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KR102743290B1 - Hetero-structured perovskite seeds absorbed with nanoparticles, mnufacturing method for the same and oriented knn ceramics manufactured using the same - Google Patents

Hetero-structured perovskite seeds absorbed with nanoparticles, mnufacturing method for the same and oriented knn ceramics manufactured using the same Download PDF

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KR102743290B1
KR102743290B1 KR1020220027242A KR20220027242A KR102743290B1 KR 102743290 B1 KR102743290 B1 KR 102743290B1 KR 1020220027242 A KR1020220027242 A KR 1020220027242A KR 20220027242 A KR20220027242 A KR 20220027242A KR 102743290 B1 KR102743290 B1 KR 102743290B1
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Abstract

Pb계 페로브스카이트 시드 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 Pb계 페로브스카이트 시드는 Na, Mg 및 Pb를 포함하고, (NaxBi0.4-xPb0.6)(Ti1-yMgy)O3 의 조성을 가진다. (단, 0 < x ≤ 0.2, 0.12 ≤ y < 0.15 이다.)
Disclosed are Pb-based perovskite seeds and a method for producing the same.
The Pb-based perovskite seed according to the present invention contains Na, Mg, and Pb, and has a composition of (Na x Bi 0.4-x Pb 0.6 )(Ti 1-y Mg y )O 3 (provided that 0 < x ≤ 0.2 and 0.12 ≤ y < 0.15).

Description

나노 입자가 흡착된 이종 구조의 페로브스카이트 시드, 그 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 KNN 배향 세라믹{HETERO-STRUCTURED PEROVSKITE SEEDS ABSORBED WITH NANOPARTICLES, MNUFACTURING METHOD FOR THE SAME AND ORIENTED KNN CERAMICS MANUFACTURED USING THE SAME}HETERO-STRUCTURED PEROVSKITE SEEDS ABSORBED WITH NANOPARTICLES, MNUFACTURING METHOD FOR THE SAME AND ORIENTED KNN CERAMICS MANUFACTURED USING THE SAME

본 발명은 나노 입자가 그 표면에 흡착된 이종 구조의 페로브스카이트 시드, 그 제조 방법 및 이를 이용하에 제조된 KNN 세라믹에 관한 것이다.The present invention relates to a heterogeneous perovskite seed having nanoparticles adsorbed on its surface, a method for producing the same, and a KNN ceramic produced using the same.

압전 소자는 사용자의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하거나 또는 이와는 반대로 전기적 에너지를 압전소자에 가하여 기계적 에너지로 변환시킬 수 있는 소자이다. A piezoelectric element is a device that can convert mechanical energy of the user into electrical energy, or conversely, electrical energy can be converted into mechanical energy by applying it to the piezoelectric element.

압전 소자는 우수한 압전 특성에 기인하여, 변압기, 액추에이터, 트랜스듀서, 센서, 레조네이터, 필터 등의 기능 소자(functional device) 용도로 광범위하게 응용되고 있다.Piezoelectric elements are widely used as functional devices such as transformers, actuators, transducers, sensors, resonators, and filters due to their excellent piezoelectric properties.

압전 소자로는 일반적으로 페로브스카이트 구조가 가장 널리 사용되고 있다.Perovskite structures are most commonly used as piezoelectric elements.

상기 페로브스카이트 구조를 가지는 압전 소자는 대부분 납을 주성분으로 하는 Pb(Zr,Ti)O3계 조성 또는 Pb(Mg1/3Nb2/3)TiO3계 조성이 사용되고 있다. Most piezoelectric elements having the above perovskite structure use a Pb(Zr,Ti)O 3 composition or a Pb(Mg 1/3 Nb 2/3 )TiO 3 composition, which mainly uses lead.

그러나 상기 조성물들은 납(Pb) 성분의 환경 및 인체 독성으로 인해 근본적인 사용 한계를 가진다. However, the above compositions have fundamental limitations in use due to the environmental and human toxicity of the lead (Pb) component.

한편, K1-xNaxNbO3계 (이하, KNN계라 한다) 페로브스카이트는 기존의 납 성분을 가지는 페로브스카이트를 대체할 수 있는 친환경 무연계(Pb free) 압전 소재이다. 그러나, 일반적인 다결정의 세라믹의 경우 특성이 낮은 단점이 있다.Meanwhile, K 1-x Na x NbO 3 system (hereinafter referred to as KNN system) perovskite is an eco-friendly lead-free piezoelectric material that can replace existing lead-containing perovskites. However, it has the disadvantage of low properties compared to general polycrystalline ceramics.

상기 페로브스카이트 소재를 제조하는 방식 중 TGG(Templated Grain Growth) 방식은 고배향성을 지닌 시드를 템플레이트(template)로 활용하여 다결정 분말이 배향성을 가지도록 성장시키는 방법이다. Among the methods for manufacturing the above perovskite material, the TGG (Templated Grain Growth) method is a method in which a highly oriented seed is used as a template to grow polycrystalline powder with an orientation.

상기 TGG 방식에서의 배향 성장을 통해 제조된 다결정 세라믹의 압전 특성은 무배향 다결정 압전 세라믹의 압전 특성 대비 배향 성장으로 인해 크게 증가하는 것으로 알려져 있다.It is known that the piezoelectric properties of polycrystalline ceramics manufactured through oriented growth in the above TGG method are significantly increased due to oriented growth compared to the piezoelectric properties of non-oriented polycrystalline piezoelectric ceramics.

현재까지 무연 (Pb-free) 압전세라믹 제조를 위해 TGG 공정에 사용되는 seed의 종류는 대표적으로 BaTiO3 (BT), NaNbO3 (NN), K1-xNaxNbO3 (KNN) 등이 주로 사용되었다.To date, the types of seeds used in the TGG process for manufacturing lead-free piezoceramics include BaTiO 3 (BT), NaNbO 3 (NN), and K 1-x Na x NbO 3 (KNN).

상기와 같은 기존의 시드를 사용하는 방법의 가장 큰 문제는 시드 자체의 제작이 어렵거나(KNN 시드), 기지(matrix, 매트릭스) 분말과 시드의 조성 성분이 서로 다르다는 것이다(BaTiO3 (BT), NaNbO3 (NN) 시드).The biggest problem with the method of using the existing seeds as mentioned above is that the production of the seed itself is difficult (KNN seed) or the composition of the matrix powder and the seed are different (BaTiO 3 (BT), NaNbO 3 (NN) seed).

특히 시드와 기지의 조성 성분이 크게 다른 경우(BaTiO3 (BT), NaNbO3 (NN) 시드), 상기 TGG공정을 통해 다결정 세라믹을 배향 시키기 어려우며 나아가 만일 배향이 된다 해도 시드와 기지 사이의 조성 성분의 차이로 인한 성분간의 상호 확산으로 인해 압전 소결체 내부에 다수의 기공을 포함할 수 있다. In particular, when the compositions of the seed and the matrix are significantly different (BaTiO 3 (BT), NaNbO 3 (NN) seed), it is difficult to orient the polycrystalline ceramic through the TGG process, and even if orientation is achieved, the piezoelectric sintered body may contain a large number of pores due to mutual diffusion between the components caused by the difference in composition between the seed and the matrix.

또한 시드와 기지 분말 사이의 격자상수의 불일치도가 크게 되면(BaTiO3 (BT), NaNbO3 (NN) 시드), 시드와 기지 사이의 계면에서 배향성장이 일어나기 어려운 문제가 있다.In addition, when the lattice constant mismatch between the seed and the matrix powder is large (BaTiO 3 (BT), NaNbO 3 (NN) seed), there is a problem that it is difficult for oriented growth to occur at the interface between the seed and the matrix.

본 발명의 목적은 상기의 문제점을 극복한 새로운 구조의 페로브스카이트 시드, 상기 시드의 제조 방법 및 이을 이용한 KNN 배향 세라믹을 제공하는 것이다. The purpose of the present invention is to provide a perovskite seed having a novel structure that overcomes the above problems, a method for producing the seed, and a KNN-oriented ceramic using the seed.

구체적으로 본 발명의 목적은 세라믹 기지(매트릭스)와 유사한 조성을 가지는 이종 구조(hetero-structured)의 페로브스카이트 시드, 상기 시드의 제조 방법 및 이을 이용한 KNN 배향 세라믹을 제공하는 것이다.Specifically, the purpose of the present invention is to provide a heterostructured perovskite seed having a composition similar to a ceramic matrix, a method for producing the seed, and a KNN-oriented ceramic using the seed.

보다 구체적으로 본 발명의 목적은 시드와 세라믹 기지(매트릭스) 사이에 시드와 기지의 조성 차이에 대한 버퍼층(buffer layer)을 제공하는 페로브스카이트 시드, 상기 시드의 제조 방법 및 이을 이용한 KNN 배향 세라믹을 제공하는 것이다.More specifically, the purpose of the present invention is to provide a perovskite seed that provides a buffer layer between the seed and the ceramic matrix for the difference in composition between the seed and the matrix, a method for producing the seed, and a KNN-oriented ceramic using the seed.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The purposes of the present invention are not limited to the purposes mentioned above, and other purposes and advantages of the present invention which are not mentioned can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. In addition, it will be easily understood that the purposes and advantages of the present invention can be realized by the means and combinations thereof indicated in the claims.

본 발명에 따른 이종구조(hetero-structure) 시드는 페로브스카이트(ABO3) 구조를 가지는 시드이며, 상기 시드의 표면에 흡착된 나노입자들을 포함하는 것을 특징으로 한다.The heterostructure seed according to the present invention is a seed having a perovskite (ABO 3 ) structure, and is characterized by including nanoparticles adsorbed on the surface of the seed.

바람직하게는 상기 시드는 판상형상을 가질 수 있다.Preferably, the seed may have a plate-like shape.

바람직하게는 상기 페로브스카이트 구조는 BaTiO3 (BT), (K,Na)NbO3 (KNN), NaNbO3 (NN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Preferably, the perovskite structure may include at least one of BaTiO 3 (BT), (K,Na)NbO 3 (KNN), and NaNbO 3 (NN).

바람직하게는 상기 나노입자는 (K,Na)NbO3 (KNN) 조성을 가질 수 있다.Preferably, the nanoparticles may have a composition of (K,Na)NbO 3 (KNN).

본 발명에 따른 이종구조 시드의 제조 방법은 (a) 페로브스카이트(ABO3) 구조의 시드를 제조하는 단계; (b) 상기 페로브스카이트 시드와 나노입자용 원료분말을 혼합한 후 용매열(solvo-thermal) 합성하는 단계; (c) 상기 (b) 합성하는 단계에서 형성된 상기 페로브스카이트 구조의 시드 표면에 흡착된 나노입자를 포함하는 이종구조 시드를 세척하는 단계;를 포함할 수 있다.A method for producing a heterostructure seed according to the present invention may include: (a) a step of producing a seed having a perovskite (ABO 3 ) structure; (b) a step of mixing the perovskite seed and a raw material powder for nanoparticles and then performing solvothermal synthesis; (c) a step of washing the heterostructure seed including nanoparticles adsorbed on the surface of the seed having the perovskite structure formed in the synthesizing step (b).

바람직하게는 (a) 단계에서 제조된 페로브스카이트 구조의 시드는 BaTiO3 (BT), (K,Na)NbO3 (KNN), NaNbO3 (NN) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Preferably, the perovskite structure seed manufactured in step (a) may include at least one of BaTiO 3 (BT), (K,Na)NbO 3 (KNN), and NaNbO 3 (NN).

바람직하게는 상기 나노입자는 (K,Na)NbO3 (KNN) 조성을 가질 수 있다.Preferably, the nanoparticles may have a composition of (K,Na)NbO 3 (KNN).

본 발명에 따른 압전소자는 기지(matrix)는 (K,Na)NbO3 (KNN) 성분을 가지며, 92% 이상의 Lotgering factor(L.F.) 값을 가지며, 압전상수 (d33)는 150 이상일 수 있다.The piezoelectric element according to the present invention has a matrix containing (K,Na)NbO 3 (KNN) components, has a Lotgering factor (LF) value of 92% or more, and may have a piezoelectric constant (d 33 ) of 150 or more.

본 발명에 따른 기능성 소자는 상기 압전소자를 포함한다.A functional element according to the present invention includes the piezoelectric element.

본 발명에서는 새로운 구조 및 조성을 가지는 이종구조(hetero-structure) 시드를 제공할 수 있다.The present invention can provide a heterostructure seed having a new structure and composition.

또한 본 발명의 상기 새로운 구조 및 조성을 가지는 이종구조(hetero-structure) 시드는 KNN 세라믹의 배향성과 압전특성을 획기적으로 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.In addition, the heterostructure seed having the novel structure and composition of the present invention can provide an effect of dramatically improving the orientation and piezoelectric properties of KNN ceramics.

또한 본 발명은 매우 단순하면서도 배향성 및 압전 특성이 우수한 페로브스카이트 시드의 제조 방법을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a method for producing a perovskite seed that is very simple and has excellent orientation and piezoelectric properties.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.In addition to the effects described above, specific effects of the present invention are described below together with specific matters for carrying out the invention.

도 1은 토포 케미컬 용융염(Topochemical molten-salt) 공정의 개념도이다.
도 2는 나노입자가 흡착된 이종구조(hetero-structure) 시드의 배향성장 향상 메커니즘을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 이종구조(hetero-structure) 시드의 제조 순서도이다.
도 4는 토포 케미컬 용융염(Topochemical molten-salt) 공정으로 제조된 페로브스카이트 시드의 주사전자현미경(SEM) 이미지 및 X선 회절(XRD) 측정 결과이다.
도 5는 NaNbO3 시드(seed)의 함량 변화에 따른 (K,Na)NbO3 나노입자가 흡착된 이종구조(hetero-structure) 시드(seed)의 XRD 측정 결과이다.
도 6은 NaNbO3 시드(seed)의 함량 변화에 따른 (K,Na)NbO3 나노입자가 흡착된 이종구조(hetero-structure) 시드(seed)의 SEM 이미지이다.
도 7은 BaTiO3 seed 함량 변화에 따른 (K,Na)NbO3 나노입자가 흡착된 이종구조(hetero-structure) 시드(seed)의 XRD 측정 결과이다.
도 8은 BaTiO3 seed 함량 변화에 따른 (K,Na)NbO3 나노입자가 흡착된 이종구조(hetero-structure) 시드(seed)의 SEM 이미지이다.
도 9는 Templated Grain Growth (TGG) 공정의 개념도이다.
도 10은 NaNbO3 seed 함량을 변화시켜 제조한 KNN 배향세라믹의 XRD 측정 결과이다.
도 11은 NaNbO3 기반 이종구조(hetero-structure) 시드(seed)를 활용하여 제조한 KNN 배향세라믹의 XRD 측정 결과이다.
도 12는 종래의 시드와 본 발명의 이종구조(hetero-structure) 시드(seed) 함량에 따른 배향세라믹의 밀도 및 d33 변화를 나타낸다.
Figure 1 is a schematic diagram of a topochemical molten-salt process.
Figure 2 illustrates the mechanism for enhancing the orientation growth of hetero-structure seeds with nanoparticles adsorbed thereon.
Figure 3 is a flow chart of the manufacturing process of the heterostructure seed of the present invention.
Figure 4 shows a scanning electron microscope (SEM) image and X-ray diffraction (XRD) measurement results of perovskite seeds manufactured by a topochemical molten-salt process.
Figure 5 shows the XRD measurement results of hetero-structure seeds adsorbed with (K,Na)NbO 3 nanoparticles according to the change in the content of NaNbO 3 seeds.
Figure 6 is a SEM image of a heterostructure seed with (K,Na)NbO 3 nanoparticles adsorbed according to the change in the content of NaNbO 3 seeds.
Figure 7 shows the XRD measurement results of hetero-structure seeds adsorbed with (K,Na)NbO 3 nanoparticles according to changes in the BaTiO 3 seed content.
Figure 8 is a SEM image of a heterostructure seed with (K,Na)NbO 3 nanoparticles adsorbed according to changes in the BaTiO 3 seed content.
Figure 9 is a conceptual diagram of the Templated Grain Growth (TGG) process.
Figure 10 shows the XRD measurement results of KNN oriented ceramics manufactured by changing the NaNbO 3 seed content.
Figure 11 shows the XRD measurement results of KNN oriented ceramics manufactured using NaNbO 3 based heterostructure seeds.
Figure 12 shows the change in density and d 33 of oriented ceramics according to the content of conventional seeds and hetero-structure seeds of the present invention.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.The above-mentioned objects, features and advantages will be described in detail below with reference to the attached drawings, so that those with ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily practice the technical idea of the present invention. In describing the present invention, if it is judged that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. Hereinafter, a preferred embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. In the drawings, the same reference numerals are used to indicate the same or similar components.

이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다. Hereinafter, the phrase “any configuration is disposed on (or below)” a component or “on (or below)” a component may mean not only that any configuration is disposed in contact with the upper surface (or lower surface) of said component, but also that another configuration may be interposed between said component and any configuration disposed on (or below) said component.

또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. Additionally, when a component is described as being "connected,""coupled," or "connected" to another component, it should be understood that the components may be directly connected or connected to one another, but that other components may also be "interposed" between the components, or that each component may be "connected,""coupled," or "connected" through other components.

이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 페로브스카이트 시드 및 그 제조 방법을 설명하도록 한다.Hereinafter, perovskite seeds and their manufacturing methods according to some embodiments of the present invention will be described.

도 1은 토포 케미컬 용융염(Topochemical molten-salt) 공정의 개념도이다.Figure 1 is a schematic diagram of a topochemical molten-salt process.

도 1에 도시한 바와 같이, 토포 케미컬 용융염 공정은 먼저 2차원 형상의 중간체를 만든 다음, 상기 중간체를 반응분말 및 염과 혼합한 후 온도를 염의 용융점(melting point) 이상으로 올려서 액상을 만들어 준 후, 상기 액상의 내부에서 성분 원소간의 치환, 제거 등을 통해 상기 중간체가 페로브스카이트 구조로 변환되는 공정이다.As illustrated in Fig. 1, the topochemical molten salt process is a process in which a two-dimensional intermediate is first created, the intermediate is mixed with a reaction powder and a salt, the temperature is raised above the melting point of the salt to create a liquid phase, and the intermediate is then converted into a perovskite structure through substitution or removal between component elements within the liquid phase.

상기 토포 케미컬 용융염 공정은 중간체의 형상은 유지시킨 상태에서 조성을 변화시킬 수 있는 공정 방법이다.The above-mentioned topochemical molten salt process is a process method that can change the composition while maintaining the shape of an intermediate.

페로브스카이트 시드의 제조에 있어서 상기 토포 케미컬 용융염 공정을 사용하는 이유는 중간체가 layered 구조(층상 구조)를 가지기 때문에 열역학적 관점에서 2차원 형상을 가지기에 유리하기 때문이다.The reason for using the above-mentioned topochemical molten salt process in the production of perovskite seeds is that the intermediate has a layered structure, which is advantageous in terms of thermodynamics for having a two-dimensional shape.

상기의 이유로 토포 케미컬 용융염 공정을 이용하면 BaTiO3 (BT), NaNbO3 (NN), PbTiO3 등 다양한 조성의 페로브스카이트 구조의 시드를 제조할 수 있다.For the above reasons, seeds with perovskite structures of various compositions such as BaTiO 3 (BT), NaNbO 3 (NN), and PbTiO 3 can be manufactured using the topochemical molten salt process.

본 발명에서는 상기 토포 케미컬 용융염 공정을 통해 제조된 시드(seed) 표면에 나노 입자들을 균일하게 흡착하고(이하, 표면에 나노 입자들이 균일하게 흡착된 시드는 이종구조(hetero-structure) 시드라고 한다), 이를 후속 TGG(Templated Grain Growth) 에서의 시드(seed)로 활용하게 되면, 나노 입자들을 표면에 흡착하지 않은 일반 시드(seed)를 사용한 경우보다 압전 세라믹스의 배향도 및 압전 특성이 향상할 수 있음을 확인하였다.In the present invention, when nanoparticles are uniformly adsorbed onto the surface of a seed manufactured through the topochemical molten salt process (hereinafter, a seed having nanoparticles uniformly adsorbed onto its surface is referred to as a heterostructure seed) and used as a seed in subsequent TGG (Templated Grain Growth), it was confirmed that the orientation and piezoelectric properties of piezoelectric ceramics can be improved compared to when a general seed is used that does not have nanoparticles adsorbed onto its surface.

도 2는 나노입자가 흡착된 이종구조(hetero-structure) 시드의 배향성장 향상 메커니즘을 도시한 것이다. Figure 2 illustrates the mechanism for enhancing the orientation growth of hetero-structure seeds with nanoparticles adsorbed thereon.

나노입자가 흡착되지 않은 종래의 시드는 후속 TGG(Templated Grain Growth) 공정 중에 시드와 세라믹 기지(matrix)와의 조성 차이로 인해 격자 불일치(lattice mismatch)가 발생하여 그 결과 최종 생성물인 압전 세라믹스의 배향성이 저하되고 압전 특성이 나빠지게 된다.Conventional seeds without nanoparticle adsorption suffer from lattice mismatch during the subsequent TGG (Templated Grain Growth) process due to differences in composition between the seed and the ceramic matrix, resulting in deteriorated orientation and poor piezoelectric properties of the final product, the piezoelectric ceramics.

반면 본 발명에서의 나노입자가 흡착된 이종구조(hetero-structure) 시드에서는 상기 나노 입자가 후속 TGG(Templated Grain Growth) 공정 중에 시드와 세라믹 기지 사이에서 격자 불일치를 상쇄해주는 일종의 버퍼층(buffer layer)의 역할을 할 수 있다. 그 결과 본 발명에 의한 압전 세라믹스는 배성향과 함께 압전 특성이 향상될 수 있다.On the other hand, in the heterostructure seed in which the nanoparticles are adsorbed in the present invention, the nanoparticles can act as a kind of buffer layer that offsets the lattice mismatch between the seed and the ceramic matrix during the subsequent TGG (Templated Grain Growth) process. As a result, the piezoelectric ceramics according to the present invention can have improved piezoelectric properties along with the piezoelectric orientation.

도 3은 본 발명의 이종구조(hetero-structure) 시드의 제조 순서도이다. Figure 3 is a flow chart of the manufacturing process of the heterostructure seed of the present invention.

도 3에서 도시하는 바와 같이, 본 발명의 이종구조 시드는 먼저 토포케미컬 용융염 공정을 이용하여 페로브스카이트 구조의 시드를 제조하는 단계를 포함한다.As illustrated in FIG. 3, the heterostructure seed of the present invention first includes a step of manufacturing a perovskite structure seed using a topochemical molten salt process.

본 발명에서의 이종구조 시드에서 활용 가능한 페로브스카이트 구조의 시드는 BaTiO3 (BT), NaNbO3 (NN), (K,Na)NbO3(이하, KNN)계 일 수 있다.In the heterostructure seed of the present invention, the perovskite structure seed that can be utilized may be of the BaTiO 3 (BT), NaNbO 3 (NN), (K,Na)NbO 3 (hereinafter, KNN) system.

상기 시드들 가운데 BaTiO3 (BT)의 경우, Ba을 함유하는 분말, Ti를 함유하는 분말을 칭량 및 혼합하여 제조된다.Among the above seeds, in the case of BaTiO 3 (BT), it is manufactured by weighing and mixing powder containing Ba and powder containing Ti.

이 때 BT 시드의 Ba함유 화합물은 BaCO3 가 될 수 있고, Ti 함유 화합물은 TiO2가 될 수 있다. At this time, the Ba-containing compound of the BT seed can be BaCO 3 , and the Ti-containing compound can be TiO 2 .

BT seed를 토포케미컬 용융염(topochemical molten salt) 공정으로 제조하기 위해서는 3 가지 단계를 필요로 한다.Manufacturing BT seed using a topochemical molten salt process requires three steps.

먼저 Bi2O3와 TiO2가 반응하여 Bi4Ti3O12가 되도록 조성비에 맞추어 칭량한 후 KCl과 NaCl 염을 활용하여 혼합 후 1130 ℃에서 4내지 10시간 열처리하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다. First, it can be manufactured by a method including the step of weighing Bi 2 O 3 and TiO 2 according to the composition ratio so that they react to become Bi 4 Ti 3 O 12 , mixing them using KCl and NaCl salts, and then heat-treating them at 1130° C. for 4 to 10 hours.

그 다음 단계에서는 잔류염을 제거한 후 (제거과정은 DI water를 사용하여 여러 차례 세척하는 방법이 수행될 수 있다) Bi4Ti3O12와 BaCO3및 TiO2를 BaBi4Ti4O15가 되도록 조성비에 맞추어 칭량한 후, BaCl2 및 KCl을 염으로 사용하여 1080℃에서 4내지 10시간 열처리하는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다. In the next step, after removing the residual salt (the removal process can be performed by washing several times using DI water), the method can be manufactured by weighing Bi 4 Ti 3 O 12 , BaCO 3 , and TiO 2 in a composition ratio to become BaBi 4 Ti 4 O 15 , and then using BaCl 2 and KCl as salts, performing a heat treatment at 1080° C. for 4 to 10 hours.

마지막으로 잔류염을 제거한 후, BaBi4Ti4O15와 BaCO3를 BaTiO3가 되도록 조성비에 맞추어 칭량한 후 KCl 및 NaCl 염과 혼합하여 마지막 950 ℃에서 4내지 10시간 열처리하는 단계를 포함하는 방법으로 BaTiO3 seed가 제조될 수 있다. Finally, after removing the residual salt, BaTiO 3 seed can be manufactured by a method including the step of weighing BaBi 4 Ti 4 O 15 and BaCO 3 to obtain BaTiO 3 in a composition ratio, mixing them with KCl and NaCl salts, and finally heat-treating them at 950° C. for 4 to 10 hours.

한편 상기 시드들 가운데 NN의 경우, Na를 함유하는 분말, Nb를 함유하는 분말을 칭량 및 혼합하여 제조된다.Meanwhile, among the above seeds, in the case of NN, a powder containing Na and a powder containing Nb are weighed and mixed to produce it.

이 때 Na함유 화합물은 Na2CO3가 될 수 있고, Nb함유 화합물은 Nb2O5가 될 수 있다. At this time, the Na-containing compound can be Na 2 CO 3 and the Nb-containing compound can be Nb 2 O 5 .

NN seed를 토포케미컬 용융염(topochemical molten salt) 공정으로 제조하기 위해서는 2 가지 단계를 필요로 한다.Manufacturing NN seeds using a topochemical molten salt process requires two steps.

첫 번째 step으로 Bi2.5Na3.5Nb5O18의 중간체를 제조하기 위해서 NaCO3, Bi2O3, Nb2O5를 조성비에 맞추어 칭량한 후, NaCl염과 혼합한 다음 1125 ℃에서 2 내지 10시간 열처리한다. In the first step, to prepare an intermediate of Bi 2.5 Na 3.5 Nb 5 O 18, NaCO 3 , Bi 2 O 3 , and Nb 2 O 5 are weighed according to the composition ratio, mixed with NaCl salt, and then heat-treated at 1125 ℃ for 2 to 10 hours.

그 다음, 잔류염을 제거하는 세척 공정을 거친 후, Bi2.5Na3.5Nb5O18, Na2CO3를 반응식에 맞추어 칭량한 후, NaCl염과 혼합 후 1000 ℃에서 2 내지 10시간 열처리를 통해 NaNbO3 seed를 제조하게 된다.Next, after a washing process to remove residual salts, Bi 2.5 Na 3.5 Nb 5 O 18 and Na 2 CO 3 are weighed according to the reaction formula, mixed with NaCl salt, and then heat-treated at 1000 ℃ for 2 to 10 hours to produce NaNbO 3 seed.

도 4는 토포 케미컬 용융염((Topochemical molten-salt) 공정으로 제조된 페로브스카이트 시드의 주사전자현미경(SEM) 이미지 및 X선 회절(XRD) 측정 결과이다.Figure 4 shows a scanning electron microscope (SEM) image and X-ray diffraction (XRD) measurement results of perovskite seeds manufactured by a topochemical molten-salt process.

도 4에서 도시하는 바와 같이 상기 도 3의 첫 번째 단계에서 제조된 NN 및 BT 시드는 모두 층상 형상을 가지며 페로브스카이트 결정 구조를 가짐을 확인하였다.As shown in Fig. 4, it was confirmed that both NN and BT seeds manufactured in the first step of Fig. 3 had a layered shape and a perovskite crystal structure.

본 발명의 이종구조의 시드의 표면에 흡착되는 KNN 나노입자의 함량을 조절하기 위해, 본 발명의 일 실시예에서는 KNN 나노입자 합성 조건은 고정하고 이종구조 시드 제조 시 초기에 포함되는 NN 및 BT 각각의 seed 함량을 약 0.8~5.0 wt.%의 비율로 조절하였다. In order to control the content of KNN nanoparticles adsorbed on the surface of the heterostructure seed of the present invention, in one embodiment of the present invention, the KNN nanoparticle synthesis conditions were fixed, and the seed content of each of NN and BT initially included during the production of the heterostructure seed was controlled to a ratio of about 0.8 to 5.0 wt.%.

보다 구체적으로 상기 NN, BT seed를 반응기에 넣고 KNN 나노입자를 흡착하기 위한 원료로 KOH (29 g), NaOH (5.3 g), Nb2O5 (1.5 g)를 DI water 15ml와 Ethylene glycol 45ml와 혼합한 후 반응기에 넣어준 후 그 다음 반응기를 200 ℃에서 20시간 동안 용매열 합성법(solvo-thermal 합성)으로 반응시켰다. More specifically, the above NN, BT seeds were placed in a reactor, and KOH (29 g), NaOH (5.3 g), Nb 2 O 5 (1.5 g) as raw materials for adsorbing KNN nanoparticles were mixed with 15 ml of DI water and 45 ml of ethylene glycol, placed in the reactor, and then the reactor was reacted at 200 ℃ for 20 hours using a solvo-thermal synthesis method.

합성된 이종구조 시드는 물과 에탄올을 사용해서 원심분리기로 여러 차례 세척과정을 진행하여 제조되었다.The synthesized heterostructure seeds were manufactured by washing them several times using water and ethanol in a centrifuge.

상기와 같은 본 발명의 이종구조 시드 및 그 제조 방법에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.Specific examples of the heterogeneous structure seed of the present invention and its manufacturing method are as follows.

1. 시드 제작1. Seed production

비교예 1 : NaNbOComparative Example 1: NaNbO 33 (NN) seed 제조 (NN) seed production

Na 함유 화합물로 Na2CO3, Nb 함유 화합물로 Nb2O5를 Bi함유물로 Bi2O3를 사용하여 각각의 몰비가 1.75: 2.5: 1.25가 되도록 무게를 측정하고 NaCl 염과 혼합한 다음, 1125 ℃에서 2 내지 10시간 열처리하여 Bi2.5Na3.5Nb5O18의 중간체를 제조하였다. As a Na-containing compound, Na 2 CO 3 , as a Nb-containing compound, Nb 2 O 5 , and as a Bi-containing compound, Bi 2 O 3 were used, and their weights were measured so that the molar ratios thereof were 1.75: 2.5: 1.25, mixed with NaCl salt, and then heat-treated at 1125° C. for 2 to 10 hours to produce an intermediate of Bi 2.5 Na 3.5 Nb 5 O 18 .

그 다음, DI water를 활용해서 잔류염을 세척한 후 중간체 Bi2.5Na3.5Nb5O18와 Na2CO3를 1:1.5의 몰비로 혼합한 다음 NaCl 염과 혼합하여 1000 ℃에서 2 내지 10시간 열처리한다. 이 후 DI water를 활용해서 잔류염을 제거하고 NaNbO3 seed를 제조하였다. Next, after washing the residual salt using DI water, the intermediate Bi 2.5 Na 3.5 Nb 5 O 18 and Na 2 CO 3 were mixed in a molar ratio of 1:1.5, and then mixed with NaCl salt and heat-treated at 1000 ℃ for 2 to 10 hours. After this, the residual salt was removed using DI water, and NaNbO 3 seed was manufactured.

비교예 2 : BaTiOComparative Example 2: BaTiO 33 (BT) seed 제조 (BT) seed manufacturing

Bi 함유 화합물로 Bi2O3, Ti 함유 화합물로 TiO2를 2:3의 몰비로 혼합 후, KCl과 NaCl염을 1대1로 혼합하여 1130 ℃에서 2 내지 10시간 열처리하여 Bi4Ti3O12를 제조하였다. Bi 2 O 3 as a Bi-containing compound and TiO 2 as a Ti-containing compound were mixed in a molar ratio of 2:3, and then KCl and NaCl salts were mixed in a 1:1 ratio and heat-treated at 1130° C. for 2 to 10 hours to produce Bi 4 Ti 3 O 12 .

그 다음 Bi4Ti3O12, BaCO3, TiO2를 1:1:1 몰비가 되도록 칭량한 다음 BaCl2와 KCl 염 1:1 무게비로 혼합한 다음 1080 ℃에서 2 내지 10시간 열처리하여 BaBi4Ti4O15를 제조하였다. Then, Bi 4 Ti 3 O 12 , BaCO 3 , and TiO 2 were weighed in a molar ratio of 1:1:1, then BaCl 2 and KCl salt were mixed in a weight ratio of 1:1, and then heat-treated at 1080 ℃ for 2 to 10 hours to produce BaBi 4 Ti 4 O 15 .

마지막으로 BaBi4Ti4O15와 BaCO3를 1:1 몰비로 칭량한 후, KCl, NaCl 염을 4:1 무게 비로 칭량 후 전체 혼합하여 950 ℃에서 2 내지 10시간 열처리해서 BaTiO3 seed를 제조하였다. Finally, BaBi 4 Ti 4 O 15 and BaCO 3 were weighed in a molar ratio of 1:1, and then KCl and NaCl salts were weighed in a weight ratio of 4:1, mixed together, and heat-treated at 950 ℃ for 2 to 10 hours to produce BaTiO 3 seeds.

실시예 1: (K,Na)NbOExample 1: (K,Na)NbO 33 나노입자가 흡착된 NaNbONaNbO with nanoparticle adsorption 33 (NN)(NN) 이종구조의 seed제조 Manufacturing of heterogeneous seed structures

KNN 나노입자를 NN seed에 흡착하기 위해서, 나노입자의 원료분말로 KOH (29 g), NaOH (5.3 g), Nb2O5 (1.5 g)를 DI water 15ml 와 Ethylene glycol 45ml에 녹인 다음, 나노입자와 시드 무게의 합인 전체 무게 대비 약 0.8~5wt%의 NN seed와 혼합한 후에 반응기에 넣고 200 ℃에서 20시간 동안 반응시켰다. In order to adsorb KNN nanoparticles onto NN seeds, raw material powders of nanoparticles (KOH (29 g), NaOH (5.3 g), Nb 2 O 5 (1.5 g)) were dissolved in 15 ml of DI water and 45 ml of ethylene glycol, and then mixed with approximately 0.8 to 5 wt% of NN seeds based on the total weight of the nanoparticles and seeds, and then placed in a reactor and reacted at 200 °C for 20 hours.

그 후, 물과 에탄올을 사용해서 seed를 세척하여 NaNbO3 seed에 KNN 나노입자가 흡착된 이종구조 시드를 제조하였다. Afterwards, the seeds were washed with water and ethanol to prepare heterostructured seeds in which KNN nanoparticles were adsorbed on NaNbO 3 seeds.

실시예 2 : (K,Na)NbOExample 2: (K,Na)NbO 33 나노입자가 흡착된 BaTiOBaTiO with nanoparticle adsorption 33 (BT)(BT) 이종구조의 seed제조Manufacturing of heterogeneous seed structures

실시예 1에서 NaNbO3 seed대신 BaTiO3 seed를 사용한 것을 제외하고 동일한 공정을 통해 BaTiO3 seed에 KNN 나노입자가 흡착된 이종구조 시드를 제조하였다. A heterostructure seed in which KNN nanoparticles were adsorbed on a BaTiO3 seed was prepared through the same process as in Example 1, except that BaTiO 3 seed was used instead of NaNbO3 seed.

2. 물성 평가 방법 및 그 결과2. Property evaluation method and its results

도 5는 NaNbO3 시드(seed)의 함량 변화에 따른 (K,Na)NbO3 나노입자가 흡착된 이종구조(hetero-structure) 시드(seed)의 XRD 측정 결과이다.Figure 5 shows the XRD measurement results of hetero-structure seeds adsorbed with (K,Na)NbO 3 nanoparticles according to the change in the content of NaNbO 3 seeds.

도 6은 NaNbO3 시드(seed)의 함량 변화에 따른 (K,Na)NbO3 나노입자가 흡착된 이종구조(hetero-structure) 시드(seed)의 SEM 이미지이다. Figure 6 is a SEM image of a heterostructure seed with (K,Na)NbO 3 nanoparticles adsorbed according to the change in the content of NaNbO 3 seeds.

도 5의 XRD 측정 결과는 NaNbO3 (NN) 시드의 함량이 0.8 → 2.2 → 4.3 wt.%로 증가할수록 NN에 (K,Na)NbO3 (KNN) 나노입자가 흡착된 이종구조 시드에서 나노입자의 피크(peak)가 감소하는 경향을 가짐을 보여준다.The XRD measurement results in Fig. 5 show that as the content of NaNbO 3 (NN) seeds increases from 0.8 → 2.2 → 4.3 wt.%, the peak of the nanoparticles in the heterostructure seed in which (K,Na)NbO 3 (KNN) nanoparticles are adsorbed on NN tends to decrease.

다시 말하면 도 5의 XRD 측정 결과는 NN 시드의 함량이 0.8 → 2.2 → 4.3 wt.%로 증가할수록 NN 시드의 표면에 흡착되는 KNN 나노입자의 수가 적어짐을 의미하며, 도 5의 XRD 상기 측정 결과는 도 6의 SEM 이미지에서 관찰된 이종구조 시드 표면에 흡착되는 나노입자의 경향과도 일치한다.In other words, the XRD measurement results of Fig. 5 mean that as the content of NN seeds increases from 0.8 → 2.2 → 4.3 wt.%, the number of KNN nanoparticles adsorbed on the surface of the NN seeds decreases, and the XRD measurement results of Fig. 5 are also consistent with the tendency of nanoparticles adsorbed on the surface of the heterogeneous structure seeds observed in the SEM image of Fig. 6.

도 7은 BaTiO3 (BT) seed 함량 변화에 따른 (K,Na)NbO3 (KNN) 나노입자가 흡착된 이종구조(hetero-structure) 시드(seed)의 XRD 측정 결과이다. Figure 7 shows the XRD measurement results of heterostructure seeds adsorbed with (K,Na)NbO 3 (KNN) nanoparticles according to changes in the BaTiO 3 (BT) seed content.

도 8은 BaTiO3 (BT) seed 함량 변화에 따른 (K,Na)NbO3 (KNN) 나노입자가 흡착된 이종구조(hetero-structure) 시드(seed)의 SEM 이미지이다.Figure 8 is a SEM image of a heterostructure seed with (K,Na)NbO 3 (KNN) nanoparticles adsorbed according to changes in the BaTiO 3 (BT) seed content.

도 5에서의 XRD 측정 결과와 유사하게 도 7의 XRD 측정 결과도 BT 시드의 함량이 1.6 → 4.7 wt.%로 증가할수록 BT에 KNN 나노입자가 흡착된 이종구조 시드에서 나노입자의 피크(peak)가 감소하는 경향을 가짐을 보여준다.Similar to the XRD measurement results in Fig. 5, the XRD measurement results in Fig. 7 also show that as the content of BT seeds increases from 1.6 → 4.7 wt.%, the peak of the nanoparticles in the heterostructure seed in which KNN nanoparticles are adsorbed on BT tends to decrease.

다시 말하면 도 7의 XRD 측정 결과는 BT 시드의 함량이 1.6 → 4.7 wt.%로 증가할수록 BT 시드의 표면에 흡착되는 KNN 나노입자의 수가 적어짐을 의미하며, 도 7의 XRD 상기 측정 결과는 도 8의 SEM 이미지에서 관찰된 이종구조 시드 표면에 흡착되는 나노입자의 경향과도 일치한다.In other words, the XRD measurement results of Fig. 7 mean that as the content of BT seeds increases from 1.6 → 4.7 wt.%, the number of KNN nanoparticles adsorbed on the surface of the BT seeds decreases, and the XRD measurement results of Fig. 7 are also consistent with the tendency of nanoparticles adsorbed on the surface of the heterogeneous structure seeds observed in the SEM image of Fig. 8.

도 9는 Templated Grain Growth (TGG) 공정의 개념도이다.Figure 9 is a conceptual diagram of the Templated Grain Growth (TGG) process.

TGG공정은 도 9에서와 같이 비등방성 형태(주로 평판형태, template)의 시드(seed)를 첨가하여 그레인(grain)을 정렬시키는 방법이다.The TGG process is a method of aligning grains by adding seeds in an anisotropic shape (mainly a flat plate shape, template), as shown in Fig. 9.

구체적으로 먼저 제조하고자 하는 조성의 세라믹 matrix(기지, 본 발명에서는 KNN 세라믹) 분말과 시드를 혼합하여 슬러리를 제조한다.Specifically, first, a slurry is prepared by mixing a ceramic matrix (base, KNN ceramic in the present invention) powder of a composition to be manufactured and a seed.

다음으로, 테이프 캐스팅(tape casting)으로 그린 시트(green sheet)가 제조될 때, 상기 슬러리에 포함된 평판형태의 시드는 블레이드(blade)의 틈을 통과하면서 전단 응력(shear stress)를 받아서 그린 시트(green sheet) 면과 평행하면서 균일하게 누운 형태로 분포하게 되고, 상기 시드들의 사이사이에는 기지 분말이 위치하게 된다.Next, when a green sheet is manufactured by tape casting, the flat seeds included in the slurry are subjected to shear stress as they pass through the gaps of the blades, and are distributed in a uniformly lying form parallel to the surface of the green sheet, and the base powder is positioned between the seeds.

상기 테이프 캐스팅으로 제조된 그린 시트들은 커팅된 후 적층되어 성형체를 형성하게 된다.The green sheets manufactured by the above tape casting are cut and then laminated to form a molded body.

상기 성형체는 후속 소결 공정을 통해 상기 시드를 따라서 상기 기지 분말이 배향성장하게 되어 최종 생성물(product)인 배향성장 소결체로 제조될 수 있다. The above-mentioned molded body can be manufactured into an oriented-growth sintered body, which is the final product, by causing the base powder to be oriented and grown along the seed through a subsequent sintering process.

2차원 형상의 seed가 균일하게 누운 형태로 분포하고 그 사이사이에 matrix 분말이 위치하도록 성형체를 제조하는 것이 우선적으로 필요하므로, 이를 위해서 테이프 케스팅(tape casting)을 통해 tape형태로 뽑은 다음, 커팅하고 적층하여 성형체를 만든다. 그 다음 소결을 진행해서 seed를 따라서 matrix 분말이 배향성장하도록 하여 배향성장 소결체를 제조할 수 있다. It is necessary to first manufacture a molded body in which two-dimensional seeds are uniformly distributed in a lying down form and matrix powder is positioned between them. To this end, tape casting is used to produce a tape shape, which is then cut and laminated to produce a molded body. Then, sintering is performed to allow the matrix powder to grow along the seeds in an oriented manner, thereby manufacturing an oriented-growth sintered body.

도 10은 NaNbO3 seed(비교예 1에 해당) 함량을 변화시켜 제조한 KNN 배향세라믹의 XRD 측정 결과이다.Figure 10 shows the XRD measurement results of KNN oriented ceramics manufactured by changing the content of NaNbO 3 seed (corresponding to Comparative Example 1).

도 11은 NaNbO3 기반 이종구조(hetero-structure) 시드(seed)(실시예 1에 해당)를 활용하여 제조한 KNN 배향세라믹의 XRD 측정 결과이다.Figure 11 shows the XRD measurement results of KNN oriented ceramics manufactured using NaNbO 3 based heterostructure seeds (corresponding to Example 1).

먼저 도 10에서와 도시하는 바와 같이 비교예 1에서의 NaNbO3 seed(다시 말하면 시드 표면에 KNN 나노 입자를 흡착하지 않은 시드)만 이용하여 KNN matrix분말과 함께 TGG 공정을 거치면, seed 함량이 증가할수록 Lotgering factor (LF)가 증가하여 배향성장이 더 잘 이루어 짐을 알 수 있다. First, as shown in Fig. 10, when only the NaNbO 3 seed (i.e., the seed that does not adsorb KNN nanoparticles on the seed surface) of Comparative Example 1 is used and the TGG process is performed together with the KNN matrix powder, it can be seen that as the seed content increases, the Lotgering factor (LF) increases, resulting in better oriented growth.

반면 도 11에서와 같이 본 발명의 실시예 1에서의 NaNbO3 기반 이종구조(hetero-structure) 시드를 이용하여 KNN matrix 분말과 함께 TGG 공정을 거치면, 동일한 시드 함량 조건에서 실시예 1의 시드에 의한 KNN 배향 세라믹이 비교예 1의 시드에 의한 KNN 배향 세라믹 대비 더 높은 Lotgering factor (LF) 값을 가짐을 알 수 있다.On the other hand, as shown in Fig. 11, when the NaNbO 3- based heterostructure seed of Example 1 of the present invention is used and the TGG process is performed together with the KNN matrix powder, it can be seen that the KNN-oriented ceramic by the seed of Example 1 has a higher Lotgering factor (LF) value than the KNN-oriented ceramic by the seed of Comparative Example 1 under the same seed content conditions.

상기 배향도, 즉, 로저링 팩터(Lotgering factor, LF)는 하기의 식으로 정의될 수 있다.The above orientation factor, i.e., the Lottering factor (LF), can be defined by the following equation.

Lotgering factor(LF)는 상기 식에서 F(00l)로 표현될 수 있으며, 샘플이 (00l) 방향으로 얼만큼 배향이 되어있는지를 X선 회절(X-ray diffraction) 데이터 기반으로 계산된다.The Lotgering factor (LF) can be expressed as F(00l) in the above equation, and is calculated based on X-ray diffraction data to determine how much the sample is oriented in the (00l) direction.

상기 식에서 Po는 랜덤으로 존재하는 분말 XRD 결과라 할 수 있는데, 이 때 분모는 모든 hkl 면에서 측정되는 XRD 피크(peak)의 강도(intensity) 합을 나타내고, 분자는 그 중에서 (00l) 면의 피크 강도(peak intensity)의 합(예를 들면 001, 002, 003, 등등)을 나타낸다.In the above formula, Po can be said to be a randomly existing powder XRD result, where the denominator represents the sum of the intensities of XRD peaks measured on all hkl planes, and the numerator represents the sum of the peak intensities of the (00l) plane among them (e.g., 001, 002, 003, etc.).

다시 말하면 Po는 랜덤(random)으로 존재하는 분말의 X선 회절 데이터에서 (001)면이 전체 면의 강도(intensity)의 합 대비 얼마만큼 나타나는 가를 의미하며, 상기 Po의 값이 기준 값이 된다. In other words, Po refers to how much the (001) plane appears in the X-ray diffraction data of a randomly existing powder compared to the sum of the intensities of all planes, and the value of Po serves as a reference value.

만약 샘플이 랜덤하게 배향되어 있다면(즉 무배향), P = Po로 계산될 것이므로 F001은 상기 식에 의해서 분자가 zero가 되어 0의 값을 가지게 된다. If the sample is randomly oriented (i.e., unoriented), then P = Po will be calculated, and F001 will have a value of 0 because the numerator becomes zero according to the above formula.

반면 샘플이 모두 (001) 피크만 관찰되어서 P값이 1이 된다면, F001 = 1 (100%)로 계산된다. On the other hand, if all samples observe only the (001) peak and the P value is 1, F001 = 1 (100%) is calculated.

결국 샘플이 시드(seed)인지 배향된 세라믹인지에 상관없이, LF값을 측정하면 샘플의 (001) 방향으로 배향된 정도를 알 수 있게 된다.Ultimately, regardless of whether the sample is a seed or an oriented ceramic, measuring the LF value provides an indication of the degree of orientation in the (001) direction of the sample.

도 10 및 11의 결과는, 본 발명에서의 상기 이종구조(hetero-structure) 시드가 종래의 시드 대비 KNN 배향 세라믹의 배향성장에 있어 더 우수함(LF값 증가)을 직접적으로 입증하는 것이다.The results in Figures 10 and 11 directly demonstrate that the heterostructure seed of the present invention is superior (increased LF value) to the conventional seed in the orientation growth of KNN-oriented ceramics.

도 12는 종래의 시드와 본 발명의 이종구조(hetero-structure) 시드(seed) 함량에 따른 배향세라믹의 밀도 및 압전상수(d33) 변화를 나타낸다.Figure 12 shows the change in density and piezoelectric constant (d 33 ) of oriented ceramics according to the content of conventional seeds and heterostructure seeds of the present invention.

제조된 배향세라믹의 압전특성을 비교해보면, 시드의 함량이 동일한 경우 본 발명에서의 상기 이종구조(hetero-structure) 시드를 활용한 경우가 종래의 NN 시드를 활용한 경우보다 더 높은 압전상수(d33) 값을 보이는 것을 확인하였다. When comparing the piezoelectric properties of the manufactured orientation ceramics, it was confirmed that when the seed content is the same, the case using the heterostructure seed of the present invention shows a higher piezoelectric constant (d 33 ) value than when using the conventional NN seed.

다만 시드 함량이 6에서 10wt%로 증가할 때 본 발명에서의 상기 이종구조(hetero-structure) 시드를 활용한 경우와 종래의 NN 시드를 활용한 경우에서 모두 압전 특성이 다소 감소하는 것으로 측정되었다.However, when the seed content increases from 6 to 10 wt%, it was measured that the piezoelectric properties decrease somewhat in both the case of utilizing the heterostructure seed of the present invention and the case of utilizing the conventional NN seed.

이는 본 발명에서의 상기 실시예에서의 이종구조(hetero-structure) 시드와 종래의 NN 시드 모두 NN 시드 자체가 압전특성이 매우 낮기 때문에 시드의 함량 증가 시 비록 배향성은 소폭 증가한다 하더라도 시드 자체의 낮은 압전특성으로 인해 배향된 세라믹의 압전특성은 감소하게 되는 것으로 판단된다. This is because both the heterostructure seed in the above-described embodiment of the present invention and the conventional NN seed have very low piezoelectric properties, so even if the orientation slightly increases when the seed content increases, the piezoelectric properties of the oriented ceramic decrease due to the low piezoelectric properties of the seed itself.

한편 도 10과 도 12의 결과로부터 비교예 1에서의 NaNbO3 시드(다시 말하면 시드 표면에 KNN 나노 입자를 흡착하지 않은 시드)를 이용하에 제조된 KNN 세라믹은 시드의 함량을 10% 이상 포함하여도 배향도를 나타내는 L.F 값이 91%를 넘기지 않음을 알 수 있다. 나아가 최종 KNN 세라믹의 압전상수(d33) 값도 최대 130 이하인 것을 확인하였다.Meanwhile, from the results of FIGS. 10 and 12, it can be seen that the KNN ceramic manufactured using the NaNbO 3 seed (i.e., the seed that does not adsorb KNN nanoparticles on the seed surface) in Comparative Example 1 does not have an LF value indicating the degree of orientation exceeding 91% even if the seed content is 10% or more. Furthermore, it was confirmed that the piezoelectric constant (d 33 ) value of the final KNN ceramic is also 130 or less at most.

반면 도 11과 도 12의 결과로부터 본 발명의 실시예 1에서의 NaNbO3 기반 이종구조(hetero-structure) 시드를 이용하여 제조된 KNN 세라믹은 시드의 함량이 6% 이상인 경우부터 비교예에서는 달성할 수 없는 L.F 값 기준 92% 이상의 높은 배향도를 가지는 것으로 측정되었다. 나아가 최종 KNN 세라믹의 압전상수(d33) 값도 150 이상을 안정적으로 확보할 수 있는 것으로 확인하였다.On the other hand, from the results of FIGS. 11 and 12, it was measured that the KNN ceramic manufactured using the NaNbO 3 based heterostructure seed in Example 1 of the present invention had a high orientation degree of 92% or higher based on the LF value, which could not be achieved in the comparative example, when the seed content was 6% or higher. Furthermore, it was confirmed that the piezoelectric constant (d 33 ) value of the final KNN ceramic could stably secure 150 or higher.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.Although the present invention has been described with reference to the drawings as examples, it is obvious that the present invention is not limited to the embodiments and drawings disclosed in this specification, and that various modifications can be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. In addition, even if the effects according to the configuration of the present invention were not explicitly described while describing the embodiments of the present invention, it is natural that the effects predictable by the corresponding configuration should also be recognized.

Claims (11)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete (a) 페로브스카이트(ABO3) 구조의 시드를 제조하는 단계;
(b) 상기 페로브스카이트 시드와 나노입자용 원료분말을 혼합한 후 용매열(solvo-thermal) 합성하는 단계;
(c) 상기 (b) 합성하는 단계에서 형성된 상기 페로브스카이트 구조의 시드 표면에 흡착된 (K,Na)NbO3 (KNN) 조성을 가지는 나노입자를 포함하는 이종구조 시드를 세척하는 단계;
를 포함하는 이종구조 시드의 제조 방법.
(a) a step of manufacturing a seed having a perovskite (ABO 3 ) structure;
(b) a step of mixing the perovskite seed and raw material powder for nanoparticles and then performing solvo-thermal synthesis;
(c) a step of washing a heterostructure seed including nanoparticles having a composition of (K,Na)NbO 3 (KNN) adsorbed on the seed surface of the perovskite structure formed in the synthesizing step (b);
A method for producing a heterostructure seed comprising:
제5항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 제조된 페로브스카이트 구조의 시드는 BaTiO3 (BT), (K,Na)NbO3 (KNN), NaNbO3 (NN) 중 적어도 하나를 포함하는 제조 방법.
In paragraph 5,
A manufacturing method in which the seed of the perovskite structure manufactured in the step (a) above includes at least one of BaTiO 3 (BT), (K,Na)NbO 3 (KNN), and NaNbO 3 (NN).
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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