KR102670819B1 - Lead free piezoelectric ceramic having core shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties and method of manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹에 대하여 개시한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹은 Bi2O3가 도핑된 LNKN으로 이루어진 코어층과, 상기 코어층의 표면을 감싸도록 배치되며, Bi, Na 및 K 성분으로 이루어진 BNK 코팅층을 포함하는 무연 압전 세라믹 본체; 및 상기 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 배치된 표피전류 접속전극;을 포함하며, 상기 표피전류 접속전극은 내부 중앙 부분에 배치된 내부 중공 접속전극과, 상기 내부 중공 접속전극과 이격된 외측에서 상기 내부 중공 접속전극을 감싸는 콘 형상을 갖도록 배치된 외부 중공 접속전극과, 상기 외부 중공 접속전극의 하측을 관통하도록 형성된 복수의 공기 배출구를 가지며, 상기 내부 중공 접속전극은 바닥면이 상기 무연 압전 세라믹 본체에 접속되고, 중심부에 중공 냉각구가 배치되며, 상기 중공 냉각구의 내벽에는 방열 홈이 구비되어 있으며, 상기 LNKN은 (Li1-xNa1-yK1-z)NbO3 (여기서, x는 0.8 ~ 0.99이고, y는 0.3 ~ 0.7이고, z는 0.5 ~ 0.8임.)의 조성비를 갖는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses a lead-free piezoelectric ceramic with a core-shell structure having excellent piezoelectric and dielectric properties.
To this end, the lead-free piezoelectric ceramic having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to the present invention is arranged to surround a core layer made of LNKN doped with Bi 2 O 3 and the surface of the core layer, and Bi, Na and A lead-free piezoelectric ceramic body including a BNK coating layer made of K component; and a skin current connection electrode disposed on at least one surface of the lead-free piezoelectric ceramic body, wherein the skin current connection electrode includes an internal hollow connection electrode disposed in an inner central portion, and an outer surface spaced apart from the internal hollow connection electrode. It has an external hollow connection electrode arranged to have a cone shape surrounding the internal hollow connection electrode, and a plurality of air outlets formed to penetrate a lower side of the external hollow connection electrode, wherein the internal hollow connection electrode has a bottom surface of the lead-free piezoelectric ceramic body. is connected to, a hollow cooling hole is disposed in the center, and the inner wall of the hollow cooling hole is provided with a heat dissipation groove, and the LNKN is (Li 1-x Na 1-y K 1-z )NbO 3 (where x is It is characterized by having a composition ratio of 0.8 to 0.99, y is 0.3 to 0.7, and z is 0.5 to 0.8.
Description
본 발명은 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 합성 후, Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 표면에 Bi, Na 및 K 성분을 갖는 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)를 표면 코팅하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 형성함에 따라, 저온소성이 가능하며, 낮은 소결온도에서도 우수한 밀도, 압전 및 유전 특성을 확보할 수 있는 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a lead-free piezoelectric ceramic having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties and a method of manufacturing the same. More specifically, after synthesizing Bi 2 O 3 doped LNKN powder, the surface of the Bi 2 O 3 doped LNKN powder By coating the surface of BNK (Bi 2 O 3 -0.78Na 2 O-0.22K 2 O) with Bi, Na, and K components to form a lead-free piezoelectric ceramic with a core-shell structure, low-temperature firing is possible and low sintering is possible. It relates to a lead-free piezoelectric ceramic with a core-shell structure that can secure excellent density, piezoelectric and dielectric properties even at high temperatures and a method of manufacturing the same.
압전 세라믹은 입력되는 전원에 의하여 진동을 유발하게 물리적 압력에 대하여 파장을 갖는 전기신호를 출력하기 위해 사용된다.Piezoelectric ceramics are used to output electrical signals with a wavelength in response to physical pressure to cause vibration by input power.
이를 위해, 압전 세라믹으로는 우수한 압전특성을 갖는 Pb(Zr,Ti)O3 계열의 세라믹을 사용하고 있다.For this purpose, Pb(Zr,Ti)O 3 series ceramics with excellent piezoelectric properties are used as piezoelectric ceramics.
그러나, PZT 계열의 압전 세라믹은 납(Pb)을 포함하고 있기 때문에 인체에 해롭고 환경오염을 유발시킬 뿐만 아니라, 규제 강화로 사용에 대한 제약이 따르는 추세에 있다.However, because PZT series piezoelectric ceramics contain lead (Pb), they are not only harmful to the human body and cause environmental pollution, but also have restrictions on their use due to strengthening regulations.
아울러, PZT 계열의 압전 세라믹은 압전 세라믹 본체에 공급되는 전기신호의 손실이 발생하고, 단순히 압전 세라믹 본체에 전원 케이블을 솔더링 작업으로 접속시키는 구조로 설계되는 관계로 전원 케이블의 결속이 완벽하지 못한 문제점이 있었다.In addition, the PZT series piezoelectric ceramics suffer from loss of electrical signals supplied to the piezoelectric ceramic body, and since the power cable is designed to be simply connected to the piezoelectric ceramic body by soldering, the binding of the power cable is not perfect. There was this.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0054965호(2004.06.26. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 무연계 압전세라믹스 및 그 제조방법이 기재되어 있다.Related prior literature includes Korean Patent Publication No. 10-2004-0054965 (published on June 26, 2004), which describes lead-free piezoelectric ceramics and their manufacturing method.
본 발명의 목적은 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 합성 후, Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 표면에 Bi, Na 및 K 성분을 갖는 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)를 표면 코팅하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 형성함에 따라, 저온소성이 가능하며, 낮은 소결온도에서도 우수한 밀도, 압전 및 유전 특성을 확보할 수 있는 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to synthesize BNK (Bi 2 O 3 -0.78Na 2 O-0.22K) having Bi, Na and K components on the surface of Bi 2 O 3 doped LNKN powder after synthesizing LNKN powder doped with Bi 2 O 3 2 O) is surface coated to form a lead-free piezoelectric ceramic with a core-shell structure, enabling low-temperature sintering and a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties that can secure excellent density, piezoelectric and dielectric properties even at low sintering temperatures. To provide lead-free piezoelectric ceramics and a manufacturing method thereof.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법은 (a) (Li1-xNa1-yK1-z)NbO3 (여기서, x는 0.8 ~ 0.99이고, y는 0.3 ~ 0.7이고, z는 0.5 ~ 0.8임.)의 조성비를 갖는 LNKN 압전 물질에 Bi2O3를 첨가하여 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말을 합성하는 단계; (b) Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 산성용액을 첨가하고 교반하여 BNK 코팅 용액을 형성하는 단계; (c) 상기 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말에 BNK 코팅 용액 및 바인더를 혼합하고 볼 밀링한 후, 건조 및 분쇄하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 형성하는 단계; (d) 상기 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 하소한 후, 결합제를 첨가하고 가압 성형하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 형성하는 단계; 및 (e) 상기 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 2단 소결하는 단계;를 포함하며, 상기 (e) 단계에서, 상기 2단 소결은 650 ~ 800℃에서 1차 소결 처리한 후, 950 ~ 1,150℃에서 2차 소결하는 것을 특징으로 한다.To achieve the above object, a method for manufacturing lead-free piezoelectric ceramics with a core-shell structure having excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention is (a) (Li 1-x Na 1-y K 1-z )NbO 3 (where , x is 0.8 to 0.99, y is 0.3 to 0.7, and z is 0.5 to 0.8.) Bi 2 O 3 is added to LNKN piezoelectric material having a composition ratio to synthesize LNKN powder doped with Bi 2 O 3 step; (b) Bi(NO 3 ) 3 , NaNO 3 and KNO 3 were weighed to have the composition of BNK (Bi 2 O 3 -0.78Na 2 O-0.22K 2 O), then an acidic solution was added and stirred to form a BNK coating solution. forming a; (c) mixing the Bi 2 O 3 doped LNKN powder with a BNK coating solution and a binder, performing ball milling, followed by drying and pulverizing to form a lead-free piezoelectric ceramic powder with a core-shell structure; (d) calcining the core-shell structure lead-free piezoelectric ceramic powder, adding a binder and press molding to form a core-shell structure lead-free piezoelectric ceramic molded body; and (e) two-stage sintering of the lead-free piezoelectric ceramic molded body of the core-shell structure, wherein in step (e), the two-stage sintering is performed at a temperature of 650 to 800° C., followed by a primary sintering treatment at 950 to 950° C. It is characterized by secondary sintering at 1,150°C.
상기 (a) 단계에서, 상기 Bi2O3는 상기 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여, 0.1 ~ 0.5 중량부로 첨가한다.In step (a), Bi 2 O 3 is added in an amount of 0.1 to 0.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the LNKN piezoelectric material.
상기 (c) 단계에서, 상기 BNK 코팅 용액은 상기 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 15 ~ 30 중량부로 첨가한다.In step (c), the BNK coating solution is added in an amount of 15 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the Bi 2 O 3 doped LNKN powder.
상기 (d) 단계에서, 상기 가압 성형은 100 ~ 180℃에서 1 ~ 3 ton/㎠ 의 압력 조건으로 1 ~ 60분 동안 실시한다.In step (d), the pressure molding is performed at 100 to 180°C and a pressure of 1 to 3 ton/cm2 for 1 to 60 minutes.
상기 (e) 단계에서, 상기 2단 소결은 상기 650 ~ 800℃에서 10 ~ 60분 동안 1차 소결 처리하는 단계와, 상기 950 ~ 1,150℃에서 30 ~ 240분 동안 2차 소결 처리하는 단계를 포함한다.In step (e), the two-stage sintering includes a first sintering treatment at 650 to 800 ° C. for 10 to 60 minutes and a secondary sintering treatment at 950 to 1,150 ° C. for 30 to 240 minutes. do.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹은 Bi2O3가 도핑된 LNKN으로 이루어진 코어층과, 상기 코어층의 표면을 감싸도록 배치되며, Bi, Na 및 K 성분으로 이루어진 BNK 코팅층을 포함하는 무연 압전 세라믹 본체; 및 상기 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 배치된 표피전류 접속전극;을 포함하며, 상기 표피전류 접속전극은 내부 중앙 부분에 배치된 내부 중공 접속전극과, 상기 내부 중공 접속전극과 이격된 외측에서 상기 내부 중공 접속전극을 감싸는 콘 형상을 갖도록 배치된 외부 중공 접속전극과, 상기 외부 중공 접속전극의 하측을 관통하도록 형성된 복수의 공기 배출구를 가지며, 상기 내부 중공 접속전극은 바닥면이 상기 무연 압전 세라믹 본체에 접속되고, 중심부에 중공 냉각구가 배치되며, 상기 중공 냉각구의 내벽에는 방열 홈을 구비하며, 상기 LNKN은 (Li1-xNa1-yK1-z)NbO3 (여기서, x는 0.8 ~ 0.99이고, y는 0.3 ~ 0.7이고, z는 0.5 ~ 0.8임.)의 조성비를 갖는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a lead-free piezoelectric ceramic having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention is arranged to surround a core layer made of LNKN doped with Bi 2 O 3 and the surface of the core layer. A lead-free piezoelectric ceramic body including a BNK coating layer composed of Bi, Na, and K components; and a skin current connection electrode disposed on at least one surface of the lead-free piezoelectric ceramic body, wherein the skin current connection electrode includes an internal hollow connection electrode disposed in an inner central portion, and an outer surface spaced apart from the internal hollow connection electrode. It has an external hollow connection electrode arranged to have a cone shape surrounding the internal hollow connection electrode, and a plurality of air outlets formed to penetrate a lower side of the external hollow connection electrode, wherein the internal hollow connection electrode has a bottom surface of the lead-free piezoelectric ceramic body. It is connected to, a hollow cooling hole is disposed in the center, and the inner wall of the hollow cooling hole is provided with a heat dissipation groove, and the LNKN is (Li 1-x Na 1-y K 1-z )NbO 3 (where x is 0.8 It is characterized by having a composition ratio of ~ 0.99, y is 0.3 ~ 0.7, and z is 0.5 ~ 0.8.
상기 외부 중공 접속전극은 상기 내부 중공 접속전극과의 사이 공간에 전원 케이블을 삽입하기 위한 케이블 삽입구가 구비되며, 바닥면이 상기 무연 압전 세라믹 본체에 접속된다.The external hollow connection electrode is provided with a cable insertion hole for inserting a power cable into the space between the internal hollow connection electrode, and its bottom is connected to the lead-free piezoelectric ceramic body.
상기 외부 중공 접속전극은 상기 외부 중공 접속전극의 하측 부분을 관통하도록 형성되어, 상기 케이블 삽입구로 충진되는 솔더가 유동되게 내부의 공기를 외부로 배출시키기 위한 복수의 공기 배출구를 갖는다.The external hollow connection electrode is formed to penetrate the lower part of the external hollow connection electrode and has a plurality of air outlets for discharging the internal air to the outside so that the solder filled into the cable insertion hole flows.
상기 복수의 공기 배출구는 상기 외부 중공 접속전극의 하측 부분을 관통하도록 형성되어, 제1 위치에 배치된 제1 공기 배출구와, 상기 외부 중공 접속전극의 하측 부분을 관통하도록 형성되되, 상기 제1 위치 보다 높은 제2 위치에서 제1 공기 배출구와 지그재그 형태로 이격 배치된 제2 공기 배출구를 갖는다.The plurality of air outlets are formed to penetrate a lower portion of the external hollow connection electrode, and are formed to penetrate a lower portion of the external hollow connection electrode, including a first air outlet disposed at a first position, and the plurality of air outlets are formed to penetrate a lower portion of the external hollow connection electrode. It has a second air outlet spaced apart from the first air outlet in a zigzag shape at a higher second position.
상기 표피전류 접속전극은상기 무연 압전 세라믹 본체와 맞닿는 외부 중공 접속전극의 바닥면에 이격되도록 배치되며, 상기 제2 공기 배출구와 대응되는 제2 위치에 배치된 진동 감쇠 절개부;를 더 포함한다.The skin current connection electrode is disposed to be spaced apart from the bottom surface of the external hollow connection electrode in contact with the lead-free piezoelectric ceramic body, and further includes a vibration attenuation cutout disposed at a second position corresponding to the second air outlet.
본 발명에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법은 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 합성 후, Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 표면에 Bi, Na 및 K 성분을 갖는 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)를 표면 코팅하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 형성함에 따라, 저온소성이 가능하며, 낮은 소결온도에서도 우수한 밀도, 압전 및 유전 특성을 확보할 수 있게 된다.The lead-free piezoelectric ceramic having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to the present invention and the manufacturing method thereof include synthesizing LNKN powder doped with Bi 2 O 3 and then depositing Bi, Na and K on the surface of the LNKN powder doped with Bi 2 O 3 By coating the surface of BNK (Bi 2 O 3 -0.78Na 2 O-0.22K 2 O) with a core-shell structure to form lead-free piezoelectric ceramics, low-temperature sintering is possible and excellent density and piezoelectric properties are achieved even at low sintering temperatures. and genetic characteristics can be secured.
아울러, 본 발명에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법은 Bi2O3가 도핑된 LNKN계로 조성된 코어층과 BNK계로 조성된 코팅층으로 이루어진 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 본체와, 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 구비되는 표피전류 접속전극으로 구성되는 것에 의해, 납이 첨가되어 있지 않아 환경오염이 최소화되고, 표피 전류 접속전극을 통하여 무연 압전 세라믹 본체로의 전기신호 공급이 손실 없이 안정적으로 전달될 수 있을 뿐만 아니라 전원 케이블의 결속에 대한 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.In addition, the lead-free piezoelectric ceramic with a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to the present invention and the method for manufacturing the same are lead-free with a core-shell structure consisting of a core layer composed of LNKN-based doped with Bi 2 O 3 and a coating layer composed of BNK-based. By consisting of a piezoelectric ceramic body and a skin current connection electrode provided on at least one side of the lead-free piezoelectric ceramic body, environmental pollution is minimized because lead is not added, and electricity is transmitted to the lead-free piezoelectric ceramic body through the skin current connection electrode. Not only can the signal supply be stably transmitted without loss, but the reliability of the power cable binding can be secured.
또한, 본 발명에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법은 표피 전류 접속전극의 외부 중공 접속전극이 콘 형상으로 형성되고, 콘의 확장부가 무연 압전 세라믹 본체에 결속되며, 무연 압전 세라믹 본체 방향으로 갈수록 그 면적이 넓어져 내부저항이 최소화될 수 있게 된다.In addition, in the lead-free piezoelectric ceramic having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to the present invention and the manufacturing method thereof, the external hollow connection electrode of the skin current connection electrode is formed in a cone shape, and the extension of the cone is bound to the lead-free piezoelectric ceramic body. As the area expands toward the lead-free piezoelectric ceramic body, internal resistance can be minimized.
아울러, 본 발명에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법은 제1 위치에 배치된 제1 공기 배출구와 제1 위치보다 높은 제2 위치에 배치되는 제2 공기 배출구를 서로 지그재그 형태로 이격 배치시키는 것에 의해, 제1 및 제2 공기 배출구 상호 간의 간섭 없이 솔더를 배출시킬 수 있는 통로를 보다 더 증가시킬 수 있게 된다.In addition, the lead-free piezoelectric ceramic having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to the present invention and the manufacturing method thereof include a first air outlet disposed at a first position and a second air outlet disposed at a second position higher than the first position. By arranging them spaced apart from each other in a zigzag shape, it is possible to further increase the passage through which solder can be discharged without interference between the first and second air outlets.
이에 따라, 본 발명에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법은 내부 중공 접속전극 및 외부 중공 접속전극의 접속을 위해, 무연 압전 세라믹 본체 측에 전원 케이블을 솔더링하는 과정시 유입되는 솔더가 보다 더 원활하게 유동되게 내부의 공기를 외부로 배출하고 솔더가 안정적으로 결속되게 공기 배출구가 지그재그로 이격 배치되어 있으므로, 전원 케이블의 접속이 안정적으로 이루어지고 신호손실이 최소화될 수 있는 구조적인 이점을 갖는다.Accordingly, the lead-free piezoelectric ceramic having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to the present invention and the manufacturing method thereof include soldering a power cable to the lead-free piezoelectric ceramic body for connection of the internal hollow connection electrode and the external hollow connection electrode. During the process, the incoming solder flows more smoothly, the internal air is discharged to the outside, and the air outlets are spaced apart in a zigzag pattern so that the solder is stably bound, so the power cable can be connected stably and signal loss is minimized. It has structural advantages.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 나타낸 단면도.
도 4는 도 2의 표피전류 접속전극을 확대하여 나타낸 사시도.
도 5는 본 발명의 변형예에 따른 표피전류 접속전극을 확대하여 나타낸 사시도.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ'선을 따라 절단한 면을 따라 나타낸 단면도.
도 7은 도 6의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도.Figure 1 is a process flow chart showing a method for manufacturing lead-free piezoelectric ceramics with a core-shell structure having excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a perspective view showing a lead-free piezoelectric ceramic having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a cross-sectional view showing a lead-free piezoelectric ceramic having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is an enlarged perspective view of the skin current connection electrode of Figure 2.
Figure 5 is an enlarged perspective view of the skin current connection electrode according to a modified example of the present invention.
Figure 6 is a cross-sectional view taken along line Ⅵ-VI' in Figure 5.
Figure 7 is an enlarged cross-sectional view of portion A of Figure 6.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various different forms. The present embodiments only serve to ensure that the disclosure of the present invention is complete and that common knowledge in the technical field to which the present invention pertains is not limited. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a lead-free piezoelectric ceramic having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties and a manufacturing method thereof according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.Figure 1 is a process flow chart showing a method for manufacturing lead-free piezoelectric ceramics with a core-shell structure having excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법은 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 합성 단계(S110), BNK 코팅 용액 형성 단계(S120), 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말 형성 단계(S130), 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체 형성 단계(S140) 및 소결 단계(S150)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the method for manufacturing lead-free piezoelectric ceramics with a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention includes the step of synthesizing LNKN powder doped with Bi 2 O 3 (S110), forming a BNK coating solution. It includes a step (S120), a step of forming a lead-free piezoelectric ceramic powder with a core-shell structure (S130), a step of forming a lead-free piezoelectric ceramic molded body with a core-shell structure (S140), and a sintering step (S150).
BiBi 22 OO 33 가 도핑된 LNKN 분말 합성Synthesis of false-doped LNKN powder
Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 합성 단계(S110)에서는 (Li1-xNa1-yK1-z)NbO3 (이하, LNKN이라 약칭함.) (여기서, x는 0.8 ~ 0.99이고, y는 0.3 ~ 0.7이고, z는 0.5 ~ 0.8임.)의 조성비를 갖는 LNKN 압전 물질에 Bi2O3를 첨가하여 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말을 합성한다.In the Bi 2 O 3 doped LNKN powder synthesis step (S110), (Li 1-x Na 1-y K 1-z )NbO 3 (hereinafter abbreviated as LNKN) (where x is 0.8 to 0.99, Bi 2 O 3 is added to the LNKN piezoelectric material having a composition ratio (y is 0.3 to 0.7 and z is 0.5 to 0.8) to synthesize LNKN powder doped with Bi 2 O 3 .
여기서, Bi2O3는 밀도 특성, 압전 특성 및 유전 특성을 향상시키기 위해 도핑된다. 이를 위해, Bi2O3는 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여, 0.1 ~ 0.5 중량부로 첨가하는 것이 바람직하다. Bi2O3가 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여, 0.1 중량부 미만으로 첨가될 경우에는 그 첨가량이 미미하여 밀도, 압전 및 유전 특성 향상 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, Bi2O3가 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여, 0.5 중량부를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 다량의 Bi2O3만을 필요로 하기 때문에 경제적이지 못하다.Here, Bi 2 O 3 is doped to improve density properties, piezoelectric properties, and dielectric properties. For this purpose, Bi 2 O 3 is preferably added in an amount of 0.1 to 0.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the LNKN piezoelectric material. When Bi 2 O 3 is added in an amount of less than 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the LNKN piezoelectric material, the amount added is so small that it is difficult to properly exert the effect of improving density, piezoelectricity, and dielectric properties. On the contrary, if Bi 2 O 3 is added in a large amount exceeding 0.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the LNKN piezoelectric material, it is not economical because only a large amount of Bi 2 O 3 is needed without further increasing the effect.
BNK 코팅 용액 형성BNK coating solution formation
BNK 코팅 용액 형성 단계(S120)에서는 Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 산성용액을 첨가하고 교반하여 BNK 코팅 용액을 형성한다.In the BNK coating solution forming step (S120), Bi(NO 3 ) 3 , NaNO 3 and KNO 3 are weighed to have the composition of BNK (Bi 2 O 3 -0.78Na 2 O-0.22K 2 O), and then an acidic solution is added. and stirred to form a BNK coating solution.
이때, Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3의 각 원료는 10분 간격으로 완전 용해가 이루어진 것을 확인한 후 순차적으로 첨가하는 것이 바람직하다. 산성용액으로는 질산, 염산 및 황산 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.At this time, it is preferable to add each raw material of Bi(NO 3 ) 3 , NaNO 3 and KNO 3 sequentially after confirming that they are completely dissolved at 10-minute intervals. The acidic solution may be one or more selected from nitric acid, hydrochloric acid, and sulfuric acid.
본 단계에서, 교반은 300 ~ 700rpm의 속도로 1 ~ 12시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.In this step, stirring is preferably performed for 1 to 12 hours at a speed of 300 to 700 rpm.
교반 속도가 300rpm 미만이거나, 교반 시간이 1시간 미만일 경우에는 Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3의 각 원료와 산성용액 간의 균일한 혼합이 이루어지지 못할 우려가 있다. 반대로, 교반 속도가 700rpm을 초과하거나, 교반 시간이 12시간을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.If the stirring speed is less than 300 rpm or the stirring time is less than 1 hour, there is a risk that uniform mixing between each raw material of Bi(NO 3 ) 3 , NaNO 3 and KNO 3 and the acidic solution may not be achieved. On the other hand, if the stirring speed exceeds 700 rpm or the stirring time exceeds 12 hours, it may act as a factor that increases manufacturing costs without any further effect, making it uneconomical.
이러한 교반시, 30 ~ 50kHz 및 150 ~ 250W의 출력 전력 조건으로 초음파 처리를 함께 실시하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이, Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 산성용액을 첨가하고 교반하는 과정에서, 초음파 처리를 함께 수행하게 되면, 일정 시간의 경과 후 버블 붕괴(bubble collapse)가 될 때 국소적으로 5000K의 온도와 1000bar 정도의 압력 그리고 1010K/s의 가열비 및 냉각비 등이 극한의 조건(extreme condition)을 갖게 되어, 분산 효율을 극대화할 수 있게 된다.During such stirring, it is more preferable to perform ultrasonic treatment together with output power conditions of 30 to 50 kHz and 150 to 250 W. In this way, after weighing Bi(NO 3 ) 3 , NaNO 3 and KNO 3 to have the composition of BNK (Bi 2 O 3 -0.78Na 2 O-0.22K 2 O), in the process of adding and stirring the acidic solution, When ultrasonic treatment is performed together, when the bubble collapses after a certain period of time, local temperature of 5000K, pressure of about 1000bar, and heating and cooling rates of 10 10 K/s are extreme conditions. (extreme condition), dispersion efficiency can be maximized.
이때, 초음파 출력 전력이 150W 미만일 경우에는 초음파 처리를 실시함에도 불구하고 Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3의 각 원료와 산성용액 간의 균일한 혼합이 이루어지지 못할 우려가 있으므로, 바람직하지 못하다. 반대로, 초음파 출력 전력이 250W를 초과할 경우에는 과도한 초음파 처리로 인해 Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3의 각 원료를 손상시킬 우려가 있으므로, 바람직하지 못하다.At this time, if the ultrasonic output power is less than 150W, it is not desirable because there is a risk that uniform mixing between each raw material of Bi(NO 3 ) 3 , NaNO 3 and KNO 3 and the acidic solution may not be achieved despite ultrasonic treatment. . Conversely, if the ultrasonic output power exceeds 250W, it is undesirable because excessive ultrasonic treatment may damage the raw materials Bi(NO 3 ) 3 , NaNO 3 and KNO 3 .
코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말 형성Formation of lead-free piezoelectric ceramic powder with core-shell structure
코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말 형성 단계(S130)에서는 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말에 BNK 코팅 용액 및 바인더를 혼합하고 볼 밀링한 후, 건조 및 분쇄하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 형성한다.In the core-shell structure lead-free piezoelectric ceramic powder forming step (S130), Bi 2 O 3 doped LNKN powder is mixed with a BNK coating solution and a binder, ball milled, dried and pulverized to produce core-shell structure lead-free piezoelectric ceramic powder. form
여기서, 바인더는 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral, PVB) 및 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol, PEG) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있으며, 이 중 폴리비닐 알코올을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 폴리비닐 알코올을 바인더로 이용할 시, PVA내 (-OH)의 음전하(negative charge)를 1로 하였을 때, Bi3+, Na+ 및 K+의 전하가 1 : 1의 비율이 되도록 계산하여 첨가하는 것이 바람직하다.Here, the binder may be one or more selected from polyvinyl alcohol (PVA), polyvinyl butyral (PVB), and polyethylene glycol (PEG), of which polyvinyl alcohol is used. It is more preferable to use When using polyvinyl alcohol as a binder, when the negative charge of (-OH) in PVA is set to 1, the charges of Bi 3+ , Na + and K + are calculated and added in a ratio of 1:1. It is desirable.
여기서, 볼 밀링 방법으로는 지르코니아 볼에 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말, BNK 코팅 용액 및 바인더를 투입한 후, 10 ~ 30시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.Here, the ball milling method is preferably performed for 10 to 30 hours after adding Bi 2 O 3 doped LNKN powder, BNK coating solution, and binder to a zirconia ball.
이때, 건조는 100 ~ 150℃에서 5 ~ 20시간 동안 실시될 수 있다.At this time, drying may be performed at 100 to 150°C for 5 to 20 hours.
본 단계에서, BNK 코팅 용액은 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 15 ~ 30 중량부로 첨가하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 20 ~ 25 중량부를 제시할 수 있다. BNK 코팅 용액이 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 15 중량부 미만으로 첨가될 경우에는 그 첨가량이 미미하여 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말을 BNK가 완벽하게 코팅하지 못할 우려가 있다. 반대로, BNK 코팅 용액이 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 30 중량부를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 압전 성능을 저하시킬 우려가 있으므로, 바람직하지 못하다.In this step, it is preferable to add 15 to 30 parts by weight of the BNK coating solution, based on 100 parts by weight of Bi 2 O 3 doped LNKN powder, and a more preferable range is 20 to 25 parts by weight. If the BNK coating solution is added in less than 15 parts by weight based on 100 parts by weight of Bi 2 O 3 doped LNKN powder, the amount added is so small that there is a risk that BNK may not completely coat the Bi 2 O 3 doped LNKN powder. There is. Conversely, if a large amount of the BNK coating solution is added in excess of 30 parts by weight based on 100 parts by weight of Bi 2 O 3 doped LNKN powder, it is undesirable because there is a risk of deteriorating piezoelectric performance.
코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체 형성Formation of lead-free piezoelectric ceramic molded body with core-shell structure
코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체 형성 단계(S140)에서는 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 하소한 후, 결합제를 첨가하고 가압 성형하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 형성한다.In the step of forming a lead-free piezoelectric ceramic molded body with a core-shell structure (S140), the lead-free piezoelectric ceramic powder with a core-shell structure is calcined, a binder is added, and pressure molded to form a lead-free piezoelectric ceramic molded body with a core-shell structure.
이때, 가압 성형은 100 ~ 180℃에서 1 ~ 3 ton/㎠ 의 압력 조건으로 1 ~ 60분 동안 실시하는 것이 바람직하다.At this time, pressure molding is preferably performed at 100 to 180°C and under pressure conditions of 1 to 3 ton/cm2 for 1 to 60 minutes.
가압 성형 온도가 100℃ 미만이거나, 가압 성형 시간이 1분 미만일 경우에는 충분한 경화가 이루어지지 않을 우려가 크다. 반대로, 가압 성형 온도가 180℃를 초과하거나, 가압 성형 시간이 60분을 초과할 경우에는 물성에 큰 변화 없이 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.If the pressure molding temperature is less than 100°C or the pressure molding time is less than 1 minute, there is a high risk that sufficient curing will not occur. Conversely, if the pressure molding temperature exceeds 180°C or the pressure molding time exceeds 60 minutes, it may act as a factor in increasing manufacturing costs without significant changes in physical properties, making it uneconomical.
또한, 가압 성형 압력이 1 ton/㎠ 미만일 경우에는 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 가압 성형 압력이 3 ton/㎠을 초과할 경우에는 과도한 압력으로 인해 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체의 형태에 변형이 발생할 우려가 있다.Additionally, if the press molding pressure is less than 1 ton/cm2, there may be difficulties in securing strength. Conversely, if the pressurized molding pressure exceeds 3 ton/cm2, there is a risk that the shape of the core-shell structured lead-free piezoelectric ceramic molded body may be deformed due to excessive pressure.
소결sintering
소결 단계(S150)에서는 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 2단 소결한다.In the sintering step (S150), the core-shell structure lead-free piezoelectric ceramic molded body is sintered in two stages.
본 단계에서, 2단 소결은 650 ~ 800℃에서 10 ~ 60분 동안 1차 소결 처리하는 과정과, 950 ~ 1,150℃에서 30 ~ 240분 동안 2차 소결 처리하는 과정을 포함한다. 이와 같이, 1차적으로 650 ~ 800℃의 저온에서 1차 소결한 후, 950 ~ 1,150℃의 고온에서 2차 소결하는 2단 소결을 실시하게 되면, 서서히 온도를 상승시키면서 소결을 실시하는 것이 가능하므로, 급격한 온도 변화로 인하여 무연 압전 세라믹 성형체에 크랙이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다. 이 결과, 압전 및 유전 특성이 우수하면서도 강도가 높은 무연 압전 세라믹을 제조할 수 있게 되는 것이다.In this step, two-stage sintering includes a primary sintering process at 650 to 800°C for 10 to 60 minutes and a secondary sintering process at 950 to 1,150°C for 30 to 240 minutes. In this way, by performing two-stage sintering, which involves first sintering at a low temperature of 650 to 800 ℃ and then secondary sintering at a high temperature of 950 to 1,150 ℃, it is possible to carry out sintering while gradually increasing the temperature. , it is possible to prevent cracks from occurring in the lead-free piezoelectric ceramic molded body due to rapid temperature changes. As a result, it is possible to manufacture lead-free piezoelectric ceramics with excellent piezoelectric and dielectric properties and high strength.
이때, 2차 소결 온도가 950℃ 미만이거나, 2차 소결 시간이 30분 미만일 경우에는 목표로 하는 강도, 밀도, 압전 및 유전 특성을 확보하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 2차 소결 온도가 1,150℃를 초과하거나, 2차 소결 시간이 240분을 초과할 경우에는 강도는 증가할 수 있으나, 압전 및 유전 특성이 좋이 않은 문제가 있다.At this time, if the secondary sintering temperature is less than 950°C or the secondary sintering time is less than 30 minutes, there may be difficulties in securing the target strength, density, piezoelectric and dielectric properties. Conversely, if the secondary sintering temperature exceeds 1,150°C or the secondary sintering time exceeds 240 minutes, the strength may increase, but there is a problem of poor piezoelectric and dielectric properties.
이상으로, 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법이 종료될 수 있다.With this, the method for manufacturing lead-free piezoelectric ceramics with a core-shell structure having excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention can be completed.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법은 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 합성 후, Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 표면에 Bi, Na 및 K 성분을 갖는 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)를 표면 코팅하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 형성함에 따라, 저온소성이 가능하며, 낮은 소결온도에서도 우수한 밀도, 압전 및 유전 특성을 확보할 수 있다.The method for manufacturing lead-free piezoelectric ceramics with a core-shell structure according to the above-described embodiment of the present invention is to synthesize LNKN powder doped with Bi 2 O 3 and then synthesize the LNKN powder doped with Bi 2 O 3 with Bi, Na and K components on the surface of the LNKN powder doped with Bi 2 O 3 . By coating the surface of BNK (Bi 2 O 3 -0.78Na 2 O-0.22K 2 O) to form lead-free piezoelectric ceramics with a core-shell structure, low-temperature firing is possible and excellent density, piezoelectric and dielectric properties are achieved even at low sintering temperatures. can be secured.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법은 Bi2O3가 도핑된 LNKN계로 조성된 코어층과 BNK계로 조성된 코팅층으로 이루어진 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 본체와, 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 구비되는 표피전류 접속전극으로 구성되는 것에 의해, 납이 첨가되어 있지 않아 환경오염이 최소화되고, 표피 전류 접속전극을 통하여 무연 압전 세라믹 본체로의 전기신호 공급이 손실 없이 안정적으로 전달될 수 있을 뿐만 아니라 전원 케이블의 결속에 대한 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.In addition, the method for manufacturing lead-free piezoelectric ceramics with a core-shell structure according to an embodiment of the present invention includes a lead-free piezoelectric ceramic body with a core-shell structure consisting of a core layer composed of LNKN-based doped with Bi 2 O 3 and a coating layer composed of BNK-based; By consisting of a skin current connection electrode provided on at least one side of the lead-free piezoelectric ceramic body, no lead is added, thereby minimizing environmental pollution, and the supply of electric signals to the lead-free piezoelectric ceramic body through the skin current connection electrode without loss. Not only can it be delivered stably, but also the reliability of the power cable binding can be secured.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, a lead-free piezoelectric ceramic with a core-shell structure having excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 나타낸 단면도이며, 도 4는 도 2의 표피전류 접속전극을 확대하여 나타낸 사시도이다.Figure 2 is a perspective view showing a lead-free piezoelectric ceramic with a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention, and Figure 3 is a lead-free piezoelectric ceramic with a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention. It is a cross-sectional view showing a ceramic, and Figure 4 is an enlarged perspective view of the skin current connection electrode of Figure 2.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹(200)은 무연 압전 세라믹 본체(220) 및 표피전류 접속전극(240)을 포함한다.2 to 4, the lead-free piezoelectric ceramic 200 having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention includes a lead-free piezoelectric
무연 압전 세라믹 본체(220)는 Bi2O3가 도핑된 LNKN으로 이루어진 코어층과, 코어층의 표면을 감싸도록 배치되며, Bi, Na 및 K 성분으로 이루어진 BNK 코팅층을 포함한다. 여기서, LNKN은 (Li1-xNa1-yK1-z)NbO3 (여기서, x는 0.8 ~ 0.99이고, y는 0.3 ~ 0.7이고, z는 0.5 ~ 0.8임.)의 조성비를 갖는다.The lead-free piezoelectric
표피전류 접속전극(240)은 무연 압전 세라믹 본체(220)의 적어도 일면에 배치된다.The skin
이러한 표피전류 접속전극(240)은 내부 중공 접속전극(241), 외부 중공 접속전극(242) 및 공기 배출구(244)를 갖는다.This skin
내부 중공 접속전극(241)은 내부 중앙 부분에 배치되며, 중앙부가 빈 중공 파이프 형상을 가질 수 있다. 이러한 내부 중공 접속전극(241)은 바닥면이 무연 압전 세라믹 본체(220)에 접속되고, 중심부에 중공 냉각구(245)가 배치된다.The internal
여기서, 중공 냉각구(245)는 내부 중공 접속전극(241)의 내부 중심부에서 빈 중공 구조로 배치된다. 이러한 중공 냉각구(245)를 통한 자연 냉각 방식으로 내부 중공 접속전극(241) 내부의 원활한 공기 흐름에 의해 방열이 원활하게 이루어질 수 있게 된다.Here, the
외부 중공 접속전극(242)은 내부 중공 접속전극(241)과 이격된 외측에서 내부 중공 접속전극(241)을 감싸는 콘 형상을 갖도록 배치된다. 이러한 외부 중공 접속전극(242)은 내부 중공 접속전극(241)과의 사이 공간에 전원 케이블을 삽입하기 위한 케이블 삽입구(243)가 구비되며, 바닥면이 무연 압전 세라믹 본체(220)에 접속된다.The external
여기서, 외부 중공 접속전극(242)은 외부 중공 접속전극(242)의 하측 부분을 관통하도록 형성되어, 케이블 삽입구로 충진되는 솔더가 원활히 유동되게 내부의 공기를 외부로 배출시키기 위한 복수의 공기 배출구(244)를 갖는다.Here, the external
이러한 복수의 공기 배출구(244)는 외부 중공 접속전극(242)의 하측 부분을 관통하도록 형성되어, 제1 위치에 배치된 제1 공기 배출구(244a)와, 외부 중공 접속전극(242)의 하측 부분을 관통하도록 형성되되, 제1 위치 보다 높은 제2 위치에서 제1 공기 배출구(244a)와 지그재그 형태로 이격 배치된 제2 공기 배출구(244b)를 갖는 것이 보다 바람직하다.These plurality of
이와 같이, 복수의 공기 배출구(244)가 제1 위치에 배치된 제1 공기 배출구(244a)와 제1 위치보다 높은 제2 위치에 배치되는 제2 공기 배출구(244b)를 서로 지그재그 형태로 이격 배치시키게 되면, 서로 동일한 위치에 배치시키는 것 대비해서 상호 간의 간섭 없이 솔더를 배출시킬 수 있는 통로를 보다 더 증가시킬 수 있는 구조적인 이점을 가질 수 있게 된다. 이 결과, 지그재그 배열 구조를 갖는 공기 배출구(244)를 통하여 외부 중공 접속전극(242)의 내부 공기를 외부로 원활히 배출시킬 수 있으므로, 케이블 삽입구로 충진되는 솔더를 보다 더 원활하게 유동시키는 것이 가능해질 수 있게 된다.In this way, the plurality of
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹(200)은 Bi2O3가 도핑된 LNKN계로 조성된 코어층과 BNK계로 조성된 코팅층으로 이루어진 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 본체(220)와, 무연 압전 세라믹 본체(220)의 적어도 일면에 구비되는 표피전류 접속전극(240)으로 구성되는 것에 의해, 납이 첨가되어 있지 않아 환경오염이 최소화되고, 표피 전류 접속전극(240)을 통하여 무연 압전 세라믹 본체(220)로의 전기신호 공급이 손실 없이 안정적으로 전달될 수 있을 뿐만 아니라 전원 케이블의 결속에 대한 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.As such, the lead-free piezoelectric ceramic 200 having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention is a core shell composed of a core layer composed of LNKN-based doped with Bi 2 O 3 and a coating layer composed of BNK-based. By being composed of a lead-free piezoelectric
또한, 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹(200)은 표피 전류 접속전극(240)의 외부 중공 접속전극(242)이 콘 형상으로 형성되고, 콘의 확장부가 무연 압전 세라믹 본체(220)에 결속되며, 무연 압전 세라믹 본체(220) 방향으로 갈수록 그 면적이 넓어져 내부저항이 최소화될 수 있게 된다.In addition, in the lead-free piezoelectric ceramic 200 having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention, the outer
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹(200)은 제1 위치에 배치된 제1 공기 배출구(244a)와 제1 위치보다 높은 제2 위치에 배치되는 제2 공기 배출구(244b)를 서로 지그재그 형태로 이격 배치시키는 것에 의해, 제1 및 제2 공기 배출구(244a, 244b) 상호 간의 간섭 없이 솔더를 배출시킬 수 있는 통로를 보다 더 증가시킬 수 있게 된다.In addition, the lead-free piezoelectric ceramic 200 having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention has a
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹(200)은 내부 중공 접속전극(241) 및 외부 중공 접속전극(242)의 접속을 위해, 무연 압전 세라믹 본체(220) 측에 전원 케이블을 솔더링하는 과정시 유입되는 솔더가 보다 더 원활하게 유동되게 내부의 공기를 외부로 배출하고 솔더가 안정적으로 결속되게 공기 배출구(244)가 지그재그로 이격 배치되어 있으므로, 전원 케이블의 접속이 안정적으로 이루어지고 신호손실이 최소화될 수 있는 구조적인 이점을 갖는다.Accordingly, the lead-free piezoelectric ceramic 200 having a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties according to an embodiment of the present invention is used for connection of the internal
한편, 도 5는 본 발명의 변형예에 따른 표피전류 접속전극을 확대하여 나타낸 사시도이고, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ'선을 따라 절단한 면을 따라 나타낸 단면도이며, 도 7은 도 6의 A 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.Meanwhile, Figure 5 is an enlarged perspective view showing the skin current connection electrode according to a modified example of the present invention, Figure 6 is a cross-sectional view taken along the line Ⅵ-VI' of Figure 5, and Figure 7 is Figure 6 This is an enlarged cross-sectional view of part A.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변형예에 따른 표피전류 접속전극(200)은 진동 감쇄 절개부(246)를 더 갖는 것을 제외하고는, 도 4를 참조하여 설명한 실시예에 따른 표피전류 접속전극과 실질적으로 동일하므로, 중복 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.First, as shown in FIG. 5, the skin
즉, 본 발명의 변형예에 따른 표피전류 접속전극(240)은 무연 압전 세라믹 본체(도 2의 220)와 맞닿는 외부 중공 접속전극(242)의 바닥면에 배치된 진동 감쇠 절개부(246)를 더 포함한다.That is, the skin
이때, 제1 공기 배출구(244a)가 배치되는 제1 위치와 대응되는 부분에 진동 감쇠 절개부(246)를 형성하게 되면, 제2 위치에 비하여 무연 압전 세라믹 본체와 근접한 위치로 공간이 협소할 수 밖에 없어 제1 및 제2 공기 배출구(244a, 244b)에 손상을 가할 우려가 있다. 따라서, 진동 감쇠 절개부(246)는 제2 공기 배출구(244b)와 대응되는 제2 위치에 일정한 간격으로 이격 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 진동 감쇠 절개부(246)는, 단면 상으로 볼 때, 삼각형 형상을 가질 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 그 형상은 다양하게 변경될 수 있다.At this time, if the
이와 같이, 본 발명의 변형예에 따른 표피전류 접속전극(240)은 진동 감쇠 절개부(246)가 제2 공기 배출구(244b)와 대응되는 제2 위치에 일정한 간격으로 이격 배치되어 있으므로, 무연 압전 세라믹 본체(220)로의 전기 신호 공급에 따른 진동시 내부 및 외부 중공 접속전극(241, 242)으로 인한 감쇠가 최소화될 수 있게 된다.In this way, in the skin
또한, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 변형예에 따른 표피전류 접속전극(240)은 내부 중공 접속전극(241)의 세부 구성에 차이가 있을 뿐, 도 4를 참조하여 설명한 실시예에 따른 표피전류 접속전극과 실질적으로 동일하므로, 중복 설명은 생략하고 차이점 위주로 설명하도록 한다.In addition, as shown in FIGS. 6 and 7, the skin
본 발명의 변형예에 따른 내부 중공 접속전극(241)은 바닥면이 무연 압전 세라믹 본체(도 2의 200)에 접속되고, 중심부에 중공 냉각구(245)가 배치되며, 중공 냉각구(245)의 내벽에는 방열 홈(T)을 구비한다.The internal
아울러, 본 발명의 변형예에 따른 내부 중공 접속전극(241)은 방열 홈(T) 내에 배치된 방열 돌기(247)를 더 포함한다.In addition, the internal
이러한 방열 돌기(247)는 내구성 확보를 위해 내부 중공 접속전극(241)과 일체형 구조로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 방열 돌기(247)는 방열 홈(T) 내에서 복수개가 반구 형태로 돌출되며, 상호 간이 일정한 간격으로 이격되도록 배치시키는 것이 바람직하다. 이와 같이, 본 발명의 변형예에 따른 내부 중공 접속전극(241)은 방열 홈(T) 내에 복수개가 반구 형태로 돌출되는 방열 돌기(247)가 배치되는 것에 의해, 표면적을 증가시킬 수 있어 중공 냉각구(245)를 통해 유입되는 공기와의 접촉 면적 증가로 방열 효과를 보다 더 극대화할 수 있게 된다.These
실시예Example
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and should not be construed as limiting the present invention in any way.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Any information not described here can be technically inferred by anyone skilled in the art, so description thereof will be omitted.
1. 무연 압전 세라믹 제조1. Lead-free piezoelectric ceramic manufacturing
실시예 1Example 1
(Li0.05Na0.57K0.38)NbO3의 조성비를 갖는 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여 Bi2O3를 0.3 중량부를 첨가하여 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말을 합성하였다.(Li 0.05 Na 0.57 K 0.38 ) LNKN powder doped with Bi 2 O 3 was synthesized by adding 0.3 parts by weight of Bi 2 O 3 to 100 parts by weight of LNKN piezoelectric material having a composition ratio of NbO 3 .
다음으로, Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 1M HNO3에 첨가하면서 500rpm의 속도로 6시간 동안 교반하여 BNK 코팅 용액을 제조하였다.Next, Bi(NO 3 ) 3 , NaNO 3 and KNO 3 were weighed to have the composition of BNK (Bi 2 O 3 -0.78Na 2 O-0.22K 2 O) and then added to 1M HNO 3 at a speed of 500 rpm. A BNK coating solution was prepared by stirring for 6 hours.
다음으로, Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말에 BNK 코팅 용액 및 바인더를 혼합하고 20시간 동안 볼 밀링한 후, 110℃에서 24시간 동안 건조하고 나서 분쇄하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 제조하였다. 이때, BNK 코팅 용액은 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 20 중량부로 첨가하였다.Next, the Bi 2 O 3 doped LNKN powder was mixed with the BNK coating solution and binder, ball milled for 20 hours, dried at 110°C for 24 hours, and then ground to produce lead-free piezoelectric ceramic powder with a core-shell structure. did. At this time, the BNK coating solution was added in an amount of 20 parts by weight based on 100 parts by weight of LNKN powder doped with Bi 2 O 3 .
다음으로, 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 650℃에서 3시간 동안 하소한 후, 결합제인 PVA 수용액(5wt%)를 첨가하고 150℃에서 2 ton/㎠ 의 압력 조건으로 30분 동안 가압 성형하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 제조하였다.Next, the core-shell structured lead-free piezoelectric ceramic powder was calcined at 650°C for 3 hours, then an aqueous PVA solution (5 wt%) as a binder was added and press-molded at 150°C at a pressure of 2 ton/cm2 for 30 minutes. A lead-free piezoelectric ceramic molded body with a core-shell structure was manufactured.
다음으로, 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 700℃에서 30분 동안 1차 소결한 후, 1,100℃에서 120분 동안 2차 소결하여 무연 압전 세라믹을 제조하였다.Next, the core-shell structure lead-free piezoelectric ceramic molded body was first sintered at 700°C for 30 minutes, and then secondarily sintered at 1,100°C for 120 minutes to produce lead-free piezoelectric ceramic.
실시예 2Example 2
BNK 코팅 용액 제조시, 40kHz 및 200W의 출력 전력 조건으로 초음파 처리를 함께 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 무연 압전 세라믹을 제조하였다.When preparing the BNK coating solution, lead-free piezoelectric ceramic was manufactured in the same manner as in Example 1, except that ultrasonic treatment was also performed under output power conditions of 40 kHz and 200 W.
실시예 3Example 3
650℃에서 50분 동안 1차 소결한 후, 1,000℃에서 200분 동안 2차 소결한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 무연 압전 세라믹을 제조하였다.Lead-free piezoelectric ceramic was manufactured in the same manner as in Example 1, except that primary sintering was performed at 650°C for 50 minutes, followed by secondary sintering at 1,000°C for 200 minutes.
실시예 4Example 4
750℃에서 20분 동안 1차 소결한 후, 1,050℃에서 180분 동안 2차 소결한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 무연 압전 세라믹을 제조하였다.Lead-free piezoelectric ceramic was manufactured in the same manner as in Example 1, except that primary sintering was performed at 750°C for 20 minutes, followed by secondary sintering at 1,050°C for 180 minutes.
비교예 1Comparative Example 1
(Li0.05Na0.57K0.38)NbO3의 조성비를 갖는 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여 Bi2O3를 0.3 중량부를 첨가하여 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말을 합성하였다.(Li 0.05 Na 0.57 K 0.38 ) LNKN powder doped with Bi 2 O 3 was synthesized by adding 0.3 parts by weight of Bi 2 O 3 to 100 parts by weight of LNKN piezoelectric material having a composition ratio of NbO 3 .
다음으로, Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말을 600℃에서 2시간 동안 하소한 후, 결합제인 PVA 수용액(5wt%)를 첨가하고 150℃에서 2 ton/㎠ 의 압력 조건으로 30분 동안 가압 성형하여 무연 압전 세라믹 성형체를 제조하였다.Next, the LNKN powder doped with Bi 2 O 3 was calcined at 600°C for 2 hours, then an aqueous PVA solution (5 wt%) as a binder was added and press molded at 150°C for 30 minutes at a pressure of 2 ton/cm2. A lead-free piezoelectric ceramic molded body was manufactured.
다음으로, 무연 압전 세라믹 성형체를 1,100℃에서 3시간 동안 소결하여 무연 압전 세라믹을 제조하였다.Next, lead-free piezoelectric ceramic was manufactured by sintering the lead-free piezoelectric ceramic molded body at 1,100°C for 3 hours.
2. 물성 평가2. Physical property evaluation
표 1은 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 따라 제조된 무연 압전 세라믹에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이다. 이때, 전기적 특성을 측정하기 위하여, 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1에 따라 제조된 무연 압전 세라믹을 1mm의 두께로 연마하고 Ag 전극을 도포한 뒤, 열처리 후 120℃의 절연유 속에서 30kV/cm의 직류전계를 30분 동안 인가하여 분극처리를 실시하였으며, 24시간 후에 전기적 특성을 측정하였다. 아울러, 유전 특성은 LCR 미터(AN DO AG-4304)를 사용하여 측정하였다.Table 1 shows the physical property evaluation results for the lead-free piezoelectric ceramics manufactured according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. At this time, in order to measure the electrical properties, the lead-free piezoelectric ceramics manufactured according to Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 were polished to a thickness of 1 mm, Ag electrodes were applied, and after heat treatment, they were heated at 30 kV/cm in insulating oil at 120°C. Polarization treatment was performed by applying a direct current electric field for 30 minutes, and the electrical properties were measured 24 hours later. In addition, dielectric properties were measured using an LCR meter (AN DO AG-4304).
[표 1][Table 1]
표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 4에 따라 제조된 무연 압전 세라믹은, 비교예 1에 따라 제조된 무연 압전 세라믹에 비하여, 소결밀도가 높게 측정되었을 뿐만 아니라, 압전 특성 및 유전 특성에서도 물성 값이 확연하게 향상된 것을 알 수 있다.As shown in Table 1, the lead-free piezoelectric ceramics manufactured according to Examples 1 to 4 not only had higher sintered densities than the lead-free piezoelectric ceramics manufactured according to Comparative Example 1, but also had higher piezoelectric and dielectric properties. It can be seen that the physical properties have clearly improved.
위의 실험 결과를 토대로 알 수 있듯이, 2단 소결을 실시한 실시예 1 ~ 4에 따른 무연 압전 세라믹이 1단 소결을 실시한 비교예 1에 따른 무연 압전 세라믹에 비하여, 우수한 압전 및 유전 특성을 나타내는 것을 확인하였다.As can be seen based on the above experimental results, the lead-free piezoelectric ceramics according to Examples 1 to 4 subjected to two-stage sintering exhibit superior piezoelectric and dielectric properties compared to the lead-free piezoelectric ceramics according to Comparative Example 1 using one-stage sintering. Confirmed.
본 발명은 2021년 산업통산자원부의 한국산업기술평가관리원에서 주관하는 소재부품기술개발사업, "바이오메디칼 압전센서용 비스무스계 coe-shell 무연압전소재 개발(과제고유번호: 1415175377, 연구개발과제번호: 20016729)의 지원을 받아 수행된 연구임을 밝힌다.The present invention is part of the 2021 material and component technology development project hosted by the Korea Institute of Industrial Technology Evaluation and Planning under the Ministry of Trade, Industry and Energy, “Development of bismuth-based coe-shell lead-free piezoelectric material for biomedical piezoelectric sensors (Project identification number: 1415175377, Research and development project number: This study was conducted with support from 20016729).
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.Although the above description focuses on the embodiments of the present invention, various changes or modifications can be made by a person skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. These changes and modifications can be said to belong to the present invention as long as they do not depart from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of rights of the present invention should be determined by the claims described below.
S110 : Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 합성 단계
S120 : BNK 코팅 용액 형성 단계
S130 : 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말 형성 단계
S140 : 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체 형성 단계
S150 : 소결 단계
200 : 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 220 : 무연 압전 세라믹 본체
240 : 표피전류 접속전극 241 : 내부 중공 접속전극
242 : 외부 중공 접속전극 243 : 케이블 삽입구
244 : 공기 배출구 244a : 제1 공기 배출구
244b : 제2 공기 배출구 245 : 중공 냉각구
246 : 진동 감쇄 절개부 247 : 방열 돌기
T : 방열 홈S110: Bi 2 O 3 doped LNKN powder synthesis step
S120: BNK coating solution formation step
S130: Step of forming lead-free piezoelectric ceramic powder with core-shell structure
S140: Forming step of lead-free piezoelectric ceramic molded body with core-shell structure
S150: Sintering step
200: Lead-free piezoelectric ceramic with core-shell structure 220: Lead-free piezoelectric ceramic body
240: Skin current connection electrode 241: Internal hollow connection electrode
242: External hollow connection electrode 243: Cable insertion hole
244:
244b: second air outlet 245: hollow cooling port
246: vibration damping cutout 247: heat dissipation protrusion
T: Heat dissipation groove
Claims (10)
(b) Bi(NO3)3, NaNO3 및 KNO3를 BNK(Bi2O3-0.78Na2O-0.22K2O)의 조성을 갖도록 칙량한 후, 산성용액을 첨가하고 교반하여 BNK 코팅 용액을 형성하는 단계;
(c) 상기 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말에 BNK 코팅 용액 및 바인더를 혼합하고 볼 밀링한 후, 건조 및 분쇄하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 형성하는 단계;
(d) 상기 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 분말을 하소한 후, 결합제를 첨가하고 가압 성형하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 형성하는 단계; 및
(e) 상기 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 성형체를 2단 소결하여 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 (e) 단계에서, 상기 2단 소결은 650 ~ 800℃에서 1차 소결 처리한 후, 950 ~ 1,150℃에서 2차 소결하고,
상기 (e) 단계 이후, 상기 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹은 Bi2O3가 도핑된 LNKN으로 이루어진 코어층과, 상기 코어층의 표면을 감싸도록 배치되며, Bi, Na 및 K 성분으로 이루어진 BNK 코팅층을 포함하는 무연 압전 세라믹 본체; 및 상기 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 배치된 표피전류 접속전극;을 포함하며,
상기 표피전류 접속전극은 내부 중앙 부분에 배치된 내부 중공 접속전극과, 상기 내부 중공 접속전극과 이격된 외측에서 상기 내부 중공 접속전극을 감싸는 콘 형상을 갖도록 배치된 외부 중공 접속전극과, 상기 외부 중공 접속전극의 하측을 관통하도록 형성된 복수의 공기 배출구를 가지며,
상기 내부 중공 접속전극은 바닥면이 상기 무연 압전 세라믹 본체에 접속되고, 중심부에 중공 냉각구가 배치되며, 상기 중공 냉각구의 내벽에는 방열 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법.
(a) LNKN piezoelectric having a composition ratio of (Li 1-x Na 1-y K 1-z )NbO 3 (where x is 0.8 to 0.99, y is 0.3 to 0.7, and z is 0.5 to 0.8) Synthesizing LNKN powder doped with Bi 2 O 3 by adding Bi 2 O 3 to the material;
(b) Bi(NO 3 ) 3 , NaNO 3 and KNO 3 were weighed to have the composition of BNK (Bi 2 O 3 -0.78Na 2 O-0.22K 2 O), then an acidic solution was added and stirred to form a BNK coating solution. forming a;
(c) mixing the Bi 2 O 3 doped LNKN powder with a BNK coating solution and a binder, performing ball milling, followed by drying and pulverizing to form a lead-free piezoelectric ceramic powder with a core-shell structure;
(d) calcining the core-shell structure lead-free piezoelectric ceramic powder, adding a binder and press molding to form a core-shell structure lead-free piezoelectric ceramic molded body; and
(e) sintering the core-shell structured lead-free piezoelectric ceramic molded body in two stages to form a core-shell structured lead-free piezoelectric ceramic,
In step (e), the two-stage sintering involves first sintering at 650 to 800°C, followed by secondary sintering at 950 to 1,150°C,
After step (e), the lead-free piezoelectric ceramic of the core-shell structure is arranged to surround the surface of the core layer, a core layer made of LNKN doped with Bi 2 O 3 , and BNK composed of Bi, Na, and K components. A lead-free piezoelectric ceramic body including a coating layer; and a skin current connection electrode disposed on at least one surface of the lead-free piezoelectric ceramic body,
The skin current connection electrode includes an internal hollow connection electrode disposed in an inner central portion, an external hollow connection electrode disposed to have a cone shape surrounding the internal hollow connection electrode on an outside spaced apart from the internal hollow connection electrode, and the external hollow connection electrode. It has a plurality of air outlets formed to penetrate the lower side of the connection electrode,
The internal hollow connection electrode has a bottom surface connected to the lead-free piezoelectric ceramic body, a hollow cooling hole is disposed in the center, and an inner wall of the hollow cooling hole is provided with a heat dissipation groove. A core shell with excellent piezoelectric and dielectric properties. Method for manufacturing lead-free piezoelectric ceramics in structure.
상기 (a) 단계에서,
상기 Bi2O3는
상기 LNKN 압전 물질 100 중량부에 대하여, 0.1 ~ 0.5 중량부로 첨가하는 것을 특징으로 하는 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (a) above,
The Bi 2 O 3 is
A method of manufacturing a lead-free piezoelectric ceramic with a core-shell structure having excellent piezoelectric and dielectric properties, characterized in that 0.1 to 0.5 parts by weight is added based on 100 parts by weight of the LNKN piezoelectric material.
상기 (c) 단계에서,
상기 BNK 코팅 용액은
상기 Bi2O3가 도핑된 LNKN 분말 100 중량부에 대하여, 15 ~ 30 중량부로 첨가하는 것을 특징으로 하는 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (c) above,
The BNK coating solution is
A method for manufacturing lead-free piezoelectric ceramics with a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties, characterized in that 15 to 30 parts by weight are added to 100 parts by weight of the Bi 2 O 3 doped LNKN powder.
상기 (d) 단계에서,
상기 가압 성형은
100 ~ 180℃에서 1 ~ 3 ton/㎠ 의 압력 조건으로 1 ~ 60분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (d) above,
The pressure molding is
A method of manufacturing lead-free piezoelectric ceramics with a core-shell structure with excellent piezoelectric and dielectric properties, characterized in that it is carried out at 100 ~ 180 ℃ and under a pressure of 1 ~ 3 ton / ㎠ for 1 ~ 60 minutes.
상기 (e) 단계에서,
상기 2단 소결은
상기 650 ~ 800℃에서 10 ~ 60분 동안 1차 소결 처리하는 단계와,
상기 950 ~ 1,150℃에서 30 ~ 240분 동안 2차 소결 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹 제조 방법.
According to paragraph 1,
In step (e) above,
The two-stage sintering is
Primary sintering at 650 to 800°C for 10 to 60 minutes,
A method of manufacturing a lead-free piezoelectric ceramic with a core-shell structure having excellent piezoelectric and dielectric properties, comprising the step of secondary sintering at 950 to 1,150°C for 30 to 240 minutes.
상기 무연 압전 세라믹 본체의 적어도 일면에 배치된 표피전류 접속전극;을 포함하며,
상기 표피전류 접속전극은 내부 중앙 부분에 배치된 내부 중공 접속전극과, 상기 내부 중공 접속전극과 이격된 외측에서 상기 내부 중공 접속전극을 감싸는 콘 형상을 갖도록 배치된 외부 중공 접속전극과, 상기 외부 중공 접속전극의 하측을 관통하도록 형성된 복수의 공기 배출구를 가지며,
상기 내부 중공 접속전극은 바닥면이 상기 무연 압전 세라믹 본체에 접속되고, 중심부에 중공 냉각구가 배치되며, 상기 중공 냉각구의 내벽에는 방열 홈을 구비하며,
상기 LNKN은 (Li1-xNa1-yK1-z)NbO3 (여기서, x는 0.8 ~ 0.99이고, y는 0.3 ~ 0.7이고, z는 0.5 ~ 0.8임.)의 조성비를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹.
A lead-free piezoelectric ceramic body including a core layer made of LNKN doped with Bi 2 O 3 and a BNK coating layer arranged to surround the surface of the core layer and made of Bi, Na, and K components; and
It includes a skin current connection electrode disposed on at least one surface of the lead-free piezoelectric ceramic body,
The skin current connection electrode includes an internal hollow connection electrode disposed in an inner central portion, an external hollow connection electrode disposed to have a cone shape surrounding the internal hollow connection electrode on an outside spaced apart from the internal hollow connection electrode, and the external hollow connection electrode. It has a plurality of air outlets formed to penetrate the lower side of the connection electrode,
The internal hollow connection electrode has a bottom connected to the lead-free piezoelectric ceramic body, a hollow cooling hole is disposed at the center, and an inner wall of the hollow cooling hole is provided with a heat dissipation groove,
The LNKN is characterized by having a composition ratio of (Li 1-x Na 1-y K 1-z )NbO 3 (where x is 0.8 to 0.99, y is 0.3 to 0.7, and z is 0.5 to 0.8.) A lead-free piezoelectric ceramic with a core-shell structure that has excellent piezoelectric and dielectric properties.
상기 외부 중공 접속전극은
상기 내부 중공 접속전극과의 사이 공간에 전원 케이블을 삽입하기 위한 케이블 삽입구가 구비되며, 바닥면이 상기 무연 압전 세라믹 본체에 접속된 것을 특징으로 하는 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹.
According to clause 6,
The external hollow connection electrode is
A lead-free piezoelectric ceramic with a core-shell structure having excellent piezoelectric and dielectric properties is provided with a cable insertion hole for inserting a power cable in the space between the internal hollow connection electrodes, and the bottom surface is connected to the lead-free piezoelectric ceramic body. .
상기 외부 중공 접속전극은
상기 외부 중공 접속전극의 하측 부분을 관통하도록 형성되어, 상기 케이블 삽입구로 충진되는 솔더가 유동되게 내부의 공기를 외부로 배출시키기 위한 복수의 공기 배출구를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹.
In clause 7,
The external hollow connection electrode is
A core having excellent piezoelectric and dielectric properties, which is formed to penetrate the lower part of the external hollow connection electrode and has a plurality of air outlets for discharging the internal air to the outside so that the solder filled into the cable insertion hole flows. Lead-free piezoelectric ceramic with shell structure.
상기 복수의 공기 배출구는
상기 외부 중공 접속전극의 하측 부분을 관통하도록 형성되어, 제1 위치에 배치된 제1 공기 배출구와,
상기 외부 중공 접속전극의 하측 부분을 관통하도록 형성되되, 상기 제1 위치 보다 높은 제2 위치에서 제1 공기 배출구와 지그재그 형태로 이격 배치된 제2 공기 배출구를 갖는 것을 특징으로 하는 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹.
According to clause 8,
The plurality of air outlets are
a first air outlet formed to penetrate a lower portion of the external hollow connection electrode and disposed at a first position;
Piezoelectric and dielectric properties are formed to penetrate the lower part of the external hollow connection electrode, and have a second air outlet spaced apart from the first air outlet in a zigzag shape at a second position higher than the first position. Lead-free piezoelectric ceramic with excellent core-shell structure.
상기 표피전류 접속전극은
상기 무연 압전 세라믹 본체와 맞닿는 외부 중공 접속전극의 바닥면에 이격되도록 배치되며, 상기 제2 공기 배출구와 대응되는 제2 위치에 배치된 진동 감쇠 절개부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 및 유전 특성이 우수한 코어쉘 구조의 무연 압전 세라믹.According to clause 9,
The skin current connection electrode is
a vibration-attenuating cutout disposed to be spaced apart from a bottom surface of the external hollow connection electrode in contact with the lead-free piezoelectric ceramic body and disposed at a second position corresponding to the second air outlet;
A lead-free piezoelectric ceramic with a core-shell structure having excellent piezoelectric and dielectric properties, further comprising:
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