[논문]La 기반의 ABO3 구조를 갖는 첨가물에 따른 Bi0.5(Na0.78K0.22)0.5TiO3의 압전 및 전기적인 특성 향상 연구

이규탁; 박정수; 윤지선; 조정호; 정영훈; 백종후

doi:10.4313/jkem.2014.27.11.707

La 기반의 ABO3 구조를 갖는 첨가물에 따른 Bi0.5(Na0.78K0.22)0.5TiO3의 압전 및 전기적인 특성 향상 연구
The Study on the Improvement of Piezoelectric and Electrical Characteristics of Bi0.5(Na0.78K0.22)0.5TiO3 Ceramics Modified by the La-based ABO3 Pervskite Structure 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.27 no.11, 2014년, pp.707 - 711

이규탁 (한국세라믹기술원 전자소재융합본부) , 박정수 (한국세라믹기술원 전자소재융합본부) , 윤지선 (한국세라믹기술원 전자소재융합본부) , 조정호 (한국세라믹기술원 전자소재융합본부) , 정영훈 (한국세라믹기술원 전자소재융합본부) , 백종후 (한국세라믹기술원 전자소재융합본부)

Abstract ▼ AI-Helper

The $0.99Bi_{0.5}(Na_{0.78}K_{0.22})_{0.5}TiO_3-0.01LaAlO_3$, $0.01LaMnO_3$ or $0.01LaFeO_3$ (0.99BNKT-0.01LA, 0.01LM or 0.01LF) ceramics were prepared by a conventional mixed mothod. The structure and morphology of the lead free ceramics were characterized by XRD (X-ray diffraction) and FE-SEM (field emission scanning electron microscopy). XRD results indicated that the BNKT ceramics modified by LA, LM or LF induced a transition from a ferroelectric tetragonal to a non-polar pseudo-cubic phase, leading to decrease in the remnant polarization ($P_r$) and coercive field ($E_c$) in the P-E hysterisis loops. The effects of the BNKT ceramics modified by La-based $ABO_3$ pervskite structure on the electric-field induced strain were investigated, and the largest normalized unipolar strain ($S_{max}/E_{max}$) was found in BNKT-0.01LF ceramic.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

5)TiO₃(BNT-BKT) 구조를 갖는 소재 중 K의 함량이 약 16∼22 mol%가 첨가될 경우 높은 압전 특성과 우수한 강유전 특성을 보이며, 특히 K의 함량이 약 22 mol%가 될 경우 소재의 결정구조가 상경계에서 정방정계 (tetragonal)에 가깝게 형성되는 것으로 보고되어지고 있다 [6]. 따라서 본 연구에서는 K 함량이 약 22 mol%의 조성인 Bi_0.5(Na_0.78K_0.22)_0.5TiO₃ 소재를 선정하였고, A-site에 위치하는 Bi와 Na 이온 등의 낮은 휘발 온도를 인하여 소결 시 일부분 휘발될 가능성이 있어, 이러한 휘발성을 억제하기 위해 산화물 상태에서 이온 분극률(polarizability of ions)이 Bi와 유사하고 높은 휘발 온도를 갖는 La [7]을 기반으로 한 ABO₃ pervskite 구조를 갖는 소재 (LaAlO₃, LaMnO₃, LaFeO₃)를 각각 1 mol%를 첨가 및 BNKT 세라믹스의 전기적인 특성 개선 연구를 진행하였다.

제안 방법

이를 위하여 순도 99% 이상의 Na₂CO₃, K₂CO₃, Bi₂O₃, TiO₂, La₂O₃, Mn₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃ 분말을 사용하였다. BNKT 각각의 산화물을 조성에 따라 몰분율로 계산하여 평량 후 알코올에 혼합 및 24시간 볼밀을 통하여 혼합/분쇄하였다. 분말을 100℃에서 12시간 이상 건조한 후, 소결로에서 5℃/min로 승온하여 800℃에서 2시간 동안 하소 과정을 진행하였다.
Bi0.5(Na0.78K0.22)0.5TiO3 조성을 기본으로 하여 0.99Bi0.5(Na0.78K0.22)0.5TiO3–0.01LaAlO3, 0.01LaMnO3 또는 0.01LaFeO3 세라믹스를 제조하여 구조적인 특성과 전기적인 특성 분석을 진행하였다.
본 연구에서는 BNKT에 La-기반 삼성분계 조성의 첨가가 미치는 영향을 분석하고자 순수한 BNKT와 0.99Bi0.5(Na0.78K0.22)0.5TiO3–0.01LaAlO3, 0.01LaMnO3 또는 0.01LaFeO3 (0.99BNKT–0.01LA, 0.01LM 또는 0.01LF) 세라믹스를 제작하였다.
01LF는 원통형 금형 (Φ= 10 mm)에 넣고, 1,000 kg/cm²의 압력으로 성형 후, 5℃/min 승온하여 650℃에서 4시간 열처리 및 1,150℃에서 2시간 소결하였다. 소결이 완료된 시편들은 XRD(Rigaku Corporation/D/max 2,200V/PC/Japan)를 이용하여 결정구조 및 SEM (Jeol/JSM-6700F/Japan)을 이용하여 미세구조를 분석하였다. 소재의 유전 특성과 전기적 특성 분석을 위해 시편의 두께를 약 1 mm로 연마한 후 시편의 상, 하부에 은 (Ag) 전극을 프린팅하고 700℃에서 10분 간 열처리하였다.
소결이 완료된 시편들은 XRD(Rigaku Corporation/D/max 2,200V/PC/Japan)를 이용하여 결정구조 및 SEM (Jeol/JSM-6700F/Japan)을 이용하여 미세구조를 분석하였다. 소재의 유전 특성과 전기적 특성 분석을 위해 시편의 두께를 약 1 mm로 연마한 후 시편의 상, 하부에 은 (Ag) 전극을 프린팅하고 700℃에서 10분 간 열처리하였다. 열처리 과정이 끝난 세라믹스 시편은 standard ferroelectric test system (Radiant Technology Co.
소재의 유전 특성과 전기적 특성 분석을 위해 시편의 두께를 약 1 mm로 연마한 후 시편의 상, 하부에 은 (Ag) 전극을 프린팅하고 700℃에서 10분 간 열처리하였다. 열처리 과정이 끝난 세라믹스 시편은 standard ferroelectric test system (Radiant Technology Co./P-LC-K/USA)을 이용하여 P-E와 S-E 이력곡선을 측정하였다.
분말을 100℃에서 12시간 이상 건조한 후, 소결로에서 5℃/min로 승온하여 800℃에서 2시간 동안 하소 과정을 진행하였다. 하소된 BNKT에 LA, LM 또는 LF 각각의 산화물을 평량하여 첨가하고 24시간 볼밀로 재혼합 및 건조 후 다시 800℃에서 2시간 하소하였다. 하소된 순수한 BNKT와 0.
하소된 순수한 BNKT와 0.99BNKT–0.01LA, 0.01LM 또는 0.01LF는 원통형 금형 (Φ= 10 mm)에 넣고, 1,000 kg/cm2의 압력으로 성형 후, 5℃/min 승온하여 650℃에서 4시간 열처리 및 1,150℃에서 2시간 소결하였다.

대상 데이터

01LF) 세라믹스를 제작하였다. 이를 위하여 순도 99% 이상의 Na₂CO₃, K₂CO₃, Bi₂O₃, TiO₂, La₂O₃, Mn₂O₃, Fe₂O₃, Al₂O₃ 분말을 사용하였다. BNKT 각각의 산화물을 조성에 따라 몰분율로 계산하여 평량 후 알코올에 혼합 및 24시간 볼밀을 통하여 혼합/분쇄하였다.

성능/효과

이러한 이유로 그림 4에는 La 기반의 삼성분계 조성의 첨가에 따른 BNKT 소재의 단극성 S-E 이력곡선과 정규화된 변형률(normalized strain) S_max/E_max를 나타내었다. 그림 4(a)의 단극성 S-E 이력곡선의 경우, pure BNKT는 최대 변형률이 0.1%로 낮은 반면, BNKT-LA, BNKT-LM, 그리고 BNKT-LF의 경우 각각 0.19%, 0.25%, 0.26%로 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 경향성은 이를 기반으로 계산한 S_max/E_max결과 (그림 4(b))에서도 뚜렷하게 보이고 있다.
SEM 분석 결과 grain의 모양에는 큰 변화는 없었지만 평균 입도 크기는 증가한 것으로 확인되었다. P-E 이력곡선의 변화는 La-기반의 삼성분계 조성의 첨가 유무에 따라 강유전 특성에서 항전계와 잔류분극이 감소한 반강유전 특성이 나타난 것으로 확인되었으며 BNKT-LF와 같은 일부 시편의 경우 항전계는 감소하고, 최대 분극이 증가하여 가장 우수한 전기적 특성이 나타난 것으로 측정되었다.
SEM 분석 결과 grain의 모양에는 큰 변화는 없었지만 평균 입도 크기는 증가한 것으로 확인되었다. P-E 이력곡선의 변화는 La-기반의 삼성분계 조성의 첨가 유무에 따라 강유전 특성에서 항전계와 잔류분극이 감소한 반강유전 특성이 나타난 것으로 확인되었으며 BNKT-LF와 같은 일부 시편의 경우 항전계는 감소하고, 최대 분극이 증가하여 가장 우수한 전기적 특성이 나타난 것으로 측정되었다.
01LaFeO₃ 세라믹스를 제조하여 구조적인 특성과 전기적인 특성 분석을 진행하였다. XRD 데이터를 통하여 순수한 BNKT는 정방정계 구조를 갖는 것으로 확인되었으나 La-기반의 삼성분계 조성이 첨가되면서 결정구조가 의사입방정계 구조로 변화한 것을 알 수 있었다.
단극성 S-E 이력곡선을 통하여 La-기반 ABO₃ 첨가를 통하여 전계인가에 따른 변형률이 크게 증가함을 확인하였다. 이를 통하여 압전 액추에이터 모듈 적용 시 낮은 인가전압 대비 높은 전기적 특성을 기대할 수 있을 것으로 예측된다.
그림 1은 1,150℃에서 소결된 순수한 BNKT와 BNKT–LA, BNKT-LM 그리고 BNKT-LF의 SEM 이미지이다. 전체적으로 각 (rectangular)이 진 grain의 모양에 치밀화가 잘 진행되었으며 과소결에 의한 불순물 상은 보이지 않았다. 그림 1(a)와 같이 순수한 BNKT의 경우 평균입도 크기가 약 0.

후속연구

첨가를 통하여 전계인가에 따른 변형률이 크게 증가함을 확인하였다. 이를 통하여 압전 액추에이터 모듈 적용 시 낮은 인가전압 대비 높은 전기적 특성을 기대할 수 있을 것으로 예측된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압전 세라믹스는 어디에 응용가능한가?	압전 세라믹스는 압력이 가해졌을 때 세라믹 소재 내에 분극현상을 이용한 압전 특성을 응용하는 기술로, 통신기기, 의료기기, LCD 백라이트용 액츄에이터, 트랜스포머, 초음파 모터, 초음파 세척기, 적외선 센서 [1] 뿐만 아니라 energy harvesting과 같은 에너지 분야 등의 다양한 분야에서 응용 가능하며, 이러한 압전 세라믹스에 대한 연구 개발이 지난 수십 년 간 지속되어 왔다 [2]. PZT ((Pb,Zr)TiO3)로 대표되는 납계 압전 세라믹스는 높은 압전계수 (d33)를 비롯한 우수한 전기적인 특성 등 산업 전반에서 요구되는 성능들이 뛰어난 편이나 납을 기반으로 제작함에 따라 인체에 유해하고 환경문제를 야기한다는 문제점이 있어 최근 납의 사용에 대한 규제가 나날이 강화됨에 따라 무연계 (lead-free) 기반의 압전 세라믹스 연구가 활발히 진행 중이다.
	압전 세라믹스는 무엇인가?	압전 세라믹스는 압력이 가해졌을 때 세라믹 소재 내에 분극현상을 이용한 압전 특성을 응용하는 기술로, 통신기기, 의료기기, LCD 백라이트용 액츄에이터, 트랜스포머, 초음파 모터, 초음파 세척기, 적외선 센서 [1] 뿐만 아니라 energy harvesting과 같은 에너지 분야 등의 다양한 분야에서 응용 가능하며, 이러한 압전 세라믹스에 대한 연구 개발이 지난 수십 년 간 지속되어 왔다 [2]. PZT ((Pb,Zr)TiO3)로 대표되는 납계 압전 세라믹스는 높은 압전계수 (d33)를 비롯한 우수한 전기적인 특성 등 산업 전반에서 요구되는 성능들이 뛰어난 편이나 납을 기반으로 제작함에 따라 인체에 유해하고 환경문제를 야기한다는 문제점이 있어 최근 납의 사용에 대한 규제가 나날이 강화됨에 따라 무연계 (lead-free) 기반의 압전 세라믹스 연구가 활발히 진행 중이다.
	BNT 기반 소재들의 단점을 극복하고자 최근 어떤 연구들이 진행되었는가?	이와 같은 단점들을 극복하고자 최근 BNT 소재의 상경계 (morphortropic phase boundary, MPB)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데 (Bi0.5Na0.5)TiO3-(Bi0.5K0.5)TiO3(BNT-BKT) 구조를 갖는 소재 중 K의 함량이 약 16∼22 mol%가 첨가될 경우 높은 압전 특성과 우수한 강유전 특성을 보이며, 특히 K의 함량이 약 22 mol%가 될 경우 소재의 결정구조가 상경계에서 정방정계 (tetragonal)에 가깝게 형성되는 것으로 보고되어지고 있다 [6]. 따라서 본 연구에서는 K 함량이 약 22 mol%의 조성인 Bi0.

참고문헌 (13)

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A. Maqbool, A. Hussain, J. U. Rahman, T. K. Song, W. J. Kim, J. Lee, and M. H. Kim, Ceram. Int., 40, 11905 (2014).

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저자의 다른 논문 :

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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