KR980012662A - 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 압전 세라믹 재료인 Pb(Zr.Ti,_1-x)0₃에 포함된 독성 물질인 PbO의 휘발을 억제함으로써 Pb(Zr.Ti,_1-x)0₃의 조성비를 정확하게 조절 하고, 작업상의 환경오염을 억제하며, Pb(Zr.Ti,_1-x)0₃재료 소결시 전력소모를 줄일 수 있게 하는 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 압전세라믹 재료의 저온소결 방법에 있어서, 압전세라믹 재료로서 PbO, ZrO₂, TiO₂와 소정의 첨가제를 준비하고 이들을 적절하게 혼합하는 제1단계와, 상기 혼합된 압전세라믹 재료를 소정의 온도하에서 하소하는 제2단계와, 하소된 상기 압전세라믹 재료에 Na, K, Fe를 포함하는 소정의 저온 소결첨가제를 첨가하여 혼합하고 이들을 반응시키는 제3단계와, 상기 저온 소결찜가제와 혼합되어 반응한 상기 압전세라믹 재료를 분쇄하고 성형하는 제4단계 및 상기 제4단계 후 상기 압전세라믹 재료를 소정 온도이하에서 소결하는 제5단계를 포함하여 된 것을 특징으로 한다

Description

압전 세라믹 재료의 저온 소결방법

본 발명은 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 압전 세라믹 재료인 Pb(Zr.Ti,_1-x)0₃에 포함된 독성 물질인 PbO의 휘발을 억제함으로써 Pb(Zr.Ti,_1-x)0₃의 조성비를 정확하게 조절하고, 작업상의 환경오염을 억제하며, 소결체 제조공정시 전력소모를 줄일 수 있게 하는 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법에 관한 것이다. 일반적인 압전 세라믹 재료로 많이 사용되는 Pb(Zr.Ti,_1-x)0_3,(0.4≤x≤0.6) 재료(이하, PZT라 약칭한다)는 라디오, 텔레비젼, 비디오 등의 회로에 구성되는 주파수 필터 재료로 널리 사용되고 있다. PZT는 분말상태에서 각종 첨가제를 혼합하여 성형한 후, 1200°C 내지 1300°C의 고온에서 수시간 유지하는 과정, 즉 소결과정을 거치게 된다. 그런데, 종래의 1200°C이상에서의 고온 소결은 PZT의 PbO 성분을 쉽게 휘발시키기 때문에, 소결이 종료된 후 원하는 PZT 조성이 적절하지 않아 특성이 불완전하고 재현성에 저하되는 문제점이 있었다. 또한, 고온 소결시 휘발하는 상기 PbO는 독성물질이기 때문에, 휘발시 작업환경을 열악하게 하는 문제점도 있었다. 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 PZT 재료의 소결온도를 낮추어 PbO의 휘발을 억제하려는 방법이 제안되고 있는데, 이러한 방법은 산화바나듐(V₂O₅)이나 B₂O₃-Bi0₃-CdO로 이루어지는 유리질과 같은 각종 저온 첨가제를 첨가하여 저온소결을 행한다. 그런데. 상기와 같이 저온소결 첨가제로 산화바나듐을 사용하는 경우 제조공정이 단순하여 바람직하나, 소 결 후 PZT 재료의 압전 특성이 나빠지는 문제점이 있었다. 또한, B₂O₃-Bi0₃-CdO로 이루어지는 유리질을 저온 소결제로 첨가하는 경우에는 저온소결도 바람직스럽고 압전특성도 양호하나 첨가제 자체를 녹여서 유리질로 만드는 과정에서 Bi₂0₃나 CdO가 독성물질로서 휘발이 잘 되어 작업환경이 좋지 않게 되는 문제점이 있었다. 특히, CdO는 독극물질로서 PZT 재료에 소량 첨가제로 들어갈 경우에는 문제가 되지 않으나 첨가제를 유리질로 만드는 고온 공정에서는 CdO가 주성분이 되어 많은 양을 취급하게 되기 때문에 문제가 되고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 압전 세라믹 재료인 Pb(Zr.Ti,_1-x)0₃에 포함된 독성 물질인 PbO의 휘발을 억제함으로써 Pb(Zr.Ti,_1-x)0₃의 조성비를 정확하게 조절하고, 작업장의 환경오염을 억제하며, 전력소모를 줄일 수 있게 하는 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 저온 소결첨가물의 조성범위를 도시한 그래프,

도 2는 본 발명에 따른 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법의 공정 흐름을 도시한 공정 흐름도,

도 3은 본 발명에 따른 압전 세라믹 재료의 밀도 변화를 도시한 그래프.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 압전세라믹 재료의 저온 소결방법은, 압전세라믹 재료의 저온소결 방법에 있어서, 압전세라믹 재료로서 PbO, ZrO₂, TiO₂와 소정의 텀가제를 준비하고 이들을 적절하게 혼합하는 제1단계와, 상기 흔합된 압전세라믹 재료를 소정의 온도하에서 하소하는 제2단계와 하소된 상기 압전세라믹 재료에 Na, K, Fe를 포함하는 소정의 저온 소결첨가제를 첨가하여 혼합하고 이들을 반응시키는 제3단계와, 상기 저온 소결첨가제와 혼합되어 반응한 상기 압전세라믹 재료를 분쇄하고 성형하는 제4단계 및 상기 제4단계 후 상기 압전세라믹 재료를 소정 온도이하에서 소결하는 제5단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제5단계의 소결온도는 1000°C 이하이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제3단계의 Na, K, Fe는 Na₂O, K₂O, Fe₂0₃,의 산화물 형태로 첨가되거나, Na와 K는 Na₂co₃, K₂CO₃,의 탄화물 형태로 첨가되고 Fe₂O₃산화물 형태로 첨가된다 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 Na, K, Fe가 Na₂O, K₂O, Fe₂0₃,의 산화물 형태로 첨가될 때, 그 조성범위의 몰(mole) 비율은 xNa₂O - yFe₂0_{3 -}zK₂O, x + y + z = 1 라고 하면, 0.25≤x≤O.45, 0.25≤y≤ 0.40의 범위에 있는 조성 비율로 된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 저온 소결첨가제는 무게 비로서 상기 압전 세라믹 재료의 1 내지 7% 이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 제5단계를 거친 압전 세라믹 재료의 압전특성 값이 Kp ≒ 0.40,Qm ≥ 1000이 된다. 이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 압전세라믹 재료의 저온소결 방법의 바람직한 실시예를 상세 하게 설 명 한다. 본 발명은 소결공정을 번거롭게 하지 않고 간단하게 저온 소결첨가물을 첨가함으로써 PZT의 저온 소결체를 얻게 하며, 압전 특성이 우수한 물질을 제조하게 하는 것으로서, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 압전세 라믹 재료로서 PbO, ZrO₂, TiO₂와 소정의 첨가제를 준비하고 이들을 적절하게 혼합하는 제1단계(10)(20)와, 상기 혼합된 압전세라믹 재료를 소정의 온도하에서 하소하는 제2단계(30)와, 하소된 상기 압전세라믹 재료에 Na, K, Fe를 포함하는 소정의 저온 소결첨가제를 처가하여 혼합하고 이들을 반응시키는 제3단계(40)와, 상기 저온 소결첨가제와 혼합되어 반응한 상기 압전세라믹 재료를 분쇄하고 성형하는 제4단계(50)(60) 및 상기 제 4단계(57)(60) 후 상기 압전세라믹 재료를 소정 온도이하에서 저온소결하는 제5단계(70)를 포함하여 이루어진다. 여기서 상기 제5단계의 소결온도는 바람직하게 1000°C 이하로 하며, 상기 제3단계의 Na, K, Fe는 Na₂O,K₂O₂Fe₂0₃의 산화물 형태로 바람직하게 첨가하거나, Na와 K는 Na₂co3 K₂Co₃의 탄화물 형태로 첨가하고 Fe는 Fe₂O₃,의 산화물 형태로 바람직하게 첨가한다. 또한, 본 발명에 있어서, 상기 Na, K, Fe가 Na₂O,K₂O₂Fe₂0₃의 산화물 형태로 첨가될 때, 그 조성범위의 바람직한 몰(mole) 비율은 xNa₂O - yFe₂0_{3 -}zK₂O, x - y + z = 1이라고 하면, 도 1에 도시되어 있는 바와같이 0.25≤x≤O.45, 0.25≤y≤ 0.40 의 범위에 있는 조성 비율로 된다 더욱이, 본 발명에 있어서, 상기 저온 소결첨가제는 무게 비로서 상기 PZT의 1 내지 3%로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법에 의하면, 압전 세라믹 재료의 압전특성값이 Kp ≒ 0.40, Qm ≥ 1000이 된다. 이를 보다 더 구체적으로 나타내면 표 1과 같다. 표 1은 도 1에 도시된 본 발명의 조성범위(즉,xNa₂O - yFe₂0_{3 -}zK₂O일 때,x + y + z = 1, 0.25≤x≤O.45, 0.25≤y≤ 0.40)에서의 압전 세라믹 재료의 공진자 특성을 나타낸 것이다.

그리고, 본 발명에 의하면, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 저온 소결제를 첨가하지 않고 1250°C정도의 고온에서 소결한 경우의 압전 세라믹 재료와 거의 동등한 밀도를 갖는 압전 세라믹 재료를 얻을 수 있다. 즉, 도 3를 참조하면, 도 1에 도시된 바와 같은 조성 비율을 갖는 저온 소결제를 첨가하고 100°C 정도의 저온에 서 소결하여도 저온 소결제의 첨가없이 고온에서 소결한 경우의 압전 세라믹 재료의 밀도와 거의 같은 밀도의 압전 세라믹 재료를 얻을 수 있게 된다. 더욱이, 본 발명에 있어서, 저온 소결제의 첨가시기는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 PZT 분말의 분쇄전에 첨가하기만 하면 되므로 별다른 추가공정을 중요하지 않다. 상술한 바와 같은 본 발명에 의해 제조된 압전재료는 압전 세라믹 필터(piezoelectric ceramic rioter), 진동자, 액추에이터, 초음파 진단 탐촉자, 압전착화소자(igniter) 등이 제품에 바람직하게 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 판명에 따른 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법은, 1000°C 이하에서 PZT를 저온 소결을 하기 때문에 PbO의 휘발을 거의 발생시키지 않는다. 따라서, 본 발명은 PZT 조성의 정확한 조절이 가능하고 소정의 분위기 분말을 사용하지 않아도 되는 이점을 제공한다. 또한, 본 발명은 작업장의 환경을 오 염시키지 않으며, 제조공정에 따른 전력소모도 줄일 수 있는 이점을 제공한다. 더욱이, 본 발명에 의하면 저 온소결이 가능하기 때문에 다층 압전소자 제조시 내부전극을 가격이 저렴한 금속전극으로 할 수 있다.

Claims (7)

1. 압전세라믹 재료의 저온소결 방법에 있어서 압전세라믹 재료로서 PbO, ZrO7, TiO7와 소정의 첨가제를 준 비하고 이들을 적절하게 흔합하는 제1단계와, 상기 흔합된 압전세라믹 재료를 소정의 온도하에서 하소하는 제 2단계와, 하소된 상기 압전세라믹 재료에 Na, K, Fe를 포함하는 소정의 저온 소결텀가제를 첨가하여 혼합하고 이들을 반음시키는 제3단계와, 상기 저온 소결텀가제와 혼합되어 반응한 상기 압전세라믹 재료를 분쇄하고 성 형하는 제4단계 및 상기 제4단계 후 상기 압전세라믹 재료를 소정 온도이하에서 소결하는 제5단계를 포함하 여 된 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법.
2. 제 1 항에 있어서 상기 제5단계의 소결온도는 1000"C 이하인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 재료의 저 온 소결 방법 .
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제3단계의 Na, K, Fe는 Na7O, K7O, Fe7O,의 산화물 청태로 첨가되는 것을 특징으 로 하는 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제3단계의 Na와 K는 Najco,, K7Co,의 탄화물 령태로 텀가되고 Fe는 Fe7O,의 산화 물 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 Na, K. Fe가 Na.0, K7O, FeIO,의 산화물 형태로 첨가될 때, 그 조성 범위의 몰(mole) 비율은 xNa₂O₃- yFe₂O₁, x + y + z =1 라고 하면 0.25≤x≤0.45, 0.25≤y≤0.40의 범 위에 있는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 저온 소결텀가제는 무게 비로서 상기 압전 세라믹 재료의 1% 내지 3%인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 재료의 저온 소질방법
7. 제 1 항 내지 제 6 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제5단계를 거틴 압전 세라믹 재료의 압전특성값이 Kp ≒ 0.40, Qm ≥ 1000인 것을 득징으로 하는 압전 세라믹 재료의 저온 소결방법.

   ※참고사항 : 최초출원 내용에 의하여 공개하는 것임.