KR102808599B1 - POLYCRYSTALLINE PIEZOELECTRIC MATERIAL COMPRISING PLATE―LIKE BaTiO3 TEMPLATE, AND METHOD OF FABRICATING THE SAME - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면 다결정 압전 재료의 결정립을 한 방향으로 정렬시킴으로써 단결정과 유사한 도메인 정렬 구조를 갖는 다결정 압전 재료를 제공함으로써 압전 특성은 단결정 압전 세라믹에 가깝고, 기계적 특성은 단결정보다 훨씬 강도가 우수한 압전 소재를 제공한다. 특히, 이 과정에서 BiScO3-PbTiO3 압전 세라믹에서 Bi3+를 Sm3+로 치환하여 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 설계하고 x를 0.02 내지 0.04로 제어함으로써 Bi3+를 Sm3+로 치환하여 압전 특성이 향상됨과 동시에 큐리 온도(Tc)는 크게 떨어지지 않고 유지됨을 확인하였다. 이러한 본 발명에 따른 압전 세라믹은 고온용 액츄에이터 또는 트랜스듀서 등에 이용이 가능할 것으로 기대된다.According to the present invention, by aligning crystal grains of a polycrystalline piezoelectric material in one direction, a polycrystalline piezoelectric material having a domain alignment structure similar to a single crystal is provided, thereby providing a piezoelectric material having piezoelectric properties close to single-crystal piezoelectric ceramics and mechanical properties much superior to those of a single crystal. In particular, in this process, by substituting Bi 3+ with Sm 3+ in a BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric ceramic, a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 was designed, and x was controlled to be 0.02 to 0.04, thereby substituting Bi 3+ with Sm 3+ , thereby improving the piezoelectric properties and maintaining the Curie temperature (Tc) without significantly decreasing. It is expected that such a piezoelectric ceramic according to the present invention can be used in high-temperature actuators or transducers.
Description
본 발명은 높은 큐리 온도(Tc)를 가짐과 동시에 매우 우수한 압전 특성을 가지는 고온용 압전세라믹 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-temperature piezoelectric ceramic composition having a high Curie temperature (Tc) and excellent piezoelectric properties, and a method for producing the same.
본 발명의 압전 특성이 향상된 압전 소재를 제조하기 위해 BaTiO3 씨드층을 이용하여 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT)의 결정 배향성을 제어한다.In order to manufacture a piezoelectric material with improved piezoelectric properties of the present invention, the crystal orientation of polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 (BSS-PT) is controlled using a BaTiO 3 seed layer.
압전 소재는 단결정 압전 소재와 다결정 압전 소재가 있는데, 단결정 압전 소재의 경우에는 결정 성장 및 제작에 시간과 돈이 많이 든다는 문제점이 있다.Piezoelectric materials are divided into single-crystal piezoelectric materials and polycrystalline piezoelectric materials. Single-crystal piezoelectric materials have the problem that it takes a lot of time and money to grow and produce the crystal.
다결정 압전 소재의 경우에는 비용이 단결정에 비해 훨씬 저렴하지만 다결정의 경우 각각의 그레인의 결정 방향이 한 방향으로 정렬되어 있지 아니하기 때문에 압전 특성이 떨어지는 문제점이 있다.In the case of polycrystalline piezoelectric materials, the cost is much lower than that of single crystals, but in the case of polycrystals, there is a problem of poor piezoelectric properties because the crystal direction of each grain is not aligned in one direction.
따라서, 다결정 압전 소재의 제조 방법을 이용하여 다결정 압전 재료를 만들면서 결정립을 한 방향으로 최대한 정렬시켜 단결정과 유사한 도메인 정렬 구조를 만들 수 있다면 매우 효과적인 기술이 될 것이다.Therefore, if a method for manufacturing polycrystalline piezoelectric materials can be used to align crystal grains in one direction as much as possible while producing polycrystalline piezoelectric materials, thereby creating a domain-aligned structure similar to that of a single crystal, it would be a very effective technology.
또한, 본 발명은 다결정 압전 소재의 제조 방법을 이용하여 다결정 압전 재료를 만들면서 결정립을 한 방향으로 최대한 정렬시켜 단결정과 유사한 도메인 정렬 구조를 만듦과 동시에 높은 큐리 온도(Tc)를 가지며 압전 특성이 향상된 압전 세라믹의 제조 방법에 대한 것이고, 또한 이러한 제조 방법에 의해 제조된 높은 큐리 온도(Tc)를 가지며 압전 특성이 향상된 압전 세라믹을 개시한다. 높은 큐리온도를 가지고 있어 고온용 압전세라믹으로 알려져 있는 BiScO3-PbTiO3 압전 세라믹은 고온 압전 세라믹으로 많이 이용되고 있다. 이때 BiScO3-PbTiO3 압전 세라믹의 압전 특성을 더욱 향상시키면서 동시에 큐리 온도가 떨어지지 않는 압전 세라믹은 시장에서 매우 유망할 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 BiScO3-PbTiO3 압전 세라믹에서 Bi3+를 Sm3+로 치환하여 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 설계하여 우수한 압전 특성을 갖는 압전 세라믹을 제시하고자 한다.In addition, the present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric ceramic having a high Curie temperature (Tc) and improved piezoelectric properties, while making a polycrystalline piezoelectric material by using a method for manufacturing a polycrystalline piezoelectric material to align crystal grains in one direction as much as possible to create a domain-aligned structure similar to a single crystal, and also discloses a piezoelectric ceramic having a high Curie temperature (Tc) and improved piezoelectric properties, manufactured by this manufacturing method. BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric ceramics, known as high-temperature piezoelectric ceramics due to their high Curie temperature, are widely used as high-temperature piezoelectric ceramics. At this time, a piezoelectric ceramic that further improves the piezoelectric properties of BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric ceramics while at the same time not lowering the Curie temperature would be very promising in the market. To this end, the present invention aims to propose a piezoelectric ceramic having excellent piezoelectric properties by designing a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 by replacing Bi 3+ with Sm 3+ in a BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric ceramic.
본 발명은 높은 큐리 온도(Tc)를 가지며 압전 특성이 향상된 압전 세라믹 및 이의 제조 방법을 제공하기 위해 본 발명에서는 BiScO3-PbTiO3 압전 세라믹에서 Bi3+를 Sm3+로 치환하여 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 설계하여 우수한 압전 특성을 갖는 압전 세라믹을 제공함과 동시에, 다결정 압전 재료의 결정립을 한 방향으로 정렬시킴으로써 단결정과 유사한 도메인 정렬 구조를 갖는 다결정 압전 재료를 제공하고자 한다.The present invention provides a piezoelectric ceramic having a high Curie temperature (Tc) and improved piezoelectric properties, and a method for manufacturing the same. In the present invention, by replacing Bi 3+ with Sm 3+ in a BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric ceramic, a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 is designed to provide a piezoelectric ceramic having excellent piezoelectric properties, and at the same time, by aligning crystal grains of the polycrystalline piezoelectric material in one direction, a polycrystalline piezoelectric material having a domain-aligned structure similar to a single crystal is provided.
구체적으로 본 발명은 압전 특성이 향상된 압전 소재를 제조하기 위해 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT) 의 결정 배향성을 제어하고자 한다.Specifically, the present invention provides a polycrystalline 0.36 (Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT) using a BaTiO3 seed layer to manufacture a piezoelectric material with improved piezoelectric properties. We want to control the decision orientation.
본 발명의 일 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 의 제조 방법은, 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 포함한 슬러리를 준비하고 볼 밀링을 수행하는 단계; 상기 슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계; 상기 슬러리를 테입 캐스팅(tape casting) 공정을 이용해 템플레이트(template) 시트를 제작하는 단계; 및 상기 템플레이트 시트를 소결하는 단계를 포함하고, BaTiO3 씨드층에 의해 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 가 BaTiO3 씨드층의 결정 방향을 따라 정렬되며, 상기 x는 0.02 내지 0.04이다. A method for manufacturing polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 using a BaTiO 3 seed layer according to one embodiment of the present invention comprises the steps of: preparing a slurry including a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 and performing ball milling; adding a plurality of BaTiO 3 seed layers to the slurry; manufacturing a template sheet using the slurry using a tape casting process; and sintering the template sheet, wherein the polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 is aligned along a crystal direction of the BaTiO 3 seed layer by the BaTiO 3 seed layer, and x is 0.02 to 0.04.
상기 슬러리의 볼 밀링은 4 내지 24시간 동안 에탄올 용매 하에서 진행된다.Ball milling of the above slurry is carried out in an ethanol solvent for 4 to 24 hours.
상기 슬러리에 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계는, 상기 슬러리에 BaTiO3 씨드층을 첨가하고 에탄올 용매 하에서 12 내지 24시간 동안 혼합된다.The step of adding a BaTiO 3 seed layer to the above slurry is performed by adding a BaTiO 3 seed layer to the above slurry and mixing for 12 to 24 hours under an ethanol solvent.
상기 BaTiO3 씨드층는 박막 시트 형태이다.The above BaTiO 3 seed layer is in the form of a thin film sheet.
상기 BaTiO3 씨드층은 동일한 결정 배향을 갖고 있다.The above BaTiO 3 seed layers have the same crystal orientation.
상기 슬러리를 테입 캐스팅 공정을 이용해 템플레이트 시트를 제작하는 단계에서, 테입 캐스팅 장치의 블레이트(blade)의 높이를 제어하여 박막 형태의 상기 BaTiO3 씨드층이 모두 동일한 결정 배향을 갖도록 상기 템플레이트 시트 내에서 배치된다.In the step of manufacturing a template sheet using the above slurry using a tape casting process, the height of the blade of the tape casting device is controlled so that the BaTiO 3 seed layer in the form of a thin film is arranged within the template sheet so that all of the seed layers have the same crystal orientation.
상기 블레이드의 높이는 상기 BaTiO3 씨드층의 평면에 수직한 두께보다 높게 제어된다.The height of the above blade is controlled to be higher than the thickness perpendicular to the plane of the BaTiO 3 seed layer.
상기 템플레이트 시트를 소결하는 단계는, 1100 내지 1200℃의 온도에서 2 내지 10시간 동안 수행된다.The step of sintering the above template sheet is performed at a temperature of 1100 to 1200°C for 2 to 10 hours.
상기 템플레이트 시트를 소결하는 단계는 1150℃에서 10시간 동안 수행된다.The step of sintering the above template sheet is performed at 1150°C for 10 hours.
상기 슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계에서, 상기 BaTiO3 씨드층은 0 초과 2 vol% 이하로 첨가된다. 상기 BaTiO3 씨드층은 1 vol%로 첨가된다.In the step of adding a plurality of BaTiO 3 seed layers to the above slurry, the BaTiO 3 seed layers are added in an amount of more than 0 and less than or equal to 2 vol%. The BaTiO 3 seed layers are added in an amount of 1 vol%.
상기 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말은, 0.36BiScO3-0.64PbTiO3 조성에서 Bi3+를 Sm3+로 치환하여 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 설계하여 1차 볼 밀링을 통해 혼합하는 단계; 상기 혼합하는 단계 이후 하소하는 단계; 상기 하소 이후 2차 볼 밀링을 수행하는 단계; 및 건조시키는 단계를 통해 얻어진다.The powder having the composition of 0.36(Bi ( 1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 above is obtained through the steps of: designing a powder having the composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64
상기 0.36BiScO3-0.64PbTiO3 조성에서 Bi3+를 Sm3+로 치환하여 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 설계하여 1차 볼 밀링을 통해 혼합하는 단계는, Bi2O3 분말, Sm2O3 분말, Sc2O3 분말, PbO 분말, TiO2 분말을 조성식에 맞도록 혼합하고, 에탄올과 함께 24시간 동안 볼 밀링을 통해 혼합된다.In the above 0.36BiScO 3 -0.64PbTiO 3 composition, Bi 3+ is replaced with Sm 3+ to design a powder composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 , and the first ball milling is mixed. Bi 2 O 3 powder, Sm 2 O 3 powder, Sc 2 O 3 powder, PbO powder, and TiO 2 powder are mixed according to the composition formula, and mixed through ball milling with ethanol for 24 hours.
상기 하소하는 단계는 2 내지 4시간 동안 750 내지 800℃에서 수행된다.The above calcining step is performed at 750 to 800°C for 2 to 4 hours.
상기 하소하는 단계는 4시간 동안 775℃에서 수행된다.The above calcination step is performed at 775°C for 4 hours.
상기 하소 이후 2차 볼 밀링하는 단계는 에탄올과 함께 48시간 동안 수행된다.The second ball milling step after the above calcination is performed with ethanol for 48 hours.
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 압전 소재는, 결정 배향성을 가지며, 큐리 온도가 400℃ 이상이다. 상기 BaTiO3 씨드층은 0 초과 2 vol% 이하로 첨가될 수 있고, 상기 BaTiO3 씨드층은 0.1 vol%로 첨가될 수 있다. A polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 piezoelectric material using a BaTiO3 seed layer has crystal orientation and a Curie temperature of 400°C or higher. The BaTiO3 seed layer may be added in an amount of more than 0 vol% and less than or equal to 2 vol%, and the BaTiO3 seed layer may be added in an amount of 0.1 vol%.
본 발명에 따르면 다결정 압전 재료의 결정립을 한 방향으로 정렬시킴으로써 단결정과 유사한 도메인 정렬 구조를 갖는 다결정 압전 재료를 제공함으로써 압전 특성은 단결정 압전 세라믹에 가깝고, 기계적 특성은 단결정보다 훨씬 강도가 우수한 압전 소재를 제공한다. 특히, 이 과정에서 BiScO3-PbTiO3 압전 세라믹에서 Bi3+를 Sm3+로 치환하여 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 설계하고 x를 0.02 내지 0.04로 제어함으로써 Bi3+를 Sm3+로 치환하여 압전 특성이 향상됨과 동시에 큐리 온도(Tc)는 크게 떨어지지 않고 유지됨을 확인하였다. 이러한 본 발명에 따른 압전 세라믹은 고온용 액츄에이터 또는 트랜스듀서 등에 이용이 가능할 것으로 기대된다.According to the present invention, by aligning crystal grains of a polycrystalline piezoelectric material in one direction, a polycrystalline piezoelectric material having a domain alignment structure similar to a single crystal is provided, thereby providing a piezoelectric material having piezoelectric properties close to single-crystal piezoelectric ceramics and mechanical properties much superior to those of a single crystal. In particular, in this process, by substituting Bi 3+ with Sm 3+ in a BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric ceramic, a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 was designed, and x was controlled to be 0.02 to 0.04, thereby substituting Bi 3+ with Sm 3+ , thereby improving the piezoelectric properties and maintaining the Curie temperature (Tc) without significantly decreasing. It is expected that such a piezoelectric ceramic according to the present invention can be used in high-temperature actuators or transducers.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 BSS-PT의 결정 배향성을 제어 방법의 순서도를 도시한다.
도 2는 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 준비하는 단계의 순서도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제조 방법에 따른 전체적인 공정도를 도시한다.
도 4는 블레이드의 높이에 관한 관계식에 따른 템플레이트 시트의 두께 변화의 모습을 도시한다.
도 5는 실시예 2에 따라 제조된 압전 조성물의 압전 특성 그래프이다.
도 6은 0.36BSS-0.64PT - 1 vol% BaTiO3로 제조된 압전 조성물에서 소결 온도에 따른 압전 특성 변화를 나타낸다.
도 7 및 도 8은 0.36BSS-0.64PT - x vol% BaTiO3 (소결 온도는 1150℃에서 10시간)로 제조된 압전 조성물의 압전 특성 그래프로써 BaTiO3 의 함량에 따른 압전 특성 변화를 나타낸다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다. FIG. 1 illustrates a flow chart of a method for controlling crystal orientation of polycrystalline BSS-PT using a BaTiO 3 seed layer according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 illustrates a flow chart of steps for preparing a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 .
Figure 3 illustrates an overall process diagram according to the manufacturing method of the present invention.
Figure 4 shows the change in thickness of the template sheet according to the relationship regarding the height of the blade.
Figure 5 is a graph of the piezoelectric properties of a piezoelectric composition manufactured according to Example 2.
Figure 6 is 0.36BSS-0.64PT - It shows the change in piezoelectric properties according to sintering temperature in a piezoelectric composition manufactured with 1 vol% BaTiO 3 .
Figures 7 and 8 are 0.36BSS-0.64PT - This is a graph of the piezoelectric properties of a piezoelectric composition manufactured with x vol% BaTiO 3 (sintering temperature was 1150℃ for 10 hours) and shows the change in piezoelectric properties according to the content of BaTiO 3 .
Various embodiments are now described with reference to the drawings, wherein like reference numerals are used throughout the drawings to refer to like elements. For purposes of explanation, various descriptions are set forth herein to provide an understanding of the invention. It will be apparent, however, that such embodiments may be practiced without these specific descriptions. In other instances, well-known structures and devices are shown in block diagram form to facilitate the description of the embodiments.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. The present invention can be modified in various ways and can have various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, but should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals were used for similar components.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this application, it should be understood that the terms "comprises" or "has" and the like are intended to specify the presence of a feature, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but do not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
본 발명은 압전 특성이 향상된 압전 소재에 관한 것이고, 본 발명의 압전 특성이 향상된 압전 소재를 제조하기 위해 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT)의 결정 배향성을 제어한다. 본 발명에 따르면 다결정 압전 재료의 결정립을 한 방향으로 정렬시킴으로써 단결정과 유사한 도메인 정렬 구조를 갖는 다결정 압전 재료를 제공함으로써 압전 특성은 단결정 압전 세라믹에 가깝고, 기계적 특성은 단결정보다 훨씬 강도가 우수한 압전 소재를 제공한다. The present invention relates to a piezoelectric material with improved piezoelectric properties, and to manufacture the piezoelectric material with improved piezoelectric properties of the present invention, the crystal orientation of polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT) is controlled using a BaTiO3 seed layer. According to the present invention, by aligning crystal grains of the polycrystalline piezoelectric material in one direction, a polycrystalline piezoelectric material having a domain alignment structure similar to that of a single crystal is provided, thereby providing a piezoelectric material having piezoelectric properties close to those of a single crystal piezoelectric ceramic and mechanical properties much superior to those of a single crystal.
압전재료의 특성값은 인트린식(Intrinsic)한 특성인 화학적 조성에 의해서 결정되기도 하지만, 결정립의 구조나 압전 도메인의 구조에 의해서도 크게 달라질 수 있다. 이에 따른 그레인 엔지니어링(Grain engineering) 또는 도메인(Domain engineering) 기술을 이용한 특성값 향상 연구가 본 발명에서 이루어졌다. 본 발명의 기술은 다결정 압전재료의 결정립을 한 방향으로 정렬시킴으로 써, 단결정과 유사한 도메인 정렬 구조를 만들어 기존 다결정 압전재료 대비 압전 특성을 1.5 ~ 2배 이상 향상시킬 수 있는 획기적인 기술이다.The characteristic value of a piezoelectric material is determined by the chemical composition, which is an intrinsic characteristic, but can also vary greatly by the structure of the crystal grains or the structure of the piezoelectric domain. Accordingly, research on improving the characteristic value using grain engineering or domain engineering technology was conducted in the present invention. The technology of the present invention is a groundbreaking technology that can improve the piezoelectric properties by 1.5 to 2 times compared to existing polycrystalline piezoelectric materials by creating a domain alignment structure similar to a single crystal by aligning the crystal grains of the polycrystalline piezoelectric material in one direction.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 BSS-PT의 결정 배향성을 제어 방법의 순서도를 도시한다.FIG. 1 illustrates a flow chart of a method for controlling crystal orientation of polycrystalline BSS-PT using a BaTiO 3 seed layer according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 의 제조 방법은, 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 포함한 슬러리를 준비하고 볼 밀링을 수행하는 단계(S 110); 상기 슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계(S 120); 상기 슬러리를 테입 캐스팅(tape casting) 공정을 이용해 템플레이트(template) 시트를 제작하는 단계(S 130); 및 상기 템플레이트 시트를 소결(S 140)하는 단계를 포함한다.A method for manufacturing polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 using a BaTiO 3 seed layer according to one embodiment of the present invention includes the steps of: preparing a slurry including a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 and performing ball milling (S 110); adding a plurality of BaTiO 3 seed layers to the slurry (S 120); producing a template sheet using the slurry using a tape casting process (S 130); and sintering the template sheet (S 140).
S 110 단계에서는 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 포함한 슬러리를 준비하고 볼 밀링을 수행한다. 슬러리의 볼 밀링은 4 내지 24시간 동안 에탄올 용매 하에서 진행된다. 다양한 사이즈의 지르코니아 볼을 이용해 볼 밀링을 진행하는 것이 일반적이나 이에 제한되는 것은 아니다.In step S 110, a slurry containing powders with a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 is prepared and ball milling is performed. The ball milling of the slurry is performed in an ethanol solvent for 4 to 24 hours. Ball milling is typically performed using zirconia balls of various sizes, but is not limited thereto.
S 110 단계에서 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말이 준비된다. 도 2는 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 준비하는 단계의 순서도를 도시한다. In step S 110, a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 is prepared. Figure 2 illustrates a flow chart of the steps for preparing a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 .
0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 준비하는 단계는, 0.36BiScO3-0.64PbTiO3 조성에서 Bi3+를 Sm3+로 치환하여 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 설계하여 1차 볼 밀링을 통해 혼합하는 단계(S 210); 상기 혼합하는 단계 이후 하소하는 단계(S 220); 상기 하소 이후 2차 볼 밀링을 수행하는 단계(S 230); 및 건조시키는 단계(S 240)를 포함한다.The step of preparing a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 includes a step of designing a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 by replacing Bi 3+ with Sm 3+ in the composition of 0.36BiScO 3 -0.64PbTiO 3 and mixing the powder through a first ball milling (S 210); a step of performing a calcination after the mixing step (S 220); a step of performing a second ball milling after the calcination (S 230); and a step of drying (S 240).
S 210 단계에서는 0.36BiScO3-0.64PbTiO3 조성에서 Bi3+를 Sm3+로 치환하여 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 설계하여 1차 볼 밀링을 통해 혼합한다. 이는 Bi2O3 분말, Sm2O3 분말, Sc2O3 분말, PbO 분말, TiO2 분말을 조성식에 맞도록 혼합하여 이루어진다. 분말들은 에탄올과 함께 폴리에틸렌 재질의 병에 주입된 후 다양한 지름 크기를 갖는 지르코니아 볼 미디어를 이용하여 24시간 동안 혼합 분쇄된다. 혼합은 24시간 동안 볼 밀링을 통해 혼합된다. 이 경우 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성에서 몰 비율인 x가 제어될 수 있으며, x는 0.02 내지 0.04로 제어되고, 가장 바람직하게는 후술하는 것처럼 0.03이 가장 바람직하다. 이 경우 압전 특성이 향상되면서 Tc는 유지되는 최적의 비율임을 알 수 있고, 이는 후술하는 실시예 1에서 추가적으로 설명하도록 하겠다. Bi3+를 Sm3+로 치환하는데 둘다 3가 이온이기 때문에 서로 함량적으로 위와 같은 관계에 의해 제어될 수 있으며 Bi3+가 줄어들수록 Sm3+가 들어가게 된다. 본 발명에서는 Bi가 Sm으로 치환이 되므로 ABO3 페로브스카이트 구조가 계속 유지되는 형태를 갖는다.In step S 210, the powder composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 is designed by replacing Bi 3+ with Sm 3+ in the 0.36BiScO 3 -0.64PbTiO 3 composition, and is mixed through the first ball milling. This is done by mixing Bi 2 O 3 powder, Sm 2 O 3 powder, Sc 2 O 3 powder, PbO powder, and TiO 2 powder according to the composition formula. The powders are poured into a polyethylene bottle together with ethanol, and then mixed and ground using zirconia ball media with various diameters for 24 hours. The mixing is performed through ball milling for 24 hours. In this case, the molar ratio x can be controlled in the composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 , and x is controlled to 0.02 to 0.04, and most preferably 0.03 as described later. In this case, it can be seen that the optimal ratio is such that the piezoelectric properties are improved while Tc is maintained, and this will be further explained in Example 1 described later. Since both Bi 3+ and Sm 3+ are trivalent ions, they can be controlled in terms of content by the relationship as described above, and as Bi 3+ decreases, Sm 3+ is added. In the present invention, since Bi is substituted with Sm, the ABO 3 perovskite structure is maintained.
S 220 단계에서는 S 210 단계에서 혼합된 분말을 하소한다. 하소하는 단계는 에탄올을 완전히 건조시키고 알루미나 도가니에 건조된 분말을 넣고 약 2 내지 4시간 동안 750 내지 800℃에서 수행되며, 하소를 위한 승온 조건은 5℃/min이다. 하소의 최적 조건은 775℃에서 약 4시간 동안 하소를 수행하는 것이다. 이러한 하소 단계를 통해 고상 확산 반응을 이용해 분말을 제조한다. 또한, 특히 775℃에서 이차상이 나타나지 않으므로 가장 최적의 온도임을 알 수 있다. In step S 220, the powder mixed in step S 210 is calcined. The calcination step is performed by completely drying the ethanol, placing the dried powder in an alumina crucible, and heating at 750 to 800°C for about 2 to 4 hours, and the temperature rising condition for calcination is 5°C/min. The optimal condition for calcination is to perform calcination at 775°C for about 4 hours. Through this calcination step, the powder is manufactured using a solid-state diffusion reaction. In addition, it can be seen that it is the most optimal temperature because no secondary phase appears at 775°C in particular.
S 230 단계에서는 하소 이후 하소된 분말을 2차 볼 밀링을 수행한다. 하소된 분말을 입도를 작게 하기 위해 으깬 후 분말을 에탄올과 함께 폴리에틸렌 재질의 병에 주입한 뒤 다양한 크기의 지르코니아 볼 미디어를 이용해 볼 밀링을 수행한다. 볼 밀링하는 단계는 48시간 동안 수행된다. In step S 230, the calcined powder is subjected to secondary ball milling after calcination. The calcined powder is crushed to make the particle size smaller, and then the powder is injected into a polyethylene bottle together with ethanol, and ball milling is performed using zirconia ball media of various sizes. The ball milling step is performed for 48 hours.
S 240 단계에서는 볼 밀링 이후 약 90℃ 오븐에서 약 12시간 동안 분말을 건조시킨다.At step S 240, the powder is dried in an oven at about 90°C for about 12 hours after ball milling.
S 120 단계에서는 상기 슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가한다. 슬러리에 BaTiO3 씨드층을 첨가하고 에탄올 용매 하에서 12 내지 24시간 동안 혼합한다. 이러한 BaTiO3 씨드층는 박막 시트 형태이며 이는 별도로 제작된다. S 120 단계에서 첨가되는 복수개의 BaTiO3 씨드층은 동일한 결정 배향을 갖고 있는 것이 이용된다. 슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계에서 BaTiO3 씨드층은 0 초과 2 vol% 이하로 첨가되고, 더욱 바람직하게는 BaTiO3 씨드층은 1 vol%로 첨가된다. In step S 120, a plurality of BaTiO 3 seed layers are added to the slurry. The BaTiO 3 seed layers are added to the slurry and mixed under an ethanol solvent for 12 to 24 hours. The BaTiO 3 seed layers are in the form of thin film sheets, which are manufactured separately. The plurality of BaTiO 3 seed layers added in step S 120 have the same crystal orientation. In the step of adding a plurality of BaTiO 3 seed layers to the slurry, the BaTiO 3 seed layers are added in an amount of more than 0 and less than or equal to 2 vol%, and more preferably, the BaTiO 3 seed layers are added in an amount of 1 vol%.
S 130 단계에서는 슬러리를 테입 캐스팅(tape casting) 공정을 이용해 템플레이트(template) 시트를 제작한다. 도 3에서 처럼 슬러리를 테잎 캐스팅 공정을 이용해 템플레이트 시트를 제작하게 되는데, 테입 캐스팅 장치의 블레이트(blade)의 높이를 제어하여 박막 형태의 BaTiO3 씨드층이 모두 동일한 결정 배향을 갖도록 템플레이트 시트 내에서 배치된다. 이 경우 블레이드의 높이는 BaTiO3 씨드층의 평면에 수직한 두께보다 높게 제어된다. 이렇게 제어가 됨으로써 BaTiO3 씨드층이 블레이드를 빠져나갈 때 모두 평평하게 동일한 방향으로 배향이 되도록 배치되어 빠져나갈 수 있게 되며, 이는 도 3에서 확인이 가능하다.In step S 130, a template sheet is produced using a tape casting process. As shown in Fig. 3, a template sheet is produced using a tape casting process using a slurry. By controlling the height of the blade of the tape casting device, the BaTiO 3 seed layers in a thin film form are arranged within the template sheet so that they all have the same crystal orientation. In this case, the height of the blade is controlled to be higher than the thickness perpendicular to the plane of the BaTiO 3 seed layer. By controlling in this way, the BaTiO 3 seed layers can be arranged so that they all have the same orientation when they exit the blade and exit flatly, which can be confirmed in Fig. 3.
구체적으로 블레이드의 높이는 하기 관계식에 의해 결정된다.Specifically, the height of the blade is determined by the following relationship:
ΔP, H, μ, t, U는 각각 저장부(reservoir)의 압력, 블레이드 갭, 슬러리 밀도, 블레이드 두께, 캐리어 속도를 나타낸다. ΔP, H, μ, t, and U represent the pressure in the reservoir, blade gap, slurry density, blade thickness, and carrier velocity, respectively.
도 4은 블레이드의 높이에 관한 관계식에 따른 템플레이트 시트의 두께 변화의 모습을 도시한다. 구체적으로 도 4에서 확인할 수 있는 것처럼, 값은 3 이하인 것이 바람직한데, 그 의미는 블레이드의 높이가 씨드 크기의 3배 이하임을 의미한다.Figure 4 illustrates the change in thickness of the template sheet according to the relationship regarding the height of the blade. Specifically, as can be seen in Figure 4, A value of 3 or less is desirable, meaning that the blade height is less than three times the seed size.
예를 들어 BT 씨드가 균일하게 분산된 압전 슬러리는 닥터 블레이드에 의해 일정한 두께로 캐리어 필름 위에 도포되어 0℃, 25℃, 45℃, 60℃의 총 4개의 구간으로 나누어진 건조로를 통과하여 각종 유기물을 휘발시킨 후 장비 끝단에서 롤 형태로 제작된다. BT 씨드가 닥터블레이드를 지나 한 방향으로 정렬하여 균일한 압전 시트를 제조하기 위해서는 닥터블레이드 갭 조절이 필수적이다. 블레이드 갭이 너무 좁으면 시트에 라인 형상의 얼룩과 같은 결함이 발생하기 쉽고, 너무 넓으면 씨드가 블레이드를 지나도 한 방향으로 제대로 정렬되지 않는다. 따라서 예를 들어 약 10 ㎛ 크기의 BT 씨드를 사용할 경우 씨드 크기의 2 ~ 3배가 되는 20 ~ 30 ㎛ 정도의 범위로 닥터블레이드의 갭을 설정하여 캐스팅 한다. 이러한 테잎캐스팅 공정에서 압력 구동력 및 슬러리 구동력 사이의 비율을 나타내는 변수 Π를 위의 식과 같이 나타낸다. 이 식에 의하면 일정한 압력 및 슬러리 조건에서 캐리어 속도 조절을 통해 최종적으로 균일하게 정렬된 시트를 얻을 수 있다.For example, a piezoelectric slurry with uniformly dispersed BT seeds is applied to a carrier film at a certain thickness by a doctor blade and passes through a drying oven divided into four sections of 0℃, 25℃, 45℃, and 60℃ to volatilize various organic substances, and then is manufactured into a roll shape at the end of the equipment. In order for the BT seeds to align in one direction as they pass through the doctor blade and manufacture a uniform piezoelectric sheet, it is essential to adjust the doctor blade gap. If the blade gap is too narrow, defects such as line-shaped stains are likely to occur in the sheet, and if it is too wide, the seeds are not properly aligned in one direction even when they pass through the blade. Therefore, for example, when using BT seeds with a size of about 10 ㎛, casting is performed by setting the gap of the doctor blade to a range of about 20 to 30 ㎛, which is 2 to 3 times the seed size. In this tape casting process, the variable Π representing the ratio between the pressure driving force and the slurry driving force is expressed as the equation above. According to this formula, uniformly aligned sheets can be finally obtained by controlling the carrier speed under constant pressure and slurry conditions.
S 140 단계에서는 템플레이트 시트를 소결한다. 템플레이트 시트를 소결하는 단계는 1100 내지 1200℃의 온도에서 2 내지 10시간 동안 수행되고, 바람직하게는 1150℃에서 10시간 동안 수행된다.In step S 140, the template sheet is sintered. The step of sintering the template sheet is performed at a temperature of 1100 to 1200°C for 2 to 10 hours, and preferably at 1150°C for 10 hours.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT) 의 결정 배향성을 제어하는 방법을 이용하여 제조된 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT)는 BaTiO3 씨드층에 의해 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT)가 BaTiO3 씨드층의 결정 방향을 따라 정렬된다. 즉, 본 발명의 방법에 의해 제조된 BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT)압전 소재는 결정 배향성을 갖는다. Polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT) using BaTiO3 seed layer according to this embodiment of the present invention Polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 (BSS-PT) manufactured by using a method for controlling the crystal orientation of a BaTiO 3 seed layer is aligned along the crystal direction of the BaTiO 3 seed layer. That is, the polycrystalline 0.36(Bi ( 1-x) Sm x ) ScO 3 -0.64PbTiO 3 (BSS-PT) piezoelectric material including a BaTiO 3 seed layer manufactured by the method of the present invention has crystal orientation.
본 발명의 일 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT) 압전 소재에서, 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT)에서 x는 0.02 내지 0.04이고, 바람직하게 x는 0.03이다. Polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT) including a BaTiO3 seed layer according to one embodiment of the present invention In piezoelectric materials, in polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT) , x is 0.02 to 0.04, and preferably x is 0.03.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 BiScO3-PbTiO3 압전 소재에서, BaTiO3 는 0 초과 2 vol% 이하로 포함되어 있고, 바람직하게 BaTiO3 는 1 vol%로 포함되어 있다.In addition, in the polycrystalline BiScO 3 -PbTiO 3 piezoelectric material including a BaTiO 3 seed layer according to one embodiment of the present invention, BaTiO 3 is contained in an amount of more than 0 vol% and less than or equal to 2 vol%, and preferably, BaTiO 3 is contained in an amount of 1 vol%.
본 발명의 방법에 따라 제조되고, 결정 배향성을 가진 BaTiO3 씨드층을 포함한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT) 압전 소재는 결정 배향성을 가지며 큐리 온도가 400℃ 이상의 높은 Tc를 나타낸다. 이러한 압전 소재는 초음파 트랜스듀서 등 다양한 압전 특성을 나타내는 용도에 이용 가능하다. Polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 (BSS-PT) comprising a BaTiO3 seed layer having crystal orientation, manufactured according to the method of the present invention Piezoelectric materials have crystal orientation and exhibit a high Tc Curie temperature of 400℃ or higher. These piezoelectric materials can be used in applications exhibiting various piezoelectric properties, such as ultrasonic transducers.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가로 설명하도록 하겠다.Below, the contents of the present invention will be further described with specific examples.
실시예 1에서는 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 준비하였다.In Example 1, a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 was prepared.
본 실험에서는 BiScO3-PbTiO3 이차원 시스템(binary system)에서 MPB 조성인 0.36BiScO3-0.64PbTiO3 조성에서 Bi3+을 Sm3+으로 0, 1, 2, 3, 4, 5 mol% 치환하여 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 (x=0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)조성을 설계하였다. In this experiment, in the BiScO 3 -PbTiO 3 binary system, the MPB composition of 0.36BiScO 3 -0.64PbTiO 3 was designed by replacing Bi 3+ with Sm 3+ at 0, 1, 2, 3, 4, and 5 mol%. The composition was 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 (x = 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05).
분말을 합성하기 위해 일반적인 고상 합성법을 사용하였고 사용된 원료는 Bi2O3 (Kojundo Chemical, 99.99%, 일본), Sm2O3 (Kojundo Chemical, 99.9%, 일본), Sc2O3 (Kojundo Chemical, 99.9%, 일본), PbO (Kojundo Chemical, 99.99%, TiO2 (Sigma-Aldrich, 99.9%, 독일)이다. 원료 분말을 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 (x=0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05)의 조성식에 맞게 분자량을 평량하여 폴리에틸렌 재질의 병에 투입하였다. 그리고 에탄올 (대정화금, 99.9%, 한국)과 지르코니아 볼 (ф= 1 mm, 3 mm, 5 mm, 10 mm)을 추가로 투입하고 24 시간동안 1차 볼 밀링을 통해 혼합 및 분쇄를 진행한 후 90oC 오븐에서 건조를 하였다. 건조된 분말을 밀봉된 알루미나 도가니에 넣고 분당 5oC의 승온속도로 775oC에서 4 시간동안 하소를 진행하였다. 하소의 경우 750 내지 800℃에서 분당 5℃의 승온 속도로 하소하였으며, 특히 이차상이 나타나지 않는 온도인 775℃를 적정 하소 온도로 선정하였다. 하소가 완료된 분말 약 0.5μm의 입도를 갖도록 하기 위해 에탄올과 지르코니아 볼과 함께 폴리에틸렌 재질의 병에 넣고 48 시간동안 2차 볼 밀를 진행하였다. 볼 밀이 완료되기 약 4시간 전 0.5wt%의 바인더를 첨가후 볼 밀을 완료하였으며, 90℃의 건조 오븐에서 약 12시간 동안 건조하였다. x는 0.02 내지 0.04가 바람직하였고, 가장 바람직하게 x는 0.03이었다.A general solid-state synthesis method was used to synthesize the powder, and the raw materials used were Bi2O3 (Kojundo Chemical, 99.99%, Japan), Sm2O3 (Kojundo Chemical, 99.9%, Japan), Sc2O3 (Kojundo Chemical, 99.9%, Japan), PbO (Kojundo Chemical, 99.99%, TiO2 (Sigma-Aldrich, 99.9%, Germany). The raw material powders were weighed according to the molecular weight of the composition formula 0.36(Bi (1-x) Sm x ) ScO3 -0.64PbTiO3 (x = 0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05) and placed in a polyethylene bottle. Then, ethanol (Daejung Chemical & Metal, 99.9%, Korea) and zirconia balls (ф = 1 mm, 3 mm, 5 mm, 10 mm) were additionally added and mixed and ground through primary ball milling for 24 hours, and then dried in a 90 o C oven. The dried powder was placed in a sealed alumina crucible and calcined at 775 o C for 4 hours at a heating rate of 5 o C per minute. In the case of calcination, calcination was performed at a heating rate of 5 o C per minute at 750 to 800 ° C, and 775 ° C, a temperature at which a secondary phase does not appear, was selected as the appropriate calcination temperature. In order to make the calcined powder have a particle size of about 0.5 μm, it was placed in a polyethylene bottle together with ethanol and zirconia balls and subjected to secondary ball milling for 48 hours. About 4 hours before the completion of the ball milling, 0.5 wt% of binder was added, and the ball milling was completed, and it was dried in a drying oven at 90 ° C for about 12 hours. x is 0.02 to 0.04 It was desirable, and most preferably, x was 0.03.
실시예 2에서는 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말에 BaTiO3 씨드층을 첨가하여 압전 후막소자를 제조하였다. x는 0.02 내지 0.04가 바람직하였고, 가장 바람직하게 x는 0.03로 제어되었다.In Example 2, a piezoelectric thick-film element was manufactured by adding a BaTiO 3 seed layer to a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 . x was preferably controlled to 0.02 to 0.04, and most preferably, x was controlled to 0.03.
BSS-PT 압전 슬러리를 제조하기 위해 에탄올 (Daejung, 99.9%, 한국), 톨루엔 (Daejung, 99.5%, 한국), dibutylphthalate (Daejung, 99.9%, 한국), polyvinyl butyral (BM-SZ, Sekisui, 일본), 분산제 (BYK-111, BYK-chemie GmbH, 독일)와 BSS-PT 압전 세라믹 파우더를 최적의 비율로 혼합하여 폴리에틸렌 재질의 병에 지르코니아 볼 (ф 3 mm, 5 mm, 10 mm)과 함께 넣고 24시간 동안 혼합 및 분쇄를 실시하였다. 혼합이 완료된 슬러리는 메쉬 (mesh)를 이용하여 볼을 걸러내고 균일하게 체거름하였다. To prepare BSS-PT piezoelectric slurry, ethanol (Daejung, 99.9%, Korea), toluene (Daejung, 99.5%, Korea), dibutylphthalate (Daejung, 99.9%, Korea), polyvinyl butyral (BM-SZ, Sekisui, Japan), a dispersant (BYK-111, BYK-chemie GmbH, Germany) and BSS-PT piezoelectric ceramic powder were mixed at an optimal ratio and placed into a polyethylene bottle with zirconia balls (ф 3 mm, 5 mm, 10 mm), followed by mixing and grinding for 24 hours. After mixing, the slurry was filtered out using a mesh to remove the balls and sieved evenly.
Seed 소재로 선정된 BaTiO3 (BT) platelet을 0, 1, 2, 4, 8 vol%만큼 칭량한 후 각각 바이알 병에 에탄올, 분산제를 병에 넣고 소니케이터에 3 분간 분산을 시킨 후 슬러리에 첨가하였다. BT가 첨가된 슬러리는 잔류 기포들을 제거하기 위해 탈포기로 20 분간 탈포를 실시한 후 15 rpm으로 3 시간 동안 에이징 공정을 통해 슬러리의 안정화 및 BT의 분산을 진행하였다. BT seed가 templated 된 BSS-PT 후막 시트 제조를 위해 일반적인 테잎캐스팅 (tape casting) 공정을 사용하였다. Doctor blade의 높이를 약 100 μm로 세팅한 후 0.5 m/min의 속도로 테잎캐스팅 공정을 진행하여 약 35 ㎛ 두께의 후막 시트를 제조하였다. 제조된 후막시트는 적층기를 사용하여 60℃, 15 MPa의 조건으로 약 1.5 mm 두께로 적층한 후 65℃, 25 MPa의 조건으로 20분 동안 WIP (warm isostatic pressing)를 이용하여 압착하였다. 적층 시트는 블레이드 커터를 이용하여 10 mm x 10 mm로 커팅한 후 300℃에서 2시간, 600℃에서 2시간 대기분위기에서 바인더를 휘발하는 번아웃을 실시하였다. 번아웃된 소자는 동일한 조성의 분말로 충분히 머플링 한 후 800 sccm의 O2 분위기에서 다양한 온도 (1100℃ ~ 1200℃)로 10시간 소결하였다. 이때, 소결은 분당 1℃의 속도로 진행하였다. 소결된 후막 시편은 표면을 평평하게 폴리싱 한 후 스크린 마스크를 이용하여 Ag 전극을 양면에 도포하였으며, 700℃에서 10분간 소성하였다. 분극은 90℃의 oil bath 내에서 4.5 kV/mm의 전계를 20분간 진행하였다The BaTiO 3 (BT) platelets selected as seed material were weighed at 0, 1, 2, 4, and 8 vol%, and then ethanol and a dispersant were added to each vial, dispersed in a sonicator for 3 minutes, and then added to the slurry. The slurry containing BT was defoamed for 20 minutes to remove residual air bubbles, and then stabilized and dispersed BT through an aging process at 15 rpm for 3 hours. A general tape casting process was used to manufacture BSS-PT thick film sheets templated with BT seeds. After setting the height of the doctor blade to approximately 100 μm, the tape casting process was performed at a speed of 0.5 m/min to manufacture thick film sheets with a thickness of approximately 35 μm. The manufactured thick film sheets were laminated using a laminator at 60°C and 15 MPa to a thickness of approximately 1.5 mm, and then pressed using WIP (warm isostatic pressing) at 65°C and 25 MPa for 20 minutes. The laminated sheets were cut to 10 mm x 10 mm using a blade cutter, and then burnt out to volatilize the binder in an air atmosphere at 300°C for 2 hours and then at 600°C for 2 hours. The burnt-out devices were sufficiently muffled with powders of the same composition and then sintered at various temperatures (1100°C to 1200°C) for 10 hours in an O 2 atmosphere of 800 sccm. At this time, the sintering was performed at a rate of 1°C per minute. The sintered thick film specimens had their surfaces polished flat, and then Ag electrodes were applied to both sides using a screen mask, and then they were fired at 700°C for 10 minutes. Polarization was performed in an oil bath at 90°C with an electric field of 4.5 kV/mm for 20 minutes.
도 5는 실시예 2에 따라 제조된 압전 조성물의 압전 특성 그래프이다. 도 5는 0.36BSS-0.64PT - x vol% BaTiO3 (소결 온도는 1150℃에서 10시간)로 제조된 압전 조성물의 압전 특성 그래프로서, BaTiO3 의 함량에 따른 압전 특성 변화를 나타낸다.Figure 5 is a graph of piezoelectric properties of a piezoelectric composition manufactured according to Example 2. Figure 5 is 0.36BSS-0.64PT - A graph of the piezoelectric properties of a piezoelectric composition manufactured with x vol% BaTiO 3 (sintering temperature: 1150℃ for 10 hours), showing the change in piezoelectric properties according to the content of BaTiO 3 .
도 5에서 보는 것처럼, BaTiO3 의 함량이 0 초과 2 vol% 이하, 바람직하게 1 vol%에서 압전 특성이 매우 잘 나타남을 확인할 수 있었다.As shown in Fig. 5, it was confirmed that the piezoelectric properties were very good when the content of BaTiO 3 was more than 0 and less than 2 vol%, preferably 1 vol%.
d33 (압전변위계수)은 일정한 응력이 가해졌을 때 발생하는 전하량의 크기 또는 일정한 전계를 가했을 때 발생하는 변형률을 의미하고, kp (전기기계결합계수)는 기계에너지에서 전기에너지로의 변환효율 또는 전기에너지에서 기계에너지로의 변환 효율을 의미하며, g33 (압전전압계수)는 일정한 응력이 가해졌을 때 발생하는 전압의 크기를 의미하고, Qm (기계적품질계수)은 전기기계 변환과정에서의 에너지 손실에 대한 척도를 의미한다.d 33 (piezoelectric displacement coefficient) refers to the size of the charge generated when a constant stress is applied or the strain generated when a constant electric field is applied, k p (electromechanical coupling factor) refers to the conversion efficiency from mechanical energy to electrical energy or from electrical energy to mechanical energy, g 33 (piezoelectric voltage coefficient) refers to the size of the voltage generated when a constant stress is applied, and Q m (mechanical quality factor) refers to a measure of energy loss during the electromechanical conversion process.
도 6은 0.36BSS-0.64PT - 1 vol% BaTiO3로 제조된 압전 조성물에서 소결 온도에 따른 압전 특성 변화를 나타낸다. 도 6에서 보는 것처럼 소결 온도는 1100 내지 1200℃, 바람직하게 1150℃에서 압전 특성이 가장 뛰어남을 알 수 있었다.Figure 6 is 0.36BSS-0.64PT - The piezoelectric properties change according to the sintering temperature in a piezoelectric composition manufactured with 1 vol% BaTiO 3. As shown in Fig. 6, it was found that the piezoelectric properties were the best at a sintering temperature of 1100 to 1200°C, preferably 1150°C.
도 7 및 도 8은 0.36BSS-0.64PT - x vol% BaTiO3 (소결 온도는 1150℃에서 10시간)로 제조된 압전 조성물의 압전 특성 그래프로써 BaTiO3 의 함량에 따른 압전 특성 변화를 나타낸다. 도 7은 P-E hysteresis 그래프를 나타내고 도 8은 S-E 커브를 나타낸다. Figures 7 and 8 are 0.36BSS-0.64PT - A piezoelectric characteristic graph of a piezoelectric composition manufactured with x vol% BaTiO 3 (sintering temperature was 1150℃ for 10 hours) showing the change in piezoelectric characteristics according to the content of BaTiO 3. Fig. 7 shows a PE hysteresis graph and Fig. 8 shows an SE curve.
실시예 2를 통해 합성된 BaTiO3-templated 0.36(Bi1-xSmx)ScO3-0.64PbTiO3 후막은 상대적으로 높은 배향성을 가지고 있었으며, 1 vol% BT-templated 0.36(Bi1-xSmx)ScO3-0.64PbTiO3 후막이 가장 뛰어난 페로일렉트릭(ferroelectric) 및 피에조일렉트릭(piezoelectric) 특성을 나타냄을 확인하였다. 큰 스트레인(0.44%), d33 * (978 pm/V) and high T c (above 411℃) 를 얻을 수 있었다.The BaTiO 3 -templated 0.36(Bi 1-x Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 thick film synthesized through Example 2 had relatively high orientation, and it was confirmed that the 1 vol% BT-templated 0.36(Bi 1-x Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 thick film exhibited the best ferroelectric and piezoelectric properties. A large strain (0.44%), d 33 * (978 pm/V) and high T c (above 411℃) could be obtained.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various modifications and changes may be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below.
Claims (23)
상기 슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계;
상기 슬러리를 테입 캐스팅(tape casting) 공정을 이용해 템플레이트(template) 시트를 제작하는 단계; 및
상기 템플레이트 시트를 소결하는 단계를 포함하고,
BaTiO3 씨드층에 의해 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 가 BaTiO3 씨드층의 결정 방향을 따라 정렬되며,
상기 x는 0.03이고,
상기 템플레이트 시트를 소결하는 단계는 1100 내지 1200℃의 온도에서 2 내지 10시간 동안 수행되며,
상기 슬러리에 복수개의 BaTiO3 씨드층을 첨가하는 단계에서 상기 BaTiO3 씨드층은 0 초과 2 vol% 이하로 첨가되는,
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 의 제조 방법.
A step of preparing a slurry including powders having a composition of 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 and performing ball milling;
A step of adding a plurality of BaTiO 3 seed layers to the above slurry;
A step of producing a template sheet using the above slurry using a tape casting process; and
Comprising a step of sintering the above template sheet,
Polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 is aligned along the crystal direction of the BaTiO3 seed layer by the BaTiO3 seed layer.
The above x is 0.03,
The step of sintering the above template sheet is performed at a temperature of 1100 to 1200°C for 2 to 10 hours.
In the step of adding a plurality of BaTiO 3 seed layers to the above slurry, the BaTiO 3 seed layers are added in an amount of more than 0 and less than 2 vol%.
Method for manufacturing polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 using BaTiO3 seed layer.
상기 BaTiO3 씨드층는 박막 시트 형태이고,
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 의 제조 방법.
In paragraph 1,
The above BaTiO 3 seed layer is in the form of a thin film sheet,
Method for manufacturing polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 using BaTiO3 seed layer.
상기 슬러리를 테입 캐스팅 공정을 이용해 템플레이트 시트를 제작하는 단계에서,
테입 캐스팅 장치의 블레이트(blade)의 높이를 제어하여 박막 형태의 상기 BaTiO3 씨드층이 모두 동일한 결정 배향을 갖도록 상기 템플레이트 시트 내에서 배치되는,
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 의 제조 방법.
In paragraph 1,
In the step of producing a template sheet using the above slurry using a tape casting process,
By controlling the height of the blade of the tape casting device, the BaTiO 3 seed layer in the form of a thin film is arranged within the template sheet so that all of the seed layers have the same crystal orientation.
Method for manufacturing polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 using BaTiO3 seed layer.
상기 블레이드의 높이는 상기 BaTiO3 씨드층의 평면에 수직한 두께보다 높게 제어되는,
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 의 제조 방법.
In paragraph 6,
The height of the above blade is controlled to be higher than the thickness perpendicular to the plane of the BaTiO 3 seed layer.
Method for manufacturing polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 using BaTiO3 seed layer.
상기 템플레이트 시트를 소결하는 단계는 1150℃에서 10시간 동안 수행되는,
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 의 제조 방법.
In paragraph 1,
The step of sintering the above template sheet is performed at 1150°C for 10 hours.
Method for manufacturing polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 using BaTiO3 seed layer.
상기 BaTiO3 씨드층은 1 vol%로 첨가되는,
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 의 제조 방법.
In paragraph 1,
The above BaTiO 3 seed layer is added at 1 vol%.
Method for manufacturing polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 using BaTiO3 seed layer.
상기 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말은,
0.36BiScO3-0.64PbTiO3 조성에서 Bi3+를 Sm3+로 치환하여 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 조성의 분말을 설계하여 1차 볼 밀링을 통해 혼합하는 단계;
상기 혼합하는 단계 이후 하소하는 단계;
상기 하소 이후 2차 볼 밀링을 수행하는 단계; 및
건조시키는 단계를 통해 얻어지는,
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 의 제조 방법.
In paragraph 1,
The powder having the composition of 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 is
A step of designing a powder having a composition of 0.36(Bi (1-x) Sm x )ScO 3 -0.64PbTiO 3 by substituting Bi 3+ with Sm 3+ in the composition of 0.36BiScO 3 -0.64PbTiO 3 , and mixing it through the first ball milling;
A calcining step after the above mixing step;
A step of performing secondary ball milling after the above calcination; and
Obtained through the drying step,
Method for manufacturing polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 using BaTiO3 seed layer.
상기 하소하는 단계는 2 내지 4시간 동안 750 내지 800℃에서 수행되는,
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 의 제조 방법.
In Article 13,
The above calcining step is performed at 750 to 800°C for 2 to 4 hours.
Method for manufacturing polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 using BaTiO3 seed layer.
상기 하소하는 단계는 4시간 동안 775℃에서 수행되는,
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 의 제조 방법.
In Article 13,
The above calcination step is performed at 775°C for 4 hours.
Method for manufacturing polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 using BaTiO3 seed layer.
결정 배향성을 가지며,
큐리 온도가 400℃ 이상이고,
상기 x는 0.03이며,
상기 BaTiO3 씨드층은 0 초과 2 vol% 이하로 첨가되는,
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 압전 소재.
Manufactured according to the method of any one of claims 1, 4, 6, 7, 9, 11, 13, 15 and 16,
It has a decision orientation,
The Curie temperature is over 400℃,
The above x is 0.03,
The above BaTiO 3 seed layer is added in an amount of more than 0 and less than 2 vol%.
Polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 piezoelectric material using BaTiO3 seed layer.
상기 BaTiO3 씨드층은 0.1 vol%로 첨가되는,
BaTiO3 씨드층을 이용한 다결정 0.36(Bi(1-x)Smx)ScO3-0.64PbTiO3 압전 소재.
In Article 18,
The above BaTiO 3 seed layer is added at 0.1 vol%.
Polycrystalline 0.36(Bi (1-x) Smx ) ScO3-0.64PbTiO3 piezoelectric material using BaTiO3 seed layer.
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| KR20240012744A (en) | 2024-01-30 |
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