KR920009913B1 - 전기일그러짐 효과소자 및 그것을 위한 자기재료 및 이것으로 이루어진 작동자 - Google Patents
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Abstract
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Description
본 발명은 전기일그러짐 효과소자, 특히 각종 기계적 구성요소의 미세한 위치제어에 적당한 전기일그러짐 효과소자 및 그것을 제조하는데 적합한 자기재료에 관한 것이다.
최근, 보다 대규모로 신뢰성이 높은 VLSI(Very Large Scale Integration)을 수율좋게 제조하기 위하여, 제조장치 각부의 구성요소 및 슬라이스(Slice)의 위치를 서브미크론의 오오더로 계측하고, 제어하는 기술이 요구되고 있다.
또 다른 기술분야, 예를들면 정밀기계가공, 광학기계, 혹은 천문학의 분야에 있어서도, 서브미크론의 오오더로 광로(光路) 길이가 각부 기계구성요소의 위치나 변위를 조절할 수 있는 작동자를 요구하게 되었다.
이와 같은 구성요소의 위치검출을 위한 센서나, 위치제어를 위한 작동자로서, 압전소자나 전기일그러짐 효과소자는 매우 중요한 기계요소이다.
종래 이런 종류의 작동자로서는, 회전운동을 직선운동으로 변환하는 기어장치를 구비한 전동기나 전자코일과, 영구자석 및 스프링을 조합시킨 전류/변위 변환기가 사용되고 있다. 이들 작동자는 널리 사용되고 있으나, 이것들을 그 자체의 구조 뿐만아니라, 그 제어장치도 복잡하고, 발생되는 힘이 작고, 또 신뢰성에도 문제가 있기 때문에, 광학이나 정밀기계의 분야에서는 보다 고성능의 변환기가 요구되고 있다.
예를들면, 각종의 공작기계, 광학식 또는 전자식의 카메라, 레이저를 응용하는 측정기나 가공기계에 요구되는 정밀도 및 대규모 집적회로 제조장치에 있어서의 작업의 위치결정에 요구되는 정밀도는 이미 0.1μ정도에 달해 있고, 그 요구는 금후 점점 더 까다롭게 될 것이다.
이러한 상황하에서, 최근 새로운 작동자로서 전기일그러짐형 작동자가 갑자기 주목받게 되었고, 전자자기 재료 시장에 있어서도 새로운 상품으로서 그 장래 발전이 주목되고 있다.
일반적으로, 고체변환소자를 제어하기 위한 조작변수(manipulated valiable)로서는, 온도, 자계 및 전계가 고려되나, 그중에서, 온도변화를 이용하는 소자는, 응답이 느리고, 안정성이 결여될 뿐만아니라, 구동에 큰 에너지를 필요로하게 되는 결점이 있고, 자계를 이용하는 소자에는, 일그러짐율이 작고, 또 구동용 코일을 필요로하므로 장치가 대형화된다고 하는 결점이 있다.
전계/일그러짐 효과소자로는, 압전소자와 전기일그러짐 효과소자가 있다. 전기 일그러짐 재료는, 압전재료와 비교하면, 일반적으로, 히스테리시스에러가 작고, 전계분극처리의 필요가 없고, 가혹한 사용조건에 견딜 수 있는 이점을 가진다.
그러나, 어느 소자도, 일그러짐율이 작다고하는 문제점이 있다. 이 문제점은 최근의 연구성과에 의해 조금씩 극복되고 있으나, 아직 충분한 수준에 도달해 있지 않다.
앞의 것에는, 예를들면, PZT(자르콘ㆍ티탄산연)가 있다. 이 세라믹은 10㎸/㎝의 전계내에서 0.06%신장되나, 히스테리시스에러가 15~30%에 달하므로, 정밀하게 일그러짐을 제어하기 위해서는 복잡한 제어프로그램이 필요하다고하는 문제가 있다.
뒤의 것에는 예를들면,
가 있다. 이것은 히스테리시스에러가 5~10%로 적고, 또, 10㎸/㎝의 전계내에서 0.06%의 신장을 표시한다. 그러나, 이 물질은 유전율이 크고 그 때문에, 구동하기 위하여 큰 전력을 필요로하고, 그 때문에 자체 발열도 커진다고 하는 문제가 있다. PMN이외의 전기일그러짐 재료로는, 예를들면 [Pb, Ba][Zr, Ti]O3로서 표시되는 세라믹(이하, PBZT라고 함)이 알려져 있다.
상기 계열의 세라믹에 관해서는, 이미 HANEY WELL CO.의 K.M.Leung et al의 보고가 있다. (Ferroelectrics, 1980, Vol.27,pp.41~43)
그들은 상기의 논문에서 Pb 0.73, Ba 0.27, Bi 0.02, Zr 0.70, Ti 0.30 O3의 조성을 가진 세라믹에 관해서 보고한 바 있다. 그 보고에 의하면, 최대전계 10㎸/㎝에 있어서의 신장은 0.06%이다.
또, 일본국 특개소 60-144984호에는, PBZT에 Bi나 W를 첨가해서 이루어지는 세라믹이 개시되어 있다. 이 발명이 기초로하는 세라믹은, [PbxBa1-x][ZryTi1-y]O3인 조성식으로 표시되는 것이다. 단, 여기서,
상기 세라믹의 히스테리시스에러는 상기의 논문에는 표시되어 있지 않지만, 매우 큰 것으로 추측된다.
또, PZT의 Pb의 일부를 알칼리금속 또는 알칼리토금속으로 치환하는 기술도 다수 공개되어 있으나, 이들 공지의 기술에서는, Pb의 치환량은 어느 것이나 30%이하이다.
그래서, 본 발명이 목적으로하는 세라믹작동기에 요구되는 조건은 다음과 같은 것이다.
(1) 일그러짐을(최대전계에 있어서의 일그러짐)이 클 것.
(2) 히스테리시스에러가 작을 것.
(3) 신뢰성이 뛰어날 것.
(4) 반복성이 좋을 것.
(5) 온도에 의한 영향이 작을 것.
(6) 소량의 에너지로 구동될 것.
(7) 발생하는 응력이 클 것.
(8) 소형이고, 경량일 것.
(9) 경년변화(經年變化)가 작고, 수명이 길 것.
(10) 균질적인 것을 값싸게 또 대량으로 공급할 수 있을 것.
상기와 같은 조건을 완전하게 만족시킬 수 있는 세라믹 재료는 아직 제공되지 않았다.
본 발명은, 조성식,
[PbxBa1-]m[ZryTi1-y]n[M]lO3
로 표시되는 자기재료를 제공하는 것이다.
단 여기서,
이고, M은 2가의 Cu, Mg, Ni, Zn, 3가의 Bi, Nd, Y, 4가의 Ce, Ge, Hf, Mn, Sn, Te, Th, 5가의 Cr, Mn, Nb, Sb, Ta, 6가의 Cr, Mn, Mo, W로 이루어진 군속에서 선택된 금속이다.
본 발명에 의할때는, 종래 공지된 것과 비교해서, 일그러짐율이 현저하게 크고, 히스테리시스에러가 훨씬 작은 전기일그러짐 효과소자용의 자기재료가 제공된다.
또한, 본 명세서에 있어서, 일그러짐율이란 단위 전계당의 신장의 백분율 즉, 전기일그러짐 효과소자의 전계방향 길이를 L, 전계 EKV/㎝에 있어서의 신장을 △L로 했을 때의,
의 값을 말하는 것으로 하고, 최대일그러짐율이란 10㎸/㎝의 전계속에서의 일그러짐율을 말하고, 히스테리시스에러란, 전계강도를 10㎸/㎝로부터 5㎸/㎝로 저하시켰을때의 신장 L-와, 0㎸/㎝로부터 5㎸/㎝로 상승시켰을때의 신장 L+와의 차이(L--L+)의, 10㎸/㎝에 있어서의 최대신장 Lmax에 대한 백분비,
즉,
을 말하는 것으로 한다.
본 발명에 의한 세라믹은, 최대일그러짐율이 종래품의 2배정도, 즉 최대 0.12%에 달하고, 또, 그 히스테리시스에러는 종래품의 절반이하 즉, 15~2%로 되어 있는 것이다.
이와 같이 일그러짐율이 높고, 히스테리시스에러가 작은 전기일그러짐 효과소자는, 예를들면, 각종 공작기계, 잉크타점인쇄기, 현미경의 촛점맞춤등등 매우 넓은 분야에서 이용될 수 있다.
그리고, 본 발명에 있어서, x가 0.55미만이 되면 일그러짐율이 저하하고, 0.70을 초과하면 히스테리시스에러가 크게 되며, 또, y가 0.50미만이 되면 히스테리시스에러가 크게 되고, 0.80을 초과하면 일그러짐율이 감소한다.
그 때문에, x는 0.55이상 0.70이하로, 또 y의 값은, 0.50이상 0.80이하로 하는 것이 바람직하다.
또, m, n은, 전기적으로 중성을 유지하기 때문에, 어느 것이나 0.85이상 1.15이하로 할 필요가 있다.
1의 값이 0.001미만이면, M을 첨가한 효과가 보이지 않고, 또 이것이 0.1을 초과하면, 일그러짐율이 감소한다.
다음에, 본 발명에 의한 자기재료의 제조방법에 관해서 설명한다.
먼저, 원료에 대해서 설명한다.
원료인 납으로서는, 산화연이 최적이지만, 그것은 탄산연, 옥살산연, 수산화연 등이라도 좋다.
또 바륨으로서는, 탄산바륨을 추천할 수 있으나, 산화물 옥살산염등도 사용 가능하다.
지르코늄은, 산화지르코늄을 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 탄산지르코늄, 옥살산 지르코늄 또는 수산화지르코늄을 사용해도 지장은 없다.
티탄은, 산화티탄으로서 사용하는 것이 바람직하지만, 탄산염, 옥살산염 또는 수산화물이라도 좋다. 금속 M은, 그 산화물, 질화물 또는 불화물로서 배합된다. 이들 원료는 양이 측정되고, 소정의 비율로 혼합된다.
혼합에는, 보올밀을 사용하는 것이 권장되지만, 다른 장치, 예를들면 호모믹서, 애트라이터, 진동밀등 분말의 혼합에 상용되고 있는 장치를 이용하는 것도 가능하다. 혼합시간은, 혼합장치나 원료의 성질과 상태에도 따르지만 통상 2시간이상 20시간이하이다. 물론 이 혼합시간은 특히 한정되는 것은 아니다.
다음에 이 원료분말을 가소(假燒)시킨다. 가소온도는 600~1000℃ 바람직하게는 800~900℃로, 대기속에서 1시간~10시간정도 가소시키는 것이 바람직하다.
가소온도가 600℃이하이면 소정의 일그러짐율을 얻을 수 없고, 또, 반대로 1000℃이상으로 하면 결정입자가 너무 거칠어진다. 또, 10시간 이상 가소해도, 얻을 수 있는 효과가 없고, 이 이상 긴 시간의 가소는 경제적 관점에서도 바람직하지 않다. 또, 이 가소는 대기속의 바깥, 질소속, 산소속 또는 알곤 가스속에서 행할 수도 있다.
가소한 분말은 다음 공정에서 작게 분쇄된다. 그렇게 작게 분쇄하는 데에는, 예를들면, 보올밀, 진동밀, 애트라이터를 사용하고, 원료는 대략 80메시 정도까지 분쇄된다. 이와 같이 작게 분쇄를 행하는 것은 가소 공정에서 생긴 결정입자 성장이 악영향을 제거하기 위한 것이다.
다음에, 이 작게 분쇄된 미분말을 고압력으로 압축하여, 소망의 형상, 예를들면, 원반형상, 원주형상, 4각주형상으로 성형한다. 성형압력은 통상 100~3000㎏/㎠이면 충분하다.
다음에 이 성형된 소재를, 1100~1400℃의 범위내의 온도에서 소결한다. 1100℃이하의 소결온도에서는 소정의 허용 한계이상의 높은 밀도가 가진 치밀한 소결체를 얻을 수 없고, 또 소결온도가 1400℃를 초과하면 소재의 일부가 용융될 염려가 있다. 가장 바람직한 소결온도는 1200~1350℃이다.
소결분위기는, 대기가 최적이지만, 질소, 산소, 알곤가스 기타의 것이라도 좋다.
다음에 상기 공정에서 얻은 소결체를, 얇게 전단하고, 소정의 두께로 가공하여, 그 양면에 예를들면 백금이나 은을 함유한 전극재료를 도포하고, 태우면 전기일그러짐 효과소자를 얻게 된다.
이와 같이 얻은 단판(單板)소자는, 단일로서는 일그러짐이 작기 때문에, 필요에 따라 50~100매 정도 적층해서 사용된다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 구체적으로 설명한다.
PbO, BaCO3, ZrO2, TiO2및 금속 M의 산화물을 각각 저울질해서 배합하고, 보올밀로 10시간 혼합하였다. 그렇게해서 얻게된 혼합물을 800~900℃에서 2시간 가소하고, 그후, 다시 보올밀로 작게 분쇄해서, 건조후, 1.5T/㎠의 압력으로 원주형상으로 압축성형하고, 이것을 1200~1350℃에서 3시간 소결하고 얻게된 원주체를 절단하고, 두께 0.80㎜로 마무리해서, 그 양면에 백금전극을 달구어 붙이고, 1개의 전기일그러짐 효과소자를 얻어서, 그 양전극을 800V의 직류전원에 접속해서 신장과 히스테리시스를 측정하였다.
전계강도는 10㎸/㎝이다.
측정결과는 표 1~5에 도시되어 있다.
표 1a에는, 금속 M으로써 Bi를 함유한 본 발명에 의한 세라믹의 데이터가 도시되어 있고, 표 1b에는, 금속 M으로서 Bi를 함유한 세라믹의 비교예가 도시되어 있다.
마찬가지로, 표 2a, 3a, 4a 및 5a에는, 금속 M으로서 각각, Nb, W, Th 및 Ta를 함유한 본 발명에 의한 세라믹의 데이터가 도시되어 있고, 표 2b, 3b, 4b 및 5b에는 각각 상기와 대응하는 비교예가 도시되어 있다.
표 1a~5a로부터, 본 발명에 의한 세라믹은, 그 히스테리시스에러가 어느것이나 2~5%로 적고, 최대 일그러짐율이 0.06~0.09%로 큰 것을 알 수 있다.
표 1b~5b에 도시된 비교예중, 히스테리시스에러가 본 발명품과 마찬가지 정도의 것은 최대일그러짐율이 0.02~0.03% 정도이고, ＂반대로 본 발명품과 동등의 최대일그러짐율을 가진 것의 히스테리시스에러는 15~35%에 달한다.
본 발명에 의한 세라믹의 조성영역에서는, 종래 작은 일그러짐율 밖에 얻을 수 없다고 생각되어 왔었다.
본 발명자등은 상기 조성의 세라믹에 착안해서, 그 일그러짐율을 증대시킬 목적으로, 그들의 세라믹에 각종의 금속화합물을 첨가하였던 바, 처음물질의 대략 1.5~2배의 일그러짐율을 가지고, 히스테리시스에러가 절반에 지나지 않는 새로운 조성물을 얻었다.
본 발명에 의한 세라믹의 특징은, 종래 공지의 압전소자나 전기일그러짐 효과소자에 비해서 일그러짐율이 크고 또 히스테리시스에러가 작은 것이다.
종래 공지의 압전소자의 히스테리시스에러는 대략 20~25%이기 때문에, 이것을 15%이하, 2~5%정도로 하고, 동시에, 그 1.5~2배의 일그러짐율을 얻을 수 있다고 하는 것은 놀라울 만한 현상이다.
본 발명에 의해 소자는, 물체의 위치를 미세하게 조절하는 작동자나, 힘, 압력, 변위의 센서로서 널리 이용될 수 있는 것이다.
[표 1a]
[표 1b]
[표 2a]
[표 2b]
[표 3a]
[표 3b]
[표 4a]
[표 4b]
[표 5a]
[표 5b]
Claims (3)
- 조성식[PbxBa1-X]m[ZryTi1-y]n[M]1O3로 표시되는 자기재료이며,단 여기서,
이고, M은, 2가의 Cu, Mg, Ni, Zn, 3가의 Bi, Nd, Y, 4가의 Ce, Ge, Hf, Mn, Sn, Te, Th, 5가의 Cr, Mn, Nb, Sb, Ta, 6가의 Cr, Mn, Mo, W로 이루어진 군속에서 선택된 금속인 것을 특징으로 하는 자기재료. - 제1항에 있어서, 금속 M이, Bi, Nd, Y, Ce, Sn, Th, Nb, Ta, Mo 및 W로 이루어진 군속에서 선택된 금속인 자기재료.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 자기재료로 이루어진 박판의 양면에 각각 전극을 형성하여 이루어진 전기일그러짐 효과소자.
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