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ZnO 첨가에 따른 PMW-PNN-PZT 세라믹스의 유전 및 압전 특성
Dielectric and Piezoelectric Properties of PMW-PNN-PZT Ceramics As a Function of ZnO Addition 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.3, 2015년, pp.165 - 169  

라철민 (세명대학교 전기공학과) ,  류주현 (세명대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, in order to develop the composition ceramics with the excellent dielectric properties, $Pb(Mg_{1/2}W_{1/2})_{0.03}(Ni_{1/3}Nb_{2/3})_{0.09}(Zr_{0.5}Ti_{0.5})_{0.88}O_3$ ceramics were fabricated by the conventional solid-state method. The effects of ZnO addition on their mic...

주제어

#ZnO addition   #Ceramic   #PMW-PNN-PZT   #Dielectric properties  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 본 실험에서는 저온 소결이 가능하고, 압전 엑츄에이터에 적용하기 위한 압전세라믹스를 개발하기 위하여 Pb(Mg1/2W1/2)0.03(Ni1/3Nb2/3)0.09(Zr0.5Ti0.5)O3 +xwt% ZnO + 0.3 wt% PbO + 0.3 wt% CuO 조성에 ZnO 첨가량에 변화를 주어 시편을 제작하고 실험을 통하여 ZnO의 첨가가 세라믹의 미세구조와 압전 및 강유전 특성에 미치는 영향을 조사한 결과는 다음과 같은 결과를 얻었다.
  • 본 연구에서는 Pb(Mg1/2W1/2)0.03 (Ni1/3Nb2/3)0.09(Zr0.5Ti0.5)O3 세라믹스에 PbO, CuO를 소결조제로 사용하였고, ZnO를 첨가제로 사용하여 PbO와 액상을 형성하도록 유도하고 액상에 의한 윤활 작용으로 밀도의 치밀화와 소결성을 향상시킴으로써 그에 따른 압전 및 유전 특성을 관찰하였다 [10].

데이터처리

  • 입자의 크기는 선형 간섭법 (linear-intercept technical method)을 사용하여 산출하였으며, 압전상수 d33와 d31은 Piezo-d33 meter(APC, YE 2730A)을 이용하여 측정하였다. 또한 IEEE 규정에 따라 Impedance Analyzer (Agilent 4294A)로 공진 및 반공진 주파수와 공진저항을 측정하여 전기기계 결합계수(kp)와 기계적 품질계수(Qm)를 산출하였다.
  • 120℃의 절연유 속에서 3 kV/mm의 직류전계를 인가하여 30분 동안 분극처리를 하였으며, 특성은 24시간 에이징후에 측정하였다. 유전 특성을 조사하기 위해서 LCR meter (ANDO AG-4304)를 사용하였고, 시편의 미세구조 및 결정구조는 각각 SEM (scanning electron microscope)과 XRD (X-ray diffraction)를 통해 분석하였다. 입자의 크기는 선형 간섭법 (linear-intercept technical method)을 사용하여 산출하였으며, 압전상수 d33와 d31은 Piezo-d33 meter(APC, YE 2730A)을 이용하여 측정하였다.

이론/모형

  • 본 실험에서는 다음의 조성식을 이용하여 일반적인 산화물 혼합법으로 시편을 제조하였다.
  • 유전 특성을 조사하기 위해서 LCR meter (ANDO AG-4304)를 사용하였고, 시편의 미세구조 및 결정구조는 각각 SEM (scanning electron microscope)과 XRD (X-ray diffraction)를 통해 분석하였다. 입자의 크기는 선형 간섭법 (linear-intercept technical method)을 사용하여 산출하였으며, 압전상수 d33와 d31은 Piezo-d33 meter(APC, YE 2730A)을 이용하여 측정하였다. 또한 IEEE 규정에 따라 Impedance Analyzer (Agilent 4294A)로 공진 및 반공진 주파수와 공진저항을 측정하여 전기기계 결합계수(kp)와 기계적 품질계수(Qm)를 산출하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
저융점을 갖는 불순물에는 어떤 것들이 있는가? 또한, 조성비에 의해 유전 및 압전 특성이 변화할 뿐만 아니라, 미량의 첨가제에 따라서 특징을 개선하는 연구가 진행 중이다. 첨가제의 역할은 ABO3의 perovskite 구조에서 압전 및 유전 특성을 향상시키는 donor (softeners) 또는 acceptors (hardeners)로서작용하는 CuO, MnO2, Fe2O3, Bi2O3 등과 같은 저융점을 갖는 불순물들을 첨가 혹은 치환함으로써 액상을 형성하여, 액상에 의한 그레인 경계에 윤활 작용으로 밀도를 치밀화시키고, 소결성을 향상시키는 것이다[7-9].
PZT계 세라믹스의 문제점은? 그리고 Smolenskii 등은 이 PZT계 세라믹스 2성분계에 화학적 개량을 통한 3성분계 복합 페로브스카이트 구조에 관한 연구를 보고하였고, 4성분계와 같은 복합 페로브스카이트 화합물에 대한 연구가 진행되어졌으며, 그로 인해 PbTiO3계 세라믹스도 화학적 개량을 통해 다양한 분야에서 활용되고 있다 [1-3]. 그러나 PZT계 세라믹스는 전자세라믹스 분야에서 가장 널리 사용되고 있지만 1,000℃부근에서 급격히 휘발되는 PbO로 인한 환경오염과 기본 조성의 변화로 인한 압전 특성의 저하가 문제되고 있다 [4,5].
ZnO 첨가량 변화에 따라 시편의 미세구조는 어떻게 변화하는가? 그림 2는 ZnO 첨가량 변화에 따른 시편의 미세구조를 나타낸 것이다. 그림에서 보여지는 것처럼 ZnO 함량이 증가함에 따라 입경은 0.4 wt%까지 증가하다가 감소하는 특성을 보이고 있다. 즉, ZnO의 함량이 0,0.2, 0.4, 0.6 wt%일 때 평균 결정립의 크기는 각각 2.2, 3.7, 3.89, 3.66 μm의 값을 보였다. 이러한 결과는 제작된 시편의 밀도에서 알 수 있듯이 ZnO의 첨가 가 소결성을 향상시켜 그레인 성장과 미세구조를 치밀화시키는 것으로 사료된다.
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참고문헌 (10)

  1. D. H. Lee, S. H. Lee, S. P. Nam, and Y. H. Lee, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 59, 11 (2010). 

  2. J. H. Yoo, Y. H. Lee, D. H. Kim, I. H. Lee, J. S. Kwon, and D. S. Paik, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 21, 126 (2008). 

  3. I. Y. Kang, I. T. Seo, Y. J. Cha, J. H. Choi, S. Nahm, T. H. Sung, and J. H. Paik, J. Eur. Ceram. Soc., 32, 2381 (2012). 

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  4. F. Gao, R. Hong, J. Liu, Z. Li, and C. S. Tian, Cream. Int., 35, 1863 (2009). 

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  5. X. Chao, Z. Yang, X. Huang, D. Ma, and J. Zeng, Curr. Appl. Phys., 9, 1283 (2009). 

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  6. L. Hui, Y. Zupei, W. Lingling, and C. Yunfei, Mater. Res. Bull., 44, 638 (2009). 

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  7. J. Y. Ha, J. W. Choi, C. Y. Kang, D. J. Choi, H. J. Kim, and S. J. Yoon, Mater. Chem. Phys., 90, 396 (2005). 

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  8. Y. C. Lee, T. K. Lee, and J. H. Jan, J. Eur. Ceram. Soc., 31, 3145 (2011). 

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  9. C. Liu, D. Xiao, T. Huang, J. Wu, F. Li, and J. Zhu, Cream. Int., 40, 7589 (2014). 

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  10. F. Li, D. Xiao, J. Wu, Z. Wang, C. Liu, and J. Zhu, J. Cream. Int., 40, 14601 (2014). 

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