WO2022265231A1 - 우수한 투과 특성과 압전 특성을 가지는 투명성 압전체, 그 제조방법, 및 이를 포함하는 터치형 디스플레이 장치 및 진동-전기 변환 장치 - Google Patents

우수한 투과 특성과 압전 특성을 가지는 투명성 압전체, 그 제조방법, 및 이를 포함하는 터치형 디스플레이 장치 및 진동-전기 변환 장치 Download PDF

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dopant
piezoelectric body
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조욱
강우석
유혜림
최강호
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    • G06F2203/04112—Electrode mesh in capacitive digitiser: electrode for touch sensing is formed of a mesh of very fine, normally metallic, interconnected lines that are almost invisible to see. This provides a quite large but transparent electrode surface, without need for ITO or similar transparent conductive material

Definitions

  • the technical idea of the present invention relates to a piezoelectric material, and more particularly, to a transparent piezoelectric material that simultaneously secures excellent transmittance and piezoelectric properties, a manufacturing method thereof, and a touch type display device and a vibration-to-electrical conversion device including the same.
  • a piezoelectric material has a characteristic that current flows when stress is applied or deformation occurs when current is applied.
  • the use of electronic devices having haptic functions such as touch pads increases, the use of piezoelectric materials having transmission characteristics is also increasing.
  • piezoelectric properties and transmission characteristics have conflicting characteristics. Specifically, when the piezoelectric characteristics increase, the transmission characteristics decrease, and when the transmission characteristics increase, the piezoelectric characteristics decrease. Accordingly, there is an increasing demand for a piezoelectric material that can simultaneously secure piezoelectric properties and transmission properties.
  • a transparent piezoelectric material composed of single crystals secures characteristics through domain control, and can secure a high transmittance of about 70% and a high piezoelectric constant of 2100 pC/N at the same time, but manufacturing costs are high and mass production is difficult due to the nature of the manufacturing method. There are limitations in application to industrial products that require transparent piezoelectric ceramics.
  • a transparent piezoelectric material composed of polycrystals can be classified into a lead-free piezoelectric material and a lead-free piezoelectric material containing lead (Pb).
  • the coupled transparent piezoelectric material has a transmittance of about 40% to about 68% and a piezoelectric constant of about 850 pC / N, and when high transmittance is secured, it has low or almost no ferroelectric / piezoelectric characteristics, paraelectric characteristics, In the case of securing high ferroelectric/piezoelectric properties, it has low permeability.
  • high manufacturing cost is required, such as hot press sintering or pressurized two-stage sintering.
  • the lead-free piezoelectric body has a low transmittance of about 40% and a low piezoelectric constant of about 420 pC/N, and also has a limitation in requiring high-temperature pressure sintering.
  • a technical problem to be achieved by the technical concept of the present invention is to provide a transparent piezoelectric material that simultaneously secures excellent transmission characteristics and piezoelectric characteristics, a manufacturing method thereof, and a touch-type display device and a vibration-to-electrical conversion device including the same.
  • a transparent piezoelectric material according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem includes Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x O 3 .
  • A is an isotropically increasing dopant
  • D is an anisotropically increasing dopant
  • x is a number from 0.20 to 0.50
  • y is a number from 0.0125 to 0.02
  • z is from 0.0125 to 0.0125
  • the isotropically increasing dopant (A) may include lanthanum (La), europium (Eu), erbium (Er), or a mixture thereof.
  • the anisotropy increasing dopant (D) is samarium (Sm), dysprosium (Dy), barium (Ba), yttrium (Y), gadolinium (Gd), neodymium (Nd), or these may contain a mixture of
  • the ratio of the isotropically increasing dopant (A) to the anisotropically increasing dopant (D) in the transparent piezoelectric body may have a range of 1:10 to 10:1.
  • the transparent piezoelectric material may include Pb 0.975 La 0.0125 Sm 0.0125 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 , Pb 0.974 La 0.0130 Sm 0.0130 (Mg 1/3 Nb 2/ 3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 , Pb 0.973 La 0.0135 Sm 0.0135 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 , Pb 0.972 La 0.0140 Sm 0.0140 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 , Pb 0.971 La 0.0145 Sm 0.0145 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 , Pb 0.970 La 0.0150 Sm 0.0150 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 , Pb 0.9615 La Sm 0.0155 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 , Pb 0.965 La 0.0175
  • the transparent piezoelectric material may have a piezoelectric constant ranging from 400 pC/N to 1100 pC/N.
  • the transparent piezoelectric body may have transmittance in the range of 20% to 70%.
  • a transparent piezoelectric material according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem is Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x (Zr 1-q Ti q ) x O 3 includes (Here, A is an isotropically increasing dopant, D is an anisotropically increasing dopant, x is a number from 0.20 to 0.50, y is a number from 0.0125 to 0.02, and z is from 0.0125 to 0.0125) is a number of 0.02 or less, and q is a number of 0.1 or more and less than 1)
  • a method for manufacturing a transparent piezoelectric body according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem includes forming a mixture by mixing PbO, MgNb 2 O 6 , TiO 2 , an isotropically increasing dopant, and an anisotropically increasing dopant; heat-treating the mixture to form Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x O 3 ; and molding and sintering the Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x O 3 .
  • A is an isotropic increasing dopant
  • D is an anisotropic increasing dopant
  • x is a number from 0.20 to 0.50
  • y is a number from 0.0125 to 0.02
  • z is from 0.0125 to 0.0125
  • the heat treatment may be performed at a temperature ranging from 750 °C to 900 °C for a time ranging from 1 hour to 6 hours.
  • the sintering may be performed at a temperature ranging from 950 °C to 1200 °C for a time ranging from 1 hour to 30 hours.
  • the sintering may be performed in an oxygen atmosphere.
  • the MgNb 2 O 6 is, MgO and Nb 2 O 5 Basic weighing and mixing; ball milling a mixture of the MgO and the Nb 2 O 5 ; drying the mixture of the MgO and the Nb 2 O 5 ; grinding the mixture of the MgO and the Nb 2 O 5 ; and calcining the mixture of the MgO and the Nb 2 O 5 .
  • a touch-type display device for achieving the above technical problem includes a display unit providing an image signal; and a transparent piezoelectric part disposed on the display part and having a transparent piezoelectric element including Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x O 3 .
  • A is an isotropically increasing dopant
  • D is an anisotropically increasing dopant
  • x is a number from 0.20 to 0.50
  • y is a number from 0.0125 to 0.02
  • z is from 0.0125 to 0.0125
  • Vibration-to-electricity conversion device for achieving the above technical problem includes a vibrating unit providing vibration energy; and a transparent piezoelectric part disposed on the vibration part and including a transparent piezoelectric element including Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x O 3 .
  • A is an isotropically increasing dopant
  • D is an anisotropically increasing dopant
  • x is a number from 0.20 to 0.50
  • y is a number from 0.0125 to 0.02
  • z is from 0.0125 to 0.0125
  • the transparent piezoelectric material includes an isotropically increasing dopant and an anisotropically increasing dopant, thereby providing an effect of securing transmission characteristics and piezoelectric characteristics at the same time.
  • the transparent piezoelectric material may have a piezoelectric constant in the range of 400 pC/N to 1100 pC/N, and transmittance in the range of 20% to 70%.
  • the transparent piezoelectric material may be used in a piezoelectric speaker, various actuators, a haptic device, a touch-type display device, a vibration-electric conversion device, and the like.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a transparent piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing piezoelectric constants versus total doping concentrations of dopants and a sintering temperature of 1160° C. of a transparent piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
  • 3 to 5 are graphs showing the transmittance according to the wavelength of the transparent piezoelectric material according to an embodiment of the present invention with respect to the total doping concentration.
  • 6 to 8 are graphs showing transmittance versus wavelength according to a total doping concentration of dopants of a transparent piezoelectric material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a graph showing a change in transmittance according to a sintering time of a transparent piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a graph showing a change in transmittance according to oxygen flow in a process of sintering a transparent piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a touch type display device having a transparent piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing a vibration-to-electricity conversion device having a transparent piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
  • Transmittance characteristics are high in isotropic crystal structures such as cubic, and piezoelectric properties exhibit polarization effects in anisotropic crystal structures such as tetragonal, orthorhombic, or rhombohedral. to be. According to this principle, even in (1-x)Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -xPbTiO 3 , which is the parent of the transparent piezoelectric material of the present invention, it is difficult to simultaneously secure transmission characteristics and piezoelectric characteristics.
  • the transparent piezoelectric material according to the technical concept of the present invention is formed by controlling the concentration of a dopant and optimizing process conditions in order to secure transmission characteristics and piezoelectric characteristics at the same time, and is characterized in that it is formed without using high-temperature pressure sintering.
  • the transparent piezoelectric material may be simultaneously doped with an isotropically increasing dopant and an anisotropically increasing dopant in an appropriate ratio, thereby securing transmission characteristics and piezoelectric characteristics at the same time.
  • a transparent piezoelectric body includes Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x O 3 .
  • A is an isotropically increasing dopant
  • D is an anisotropically increasing dopant
  • x is a number from 0.20 to 0.50
  • y is from 0.0125 to 0.02
  • z is from 0.0125 to 0.02 is the number below.
  • the x may be, for example, a number of 0.28 or more and 0.30 or less.
  • the isotropy-enhancing dopant (A) is a material capable of increasing the isotropy of the transparent piezoelectric material and thereby increasing the transmission characteristics, for example, lanthanum (La), europium (Eu), erbium (Er), or any of these may contain mixtures.
  • the anisotropy-increasing dopant (D) is a material capable of increasing the anisotropy of the transparent piezoelectric body and thereby increasing piezoelectric properties, such as samarium (Sm), dysprosium (Dy), barium (Ba), and yttrium (Y ), gadolinium (Gd), neodymium (Nd), or mixtures thereof.
  • the ratio of the isotropically increasing dopant (A) and the anisotropically increasing dopant (D) in the transparent piezoelectric body may have, for example, a range of 1:10 to 10:1, for example, 1:1. there is.
  • the ratio of the isotropically increasing dopant (A) and the anisotropically increasing dopant (D) may basically have a 1:1 ratio, and ranges from 1:10 to 10:1 depending on the type of dopant. can be selected from
  • the transparent piezoelectric material may have a piezoelectric constant ranging from 400 pC/N to 1100 pC/N.
  • the transparent piezoelectric body may have transmittance in the range of 20% to 70%.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method (S100) of manufacturing a transparent piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
  • a method of manufacturing a transparent piezoelectric body includes forming a mixture by mixing PbO, MgNb 2 O 6 , TiO 2 , an isotropically increasing dopant, and an anisotropically increasing dopant (S110); heat-treating the mixture to form Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x O 3 (S120); and molding and sintering the Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x O 3 (S130).
  • A is an isotropically increasing dopant
  • D is an anisotropically increasing dopant
  • x is a number from 0.20 to 0.50
  • y is from 0.0125 to 0.02
  • z is from 0.0125 to 0.02 It may be the following number.
  • the x may be, for example, a number of 0.28 or more and 0.30 or less.
  • Base metal composition composed of (1-x)Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -xPbTiO 3 composed of Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 and PbTiO 3 according to the range of x. crystal structure can be adjusted.
  • the heat treatment step is, for example, carried out at a temperature in the range of 750 °C to 900 °C for a time in the range of 1 hour to 6 hours
  • the sintering may be performed at a temperature ranging from 950° C. to 1200° C., for example, for a time ranging from 1 hour to 30 hours.
  • the sintering may be performed in an oxygen atmosphere.
  • the oxygen atmosphere may consist of an oxygen flow in the range of 0.1 SLM to 1.5 SLM.
  • the MgNb 2 O 6 may be formed, for example, in the following manner. First, MgO and Nb 2 O 5 are weighed and mixed in a 1:1 molar ratio. A mixture of the MgO and the Nb 2 O 5 is ball-milled to make the size uniform. The mixture of MgO and Nb 2 O 5 is dried. The mixture of MgO and Nb 2 O 5 is ground and calcined to form the MgNb 2 O 6 composite. The MgNb 2 O 6 composite is pulverized to form the MgNb 2 O 6 in powder form.
  • the PbO, the MgNb 2 O 6 , the TiO 2 , the isotropically increasing dopant, and the anisotropically increasing dopant are weighed in a desired fraction, and the step of mixing and ball milling is further included. can do.
  • the PbO, the MgNb 2 O 6 , the TiO 2 , the isotropically increasing dopant, and the mixture in which the anisotropically increasing dopant are mixed are dried and pulverized, and then the above-described heat treatment is performed to obtain Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x O 3 can be formed.
  • an appropriate binder may be mixed with the Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x O 3 in an appropriate amount.
  • the transparent piezoelectric body according to an embodiment of the present invention includes Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x (Zr 1-q Ti q ) x O 3 .
  • A is an isotropically increasing dopant
  • D is an anisotropically increasing dopant
  • x is a number from 0.20 to 0.50
  • y is from 0.0125 to 0.02
  • z is from 0.0125 to 0.02 is the following number
  • q is a number from 0.1 to less than 1.
  • the Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x (Zr 1-q Ti q ) x O 3 is (1-x)Pb (Mg 1/3 Nb 2/ 3 )O 3 -xPb(Zr 1-q Ti q )O 3 can be used.
  • (1-x)Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -xPbTiO 3 was prepared as a base material.
  • the (1-x)Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 -xPbTiO 3 means a compound in which Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )O 3 and PbTiO 3 are chemically bonded.
  • the x was selected as 0.29.
  • La 3+ was prepared as an isotropic increasing dopant, and Sm 3+ was prepared as an anisotropic increasing dopant.
  • the ratio of the La 3+ to the Sm 3+ was 1:1.
  • Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x O 3 was formed using the manufacturing method according to the present invention.
  • the x was selected as 0.29.
  • the sintering temperature was in the range of 1120° C. to 1200° C., and the sintering time was 30 hours.
  • Table 1 shows chemical formulas according to the total doping concentration of dopants for experimental examples of transparent piezoelectric materials according to an embodiment of the present invention.
  • the total doping concentration represents the sum of the doping concentrations of La 3+ and Sm 3+ .
  • the mass fraction (%) and atomic fraction (%) of the constituent materials for the experimental examples of the transparent piezoelectric material were calculated using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) of a scanning electron microscope.
  • the mass fraction (%) of the constituent material for the experimental examples of the transparent piezoelectric body according to the example is shown.
  • Table 3 shows atomic fractions (%) of constituent materials for experimental examples of transparent piezoelectric materials according to an embodiment of the present invention.
  • Table 4 shows piezoelectric constants for sintering temperatures and total doping concentrations of dopants for experimental examples of transparent piezoelectric materials according to an embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric constant of the transparent piezoelectric material according to the total doping concentration of the dopant and the sintering temperature is shown.
  • the sintering time was all 30 hours.
  • the higher the sintering temperature the higher the piezoelectric constant of the transparent piezoelectric material.
  • the piezoelectric constant increased as the total doping concentration of dopants increased.
  • the piezoelectric constant was maximized at the total doping concentrations of the dopants of 2.7 mol%, 2.8 mol%, and 2.9 mol%.
  • the transparent piezoelectric body contains Pb 0.973 La 0.0135 Sm 0.0135 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 , Pb 0.972 La 0.0140 Sm 0.0140 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 , and Pb 0.971 La 0.0145 Sm 0.0145 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 are analyzed to have the best piezoelectric properties.
  • the piezoelectric constant increased as the total doping concentration of the dopants increased.
  • the piezoelectric constant was maximized at the total doping concentrations of the dopants of 2.7 mol% and 3.1 mol%. That is, the transparent piezoelectric material is composed of Pb 0.973 La 0.0135 Sm 0.0135 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 and Pb 0.969 La 0.0155 Sm 0.0155 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 The case is analyzed to have the best piezoelectric properties.
  • the piezoelectric constant increased as the total doping concentration of the dopant increased up to 3.5 mol%, and the piezoelectric constant decreased at 3.5 mol% or more, and in particular, the piezoelectric constant increased rapidly at 4.5 mol% or more. a decrease appeared.
  • the piezoelectric constant was maximized at the total doping concentrations of the dopants of 3.0 mol% and 3.1 mol%.
  • the transparent piezoelectric material is composed of Pb 0.970 La 0.0150 Sm 0.0150 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 and Pb 0.969 La 0.0155 Sm 0.0155 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 The case is analyzed to have the best piezoelectric properties.
  • the total doping concentration of dopants is preferably in the range of 2.5 mol% to 4.0 mol%.
  • the doping concentration of each of the isotropically increasing dopant and the anisotropically increasing dopant is preferably in the range of 1.25 mol% to 2.0 mol%. .
  • FIG. 2 is a graph showing piezoelectric constants versus total doping concentrations of dopants and a sintering temperature of 1160° C. of a transparent piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
  • piezoelectric constants of a transparent piezoelectric body sintered at a sintering temperature of 1160° C. are shown for a total dopant concentration ranging from 2.5 mol% to 6.0 mol%.
  • the piezoelectric constant increased as the total doping concentration of the dopant increased up to 3.5 mol%, and the piezoelectric constant decreased at 3.5 mol% or more, and in particular, the piezoelectric constant decreased rapidly at 4.5 mol% or more.
  • the average piezoelectric constant values of the results of FIG. 2 are shown in Table 4. Regarding the piezoelectric properties, as a result of repeated experiments 2 or 3 times, it can be seen that the reproducibility is high.
  • 3 to 5 are graphs showing the transmittance according to the wavelength of the transparent piezoelectric material according to an embodiment of the present invention with respect to the total doping concentration.
  • FIG. 3 shows the case where the sintering temperature is 1200°C
  • FIG. 4 shows the case where the sintering temperature is 1180°C
  • FIG. 5 shows the case where the sintering temperature is 1160°C.
  • the transmittance when the sintering temperature was 1200° C., the transmittance was increased at a wavelength of 400 nm or more, and a maximum transmittance of 30% to 50% was exhibited at a wavelength of about 600 nm or more.
  • the total doping concentration of the dopant was 3.0 mol%, the transmittance was maximized over all wavelengths. That is, the case where the transparent piezoelectric material is Pb 0.970 La 0.0150 Sm 0.0150 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 is analyzed to have the best transmittance.
  • the transmittance when the sintering temperature was 1180° C., the transmittance was increased at a wavelength of 400 nm or more, and a maximum transmittance of 40% to 65% was exhibited at a wavelength of about 600 nm or more.
  • the transmittance was maximized over all wavelengths at a total doping concentration of dopant of 2.7 mol%, and the transmittance was maximized at a total doping concentration of 2.8 mol% of dopants at high wavelengths.
  • the transparent piezoelectric material is composed of Pb 0.973 La 0.0135 Sm 0.0135 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 and Pb 0.972 La 0.0140 Sm 0.0140 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3
  • the case is analyzed to have the best permeability.
  • the decrease in transmittance was markedly observed over the entire wavelength range.
  • the transmittance was increased at a wavelength of 400 nm or more, and a maximum transmittance of 45% to 65% was exhibited at a wavelength of about 600 nm or more.
  • the total doping concentration of the dopant was 2.9 mol%, the maximum transmittance over all wavelengths was obtained. That is, the case where the transparent piezoelectric material is Pb 0.971 La 0.0145 Sm 0.0145 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 is analyzed to have the best transmittance.
  • the decrease in transmittance was markedly observed over the entire wavelength, and at 3.5 mol% and 4.0 mol%, the transmittance increased with the increase in wavelength and then decreased at about 500 nm or more. showed a trend.
  • 6 to 8 are graphs showing transmittance versus wavelength according to a total doping concentration of dopants of a transparent piezoelectric material according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a case where the sintering temperature is 1200°C
  • FIG. 7 shows a case where the sintering temperature is 1180°C
  • FIG. 8 shows a case where the sintering temperature is 1160°C.
  • transmittance at a wavelength of 750 nm exhibited the highest overall transmittance with respect to the total doping concentration.
  • the transmittance was maximized over all wavelengths at a total doping concentration of 3.0 mol%.
  • transmittance at a wavelength of 750 nm exhibited the highest overall transmittance with respect to the total doping concentration.
  • the transmittance was maximized over all wavelengths at a total doping concentration of 2.7 mol%.
  • the transmittance at a wavelength of 750 nm showed the highest transmittance at a total doping concentration of 3.1 mol% or less, and 550 at a total doping concentration of 3.5 mol% and 4.0 mol%.
  • the transmittance of the nm wavelength was the highest.
  • transmittance was generally maximum across all wavelengths at a total doping concentration of 2.9 mol%.
  • the piezoelectric constant is maximum when the doping concentrations of La and Sm are each 0.0155 (1.55 mol%), and after the doping concentrations of La and Sm are each 0.0175 (1.75 mol%), the piezoelectric constant decreases rapidly.
  • the transmittance is maximum when the doping concentrations of La and Sm are each 0.0145 (1.45 mol%), and the transmittance characteristics are improved after the doping concentrations of La and Sm are each 0.0175 (1.75 mol%) become unstable
  • FIG. 9 is a graph showing a change in transmittance according to a sintering time of a transparent piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
  • the total doping concentration of dopants is 2.5 mol% (ie, Pb 0.975 La 0.0125 Sm 0.0125 (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 0.71 Ti 0.29 O 3 ), and the sintering temperature is 1200 ° C.
  • the transmittance of the transparent piezoelectric material for sintering times of 2, 10, and 30 hours is shown. As the sintering time increased, the transmittance of the transparent piezoelectric material increased for all wavelengths, and it can be seen that the highest transmittance was exhibited at a sintering time of 30 hours.
  • FIG. 10 is a graph showing a change in transmittance according to oxygen flow in a process of sintering a transparent piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
  • the sintering process of the transparent piezoelectric body must be performed in an oxygen atmosphere, and the transmittance of the transparent piezoelectric body is affected by the flow of oxygen. It can be seen that the transmittance of the transparent piezoelectric is lowered in the high oxygen flow of 0.85 SLM compared to the low oxygen flow of 0.35 SLM.
  • the oxygen flow was precisely controlled using a Mass Flow Controller (MFC).
  • the transparent piezoelectric material according to the technical idea of the present invention can be applied to devices using changes in pressure signals and electrical signals.
  • the transparent piezoelectric material may be applied to a piezoelectric speaker, various actuators, a haptic device, a touch-type display device, and a vibration-electric conversion device.
  • application examples of the transparent piezoelectric body will be described as an example.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a touch type display device 100 having a transparent piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
  • the touch type display device 100 includes a display unit 110 providing an image signal; and a transparent piezoelectric unit 120 disposed on the display unit 110 and having a transparent piezoelectric body including Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x O 3 .
  • A is an isotropically increasing dopant
  • D is an anisotropically increasing dopant
  • x is a number from 0.20 to 0.50
  • y is from 0.0125 to 0.02
  • z is from 0.0125 to 0.02 is the number below.
  • the display unit 110 may be connected to a display driving chip (DDI) and may include a TFT structure and an organic thin film structure for realizing an image signal according to a signal provided from the display driving chip.
  • the display unit 110 includes, from the bottom, a support made of steel or the like, a first pressure-sensitive adhesive layer (PSA), a TFT film layer, an organic layer, an encapsulation layer, a polarization layer, a second pressure-sensitive adhesive layer, and a touch film sensor. layer, and a third pressure-sensitive adhesive layer.
  • a transparent piezoelectric part 120 may be disposed on the third pressure-sensitive adhesive layer, and a cover layer may be disposed on the transparent piezoelectric part 120 .
  • the transparent piezoelectric unit 120 is disposed on the display unit 110, can convert a pressure signal such as a sound signal or a haptic signal into an electrical signal, and can transmit the electrical signal to the piezoelectric signal processing unit.
  • the pressure signal may be formed when a user's finger or the like touches the surface of the touch type display device 100 and presses it.
  • FIG. 12 is a schematic diagram illustrating vibration-to-electricity converters 200a, 200b, 200c, and 200d having a transparent piezoelectric body according to an embodiment of the present invention.
  • the vibration-to-electricity converters 200a, 200b, 200c, and 200d include a vibration unit 210 providing vibration energy; and a transparent piezoelectric unit 220a disposed on the vibration unit 210 and including a transparent piezoelectric material including Pb 1-yz A y D z (Mg 1/3 Nb 2/3 ) 1-x Ti x O 3 . 220b, 220c, 220d).
  • A is an isotropically increasing dopant
  • D is an anisotropically increasing dopant
  • x is a number from 0.20 to 0.50
  • y is from 0.0125 to 0.02
  • z is from 0.0125 to 0.02 is the number below.
  • the vibrator 210 may include various materials or structures that provide vibration energy, and may include, for example, a display panel, a building glass window, a glass door, a car window, and the like. However, this is exemplary and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.
  • the transparent piezoelectric parts 220a, 220b, 220c, and 220d are disposed on the vibrating part 210.
  • the transparent piezoelectric parts 220a, 220b, 220c, and 220d may directly contact the vibrating part 210, be bonded with an adhesive such as epoxy, or may further include other structures therebetween.
  • the transparent piezoelectric parts 220a, 220b, 220c, and 220d may have various shapes and arrangements.
  • the transparent piezoelectric part 220a shown in (a) of FIG. 12 may be disposed to entirely cover the upper surface of the vibrating part 210 .
  • the transparent piezoelectric part 220b shown in (b) of FIG. 12 has a shape extending in the vertical direction and is disposed on a part of the upper surface of the vibrating part 210 .
  • the transparent piezoelectric part 220c of FIG. 12(c) extends in the horizontal direction and is disposed on a part of the top surface of the vibrating part 210.
  • the transparent piezoelectric part 220d shown in (d) of FIG. 12 has a shape disposed at the outermost corner and is disposed on a part of the upper surface of the vibrating part 210 .
  • a transparent piezoelectric body having excellent transmission characteristics and piezoelectric characteristics can be manufactured.

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Abstract

본 발명은, 우수한 투명성과 압전 특성을 동시에 확보하는 투명성 압전체 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체는, Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 포함한다. 여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이다.

Description

우수한 투과 특성과 압전 특성을 가지는 투명성 압전체, 그 제조방법, 및 이를 포함하는 터치형 디스플레이 장치 및 진동-전기 변환 장치
본 발명의 기술적 사상은 압전체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 투과 특성과 압전 특성을 동시에 확보하는 투명성 압전체, 그 제조방법, 및 이를 포함하는 터치형 디스플레이 장치 및 진동-전기 변환 장치에 관한 것이다.
압전체는 응력이 가해지면 전류가 흐르거나 또는 전류가 인가되면 변형이 일어나는 특성을 가진다. 터치 패드와 같은 햅틱 기능을 가지는 전자 장치의 사용이 증가되면서, 투과 특성을 가지는 압전체의 사용 또한 증가되고 있다. 그러나, 상기 압전체에서 압전 특성과 투과 특성은 상충되는 특성을 가지며, 구체적으로 압전 특성이 증가되면 투과 특성이 감소되고, 투과 특성이 증가되면 압전 특성이 감소된다. 따라서, 압전 특성과 투과 특성을 동시에 확보할 수 있는 압전체에 대한 요구가 증가되고 있다.
단결정으로 구성된 투명성 압전체는 도메인 제어를 통하여 특성을 확보하며, 약 70% 수준의 높은 투과도와 2100 pC/N의 높은 압전 상수를 동시에 확보할 수 있으나, 제조 비용이 높고 제조 공법의 특성상 대량생산이 어려워 투명 압전 세라믹을 필요로하는 산업 제품에 적용하기에 한계가 있다.
다결정으로 구성된 투명성 압전체는 납(Pb)을 포함하는 연계 압전체와 납을 포함하지 않는 무연계 압전체로 구분할 수 있다. 상기 연계 투명성 압전체는 약 40% 내지 약 68% 수준의 투과도와 약 850 pC/N의 압전 상수를 가지며, 높은 투과도를 확보하는 경우에는 강유전/압전 특성이 낮거나 거의 없는 상유전 특성을 가지게 되고, 높은 강유전/압전 특성을 확보하는 경우에는 낮은 투과도를 가지게 된다. 또한, 고온 가압 소결(hot press sintering)이나 가압 2단 소결과 같이 높은 제조 비용이 요구되는 한계가 있다. 상기 무연계 압전체는 약 40%의 낮은 투과도와 약 420 pC/N의 낮은 압전 상수를 가지며, 또한 고온 가압 소결을 요구하는 한계가 있다.
현재까지 보고된 다결정 투명성 압전체는 고온 가압 소결 공정을 사용하는 것이 필수적이며, 상기 고온 가압 소결을 사용하지 않고 압전 특성과 투과 특성을 동시에 확보한 경우는 없다. 상기 고온 가압 소결을 수행하는 공정 장비는 매우 높은 가격이므로, 제조 비용이 높고, 소자 형상의 한계가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 우수한 투과 특성과 압전 특성을 동시에 확보하는 투명성 압전체, 그 제조방법, 및 이를 포함하는 터치형 디스플레이 장치 및 진동-전기 변환 장치를 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 투명성 압전체는, Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3를 포함한다. (여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수임)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 등방성 증가 도판트(A)는 란탄(La), 유로퓸(Eu), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이방성 증가 도판트(D)는 사마륨(Sm), 디스프로슘(Dy), 바륨(Ba), 이트륨(Y), 가돌리늄(Gd), 네오디뮴(Nd), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투명성 압전체에서의 상기 등방성 증가 도판트(A)와 상기 이방성 증가 도판트(D)의 비율은 1:10 내지 10:1 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투명성 압전체는, Pb0.975La0.0125Sm0.0125(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.974La0.0130Sm0.0130(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.973La0.0135Sm0.0135(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.972La0.0140Sm0.0140(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.971La0.0145Sm0.0145(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.970La0.0150Sm0.0150(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.969La0.0155Sm0.0155(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.965La0.0175Sm0.0175(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, 및 Pb0.960La0.0200Sm0.0200(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투명성 압전체는, 400 pC/N 내지 1100 pC/N 범위의 압전 상수를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 투명성 압전체는, 20% 내지 70% 범위의 투과도를 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 투명성 압전체는, Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-x(Zr1-qTiq)xO3 를 포함한다. (여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 q는 0.1 이상 내지 1 미만의 수임)
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 투명성 압전체의 제조방법은, PbO, MgNb2O6, TiO2, 등방성 증가 도판트, 및 이방성 증가 도판트를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물을 열처리하여, Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 형성하는 단계; 및 상기 Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 성형 및 소결하는 단계;를 포함한다. (여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수임).
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열처리하는 단계는 750℃ 내지 900℃ 범위의 온도에서 1 시간 내지 6 시간 범위의 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 소결하는 단계는 950℃ 내지 1200℃ 범위의 온도에서 1 시간 내지 30 시간 범위의 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 소결은 산소 분위기에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 MgNb2O6 는, MgO와 Nb2O5 를 평량하고 혼합하는 단계; 상기 MgO와 상기 Nb2O5 의 혼합물을 볼밀하는 단계; 상기 MgO와 상기 Nb2O5 의 상기 혼합물을 건조하는 단계; 상기 MgO와 상기 Nb2O5 의 상기 혼합물을 분쇄하는 단계; 및 상기 MgO와 상기 Nb2O5 의 상기 혼합물을 하소하는 단계;를 수행하여 형성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 터치형 디스플레이 장치는, 영상신호를 제공하는 디스플레이부; 및 상기 디스플레이부 상에 배치되고, Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 포함하는 투명성 압전체를 구비하는 투명성 압전부를 포함한다. (여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수임).
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 진동-전기 변환 장치는, 진동 에너지를 제공하는 진동부; 및 상기 진동부 상에 배치되고, Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 포함하는 투명성 압전체를 구비하는 투명성 압전부를 포함한다. (여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수임).
본 발명의 기술적 사상에 따른 투명성 압전체는 등방성 증가 도판트와 이방성 증가 도판트를 포함함으로써, 투과 특성과 압전 특성을 동시에 확보하는 효과를 제공할 수 있다. 압전 상수 및 투과도를 동시에 고려하면, 투명성 압전체의 최적 조건은, x=0.29, y,z=0.0145 의 화합물, 즉 Pb0.971La0.0145Sm0.0145(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3 을 1160℃에서 30 시간 동안 소결한 경우이다. 상기 투명성 압전체는, 400 pC/N 내지 1100 pC/N 범위의 압전 상수를 가질 수 있고, 20% 내지 70% 범위의 투과도를 가질 수 있다.
상기 투명성 압전체는, 압전 스피커, 각종 액츄에이터, 햅틱 장치, 터치형 디스플레이 장치, 진동-전기 변환 장치 등에 사용될 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 제조방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 1160℃의 소결 온도 및 도판트의 총 도핑 농도에 대한 압전 상수를 나타내는 그래프이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 파장에 따른 투과도를 총 도핑 농도에 대하여 나타내는 그래프이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 도판트의 총 도핑 농도에 따른 투과도를 파장에 대하여 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 소결 시간에 따른 투과도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 소결 공정에서의 산소 유동에 따른 투과도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체를 구비하는 터치형 디스플레이 장치를 도시하는 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체를 구비하는 진동-전기 변환 장치를 도시하는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
투명성 압전체에서, 투과 특성과 압전 특성은 서로 상충 관계를 갖는다. 투과 특성은 입방체(cubic)과 같은 등방성 결정 구조에서 투과도가 높고, 압전 특성은 정방체(tetragonal), 사방체(orthorhombic), 또는 능면체(rhombohedral) 등과 같은 이방성 결정 구조에서 분극 효과가 발휘되기 때문이다. 이러한 원리에 의하여 본 발명의 투명성 압전체의 모체인 (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 에서도 투과 특성과 압전 특성을 동시에 확보하기 어렵다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 투명성 압전체는 투과 특성과 압전 특성을 동시에 확보하기 위하여, 도판트의 농도를 제어하고 공정 조건을 최적화하여 형성하며, 고온 가압 소결을 사용하지 않고 형성되는 특징이 있다. 구체적으로, 상기 투명성 압전체는 등방성 증가 도판트와 이방성 증가 도판트를 적절한 비율로 동시에 도핑함으로써, 투과 특성과 압전 특성을 동시에 확보할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체는 Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 포함한다. 여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이다. 또한, 상기 x는, 예를 들어 0.28 이상 내지 0.30 이하의 수일 수 있다.
상기 등방성 증가 도판트(A)는 상기 투명성 압전체의 등방성을 증가시키고 이에 따라 투과 특성을 증가시킬 수 있는 물질로서, 예를 들어 란탄(La), 유로퓸(Eu), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 이방성 증가 도판트(D)는 상기 투명성 압전체의 이방성을 증가시키고 이에 따라 압전 특성을 증가시킬 수 있는 물질로서, 예를 들어 사마륨(Sm), 디스프로슘(Dy), 바륨(Ba), 이트륨(Y), 가돌리늄(Gd), 네오디뮴(Nd), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 투명성 압전체에서의 상기 등방성 증가 도판트(A)와 상기 이방성 증가 도판트(D)의 비율은, 예를 들어 1:10 내지 10:1 범위를 가질 수 있고, 예를 들어 1:1 일 수 있다. 바람직하게는, 상기 등방성 증가 도판트(A)와 상기 이방성 증가 도판트(D)의 비율은, 기본적으로 1:1 비율을 가질 수 있고, 도판트의 종류에 따라 1:10 내지 10:1 범위에서 선택될 수 있다.
상기 투명성 압전체는, Pb0.975La0.0125Sm0.0125(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.974La0.0130Sm0.0130(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.973La0.0135Sm0.0135(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.972La0.0140Sm0.0140(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.971La0.0145Sm0.0145(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.970La0.0150Sm0.0150(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.969La0.0155Sm0.0155(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.965La0.0175Sm0.0175(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, 및 Pb0.960La0.0200Sm0.0200(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 투명성 압전체는, 400 pC/N 내지 1100 pC/N 범위의 압전 상수를 가질 수 있다. 상기 투명성 압전체는, 20% 내지 70% 범위의 투과도를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 제조방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 투명성 압전체의 제조방법(S100)은, PbO, MgNb2O6, TiO2, 등방성 증가 도판트, 및 이방성 증가 도판트를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계(S110); 상기 혼합물을 열처리하여, Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 형성하는 단계(S120); 및 상기 Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 성형 및 소결하는 단계(S130);를 포함한다.
여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수일 수 있다. 상기 x는, 예를 들어 0.28 이상 내지 0.30 이하의 수일 수 있다. 상기 x의 범위에 따라 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 및 PbTiO3 로 구성된 (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 으로 구성되는 모재 조성의 결정 구조를 조정할 수 있다.
상기 열처리하는 단계는, 예를 들어 750℃ 내지 900℃ 범위의 온도에서 1 시간 내지 6 시간 범위의 시간 동안 수행되는
상기 소결하는 단계는, 예를 들어 950℃ 내지 1200℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있고, 예를 들어 1 시간 내지 30 시간 범위의 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 소결은 산소 분위기에서 수행될 수 있다. 상기 산소 분위기는 0.1 SLM 내지 1.5 SLM 범위의 산소 유동으로 이루어질 수 있다.
상기 MgNb2O6 는, 예를 들어 하기의 방식으로 형성될 수 있다. 먼저, MgO와 Nb2O5 를 1:1 몰비로 평량하고 혼합한다. 상기 MgO와 상기 Nb2O5 의 혼합물을 볼밀하여 크기를 균일하게 한다. 상기 MgO와 Nb2O5 의 혼합물을 건조한다. 상기 MgO와 Nb2O5 의 혼합물을 분쇄하고, 하소하여 상기 MgNb2O6 합성물을 형성한다. 상기 MgNb2O6 합성물을 분쇄하여 분말 형상의 상기 MgNb2O6 을 형성한다.
상기 혼합물을 형성하는 단계(S110)에서, 상기 PbO, 상기 MgNb2O6, 상기 TiO2, 상기 등방성 증가 도판트, 및 상기 이방성 증가 도판트는 원하는 분율로 평량하고, 혼합하여 볼밀하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 PbO, 상기 MgNb2O6, 상기 TiO2, 상기 등방성 증가 도판트, 및 상기 이방성 증가 도판트가 혼합된 상기 혼합물은 건조 및 분쇄한 후에 상술한 열처리를 수행하여 Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 형성할 수 있다.
상기 성형 및 소결하는 단계(S130)에서, 상기 Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 에 적절한 바인더를 적절한 함량으로 혼합할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체는, 상기 Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 에서 티타늄(Ti)의 일부를 지르코늄으로(Zr) 으로 치환한 물질로서 구성될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체는, Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-x(Zr1-qTiq)xO3 를 포함한다. 여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 q는 0.1 이상 내지 1 미만의 수이다. 상기 Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-x(Zr1-qTiq)xO3 는 모재로서 (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPb(Zr1-qTiq)O3 을 사용할 수 있다.
실험예
이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위한 실험예에 대해서 설명한다. 하기의 실험예는 발명의 이해를 돕기 위해 제시되는 것이며, 본 발명의 하기 실험예로 한정되는 것은 아니다.
투명성 압전체를 제조하기 위하여, 모재로서 (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 을 준비하였다. 상기 (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3 은 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 와 PbTiO3 이 화학 결합된 화합물을 의미한다. 본 실험에서는 여기에서 상기 x는 0.29로 선택하였다.
등방성 증가 도판트로서 La3+ 를 준비하였고, 이방성 증가 도판트로서 Sm3+를 준비하였다. 상기 La3+ 과 상기 Sm3+ 의 비율은 1:1 이었다. 본 발명에 따른 제조방법을 이용하여 Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 형성하였다. 여기에서 상기 x는 0.29로 선택하였다. 소결 온도는 1120℃ 내지 1200℃ 범위이었고, 소결 시간은 30 시간으로 수행하였다.
표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 실험예들에 대한 도판트의 총 도핑 농도에 이에 따른 화학식을 나타낸다. 표 1에서 총 도핑 농도는 상기 La3+ 과 상기 Sm3+ 의 도핑 농도의 합을 나타낸다.
분류 총
도핑
농도
(mol%)		 y z 화학식
실험예1 2.5 0.0125 0.0125 Pb0.975La0.0125Sm0.0125(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3
실험예2 2.6 0.0130 0.0130 Pb0.974La0.0130Sm0.0130(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3
실험예3 2.7 0.0135 0.0135 Pb0.973La0.0135Sm0.0135(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3
실험예4 2.8 0.0140 0.0140 Pb0.972La0.0140Sm0.0140(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3
실험예5 2.9 0.0145 0.0145 Pb0.971La0.0145Sm0.0145(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3
실험예6 3.0 0.0120 0.0120 Pb0.970La0.0150Sm0.0150(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3
실험예7 3.1 0.0155 0.0155 Pb0.969La0.0155Sm0.0155(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3
실험예8 3.5 0.0175 0.0175 Pb0.965La0.0175Sm0.0175(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3
실험예9 4.0 0.0200 0.0200 Pb0.960La0.0200Sm0.0200(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3
실험예10 4.5 0.0225 0.0225 Pb0.955La0.0225Sm0.0225(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3
실험예11 5.0 0.0250 0.0250 Pb0.950La0.0250Sm0.0250(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3
실험예12 5.5 0.0275 0.0275 Pb0.945La0.0275Sm0.0275(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3
실험예13 6.0 0.0300 0.0300 Pb0.940La0.0300Sm0.0300(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3
주사전자현미경의 에너지 분산 X-선 분광법(EDS)을 이용하여 투명성 압전체의 실험예들에 대한 구성 물질의 질량 분율(%) 및 원자 분율(%)을 산출하였다.표 2는 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 실험예들에 대한 구성 물질의 질량 분율(%)을 나타낸다.
분류 총도핑
농도
(mol%)		 O Mg Nb Ti La Sm Pb
실험예1 2.5 6.78 1.89 17.54 4.99 0.97 1.33 66.50
실험예2 2.6 7.99 2.23 16.64 5.09 0.97 1.54 65.55
실험예3 2.7 7.18 2.15 16.54 4.90 1.06 1.62 66.55
실험예4 2.8 9.18 2.32 15.90 5.13 1.51 1.86 64.11
실험예5 2.9 8.15 2.11 16.58 4.70 1.45 1.50 65.20
실험예6 3.0 8.83 2.31 15.94 5.28 1.45 2.52 63.66
실험예7 3.1 8.45 2.19 17.33 5.00 1.43 1.53 64.06
표 3은 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 실험예들에 대한 구성 물질의 원자 분율(%)을 나타낸다.
분류 총도핑
농도
(mol%)		 O Mg Nb Ti La Sm Pb
실험예1 2.5 37.44 6.88 16.69 9.22 0.62 0.78 28.37
실험예2 2.6 41.27 7.58 14.80 8.79 0.58 0.84 26.15
실험예3 2.7 38.80 7.64 15.38 8.84 0.66 0.93 27.75
실험예4 2.8 44.82 7.45 13.37 8.37 0.85 0.96 24.17
실험예5 2.9 42.11 7.18 14.74 8.11 0.87 0.99 26.00
실험예6 3.0 43.69 7.53 13.58 8.73 0.83 1.33 24.32
실험예7 3.1 42.65 7.25 15.06 8.43 0.83 0.82 24.96
표 4는 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 실험예들에 대한 소결 온도 및 도판트의 총 도핑 농도에 대한 압전 상수를 나타낸다.
분류 총
도핑 농도
(mol%)		 압전 상수 (pC/N)
소결 온도
1200℃ 1180℃ 1160℃ 1140℃ 1120℃
실험예1 2.5 600 500 500 절연파괴 -
실험예2 2.6 900 780 700 절연파괴 -
실험예3 2.7 1100 900 800 절연파괴 -
실험예4 2.8 1100 850 800 절연파괴 -
실험예5 2.9 1100 850 800 절연파괴 -
실험예6 3.0 1050 850 900 절연파괴 -
실험예7 3.1 1020 900 900 절연파괴 -
실험예8 3.5 - - 800 700 650-800
실험예9 4.0 - - 600 400 550
실험예10 4.5 - - 150 100 -
실험예11 5.0 - - 30 30 -
실험예12 5.5 - - 30 30 -
실험예13 6.0 - - 80 30 -
표 4를 참조하면, 도판트의 총 도핑 농도와 소결 온도에 따른 투명성 압전체의 압전 상수가 나타나있다. 소결 시간은 모두 30 시간이었다. 전반적으로, 소결 온도가 높을수록 상기 투명성 압전체의 압전 상수가 크게 나타났다.소결 온도가 1200℃인 경우에는, 도판트의 총 도핑 농도가 증가함에 따라 압전 상수가 증가되었다. 상기 도판트의 총 도핑 농도가 2.7 mol%, 2.8 mol%, 및 2.9 mol% 에서 압전 상수가 최대로 나타났다. 즉, 상기 투명성 압전체가 Pb0.973La0.0135Sm0.0135(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.972La0.0140Sm0.0140(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, 및 Pb0.971La0.0145Sm0.0145(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3 의 경우가 압전 특성이 가장 우수한 것으로 분석된다.
소결 온도가 1180℃인 경우에는, 도판트의 총 도핑 농도가 증가함에 따라 압전 상수가 증가되었다. 상기 도판트의 총 도핑 농도가 2.7 mol% 및 3.1 mol%에서 압전 상수가 최대로 나타났다. 즉, 상기 투명성 압전체가 Pb0.973La0.0135Sm0.0135(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3 및 Pb0.969La0.0155Sm0.0155(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3 의 경우가 압전 특성이 가장 우수한 것으로 분석된다.
소결 온도가 1160℃인 경우에는, 도판트의 총 도핑 농도가 3.5 mol%까지 증가함에 따라 압전 상수가 증가되었으며, 3.5 mol% 이상에서는 압전 상수가 감소되었고, 특히 4.5 mol% 이상에서는 압전 상수의 급격한 감소가 나타났다. 상기 도판트의 총 도핑 농도가 3.0 mol% 및 3.1 mol%에서 압전 상수가 최대로 나타났다. 즉, 상기 투명성 압전체가 Pb0.970La0.0150Sm0.0150(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3 및 Pb0.969La0.0155Sm0.0155(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3 의 경우가 압전 특성이 가장 우수한 것으로 분석된다.
소결 온도가 1140℃ 및 1120℃인 경우에는, 상기 투명성 압전체의 소결이 완전하지 않은 것으로 분석된다. 도판트의 총 도핑 농도가 3.5 mol% 및 4.0 mol%에서 압전 특성이 나타나지만, 압전 상수가 상대적으로 낮게 나타났다.
따라서, 압전 특성을 기초하면, 도판트의 총 도핑 농도는 2.5 mol% 내지 4.0 mol% 범위인 것이 바람직하다. 상기 등방성 증가 도판트와 상기 이방성 증가 도판트의 비율이 1:1인 경우에는, 상기 등방성 증가 도판트 및 상기 이방성 증가 도판트의 각각의 도핑 농도는 1.25 mol% 내지 2.0 mol% 범위인 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 1160℃의 소결 온도 및 도판트의 총 도핑 농도에 대한 압전 상수를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 도판트의 총 도핑 농도가 2.5 mol% 내지 6.0 mol% 범위에 대하여 1160℃의 소결 온도에서 소결된 투명성 압전체의 압전 상수들이 나타나있다. 도판트의 총 도핑 농도가 3.5 mol%까지 증가함에 따라 압전 상수가 증가되었으며, 3.5 mol% 이상에서는 압전 상수가 감소되었고, 특히 4.5 mol% 이상에서는 압전 상수의 급격한 감소가 나타났다. 도 2의 결과의 평균 압전 상수 수치가 표 4에 나타나 있다. 압전 특성에 대하여는, 2회 또는 3회의 반복 실험한 결과, 재현성이 높음을 알 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 파장에 따른 투과도를 총 도핑 농도에 대하여 나타내는 그래프이다.
도 3은 소결 온도가 1200℃인 경우이고, 도 4는 소결 온도가 1180℃인 경우이고, 도 5는 소결 온도가 1160℃인 경우이다.
도 3을 참조하면, 소결 온도가 1200℃인 경우에는, 400 nm 이상의 파장에서 투과도가 증가되었으며, 약 600 nm 파장 이상에서 30% 내지 50%의 최대 투과도를 나타내었다. 도판트의 총 도핑 농도가 3.0 mol%에서 전체 파장에 걸쳐서 투과도가 최대로 나타났다. 즉, 상기 투명성 압전체가 Pb0.970La0.0150Sm0.0150(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3 의 경우가 투과도가 가장 우수한 것으로 분석된다.
도 4를 참조하면, 소결 온도가 1180℃인 경우에는, 400 nm 이상의 파장에서 투과도가 증가되었으며, 약 600 nm 파장 이상에서 40% 내지 65%의 최대 투과도를 나타내었다. 도판트의 총 도핑 농도가 2.7 mol%에서 전체 파장에 걸쳐서 투과도가 최대로 나타났고, 높은 파장에서는 도판트의 총 도핑 농도가 2.8 mol%에서 투과도가 최대로 나타났다. 즉, 상기 투명성 압전체가 Pb0.973La0.0135Sm0.0135(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3 및 Pb0.972La0.0140Sm0.0140(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3 의 경우가 투과도가 가장 우수한 것으로 분석된다. 도판트의 총 도핑 농도가 2.6 mol%, 2.5 mol% 및 3.1 mol% 에서는 투과도의 저하가 전체 파장에 걸쳐서 두드러지게 나타났다.
도 5를 참조하면, 소결 온도가 1160℃인 경우에는, 400 nm 이상의 파장에서 투과도가 증가되었으며, 약 600 nm 파장 이상에서 45% 내지 65%의 최대 투과도를 나타내었다. 도판트의 총 도핑 농도가 2.9 mol%에서 전체 파장에 걸쳐서 투과도가 최대로 나타났다. 즉, 상기 투명성 압전체가 Pb0.971La0.0145Sm0.0145(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3 의 경우가 투과도가 가장 우수한 것으로 분석된다. 도판트의 총 도핑 농도가 2.5 mol% 에서는 투과도의 저하가 전체 파장에 걸쳐서 두드러지게 나타났고, 3.5 mol% 및 4.0 mol% 에서는 파장 증가에 따라 투과도가 증가한 후에 약 500 nm 파장 이상에서는 감소되는 다소 다른 경향을 나타내었다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 도판트의 총 도핑 농도에 따른 투과도를 파장에 대하여 나타내는 그래프이다.
도 6은 소결 온도가 1200℃인 경우이고, 도 7은 소결 온도가 1180℃인 경우이고, 도 8은 소결 온도가 1160℃인 경우이다.
도 6을 참조하면, 소결 온도가 1200℃인 경우에는, 750 nm 파장의 투과도가 총 도핑 농도에 전체적으로 가장 높은 투과도를 나타내었다. 또한, 총 도핑 농도가 3.0 mol%에서 전체 파장에 걸쳐서 투과도가 최대로 나타났다.
도 7을 참조하면, 소결 온도가 1180℃인 경우에는, 750 nm 파장의 투과도가 총 도핑 농도에 전체적으로 가장 높은 투과도를 나타내었다. 또한, 총 도핑 농도가 2.7 mol%에서 전체 파장에 걸쳐서 투과도가 최대로 나타났다.
도 8을 참조하면, 소결 온도가 1160℃인 경우에는, 750 nm 파장의 투과도가 3.1 mol% 이하의 총 도핑 농도에서 가장 높은 투과도를 나타내었고, 3.5 mol% 및 4.0 mol%의 총 도핑 농도에서는 550 nm 파장의 투과도가 가장 높게 나타났다. 또한, 총 도핑 농도가 2.9 mol%에서 전체 파장에 걸쳐서 대체적으로 투과도가 최대로 나타났다.
도 2 내지 도 8의 결과를 정리하면, La 와 Sm 의 도핑 농도가 증가하면, 투과도와 압전 상수가 증가하며, 일정한 도핑 농도 이상에서는 투과도와 압전 상수가 감소되었다. 따라서, 본 발명의 투명성 압전체에서는 투과도와 압전 상수가 상충적인 경향을 나타내지 않고 동시에 증가되므로, 투과 특성과 압전 특성을 동시에 확보할 수 있다.
상기 투명성 압전체의 압전 상수의 변화를 분석하면, La 와 Sm 의 도핑 농도가 각각 0.0155 (1.55 mol%) 일때 압전 상수가 최대이고, La 와 Sm 의 도핑 농도가 각각 0.0175 (1.75 mol%) 이후에는 압전 상수가 급격하게 감소한다.
상기 투명성 압전체의 투과도의 변화를 분석하면, La 와 Sm 의 도핑 농도가 각각 0.0145 (1.45 mol%) 일때 투과도가 최대이고, La 와 Sm 의 도핑 농도가 각각 0.0175 (1.75 mol%) 이후에는 투과도 특성이 불안정하게 된다.
따라서, 압전 상수 및 투과도를 동시에 고려하면, 투명성 압전체의 최적 조건은, x=0.29, y,z=0.0145 의 화합물, 즉 Pb0.971La0.0145Sm0.0145(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3 을 1160℃에서 30 시간 동안 소결한 경우이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 소결 시간에 따른 투과도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 도판트의 총 도핑 농도가 2.5 mol%이고(즉, Pb0.975La0.0125Sm0.0125(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3), 소결 온도는 1200℃에서의, 2 시간, 10 시간, 30 시간의 소결 시간에 대한 투명성 압전체의 투과도가 나타나있다. 소결 시간이 증가됨에 따라 투명성 압전체의 투과도가 모든 파장에 대하여 증가되었으며, 30 시간의 소결 시간에서 가장 높은 투과도를 나타냄을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체의 소결 공정에서의 산소 유동에 따른 투과도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 투명성 압전체의 소결 공정은 산소 분위기에 수행하여야 하며, 산소 유동에 따라 상기 투명성 압전체의 투과도가 영향을 받음을 알 수 있다. 0.35 SLM의 저 산소유동에 비하여 0.85 SLM의 고 산소 유동에서 상기 투명성 압전체의 투과도가 저하됨을 알 수 있다. 상기 산소의 유동은 MFC (Mass Flow Controller)을 사용하여 정밀하게 제어하였다.
응용예
본 발명의 기술적 사상에 따른 투명성 압전체는 압력 신호와 전기 신호의 변화를 이용하는 장치들에 응용될 수 있다. 예를 들어, 상기 투명성 압전체는, 압전 스피커, 각종 액츄에이터, 햅틱 장치, 터치형 디스플레이 장치 및 진동-전기 변환 장치 등에 응용될 수 있다. 이하에서는 상기 투명성 압전체의 응용예를 예시적으로 설명하기로 한다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체를 구비하는 터치형 디스플레이 장치(100)를 도시하는 개략도이다.
도 11을 참조하면, 터치형 디스플레이 장치(100)는, 영상신호를 제공하는 디스플레이부(110); 및 디스플레이부(110) 상에 배치되고, Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 포함하는 투명성 압전체를 구비하는 투명성 압전부(120)를 포함한다. 여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이다.
디스플레이부(110)는 디스플레이 구동칩(DDI)과 연결될 수 있고, 상기 디스플레이 구동칩에서 제공되는 신호에 따라 영상신호를 구현하는 TFT 구조 및 유기 박막 구조체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이부(110)는, 바닥으로부터, 스틸 등으로 구성되는 지지체, 제1 감압 접착층(PSA), TFT 막층, 유기층, 엔캡슐레이션층, 분극층, 제2 감압 접착층, 터치 필름 센서층, 제3 감압 접착층을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제3 감압 접착층 상에 투명성 압전부(120)가 배치될 수 있고, 투명성 압전부(120) 상에 커버층이 배치될 수 있다.
투명성 압전부(120)는 디스플레이부(110) 상에 배치되고, 음향 신호 또는 햅틱 신호와 같은 압력 신호를 전기 신호로 변환할 수 있고, 상기 전기 신호를 압전 신호 처리부에 전달할 수 있다. 상기 압력 신호는 터치형 디스플레이 장치(100)의 표면을 사용자의 손가락 등이 접촉하여 가압함으로써 형성될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 투명성 압전체를 구비하는 진동-전기 변환 장치(200a, 200b, 200c, 200d)를 도시하는 개략도이다.
도 12를 참조하면, 진동-전기 변환 장치(200a, 200b, 200c, 200d)는 진동 에너지를 제공하는 진동부(210); 및 진동부(210) 상에 배치되고, Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 포함하는 투명성 압전체를 구비하는 투명성 압전부(220a, 220b, 220c, 220d)를 포함한다. 여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이다.
진동부(210)는 진동 에너지를 제공하는 다양한 물질이나 구조체를 포함할 수 있고, 예를 들어 디스플레이 패널, 건물 유리창, 유리 출입문, 자동차 유리창 등을 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
투명성 압전부(220a, 220b, 220c, 220d)는 진동부(210) 상에 배치된다. 투명성 압전부(220a, 220b, 220c, 220d)는 진동부(210)에 직접적으로 접촉하거나, 에폭시 등과 같은 접착제로 접착되거나, 또는 그 사이에 다른 구조체를 더 포함할 수 있다.
투명성 압전부(220a, 220b, 220c, 220d)는 다양한 형상 및 배치 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 12의 (a)의 투명성 압전부(220a)는 진동부(210)의 상면에 전체적으로 덮도록 배치될 수 있다. 도 12의 (b)의 투명성 압전부(220b)는 세로 방향으로 연장되는 형상으로서 진동부(210)의 상면 일부에 배치된다. 도 12의 (c)의 투명성 압전부(220c)는 가로 방향으로 연장되는 형상으로서 진동부(210)의 상면 일부에 배치된다. 도 12의 (d)의 투명성 압전부(220d)는 최외각 모퉁이에 배치되는 형상으로서 진동부(210)의 상면 일부에 배치된다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명을 이용하면 우수한 투과 특성과 압전 특성을 가지는 투명성 압전체를 제조할 수 있다.

Claims (15)

  1. Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 포함하는, 투명성 압전체.
    (여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수임)
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 등방성 증가 도판트(A)는 란탄(La), 유로퓸(Eu), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 투명성 압전체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 이방성 증가 도판트(D)는 사마륨(Sm), 디스프로슘(Dy), 바륨(Ba), 이트륨(Y), 가돌리늄(Gd), 네오디뮴(Nd), 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 투명성 압전체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명성 압전체에서의 상기 등방성 증가 도판트(A)와 상기 이방성 증가 도판트(D)의 비율은 1:10 내지 10:1 범위를 가지는, 투명성 압전체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명성 압전체는, Pb0.975La0.0125Sm0.0125(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.974La0.0130Sm0.0130(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.973La0.0135Sm0.0135(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.972La0.0140Sm0.0140(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.971La0.0145Sm0.0145(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.970La0.0150Sm0.0150(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.969La0.0155Sm0.0155(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, Pb0.965La0.0175Sm0.0175(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, 및 Pb0.960La0.0200Sm0.0200(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29O3, 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 투명성 압전체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명성 압전체는, 400 pC/N 내지 1100 pC/N 범위의 압전 상수를 가지는, 투명성 압전체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명성 압전체는, 20% 내지 70% 범위의 투과도를 가지는, 투명성 압전체.
  8. Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-x(Zr1-qTiq)xO3 를 포함하는, 투명성 압전체.
    (여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 q는 0.1 이상 내지 1 미만의 수임)
  9. PbO, MgNb2O6, TiO2, 등방성 증가 도판트, 및 이방성 증가 도판트를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 혼합물을 열처리하여, Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 형성하는 단계; 및
    상기 Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 성형 및 소결하는 단계;를 포함하는, 투명성 압전체의 제조방법.
    (여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수임).
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는 750℃ 내지 900℃ 범위의 온도에서 1 시간 내지 6 시간 범위의 시간 동안 수행되는, 투명성 압전체의 제조방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 소결하는 단계는 950℃ 내지 1200℃ 범위의 온도에서 1 시간 내지 30 시간 범위의 시간 동안 수행되는, 투명성 압전체의 제조방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 소결은 산소 분위기에서 수행되는, 투명성 압전체의 제조방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 MgNb2O6 는,
    MgO와 Nb2O5 를 평량하고 혼합하는 단계;
    상기 MgO와 상기 Nb2O5 의 혼합물을 볼밀하는 단계;
    상기 MgO와 상기 Nb2O5 의 상기 혼합물을 건조하는 단계;
    상기 MgO와 상기 Nb2O5 의 상기 혼합물을 분쇄하는 단계; 및
    상기 MgO와 상기 Nb2O5 의 상기 혼합물을 하소하는 단계;를 수행하여 형성되는,
    투명성 압전체의 제조방법.
  14. 영상신호를 제공하는 디스플레이부; 및
    상기 디스플레이부 상에 배치되고, Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 포함하는 투명성 압전체를 구비하는 투명성 압전부를 포함하는, 터치형 디스플레이 장치.
    (여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수임).
  15. 진동 에너지를 제공하는 진동부; 및
    상기 진동부 상에 배치되고, Pb1-y-zAyDz(Mg1/3Nb2/3)1-xTixO3 를 포함하는 투명성 압전체를 구비하는 투명성 압전부를 포함하는, 진동-전기 변환 장치.
    (여기에서, 상기 A는 등방성 증가 도판트이고, 상기 D는 이방성 증가 도판트이고, 상기 x는 0.20 이상 내지 0.50 이하의 수이고, 상기 y는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수이고, 상기 z는 0.0125 이상 내지 0.02 이하의 수임).
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR910001362A (ko) * 1988-06-29 1991-01-30 가부시기가이샤 시미즈 세이사꾸쇼오 전자식 저울의 교정장치
JP6185441B2 (ja) * 2014-09-24 2017-08-23 Ｊｆｅミネラル株式会社 圧電単結晶及び圧電単結晶素子
KR102143567B1 (ko) * 2020-04-07 2020-08-11 울산과학기술원 강자성 원소 치환형 상온 다강성 물질 및 그 제조 방법
KR102148944B1 (ko) * 2019-05-03 2020-08-28 울산과학기술원 상온 다강성 물질, 그의 제조방법 및 그를 포함하는 전자장치
KR20200136200A (ko) * 2019-05-27 2020-12-07 울산과학기술원 b-TGG 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹, 압전 소자 및 이의 제조방법

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2002222688A1 (en) 2000-12-20 2002-07-01 Murata Manufacturing Co., Ltd. Transparent ceramic and method for production thereof, and optical element

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR910001362A (ko) * 1988-06-29 1991-01-30 가부시기가이샤 시미즈 세이사꾸쇼오 전자식 저울의 교정장치
JP6185441B2 (ja) * 2014-09-24 2017-08-23 Ｊｆｅミネラル株式会社 圧電単結晶及び圧電単結晶素子
KR102148944B1 (ko) * 2019-05-03 2020-08-28 울산과학기술원 상온 다강성 물질, 그의 제조방법 및 그를 포함하는 전자장치
KR20200136200A (ko) * 2019-05-27 2020-12-07 울산과학기술원 b-TGG 텍스쳐링된 PMN-PT 기반 압전 세라믹, 압전 소자 및 이의 제조방법
KR102143567B1 (ko) * 2020-04-07 2020-08-11 울산과학기술원 강자성 원소 치환형 상온 다강성 물질 및 그 제조 방법

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