[논문]무연계 0.94(Na0.5K0.5NbO3-0.06Ba(Ti0.9Sn0.1)O3 세라믹의 상전이 거동과 압전 특성

차유정; 남산; 정영훈; 이영진; 백종후

doi:10.4313/jkem.2009.22.9.766

무연계 0.94(Na0.5K0.5NbO3-0.06Ba(Ti0.9Sn0.1)O3 세라믹의 상전이 거동과 압전 특성
Phase Transitional Behavior and Piezoelectric Properties of 0.94(Na0.5K0.5NbO3-0.06Ba(Ti0.9Sn0.1)O3 Lead-free Ceramics 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.22 no.9, 2009년, pp.766 - 771

차유정 (한국세라믹기술원 전자부품팀) , 남산 (고려대학교 신소재공학과) , 정영훈 (한국세라믹기술원 전자부품팀) , 이영진 (한국세라믹기술원 전자부품팀) , 백종후 (한국세라믹기술원 전자부품팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Lead-free $0.94(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3$-0.06Ba$(Ti_{0.9}Sn_{0.1})O_3$ [0.94NKN-0.06BTS] ceramics doped with 1 mol% $MnO_2$ were synthesized by a conventional solid state method. The phase transitional behavior and piezoelectric properties of the ceramics sintered at various temperatures were investigated. The 0.94NKN-0.06BTS ceramics sintered at $1050^{\circ}C$, having morphotropic phase boundary of orthorhombic and tetragonal phases, exhibited a microstructure with abnormal grain growth. A diffused phase transition behavior for all the specimens was verified as high degree of diffuseness (${\gamma}$) values from 1.45 to 1.79. A high piezoelectric constant of $d_{33}=256$ pC/N and a satisfactory electromechanical coupling factor of $k_p=42%$ were obtained for the relatively dense 0.94NKN-0.06BTS ceramics sintered at $1050^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 (l-x)NKN-xBa(Tio.9Sno.i)03 [(l-x)NKN-xBTS]세라믹을 고상합성법을 이용하여 제조하고 소결온도 변화에 따른 구조적 특성과 유전, 압전특성을 평가하고 최적 조건에서 [(l-x)NKN-xBTS의 상전이 온도의 확산 거동에 대하여 분석하고자 한다.
본 연구에서는 0.94NKN-0.06BTS에 1 mol%의 Mn02를 첨가한 무연압전 세라믹의 소결온도 변화에 따른 구조적 특성, 유전 및 압전특성의 변화와완화형 강유전체로서 상전이 온도의 확산 거동에대하여 고찰하였다.

제안 방법

압전 특성들을 측정하였다. 또한 상온~500℃의 온도 범위와 10 kHz에서 온도에 따른 유전상수를 측정하여 Sn 조성 변화에 따른 상전이 온도(Tc)변화를 관찰하였다. 자기이력곡선 (hysteresis loop)은 .
자기이력곡선 (hysteresis loop)은 .상온에서 ferroelectric tester(RT66A standardized ferroelectric test system, Radiant Technologies, USA) 로 측정하였다.
1000℃~ 1150℃의 소결 온도에서 8시간 동안소결하였으며, 이때 승온 속도는 분당 5℃로 하였다. 소결 시편의 결정구조는 X선 회절분석기 (XRD; Rigaku Corp. 2200V/PC)를 이용하여 분석하였다. 아르키메데스 방법으로 시편의 상대 밀도를 측정하였으며, 미 세구조는 주사전자현미 경 (SEM, Topcon SEM-300)으로 관찰하였다.
압전 특성은 은 (silver) 전극을 소결 시편의 표면에 도포한 후 550℃ 에서 10분간 전극 소부한다. 시편들을 125℃의 실리콘 절연유 내에서 4 kV/mm의 전기장을 15분 동안 인가하여 분극 (poling)을 하였으며, 24시간 후에 상온에서 Piezo d33 Tester (American Piezo Ceramics, Penne baker Model 8000)를 이용하여 압전계수 血를 측정하였고, 임피던스 분석장치 (Agilent 4294A impedance analyzer)를 이용하여 공진 및 반공진 주파수와 1 kHz에서의 정전용량을 측정하여 이로부터 유전 . 압전 특성들을 측정하였다.
시편들을 125℃의 실리콘 절연유 내에서 4 kV/mm의 전기장을 15분 동안 인가하여 분극 (poling)을 하였으며, 24시간 후에 상온에서 Piezo d33 Tester (American Piezo Ceramics, Penne baker Model 8000)를 이용하여 압전계수 血를 측정하였고, 임피던스 분석장치 (Agilent 4294A impedance analyzer)를 이용하여 공진 및 반공진 주파수와 1 kHz에서의 정전용량을 측정하여 이로부터 유전 . 압전 특성들을 측정하였다. 또한 상온~500℃의 온도 범위와 10 kHz에서 온도에 따른 유전상수를 측정하여 Sn 조성 변화에 따른 상전이 온도(Tc)변화를 관찰하였다.
9%의 에탄올과 함께 24시간 동안 볼밀링 (ball milling)한 후, 건조하여 파우더를 950℃에서 6시간 동안 하소하였다. 하소 후, 소결시편의 밀도향상을 위하여 1 몰%의 MnQ;를 첨가하고, 입자크기를 최소화하기 위해 99.9%의 에탄올과 함께 72 시간동안 다시 볼밀링을 하였다. 건조한 후 직경 16 mm 틀에 디스크 형태로 프레스를 사용하여 성형하였다.

대상 데이터

(l-x)NKN-xBTS(0.013와 99.8% 순도의 Nb2O5, TiO2, SnQ;를 사용하였다.

이론/모형

2200V/PC)를 이용하여 분석하였다. 아르키메데스 방법으로 시편의 상대 밀도를 측정하였으며, 미 세구조는 주사전자현미 경 (SEM, Topcon SEM-300)으로 관찰하였다. 유전 .
이와 유사한 현상을 기존의 보고에서 찾아볼 수 있다[14]. 완화형 강유전체 (relaxor fem 曲 ctrics) 로서 0.94NKN-0.06BTS 세라믹이 가지는 확산 상전이현상을 보다 구체적으로 확인하기 위해서 Curie-Weiss 법칙을 이용하여 평가하였다[M]. 아래 식 (1)은 보완된 Curie-Weiss 법칙을 나타내며,여기서 们«은 상전이 온도인 八에서의 유전율勺 의 최대값이며, C 는 상수를, 그리고 Y는 확산도(degree of diffuseness)를 나타낸다[14, 15L Y는 1 에서 2사이의 범위에 있는 값을 가지게 되는데, 일반 강유전체 (normal ferroelectrics)의 경우 L의 값을 가지고, 이상적인 완화형 강유전체 (relaxor ferroelectrics)는 2의 값을 가지게 된다.

성능/효과

79의 높은 값을 보여주었다.[그림 4(b) 참조] 비록 1050℃에서 소결한 시편이 다른 시편과 비교하여 상대적으로 낮은 1.46 정도의 Y값을 나타내었지만 완화형 강유전체로 알려진 0.94NKN-0.06Ba(Ti, Zr)03 세라믹이 L26 정도의 x 값을 가지는 것과 비교하면, 1050℃에서 소결한 0.94NKN-0.06BTS 세라믹 또한 상당한 확산 상전이 거동을 보임을 알 수 있다⑻.
1. 1050℃ 에서 8시간동안 소결한 시편에서 orthorhombic-tetragonal 상이 공존하는 MPB 영역과 소결 시 형성된 액상에 기인한 비정상적인 입자의 성장이 관찰되었다.
2. 다양한 온도에서 소결한 0.94NKN-0.06BTS 세라믹은 순수 NKN에 비해 상전이 구간이 상당히확산되었다.
3. 10 kHz에서의 측정한 온도에 따른 유전율의 변화에서 다양한 온도에서 소결한 모든 시편은 1.45 이상의 높은 Y 값을 가지며 이로부터 상당한 확산 상전이 거동을 가짐을 알 수 있었다.
4. 특히, 1050℃에서 소결한 시편의 경우, 유전율 (£3t/£o=1395), 유전손실 (tan5=1.4%), 전기기계결합계수 (kp=42%)와 압전전하상수 (心=256 pC/N)의우수한 유전특성 및 압전특성을 나타내었다.
06BTS 세라믹Y값의 변화와 1150℃에서 소결한 시편의 ln(T-為)에 대한 ln(l/&-l/£m)값을 도출한 그래프를 각각 보여주고 있다. 모든 시편은 1.45 이상의 우수한 Y값을 나타내었으며, 특히 U 50℃에서 소결한 경우는 1.79의 높은 값을 보여주었다.[그림 4(b) 참조] 비록 1050℃에서 소결한 시편이 다른 시편과 비교하여 상대적으로 낮은 1.
하지만 1050℃로 소결온도를 높이면, 입자 성장으로 인하여 상대밀도가 크게 향상되었다[그림 2 참조]. 뿐만 아니라 그림 1에서도 이미 확인하였듯 °1, orthorhombic-tetragonal 상이 공존하는 MPB (morphotropic phase boundary) 영역으로 인하여 전기기계결합계수 (虹), 압전전하상수 (尅)가 각각 42%, 256 pC/N으로 크게 증가하였으며, 유전 특성 또한 유전율 (災丁/珈二1395), 유전손실 (伝1仍二1.4%) 로 크게 개선되었다. 그러나 소결온도가 1100℃ 이상이 되면, 평균 입자크기가 급격히 감소하면서 상대 밀도가 낮아졌다.
06BTS 세라믹에서 온도변화에 따라 10 kHz에서 측정한 유전율의 변화를 그림 3에 나타내었다. 상온에서 400℃ 까지 온도 범위에서 모든 시편으로부터 Tetragonal-Cubic 상전 이 영역인 Tc에서 최대의유전율을 나타내는 피크를 관찰할 수 있었다. 순수 NKN의 상전이 구간과 비교하여 0.
상온에서 400℃ 까지 온도 범위에서 모든 시편으로부터 Tetragonal-Cubic 상전 이 영역인 Tc에서 최대의유전율을 나타내는 피크를 관찰할 수 있었다. 순수 NKN의 상전이 구간과 비교하여 0.94NKN-0.06BTS 세라믹은 상당히 확산된 상전이 구간이 관찰되었다. 1000℃에서 소결한 시편의 경우, 260℃ 부근에서 피크가 관찰되었으며, 소결온도가 1150℃까지증가함에 따라 피크의 위치는 조금씩 낮은 온도로이동, 즉 TC₇J- 200℃까지 감소함을 알 수 있었다.
그러나 소결온도가 1100℃ 이상이 되면, 평균 입자크기가 급격히 감소하면서 상대 밀도가 낮아졌다. 이로 인하여 압전 특성과 유전율이 크게 감소하였으며, 감소한 입자크기는 결함으로 작용하는 입 계밀도 (grain boundary density) 를 급격히 증가시켜 유전손실이 증가하는 결과로 나타났다,

참고문헌 (15)

L. Egerton and D. M. Dillon, 'Piezoelectric and dielectric properties of ceramics in the system potassium-sodium niobate', J. Am. Ceram. Soc., Vol. 42, No. 9, p. 438, 1959

상세보기
R. E. Jaeger and L. Egerton, 'Hot pressing of potassium-sodium niobates', J. Am. Ceram. Soc., Vol. 45, No. 5, p. 209, 1962

상세보기
R. Wang, R. Xie, K. Hanada, K. Matsusaki, H. Bando, and M. Itoh, 'Phase diagram and enhanced piezoelectricity in the strontium titanate doped potassium-sodium niobate solid solution', Phys. Status Solidi (A), Vol. 202, No. 6, p. 57, 2005

상세보기
Y. Guo, K. Kakimoto, and H. Ohsato, 'Phase transitional behavior and piezoelectric properties of $(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3-LiNbO_3$ ceramics', Appl. Phys. Lett., Vol. 85, No. 18, p. 4121, 2004

상세보기
Y. Guo, K. Kakimoto, and H. Ohsato, ' $(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3-LiTaO_3$ lead-free piezoelectric ceramics', Mater. Lett., Vol. 59, No. 2-3, p. 241, 2005

상세보기
K. Uchino, 'Nanodomain size distribution in relaxor ferroelectrics determined from temperature dependent raman scattering', Ferroelectrics., Vol. 151, p. 321, 1994

상세보기
S.-E. Park and T. R. Shrout, 'Ultrahigh strain and piezoelectric behavior in relaxor based ferroelectric single crystals', J. Appl. Phys., Vol. 82, No. 4, p. 1804, 1997

상세보기
D. Lin, K. W. Kwok, and H. W. L. Chan, 'Dielectric and piezoelectric properties of $(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3-Ba (Zr_{0.05}Ti_{0.95})O_3$ lead-free ceramics', Appl. Phys. Lett., Vol. 91, No. 14, p. 143513, 2007

상세보기
H. Y. Park, K. H. Cho, D. S. Paik, and S. Nahm, 'Microstructure and piezoelectric properties of the lead-free $(1-x)(Na_{0.5}K_{0.5}) NbO_3-xCaTiO_3$ ceramics', J. Appl. Phys., Vol. 102, No. 12, p. 124101, 2007

상세보기
H. Y. Park, I. T. Seo, M. K. Choi, S. Nahm, H. G. Lee, H. W. Kang, and B. H. Choi, 'Microstructure and piezoelectric properties of the CuO-added $(Na_{0.5}K_{0.5})(Nb_{0.97}-Sb_{0.03})O_3$ lead-free piezoelectric ceramics', J. Appl. Phys., Vol. 104, No. 3, p. 034103, 2008

상세보기
A. A. Bokov, M. Maglione, and Z.-G. Ye, 'Quasi-ferroelectric state in $Ba(Ti_1_xZr_x)O_3$ relaxor: dielectric spectroscopy evidence', J. Phys., Vol. 19, No. 9, p. 092001, 2007.

상세보기
W. Xiaoyong, F. Yuiun, and Y. Xi, 'Dielectric relaxation behavior in barium stannate titanate ferroelectric ceramics with diffused phase transition', Appl. Phys. Lett., Vol. 83, No. 10, p. 2031, 2003

상세보기
H. Y. Park, C. W. Ahn, H. C. Song, J. H. Lee, S. Nahm, K. Uchino, H. G. Lee, and H. J. Lee, 'Microstructure and piezoelectric properties of $0.95(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3？0.05BaTiO_3$ ceramics', Apply. Phys. Lett., Vol. 89, No. 6, p. 062906, 2006

상세보기
K. Uchino and S. Nomura, 'Critical exponents of the dielectric constants in diffused- phase-transition crystals', Ferroelectr. Lett. Sect., Vol. 44, No. 1, p. 55, 1982.

상세보기
N. Setter and L. E. Cross, 'The role of B-site cation disorder in diffuse phase transition behavior of perovskite ferroelectrics', J. Appl. Phys., Vol. 51, No. 8, p. 4356, 1980.

상세보기

저자의 다른 논문 :

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