 하소된 분말을 바인더와 혼합한 후, 체 가름하고 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및 (g) 상기 성형체를 1000 ~ 1100℃에서 1 ~ 3시간 동안 소결하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹은 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법으로 제조되어, (Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3 (여기서, x는 0.1 ~ 0.3임)의 조성을 갖는 코어층과, 상기 코어층의 표면을 감싸도록 배치되며, Bi, Na 및 K 성분으로 이루어진 BNK 코팅층을 포함하며, 바인더 수지로 셀룰로오스계 고분자를 이용하는 것에 의해, 상기 BNK 코팅층에 카본층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 무연압전 세라믹은 1,100℃의 소결온도에서 측정된 소결밀도가 5.5 ~ 5.9g/cm3를 가지면서, d33 값이 265 ~ 300 pm/V를 나타낸다.
본 발명에 따른 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 및 그 제조 방법은 코어쉘 구조를 갖는 무연압전 세라믹에 새롭게 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀을 바인더로 도입하여 압전특성을 보다 더 증가시킬 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명에 따른 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 및 그 제조 방법은 BNKT 분말 합성 후, BNKT 분말 표면에 Bi, Na 및 K 성분을 갖는 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)를 표면 코팅하는 것에 의해 코어쉘 구조를 형성함에 따라, 저온소성이 가능하며, 낮은 소결온도에서도 우수한 압전특성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, BNK 코팅층에 카본층이 형성되어 압전능력을 보다 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 및 그 제조 방법은 (Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3 (여기서, x는 0.1 ~ 0.3임)의 조성을 갖는 코어층과, 코어층의 표면을 감싸도록 배치되며, Bi, Na 및 K 성분으로 이루어진 BNK 코팅층 및 BNK 코팅층에 형성되어 있는 카본층을 포함한다.
아울러, 본 발명에 따른 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 및 그 제조 방법은 1,100℃의 소결온도에서 측정된 소결밀도가 5.5 ~ 5.9g/cm3를 가지면서, d33 값이 265 ~ 300 pm/V를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법은 BNKT 분말 합성 단계(S110), BNK 코팅용액 형성 단계(S120), 바인더 용액 형성 단계(S130), 건조 및 분쇄 단계(S140) 및 하소 단계(S150)를 포함한다.
BNKT 분말 합성
BNKT 분말 합성 단계(S110)에서는 (Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3 (여기서, x는 0.1 ~ 0.3임)의 조성을 갖는 BNKT 분말을 합성한다.
BNKT 분말 합성 과정에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, BiO3, Na2CO3, K2CO3 및 TiO2를 (Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3 (여기서, x는 0.1 ~ 0.3임)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 볼 밀링으로 혼합하여 혼합물을 형성한다.
이때, 볼 밀링 방법으로는 10 ~ 30시간 동안 습식 혼합하였으며, 용매로는 에탄올, 에틸 알코올, 메틸 알코올 등의 유기 용매가 사용될 수 있다.
다음으로, 혼합물을 75 ~ 85℃의 온도에서 건조시키고, 해쇄하였다.
다음으로, 해쇄된 분말을 850 ~ 1100℃에서 1 ~ 5시간 동안 하소하여 BNKT 분말을 수득하였다. 이때, 승온 속도는 4 ~ 8℃/min으로 실시하는 것이 바람직하다. 만일, 하소 온도가 850℃ 미만이거나, 하소 시간이 1시간 미만일 경우에는 분말들 사이의 반응이 충분하지 못할 우려가 크다. 반대로, 하소 온도가 1100℃를 초과하거나, 하소 시간이 5시간을 초과할 경우에는 후속 절차인 분쇄에 어려움이 따를 수 있다.
BNK 코팅용액 형성
BNK 코팅용액 형성 단계(S120)에서는 Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 산성용액을 첨가하고 교반하여 BNK 코팅 용액을 형성한다.
이때, Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3의 각 원료는 10분 간격으로 완전 용해가 이루어진 것을 확인한 후 순차적으로 첨가하는 것이 바람직하다. 그리고, 산성용액의 첨가량은 BNKT 분말 100g을 기준으로 50 ~ 200ml가 첨가될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 산성용액으로는 질산, 염산 및 황산 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
여기서, 교반은 200 ~ 350rpm의 속도로 실시하는 것이 바람직하다. 교반 속도가 200rpm 미만일 경우에는 Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3의 각 원료와 산성용액 간의 균일한 혼합이 이루어지지 못할 우려가 있다. 반대로, 교반 속도가 350rpm을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
바인더 용액 형성
바인더 용액 형성 단계(S130)에서는 바인더 수지를 용매에 용해시켜 바인더 용액을 형성한다.
이때, 바인더 수지는 셀룰로오스계 고분자를 이용하는 것이 바람직하다.
용매는 셀룰로오스계 고분자를 용해시킬 수 있는 것이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 일 예로, 용매로는 물이 이용될 수 있다.
여기서, 셀룰로오스계 고분자는 셀룰로오스 또는 그 유도체를 단위로 하여 구성되는 고분자이다. 예를 들어, 셀룰로오스계 고분자는 히알루론산 고분자 또는 카복시메틸셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 에틸셀룰로오스, 히드록시메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시에틸메틸셀룰로오스, 히드록시프로필메틸셀룰로오스 등에서 선택된 하나 이상이 함유된 셀룰로오스 고분자를 포함할 수 있다. 이 중, 셀룰로오스계 고분자로는 히알루론산 고분자 또는 카복시메틸셀룰로오스가 함유된 셀룰로오스 고분자를 이용하는 것이 바람직하다.
이러한 바인더 수지는 바인더 용액 전체 중량의 0.2 ~ 6wt%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 1.5 ~ 3.5wt를 제시할 수 있다. 바인더 수지가 바인더 용액 전체 중량의 0.2wt% 미만으로 첨가될 경우에는 점도가 너무 낮아서 바인더로 사용하기에 적합하지 못하다. 반대로, 바인더 수지가 바인더 용액 전체 중량의 6wt%를 초과할 경우에는 점도가 너무 높아서 바인더를 제조하기 어려울 수 있다.
이와 같이, 바인더 용액에 바인더 수지로 셀룰로오스계 고분자를 첨가하게 되면, 다음과 같은 3가지의 유리한 측면이 있다. 첫째로, 셀룰로오스계 고분자는 용매인 물에 용해되는 몇 안 되는 고분자이므로, 제조 비용을 절감할 수 있다. 둘째로, 셀룰로오스계 고분자는 적은 양을 사용해도 점도를 크게 증가시킨다. 셋째로, 셀룰로오스계 고분자는 하소 단계(S150)에서 탄화되어 카본층을 쉽게 형성한다.
먼저, 셀룰로오스계 고분자의 고점도는 BNK가 코어인 BNKT 분말의 표면을 코팅하여 BNK 쉘을 형성하게 된다. 이때, BNK 쉘에는 셀룰로오스계 고분자도 함께 BNK와 함께 코팅되게 되는데 뒤따르는 하소 공정에서 셀룰로오스계 고분자는 탄화되어 카본층을 형성하게 된다. 카본층은 윤활제 역할과 완충 역할을 동시에 갖는 특성이 있다. 따라서, 압력에 의한 코어의 격자구조의 변형이 보다 수월하게 이루어질 수 있기 때문에 소자의 압전능력을 크게 향상시킨다.
또한, 바인더 수지는 셀룰로오스계 고분자와 더불어, 그래핀을 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 바인더 수지는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 1 : 2 ~ 2 : 1의 중량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 1 : 1 중량비로 첨가되는 것이 보다 바람직하다.
이러한 그래핀 역시 셀룰로오스계 고분자와 동일한 역할을 수행하게 된다. 따라서, 바인더 수지로 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀을 함께 첨가할 시, 압전특성을 보다 향상시킬 수 있게 된다.
건조 및 분쇄
건조 및 분쇄 단계(S140)에서는 BNKT 분말에 BNK 코팅 용액 및 바인더 용액을 혼합하고 볼 밀링한 후, 건조 및 분쇄한다.
여기서, 볼 밀링 방법으로는 지르코니아 볼에 BNKT 분말, BNK 코팅 용액 및 바인더 용액을 투입한 후, 10 ~ 30시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.
이때, 건조는 100 ~ 150℃에서 5 ~ 20시간 동안 실시될 수 있다.
전술한 BNK는 BNKT 분말 100 중량부에 대하여, 0.5 ~ 10 중량부로 첨가하는 것이 바람직하다. BNK가 BNKT 분말 100 중량부에 대하여, 0.5 중량부 미만으로 첨가될 경우에는 그 첨가량이 미미하여 BNK 코팅 효과를 제대로 발휘하지 못할 우려가 있다. 반대로, BNK가 BNKT 분말 100 중량부에 대하여, 10 중량부를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
하소
하소 단계(S150)에서는 분쇄된 분말을 550 ~ 650℃에서 1 ~ 3시간 동안 하소한다. 이때, 하소 온도가 550℃ 미만이거나, 하소 시간이 1시간 미만일 경우에는 분말들 사이의 반응이 충분하지 못할 우려가 크다. 반대로, 하소 온도가 650℃를 초과하거나, 하소 시간이 5시간을 초과할 경우에는 분말들의 강도가 높아지고 조대해질 우려가 있다.
이러한 하소 단계(S150)를 실시한 후에는, BNKT 분말 표면에 Na, K 및 Bi 성분을 갖는 BNK 코팅층이 형성된다. 이와 같이, 본 발명에서는 휘발성이 강한 Na, K, Bi 성분으로 이루어진 BNK를 BNKT 분말의 표면에 코팅 처리함으로써, BNKT 분말의 소결온도를 낮추더라도 목표로 하는 압전특성을 확보할 수 있으면서, Na, K 및 Bi 성분의 휘발에 의한 조성 변화를 최소화할 수 있게 된다.
본 단계에서, BNK 쉘에 코팅된 셀룰로오스계 고분자가 함께 탄화되어 카본층을 형성하게 된다. 카본층은 윤활제 역할과 완충 역할을 동시에 갖는 특성이 있다. 따라서, 압력에 의한 코어의 격자구조의 변형이 보다 수월하게 이루어질 수 있기 때문에 소자의 압전능력을 크게 향상시킨다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조를 갖는 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법은 하소 단계(S150) 이후에 실시되는 성형체 형성 단계(미도시) 및 소결 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다.
성형체 형성 단계에서는 하소된 분말을 바인더와 혼합한 후, 체 가름하고 성형하여 성형체를 형성한다.
이때, 성형은 100 ~ 180℃에서 1 ~ 3 ton/㎠ 의 압력 조건으로 1 ~ 60분 동안 실시하는 것이 바람직하다.
성형 온도가 100℃ 미만이거나, 성형 시간이 1분 미만일 경우에는 충분한 경화가 이루어지지 않을 우려가 크다. 반대로, 성형 온도가 180℃를 초과하거나, 가압 성형 시간이 60분을 초과할 경우에는 물성에 큰 변화 없이 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
또한, 성형 압력이 1 ton/㎠ 미만일 경우에는 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 성형 압력이 3 ton/㎠을 초과할 경우에는 과도한 압력으로 인해 성형체의 형태에 변형이 발생할 우려가 있다.
소결 단계에서는 성형체를 1,000 ~ 1,100℃에서 1 ~ 3시간 동안 소결한다.
이때, 소결 온도가 1,000℃ 미만이거나, 소결 시간이 1시간 미만일 경우에는 목표로 하는 강도, 밀도, 압전 및 유전 특성을 확보하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 소결 온도가 1,100℃를 초과하거나, 소결 시간이 3시간을 초과할 경우에는 강도는 증가할 수 있으나, 압전 및 유전 특성이 나빠질 우려가 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹은 코어쉘 구조를 갖는 무연압전 세라믹에 새롭게 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀을 바인더로 도입하여 압전특성을 보다 더 증가시킬 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹은 BNKT 분말 합성 후, BNKT 분말 표면에 Bi, Na 및 K 성분을 갖는 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)를 표면 코팅하는 것에 의해 코어쉘 구조를 형성함에 따라, 저온소성이 가능하며, 낮은 소결온도에서도 우수한 압전특성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, BNK 코팅층에 카본층이 형성되어 압전능력을 보다 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹은 (Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3 (여기서, x는 0.1 ~ 0.3임)의 조성을 갖는 코어층과, 코어층의 표면을 감싸도록 배치되며, Bi, Na 및 K 성분으로 이루어진 BNK 코팅층 및 BNK 코팅층에 형성되어 있는 카본층을 포함한다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹은 1,100℃의 소결온도에서 측정된 소결밀도가 5.5 ~ 5.9g/cm3를 가지면서, d33 값이 265 ~ 300 pm/V를 나타낸다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시료 제조
실시예 1
BiO3, Na2CO3, K2CO3 및 TiO2를 (Na1-0.22K0.22)0.5Bi0.5TiO3의 조성을 갖도록 칙량한 후, 에탄올 용액이 담긴 지르코니아 볼을 사용하여 24시간 동안 볼 밀링으로 혼합하여 혼합물을 형성하였다. 다음으로, 혼합물을 80℃에서 36시간 동안 건조하고 나서 해쇄한 후, 5℃/sec의 승온속도로 850℃까지 가열한 상태에서 2시간 동안 열처리로 하소하여 BNKT 분말을 제조하였다.
다음으로, Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, BNK 20wt% 수용액에 pH가 4가 되도록 산을 첨가하고 300rpm의 속도로 교반하여 BNK 코팅 용액을 제조하였다.
다음으로, 셀룰로오스계 고분자인 히알루론산 고분자를 물에 용해시켜 바인더 용액을 제조하였다. 이때, 바인더 용액 내에서 히알루론산 고분자는 2.5wt%의 중량비를 갖도록 조절하였다.
다음으로, BNKT 분말을 BNK 코팅 용액 및 바인더 용액과 혼합하여 24시간 동안 볼 밀링한 후, 120℃에서 24시간 동안 건조하고 나서 분쇄하였다. 이때, BNK는 BNKT 분말 대비 5.26wt%로 첨가하였다. 바인더 용액은 BNK 코팅 용액과 1 : 1의 중량비로 혼합하였다.
다음으로, 분쇄된 분말을 600℃에서 2시간 동안 하소하여, BNT가 코팅된 BNKT 분말을 제조하였다.
실시예 2
셀룰로오스계 바인더로 히알루론산 고분자 대신에 카복시메틸셀룰로오스가 함유된 셀룰로오스 고분자를 바인더 수지로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 5.26wt%의 BNK가 코팅된 BNKT 분말을 제조하였다.
실시예 3
실시예 1의 바인더 용액에 그래핀을 히알루론산과 동일한 1 : 1의 중량비로 추가 첨가한 바인더 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 5.26wt%의 BNK가 코팅된 BNKT 분말을 제조하였다.
실시예 4
실시예 2의 바인더 용액에 그래핀을 카복시메틸셀룰로오스와 동일한 1 : 1의 중량비로 추가 첨가한 바인더 용액을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2과 동일한 방법으로 5.26wt%의 BNK가 코팅된 BNKT 분말을 제조하였다.
비교예 1
실시예 1의 셀룰로오스계 바인더 용액 대신 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA)을 바인더 수지로 사용하였다. 이때, PVA 사용량은 PVA내 (-OH)의 음전하(negative charge)를 1로 하였을 때, Bi3+, Na+ 및 K+의 전하가 1 : 1의 비율이 되도록 계산하여 첨가하였다. 또한, BNKT 분말을 BNK 코팅 용액 및 바인더 용액과 혼합하여 24시간 동안 볼 밀링한 후, 120℃에서 24시간 동안 건조하고 나서 분쇄하였다. 이때, BNK는 BNKT 분말 대비 5.26wt%로 첨가하였다.
2. 전기적 물성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 따른 시료들에 대한 전기적 물성 평가 결과를 나타낸 것이다. 이때, 전기적 물성 평가를 실시하기 위해, 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 따른 분말 대비 10wt%의 PVA 수용액을 4wt%의 함량비로 첨가하여 1시간 동안 혼합한 후, 혼합된 분말을 180mesh의 표준 체에 여과하여 과립 분말을 제조하였다.
다음으로, 과립 분말 0.4g을 직경 10mm인 금속 몰드에 충진한 후, 100MPa의 압력으로 가압 성형을 실시하여 성형체를 형성한 후, 성형체를 전기로에 투입한 후, 1,100℃에서 2시간 동안 열처리하여 소결하였다.
다음으로, 소결된 세라믹 시편의 양쪽 표면을 연마한 후, Ag 페이스트 전극을 도포한 후, 120℃로 유지되는 오븐에서 30분 동안 건조한 후, 압전특성 분석 장비를 이용하여 전기적 물성을 측정하였다.
[표 1]
표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 4 에 따른 시료들의 d33 값이 비교예 1에 따른 시료의 d33 값에 비하여 우수한 것으로 확인되었다. 특히, 그래핀이 첨가된 바인더를 사용하면, d33 값이 더욱 증가되는 것을 확인할 수 있었다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : BNKT 분말 합성 단계
S120 : BNK 코팅 용액 형성 단계
S130 : 바인더 혼합용액 형성 단계
S140 : 건조 및 분쇄 단계
S150 : 하소 단계
S120 : BNK 코팅 용액 형성 단계
S130 : 바인더 혼합용액 형성 단계
S140 : 건조 및 분쇄 단계
S150 : 하소 단계
Claims (11)
- (a) (Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3 (여기서, x는 0.1 ~ 0.3임)의 조성을 갖는 BNKT 분말을 합성하는 단계;
(b) Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 산성용액을 첨가하고 교반하여 BNK 코팅 용액을 형성하는 단계;
(c) 바인더 수지를 용매에 용해시켜 바인더 용액을 형성하는 단계;
(d) 상기 BNKT 분말에 BNK 코팅 용액 및 바인더 용액을 혼합하고 볼 밀링한 후, 건조 및 분쇄하는 단계; 및
(e) 상기 분쇄된 분말을 550 ~ 650℃에서 1 ~ 3시간 동안 하소하는 단계;를 포함하며,
상기 바인더 수지는 셀룰로오스계 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a-1) BiO3, Na2CO3, K2CO3 및 TiO2를 칙량한 후, 볼 밀링으로 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
(a-2) 상기 혼합물을 건조 및 해쇄한 후, 850 ~ 1100℃에서 1 ~ 5시간 동안 하소하여 BNKT 분말을 수득하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 BNK는
상기 BNKT 분말 100 중량부에 대하여, 0.5 ~ 10 중량부로 첨가하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 BNKT 분말 표면에 Na, K 및 Bi 성분을 갖는 BNK 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 셀룰로오스계 고분자는
히알루론산 고분자 또는 카복시메틸셀룰로오스가 함유된 셀룰로오스 고분자를 이용하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 바인더 수지는
상기 바인더 용액 전체 중량의 0.2 ~ 6wt%의 함량비로 첨가된 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 바인더 수지는
상기 셀룰로오스계 고분자와 더불어, 그래핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 바인더 수지는
상기 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 1 : 2 ~ 2 : 1의 중량비로 첨가된 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (e) 단계 이후,
(f) 상기 하소된 분말을 바인더와 혼합한 후, 체 가름하고 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및
(g) 상기 성형체를 1000 ~ 1100℃에서 1 ~ 3시간 동안 소결하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹 제조 방법으로 제조되어,
(Na1-xKx)0.5Bi0.5TiO3 (여기서, x는 0.1 ~ 0.3임)의 조성을 갖는 코어층과,
상기 코어층의 표면을 감싸도록 배치되며, Bi, Na 및 K 성분으로 이루어진 BNK 코팅층을 포함하며,
바인더 수지로 셀룰로오스계 고분자를 이용하는 것에 의해, 상기 BNK 코팅층에 카본층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹.
- 제10항에 있어서,
상기 무연압전 세라믹은
1100℃의 소결온도에서 측정된 소결밀도가 5.5 ~ 5.9g/cm3를 가지면서, d33 값이 265 ~ 300 pm/V를 나타내는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스계 고분자 및 그래핀이 함유된 코어쉘 구조의 저온소성용 무연압전 세라믹.
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