KR100414332B1 - 압전 세라믹 콤팩트 및 그를 이용한 압전 세라믹 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전 세라믹 콤팩트 장치 등에 사용하기 위한 물질로서 유용한 압전 세라믹 콤팩트를 제공한다. 압전 세라믹 콤팩트는 주성분으로서 SrBi4Ti4O15를 함유하며, 납이나 납성분을 함유하지 않거나 소량만을 함유하고, 전기 양호도(quality factor) Q(1/tanδ)가 실제 사용에 적용될 수 있도록 개선된 최대치 Qmax를 나타난다. 압전 세라믹 콤팩트는 Sr, Bi, Ti로 구성된 비스무트(bismuth)층 화합물을 주성분으로 하고, Sr, Bi, Ti의 몰량비가 a : b : c 일 때, 0.13 ≤ a/c < 0.25 및 3.5 ≤(2a + 3b)/c ≤3.75 의 관계를 만족한다.
Description
본 발명은 압전 세라믹과 그를 이용한 압전 세라믹 장치에 관한 것으로서, 특히 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 오실레이터(oscillator), 압전 세라믹 바이브레이터등과 같은 압전 세라믹 장치용의 재료로서 유용한 압전 세라믹과 이 압전 세라믹을 이용한 압전 세라믹 장치에 관한 것이다.
종래에는 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 오실레이터, 압전 세라믹 바이브레이터 등과 같은 압전 세라믹 장치의 압전 세라믹으로서, 티탄산 지르콘산염(lead titanate zirconate) (Pb(TixZr1-x)O3) 혹은 티탄산염(PbTiO3)을 주성분으로 하는 압전 세라믹이 널리 사용되었다. 그러나, 티탄산 지르콘산염을 주성분으로 함유하는 압전 세라믹은 다량의 납을 함유하는 조성을 가지고 있으므로 제조공정 중에 납 산화물의 증발에 의한 제품의 균일성이 저하되는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위해서, 납을 함유하지 않거나 단지 소량의 납만을 함유한 조성을 가지는 압전 세라믹 콤팩트를 사용하는 것이 바람직하다.
SrBi4Ti4O15같은 비스무트(bismuth)층 화합물을 주성분으로 함유하는 압전 세라믹 콤팩트는 납 산화물을 함유하지 않는 조성을 가지고 있고 따라서 상기 문제를 발생시키지 않는다.
그러나, 압전 세라믹 장치, 특히 압전 세라믹 오실레이터에 사용되는 재료는 일반적으로 공진 주파수와 반(反)공진 주파수 사이의 임의의 주파수에서 전기 양호도(quality factor) Q(1/tanδ)의 최대치 Qmax를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, SrBi4Ti4O15같은 비스무트층 화합물을 주성분으로 함유하는 압전 세라믹 콤팩트는 실제적인 사용에 적용할 수 있을 정도의 충분한 Qmax를 얻을 수 없다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 주목적은 SrBi4Ti4O15을 주성분으로 함유하고, 납 또는 납 화합물을 함유하지 않거나 소량 함유하며, 실제적인 사용에 적용할 수 있을 정도의 개선된 Qmax를 나타내는 압전 세라믹 장치의 재료로서 유용한 압전 세라믹 콤팩트, 및 이러한 압전 세라믹 콤팩트를 사용한 압전 세라믹 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 세라믹 바이브레이터(vibrator)의 예를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 압전 세라믹 바이브레이터의 분해 단면도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명〉
10...압전 세라믹 바이브레이터 12... 압전 세라믹 콤팩트
12a, 12b...압전 세라믹층 14a, 14b, 14c...진동 전극
16a, 16b, 16c...리드 전극 18a, 18b...리드선
20a, 20b...외부 단자
본 발명의 목적을 달성하기 위해서, Sr, Bi, Ti, 산소로 구성된 비스무트층 화합물을 함유하는 압전 세라믹 콤팩트는 주성분으로서의 비스무트층 화합물의 Sr, Bi, Ti의 몰량비가 a : b : c 일 때, 0.13 ≤ a/c < 0.25 및 3.5 ≤(2a + 3b)/c ≤3.75 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 압전 세라믹 콤팩트는 상기 주성분에서 Ti 1 몰에 대해서 0.05 몰 이하(0은 제외한다)로 Sr이외의 2가(bivalent)의 금속 원소, 또는 Bi이외의 3가(trivalent)의 금속 원소를 함유하는 것을 특징으로 한다. 이 경우에서, 주성분에 함유된 Sr이외의 2가의 원소는 Mg, Ca, Ba, Pb 중에서 적어도 하나가 선택된 것을 특징으로 하고, 주성분에 함유된 Bi이외의 3가의 금속 원소는 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er, Yb 중에서 적어도 하나가 선택된 것을 특징으로 한다.
주성분에서 Ti의 1몰에 대해서 Zr를 0.025몰 미만(0은 제외한다)을 작게 함유하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 콤팩트가 제공된다.
본 발명의 압전 세라믹 콤팩트는 Mn을 MnCO3로 환산하여 1.5중량% 이하(0은 제외한다)의 비율을 함유하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 압전 세라믹 장치는 상기의 압전 세라믹 콤팩트 및 상기 압전 세라믹 콤팩트에 형성된 전극을 포함하는 것을 특징으로 한 것이 제공된다.
본 발명의 압전 세라믹 콤팩트가 압전 세라믹용 조성 원료를 발화시켜 획득된 소결체로 구성되어도 조성 비율은 발화 이전과 이후는 실질적으로 일정하다.
본 발명의 압전 세라믹 콤팩트는 Sr, Bi, Ti 및 산소를 포함한 비스무트층을 주성분으로 함유하고, 주성분으로서의 비스무트층에서의 Sr, Bi, Ti의 몰량 비율이 a : b : c일 때, 0.13 ≤a/c ≤ 0.25 및 3.5 ≤(2a + 3b)≤3.75의 관계가 만족되도록 범위를 제한한다. 이것은 이 범위가 넘어서면 실제 사용에 적용되는 정도의 Qmax가 획득될 수 없기 때문이다.
본 발명의 압전 세라믹 콤팩트는 주성분에서 Ti의 1 몰에 0.05 혹은 그보다 작은(0은 포함하지는 않는다) 비율에서 Sr이외의 2가의 금속 원소를 포함하거나 Bi이외의 3가의 금속 원소를 포함한다. 이에 의해서 본 발명의 효과가 중요해진다. 이 경우에 있어서, Sr이외의 2가의 금속 원소의 비율 혹은 Bi이외의른 3가의 금속 원소는 주성분에서의 Ti의 1 몰에 대한 0.05 몰이나 그보다 작은(0은 포함되지 않는다) 몰이다. 이것은 상기의 원소가 추가되지 않는 경우와 비교할 때 그러한 금속 원소의 0.05 몰 이상의 투여가 Qmax를 나쁘게 하는 경향이 있기 때문이다.
본 발명의 압전 세라믹 콤팩트는 주성분에서 Ti 1 몰에 대한 Zr의 0.025 몰(0은 포함하지 않는다) 이하의 값을 함유한다. 이에 의해서 본 발명의 효과가 중요해진다. 함유된 Zr의 비율은 Zr이 추가되지 않는 경우와 비교할 때 Zr이 0.25 몰이나 그 이상이 투여되면 Qmax를 나쁘게 하는 경향이 있기 때문에 주성분에서 Ti의 1 몰에 0.25 몰(0은 제외한다)이거나 이보다 작게 설정된다.
본 발명의 압전 세라믹 콤팩트는 Mn은 MnCO3로 환산해서 1.5중량% 내지 그보다 작은 비율(0은 포함하지 않는다)에서는 더 함유된다. 그럼으로서 본 발명의 효과는 중요해진다. Mn이 함유된 비율이 Mn이 추가되지 않는 경우와 비교할 때 Mn이 1.5중량%거나 그 이상이 투여되면 Qmax를 나쁘게 하는 경향이 있기 때문에 MnCO3의 환산에서 1.5중량% 내지 그보다 작게 설정된다.
본 발명의 상기 목적과 그 이외의 목적들, 특성과 이점등은 본 발명의 하기 실시형태에서의 상세한 설명으로 더욱 더 명확해질 것이다.
먼저, SrCO3, Bi2O3, CaCO3, BaCO3,Nd2O3, La2O3, TiO2, ZrO2, MnCO3를 원료로서 준비하고, 중량을 측정해서, 하기 성분식(SraBibTicO9+x mol Me + y mol Zr + zwt% MnCO3)(Me는 Ca, Ba, Nd 혹은 La 이고 a, b, c, x, y, z는 하기 표 1에 나타낸다)을 얻는다. 이들 원료를 대략 16시간 동안 볼 밀(ball mill)을 이용한 습식 방법으로 혼합하여, 혼합물을 얻는다. 이렇게 얻은 혼합물을 건조하고 700°∼ 900°의 온도에서 하소(calcine)하여 하소물을 얻는다. 이 하소물을 거칠게 분쇄하고, 이 분쇄물에 산소 바인더(binder)를 적당량 첨가한다. 얻은 혼합물을 16시간 동안 볼 밀을 이용한 습식 방법으로 분쇄한 다음 40 메쉬(mesh) 체를 통과시켜 크기를조절한다. 다음으로, 얻은 재료로 압력 1500kg/cm2인 조건하에서 20mm의 지름과 0.6mm의 두께를 가진 디스크(disk)를 성형한다. 이 디스크를 1000°C∼ 1300°C 의 대기에서 연소하여 원반형상의 세라믹을 얻는다. 그 다음에 이 세라믹의 표면에 통상의 방법에 의해 은 페이스트(paste)를 도포한 후에 은 전극을 형성한다. 30분∼60분 동안 200°C∼ 250°C 의 절연 오일(oil)에서 직류 전압 1kV/mm∼15kV/mm를 세라믹에 인가하여, 분극 처리를 실시하여 압전 세라믹 콤팩트를 얻는다. 얻은 샘플의 두께 세로 진동 기본파, 즉 디스크 형상 바이브레이터의 두께 세로 진동 기본파 Qmax를 측정하였다. 그 결과는 표 1과 표 2에 나타낸다.
상기 표 1 및 표 2에서, *표시가 붙은 샘플은 본 발명의 범위를 벗어난다는 것을 의미한다.
표 1 및 표 2에서, Qmax는 동일한 조성을 가지는 샘플 중에서 최대 Qmax를 얻은 샘플의 조건(하소 온도, 연소 온도, 온도 및 압전용 절연 오일의 직류 전압) 하에서 얻은 값이다. Qmax가 샘플의 형상, 진동 모드 및 사용된 전극의 형상에 달려있더라도, 15이상의 Qmax는 본 발명에서 사용된 조건 하에서의 실제 수준의 값이라고생각한다.
표 1 및 표 2는 본 발명의 이 실시형태의 모든 샘플이 Qmax가 15이상이라는 것을 나타내고, 따라서 압전 세라믹 장치(압전 세라믹 오실레이터)의 재료로서 유용하다는 것을 나타낸다.
본 발명의 이 실시형태의 임의의 샘플에서 최대 Qmax는 SrBi4Ti4O15와 비교하여 낮은 연소 온도에서 얻어진다. 따라서, 본 발명의 부수적 효과로서 연소 온도의 감소를 확인할 수 있다. 연소 온도를 감소시킴으로서, 연소에 필요한 전력 같은 에너지가 감소될 수 있고, 연소 중 압전 세라믹을 함유한 덮개 단자(sheathed pot)의 수명도 연장되어 생산가를 절감할 수 있다.
본 발명의 압전 세라믹 콤팩트의 조성은 본 실시형태로서만 제한되는 것이 아니고, 본 발명의 요지의 범위 내에 있는 한 어떠한 조성도 유효하다.
본 실시형태에서는, 디스크 형상 바이브레이터의 두께 세로 진동 Qmax를 한 예로 설명하였지만, 본 발명은 디스크 형상의 바이브레이터의 두께 세로 진동에만 국한되지 않고, 압전 세라믹 장치, 특히 압전 세라믹 오실레이터에서 사용하는 두께 전단 진동의 고조파 혹은 두께 세로 진동과 동일한 방식에서의 두께 세로 진동등의 진동 모드(mode)에 적용될 수 있다.
또한, 예를 들어, T. ATSUKI 외 여러 명이 Jpn. J. Appl. Pys.,Vol.34, Part 1, 9B, pp 5096-5099에서 SrBi2Ta2O9를 함유한 비스무트층이 강유전 메모리(memory)용 박막 재료로 사용되고, Sr0.7Bi2.4Ta2O9로 변형되어 잔류 자기 분극값이 개선된다고 보고되고 있다. 그러나, 본 발명은 상기 보고와는 다른 조성계(system)를 목적으로 한다. 또한 본 발명은 압전 세라믹 장치로서 유용한 압전 세라믹 콤팩트를 얻는데 목적이 있어서, 적용 분야가 상기 보고와는 다르다. 덧붙여서, 강유전성 메모리용 재료 및 압전 세라믹 장치용 재료는 다른 성능을 가지도록 요구되어, 본 발명은 ATSUKI 외 여러 명의 논문으로부터 용이하게 착상할 수 없다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 세라믹 바이브레이터의 예를 도시한 사시도이고 도 2는 도 1에 도시한 압전 세라믹 바이브레이터의 분해 단면도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 압전 세라믹 바이브레이터(10)는 예를 들어 직사각형 압전 세라믹 콤팩트(12)로 구성되어 있다. 압전 세라믹 콤팩트(12)는 본 발명의 압전 세라믹 콤팩트를 함유하고, 적층시켜 일체적으로 형성된 두 개의 압전 세라믹층(12a, 12b)을 포함하고 있다. 압전 세라믹층(12a, 12b)은 도 2의 화살표로 나타낸 두께 방향에서 분극(polarized)된다.
예를 들어, 압전 세라믹층(12a, 12b) 사이의 중앙에 원형 진동 전극(14a)이 형성되고, 진동 전극(14a)로부터 압전 세라믹 콤팩트(12)의 한 끝단면에서까지 T자형상의 리드 전극(16a)이 형성된다. 예를 들어, 원형의 진동 전극(14b)은 압전 세라믹층(12a)의 표면의 중앙에 형성되고, T자형상의 리드 전극(16b)은 바이브레이션 전극(14b)에서 압전 세라믹 콤팩트(12)의 다른 끝단면에까지 형성된다. 또한, 예를 들어, 원형 진동 전극(14c)은 압전 세라믹층(12b)의 표면의 중앙에 형성되고, T자형상의 리드 전극(16c)은 진동 전극(14c)에서 압전 세라믹 콤팩트(12)의 다른 끝단면에까지 형성된다.
외부 단자(20a)는 리드선(18a)를 통해서 리드 전극(16a)에 접속되고, 다른 외부 단자(20b)는 리드선(18b)를 통해서 리드 전극(16b) 및 리드 전극(16c)에 접속된다.
본 발명은 압전 세라믹 진동(10)에 도시된 것처럼 그러한 장치 구조와 그 장치에 의해 야기된 진동 모드에만 국한되는 것은 아니고, 본 발명은 다른 장치 구조 및 진동 모드(예를 들면, 두께 전단 진동, 두께 세로 제 3고조파)를 사용하는 압전 세라믹 바이브레이터, 압전 세라믹 필터, 압전 세라믹 오실레이터같은 다른 압전 세라믹 장치에 적용될 수 있다.
본 발명은 압전 세라믹 장치 등에 사용하기 위한 재료로서 유용한 압전 세라믹 콤팩트(SrBi4Ti4O15를 주성분으로 함유하며, 납이나 납성분을 함유하지 않거나 소량을 함유하고 실제 사용에 가능하게 적용되도록 Qmax를 개선한 압전 세라믹 콤팩트)를 제공한다.
Claims (7)
- Sr, Bi, Ti 및 산소로 구성된 비스무트층 화합물을 주성분으로 함유하는 압전 세라믹 콤팩트로서,상기 비스무트층 화합물의 주성분인 Sr, Bi 및 Ti의 몰량비가 a : b : c 일 때, 0.13 ≤ a/c < 0.25 및 3.5 ≤(2a + 3b)/c ≤3.75 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 콤팩트.
- 제 1항에 있어서, 상기 주성분인 Ti 1 몰에 대해서 0 초과 0.05 몰 이하의 양으로 Sr이외의 2가의 금속 원소, 또는 Bi이외의 3가의 금속 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 콤팩트.
- 제 2항에 있어서, 상기 주성분에 함유된 Sr이외의 2가의 원소는 Mg, Ca, Ba 및 Pb 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 콤팩트.
- 제 2항에 있어서, 상기 주성분에 함유된 Bi이외의 3가의 금속 원소는 Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Dy, Er 및 Yb 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 콤팩트.
- 제 1항에 있어서, 상기 주성분인 Ti의 1몰에 대해서 Zr를 0 초과 0.25몰 미만의 양으로 더 함유하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 콤팩트.
- 제 1항에 있어서, Mn을 MnCO3로 환산하여 0 초과 1.5중량% 이하의 비율을 함유하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 콤팩트.
- 제 1항 내지 제 5항 중의 어느 한 항에 기재된 압전 세라믹 콤팩트: 및상기 압전 세라믹 콤팩트에 형성된 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 세라믹 장치.
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