PMN-PZT-PFN 세라믹스의 저온소성 및 적층형 압전액추에이터 응용 연구 Low temperature sintering of PMN-PZT-PFN ceramics and their application to multilayer piezoelectric actuators원문보기
압전세라믹스는 압전착화소자, 초음파센서, resonator, 압전모터 및 미소변위제어 장치등의 전기·전자·기계산업에 많이 이용되고 있다. 최근에는 산업의 자동화, micro화 및 고기능화에 따라 압전세라믹스의 응용 범위는 더욱 확대되고 있으며, 특히 소비전력 및 발열량이 적고 응답성도 양호함과 동시에 적층수에 따라 변위량을 조절할 수 있는 ...
압전세라믹스는 압전착화소자, 초음파센서, resonator, 압전모터 및 미소변위제어 장치등의 전기·전자·기계산업에 많이 이용되고 있다. 최근에는 산업의 자동화, micro화 및 고기능화에 따라 압전세라믹스의 응용 범위는 더욱 확대되고 있으며, 특히 소비전력 및 발열량이 적고 응답성도 양호함과 동시에 적층수에 따라 변위량을 조절할 수 있는 적층형 세라믹 액추에이터(MCA: Multilayer Ceramic Actuator)가 정밀기계 및 전자기기 분야에서 응용분야가 날로 확대되고 있다. MCA는 세라믹 층간에 삽입되는 내부전극과 함께 동시에 소성하는 과정을 거쳐 제작되며, 현재 사용되는 대부분의 압전세라믹스는 1100℃ 이상의 높은 소결온도가 요구되며, 소결온도보다 융점이 높고 화학적으로 안정한 귀금속의 내부전극을 사용하여야 한다. 적층형 세라믹 소자에 보편적으로 사용되는 내부전극으로는 Ag-Pd계가 대표적이며, Pd의 함량이 증가할수록 내열온도가 향상되는 특징을 가지고 있다. 따라서 MCA의 소결온도가 낮을수록 값비싼 Pd의 함량이 낮은 Ag-Pd 전극재료의 사용이 가능하게 되어 제품의 단가를 절감할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에 앞서 일차적으로 소성온도 1000℃이하에서 우수한 압전특성을 가지는 세라믹스를 개발하기 위하여 PMN-PZT세라믹스에 소결조제를 이용한 저온소성 연구를 하였다. 그 결과 소성온도 950℃에서 전기기계결합계수(k_(p)) 63.7%, 압전상수(d_(33)) 565pC/N의 우수한 압전특성을 나타내었다. 하지만 상기 소재를 이용하여 MCA에 적용하였을 경우 최대변위를 얻기 위해서는 소성온도가 1100℃ 이상이 요구되는 문제점이 발생되었다. 그리고 Ag-Pd 전극과 동시 소성했을 때 계면반응과 전극층과의 수축률 차이로 인해 압전특성이 저하되고 소성왜곡이 생기는 문제점도 발생하였다. 따라서, 본 연구에서는 900℃ 이하에서 소성 가능하며, 내부전극으로 순수한 Ag를 사용하는 MCA에 적용 가능한 압전세라믹스를 얻기 위하여 Pb(Zr,Ti)O_(3) 세라믹스와 완화형 강유전체의 대표적인 Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3), Pb(Fe_(1/2)Nb_(1/2))O_(3) 세라믹스를 합성한 Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-Pb(Zr,Ti)O_(3)-Pb(Fe_(1/2)Nb_(1/2))O_(3) 세라믹스(이하PMN-PZT-PFN)에 소결조제로 Li_(2)CO_(3)를 첨가하였으며, 소결조제의 첨가량 변화에 따른 PMN-PZT-PFN 세라믹스의 소결온도 및 압전특성 변화를 연구하였다. 그 결과, 소성온도 1100℃이상에서 치밀화를 보이는 PMN-PZT-PFN 세라믹스에 0.05～0.3wt.% Li_(2)CO_(3)를 첨가함으로써 850℃에서 치밀한 소결체를 얻을 수 있었다. 이는 Li^(+1)이온의 고용으로 인한 산소 vacancy 생성과 Li_(2)CO_(3)(m.p. 618℃)의 액상소결에 의한 것으로 사료된다. PMN-PZT-PFN 세라믹스에 Li_(2)CO_(3)를 첨가함으로써 격자는 rhombohedral 구조에서 tetragonal 구조로 상전이가 일어남을 관찰할 수 있는데, 이는 Li^(+1)이온이 perovskite 구조에서 Pb-자리 원소 또는 Ti-자리 원소와 치환됨에 따라서 rhombohedral의 격자구조에서 tetragonal의 격자구조로 변형되었기 때문으로 사료된다. 이러한 상전이 현상은 PMN-PZT-PFN 세라믹스에 MPB(Morphotropic phase boundary)를 형성하고 압전특성을 향상시켰다. PMN-PZT-PFN 세라믹스에 0.1wt.% Li_(2)CO_(3)를 첨가하였을 경우에 소성온도 900℃에서 가장 높은 압전특성을 얻을 수 있었으며, 이때 전기기계결합계수(kp)는 61.9%, 압전상수(d_(33))는 425pC/N을 나타내었다. 그리고 bulk type 세라믹스에서 압전특성이 가장 우수한 조성을 이용하여 MCA를 제작하였으며, MCA의 변위 및 소성 특성을 관찰함으로써 multi-layer piezoelectric device로의 적용 가능성도 함께 확인 하였다.
압전세라믹스는 압전착화소자, 초음파센서, resonator, 압전모터 및 미소변위제어 장치등의 전기·전자·기계산업에 많이 이용되고 있다. 최근에는 산업의 자동화, micro화 및 고기능화에 따라 압전세라믹스의 응용 범위는 더욱 확대되고 있으며, 특히 소비전력 및 발열량이 적고 응답성도 양호함과 동시에 적층수에 따라 변위량을 조절할 수 있는 적층형 세라믹 액추에이터(MCA: Multilayer Ceramic Actuator)가 정밀기계 및 전자기기 분야에서 응용분야가 날로 확대되고 있다. MCA는 세라믹 층간에 삽입되는 내부전극과 함께 동시에 소성하는 과정을 거쳐 제작되며, 현재 사용되는 대부분의 압전세라믹스는 1100℃ 이상의 높은 소결온도가 요구되며, 소결온도보다 융점이 높고 화학적으로 안정한 귀금속의 내부전극을 사용하여야 한다. 적층형 세라믹 소자에 보편적으로 사용되는 내부전극으로는 Ag-Pd계가 대표적이며, Pd의 함량이 증가할수록 내열온도가 향상되는 특징을 가지고 있다. 따라서 MCA의 소결온도가 낮을수록 값비싼 Pd의 함량이 낮은 Ag-Pd 전극재료의 사용이 가능하게 되어 제품의 단가를 절감할 수 있다. 이에 따라, 본 연구에 앞서 일차적으로 소성온도 1000℃이하에서 우수한 압전특성을 가지는 세라믹스를 개발하기 위하여 PMN-PZT세라믹스에 소결조제를 이용한 저온소성 연구를 하였다. 그 결과 소성온도 950℃에서 전기기계결합계수(k_(p)) 63.7%, 압전상수(d_(33)) 565pC/N의 우수한 압전특성을 나타내었다. 하지만 상기 소재를 이용하여 MCA에 적용하였을 경우 최대변위를 얻기 위해서는 소성온도가 1100℃ 이상이 요구되는 문제점이 발생되었다. 그리고 Ag-Pd 전극과 동시 소성했을 때 계면반응과 전극층과의 수축률 차이로 인해 압전특성이 저하되고 소성왜곡이 생기는 문제점도 발생하였다. 따라서, 본 연구에서는 900℃ 이하에서 소성 가능하며, 내부전극으로 순수한 Ag를 사용하는 MCA에 적용 가능한 압전세라믹스를 얻기 위하여 Pb(Zr,Ti)O_(3) 세라믹스와 완화형 강유전체의 대표적인 Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3), Pb(Fe_(1/2)Nb_(1/2))O_(3) 세라믹스를 합성한 Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-Pb(Zr,Ti)O_(3)-Pb(Fe_(1/2)Nb_(1/2))O_(3) 세라믹스(이하PMN-PZT-PFN)에 소결조제로 Li_(2)CO_(3)를 첨가하였으며, 소결조제의 첨가량 변화에 따른 PMN-PZT-PFN 세라믹스의 소결온도 및 압전특성 변화를 연구하였다. 그 결과, 소성온도 1100℃이상에서 치밀화를 보이는 PMN-PZT-PFN 세라믹스에 0.05～0.3wt.% Li_(2)CO_(3)를 첨가함으로써 850℃에서 치밀한 소결체를 얻을 수 있었다. 이는 Li^(+1)이온의 고용으로 인한 산소 vacancy 생성과 Li_(2)CO_(3)(m.p. 618℃)의 액상소결에 의한 것으로 사료된다. PMN-PZT-PFN 세라믹스에 Li_(2)CO_(3)를 첨가함으로써 격자는 rhombohedral 구조에서 tetragonal 구조로 상전이가 일어남을 관찰할 수 있는데, 이는 Li^(+1)이온이 perovskite 구조에서 Pb-자리 원소 또는 Ti-자리 원소와 치환됨에 따라서 rhombohedral의 격자구조에서 tetragonal의 격자구조로 변형되었기 때문으로 사료된다. 이러한 상전이 현상은 PMN-PZT-PFN 세라믹스에 MPB(Morphotropic phase boundary)를 형성하고 압전특성을 향상시켰다. PMN-PZT-PFN 세라믹스에 0.1wt.% Li_(2)CO_(3)를 첨가하였을 경우에 소성온도 900℃에서 가장 높은 압전특성을 얻을 수 있었으며, 이때 전기기계결합계수(kp)는 61.9%, 압전상수(d_(33))는 425pC/N을 나타내었다. 그리고 bulk type 세라믹스에서 압전특성이 가장 우수한 조성을 이용하여 MCA를 제작하였으며, MCA의 변위 및 소성 특성을 관찰함으로써 multi-layer piezoelectric device로의 적용 가능성도 함께 확인 하였다.
Lowering of the sintering temperature of piezoelectric ceramics enables co-firing of the ceramics with less-expensive metals in multi-layer devices in addition to reduction of energy consumption and environmental pollution. This study examined the effects of Li_(2)CO_(3) additive on the dielectric a...
Lowering of the sintering temperature of piezoelectric ceramics enables co-firing of the ceramics with less-expensive metals in multi-layer devices in addition to reduction of energy consumption and environmental pollution. This study examined the effects of Li_(2)CO_(3) additive on the dielectric and piezoelectric properties of 0.19Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3) - 0.50Pb(Zr_(00.475)Ti_(0.525))O_(3) - 0.31Pb(Fe_(1/3)Nb_(2/3))O_(3) hereinafter abbreviated as PMN-PZT-PFN, ceramics with different doping concentrations to lower the firing temperature of the ceramics. Compared with undoped PMN-PZT-PFN ceramics, the addition of 0.1wt.% Li_(2)CO_(3) into PMN-PZT-PFN ceramics increased sinterability and piezoelectric properties. The Li-doping modified the crystal structure and resulted in coexistence of rhombohedral and tegtragonal phases, while undoped PMN-PFN-PZT ceramics showed a single phase with a rhombohedral crytal structure. The measured values of density, relative dielectric constant(ε_(r)), piezoelectric coupling factor(k_(p)) and piezoelectric constant(d_(33)) of PMN-PZT-PFN ceramics sintered at 1100℃ were 7.89g/㎤, 1927, 48.15% and 310pC/N, respectively. In contrast, those of 0.1wt.% Li_(2)CO_(3)-added PMN-PZT-PFN ceramics sintered at 900℃ were 7.93g/㎤, 1377, 61.88% and 425pC/N, respectively. Multilayer ceramic actuators with 10-layers of a 70㎛thick ceramic sheet were fabricated using Li_(2)CO_(3)-doped PMN-PZT-PFN ceramics. Ceramic green sheets were obtained by tape-casting a slurry containing the piezoelectric powder and organic additives, and followed by screen-printing of pure silver paste on the green sheet. The maximum strain under an electric field of 1.7V/m and displacement under 150V dc bias were 2.89×10^(-3) and 2.8㎛, respectively. It can be concluded that Li_(2)CO_(3)-added 0.19Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-0.50Pb(Zr_(00.475)Ti_(0.525))O_(3)-0.31Pb(Fe_(1/3)Nb_(2/3))O_(3) ceramics are useful for multilayer piezoelectric actuators using low cost electrodes.
Lowering of the sintering temperature of piezoelectric ceramics enables co-firing of the ceramics with less-expensive metals in multi-layer devices in addition to reduction of energy consumption and environmental pollution. This study examined the effects of Li_(2)CO_(3) additive on the dielectric and piezoelectric properties of 0.19Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3) - 0.50Pb(Zr_(00.475)Ti_(0.525))O_(3) - 0.31Pb(Fe_(1/3)Nb_(2/3))O_(3) hereinafter abbreviated as PMN-PZT-PFN, ceramics with different doping concentrations to lower the firing temperature of the ceramics. Compared with undoped PMN-PZT-PFN ceramics, the addition of 0.1wt.% Li_(2)CO_(3) into PMN-PZT-PFN ceramics increased sinterability and piezoelectric properties. The Li-doping modified the crystal structure and resulted in coexistence of rhombohedral and tegtragonal phases, while undoped PMN-PFN-PZT ceramics showed a single phase with a rhombohedral crytal structure. The measured values of density, relative dielectric constant(ε_(r)), piezoelectric coupling factor(k_(p)) and piezoelectric constant(d_(33)) of PMN-PZT-PFN ceramics sintered at 1100℃ were 7.89g/㎤, 1927, 48.15% and 310pC/N, respectively. In contrast, those of 0.1wt.% Li_(2)CO_(3)-added PMN-PZT-PFN ceramics sintered at 900℃ were 7.93g/㎤, 1377, 61.88% and 425pC/N, respectively. Multilayer ceramic actuators with 10-layers of a 70㎛thick ceramic sheet were fabricated using Li_(2)CO_(3)-doped PMN-PZT-PFN ceramics. Ceramic green sheets were obtained by tape-casting a slurry containing the piezoelectric powder and organic additives, and followed by screen-printing of pure silver paste on the green sheet. The maximum strain under an electric field of 1.7V/m and displacement under 150V dc bias were 2.89×10^(-3) and 2.8㎛, respectively. It can be concluded that Li_(2)CO_(3)-added 0.19Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-0.50Pb(Zr_(00.475)Ti_(0.525))O_(3)-0.31Pb(Fe_(1/3)Nb_(2/3))O_(3) ceramics are useful for multilayer piezoelectric actuators using low cost electrodes.
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