[논문]무연 BaTiO3-(Bi0.5K0.5)TiO3 PTCR 세라믹과 PTCR 특성에 미치는 Nb2O5의 효과

정영훈; 박용준; 이미재; 이영진; 백종후; 최진수; 이우영

doi:10.3740/mrsk.2008.18.9.475

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Positive temperature coefficient of resistivity (PTCR) characteristics of (1-x)$BaTiO_3-x(Bi_{0.5}K_{0.5})TiO_3$ ceramics doped with $Nb_2O_5$ were investigated in order to develop the Pb-free PTC thermistor available at high temperatures of > $120^{\circ}C$. The PTC...

Positive temperature coefficient of resistivity (PTCR) characteristics of (1-x)$BaTiO_3-x(Bi_{0.5}K_{0.5})TiO_3$ ceramics doped with $Nb_2O_5$ were investigated in order to develop the Pb-free PTC thermistor available at high temperatures of > $120^{\circ}C$. The PTCR characteristics appearing in the ($B_{i0.5}K_{i0.5})TiO_3$ (< 5 mol%) incorporated $BaTiO_3$ ceramics, which might be mainly due to $Bi^{+3}$ ions substituting for $Ba^{+2}$ sites. The 0.99$BaTiO_3-0.01(Bi_{0.5}K_{0.5})TiO_3$ ceramics showed good PTCR characteristics of a low resistivity at room temperature (${\rho}_r$) of $31{\Omega}{\cdot}cm$ a high ${\rho}_{max}/{\rho}_{min}$ ratio of $5.38{\times}10^3$, and a high resistivity temperature factor (${\alpha}$) of $17.8%/^{\circ}C$. The addition of $Nb_2O_5$ to 0.99$BaTiO_3-0.01(Bi_{0.5}K_{0.5})TiO_3$ ceramics further improved the PTCR characteristics. Especially, 0.025 mol% $Nb_2O_5$ doped 0.99$BaTiO_3-0.01(Bi_{0.5}K_{0.5})TiO_3$ ceramics exhibited a significantly increased ${\rho}_{max}/{\rho}_{min}$ ratio of $8.7{\times}10^3$ and a high ${\alpha}$ of $18.6%/^{\circ}C$, along with a high $T_c$ of $148^{\circ}C$ despite a slightly increased ${\rho}_r$ of $31{\Omega}{\cdot}cm$.

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문제 정의

하지만 도너를 첨가하여 Ti 자리를 치환한 BT-BiKT 반도성 세라믹의 구조적 특성 및 PTCR 특성에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 120℃ 이상의 온도에서 응용 가능하며 우수한 성능을 가지는 새로운 무연 PTC 써미스터 소재를 개발하기 위하여 Nb₂O₅ 첨가량을 변화시킨 BT-BiKT 세라믹의 미세구조와 PTCR 특성을 연구하였다.
본 연구에서는 120℃ 이상의 온도에서 응용할 수 있는 친환경의 비납계 PTC 써미스터 조성을 개발하기 위하여 BT 세라믹에 BiKT (≤5 mol%)를 고용한 BaBiKT 세라믹의 미세구조와 PTCR 특성을 분석하였으며 이들 BaBiKT 세라믹의 PTCR 특성에 미치는 Nb2O5의 효과에 관하여 연구하였다.

제안 방법

일반적으로 BT계 PTC 써미스터 소재의 PTCR 특성은 입자의 성장과 같은 미세구조의 변화와 밀접한 상관 관계를 가지는 것으로 보고되어 있다.^13,14) 이에 BT-BiKT 세라믹의 전기적 특성과 미세구조와의 상관관계를 분석하였다.
BT-BiKT 세라믹의 전기적 특성을 알아보기 위하여 BiKT의 고용량을 변화시킨 후 온도 변화에 따른 비저항 (ρ)을 측정한 후 Fig. 3에 나타내었다.
제작된 시편은 결정구조 및 미세구조 분석을 위하여 각각 XRD (Mac Science KFX-987228-SE), SEM (Topcon SM-300), HRTEM (JEOL JEM-4010)을 이용하였으며 EDS (JEOL JSM-6700F)를 이용하여 성분을 분석하였다. 또한 제작된 시편의 PTCR 특성을 분석하기 위하여 Ag-Zn 전극을 디스크의 상부와 하부면에 각각 형성시킨 후, 상온에서부터 300℃까지 온도를 증가시키면서 5℃ 간격으로 시편의 저항을 측정하였다. 저항을 측정하기 위하여 Digital Multimeter (Agilent, 34410A)를 이용하였으며 식 (2-1)을 이용하여 비저항 ρ를 계산하였다.
한편, 페롭스카이트 구조를 가지는 BaBiKT01 세라믹의 PTCR 특성을 향상을 위하여 Ti +4 를 5가 도너인 Nb+5 로 치환하고자 BaBiKT01−x mol% Nb2O5(0≤x≤0.2)세라믹을 제조한 후 이의 미세구조와 PTCR 특성을 분석하였다.

대상 데이터

(1-x)BT-xBiKT (x≤0.05) 세라믹에 도판트 물질로 Nb2O5(99.9%)를 선택하였으며, Nb2O5는 0.02 mol% 까지 첨가한 후, 원료분말을 전자저울을 사용하여 10−4g 까지 정밀하게 평량한 후, 분말을 HDPE (High Density Polyethylene) jar에 넣어 증류수를 분산매로 하여 24시간 동안 지르코니아 볼을 이용하여 볼밀링을 수행하였다.
본 실험에서는 Fig. 1과 같은 일반적인 고상합성법으로 시편을 제작하였으며, 99.9%의 고순도 BaTiO₃ , Bi₂O₃, K₂CO₃, TiO₂ 분말을 사용하여 불순물의 영향을 최소화하였다. (1-x)BT-xBiKT (x≤0.
성형된 시편들은 1350℃에서 4시간 동안 소결하였다. 제작된 시편은 결정구조 및 미세구조 분석을 위하여 각각 XRD (Mac Science KFX-987228-SE), SEM (Topcon SM-300), HRTEM (JEOL JEM-4010)을 이용하였으며 EDS (JEOL JSM-6700F)를 이용하여 성분을 분석하였다. 또한 제작된 시편의 PTCR 특성을 분석하기 위하여 Ag-Zn 전극을 디스크의 상부와 하부면에 각각 형성시킨 후, 상온에서부터 300℃까지 온도를 증가시키면서 5℃ 간격으로 시편의 저항을 측정하였다.

이론/모형

저항을 측정하기 위하여 Digital Multimeter (Agilent, 34410A)를 이용하였으며 식 (2-1)을 이용하여 비저항 ρ를 계산하였다.

성능/효과

(b)-(d)에서 관찰할 수 있듯이, 고용한 BiKT의 양이 증가함에 따라서 평균 입자의 크기는 꾸준히 감소하였고, 5 mol%의 BiKT가 고용된 시편의 경우는 3 µm이하의 매우 작은 평균 입자크기를 가진 균일한 미세구조가 관찰되었다.
0.025 mol%의 Nb2O5가 첨가된 BaBiKT01 세라믹은 148℃의 Tc , 39 Ω·cm의 ρr, 8.70 × 103의 PTC jump, 18.6%/℃ α의 매우 우수한 PTCR 특성을 보여주었다.
Zhao 등의 보고에 따르면 (1-x)BiNT-xBiKT 세라믹의 강유전특성 및 압전 특성에 관한 실험에서 1130℃에서 소결한 BiKT 세라믹의 경우, Bi 원소의 휘발에 의하여 K₄Ti₃O₈ 상이 관찰되었다.¹²⁾하지만 본 연구에서는 Fig. 2에서 이미 확인하였듯이 K₄Ti₃O₈ 상이 관찰되지 않았으며 오히려 (1-x)BiNT-xBiKT 세라믹의 성분 분석의 결과 K 원소가 상대적으로 부족함을 알 수 있었다. (Table 2 참조) 실제로 0.
1350℃에서 4시간 소결한 BT-BiKT 세라믹은 정방정상의 결정 구조를 가졌으며, 특히 10.5 µm의 평균 입자크기의 균일한 미세구조를 가진 BaBiKT01 세라믹은 K의 휘발로 인하여 Bi에 의한 전자보상이 일어나 31 Ω·cm의 낮은 ρr과 5.38 × 103의 PTC jump, 17.8%/℃의 α를 가지는 우수한 PTCR 특성을 나타내었다.
3(c) 참조)의 두경우 모두 ρr이 109 Ω · cm 이상인 절연체로 확인되었으며 PTCR 특성은 나타나지 않았다.
또한 BaBiKT01 세라믹에 미량의 Nb2O5(≤0.05 mol%)를 도핑하면 Tc를 비롯한 ρr과 α 특성의 저하 없이 PTC jump 특성을 크게 향상시킬 수 있었다.
모든 시편은 페롭스카이트 결정구조를 형성하였으며 상온에서 정방정상을 나타내었다. 또한 BiKT의 변화에 따른 이차상은 관찰되지 않은 것으로 보아 BiKT가 BT와 완전 고용체를 형성하였음을 알 수 있다.
하지만, BiKT의 고용된 양이 2 mol%까지 증가함에 따라 상온 비저항은 증가하고 PTC jump 특성은 오히려 감소하는, 즉 성능이 저하된 PTCR 특성이 나타났다. PTC jump 특성이란, ρ_max /ρ_min으로서 T_c 영역 부근에서의 최대비저항 (ρ_max)과 최소비저항(ρ_min)값의 상대적인 비를 의미한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	positive temperature coefficient of resistivity 특성이란?	큐리 온도(Tc) 부근에서 저항이 급격히 증가하는 positive temperature coefficient of resistivity (PTCR) 특성은 La 또는 Nb과 같은 미량의 도판트(dopant)를 첨가한 반도성BaTiO3(BT) 세라믹에서 흔히 관찰된다.1,2) 절연체인 BT는 La+3과 Nb+5이 BT 격자의 Ba과 Ti 자리에 각각 치환되어 도너(donor)로써 작용하면서 반도성을 가지게 된다.
	본 연구에서 120℃ 이상의 온도에서 응용할 수 있는 친환경의 비납계 PTC 써미스터 조성을 개발하기 위하여 BT 세라믹에 BiKT (≤5 mol%)를 고용한 BaBiKT 세라믹의 미세구조와 PTCR 특성을 분석하였으며 이들 BaBiKT 세라믹의 PTCR 특성에 미치는 Nb2O5의 효과에 관하여 연구한 결과는?	본 연구에서는 120℃ 이상의 온도에서 응용할 수 있는 친환경의 비납계 PTC 써미스터 조성을 개발하기 위하여 BT 세라믹에 BiKT (≤5 mol%)를 고용한 BaBiKT 세라믹의 미세구조와 PTCR 특성을 분석하였으며 이들 BaBiKT 세라믹의 PTCR 특성에 미치는 Nb2O5의 효과에 관하여 연구하였다. 1350℃에서 4시간 소결한 BT-BiKT 세라믹은 정방정상의 결정 구조를 가졌으며, 특히 10.5 µm의 평균 입자크기의 균일한 미세구조를 가진 BaBiKT01 세라믹은 K의 휘발로 인하여 Bi에 의한 전자보상이 일어나 31 Ω·cm의 낮은 ρr과 5.38 × 103의 PTC jump, 17.8%/℃의 α를 가지는 우수한 PTCR 특성을 나타내었다. 또한 BaBiKT01 세라믹에 미량의 Nb2O5(≤0.05 mol%)를 도핑하면 Tc를 비롯한 ρr과 α 특성의 저하 없이 PTC jump 특성을 크게 향상시킬 수 있었다. 0.025 mol%의 Nb2O5가 첨가된 BaBiKT01 세라믹은 148℃의 Tc , 39 Ω·cm의 ρr, 8.70 × 103의 PTC jump, 18.6%/℃ α의 매우 우수한 PTCR 특성을 보여주었다.
	positive temperature coefficient of resistivity 특성은 어디에서 흔히 관찰되는가?	큐리 온도(Tc) 부근에서 저항이 급격히 증가하는 positive temperature coefficient of resistivity (PTCR) 특성은 La 또는 Nb과 같은 미량의 도판트(dopant)를 첨가한 반도성BaTiO3(BT) 세라믹에서 흔히 관찰된다.1,2) 절연체인 BT는 La+3과 Nb+5이 BT 격자의 Ba과 Ti 자리에 각각 치환되어 도너(donor)로써 작용하면서 반도성을 가지게 된다.

참고문헌 (15)

M.-H. Lin and H.-Y. Lu, Mater. Sci. Eng. A, 323, 167 (2002)

상세보기
B.-K. Park, J.-H. Lee, D.-Y. Kim and N.-M. Hwang, J. Am. Ceram. Soc., 84(11), 2707 (2001)

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E. D. Macklen, Electrochemical Publications, 188 (1979)
Development of lead-free PTC thermistor materials, Index of membership/2004/05_seika, 0020. pdf, On the Web. Retrieved Sep. 10, 2008 from http://nissan-zaidan.or.jp/membership/2004/05_seika/
H. Takeda, W. Aoto and T. Shiosaki, Appl. Phys. Lett., 87, 102104 (2005)

상세보기
T. Shimada, K. Touji, Y. Katsuyama, H. Takeda and T. Shiosaki, J. Eur. Ceram. Soc., 27, 3877 (2007)

상세보기
T. Takenaka, K. Maruyama and K. Sakata, Jap. J. Appl. Phys., 30(9B), 2236 (1991)

상세보기
L. Gao, Y. Huang, Y. Hu and H. Du, Ceram. Int., 33, 1041 (2007)

상세보기
J.-R. Gomah-Pettry, S. Said, P. Marchet and J.-P. Mercurio, J. Eur. Ceram. Soc., 24, 1165 (2004)

상세보기
W. Huo and W. Qu, Sens. Actuators A, 128, 265 (2006)

상세보기
A. Sasaki, T. Chiba, Y. Mamiya and E. Otsuki, Jpn. J. Appl. Phys., 38, 5564 (1999)

상세보기
S. Zhao, G. Le, A. Ding, T. Wang and Q. Yin, J. Phys. D, 39, 2277 (2006)

상세보기
M. Wegmann, R. Bronnimann, F. Clemens and T. Graule, Sens. Actuators A, 135, 394 (2007)

상세보기
X.-H. Wang, X.-Y. Deng, H.-L. Bai, H. Zhou, W.-Guo. Qu and L.-T. Li, J. Am. Ceram. Soc., 89(2), 438 (2006)

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S. B. Desu, and D. A. Payne, J. Am. Ceram. Soc., 73(11), 3398 (1990)

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