KR970010348B1 - 신규한 압전세라믹 조성물 및 그를 이용한 적층형 변위소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
내용없음.
Description
제1도는 본 발명의 압전세라믹 조성물에 따라 제조된 변위소자의 온도에 따른 유전율 측정결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 신규한 압전세라믹 조성물 및 그를 이용한 적층형 변위소자의 제조방법에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 압전특성이 우수하며 저온소결이 가능한 신규한 압전세라믹 조성물 및 전기 조성물을 이용하여 압전특성이 우수한 적층형 변위소자를 제조하는 방법과 적층형 변위소자에 관한 것이다.
압전세라믹 소자는 최근 급성장하고 있는 메카트로닉스 분야에서의 정밀계측 및 미소변위 제어에 필수적인 소자로서, 이중에서도 압전현상을 이용한 미소변위 제어소자의 하나인 압전 액츄에이터(actuator)는 종래의 공기압식 및 전기식 액츄에이터 등에 비하여 고속으로 높은 정밀도를 지니면서 제어가 가능하고, 낮은 소비전력 및 저잡음 등의 특성을 지니고 있어, 최근에 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 압전 액츄에이터는 크게 단판형 및 적층형 등의 직선변위형과 바이모프형 등의 굴곡변위형으로 구분되는데, 이중에서 단판형은 구조는 간단하지만 제반 압전특성이 나빠 실용성이 떨어지고, 바이모프형은 최대의 변위를 이용할 수 있으나 공진현상이 저주파 영역에서 발생할 수 있으며 발생력이 낮다는 단점을 지니고 있는 반면, 적층형은 가장 우수한 변위량과 발생력을 지녀 놓은 변환율로 작동이 가능하기 때문에 가장 널리 사용되고 있다. 이러한 압전 액츄에이터는 압전세라믹의 전기변형 효과를 이용하여 전기적 에너지를 기계적으로 에너지로 변환하는 새로운 구동원으로서, 압전액츄에이터를 포함하는 상기한 전압구동형 압전변위소자(이하, '변위소자'라 함)의 실용화가 릴레이(relay), 스위치 및 미소위치 제어기기 등의 다방면으로 이용되는 가운데, 최근에는 압전정수(d) 및 전기기계 결합계수(Kp) 등의 유전특성 및 변위가 큰 변위소자가 요구됨에 따라 이러한 압전특성을 지닌 변위소자를 제조하기 위한 압전세라믹 재료의 개발이 요구되어 왔다.
현재까지 개발된 실용적인 압전세라믹 재료로는 일반식 ABOS로 표시되는 페로브스카이트(perovskite)형 결정구조를 지닌 물질이 대부분으로, 일반적으로 사용되는 압전세라믹 재료인 PZT는 순수한 상태에서 분극이 쉽지 않고 전기적 특성 등의 안정성이 떨어지기 때문에, 이러한 결점을 극복하고자 여러가지 다른 첨가물을 첨가한 PZN-PNN-PZT의 3성분계 압전세라믹 재료에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 이와 관련된 선행기술에 대하여는 다음과 같은 문헌에 개시되어 있다:
일본국 특허공고 소 63-129068호에는 PZN-PNN-PZT의 3성분계로 이루어진 강유전체 압전세라믹 조성물에 대하여, 일본국 특허공고 평1-148750호에는 PZN-PNN-PZT의 3성분계로 이루어진 액츄에이터용 압전세라믹 조성물에 대하여, 일본국 특허공고 평3-215359호에는 PZN-PNN-PZT 3성분계의 강유전체 세라믹 조성물에 대하여 개시되어 있다.
상기한 종래의 3성분계 압전세라믹 재료는 PZT계에 비해 재료선택의 폭이 넓고 변위소자의 다양한 요구특성에 부합될 수 있을 뿐 아니라, 양산과정에서 균일하고 재현성있는 소결이 보다 용이하다는 장점을 지니고 있으나, Ag나 Cu 전극을 사용하는 단층형 변위소자와 달리, 적층형 변위소자의 제조시에는 세라믹과 내부전극을 동시에 소성하기 때문에, 전극재료로는 융점이 낮은 Ag전극 단독으로는 사용이 불가능하여 Ag를 Pd와 고용시켜 사용되는데, 상기한 종래의 3성분계 압전세라믹 조성물을 이용하여 적층형 변위 소자를 제조하기 위하여는 1,100℃ 이상의 소결온도가 요구되어 전극재료로서 고가인 Pd의 함량이 높은 전극재료를 사용할 수 밖에 없으므로, 경제적으로 적층형 변위소자를 제조할 수 없다는 문제점을 지니고 있다.
또한, 종래의 3성분계 압전세라믹 조성물은 고온에서 소결되는 동안 PbO가 쉽게 휘발되어 세라믹스의 물성에 악영향을 미치며, 특히 1,100℃ 이상에서 전극과 세라믹스 재료를 동시에 소성하는 적층형 변위소자의 제조시에는 휘발된 Pb의 전극재료인 Pd와의 반응에 의해 우수한 특성을 지닌 변위소자의 제조가 어렵고, 에너지 소비의 증대 및 PbO 휘발에 따른 환경오염 유발 등의 문제점을 지니고 있으며, 전기한 종래의 3성분계 조성물에 의해 제조된 변위소자는 기계적 변위가 충분하지 못하여 변위소자에 실제로 사용하기에는 한계를 지니고 있다.
결국, 본 발명의 주된 목적은 1,100℃ 이하의 온도에서 저온소결이 가능하여 경제적으로 변위소자를 제조할 수 있으며, 압전정수 및 전기기계 결합계수 등의 압전특성이 우수하고 큰 기계적 변위를 지닌 변위소자를 제조할 수 있는 압전세라믹 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전기한 압전세라믹 조성물을 이용하여 압전정수 및 전기기계결합계수 등의 압전 특성이 우수하고 큰 기계적 변위를 지닌 적층형 변위소자를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전기한 압전세라믹 조성물을 이용하여 제조되며 압전정수 및 전기기계 결합계수 등의 압전특성이 우수한 적층형 변위소자를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전세라믹 조성물은 하기 일반식으로 표시된다:
Pb1-a-bBaaCdb(Zn1/3Nb2/3)c(Ni1/3Nb2/3)0.15-c(ZrdTi1-d)0.85O3
상기 식에서, a, b, c 및 d는 몰수를 나타내고; a는 0.07 내지 0.13; b는 0.01 내지 0.03; c는 0.001 내지 0.1; 및 d는 0.4 내지 0.6이다.
또한, 본 발명의 적층형 변위소자는, 전기 조성물을 건조하고 800 내지 900℃에서 2 내지 4시간 동안 하소하는 공정; 전기 하소된 조성물에 바인다(binder)를 가하여 조립화시키고 0.8 내지 1.2ton/cm2의 압력으로 가압성형하는 공정;전기 성형체를 1,000 내지 1,100℃에서 1 내지 6시간 소결하는 공정; 및 전기 소결체를 디스크 형상으로 연마하고 적층 및 전극을 부착하는 공정에 의해 제조하며, 600PC/N 이상의 압전정수(d33) 및 60% 이상의 전기기계 결합계수를 지닌다.
상기한 본 발명의 압전세라믹 조성물은 1,100℃ 이하의 저온에서 소결이 가능하여 경제적으로 변위소자를 제조할 수 있으며, 전기 조성물을 이용하여 제조된 본 발명의 적층형 변위소자는 압전정수 및 전기기계 결합계수 등의 압전특성이 우수하고 큰 기계적 변위를 지니게 된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
[실시예 1]
Cd 첨가량에 따른 압전특성 결과
99% 이상의 순도를 지닌 PbO, NiO, Nb2O5, ZnO, ZrO2, TiO2, BaCO3및 CdO를 하기 표 1의 조성에 따라 평량하고 볼밀(ball mill)에서 혼합한 다음, 건조하여 350℃에서 3시간 하소하였다. 하소된 분말에 바인더를 첨가하여 조립화한 다음, 1ton/cm2로 가압성형하고 1,050℃에서 2시간 소결하였다. 얻어진 소결체를 두께 1.5mm, 직경 7mm의 디스크 형상으로 연마한 다음, Ag 전극을 부착하고 실리콘오일 내에서 120℃의 온도에서 직류전장 30KV/cm를 30분간 인가하여 분극처리를 하였다. 얻어진 변위소자를 버린코트 d33피에조 미터(Berlincourt d33piezo meter)를 사용하여 측정한 d33및 임피던스 분석기를 사용하여 공진-반공진법으로 측정한 Kp, Qm, εr(유전율) 및 tanδ(유전손실)을 하기 표 1에 나타내었다.
상기 표1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, CdO는 압전세라믹의 소결온도를 낮추는데 매우 바람직한 물질로서, Cd의 치환량이 증가함에 따라 압전정수 및 전기기계 결합계수 등이 증가하였는데, 이것은 낮은 온도에서 소결에 유리한 액상을 형성시켜 소결체의 소결밀도를 증가시키기 때문이다. 또한, Cd의 몰비가 4mol%인 경우 압전성이 감소하는 것은 압전세라믹 조성물이 고용한계 이상이 되어 Cd가 이차상으로 입계에 편석되기 때문이다.
[실시예 2]
PZN 첨가량에 따른 압전특성 결과
표 2의 조성에 따라 PZN((Pb(ZnNb)O)) 결과량을 변화시키고, 1,100℃에서 소결한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 변위소자를 제조하였다. 얻어진 변위소자의 d, K, Q, εr 및 tanδ를 하기 표 2에 나타내었다.
상기 표 2의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 압전세라믹 조성물은 PZN의 몰비가 1mol%인 경우 최대의 압전특성을 나타내는데, 이는 PZN이 1mol% 첨가됨에 의해 낮은 온도의 공융점이 형성되어 소결체의 액상소결이 촉진되고, 이에 따라 입경이 크게 증가하며 물성이 향상되기 때문이다.
[실시예 3]
Ba 첨가량에 따른 압전특성 결과
표 3의 조성에 따라 Ba 첨가량을 변화시키고 1,100℃에서 소결한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 변위소자를 제조하였다. 얻어진 변위소자의 d, K, Q, εr 및 tanδ를 하기 표 3에 나타내었다.
상기 표 3의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 압전세라믹 조성물은 Ba의 함량이 10mol%인 경우 전체적으로 최대의 압전성을 나타내고, 이 보다 Ba의 첨가량이 증가하면 압전성이 다시 감소한다. 1,100℃의 소결온도에서 Ba가 10mol%, Zr/Ti비가 52.4/47.6일 때 압전정수는 740 이상이고, 전기기계 결합계수는 68% 이상의 값을 지닌 변위소자를 얻을 수 있으므로, 본 발명의 압전세라믹 조성물을 이용하여 적층형 변위소자를 제조할 경우 Ag가 다량 함유된 값이 저렴한 Ag/Pd 전극을 전극재료로 사용할 수 있으며, 소결시 내부전극과의 반응을 고려하지 않고도 우수한 압전특성을 지닌 변위소자를 얻을 수 있다.
[실시예 4]
소결시간에 따른 압전특성 결과
하기 표 4의 조성에 따라 압전세라믹 조성물을 제조하고 950 내지 1,100℃로 온도를 변화하면서 소결한 것을 제외하고는, 하기 실시예 1과 동일하게 실시하여 변위소자를 제조하였다. 얻어진 변위소자의 d, K, Q, εr 및 tanδ를 하기 표 4에 나타내었다.
상기 표 4의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 압전세라믹 조성물은 소결시간이 증가할 때 안전성은 크게 증가한다. 또한, 유전손실의 감소가 있는 것으로 보아 소결체 내부의 결함도 상당히 감소하는 것으로 생각되며, 소결시간의 증가에 따른 압전성의 중가원인은 소결체 입경의 증가와 밀도 증가에 기인한다. 소결시간이 1시간에서 2시간으로 증가할 때 압전성이 크게 증가하는 것으로 보아, 소결시간은 1시간 이상이 바람직하다.
[실시예 5]
소결온도에 따른 압전특성 결과
하기 표 5의 조성에 따라 압전세라믹 조성물을 제조하고 1 내지 4시간으로 시간을 변화하면서 소결한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 변위소자를 제조하였다. 얻어진 변위소자의 d, K, Q, εr 및 tanδ를 하기 표 5에 나타내었다.
상기 표 5의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 압전세라믹 조성물 소결온도가 950℃인 경우에 압전특성이 낮지만, 소결온도가 1000℃인 경우에 압전성의 증가가 현격함을 알 수 있었다. 또한, 1,000℃ 이상에서는 소결온도 증가에 따라 압전특성이 계속 증가하나, 절대적인 증가량은 감소한다. 따라서, 적절한 소결온도는 1,000℃ 이상이 되어야 하며, 1,000 내지 1,050℃ 사이의 소결온도에서는 실용화가 가능한 압전특성을 지닌 변위소자를 얻을 수 있다는 것을 확인하였다.
[실시예 6]
a가 0.1, b가 0.03, c가 0.01, d가 0.524의 조성이 되도록 압전세라믹 조성물을 제조하고 1,100℃에서 소결한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 변위소자를 제조하였다. 얻어진 변위소자에 인가전압의 주파수를 변화시키면서 온도에 따라 유전율을 측정하였으며, 측정결과를 제1도에 나타내었다. 제1도에서 알 수 있듯이, 본 발명에 의해 제조된 변위소자는 상전이온도가 200℃ 이상으로 종래의 변위소자에 비해 상전이 온도가 높아 온도 안정성이 우수함을 알 수 있었다.
이상에서 상세히 설명하고 입증하였듯이, 본 발명의 압전세라믹 조성물은 종래의 조성물보다 낮은 1,100℃ 이하의 온도에서 저온소결이 가능하여 경제적으로 변위소자를 제조할 수 있으며, 우수한 전기 및 기계적 변위와 압전특성을 지닌 변위소자를 제조할 수 있을 뿐 아니라, 저온에서 소결이 가능하여 PbO의 휘발을 억제할 수 있고, 저가의 내부전극을 사용하는 다층형 변위소자의 제조가 가능하며, 본 발명에 의해 제조된 적층형 변위소자는 큰 기계적 변위를 발생시키므로 소형 경량화 및 저전압 구동이 가능하고, 비교적 저전압으로 큰 기계적 변위를 필요로 하는 변위소자로의 응용이 가능하며, 비교적 높은 압전정수를 지녀 고압전정수가 요구되는 각종 압전제품에 적용이 가능하므로, 카메라 셔터, 잉크젯 프린터 헤드, 도트 프린터 헤드, 스윙 동작용 CCD 이미지 센서, 압전팬 및 여러가지 정밀 위치제어에 응용이 가능한 변위소자로 사용할 수 있다는 것이 확인되었다.
Claims (4)
- 하기 일반식으로 표시되는 압전세라믹 조성물:Pb1-a-bBaaCdb(Zn1/3Nb2/3)c(Ni1/3Nb2/3)0.15-c(ZrdTi1-d)0.85O3상기 식에서, a, b, c 및 d는 몰수를 나타내고; a는 0.07 내지 0.13; b는 0.01 내지 0.03; c는 0.001 내지 0.1; 및 d는 0.4 내지 0.6이다.
- (ⅰ) 제1항의 조성물을 건조하고 800 내지 900℃에서 2 내지 4시간 동안 하소하는 공정; (ⅱ) 전기 공정에서 하소된 조성물에 바인다를 가하여 조립화시키고 0.8 내지 1.2ton/cm2의 압력으로 가압성형하는 공정; (ⅲ) 전기 공정에서 수득한 성형체를 1,000 내지 1,100℃에서 1 내지 6시간 소결하는 공정; 및 (ⅳ) 전기 공정에서 수득한 소결체를 디스크 형상으로 연마하고 적층 및 전극을 부착하는 공정을 포함하는 적층형 변위소자의 제조방법.
- 제2항의 제조방법에 의해 제조된 적층형 변위소자.
- 제3항에 있어서, 압전정수(d33)는 600PC/N 이상이며, 전기기계 결합계수(Kp)는 60% 이상인 것을 특징으로 하는 적층형 변위소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019950003327A KR970010348B1 (ko) | 1995-02-21 | 1995-02-21 | 신규한 압전세라믹 조성물 및 그를 이용한 적층형 변위소자의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1019950003327A KR970010348B1 (ko) | 1995-02-21 | 1995-02-21 | 신규한 압전세라믹 조성물 및 그를 이용한 적층형 변위소자의 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR960031398A KR960031398A (ko) | 1996-09-17 |
| KR970010348B1 true KR970010348B1 (ko) | 1997-06-25 |
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ID=19408511
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1019950003327A KR970010348B1 (ko) | 1995-02-21 | 1995-02-21 | 신규한 압전세라믹 조성물 및 그를 이용한 적층형 변위소자의 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR970010348B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100295619B1 (ko) * | 1998-12-23 | 2001-11-05 | 홍상복 | 초음파진동자용압전세라믹스조성물 |
-
1995
- 1995-02-21 KR KR1019950003327A patent/KR970010348B1/ko not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100295619B1 (ko) * | 1998-12-23 | 2001-11-05 | 홍상복 | 초음파진동자용압전세라믹스조성물 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR960031398A (ko) | 1996-09-17 |
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