[논문]PZT 세라믹스의 전기기계결합계수 온도 안정성에 관한 연구

이개명

doi:10.4313/jkem.2014.27.1.27

PZT 세라믹스의 전기기계결합계수 온도 안정성에 관한 연구
Temperature Stability of Electro-mechanical Coupling Factors of PZT Ceramics 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.27 no.1, 2014년, pp.27 - 32

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, PZT piezoelectric ceramic specimens with 4 compositions (Zr/Ti=50/50, 53/47, 56/44, 58/42) in $Pb(Zr,Ti)O_3$ system were fabricated. We studied effects of poling strength and thermal aging on the temperature characteristics of eletromechanical coupling factor k31 of the specimens, which were poled with the DC electric fields, 1.5, 2.5 and 3.5 kV/mm respectively and thermally aged for an hour at $200^{\circ}C$. The eletromechanical coupling factor k31 of the specimen with the composition Zr/Ti= 53/47, nearest to the morphotropic phase boundary decreased the most greatly, irrelevant to the intensity of poling field, due to 1st thermal aging. And the temperature coefficient of eletromechanical coupling factor k31 was (-) in the tetragonal phase composition and (+) in the rhombohedral phase composition, which is reverse in the temperature coefficient of resonance frequency. It is interesting that eletromechanical coupling factor k31 of PZT ceramics is shown to be able to increase as temperature increase in the interval $-20{\sim}80^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 에너지 하베스팅 변환 소자로서 PZT 세라믹스를 이용함에 있어서는 PZT 소체의 전기기계 에너지 변환 효율을 나타내는 재료상수인 전기기계결합계수 (electro-mechanical coupling factor)의 안정성 중요하다. 본 연구에서는 PZT 세라믹스의 전기계결합계수의 온도안정성을 조사하고자 한다.
본 연구에서는 기존 PZT계열 세라믹스의 연구에서 크게 중시되지 않았던 전기기계결합계수의 온도 특성을 조사 분석하였다. 압전소체를 에너지 하베스팅 분야에서 에너지 변환소자로서 응용함에 있어서는 에너지 변환 척도가 되는 전기기계결합계수의 안정성은 매우 중요하다.
통상적으로 PZT 압전세라믹스를 기판으로 선택함에 있어 에너지변환효율이 우수한 조성상의 상경계 부근 (morphotropic phase boundary)의 조성을 선택한다. 본 연구에서는 모르포트로픽상경계와 부근 정방정계와 능면체정계에 속한 조성을 선택하여 시편을 제작하고 이들 시편의 전기계결합계수의 온도특성에 대해 분극전계와 열 에이징 처리가 미치는 영향을 조사하고자 한다.
분극전계의 크기와 열 에이징 처리에 의해 전기기계 결합계수가 온도 변화에 따라 어떻게 변화하는지 조사하였다. 분극전계의 크기는 센치미터 두께당 1.

제안 방법

제작된 시편의 밀도와 등가회로상수에 대한 온도특성을 측정하였다. PC, 항온조와 Network-Analyzer HP5100a 를 사용하여 그림 2와 같은 측정시스템을 구성하여 길이 진동모드의 대해 온도특성을 조사하였다.
모포트로픽 상경계 부근의 3조성, Zr/Ti=50/50, 53/47, 56/44에 대해 분극전계의 크기와 열 에이징 처리 유무에 따른 전기계결합계수의 온도 의존성을 조사하였다. 이 결과를 그림 4(a), (b), (c)에 각각 나타내었으며, 비교를 위하여 이들 그래프에서 세로축 값을 같은 척도로 고정하였다.
모포트로픽 상경계 부근의 Zr/Ti 조성비와, 분극전계의 크기 그리고 열 에이징 처리가 PZT 시편의 전기계 결합계수 온도 특성에 미치는 영향을 조사한 실험으로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
분극전계의 크기와 열 에이징 처리에 의해 전기기계 결합계수가 온도 변화에 따라 어떻게 변화하는지 조사하였다. 분극전계의 크기는 센치미터 두께당 1.5, 2.5, 3.5 kV로 구분하였으며, 열 에이징 처리 전, 1차 열 에이징 후, 2차 열 에이징 후 전기기계결합계수의 변화를 측정하였다. 각 조건에 따른 시편의 기호 표기는 표 1과 같다.
5kV/cm로 분극되고 열처리 전 Zr/Ti=50/50, 53/47, 56/44, 58/42 시편의 상대 전기기계결합계수 온도 특성 곡선과 그것들의 선형추세선을 그림 5(a), (b)에 나타내었다. 상대 전기기계결합계수 온도 특성 곡선을 구하기 전에 각 시편들간에 전기기계결합계수의 절대크기 비가 보존되도록 Zr/Ti =50/50, 56/44, 58/42 시편 전기기계결합계수의 온도 평균값이 Zr/Ti= 53/47 시편의 온도 평균값과 같아지도록 수직축(k₃₁축)상에서 평행 이동시켰다. 이런 후 같아진 전기기계 결합계수 평균값으로 나누어 상대 전기기계결합계수를 구하였다.
시편에 직류전압를 인가하여 80℃ 실리콘유 중에서 30분간 분극 처리를 하였으며, 시편의 윗면과 아랫면을 단락시킨 상태에서 200℃에서 1시간 동안 유지시켜 열　 에이징 처리를 실시하였다.
온도 특성의 측정은 항온조의 온도를 -20℃에서 80℃까지 2～3℃/min의 속도로 상승 시키면서 매 10℃마다 시편 특성을 측정하였다. 열 에이징 처리한 시편은 열 에이징 처리 후 24시간이 경과된 뒤 측정을 실시하였다.
항온조 내부에 또 다른 밀폐 금속상자를 설치하고 그 안에 측정　시편과 온도　센서를 설치해 측정함으로써 냉기와 열기가 직접 센서와 시편에 접촉하지 않도록 하여 측정 정확도를 높였다. 온도 특성의 측정은 항온조의 온도를 -20℃에서 80℃까지 2～3℃/min의 속도로 상승 시키면서 매 10℃마다 시편 특성을 측정하였다. 열 에이징 처리한 시편은 열 에이징 처리 후 24시간이 경과된 뒤 측정을 실시하였다.
상대 전기기계결합계수 온도 특성 곡선을 구하기 전에 각 시편들간에 전기기계결합계수의 절대크기 비가 보존되도록 Zr/Ti =50/50, 56/44, 58/42 시편 전기기계결합계수의 온도 평균값이 Zr/Ti= 53/47 시편의 온도 평균값과 같아지도록 수직축(k₃₁축)상에서 평행 이동시켰다. 이런 후 같아진 전기기계 결합계수 평균값으로 나누어 상대 전기기계결합계수를 구하였다. 이렇게 구해진 상대 전기기계결합계수의 온도 특성 곡선을 그림 5(a)에 나타내었다.
제작된 시편의 밀도와 등가회로상수에 대한 온도특성을 측정하였다. PC, 항온조와 Network-Analyzer HP5100a 를 사용하여 그림 2와 같은 측정시스템을 구성하여 길이 진동모드의 대해 온도특성을 조사하였다.
항온조 내부에 또 다른 밀폐 금속상자를 설치하고 그 안에 측정　시편과 온도　센서를 설치해 측정함으로써 냉기와 열기가 직접 센서와 시편에 접촉하지 않도록 하여 측정 정확도를 높였다. 온도 특성의 측정은 항온조의 온도를 -20℃에서 80℃까지 2～3℃/min의 속도로 상승 시키면서 매 10℃마다 시편 특성을 측정하였다.
세라믹스의 Zr/Ti비가 50/50, 53/47, 56/44, 58/42인 조성의 분말을 산화물혼합법으로 제조하고, 이 PZT 분말을 보통 소성법으로 시편을 제작하였다. 혼합된 원료는 150℃ 온도에서 10시간 건조시킨 후 알루미나 도가니에 넣고 850℃에서 2시간 동안 1차 열처리를 하였으며, 1차 열처리된 시료에 소결 도중 휘발하는 PbO 성분을 보상하여 2차상의 석출을 억제하고 소결 시에 액상으로 존재하여 시편의 치밀화가 촉진되도록 1 wt% 과잉 PbO를 첨가하였다 [12].

대상 데이터

밀도가 약 7.4 g/cm3 이상인 시편을 측정에 사용하였다.
본 실험에서는 그림 1과 같은 과정으로 Pb(Zr,Ti)O3 세라믹스의 Zr/Ti비가 50/50, 53/47, 56/44, 58/42인 조성의 분말을 산화물혼합법으로 제조하고, 이 PZT 분말을 보통 소성법으로 시편을 제작하였다.

성능/효과

1. 열 에이징 처리가 되지 않은 상경계 조성시편의 경우 온도특성 측정 시 받게 되는 열충격에 의해서도 전기기계결합계수의 열화가 진행될 수 있다.
1차 열처리 후 전기기계결합계수 변화량과 2차 열처리 후 전기기계결합계수의 변화량을 비교하여, 2차 열처리 후 전기기계결합계수의 변화량이 1차 열처리 후 전기기계결합계수변화량에 비해 크게 작을 때 1차 열처리에 의해 전기기계결합계수의 온도 안정성이 개선된 것으로 판정할 수 있다. Zr/Ti=50/50: 3.
2. 열 에이징 처리 전 시편의 경우 전기기계결합계수가 -20∼80℃ 구간에서 4.5% 이상의 변동 폭을 가질 수 있다.
3. 모포트로픽 상경계에 제일 가까운 조성인 Zr/Ti=53/47 시편의 경우가 분극전계에 관계없이 1차 열처리에 의해 전 온도 구간에서 전기기계결합계수가 상대적으로 제일 큰 폭으로 감소하였다.
4. PZT세라믹스의 전기계결합계수는 공진주파수와는 정반대로 능면체정계 조성의 시편에서 온도계수 (-), 정방정계 조성 시편에서 (+)의 값을 갖으며, 모포트로픽 상경계에 제일 가까운 조성에서도 온도계수의 변동 폭이 매우 크다.
아울러 큰 차이점은 공진주파수와 전기기계결합계수의 온도계수가 각 조성에서 반대로 나타나는 것이다. 언급한 기존 연구에서 공진주파수는 정방정계 조성, 즉 Zr/Ti =50/50 조성에서 온도계수가 (+) 값이고, 능면체정계 조성, 즉 Zr/Ti=56/44 조성에서 온도 계수가 (-)값이었으나, 반면에 본 연구의 결과에서 전기 기계결합계수는 정방정계 조성, 즉 Zr/Ti=50/50 조성에서 온도계수가 (-)값이고, 능면체정계 조성, 즉 Zr/Ti=56/44 조성에서 온도계수가 (+)값임을 보여주고 있다. Zr/Ti=56/44.
이 결과로부터 모포트로픽 상경계를 중심으로 정방정계 조성은 -20∼80℃ 구간에서 온도 증가에 따라 전기기계결합계수 k31이 감소하고 능면체정계 조성은 소폭 증가한다.

후속연구

압전소체를 에너지 하베스팅 분야에서 에너지 변환소자로서 응용함에 있어서는 에너지 변환 척도가 되는 전기기계결합계수의 안정성은 매우 중요하다. 전기기계결합계수가 제일 큰 모포트로픽 상경계 부근 영역 조성에 대해서 분극전계, 열 에이징 처리 유무가 전기기계결합계수의 온도 특성에 미치는 영향이 조사되었으며, 이 연구의 결과는 에너지 하베스팅 연구에서 에너지 변환 소자로서 PZT조성을 선택하고 소체를 준비하는데 참고가 될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지 하베스팅 변환 소자로서 PZT 세라믹스를 이용하려면 중요한 것은?	그간 PZT 압전세라믹스를 공진자와 필터와 같은 통신 소자로서 응용함에 있어서는 통신소자의 동작주파수 안정성이 매우 중요하였기 때문에 PZT 세라믹스의 안정성 연구에서도 소체의 공진주파수 안정성에 관한 연구가 중심이 되었다. 그러나 에너지 하베스팅 변환 소자로서 PZT 세라믹스를 이용함에 있어서는 PZT 소체의 전기기계 에너지 변환 효율을 나타내는 재료상수인 전기기계결합계수 (electro-mechanical coupling factor)의 안정성 중요하다. 본 연구에서는 PZT 세라믹스의 전기계결합계수의 온도안정성을 조사하고자 한다.
	PZT 압전세라믹스의 안정성 연구에서 중심이 되었던 것은?	에너지 변환소체로서 아직도 압전 특성의 온도 안정성과 경시 안정성이 우수한 PZT계열의 재료가 주류를 이루고 있다 [1-5]. 그간 PZT 압전세라믹스를 공진자와 필터와 같은 통신 소자로서 응용함에 있어서는 통신소자의 동작주파수 안정성이 매우 중요하였기 때문에 PZT 세라믹스의 안정성 연구에서도 소체의 공진주파수 안정성에 관한 연구가 중심이 되었다. 그러나 에너지 하베스팅 변환 소자로서 PZT 세라믹스를 이용함에 있어서는 PZT 소체의 전기기계 에너지 변환 효율을 나타내는 재료상수인 전기기계결합계수 (electro-mechanical coupling factor)의 안정성 중요하다.
	PZT 세라믹스 응용 소자에 행하는 강제 열에이징의 효과는?	PZT 세라믹스 응용소자의 동작특성 안정성을 확보하기 위해 일반적으로 행해지는 방법 중의 하나가 분극 후의 열에이징 처리이다. 이를 강제 열에이징이라고도 하며, 이러한 처리를 통해 분극 후 시편이 갖게 되는 불안정한 내부 스트레스를 해소시킴으로써 다소 소극이 되더라도 시편이 안정된 분역 구조를 갖게 되어 온도 변화와 시간　경과에 따른 시편 특성의 변동이 작게 된다 [10,11].

참고문헌 (15)

M. K. Kim, B. M. Hwang, J. H. Jeong, N. K. Min, and K. H. Kwon, J. KIEEME, 24, 515 (2011).

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D. Y. Cha, S. J. Lee, and S. P. Chang, J. KIEEME, 24, 416 (2011).

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X. Chen, S. Xu, N. Yao, and Y. Shi, Nano Lett., 10, 2133 (2010).

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N. Chidambaram, A. Mazzalai, and P. Muralt, Ultrasonics, IEEE Transactions on Ferroelectrics and Frequency Control, 59, 1624 (2012).

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N. Chidambaram, A. Mazzalai, D. Balma, and P. Muralt, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 60, 1564 (2013).

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B. Jaffe, W. R. Cook, Jr., and H. Jaffe, Piezoelectric Ceramics (Academic Press, London and New York, 1971) p. 72.
N. Uchida and T. Ideda, J. of Appl. Phys. 6, 265 (1971).
K. Okazaki, Ceramic Engineering For Dielectrics, 3rd ed. (Gakkensha, Tokyo, 1970) p. 1236.
M. Takahashi, Jpn. J. Appl. Phys, 9, 1236 (1970).

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G. M. Lee, B. H. Kim, C. G. Hwang, C. H. Kang, and D. H. Hyun, J. KIEEME, 15, 858 (2002).

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G. M. Lee and B. H. Kim, J. KIEEME, 18, 43 (2005).

원문보기 상세보기
J. H. Lim, J. H. Kim, and S. H. Cho, J. Kor. Ceram. Soc., 31, 581 (1993).
Japan Electronic Material Manufacturers Association Standard, EMAS-6004 (1982).
H. Banno and T. Tsunooka, Jpn. J. Appl. Phys., 6, 954 (1967).

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J. B. Yang, W. S. Yang, and G. M. Lee, Trans. KIEE, 57, 1213 (2008).

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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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