[논문]Bi1/2(Na0.8K0.2)1/2TiO3 세라믹스의 유전 및 압전 특성에 대한 Bi(Mg1/2Sn1/2)O3 변성 효과

팜키남; 딘치힌; 이현영; 공영민; 이재신

doi:10.4191/kcers.2012.49.3.266

Bi1/2(Na0.8K0.2)1/2TiO3 세라믹스의 유전 및 압전 특성에 대한 Bi(Mg1/2Sn1/2)O3 변성 효과
Effects of Bi(Mg1/2Sn1/2)O3 Modification on the Dielectric and Piezoelectric Properties of Bi1/2(Na0.8K0.2)1/2TiO3 Ceramics 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.49 no.3, 2012년, pp.266 - 271

팜키남 (울산대학교 첨단소재공학부) , 딘치힌 (울산대학교 첨단소재공학부) , 이현영 (울산대학교 첨단소재공학부) , 공영민 (울산대학교 첨단소재공학부) , 이재신 (울산대학교 첨단소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of $Bi(Mg_{1/2}Sn_{1/2})O_3$ (BMS) modification on the crystal structure, ferroelectric and piezoelectric properties of $Bi_{1/2}(Na_{0.8}K_{0.2})_{1/2}TiO_3$ (BNKT) ceramics has been investigated. The BMS-substitution induced a transition from a ferroelectric (FE) tetragonal to a nonpolar pseudocubic phase, leading to degradations in the remnant polarization, coercive field, and piezoelectric coefficient $d_{33}$. However, the electric-field-induced strain was significantly enhanced by the BMS substitution-induced phase transition and reached a highest value of $S_{max}/E_{max}$ = 633 pm/V under an applied electric field of 6 kV/mm when the BMS content reached 6 mol%. The abnormal enhancement in strain was attributed to the field-induced transition of the pseudocubic symmetry to other asymmetrical structure, which was not clarified in this work.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

²⁰⁾ 이와 유사하게 유연 소재인 PbTiO₃ 압전소재의 경우에도 BiMe³⁺O₃ 화합물을 고용하면 전계유기 변형률이 향상된다고 Pennsylvania 주립대 연구진에 의해 보고된 바 있다.²¹⁾ 본 연구에서는 변형 특성이 우수한 새로운 무연 소재를 찾기 위하여 BiMe³⁺O₃ 화합물 중에서 아직 연구된 바가 없는 Bi(Mg_1/2Sn_1/2)O₃ (지금부터 BMS라고 약칭함) 화합물에 주목하게 되었다. 따라서 본 연구에서는 BMS의 첨가량을 변화시켜 변성한 Na/K 비가 80/20인 BNKT의 유전 및 압전 특성의 변화를 살펴보았다.
BNKT의 강유전성 및 전기 유기 변형 거동에 대한 BMS 치환효과를 살펴보았다. BMS를 첨가하지 않은 BNKT는 능면정과 정방정이 공존하였으며 전기적으로 강유전성을 나타내었다.
²¹⁾ 본 연구에서는 변형 특성이 우수한 새로운 무연 소재를 찾기 위하여 BiMe³⁺O₃ 화합물 중에서 아직 연구된 바가 없는 Bi(Mg_1/2Sn_1/2)O₃ (지금부터 BMS라고 약칭함) 화합물에 주목하게 되었다. 따라서 본 연구에서는 BMS의 첨가량을 변화시켜 변성한 Na/K 비가 80/20인 BNKT의 유전 및 압전 특성의 변화를 살펴보았다.

제안 방법

7 mm 두께로 표면을 연마하고 양면에 은 후막전극을 스크린인쇄법으로 도포한 다음, 700℃에서 30분간 열처리하였다. 개선된 Sawyer-Tower 회로를 이용하여 0.1 Hz의 교류 전계 하에서의 분극 (P-E) 이력곡선을 측정하였고, 선형 가변 미분변환기(LVDT)를 이용하여 0.1 Hz 교류 전계 하에서의 변형율 (S-E) 이력곡선을 측정하였다.
9%인 분말상의 Bi₂O₃, K₂CO₃, MgO, SnO₂, TiO₂, Li₂CO₃ (이상 여섯 가지 분말의 제조 회사는 일본의 Kojundo Chemical)와 Na₂CO₃ (제조 회사는 미국의 Ceramic Specialty Inorganics) 시약을 출발원료로 사용하였다. 원료를 상기 식과 같이 평량한 다음 에탄올과 지르코니아 볼을 분산매체로 사용하여 24시간 동안 볼밀링 방법으로 분산하고 건조한 후 850℃에서 2시간 동안 하소하여 고상분말을 합성하였다. 분말의 균일도를 높이기 위하여 분산과 하소과정을 다시 반복하였다.
06BMS 시료는 높은 전계유기 변형 특성을 나타내어 흥미롭지만 전계유기 변형 곡선의 이력이 매우 크다는 것이 문제로 보인다. 이를 더 자세히 알아보기 위하여 최대 전계를 변화시키면서 시료의 단극성 S-E 이력곡선을 측정하였고, 그 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 최대 인가 전계가 증가함에 따라 S-E 곡선 상에서 최대 변형률 도달 경로에서 이력이 발생함을 알 수 있다.
시료의 표면 미세구조를 관찰하는데 전계방출 주사전자현미경 (FE–SEM, JEOL, JSM–65OFF, Japan)을 이용하였다. 전기적 특성 측정을 위하여 시료를 0.7 mm 두께로 표면을 연마하고 양면에 은 후막전극을 스크린인쇄법으로 도포한 다음, 700℃에서 30분간 열처리하였다. 개선된 Sawyer-Tower 회로를 이용하여 0.

대상 데이터

순도가 99.9%인 분말상의 Bi₂O₃, K₂CO₃, MgO, SnO₂, TiO₂, Li₂CO₃ (이상 여섯 가지 분말의 제조 회사는 일본의 Kojundo Chemical)와 Na₂CO₃ (제조 회사는 미국의 Ceramic Specialty Inorganics) 시약을 출발원료로 사용하였다. 원료를 상기 식과 같이 평량한 다음 에탄올과 지르코니아 볼을 분산매체로 사용하여 24시간 동안 볼밀링 방법으로 분산하고 건조한 후 850℃에서 2시간 동안 하소하여 고상분말을 합성하였다.

데이터처리

시료의 표면 미세구조를 관찰하는데 전계방출 주사전자현미경 (FE–SEM, JEOL, JSM–65OFF, Japan)을 이용하였다.

이론/모형

Archimedes 방법으로 소결시료의 밀도를 측정하였고, X선 회절분석기 (XRD, RAD III, Rigaku, Japan)를 이용하여 시료의 결정구조를 분석하였다. 시료의 표면 미세구조를 관찰하는데 전계방출 주사전자현미경 (FE–SEM, JEOL, JSM–65OFF, Japan)을 이용하였다.

성능/효과

^5,6) 이러한 문제를 해결하기 위하여 BaTiO₃ (BT)와 Bi_1/2K_1/2TiO₃ (BKT) 등의 다른 perovskite 화합물로 상호 고용체를 형성하는 방법이 많이 시도되었다.^2,3) 특히 정방정 구조를 가진 BKT를 16-20 mol% 고용하면 정방정-능면정 상경계가 형성되고, PZT와 유사하게 상경계 영역에서 유전 및 압전 특성이 최대치를 보이는 현상이 발견되었다.^7,8)
그러나 흥미롭게도 강유전상에서 비극성을 나타내는 유사입방정으로 상전이 한 직후에 높은 전계유기 변형률을 나타내었다. 6 mol% BMS를 고용하고 6 kV/mm의 전계를 인가하였을 때 정규화된 변형률은 633 pm/V로 최대치를 나타내었으며, 이러한 정규화된 변형률은 최대 전계 값에 크게 영향을 받음을 발견하였다. 이러한 결과는 전계를 인가하였을 때 BMS-BNKT 소재 내에서 비가역적인 물성의 변화가 일어남을 의미하며, 전계 유기 상전이가 일어날 것이라 추측된다.
BMS를 첨가하지 않은 BNKT는 능면정과 정방정이 공존하였으며 전기적으로 강유전성을 나타내었다. 그러나 BMS를 첨가하여 농도가 2 mol%를 넘으면 결정학적으로 유사입방정으로 점진적인 전이를 보이면서 강유전체의 특징인 잔류분극과 항전계가 감소함을 나타내었다. 그러나 흥미롭게도 강유전상에서 비극성을 나타내는 유사입방정으로 상전이 한 직후에 높은 전계유기 변형률을 나타내었다.
등의 주게 불순물을 치환할 때 강유전성-비극성 상전이가 일어나면서 거대 변형 현상이 발견되었다. 나아가 A³⁺B³⁺O₃ perovskite 화합물인 BiAlO₃를 BNKT에 고용시켜도 거대변형 특성이 향상됨을 발견하였다.²⁰⁾ 이와 유사하게 유연 소재인 PbTiO₃ 압전소재의 경우에도 BiMe³⁺O₃ 화합물을 고용하면 전계유기 변형률이 향상된다고 Pennsylvania 주립대 연구진에 의해 보고된 바 있다.
전반적으로 perovskite 결정상을 보이고 뚜렷한 제 2상이 관찰되지 않았다. 이 결과는 첨가한 BMS가 10 mol% 범위에서 전량 BNKT에 고용되었음을 의미한다. BMS가 첨가되지 않은 BNKT의 경우 46.
1에 BMS의 함량을 변화시켜 제조한 (1-x)BNKT-xBMS 세라믹스의 표면 미세구조를 나타내었다. 전체적으로 치밀한 미세구조를 나타내어서 소결과정에서 치밀화가 잘 진행되었음을 볼 수 있지만, 입도 면에서는 시료 간에 차이를 보였다. 즉, Fig.
10에 나타내었다. 최대 전계 E_max가 2 kV/mm일 때 S_max/E_max 값은 233 pm/V였으나, 최대 전계가 증가함에 따라 S_max/E_max 값은 증가하여 6 kV/mm에 이르러 최대치인 633 pm/V를 나타내었다. 이와 같이 최대 전계의 값에 따라 정규화된 변형률이 변한다는 것은 전계 인가에 의한 비가역적 변화가 소재 내에 일어나는 것을 의미하지만, 정확한 기구를 이해하기 위해서는 보다 깊은 연구가 필요하다고 본다.

후속연구

이러한 결과는 전계를 인가하였을 때 BMS-BNKT 소재 내에서 비가역적인 물성의 변화가 일어남을 의미하며, 전계 유기 상전이가 일어날 것이라 추측된다. 그러나 정확한 원인을 아직 알 수 없으며, 이를 이해하기 위해서는 보다 깊고 자세한 후속 연구가 필요하다.
최대 전계 E_max가 2 kV/mm일 때 S_max/E_max 값은 233 pm/V였으나, 최대 전계가 증가함에 따라 S_max/E_max 값은 증가하여 6 kV/mm에 이르러 최대치인 633 pm/V를 나타내었다. 이와 같이 최대 전계의 값에 따라 정규화된 변형률이 변한다는 것은 전계 인가에 의한 비가역적 변화가 소재 내에 일어나는 것을 의미하지만, 정확한 기구를 이해하기 위해서는 보다 깊은 연구가 필요하다고 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전 소재란?	압전 소재는 전기에너지를 기계에너지로 변환할 수 있는 소재로 센서와 액추에이터로 중요한 역할을 해오고 있다. 지난 반세기 동안 압전 분야에서 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)는 가장 널리 이용되어 왔으나, 최근 인체에 유해한 원소를 함유한 물질에 대한 우려가 점증하면서 납이 중량 기준으로 60% 이상 함유된 PZT를 무연 소재로 대체하고자 하는 노력이 활발하게 진행되고 있다.
	정방정 구조를 가진 Bi1/2K1/2TiO3를 16-20 mol% 고용할때 나타나는 현상은?	5,6) 이러한 문제를 해결하기 위하여 BaTiO3 (BT)와 Bi1/2K1/2TiO3 (BKT) 등의 다른 perovskite 화합물로 상호 고용체를 형성하는 방법이 많이 시도되었다.2,3) 특히 정방정 구조를 가진 BKT를 16-20 mol% 고용하면 정방정-능면정 상경계가 형성되고, PZT와 유사하게 상경계 영역에서 유전 및 압전 특성이 최대치를 보이는 현상이 발견되었다.7,8)
	무연 압전 소재들 중에서 능면정 perovskite 구조를 가지는 BNT의 장단점은?	지난 반세기 동안 압전 분야에서 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)는 가장 널리 이용되어 왔으나, 최근 인체에 유해한 원소를 함유한 물질에 대한 우려가 점증하면서 납이 중량 기준으로 60% 이상 함유된 PZT를 무연 소재로 대체하고자 하는 노력이 활발하게 진행되고 있다.1-4) 여러 가지 무연 압전 소재들 중에서 능면정 perovskite 구조를 가지는(Bi1/2Na1/2)TiO3 (BNT)는 잔류분극인 Pr이 38 mC/cm2로크고, 큐리온도인 Tc가 320℃로 높아서 주목을 많이 받았으나, 항전계인 Ec가 73 kV/cm로 높아서 분극하기 어려운 문제가 있었다.5,6) 이러한 문제를 해결하기 위하여 BaTiO3 (BT)와 Bi1/2K1/2TiO3 (BKT) 등의 다른 perovskite 화합물로 상호 고용체를 형성하는 방법이 많이 시도되었다.

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K. N. Pham, H. B. Lee, H. S. Han, J. K. Kang, and J. S. Lee, A. Ullah, C. W. Ahn, and I. W. Kim, "Dielectric, Ferroelectric, and Piezoelectric Properties of Nb-Substituted $Bi_{1/2}(Na_{0.82}K_{0.18})_{1/2}TiO_3$ Lead-Free Ceramics," J. Kor. Phys. Soc., 60 207-11 (2012).

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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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