KR100562987B1

KR100562987B1 - 초음파 진동자용 압전 세라믹스 조성물

Info

Publication number: KR100562987B1
Application number: KR1020030095362A
Authority: KR
Inventors: 황순철; 김도형; 김선욱
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2006-03-23
Also published as: KR20050064085A

Abstract

본 발명은 초음파 진동자용 압전 세라믹스 조성물에 관한 것으로, aPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-bPb(Mg_1/3Ta_2/3)O₃-cPbZrO₃-dPbTiO₃(몰비 a, b, c 및 d는 각각 0.01≤a≤0.09, 0.01≤b≤0.09, 0.30≤c≤0.60, 0.30≤d≤0.60)로 표현되는 압전 세라믹스 화합물과 상기 화합물의 0.1 내지 0.5중량%의 산화세리아(CeO₂)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 의한 초음파 진동자용 압전 세라믹스 조성물은 기존 압전재료에 비해 압전상수가 크고, 큐리온도 및 기계적 품질계수가 크게 향상되어 초음파 진동자용 압전 세라믹스 조성물로서 실용성이 높은 효과가 있다.

초음파, 진동자, 압전, 큐리온도, 기계적 품질계수

Description

초음파 진동자용 압전 세라믹스 조성물{Piezoelectric Ceramic Composition for Ultrasonic Vibrator}

본 발명은 초음파 진동자용 압전 세라믹스 조성물에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 기존 압전재료에 비해 압전상수가 커서 인가전압에 대한 진동변위가 크고, 기계적 품질계수가 커서 열손실을 최소화하며, 사용온도의 범위를 결정하는 큐리온도가 높아 사용온도 변화에 큰 영향을 받지 않아 초음파 진동자용 압전 세라믹스로서 실용성이 높은 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 초음파란 인간의 가청주파수(20㎐~20,000㎐)보다 높은 주파수 영역의 음파를 말하며, 매질이 지닌 탄성 및 관성에 따라 발생되는 파동의 특성을 이용하여 통신적인 면에서는 각종 탐상기와 어군탐지기 등의 센서로서, 동력적인 면에서는 가공기 및 세척기로서 응용되며, 최근에는 용접 및 의료장비에의 응용이 주목을 받고 있다.

종래 사용되고 있는 초음파 진동자용 재료로는 자왜형, 압전형, 전자형 진동자 등이 있으며, 이중 압전형 진동자는 구조가 간단하여 소형경량화가 가능하며 전자파 노이즈가 없고 소비전력이 적다는 장점을 가지므로 산업용으로 가장 널리 이 용되고 있다.

현재 산업용으로 제조되고 있는 압전 세라믹 재로로서는 PZT를 기초로 한 3성분계 세라믹스 조성이 널리 사용되고 있으며 이는 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 소프트(Soft)형, 하드(Hard)형, 중간형으로 나눌 수 있다.

	소프트(Soft)형	하드(Hard)형	중간형
상용분말명	PZT-5H	PZT-8	PZT-4
압전상수(d₃₃)	593	228	285
기계적 품질계수(Qm)	65	1000	500
큐리온도(Tc)	195	300	325

일반적으로 초음파 진동자용 압전재료로서는 압전상수(d₃₃)가 커서 인가전압에 대한 진동변위가 크고, 기계적 품질계수(Qm)가 커서 열손실을 최소화하여 장시간 연속 구동시에도 특성열화가 발생되지 않으며, 큐리온도(Tc)가 높아서 사용온도 변화에 큰 영향을 받지 않는 조성이 요구되고 있다.

소프트(Soft)형의 경우 압전상수가 높은 반면에 기계적 품질계수 및 큐리온도가 낮아 연속 구동이 어려운 단점이 있고, 하드(Hard)형의 경우 기계적 품질계수 및 큐리온도는 높지만 압전상수가 낮아 진동변위 및 감도가 낮아지는 단점이 있다.

따라서 현재 초음파 진동자용 압전재료로는 중간형의 조성이 널리 사용되고 있으나, 최근 소자의 고성능화, 고신뢰화 추세에 의하여 압전상수 및 기계적 품질계수가 동시에 높은 조성의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 기존 압전재료에 비해 실용 성이 향상된 초음파 진동자용 세라믹스 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 달성될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

하기 화학식 1로 표현되는 압전 세라믹스 화합물과 상기 압전 세라믹스 화합물의 0.1 내지 0.5 중량%의 산화세리아(CeO₂)을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동자용 세라믹스 조성물을 제공한다.

[화학식 1]

aPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-bPb(Mg_1/3Ta_2/3)O₃-cPbZrO₃-dPbTiO₃
(상기 몰비 a, b, c 및 d는 각각 0.01≤a≤0.09, 0.01≤b≤0.09, 0.30≤c≤0.60, 0.30≤d≤0.60 임.)

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 초음파 진동자용 압전 세라믹스 조성물은 aPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-bPb(Mg_1/3Ta_2/3)O₃-cPbZrO₃-dPbTiO₃(몰비 a, b, c 및 d는 각각 0.01≤a≤0.09, 0.01≤b≤0.09, 0.30≤c≤0.60, 0.30≤d≤0.60)로 표현되는 압전 세라믹스 화합물과 상기 화합물의 0.1 내지 0.5중량%의 산화세리아(CeO₂)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 하기의 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하지만, 본 발명의 범위가 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

aPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-bPb(Mg_1/3Ta_2/3)O₃-cPbZrO ₃-dPbTiO₃의 압전 세라믹스 조성 a=0.01, b=0.09, c=0.60, d=0.30로 하고, 산화세리아 0.5중량%를 첨가하였다.

순도 99.5% 이상의 산화납(Ⅱ)(PbO), 산화티타늄(TiO₂), 산화지르코늄(ZrO₂), 산화마그네슘(MgO), 산화니오브(Nb₂O₅), 산화탄탈륨(Ta ₂O₅), 산화세리아(CeO₂) 분말을 조성에 맞게 칭량하여 혼합하고 볼밀을 사용하여 에탄올 용매 중에서 24시간 혼합 건조한 후 900℃에서 2시간 하소를 행하였다.

하소된 분말은 X-ray 분석을 통하여 페로브스카이트(Perovskite) 단일상임을 확인한 후, 다시 24시간 동안 습식볼밀을 행하여 평균입도가 1.0㎛가 되도록 하였다.

건조한 분말은 먼저 유압프레스를 이용하여 지름 20㎜의 성형몰드로 가압 성형한 후, 냉간정수압프레스(Cold Isostatic Press)에 의하여 2.0톤/㎠의 압력으로 성형하였다.

성형시편은 동일 조성의 분말로 잘 덮은 후, 산화납분위기의 밀폐된 알루미나 도가니속에 넣고 1200℃의 온도에서 4시간 동안 유지시켜 소결을 행하였다.

소결된 시편들은 양면 연마기에 의하여 1㎜의 두께가 되도록 연마한 후, 초음파 세척기로 이물질을 제거하였고 건조 후 은전극을 양면에 도포하고 590℃에서 15분간 열처리하여 전극을 형성하였다.

제작된 시편에 압전성을 부여하기 위한 분극은 전기절연성이 우수하고 비열이 커서 온도편차를 무시할 수 있는 실리콘 오일 속에 시편을 담그고 120℃의 온도에서 3㎸/㎜의 직류전계를 10분간 인가하여 실시하였다.

분극처리된 시편은 시효현상을 제거하기 위하여 100℃ 내지 150℃의 온도범위에서 5 내지 10시간 동안 열처리하였다.

[실시예 2]

a=0.01, b=0.09, c=0.30, d=0.60로 하고, 첨가하는 산화세리아를 0.1중량%으로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.

[실시예 3]

a=0.09, b=0.01, c=0.60, d=0.30로 하고, 첨가하는 산화세리아를 0.5중량%으로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.

[실시예 4]

a=0.09, b=0.01, c=0.30, d=0.60로 하고, 첨가하는 산화세리아를 0.1중량%으로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다.

상기 실시예 1 내지 4에 대하여 압전상수, 기계적 품질계수 및 큐리온도를 측정하여 그 결과를 종래의 중간형과 비교하여 하기의 표 2에 나타내었다.

	종래예	실시예
	중간형	1	2	3	4
압전상수(d₃₃)	280	290	280	340	330
기계적 품질계수(Qm)	500	1000	1200	550	650
큐리온도(℃)	325	325	335	325	330

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1 및 2의 경우 기계적 품질계수가 종래예보다 약 2배 향상되었으며, 실시예 3 및 4의 경우 압전상수가 종래예보다 약 20% 향상된 우수한 특성을 나타내었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 초음파 진동자용 압전 세라믹스 조성물은 기존 압전재료에 비해 압전상수가 커서 인가전압에 대한 진동변위가 크고, 기계적 품질계수가 커서 열손실을 최소화하며, 사용온도의 범위를 결정하는 큐리온도가 높아 사용온도 변화에 큰 영향을 받지 않아 초음파 진동자용 압전 세라믹스로서 실용성이 높은 효과가 있는 유용한 발명인 것이다.

상기에서 본 발명은 기재된 구체예를 중심으로 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.

Claims

하기 화학식 1로 표현되는 압전 세라믹스 화합물과 상기 압전 세라믹스 화합물의 0.1 내지 0.5 중량%의 산화세리아(CeO₂)을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 진동자용 세라믹스 조성물.

aPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-bPb(Mg_1/3Ta_2/3)O₃-cPbZrO₃-dPbTiO₃

(상기 몰비 a, b, c 및 d는 각각 0.01≤a≤0.09, 0.01≤b≤0.09, 0.30≤c≤0.60, 0.30≤d≤0.60 임.)