JP2920000B2 - ランタンを含むチタン酸ジルコン酸鉛の製造方法 - Google Patents

ランタンを含むチタン酸ジルコン酸鉛の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は透光性が良好で、大きな
電気光学効果を有するために、従来の圧電磁器材料とし
ての用途の他に、画像表示装置、光記憶素子、光変調器
などへのオプトエレクトロニクスとしての応用が考えら
れるランタンを含むチタン酸ジルコン酸鉛(PLZT)の製
造方法、より詳しくはゾル・ゲル法を用いたチタン酸ジ
ルコン酸鉛の製造方法に係る。
【0002】
【従来の技術】従来のPLZTの製造方法としては、酸
化物混合法と、PVD(物理蒸着)法、CVD(化学気
相成長法)法とがある。酸化物混合法は、La23,P
bO,ZrO2,TiO2を湿式で混合し、乾燥後に乾式
でペレット成形した後、バインダ、溶剤を加えてシート
を成形し、これらを1100〜1200℃で焼成するか、または
成形体を300〜500Kg/cm2の圧力下で1100〜1200℃、5〜1
0時間酸素中でホットプレスする方法がある。また、P
VD法としては、スパッタ法、EB蒸着法、イオンプレ
ーティング法など、CVD法としては、例えばプラズマ
CVD法、MOCVD(有機金属化学気相成長)法など
を用いる方法が知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】酸化物混合法では、P
bOの揮散が生じ組成変動が起こるため、あらかじめ過
剰のPbOを添加したり、PbO雰囲気での焼成が不可
欠であるが、PbO蒸気圧の制御が困難である。又、粉
末混合時のコンタミネーションや凝集粒子の存在、さら
にバインダー除去による空孔がセラミックス内部に残留
し、緻密化が妨げられ、圧電特性の劣化が生じるなどの
問題がある。
【0004】また、PVD法、CVD法は、緻密な膜の
形成が可能であるが、堆積させる基板の選択が必要とな
る。また、装置の関係上高価となり、大量生産も不可能
である。さらに、原料として気相を用いるため、組成制
御が困難となるなどの問題がある。
【0005】
【0006】
【課題を解決するための手段】 請求項1に記載の発明は
上記のような問題点を解決するために、塩化物以外の無
機、有機のランタン化合物、鉛化合物及び、ジルコニウ
ム化合物とチタンアルコキシドを原料とし、酢酸を溶媒
として、ゾル溶液を調製し、これを焼成するものであ
る。
【0007】
【作用】本発明のチタン酸ジルコン酸鉛の製造方法によ
れば、ゾル・ゲル法を用いることにより、850℃以下と
いう低温で雰囲気制御せずに従来法と同等の特性を有
し、原子あるいは分子オーダーで均一な組成のPLZT
を焼成することができる。さらに、このように焼成され
たPLZTは、形状の自由度が大きく、大量生産も可能
であり、PLZTの特性を生かした従来の圧電磁気材料
としての用途の他に、画像表示装置、光記憶素子、光変
調器などへのオプトエレクトロニクスへの幅広い応用が
可能である。
【0008】
【実施例】始めに、PLZT原料のゾル溶液を調製す
る。ランタン、鉛、ジルコニウム化合物の原料として
は、塩化物以外であれば有機、無機いずれの化合物でも
よい。例えば、ランタン化合物の原料として酢酸ランタ
ン、硝酸ランタン、鉛化合物として酢酸鉛、硝酸鉛、ス
テアリン酸鉛、ジルコニウム化合物として硝酸ジルコニ
ル、ジルコニウムプロポキシドが好ましく使用される。
チタン原料としては、チタンアルコキシドを使用する。
このアルコキシドが後に重縮合してゲル化を可能にす
る。チタンアルコキシドとしては、チタンエトキシド、
チタンイソプロポキシド、チタンブトキシドが好ましく
使用される。
【0009】これらの原料は、酢酸とアルコールを溶媒
とすることにより、ゾル溶液を調製することができる。
ランタン、鉛、ジルコニウム及びチタン原料を所定のP
LZT組成に応じて配合し、これに酢酸及びアルコール
を添加して、透明なゾル溶液が得られるまで攪拌する。
アルコキシドは加水分解しやすいので最後に添加するの
がよい。酢酸の濃度は、PLZTの各原料1/100モルに
対し、8.5N,10ml程度加える。ゾル溶液には、溶液の粘
度調整及び高安定化のために、エチレングリコール類を
PLZT各原料の1/100モルに対し、2ml程度添加して、
攪拌することが望ましい。このゾル溶液をゲル化する第
1の方法は、ディップコーティング法、スピンコーティ
ング法、超音波コーティング法などの方法で基板上に膜
を形成するもので、成膜されたのちゲル化する。
【0010】そこで本発明により、ゾル溶液からPLZ
Tを製造する第1の方法は、上記の如く基板上に各種コ
ーティング法でゲル膜を成膜した後、850℃以下、好ま
しくは、600〜800℃の温度で焼成する方法である。第2
の方法は、ゾル溶液が加熱中に飛散しないような容器
(例えばルツボ)に入れ、500〜750℃で仮焼きしてPL
ZT粉末を得、これを成形し焼成する方法である。焼成
温度は、800℃以下、好ましくは、600〜800℃とする。
第3の方法は、ゾル溶液をゆっくり乾燥して(例えば室
温に1週間放置後)ゲル化させ、得られたゲル形成体を
800℃以下の温度で焼成する方法である。
【0011】図1にゾル溶液の製造工程の一例をフロー
図で示す。酢酸鉛 3水和物、酢酸ランタン 1.5水和物と
酢酸ジルコニル 2水和物を所定量秤量し、これに酢酸を
添加後溶液が完全に透明になるまで攪拌する。次に所定
量のチタンブトキシドモノマーをビューレット等を用い
て滴下する。この混合溶液に、溶液の粘度調整並びに溶
液の高安定化のため、エチレングリコール類を各原料1/
100モルに対し2ml添加し、攪拌することによりゾル溶液
を得る。これに、石英、ITOの付いた石英ガラス、ソ
ーダガラス、Pt板等の基板を浸漬させ、2〜10cm/min
のスピードで引き上げ、基板上にゲル膜を形成させる。
この引き上げ回数により、所望の膜厚を有するPLZT
薄膜を形成できる。ここで、引き上げ1回当たり約0.18
μmの膜厚となり、引き上げの操作回数により、膜厚が
容易に制御できる。
【0012】このようにして得た膜試料を試料Aとす
る。なお、ここで試料Aはスピンコーティング法や超音
波コーティング法による膜でもよく、スピン速度やスプ
レー時間により、膜厚の制御が可能である。また、上記
作製したゾル溶液を乾燥後500〜850℃で焼成した粉末試
料を試料Bとする。膜厚及び粉末X線回折の結果より試
料A、B共に500℃からペログスカイト相が析出しはじ
め、600℃の熱処理により、ペログスカイト相となっ
た。これにより、600℃以上の熱処理によりPLZT単
相が得られることがわかった。次に試料Aについて、30
0〜800nmにおける透過率を測定した結果、膜厚を約 2μ
mとした場合においても 600nm付近で 70%程度の透過率
を示していた。
【0013】上記の工程で得られた、PLZTの代表的
組成における誘電率の例を、図2に示す。ランタンを含
むチタン酸ジルコン酸鉛(PLZT)は、Pb1-X/100La
X/100(ZrY/100TiZ/1001-X/4003[ただし、0
x≦1]で表される組成を有している。図中のPLZ
T組成は、例えばPLZT(X/Y/Z)において、9/65/35
は、Pb0.93La0.07(Zr0.65Ti0.350.9783
7/65/35はPb0.93La0.07(Zr0.65Ti0.350.983
3を示す。例えば、7/65/35のPLZTは、各原料1/10
0モル、即ち酢酸鉛 3水和物 3.546g、酢酸ランタン 1.5
水和物 0.240g、硝酸ジルコニル 2水和物 1.760gに8.5N
の酢酸 10.00ml0添加し攪拌して溶解させる。これに、
チタンプトキシド 0.01モルを滴下しながら加え、さら
にトリエチレングリコール 2.0mlを添加して、ゾル溶液
を調製し、次いで、ITOを膜付けした石英基板に10回
浸漬して、厚さ 2.0μmのゲル膜を形成後、700〜850℃
の温度で 2〜4時間焼成して作製した。
【0014】図2は、測定周波数を10kHzとした時のP
LZT(x/65/35)各組成の2.0μmの厚さを持つ薄膜の
誘電率の各熱処理温度依存性を示している。この図2か
ら明らかなように、焼成温度が 800℃を越えると特性の
劣化が現れる。これは、鉛成分が試料中から飛散し組成
変動が起こるためである。また、800℃以下の焼成にお
いては雰囲気の制御を行なわない大気中での焼成にもか
かわらず、従来からの粉末焼結法と同等の特性を示して
いる。さらに、ここではディップコーディング法、スピ
ンコーディング法、超音波スプレー法を用いた試料の全
てが同等の特性を示していた。
【0015】また、図3ではPt板に800℃、2.0時間熱
処理により作製した膜厚2.5μmのPLZT(x/65/35
薄膜の誘電率及びPLZT(7/65/35)の 複素誘電率の
損失係数tanδの温度依存性を示している。この時の測
定周波数は10kHzである。この図3からx=8〜9の組成の
薄膜は焼成温度が100℃を超えると特性の劣化が現れ、1
00℃以下の焼成においては雰囲気の制御を行なわない大
気中での焼成にもかかわらず、従来からの粉末焼結法と
同等の特性を示している。そしてまた、x=7の組成の
薄膜を例に、その誘電率と複素誘電率の損失係数 tanδ
の変化について対比してみる。x=7の組成薄膜では190
℃を超えると特性の劣化が現れるが、同温度付近で熱損
失の減少が見られる。
【0016】
【0017】このように、本発明では、塩化物以外の無
機、有機のランタン化合物、鉛化合物及びジルコニウム
化合物とチタンアルコキシドを原料とし、酢酸を溶媒と
してゾル溶液を調整し、これを焼成することにより、85
0℃以下という低温で雰囲気制御せずに、従来法と同等
の特性を有し、しかも原子あるいは分子オーダーで均一
な組成のPLZTを焼成できる。
【0018】そして、このように本発明により焼成され
たPLZTは透光性が良好で、大きな電気光学効果を有
するために、従来の圧電磁気材料としての用途の他に、
画像表示装置、光記憶素子、光変調器などへのオプトエ
レクトロニクスとしての応用も考えられる。例えば、自
動車のバックミラーにPLZT膜を張り付け、これを電
気的に振動させることによって、雨の日でもバックミラ
ーの水をはじき自動車の走行の安全性を向上することが
できる。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように、本発明では、ゾル
・ゲル法を用いることによって、850℃以下という低温
で雰囲気制御をせずに、従来法と同等の特性を有し、原
子あるいは分子オーダーで均一の組成のPLZTを焼成
できる。さらに、このように焼成されたPLZTは、安
価で形状の自由度が大きく、大量生産も可能である。
【0020】そして、このように本発明により焼成され
たPLZTは透光性が良好で、大きな電気光学効果を有
するために、従来の圧電磁気材料としての用途の他に、
画像表示装置、、光記憶素子、光変調器などへのオプト
エレクトロニクスとしての幅広い分野での応用が可能で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるゾル溶液の作製工程の一例を示す
フロー図である。
【図2】PLZT(X/65/35)各組成の2.0μmの厚さを
持つ薄膜の誘電率の各熱処理温度依存性を示す図であ
る。
【図3】Pt基板上に作製した、PLZT(X/65/35
薄膜の誘電率と複素誘電率の損失係数tanδの温度依存
性を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C04B 35/42 - 35/49 C04B 35/00 C01G 25/00 - 25/06

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 塩化物以外の無機、有機のランタン化合
    物、鉛化合物及び、ジルコニウム化合物とチタンアルコ
    キシドを原料とし、酢酸を溶媒としてゾル溶液を調製
    し、これを焼成することを特徴とするランタンを含む
    タン酸ジルコン酸鉛の製造方法。
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