[논문]Y 치환에 따른 Pb(Ni1/3Nb2/3)-PbZrO3-PbTiO3 세라믹의 압전특성 및 적층형 압전 액츄에이터 응용

권정호; 최문석; 이대수; 정연학; 김일원; 송재성; 정순종; 이재신

doi:10.4313/jkem.2004.17.2.184

Y 치환에 따른 Pb(Ni1/3Nb2/3)-PbZrO3-PbTiO3 세라믹의 압전특성 및 적층형 압전 액츄에이터 응용
Piezoelectric Properties of Y-Substituted Pb(Ni1/3Nb2/3)-PbZrO3-PbTiO3 Ceramics and Their Application to Multilayer Piezoelectric Actuators 원문보기

The effects of $Y_2$ $O_3$-substitution on the piezoelectric properties of Pb[(N $i_{1}$3/N $b_{2}$3/)$_{0.15}$(Z $r_{1}$2/ $Ti_{1}$2/)$_{0.85}$] $O_3$ceramics were investigated. It was found that $Y^{3+}$ ions incorporate into Pb-sites of the ceramics, resulting in a increased lattice anisotropy and formation of Pb-vacancies. As a result, an orthorhombic-tetragonal phase transition was induced when $\chi$>0.005. At the morphotropic phase boundary of x=0.005, piezoelectric constants( $k_{p}$, $k_{33}$, and $d_{33}$) showed maximum values of 0.53, 0.58, and 350pC/N, respectively. A 30-layer actuator fabricated with the above material showed a maximum strain of 0.12％ under 100V DC bias.

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문제 정의

85Pb(ZrxTi庭(方를 선택하였다. 또한 상기 소재를 이용하여 단판형과 적층형 액츄에이터를 제작하여 전계유기 왜형 특성을 살펴봄으로써 적층형 압전액츄에이터의 응용 가능성도 살펴보았다.
이상과 같은 배경에서 본 연구에서는 2성분계 PZ-PT계 대신에 삼성분계 PNN-PZ-PT 계에 대한 Y 치환 효과를 살펴보았다. 삼성분계 기본 조성은 예비실험을 통하여 d33가 400pC/N로 비교적 높은 0.

가설 설정

따라서 perovskite 구조에서 4배위 자리인 B-site 보다 6 배위 자리인 Pb-site에 치환 될 것으로 보인다. 二1 림에서 Y 치환량이 증가함에 따라 단위 격자 체적이 감소한 결과 또한 이러한 가정을 뒷받침한다. 그러나 원자가가 3가인 丫3‘ 이온이 2가인 A-site의 Pb2* 자리에 치환됨으로써 전하중성을 위해 Pb2' 자리의 공공이 생성된다[7丄 따라서 Y가 치환됨에 따라 격자비틀림이 유발되고 내부 응력이 증가하므로, 이를 해소하기 위해 사방정-정방정 상전이가(일어난 것으로 사료된다[9].

제안 방법

적층형 압전액츄에이터의 응용을 위해 Y"이온의 치환량 X를 0-0.05 범 위 에서 변화시켜 얻은 PNN-PZT 세라믹스의 소결특성 및 압전, 전계 유기변형 특성을 살펴 보았다. Y를 치환한 결과 Y* 이온은 Pb2* 자리에 치환되어 PNN-PZT 세라믹스의 사방정-정방정 상전이를 유발하였고, 소결성을 향상시켜 입도와 밀도를 향상시 켰匸]■.
PYNN-PZT 분말에 용매와 분산제를 첨가하여 24시간 동안 1차 혼합한 후 결합제와 가소제를 첨가하여 다시 24시간 동안 2차 혼합하여 세라믹 슬러리를 제조하였다. 탈포과정을 거친 슬러리를 이용하여, 높이가 200/zm인 doctor blade 장치로 green sheet 를 제작한 후 30층을 Ag/Pd (80/20)전극과 교대로 적층하여 loLxi0WxL7T(mm) 의 크기로 절단하고 소결하였다.
33-meter (CPDT 3300, Channel Products)를 이용하여 압전상수(da) 를 측정하였다. SEM과 XRD로 시편의 미세구조와 결정구조를 각각 분석하였고, He-Ne 레이저광 간섭계를 이용하여 시료의 전계유기 왜형율을 측정하였다.
분극처리한 시편을 상온에서 24시간 유지한 후 impedance analyzer (HP 4194A)를 이용하여 공진 및 반공진법으로 전기 기 계 결합계수(kp, k33)를 측정하였으며, Berlincourt Piezo d.33-meter (CPDT 3300, Channel Products)를 이용하여 압전상수(da) 를 측정하였다. SEM과 XRD로 시편의 미세구조와 결정구조를 각각 분석하였고, He-Ne 레이저광 간섭계를 이용하여 시료의 전계유기 왜형율을 측정하였다.
% PVA를 결합제로 첨가하여 약 lOOMPa의 압력하에서 직경이 18mm인 원판형 성형체를 만든 다음, 1000℃에서 2시간 동안 소결하였다. 얻어진 소결체를 두께가 1mm가 되도록 표면을 연마하고, 양면에 Ag 전극을 부착한 다음, 12CTC의 실리콘 절연유에 담그어 3kV/mm 전계를 30분간 인가하여 분극처리를 하였다.
큐리점은 상대유전율이 최 대가 되는 온도를 측정하여 구하였다. 상대유전율은 사방정 구조일 때 정방정구조 보다 높은 값을 나타내었다.
PYNN-PZT 분말에 용매와 분산제를 첨가하여 24시간 동안 1차 혼합한 후 결합제와 가소제를 첨가하여 다시 24시간 동안 2차 혼합하여 세라믹 슬러리를 제조하였다. 탈포과정을 거친 슬러리를 이용하여, 높이가 200/zm인 doctor blade 장치로 green sheet 를 제작한 후 30층을 Ag/Pd (80/20)전극과 교대로 적층하여 loLxi0WxL7T(mm) 의 크기로 절단하고 소결하였다. 소결체를 역시 3kV/mm의 전계하에서 30분간 분극처리하였다.

대상 데이터

Y 치환 효과를 살펴보았다. 삼성분계 기본 조성은 예비실험을 통하여 d33가 400pC/N로 비교적 높은 0.15Pb(Ni"Nb2/3)O₃-0.85Pb(ZrxTi庭(方를 선택하였다. 또한 상기 소재를 이용하여 단판형과 적층형 액츄에이터를 제작하여 전계유기 왜형 특성을 살펴봄으로써 적층형 압전액츄에이터의 응용 가능성도 살펴보았다.
순도가 99.9%이상인 PbO, Y2O₃, NiO, Nb2O5, ZrO2, TiO₂ 분말을 출발원료로 사용하였다. B-site 원소의 산화물인 NiNb2O₆ 및 ZrTiQ 상을 1100笆 에서 고상반응법으로 제조한 후 PbO 와 丫2。3분 말을 첨가하여 24시간동안 습식 혼합한 후, 850℃ 에서 2시간동안 2차 하소를 하였다.

이론/모형

적층형 압전액츄에이터 제작에 테이프주입법을 이용하였다. PYNN-PZT 분말에 용매와 분산제를 첨가하여 24시간 동안 1차 혼합한 후 결합제와 가소제를 첨가하여 다시 24시간 동안 2차 혼합하여 세라믹 슬러리를 제조하였다.

성능/효과

계산치는 실측치보다 약 20% 정도 높은 결과를 보였지만 Y 치환량의 변화에 따른 변화 경향은 실측치와 잘 일치한다. 상경계인 x=0.
전반적으로 치밀한 미세조직을 나타내었으나 평균입도는 Y가 치환되지 않은 PMN-PZT 의 경우 L&加에서 x=0.005일 때 2.1 剛로 증가하였다가 그 이상 X가 증가하면 입도가 감소하였다. 이러한 결과는 두 가지 상반된 영 향에 의한 것으로 보인다.

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