KR20040042910A - 연성계 압전 세라믹 조성물 및 이를 이용한 압전 세라믹장치 - Google Patents

연성계 압전 세라믹 조성물 및 이를 이용한 압전 세라믹장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물 및 이를 이용한 압전 세라믹 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 [(Pb1-m-nSrmBan)(1-y)Biy][(ZrxTi1-x)1-a-bNiaWb]O3(여기서, m,n,x,y,a 및 b는 몰비로서 0.00≤m ≤0.18이고, 0.00≤n ≤0.18이고, 0.00 ≤ (m+n) ≤0.21이고, 0.40 ≤ x ≤ 0.60이고, 0.000 < y ≤ 0.04이고, 0.00 ≤ a ≤0.02이고, 0.00 < b ≤ 0.02이다.) 세라믹 및 0.001 내지 2 중량% 이하의 산화카드뮴(CdO)을 포함하는 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물 및 이를 이용한 압전 세라믹 장치에 관한 것이다.
본 발명의 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물은 높은 압전 상수(piezoelectric constant)와 전기기계결합계수(electro-mechanical coupling coefficient)를 가지고 있고, 은(Ag) 전극과 동시소결할 수 있어 은(Ag)-팔라듐(Pd) 내부전극과 비교하여 전극의 비용을 절감할 수 있는 순은 내부전극을 가진 압전 세라믹 장치를 제조할 수 있다.

Description

연성계 압전 세라믹 조성물 및 이를 이용한 압전 세라믹 장치{SOFT PIEZOELECTRIC CERAMIC COMPOSITION AND PIEZOELECTRIC DEVICES USING THE SAME}
본 발명은 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물 및 이을 이용한 압전 세라믹 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 압전 정수(piezoelectric parameter)를 가지고 저하된 온도에서 은(Ag) 전극과 동시소결이 가능한 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물 및 이를 이용한 압전 세라믹 장치에 관한 것이다.
최근 디젤 엔진의 연료분사시스템의 밸브제어를 위해 압전기 액츄에이터가성공적으로 적용되어 다층 압전기 액츄에이터의 대규모 상업적인 응용의 길이 열렸다. 또한 이 경우 일반적으로 보다 큰 변위를 얻기 위해 높은 압전 상수(piezoelectric constant)를 가진연성(soft)계 납 지르코네이트 티타네이트(PZT,lead zirconium titanate) 물질을 압전 액츄에이터에 적용하여 사용한다. 한편 자동차에서 낮은 입력 전압에서 충분한 변위를 얻기 위해 모노리식 다층 구조를 선택한다.
그러나 기존의 연성(soft)계 PZT(Pb(Zr Ti)O3) 물질로 다층 압전 액츄에이터 등과 같은 압전 세라믹 장치를 생산할 때, 높은 동시소결 온도때문에 내부전극으로 비싼 은(Ag)-팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt) 합금이 보통 사용되었다. 팔라듐(Pd)의 양은, 1150 ~ 1300℃에서 소결될 때, 20 ~ 70 중량% 범위내에서 소결온도에 의존한다. 따라서 다층 압전 액츄에이터에서 내부전극의 비용의 비용을 감소시키기 위해 압전 세라믹의 소결온도를 특히 은(Ag)의 녹는점 아래로 저하시키려는 많은 기술적 노력이 있어왔다.
연성(soft)계 압전 세라믹 물질은 다음의 전형적인 특징이 있다.
1) 높은 압전 상수(piezoelectric constant),
2) 높은 전기기계 결합계수(electro-mechanical coupling coefficient, Kp),
3) 높은 유전상수(dielectric constant),
4) 높은 유전손실(dielectric loss)
5) 낮은 기계적품질계수(mechanical quality factor,Qm) 및
6) 낮은 항전력(coercive field)과 높은 잔류분극
PZT(Pb(Zr Ti)O3)를 기초로 한 물질에서, 상기 연성(soft)계 압전 세라믹 물질의 특성들은 Zr4+또는 Ti4+을 높은 원자가를 갖는 Nb5+, Ta5+, W6+등으로 치환하거나, Pb2+를 La3+로 치환함으로써 얻을 수 있다. 그러나 기존의 연성(soft)계 PZT 물질은 소결온도가 1150 ~ 1200 ℃이기 때문에(참고문헌 1) H. Zheng et. al., "Effects of Octahedral Tilting on the Piezoelectric Properties of Strontium/Barium/Niobium-doped Soft Lead Zirconate Titanate Ceramics", J. of Am. Ceram Soc. 85[9], 2337(2002), 2) US Patent 5,423,995), 내부전극과 함께 그린 시트를 동시소결시킴으로써 다층 액츄에이터와 같은 압전 세라믹 장치를 만들기 위해 비싼 은(Ag)-팔라듐(Pd) 합금이 사용되어야만 하는 문제점이 있다.
PZT 물질의 소결온도는, 저하된 온도에서 치밀화를 높여주는 액상을 형성하는 삼산화이붕소(B2O3), 오산화바나듐(V2O5), 산화비스무스(Bi2O3), 산화구리(CuO)와 같은 소결보조제를 첨가함으로써 저하시킬 수 있다. (참고문헌; 1)U.S. Patent 5,423,995, 2)U.S. Patent 5,433,917, 3)U.S. Patent No. 5,792,379, 4) K.Murakami et. al. "Morphotropic Phase Boundary and Microstructure of Low-Temperature sintered PZT ceramics with BiFeO3and Ba(Cu0.5W0.5)O3", Proceedings of the Ninth IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics 5) X. Wang et.al., "The Mechanism of Low Temperature Sintering PZT Ceramics with additives of Li2O3-Bi2O3-CdO", Proceedings of Eighth IEEE International Symposium on Applications of Ferroelectrics.) 그러나 이러한 소결보조제는 종종 소결된 세라믹에 유리상을 남겨서, 유전손실 계수(dielectric loss tangent)를 증가시키고 압전 정수(piezoelectric parameter)를 악화시키는 문제점이 있다. 또한 소결동안 형성되는 이러한 액상은 은(Ag) 또는 은(Ag)-팔라듐(Pd) 전극과 쉽게 반응하고, 다층 압전 소자를 동시소결하는 것을 어렵게 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 특히 은(Ag)의 녹는점보다 훨씬 낮은 온도에서 소결될 수 있어, 은(Ag) 전극과 동시소결이 가능한 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 압전 세라믹 조성물을 이용하여 압전 세라믹 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 압전 세라믹 조성물을 이용하여 다층 압전세라믹 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 세라믹 장치의 일실시예인 은(Ag) 내부 전극과 함께 동시소결된 다층 압전 플레이트의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 압전 세라믹 장치의 일실시예인 은(Ag) 내부 전극과 함께 동시소결된 다층 압전 플레이트의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 압전 세라믹 장치의 일실시예인 다층 압전 플레이트의 impedance/phase 특성을 보여주는 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 [(Pb1-m-nSrmBan)(1-y)Biy][(ZrxTi1-x)1-a-bNiaWb]O3(여기서, m,n,x,y,a 및 b는 몰비로서 0.00≤m ≤0.18이고, 0.00≤n ≤0.18이고, 0.00 ≤ (m+n) ≤0.21이고, 0.40 ≤ x ≤ 0.60이고, 0.000 < y ≤ 0.04이고, 0.00 ≤ a ≤0.02이고, 0.00 < b ≤ 0.02이다.) 세라믹 및 0.001 내지 2 중량% 이하의 산화카드뮴(CdO)을 포함하는 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물을 제공한다.
본 발명은 또한 상기의 압전 세라믹 조성물을 980℃ 이하에서 소결시켜 얻은 압전 세라믹을 포함하여 구성되는 압전 세라믹 장치를 제공한다.
본 발명은 또한 상기의 압전 세라믹 조성물을 은(Ag) 내부전극과 함께 960℃ 이하에서 동시소결하여 얻은 압전 세라믹 층을 포함하여 구성되는 압전 세라믹 장치를 제공한다.
본 발명은 또한 상기 압전 세라믹 조성물을 은(Ag)-팔라듐(Pd) 내부전극과 함께 1050℃ 이하에서 동시소결하여 얻은 압전 세라믹 층을 포함하여 구성되는 다층 압전 세라믹 장치를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물은 필수성분으로 [(Pb1-m-nSrmBan)(1-y)Biy][(ZrxTi1-x)1-a-bNiaWb]O3(여기서, m,n,x,y,a 및 b는 몰비로서 0.00≤m ≤0.18이고, 0.00≤n ≤0.18이고, 0.00 ≤ (m+n) ≤0.21이고, 0.40 ≤ x ≤ 0.60이고, 0.000 < y ≤ 0.04이고, 0.00 ≤ a ≤0.02이고, 0.00 < b ≤ 0.02이다.) 세라믹 및 산화카드뮴(CdO)을 포함한다.
본 발명의 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물의 필수성분인[(Pb1-m-nSrmBan)(1-y)Biy][(ZrxTi1-x)1-a-bNiaWb]O3세라믹은 Pb(Zr, Ti)O3의 기본 기지(matrix)에서Pb2+대신 Sr2+, Ba2+와 Bi3+이, Zr4+또는 Ti4+대신 Ni2+와 W6+이 치환된 것이다.
Sr2+또는 Ba2+는 결합계수(coupling factor)와 탄성계수(elastic modulus)를 많이 변화시키지 아니하면서 유전상수(dielectric constant)를 증가시키기 때문에 큐리온도(Tc)의 감소와 함께 압전 상수(piezoelectric constant, d33)를 증가시키는 역할을 한다.
Bi3+가 Pb2+를 치환하고 또는 W6+이 Zr4+또는 Ti4+를 치환하는 것은 PZT의 Pb2+사이트(site)에 공공(vacancy)을 형성하고, 다음과 같은 연성(soft)계 압전 세라믹의 압전기 특성을 부여한다.
1) 높은 압전 상수(piezoelectric constant),
2) 높은 전기기계결합계수(electro-mechanical coupling coefficient),
3) 높은 유전손실(dielectric loss),
4) 낮은 기계적품질계수(mechanical quality factor).
O2-를 F-로 치환하는 것 역시 Pb2+사이트(site)에 공공(vacancy)을 형성한다. Ni2+는 압전 정수(piezoelectric parameter)을 증가시키고, Ni2+는 W6+와 비교한 크기와 원자가 상태(valence state)의 차이에 따라 첨가되는 W6+의 최대량에 영향을 미친다.
Bi3+는 저하된 온도에서 소결의 초기단계에 치밀화를 효과적으로 높여주지만, 압전 정수(piezoelectric parameter)를 현저하게 악화시키지 아니하고 소결과정의 종결시에 압전세라믹의 기지(matrix)로 도입되는 소위말하는 중간 유리상(transient liquid phase)를 형성한다.
[(Pb1-m-nSrmBan)(1-y)Biy][(ZrxTi1-x)1-a-bNiaWb]O3세라믹에서 m,n,x,y,a 및 b는 몰비로서, 0.00≤m ≤0.18이고, 0.00≤n ≤0.18이고, 0.00 ≤ (m+n) ≤0.21이고, 0.40 ≤ x ≤ 0.60이고, 0.000 < y ≤ 0.04이고, 0.00 ≤ a ≤0.02이고, 0.00 < b ≤ 0.02이다.
Bi3+의 양인y는 몰비로서 0.000 < y ≤ 0.04, Ni2+의 양인 a는 몰비로서 0.00 ≤ a ≤0.02, W6+의 양, b는 몰비로서 0.00 < b ≤ 0.02의 값을 갖는 것이 저하된 온도에서 소결되는 연성(soft)계 압전 세라믹 물질로 압전율(d33), 전기기계결합계수(kp) 등과 같은 압전 정수(piezoelectric parameter)을 실용레벨까지 얻기 위해서 바람직하며 y, a 및 b의 비가 1: 0.5~1 :0.33~0.5 인 것이 더욱 바람직하다. 하한치 보다 낮거나 상한치 보다 높은 경우에는, 압전 정수(piezoelectric parameter, d33) 또는 전기기계결합계수(electro-mechanical parameter)가 연성(soft)계 압전 세라믹으로써 아주 많이 감소되는 문제점이 있다. Sr의 양인 m은 몰비로서 0.00≤m ≤0.18, Ba의 양인 n은 몰비로서 0.00≤n ≤0.18, 0.00 ≤ (m+n) ≤0.21 값을 갖는 것이 필요한 유전상수(dielectric constant)와 큐리온도(Curie point,Tc)를 얻기위해 바람직하다. Ti에 대한 Zr의 상대적인 양인 x는 몰비로서 0.4 이상 0.6 이하의 값을 갖는 것이 압전율(piezoelectric modulus, d33), 전기기계결합계수(kp), 온도계수(temperature coefficient), 유전상수(dielectric constant) 또는 공진주파수(resonant frequency)와 같은 필요한 압전 정수(piezoelectric parameter) 최적화하기 위해 바람직하다.
본 발명의 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물은 필수성분으로 산화카드뮴(CdO)을 소결보조제로 포함하며, 산화납(Ⅱ)(PbO) 및 불화리튬(LiF)로이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 소결보조제를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 소결보조제는 Bi2O3와 낮은 온도에서 중간 유리상(transient liquid phase)를 형성하고, 소결동안 치밀화를 도와준다. 소결보조제 또는 Bi2O3의 모든 원소는 PZT 기지(matrix)에 어느 정도의 용해성을 갖고 중간 유리상(transient liquid phase)에서 대분분이 소결과정 후반부에 PZT 기지(matrix)로 도입되어 현저하게 압전 정수(piezoelectric parameter)를 악화시키지 않는다.
상기 소결보조제는 저하된 온도에서 소결의 초기단계에 치밀화를 효과적으로 높여주지만, 압전 정수(piezoelectric parameter)를 현저하게 악화시키지 아니하고 소결과정 종결시에 압전세라믹의 기지(matrix)로 도입되는 중간 유리상(transient liquid phase)를 형성한다.
상기 소결보조제 중 산화카드뮴(CdO)의 함량은 0.001 내지 2 중량% 이하가 바람직하다. 한편 소결보조제 중 산화납(Ⅱ)(PbO) 의 함량은 0.001 내지 2 중량% 이하가 바람직하며, 불화리튬(LiF)의 함량은 0.001 내지 1.6 중량% 이하가 바람직하다. 이러한 조건을 넘어서면 저하된 온도에서 소결되는 연성(soft)계 압전 세라믹 물질로 d33, kp등등과 같은 압전 정수(piezoelectric parameter)을 실용레벨까지 얻지 못하며, 압전 정수(piezoelectric parameter, d33) 또는 전기기계결합계수(electro-mechanical parameter)가 연성(soft)계 압전세라믹으로써 아주 많이 감소되는 문제점이 있다.
이하 실시예 및 실험예로서 본 발명을 상세히 설명한다.
그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
[연성(soft)계 압전세라믹 조성물의 제조]
산화납(PbO), 산화지르코늄(ZrO2), 산화티탄(TiO2), 탄산스트론튬(SrCO3), 탄산바륨(BaCO3), 산화카드륨(CdO), 산화비스무스(Bi2O3) 및 불화리튬(LiF)을 출발물질로 사용한다. 실시예 1 내지 38을 표 1에 따른 조성으로 측량한다.
m n x y a b CdO중량% PbO중량% LiF중량%
실시예1 0.06 0 0.535 0.02 0.01 0.0067 0.80 0.20 0.16
실시예2 0.035 0.025 0.535 0.02 0.01 0.0067 0.80 0.20 0.16
실시예3 0.06 0 0.535 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 0.16
실시예4 0.06 0 0.535 0.02 0.01 0.0067 1.6 0.20 0.16
실시예5 0.06 0 0.535 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.00 0.16
실시예6 0.06 0 0.535 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.50 0.16
실시예7 0.06 0 0.535 0.02 0.01 0.0067 1.2 1.00 0.16
실시예8 0.06 0 0.535 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 0.00
실시예9 0.06 0 0.535 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 0.50
실시예10 0.06 0 0.535 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 1.00
실시예11 0.06 0 0.535 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 1.50
실시예12 0.06 0 0.535 0.03 0.015 0.0100 1.2 0.20 0.16
실시예13 0.06 0 0.535 0.04 0.02 0.0130 1.2 0.20 0.16
실시예14 0.035 0.025 0.535 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 0.16
실시예15 0 0.06 0.535 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 0.16
실시예16 0.10 0 0.535 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 0.16
실시예17 0.06 0 0.515 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 0.16
실시예18 0.06 0 0.525 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 0.16
실시예19 0.06 0 0.545 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 0.16
실시예20 0.06 0 0.555 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 0.16
실시예21 0.06 0 0.53 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 1.00
실시예22 0.06 0 0.525 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 1.00
실시예23 0.06 0 0.525 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 1.50
실시예24 0.06 0 0.520 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 1.00
실시예25 0.06 0 0.510 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 1.00
실시예26 0.06 0 0.500 0.02 0.01 0.0067 1.2 0.20 1.00
실시예27 0.06 0 0.535 0.025 0.0125 0.0125 1.2 0.20 0.16
실시예28 0.06 0 0.535 0.025 0.0167 0.0083 1.2 0.20 0.16
실시예29 0.06 0 0.525 0.025 0.0125 0.0125 1.2 0.20 0.16
실시예30 0.06 0 0.525 0.025 0.0167 0.0083 1.2 0.20 0.16
실시예31 0.08 0.07 0.525 0.025 0.0125 0.0083 1.2 0.20 0.16
실시예32 0.08 0.07 0.535 0.025 0.0125 0.0083 1.2 0.20 0.16
실시에33 0.06 0 0.535 0.020 0.0100 0.0150 1.2 0.20 0.15
실시예34 0.06 0 0.535 0.020 0.0067 0.0150 1.2 0.20 0.16
실시예35 0.06 0 0.535 0.020 0.0067 0.0125 1.2 0.20 0.16
실시예36 0.06 0 0.535 0.020 0.0000 0.0150 1.2 0.20 0.16
실시예37 0.06 0 0.535 0.000 0.0100 0.0150 1.2 0.20 0.16
실시예38 0.06 0 0.535 0.040 0.0100 0.0067 1.2 0.20 0.16
비교예1 0.06 0 0.535 0.025 0.0250 0.0083 1.2 0.20 0.16
비교예2 0.06 0 0.525 0.025 0.025 0.0083 1.2 0.20 0.16
비교예3 0.06 0 0.535 0.020 0.0100 0.0000 1.2 0.20 0.16
[비교예1 내지 3]
상기 표 1에 따른 조성으로 비교예 1, 2, 3을 제조한다.
측량된 물질을 탈이온수를 이용하여 아트리션 밀에서 습식 혼합하고, 건조된 케익을 2시간 동안 750 ~ 875℃에서 하소한다. 하소된 물질을 아트리션 밀에서 평균 약 0.8 미크론의 크기로 입자 크기를 감소시키기 위해 분쇄한다. 분쇄된 분말은 건조된 후 10% PVA 용액을 이용하여 과립화한다. PVA 양은 분쇄된 분말의 2 중량%이다. 과립화된 분말을 가지고 직경 25mm, 두께 2.5mm의 그린 디스크를 1,000Kg/cm2압력에서 만든다. 압착된 그린 디스크(green disk)는 2시간 동안 920 ~ 1000℃에서 소결된다. 은 페이스트(Ag paste)는 양표면에 프린트되고, 15분 동안 700 ~ 820℃에서 연소시킨다. 전극화된 디스크를 15분동안 120 ~140℃ 의 실리콘 오일 bath에서 3-4kV/mm 전압을 인가함으로써 분극처리한다. 유전상수(dielectric constant)와 유전손실 계수(dielectric loss tangent)는 1kHz에서 LCR meter를 사용하여 측정하였다. 압전정수(piezoelectric modulus, d33)은 Berlincourt d33meter를 사용하여 측정하였다. 평면결합계수(planar coupling coefficient)와 기계적 품질계수(mechanical quality factor)는 Impedance/Gain-Phase analyser로 측정된 공진주파수(resonant frequency), 반공진주파수(anti-resonant frequency), 공진임피던스(resonance impedance)와 LCR meter로 측정한 전기용량을 가지고 계산하였다. 밀도는 측정한 직경과 두께를 가지고 계산하였다.
[연성(soft)계 압전 세라믹 조성물의 특성]
실시예 및 비교예의 측량된 압전 특성을 표 2, 3, 4 및 5에 나타내었다.
표 2는 실시예 및 비교예의 조성물을 985 ℃에서 소결시켰을 때의 압전 특성을 나타낸 표이다.
ρ(g/cm3) ε33 T/ε0 tanδ 전기기계졀합계수(Kp) 기계적품질계수(Qm) 압전율(d33)
실시예1 7.62 2410 0.018 0.66 59 526
실시예2 7.43 1905 0.018 0.61 62 455
실시예3 7.58 2540 0.017 0.65 58 523
실시예4 7.53 2250 0.020 0.66 57 574
실시예5 7.56 2360 0.018 0.66 54 552
실시예6 7.53 2190 0.018 0.67 56 548
실시예7 7.56 2020 0.018 0.65 61 510
실시예8 7.55 2330 0.019 0.66 55 544
실시예9 7.45 1550 0.013 0.60 84 396
실시예10 7.38 1440 0.015 0.59 88 386
실시예11 7.37 1540 0.020 0.55 81 398
실시예12 7.50 1960 0.020 0.65 56 509
실시예13 7.58 2330 0.010 0.61 45 492
실시예14 7.59 1680 0.018 0.65 66 461
실시예15 7.61 1060 0.021 0.61 78 317
실시예16 7.47 2820 0.004 0.58 60 481
실시예17 7.57 2140 0.014 0.60 74 452
실시예18 7.60 2460 0.016 0.64 66 533
실시예19 7.57 1350 0.020 0.63 72 422
실시예20 7.54 1060 0.022 0.60 78 340
실시예21 7.43 1800 0.019 0.58 74 421
실시예22 7.45 1954 0.016 0.60 77 450
실시예23 7.35 1755 0.015 0.58 64 428
실시예24 7.45 1985 0.013 0.61 75 473
실시예25 7.50 1777 0.013 0.58 82 400
실시예26 7.43 1620 0.010 0.54 95 346
실시예27 7.47 2230 0.021 0.65 68 540
실시예28 7.41 1705 0.021 0.42 76 283
실시예29 7.57 2570 0.014 0.61 70 475
실시예30 7.40 1640 0.020 0.37 86 221
실시예31 7.35 3210 0.007 0.51 52 467
실시예32 7.42 3400 0.014 0.50 43 455
실시예33 7.61 2460 0.004 0.63 58 553
실시예34 7.62 2380 0.004 0.60 60 513
실시예35 7.62 2380 0.004 0.63 61 510
실시예36 7.62 2210 0.006 0.55 63 435
실시예37 7.56 2255 0.003 0.65 71 535
실시예38 7.60 2305 0.008 0.60 51 508
비교예1 7.36 1655 0.028 0.40 76 276
비교예2 7.36 1500 0.024 0.32 85 206
비교예3 7.44 1440 0.011 0.33 83 210
상기 표 2에서 볼 수 있는 바와 같이 실시예 1 내지 38은 985℃에서 소결했을 때 317 ~ 574의 압전율(d33), 0.42 ~ 0.67의 전기기계결합계수, 1060 ~ 3210의 ε33 T/ε0를 나타냈었다. 이는 비교예 1 내지 3 보다 실시예 1 내지 38이 높은 압전율(d33), 높은 전기기계결합계수(Kp), 높은 ε33 T/ε0를 나타냄을 알 수 있다.
표 3은 실시예 및 비교예의 조성물을 960 ℃에서 소결시켰을 때의 압전 특성을 나타낸 표이다.
ρ(g/cm3) ε33 T/ε0 tanδ 전기기계졀합계수(Kp) 기계적품질계수(Qm) 압전율(d33)
실시예1 6.34 1300 0.058 0.50 76 419
실시예2 7.15 1460 0.012 0.40 78 256
실시예3 7.48 2245 0.009 0.60 50 478
실시예4 7.53 2310 0.020 0.65 61 525
실시예5 7.51 2260 0.020 0.64 61 509
실시예6 7.48 2100 0.020 0.65 60 500
실시예7 7.54 2100 0.023 0.56 64 375
실시예8 7.48 2340 0.020 0.63 61 510
실시예9 7.51 1580 0.015 0.62 84 407
실시예10 7.42 1610 0.020 0.57 81 394
실시예11 7.35 1660 0.023 0.51 78 345
실시예12 7.58 2200 0.021 0.64 57 526
실시예13 7.50 2120 0.029 0.61 54 469
실시예14 7.50 1660 0.023 0.63 64 414
실시예15 7.54 1120 0.024 0.59 74 326
실시예16 7.44 2875 0.004 0.60 58 500
실시예17 7.55 2185 0.014 0.59 73 428
실시예18 7.56 2440 0.015 0.64 65 518
실시예19 7.57 1400 0.020 0.64 70 405
실시예20 7.58 1050 0.021 0.58 79 333
실시예21 7.34 1680 0.019 0.58 83 400
실시예22 7.42 1770 0.014 0.61 81 432
실시예23 7.31 1710 0.015 0.58 86 412
실시예24 7.45 1880 0.014 0.61 81 455
실시예25 7.45 1810 0.013 0.58 71 379
실시예26 7.46 1630 0.011 0.55 92 354
실시예27 7.41 2000 0.004 0.58 65 483
실시예28 7.44 1640 0.010 0.53 70 425
실시예29 7.48 2470 0.002 0.63 64 502
실시예30 7.45 1980 0.004 0.57 66 466
실시예31 7.35 3470 0.011 0.57 50 546
실시예32 7.41 3650 0.016 0.55 42 511
실시예33 7.54 2410 0.007 0.62 58 505
실시예34 7.61 2275 0.008 0.55 60 469
실시예35 7.62 2250 0.008 0.61 63 493
실시예36 7.51 2050 0.024 0.52 63 367
실시예37 7.32 1940 0.021 0.61 69 473
실시예38 7.45 2055 0.023 0.62 52 482
비교예1 6.96 1260 0.052 0.37 75 255
비교예2 7.22 1545 0.015 0.41 75 281
비교예3 7.11 1305 0.031 0.33 79 204
상기 표 3에서 볼 수 있는 바와 같이 실시예 1 내지 38은 960℃에서 소결했을 때 326 ~ 526의 압전율(d33), 0.52 ~ 0.65의 전기기계결합계수, 1580 ~ 2470의ε33 T/ε0를 나타냈었다. 이는 비교예 1 내지 3 보다 실시예 1 내지 36이 높은 압전율(d33), 높은 전기기계결합계수(Kp), 높은 ε33 T/ε0를 나타냄을 알 수 있다.
표 4는 실시예 및 비교예의 조성물을 950 ℃에서 소결시켰을 때의 압전 특성을 나타낸 표이다.
ρ(g/cm3) ε33 T/ε0 tanδ 전기기계졀합계수(Kp) 기계적품질계수(Qm) 압전율(d33)
실시예1 6.53 1410 0.055 0.53 68 426
실시예2 7.27 1760 0.004 0.58 67 430
실시예3 7.56 2150 0.006 0.65 60 470
실시예4 7.46 2200 0.008 0.66 66 494
실시예5 7.52 2200 0.008 0.63 62 493
실시예6 7.57 2190 0.008 0.66 64 510
실시예7 7.43 2000 0.008 0.64 65 452
실시예8 7.52 2200 0.007 0.65 63 485
실시예9 7.52 1620 0.002 0.63 70 394
실시예10 7.48 1400 0.003 0.60 90 386
실시예11 7.34 1600 0.008 0.52 80 361
실시예12 7.56 2270 0.009 0.65 58 500
실시예13 7.55 2400 0.013 0.58 55 450
실시예14 7.53 1750 0.011 0.64 64 440
실시예15 7.60 1155 0.022 0.59 75 330
실시예16 7.42 2800 0.004 0.60 59 507
실시예17 7.58 2220 0.002 0.59 70 435
실시예18 7.54 2400 0.004 0.62 64 470
실시예19 7.59 1500 0.008 0.59 68 430
실시예20 7.56 1190 0.009 0.61 72 368
실시예21 7.40 2010 0.028 0.43 62 310
실시예22 7.42 2020 0.027 0.44 65 340
실시예23 7.34 1910 0.029 0.37 70 266
실시예24 7.44 2050 0.025 0.41 68 290
실시예25 7.37 1860 0.016 0.50 80 340
실시예26 7.45 1740 0.018 0.36 83 240
실시예27 7.51 2090 0.019 0.63 59 477
실시예28 7.14 1425 0.026 0.41 82 266
실시예29 7.57 2410 0.017 0.62 65 473
실시예30 7.53 1540 0.024 0.32 83 185
실시예31 7.34 3240 0.010 0.52 50 471
실시예32 7.43 3630 0.013 0.57 41 559
실시예33 7.53 1930 0.004 0.56 69 439
실시예34 7.50 2100 0.005 0.64 47 483
실시예35 7.59 1990 0.009 0.58 65 411
실시예36 7.54 1990 0.020 0.51 72 381
실시예37 7.54 1985 0.019 0.61 71 481
실시예38 7.60 2190 0.023 0.57 57 457
비교예1 7.36 1640 0.022 0.40 77 276
비교예2 7.67 1424 0.038 0.34 94 213
비교예3 7.17 1250 0.038 0.31 88 189
상기 표 4에서 볼 수 있는 바와 같이 실시예 1 내지 38은 950℃에서 소결했을 때 266 ~ 559의 압전율(d33), 0.32 ~ 0.66의 전기기계결합계수, 1155 ~ 3630의ε33 T/ε0를 나타냈었다. 이는 비교예 1 내지 3 보다 실시예 1 내지 38이 높은 압전율(d33), 높은 전기기계결합계수(Kp), 높은 ε33 T/ε0를 나타냄을 알 수 있다.
표 5는 실시예 및 비교예의 조성물을 938 ℃에서 소결시켰을 때의 압전 특성을 나타낸 표이다.
ρ(g/cm3) ε33 T/ε0 tanδ 전기기계졀합계수(Kp) 기계적품질계수(Qm) 압전율(d33)
실시예1 7.57 2170 0.021 0.65 60 457
실시예2 7.20 1600 0.018 0.56 68 441
실시예3 7.54 2100 0.019 0.63 60 518
실시예4 7.64 2100 0.008 0.64 64 490
실시예5 7.54 2050 0.008 0.62 62 455
실시예6 7.66 2000 0.007 0.64 69 490
실시예7 7.60 1705 0.009 0.61 66 385
실시예8 7.54 2100 0.007 0.63 63 460
실시예9 7.41 1160 0.002 0.62 77 438
실시예10 7.42 1460 0.034 0.59 89 390
실시예11 7.35 1560 0.008 0.51 90 340
실시예12 7.55 1900 0.009 0.65 64 490
실시예13 7.56 1970 0.009 0.62 55 460
실시예14 7.51 1700 0.010 0.61 66 430
실시예15 7.49 1240 0.020 0.61 76 306
실시예16 7.48 2700 0.003 0.59 59 485
실시예17 7.56 2200 0.002 0.59 72 446
실시예18 7.62 2300 0.004 0.62 66 474
실시예19 7.58 1490 0.010 0.63 69 415
실시예20 7.54 1155 0.021 0.60 78 354
실시예21 7.43 1670 0.005 0.57 83 390
실시예22 7.41 1760 0.004 0.60 76 423
실시예23 7.36 1740 0.019 0.56 80 395
실시예24 7.48 1890 0.018 0.59 76 453
실시예25 7.43 1830 0.015 0.58 80 410
실시예26 7.47 1700 0.013 0.53 90 355
실시예27 7.24 2080 0.020 0.58 65 440
실시예28 6.90 1270 0.059 0.38 89 251
실시예29 7.48 2320 0.016 0.61 66 479
실시예30 7.50 1490 0.020 0.26 98 156
실시예31 7.39 3190 0.026 0.56 49 495
실시예32 7.37 3420 0.030 0.57 42 560
실시예33 7.57 2235 0.021 0.61 63 498
실시예34 7.62 2020 0.020 0.60 64 456
실시예35 7.57 1990 0.019 0.60 64 463
실시예36 7.52 1985 0.022 0.51 67 378
실시예37 7.47 1890 0.021 0.62 72 471
실시예38 7.51 1990 0.022 0.61 56 482
비교예1 6.68 1232 0.107 0.38 90 264
비교예2 6.70 1400 0.249 0.32 75 227
비교예3 7.06 1306 0.011 0.32 78 199
상기 표 5에서 볼 수 있는 바와 같이 실시예 1 내지 38은 938℃에서 소결했을 때 156 ~ 560의 압전율(d33), 0.26 ~ 0.65의 전기기계결합계수, 1155 ~ 3420의ε33 T/ε0를 나타냈었다. 이는 비교예 1 내지 3 보다 실시예 1 내지 38이 높은 압전율(d33), 높은 전기기계결합계수(Kp), 높은 ε33 T/ε0를 나타냄을 알 수 있다.
상기 표 2, 3, 4 및 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 38은 990℃ 이하에서 소결되었을 때, 높은 압전율(d33), 높은 전기계결합계수(Kp), 높은 유전상수(dielectric constant) 등등과 같은 전형적인 연성(soft)계 압전 세라믹 물질의 좋은 특징을 보여주는 것을 확인하였다. 실시예 1 내지 38은 960℃ 아래에서 소결되었을 때 조차도 좋은 압전 정수(piezoelectric parameter)를 보여주었고, 따라서 순 은(Ag) 내부 전극과 동시소결하는 것이 가능하게 된다.
[실시예]
[순은 내부전극을 가진 다층 압전 플레이트의 제조]
순은 내부전극을 가진 다층 압전 플레이트를 본 발명의 연성(soft) 압전 세라믹 조성물을 가지고 제조하였다. 상기 실시예 3을 그 예로 선택하였다.
다층 압전 플레이트의 제조는 압전 세라믹 물질의 합성, 그린 시트의 제조, 전극 패턴 프린트, 다층 적층, 적층된 그린 바의 동시소결, 은(Ag) 페이스트로 외부 전극 처리 및 분극(poling)으로 구성된다. 하소된 물질을폴리비닐부티랄(PVB;Polyvinyl Butyral)과 다이부틸프탈레이트(DBP;Dibutyl Phthalate), 어유(Fish oil), 메틸에틸케톤(MEK; methyl ethyl ketone)과 톨루엔(toluene)으로 구성된 바인더 용액과 함께 36시간 동안 볼밀에서 혼합한다. 분쇄된 슬러리를 진공하에서 탈포(deair)하고 닥터블레이드 캐스팅 머신(doctor blade casting machine)을 이용하여 PET 필름위에 두께 120 미크론의 테이프를 성형한다. 그린 테이프(Green tape)를 정렬용 구멍을 가진 150mm x 150mm의 시트로 자른다. 교대로 반복되는 내부전극은 순은 페이스트를 사용하여 그린시트(green sheet)에 프린트하고, 연속식 오븐에서 건조한다. 프린트된 그린시트는 레이스트리에서 정렬용 구멍을 이용하여 적층되고, 85℃ 진공하에서 가열압착한다. 가열 압착된(Hot-laminated) 그린 바(green bar)를 각각의 그린 엘리먼트(green element)로 자른다. 그린 엘리먼트(green element)에 있는 유기물 뿐만 아니라 결합제를 260℃에서 제거고, 940℃에서 2시간 동안 소결하였다. 외부 전극은 은(Ag) 페이스트를 이용하여 스크린 프린트하고 780℃에서 소부하였다. 분극은 130℃의 실리콘 오일 bath에서 450VDC의 분극(poling) 전압으로 이루어졌다. 다층 압전 플레이트의 크기는 5.13 mm x 5.13 mm x 1.04 mm이고 20개의 내부전극을 갖고 19개의 압전 활성층으로 구성되어 있다. 각 층의 두께는 50 micron이였고, 커버시트를 플레이트의 바닥과 표면에 형성했다. 도 1 및 도 2는 은(Ag) 내부 전극과 함께 동시소결된 다층 압전기 플레이트의 단면도이다. 은(Ag) 내부 전극의 표면은 눈에 띄는 구멍 또는 적층분리(delamination) 없이 아주 우수했고 매우 작은 공진 임피던스와 우수한 압전특성을 나타냈다. 은(Ag) 페이스트는 950℃에서 동시소결됐음에도 불구하고 실시예 3의 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물로 제조된 PZT 기지(matrix)와 눈에 띄는 반응이 없었다. 도 3은 제조된 플레이트의 impedance/phase 특성을 보여주는 그래프이다. 공진주파수(Resonance frequency)는 플레이트의 폭에 따라 381.5 kHz이고 공진주파수(resonance frequency)는 80 mohm이다. 최대 위상각(phase angle)은 87.26 degree이다.
이 다층 압전 플레이트는 단지 예시일 뿐이고, 예를 들어 다층 적층 엑츄에이터, 다층 센서(multilayer sensor), 다층 바이모르프(multilayered bimorph) 등과 같은 순은(Ag) 내부전극을 가진 많은 다른 다층 압전세라믹 장치를 제조할 수 있다.
상기에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물은 높은 압전 상수(piezoelectric constant)와 전기기계결합계수(electro-mechanical coupling coefficient)를 가지고, 은 전극과 동시소결할 수 있다.
본 발명의 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물에 의하면, 은(Ag)-팔라듐(Pd) 내부전극과 비교하여 전극의 비용을 절감할 수 있는 순은 내부전극을 가진 다층 압전기 액추에이터등과 같은 압전 세라믹 장치를 제조할 수 있다.

Claims (9)

  1. [(Pb1-m-nSrmBan)(1-y)Biy][(ZrxTi1-x)1-a-bNiaWb]O3(여기서, m,n,x,y,a 및 b는 몰비로서 0.00≤m ≤0.18이고, 0.00≤n ≤0.18이고, 0.00 ≤ (m+n) ≤0.21이고, 0.40 ≤ x ≤ 0.60이고, 0.000 < y ≤ 0.04이고, 0.00 ≤ a ≤0.02이고, 0.00 < b ≤ 0.02이다.) 세라믹 ; 및 0.001 내지 2 중량% 이하의 산화카드뮴(CdO)을 포함하는 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물.
  2. 제1항에서, 상기 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물은.
    산화납(Ⅱ)(PbO) 및 불화리튬(LiF)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 소결보조제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물.
  3. 제2항에서, 상기 산화납(Ⅱ)(PbO)은,
    0.001 내지 2 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물.
  4. 제2항에서, 상기 불화리튬(LiF)은,
    0.001 내지 1.6 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물.
  5. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 y, a 및 b의 비가 1: 0.5~1 : 0.33~0.5 인 것을 특징으로하는 연성(soft)계 압전 세라믹 조성물.
  6. 제1항 또는 제2항의 압전 세라믹 조성물을 980 ℃이하에서 소결시켜 얻은 압전 세라믹을 포함하여 구성되는 압전 세라믹 장치.
  7. 제1항 또는 제2항의 압전 세라믹 조성물을 은(Ag) 내부전극과 함께 960℃ 이하에서 동시소결하여 얻은 압전 세라믹 층을 포함하여 구성되는 다층 압전 세라믹 장치.
  8. 제1항 또는 제2항의 압전 세라믹 조성물을 은(Ag)-팔라듐(Pd) 내부전극과 함께 1050℃ 이하에서 동시소결하여 얻은 압전 세라믹 층을 포함하여 구성되는 다층 압전 세라믹 장치.
  9. 제8항에서, 상기 팔라듐(Pd)의 양은 상기 은(Ag) 및 상기 팔라듐(Pd) 100 중량부에 대하여 20 중량부인 것을 특징으로 하는 다층 압전 세라믹 장치.
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