[논문]0.96(Na0.5K0.5)NbO3-0.04(Ba(1-x)Srx)TiO3 무연 세라믹스의 유전 및 압전 특성

김미로; 윤석진; 최지원

doi:10.5369/jsst.2010.19.2.155

0.96(Na0.5K0.5)NbO3-0.04(Ba(1-x)Srx)TiO3 무연 세라믹스의 유전 및 압전 특성
Dielectric and piezoelectric properties of 0.96(Na0.5K0.5)NbO3-0.04(Ba(1-x)Srx)TiO3 lead-free ceramics 원문보기

센서학회지 = Journal of the Korean Sensors Society, v.19 no.2, 2010년, pp.155 - 159

김미로 (한국과학기술연구원 전자재료센터) , 윤석진 (한국과학기술연구원 전자재료센터) , 최지원 (한국과학기술연구원 전자재료센터)

Abstract ▼ AI-Helper

0.96$(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3$-0.04$(Ba_{(1-x)}Sr_x)TiO_3$ lead free piezoelectric ceramics were synthesized to enhance the piezoelectric properties of (Na,K)$NbO_3$. The systhesis and sintering method were the conventional solid state reaction method and general sintering method in air atmosphere. The polymorphic phase transition(PPT) was observed at all composition(0 $\leq$ x $\leq$ 0.05) when $(Ba_{(1-x)}Sr_x)TiO_3$ were added in the $(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3$. As Sr concentration was increased, grain size, dielectric loss(tan$\delta$) and mechanical quality factor($Q_m$) were decreased and piezoelectric constant($d_{33}$) and electromechanical coupling factor($k_p$) were increased within a limited value. The optimized piezoelectric and properties, $d_{33}$, $k_p$, $Q_m$, and tand, of 0.96$(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3$-0.04$(Ba_{(1-x)}Sr_x)TiO_3$ were 139 pC/N, 0.31 %, 95, 0.04 at the composition of x=0.04.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 높은 유전율과 압전 상수 값을 갖는 강유전체 물질인 BaTiO₃와, 낮은 손실계수 값을 가지면서 비교적 높은 유전율을 나타내는 상유전체 물질인 SrTiO₃의 두 종류의 페로브스카이트 물질을 적절한 비율로 NKN 조성에 고용시켜 0.96(Na0.5K0.5)NbO₃-0.04 (Ba(1-x)Srx)TiO3를 일반적인 산화물 혼합법 및 일반적인 소결법으로 제조하여 유전 및 압전 특성을 향상 시키고자 하였다.

제안 방법

시편의 미세구조와 결정구조는 각각 SEM(S-3000H, hitachi, japan)과 XRD(Dy 983, philips, netherlands)를 통해 분석하였다. 또한, Impedance Analyzer(agilent 4294)로 유전율, 공진 및 반공진 주파수와 공진저항을 측정하여 유전율과 전기기계 결합계수(k_P)와 기계적 품질계수(Q_m)를 산출하였고, d₃₃ meter(channel product DT-3300)로 압전상수를 측정하였다.
본 실험은 일반적인 고상반응법으로 시편을 제조하였다. 0.
시편의 미세구조와 결정구조는 각각 SEM(S-3000H, hitachi, japan)과 XRD(Dy 983, philips, netherlands)를 통해 분석하였다. 또한, Impedance Analyzer(agilent 4294)로 유전율, 공진 및 반공진 주파수와 공진저항을 측정하여 유전율과 전기기계 결합계수(k_P)와 기계적 품질계수(Q_m)를 산출하였고, d₃₃ meter(channel product DT-3300)로 압전상수를 측정하였다.
성형된 시편은 600℃에서 2시간 동안 burn-out 하였고, 1075℃에서 2시간동안 소결하였다. 시편의 전기적 특성을 측정하기 위하여 두께를 1 mm로 연마하였으며, Ag 전극을 양면에 도포하여 650℃에서 15분간 열처리 하였다. 전극이 형성된 시편을 120℃의 실리콘 오일에서 1시간 동안 DC 3.
05 mol로 변화를 주었다. 조성에 따른 시료는 정확한 몰비에 맞게 10^-4 g까지 평량 하였으며, 에탄올과 지르코니아 볼을 사용하여 24시간동안 혼합분쇄 하였다. 혼합 분쇄한 시료는 100℃ 오븐에서 24시간 건조한 후, 알루미나 도가니에 넣고 950℃에서 3시간 하소하였다.
혼합 분쇄한 시료는 100℃ 오븐에서 24시간 건조한 후, 알루미나 도가니에 넣고 950℃에서 3시간 하소하였다. 하소된 파우더를 72시간 재혼합, 분쇄, 건조한 후, PVA 5 wt%를 첨가하고 150 mesh로 조립하였으며, 18 mm 원형몰드를 사용하여 100 MPa의 압력을 가해 일축 성형하였다. 성형된 시편은 600℃에서 2시간 동안 burn-out 하였고, 1075℃에서 2시간동안 소결하였다.

대상 데이터

본 실험은 일반적인 고상반응법으로 시편을 제조하였다. 0.96(Na_0.5K_0.5)NbO₃-0.04(Ba_(1-x)Sr_x)TiO₃ 조성에서 K₂CO₃(99.9 %), Na₂CO₃(99.5 %), Nb₂O₅(99.9 %), BaCO₃ (99 %), SrCO₃(99.9 %), TiO₂(99.8 %) 를 출발원료로 사용하였으며, x=0, 0.03, 0.04, 0.05 mol로 변화를 주었다. 조성에 따른 시료는 정확한 몰비에 맞게 10^-4 g까지 평량 하였으며, 에탄올과 지르코니아 볼을 사용하여 24시간동안 혼합분쇄 하였다.

성능/효과

NKN세라믹스에 BaTiO₃를 고용시켰을 경우 높은 유전율과 압전상수값을 갖지만 높은 손실계수를 갖는것을 확인할 수 있었으며, SrTiO₃를 고용시켰을 경우 낮은 손실계수를 갖는 것을 확인 할 수 있었다.
d₃₃의 경우 전기기계 결합계수와 일치하는 특성을 나타내었다. Sr이 고용되지 않은 경우 108 pC/N의 값을 나타내었고 Sr의 고용량이 증가함에 따라 d₃₃값 역시 증가하는 것을 알 수 있었고, Fig. 2에 나타냈듯이 PPT 영역인 4 mol%에서 최대값인 139 pC/N을 갖는 것을 확인할 수 있었으며 4 mol% 이상 고용되었을 경우 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 BST를 고용시켰을 경우 일반적인 NKN의 압전 상수값(80~100 pC/N)보다 향상되었음을 확인 할 수 있었다.
24 g/cm²로 거의 변화가 없음을 알 수 있었다. 그러나, BST를 고용시켰을 경우 NKN의 밀도보다는 크게 향상됨을 확인 할 수 있었다.
04 mol 이상 고용되면 감소하는 경향을 나타내었다. 기계적 품질계수의 경우 전기기계 결합계수와 반대의 경향을 나타내고 있으며 Sr이 고용되지 않았을 때 최대값인 156을 나타내었으며, Sr의 고용량이 증가함에 따라 감소하는 것을 확인 할 수 있었다.
2에 나타냈듯이 PPT 영역인 4 mol%에서 최대값인 139 pC/N을 갖는 것을 확인할 수 있었으며 4 mol% 이상 고용되었을 경우 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 BST를 고용시켰을 경우 일반적인 NKN의 압전 상수값(80~100 pC/N)보다 향상되었음을 확인 할 수 있었다.
05) 세라믹스를 일반 고상 합성법 및 소결법으로 제작하였으며, Sr의 고용량의 증가에 따른 시편의 미세구조, 유전 및 압전 특성을 조사한 결과 NKN에 BST를 고용시켰을 경우 유전 및 압전특성이 향상됨을 확인 할 수 있었다. 또한 Sr의 고용량이 증가함에 따라 압전상수, 전기기계 결합계수는 증가하고 유전손실은 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 0.04 mol에서 압전상수 139 pC/N, 전기기계 결합계수 0.31 %, 기계적품질계수 95, 유전손실 0.04를 갖는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 0.96(Na_0.5K_0.5)NbO₃-0.04(Ba_(1-x)Sr_x) TiO₃(x=0, 0.03, 0.04, 0.05) 세라믹스를 일반 고상 합성법 및 소결법으로 제작하였으며, Sr의 고용량의 증가에 따른 시편의 미세구조, 유전 및 압전 특성을 조사한 결과 NKN에 BST를 고용시켰을 경우 유전 및 압전특성이 향상됨을 확인 할 수 있었다. 또한 Sr의 고용량이 증가함에 따라 압전상수, 전기기계 결합계수는 증가하고 유전손실은 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 0.
04(Ba_(1-x)Sr_x)TiO₃의 전기기계 결합계수 (k_P)와 기계적 품질계수(Q_m)을 나타낸 것이다. 전기기계결합계수의 경우 Sr이 고용되지 않은 경우 약 24 %의 값을 가졌으며 Sr의 고용량이 증가됨에 따라 향상된 값을 갖는 것을 알 수 었고 0.04 mol에서 최대값인 약 31 %를 갖는 것을 확인 할 수 있었으나 0.04 mol 이상 고용되면 감소하는 경향을 나타내었다. 기계적 품질계수의 경우 전기기계 결합계수와 반대의 경향을 나타내고 있으며 Sr이 고용되지 않았을 때 최대값인 156을 나타내었으며, Sr의 고용량이 증가함에 따라 감소하는 것을 확인 할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Pb(Zr,Ti)O3(PZT)는 어디에 이용되고 있는가?	Pb(Zr,Ti)O3(PZT)는 현재 가장 우수한 압전 특성을 가진 압전재료로서 초음파센서, 압전 변압기, 액츄에이터, 필터, 레조네이터 등과 같은 여러 분야에서 이용되고 있다[1-4]. 그러나, 압전성이 우수한 PZT 세라믹스들은 Pb가 60 wt% 이상 포함되어 있기 때문에 환경오염 뿐 아니라, 경제적인 측면에서도 많은 문제점을 가지고 있다.
	현재 가장 우수한 압전 특성을 가진 압전재료는 무엇인가?	Pb(Zr,Ti)O3(PZT)는 현재 가장 우수한 압전 특성을 가진 압전재료로서 초음파센서, 압전 변압기, 액츄에이터, 필터, 레조네이터 등과 같은 여러 분야에서 이용되고 있다[1-4]. 그러나, 압전성이 우수한 PZT 세라믹스들은 Pb가 60 wt% 이상 포함되어 있기 때문에 환경오염 뿐 아니라, 경제적인 측면에서도 많은 문제점을 가지고 있다.
	Pb(Zr,Ti)O3(PZT)의 문제점은?	Pb(Zr,Ti)O3(PZT)는 현재 가장 우수한 압전 특성을 가진 압전재료로서 초음파센서, 압전 변압기, 액츄에이터, 필터, 레조네이터 등과 같은 여러 분야에서 이용되고 있다[1-4]. 그러나, 압전성이 우수한 PZT 세라믹스들은 Pb가 60 wt% 이상 포함되어 있기 때문에 환경오염 뿐 아니라, 경제적인 측면에서도 많은 문제점을 가지고 있다. 따라서 RoHS의 규제에 의해 Pb를 포함하지 않는 무연 압전 세라믹스에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다[5,6].

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M. R. Kim, H. C. Song, J. W. Choi, Y. S. Cho, H. J. Kim, and S. J Yoon, "Synthesis and piezoelectric properties of $(1-x)(Na_{0.5}K_{0.5}) NbO_3-x(Ba_{0.95}Sr_{0.05})TiO_3$ ceramics", J. Electroceram, vol. 23, pp. 502-505, 2009.

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