[논문]분극전계가 모포트로픽 상경계 부근의 PZT 세라믹스의 공진주파수의 온도의존성에 미치는 영향

양정보; 양완석; 이개명

분극전계가 모포트로픽 상경계 부근의 PZT 세라믹스의 공진주파수의 온도의존성에 미치는 영향
The Effect of Poling Strength on Temperature Dependence of Resonance Frequency of PZT Ceramics Near the Morphotropic Phase Boundary 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.57 no.7, 2008년, pp.1213 - 1217

양정보 (한국전기안전공사 제주지사) , 양완석 (제주대 공대 전기전자공학부) , 이개명 (제주대 전기전자공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Poling is an important process in fabricating PZT ceramic devices such as filters and resonators and activates piezoelectricity to sintered PZT ceramics. Tolerance of the operating frequency of these devices is tightly required in applications. And a factor to attribute the tolerance is the temperature dependence of the resonance frequency of PZT ceramics. In this paper the relationship of poling strength and temperature dependence of resonance frequency of PZT specimens was studied. The $Pb(Zr_{0.53}Ti_{0.47})O_3$ ceramics were fabricated and the poling strengths were chosen to be 0.5, 1.5, 2.5 and 3.5 [kV/mm]. The dielectric constant of the specimen poled in poling strength 0.5 [kV/mm] was less than that of unpoled specimen and the specimen poled in higher electric field had the higher dielectric constant. (002) peak in X-ray diffraction patterns of the specimens increased as poling strength increased. And the change of resonance frequency of the specimens according to the variation of temperature was measured. Resonance frequency of all specimens increased as the temperature increased. The specimen poled in higher electric field had the smaller positive temperature coefficient of resonance frequency. The effect that temperature coefficient of resonance frequency becomes smaller is obtained when Zr mole in PZT composition equation increase. Controlling the poling strength is believed to be a method to adjust the temperature stability of resonance frequency of the PZT ceramic devices.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

부여하는 핵심적인 공정 중의 하나이다. 본 논문에서는 모포트로픽 상경계 영역을 갖는 이성분계 PZT세라믹스 시편에 대해 분극전계의 크기가 공진주파수의 온도의존성에 어떤 영향을 미치는 지를 조사하였다.
없다. 본 논문에서는 분극전계의 크기의 차이가 모포트로픽 상경계 조성의 PZT 압전세라믹 공진자의 공진주파수의 온도 의존성에 어떤 영향을 주는지 조사하고자 한다, 특히 분극공정이라는 변수가 공진주파수의 온도특성에 미치는 영향을 보다 분명히 관찰하기 위하여 조성에 따른 공진주파수의 온도 특성이 급변하는 영역 즉 PZT 의 모포트로픽 상경계영역에서 조성을 선택하여 실험하였다.
이는 조성상에서 Zr의 비율이 증가하는 것과 같은 효과이다. 본 논문에서는 의도적으로 공진주파수의 온도계수가 급변하는 조성 즉 모포트로픽 상경계 조성 Zr/Ti=53/47을 선택하여 분극전계의 크기가 공진주파수의 온도계수에 미치는 영향을 조사하였다. 실험결과는 분극전계에 따른 분명한 경향성을 보여주었다.
5[kV/mm]인 시편의 경우에는 (002)피크가 (200)피크보다 높아짐을 보여준다. 본 실험에서는 분극 후 전극을 제거하고 폴리싱한 다음 시간이 24시간 이상 충분히 경과 후 전극이 부착되었던 면에 대해 측정한 결과이다. 한편 X-ray 회절 실험 데이터에서 인가전계의 크기에 따라 연속적으로 피크치가 변화하는 실험결과는 A.

제안 방법

PZT 덩어리시료에 대해 X-ray회절장치(RI D/MAX2200)를 사용하여 X-ray 회절분석을 하였다. 시료의 X-ray 회절 분석은 기존에는 분말시료에 대한 시험이 일반적이었으나 최근에 세라믹기판 시료에 대한 시험이 이루어지고 있다.
Pb(ZrxTi1-x)O₃ 조성식에서 Zr/Ti비를 각각 51/49, 52/48, 53/47, 54/46, 55/45인 조성을 택하여 분말을 산화물 혼합법으로 제조하였고, 이 PZT분말을 사용하여 보통 소성법으로 시편을 제작하였다.
값의 변화를 측정하였다. 공진주파수의 온도에 따른 변화율을 분석하기 위해 30[℃]일 때 공진주파수를 기준으로 하여 10[℃] 간격으로 측정된 공진주파수의 변화율을 구하였다.
공진주파수의 온도의존성을 살펴보기 위해 항온조와 network-analyzer를 사용하여 온도변화에 따른 공진주파수 변화를 측정하였다.
공진주파수의 측정은 항온조의 온도를 -20[℃]부터 80[℃]까지 2~3[℃/min]의 속도로 상승시키면서 10[℃] 간격으로 이들 값의 변화를 측정하였다. 공진주파수의 온도에 따른 변화율을 분석하기 위해 30[℃]일 때 공진주파수를 기준으로 하여 10[℃] 간격으로 측정된 공진주파수의 변화율을 구하였다.
이것은 덩어리 상태의 시편을 파우더 상태로 만드는 과정에서 기계적인 충격이 가해져 결정상의 변화가 야기되는 것을 피하기 위해서이다. 또 A. Yamada 등의 지적에 따라 그라인딩 과정 중에 변질된 시편 표면을 제거하기 위해 그라인딩 된 시료의 표면을 폴리싱하여 X-ray 회절분석을 하였다[11].
분극공정은 시편을 90[℃] 실리콘유 중에서 0.5, 1.5, 2.5, 3.5 [kV/mm]의 직류전계로 30분간 고온 분극하였고 이때 실리콘유의 온도를 상온까지 낮춘 후 직류전계를 제거하여 시편에 열충격이 가해지지 않도록 하였다[8]. 분극처리한 다음 24시간 이상 경과 후 시편의 특성을 측정하였다.
분극전계는 0.5, 1.5, 2.5, 3.5[kV/mm]로 설정하여 실험하였다. 그림 5로부터 예상과 같이 분극전계가 높을 수록전기 기 계결합계수가 증가하였다.
3.3 X-ray 회절 분석

분극전계에 따른 X-ray 회절분석 패턴의 변화를 조사하였다. 그림 6에 모포트로픽 상경계 부근의 Zr/Ti=53/47 조성 시편에 대해 분극전계의 크기에 따른 X-ray 회절시험 결과를 2θ가 42°~45°인 범위에 걸쳐 나타내었다.
5 [kV/mm]의 직류전계로 30분간 고온 분극하였고 이때 실리콘유의 온도를 상온까지 낮춘 후 직류전계를 제거하여 시편에 열충격이 가해지지 않도록 하였다[8]. 분극처리한 다음 24시간 이상 경과 후 시편의 특성을 측정하였다.

대상 데이터

상경계에 가까운 Pb(Zr0.53Ti0.47)O₃ 세라믹스를 보통소성법으로 제작하였으며, 분극전계를 4단계 0.5, 1.5, 2.5, 3.5[kV/mm]로 선택하였고 고온 분극처리하여 시편을 준비하였다. 유전율은 0.

성능/효과

5[kV/mm]로 분극된 각 조성 시편의 분극 전후 유전율을 나타내고 있다. 능면체 결정 구조를 갖는 Zr/Ti-55/45, 56/44 조성은 분극 후 유전율이 감소하고, 나머지 상경계와 정방정계의 결정구조를 갖는 Zr/Ti=53/47, 52/48, 51/49 조성의 시편은 분극 후 유전율이 증가함을 알 수 있다. 이는 H.
5[kV/mm]로 분극하였을 경우 분극전보다 감소하였고, 분극전계를 높일수록 증가하였다. 덩어리 시료에 대한 X-ray회절실험결과는 분극전계가 높아갈수록 (002) 피크가 높아짐을 보여주었다. 시편의 측정온도를 높일수록 시편의 공진주파수가 상승하였고, 즉 공진주파수의 온도에 대한 변화기울기인 온도계수가 양(+)의 값이었다.
덩어리 시료에 대한 X-ray회절실험결과는 분극전계가 높아갈수록 (002) 피크가 높아짐을 보여주었다. 시편의 측정온도를 높일수록 시편의 공진주파수가 상승하였고, 즉 공진주파수의 온도에 대한 변화기울기인 온도계수가 양(+)의 값이었다. 또 분극전계가 높아갈수록 이 온도계수가 점차 감소하여 영(0)에 접근하였다.
5[kV/mm]로 동일하다. 실험결과는 예상과 같이 모포트로픽 상경계에 가까운 Zr/Ti=53/47 조성에서 전기계결합계수가 가장 높았고 상경계로부터 멀어질수록 낮아 졌다.
5[kV/mm] 전계로 동일하게 분극하였다. 이 결과로 부터 Zr/Ti=53/47 조성 부근에서 온도계수가, 즉 직선의 기울기가 양(+)에서 음(-)으로 바뀌며, Zr/Ti=53/47, 54/46 조성 사이에 온도계수가, 즉 직선의 기울기가 0이 되는 조성이 있음을 알 수 있다. 앞에서 기술한 유전율과 전기계결합계수에 대한 실험결과는 모포트로픽 상경계 Zr/Ti=53/47 부근임을 보여주었다.
나타내었다. 이 실험결과부터 분극전계가 높아질수록 공진주파수의 온도계수가, 즉 직선 기울기가 작아져 0에 점근함을 보여준다. 이는 조성상에서 Zr의 비율이 증가하는 것과 같은 효과이다.

후속연구

이는 시편의 조성식에서 Zr몰 비율을 높이는 것과 같은 효과이다. PZT 세라믹스 소자의 공진주파수의 온도의존성을 조정하는데 분극전계를 제어하는 방법이 사용될 수 있으리라 판단된다.
수율을 크게 좌우한다. 최근의 기술동향이 이들 소자들에 대해 동작주파수의 허용오차 범위를 줄여가고 있으므로, 본 논문에서 밝힌 분극전계를 증가시키는 것이 조성상에서 Zr 성분을 증가시키는 것과 동일한 효과가 있다는 점은 공정관리에 활용할 수 있으리라 판단된다.

참고문헌 (13)

B. Jaffe, R. S. Roth and S. Marzullo, 'Piezoelectric properties lead zirconate lead titanate solid solution ceramics', J. Appl. Phys. 25 pp. 809-810, 1954

상세보기
S. Zhang, R. Xia and T. R. Shrout, 'Lead-free piezoelectric ceramics vs. PZT', IEEE ISAF 2006, pp. 612-615, 2006
R. Zuo, C. Ye and X. Fang, 'Na0.5K0.5Nb3-BiFeO3 lead-free piezoelectric ceramics', J. of Phys. and Chem. of Solids 69, pp. 230-235, 2008

상세보기
M. Yamada, 'Ceramic resonators drive jitter away from in-car LANs', AEI(Asia Electronics), pp. 30-34, 2005
M. Hirose, M. Takata, H. Oka and K. Miyabe, 'Relationship between poling condition and heat resisting properties in lead zirconate titanate', Jpn. J. of Appl. Phys. Vol. 33, Part 1, No. 9B, pp. 5345-5347, 1994

상세보기
S. Y. Chu, T. Y. Chen and I. t. Tsai, 'Effects of poling field on piezoelectric and dielectric properties of Nb additive PZT-based ceramics and their applications on SAW devices', Materials Letters 58, pp. 752-756, 2004

상세보기
T. M. Kamel and G. With, 'Poling of hard ferroelectric PZT ceramics', J. Eur. Ceram. Soc. 28, pp. 1827-1838, 2008

상세보기
H. Banno and T. Tsunooka, 'Piezoelectric Properties and Temperature Dependences of Resonant Frequency of WO3-MnO2-Modified Ceramics of Pb(Zr-Ti)O3', Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 6, No. 8, pp. 954-962, 1967

상세보기
일본전자재료공업회, '壓電セラミック振動子の試驗方法', EMAS-6004, pp. 1-28, 1982
田中哲郞, 岡崎淸 and 一ノ昇, '壓電セラミック材料', 學獻社, pp. 160-168, 1973
A. Yamada, T. Ogawa and Y. K. Chung, 'Crystal orientation of tetragonal lead zirconate titanate ceramic surface and its aging behavior', Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36, Part 1, No. 9B, pp. 5958-5962, 1997

상세보기
A. Endriss, M. Hammer, M. J. Hoffmann, A. Kolleck and G. A. Schneider, 'Microscopic and macroscopic ferroelectric-ferroelastic and piezoelectric behavior of PZT ceramics', J. European Ceramic Society 19, pp.1229-1231, 1999

상세보기
H. Chen, J. Long and Z. Meng, 'Effect of Zr/Ti ratio on the properties of PMMN-PZT ceramics near morphotropic phase bounday', Material Science and Engineering B99, pp. 433-436, 2003

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증