[논문]저온소결 Pb0.76Ca0.24[(Mn1/3Sb2/3)0.04Ti0.96]O3 세라믹스의 분극전계에 따른 압전특성

정광현; 유경진; 류주현; 조봉희; 윤현상; 백동수

doi:10.4313/jkem.2006.19.3.228

저온소결 Pb0.76Ca0.24[(Mn1/3Sb2/3)0.04Ti0.96]O3 세라믹스의 분극전계에 따른 압전특성
Piezoelectric Characteristics of Low temperature Sintering Pb0.76Ca0.24[(Mn1/3Sb2/3)0.04Ti0.96]O3 Ceramics With the Variation of Poling Field 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.19 no.3, 2006년, pp.228 - 232

정광현 (세명대학교 전기공학과) , 유경진 (세명대학교 전기공학과) , 류주현 (세명대학교 전기공학과) , 조봉희 (수원대학교 전기공학과) , 윤현상 (경문대학 철도전기과) , 백동수 ((주)이투에스)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, in order to develop low temperature sintering $PbTiO_3$-system piezoelectric ceramics for thickness-vibration-mode piezoelectric transformer, $Pb_{0.76}Ca_{0.24}[(Mn_{1/3}Sb_{2/3})_{0.04}Ti_{0.96}]O_3$ ceramics using $0.25\;wt\%\;CaCO_3$ and $0.2\;wt\%\;Li_{2}CO_3$ as sintering aids were manufactured according to the variation of poling field. The specimens could be sintered at $930\;^{\circ}C$. The piezoelectric properties were investigated according to the poling field. The maximum properties showed at the field of 6.5 kV/mm, which had kt of 0.49, Qmt of 1816, and $d_{33}$ of 81.4 pC/N.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나, 순수한 PbTiQj계 세라믹스는 큐리온도가 490 °C 로 매우 높고, 큰 격자 왜형 (c/a) 및 비저항이 IO, - 108 Q/cm으로 대단히 작기 때문에 분극 (poling) 이 어렵다는 단점을^ 가지고 있다[6, 7]. 따라서, 본 연구에서는 이를 개선시키기 위하여 CaCO₃ 및 Pb (Mm/3 Sb2/3)O₃ 를 적정량 치환하고, 동시에 저온 소결 특성을 조사하기 위하여 소결 조제로서 CaCO₃ 및 Li2CO₃ 를 첨가하여 분극 전계에 따른 압전특성을 조사하였다.
본 연구에서는 두께진동모드 적층형 압전변압기에 적용하기 위한 저온 소결 압전세라믹스를 개발하기 위하여 Pbo.76Cao.24[(Mni/3Sb2/3)0.04Tio.96]03 세라믹스에 소결 조제로서 CaCO₃와 Li£O₃를 첨가하고 분극전계에 따라 시편을 제작하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

성형된 시편을 600 °C에서 3시간 동안 결합제를 휘발시킨 뒤, 930 °C의 온도에서 1시간 30분간 소결하였다. 시편의 전기적 특성을 측정하기 위하여 1 mm의 두께로 연마하고 Ag 전극을 도포한 뒤, 열처리 후 120 笆의 절연유 속에서 4~7 kV/mm의 직류전계를 30분간 인가하여 분극처리를 하였으며, 24시간 후에 제 특성을 측정하였다. 유전특성을 조사하기 위하여 LCR meter(ANDO AG-4304)를 사용하였고, 시편의 결정구조는 XRD(Rigaku)를 통해 분석하였으며, 또한 IRE 규정에 따라 Impedance Analyzer(Agilent 4294A)로 공진 및 반공진 주파수와 공진저항을 측정하여 전기기계결합계수(kt)와 기계적 품질계수QG를 산출하였고, d33-meter(APC) 를 사용하여 압전상수를 측정하였으며, Sawyer- Tower 회로를 이용해 Hysterisis 특성을 측정하였다.
시편의 전기적 특성을 측정하기 위하여 1 mm의 두께로 연마하고 Ag 전극을 도포한 뒤, 열처리 후 120 笆의 절연유 속에서 4~7 kV/mm의 직류전계를 30분간 인가하여 분극처리를 하였으며, 24시간 후에 제 특성을 측정하였다. 유전특성을 조사하기 위하여 LCR meter(ANDO AG-4304)를 사용하였고, 시편의 결정구조는 XRD(Rigaku)를 통해 분석하였으며, 또한 IRE 규정에 따라 Impedance Analyzer(Agilent 4294A)로 공진 및 반공진 주파수와 공진저항을 측정하여 전기기계결합계수(kt)와 기계적 품질계수QG를 산출하였고, d33-meter(APC) 를 사용하여 압전상수를 측정하였으며, Sawyer- Tower 회로를 이용해 Hysterisis 특성을 측정하였다.
조성에 따른 시료는 10-4 g까지 평량하여 아세톤을 분산매로 3 mm zirconia ball을 사용하여 24시간 동안 혼합, 분쇄 후 건조한 뒤, 알루미나 도가니에서 900 °C에서 2시간 하소하였다. 하소한 분말에 소결 조제로서 0.
900 °C에서 2시간 하소하였다. 하소한 분말에 소결 조제로서 0.25 wt% CaCOa 와 0.2 wt% Li2CO₃를 첨가하고 24시간 동안 재혼합, 분쇄 후 건조하여, PVA(5 % 수용액) 8 %를 첨가하고 13 mmij 몰더로 1 ton/cm²의 압력으로 성형하였다. 성형된 시편을 600 °C에서 3시간 동안 결합제를 휘발시킨 뒤, 930 °C의 온도에서 1시간 30분간 소결하였다.

대상 데이터

그림 2는 930 笆의 소결 온도에서 제작된 시편의 결정구조를 나타낸 것이다. 제작된 시편은 특성피크인 (002), (200) 피크를 나타내며 정방 정상의 상 특성을 나타냈고, 2 차상은 발견되지 않았다. 격자상수는 각각 a=3.

이론/모형

본 실험의 기본조성 식은 다음과 같으며 산화물 혼합법으로 시편을 제조하였다.

성능/효과

2. 제작된 시편은 정방 정상의 상특성을 나타내었고 상전이 온도는 325 °C에서 나타났으며, 잔류분극 (Pr) 및 항전계(Ec)는 각각 8.5 uC/cm² , 15 kV/cm로 측정되었다.
3. 분극 전계의 증가에 따라 분극 효율의 증가로 압전특성은 증가하는 특성을 나타냈으며, 7 kV/mm이상의 전계에서는 분극 할 수 없었다.
4. 6.5 kV/mm의 분극 전계 하에서 압전특성은 kt= 0.495, dB=81.4 pC/N, Qmt=1816으로 가장 우수한 특성을 나타내었다.
결과적으로, 표 1에서 알 수 있듯이 분극 전계의 증가에 의하여 시편의 압전특성은 향상되는 경향을 나타냈으며, 6.5 kV/mm분극 전계에서에서 최적의 압전특성을 보였다.
73 g/cm³ 의 밀도를 나타내며 소결될 수 있었다. 따라서, 본 실험에 소결조제로서 적용한 CaCO₃와 LizCQs는변성 PbTiO₃ 계의 저온 소결을 유도하는 데 적합한 것으로 판단된다. 그림 1은 930 °C의 소결 온도에서 제작된 시편의 미세구조를 나타낸 것이다.
그림 5는 제작된 시편의 분극전계에 따른 기계적품질계수(Qmt)를 나타낸 것이다. 분극 전계의 증가에 의하여 5 kV/mm까지는 도메인 이동도의 증가로 인하여 다소 감소하는 특성을 나타내었고, 그 이상에서는 도메인의 안정화로 증가하여 6.5 kV/mm의 전계시 1816으로최대값을 나타냈으며, 7 kV/mm에서는 과잉전계에 의한 미소 크랙(crack) 발생과 더불어 누설전류로 인하여 크게 감소하는 특성을 나타내었匸卜.
그림 4는 제작된 시편의 분극 전계에 따른 압전상수(C₁₃3)를 나타낸 것이다. 분극전계의 증가에 따라 분극 효율의 증가로 압전상수는 전기 기계결합계수와 같은 경향으로 증가하는 특성을 나타내었으며, 6.5 kV/mm 시 81.4 pC/N 으로 최대값을 나타내었다. 그림 5는 제작된 시편의 분극전계에 따른 기계적품질계수(Qmt)를 나타낸 것이다.
나타낸 것이다. 분극전계의 증가에 따라 전기 기계결합계수는 증가하여, 5.5 kV /mm이상 인가시 점차 포화하는 특성을 나타냈으며, 6.5 kV/mm에서 0.49로 최대값을 나타냈다. 또한, 7 kV/mm 이상의 전계하에서는 누설전류의 발생으로 분극할 수 없었다.
또한, 7 kV/mm 이상의 전계하에서는 누설전류의 발생으로 분극할 수 없었다. 이러한 결과는 분극 전계의 증가에 의한 도메인의 이동도가 증가하여 분극 229효율이 증가한 것으로 생각되며, 3.61 시Qm으로측정된 시편의 비저항으로 볼 때, 7 kV/mm 이상의 전계 하에서는 누설전류의 발생으로 분극처리를 할 수 없는 것으로 판단된다. 그림 4는 제작된 시편의 분극 전계에 따른 압전상수(C₁₃3)를 나타낸 것이다.

후속연구

분극 전계의 증가에 따라 유전 상수는 감소하는 특성을 나타내었다. 이러한 결과는 분극전계의 증가로 인한 누설전류의 증가와 결정립 경계에서의 공간전하분극에 기인하여 유전 상수가 감소된 것으로 판단되몌8-1이, 이에 대한 더 많은 연구가 필요할 것으로 생각된다. 그림 7은 120 °C의 온도에서 측정된 시편의 히스테리시스 곡선을 나타낸 것이다.

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
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Y. D. Hou, M. K. Zhu, C. S. Tian, and H. Yan 'Structure and electrical properties of PMZN-PZT ceramics for piezoelectric transformers', Sens. Actu. A, Vol. 116, Iss. 3, p. 445, 2004
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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