[논문]Bi 과잉에 따른 BiFeO3-BaTiO3 세라믹스의 압전 및 유전특성

이재홍; 이명환; 송태권; 김원정; 성연수; 김명호

doi:10.3740/mrsk.2017.27.3.144

Bi 과잉에 따른 BiFeO3-BaTiO3 세라믹스의 압전 및 유전특성
Effect of Bismuth Excess on Piezoelectric and Dielectric Properties of BiFeO3-BaTiO3 Ceramics 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.3, 2017년, pp.144 - 148

이재홍 (창원대학교 신소재공학부) , 이명환 (창원대학교 신소재공학부) , 송태권 (창원대학교 신소재공학부) , 김원정 (창원대학교 물리학과) , 성연수 (포항공과대학교 신소재공학과) , 김명호 (창원대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of an excess of Bi on the piezoelectric and dielectric properties of $0.60Bi_{1+x}FeO_3-0.40BaTiO_3$ (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05, 0.07) were investigated. The ceramics were processed through a conventional solid state reaction method and then quenched after sintering at different temperatures in the range of $980{\sim}1070^{\circ}C$. A single perovskite structure without any secondary phase was confirmed for all compositions and temperatures. It was found that excess Bi reduced the sintering temperatures, acted as a sintering aid and enhanced the properties in combination with quenching. Curie temperature ($T_C$) was found to slightly increase due to the presence of excess Bi; electrical properties were also improved by quenching. At x = 0.03 and $1030^{\circ}C$, remnant polarization ($2P_r$) was as high as $45.4{\mu}C/cm^2$ and strain at 40 kV/cm was up to 0.176 %.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

Bi를 과잉 첨가한 Bi_1+xFeO₃-BaTiO₃ (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05, 0.07)의 세라믹스를 고상반응법으로 제조하였고 급냉 공정을 실시한 후 미세구조 및 강유전, 압전 특성을 조사하였다. XRD 분석결과 이차상 없는 단일상의 perovskite 형태로 나타났으며 실험한 범위 내에서 Bi가 과잉으로 포함되어도 정방정 결정구조에는 변화가 없다는 것을 알 수 있었다.
Bi의 과잉은 소결 중 휘발되는 Bi이온을 보상할 수 있기 때문에 그에 따른 특성이 향상된다고 보고된 바 있다. 또한 Bi₂O₃는 소결 조제로도 이용되기 때문에 소결 온도를 낮출 수 있는 효과^{18- 20)}를 유발하므로 Bi의 과잉량에 따라 소결 온도를 달리하여 실험을 진행하였다.
시편의 구조 및 결정성을 파악하기 위해 X-선 회절 장치(X-ray diffractometer, MiniflexII, Rigaku)를 사용하였으며 소결된 시편의 미세구조를 관찰하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, JSM-6510)을 이용하여 관찰하였다. 또한 임피던스(impedance)분석기(HP4194A)를 이용하여 유전특성을 평가하였으며 전기장에 따른 변위 (strain)는 변위 측정 장비(LVDT, Millimar 1240, Mahr)를 이용하여 측정하였다.
및 압전특성의 장점을 바탕으로 상호 간의 단점을 보완해 줄 수 있을 것이라 생각된다. 본 실험에서는 BFO 기반에 BTO를 40 mol% 치환한 0.60Bi_1+xFeO₃- 0.40BaTiO₃ (x = 0~0.07) 세라믹스를 제작하여 유전 및 압전 특성을 관찰하였다. Bi의 과잉은 소결 중 휘발되는 Bi이온을 보상할 수 있기 때문에 그에 따른 특성이 향상된다고 보고된 바 있다.

대상 데이터

출발원료로 Bi₂O₃ (Aldrich 99.9 %), Fe₂O₃ (Aldrich 99 %), BaCO₃ (Aldrich 99 %), TiO₂ (Aldrich 99.9 %)를 사용하였으며, 일반적인 고상반응법(solid state reaction)을 이용하여 0.60Bi_1+xFeO₃-0.40BaTiO₃ (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05, 0.07)시료를 제작하였다. 각각의 분말을 측량하여 Y₂O₃-안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ) 볼(ball)들과 무수에탄올을 사용하여 24시간 볼밀링(ballmilling) 하였다.
07) 세라믹스의 XRD 패턴 결과를 나타낸 것이다. 측정과정에서 발생하는 오차를 최소로 하기 위해 99.999 % (5N)의 Si 분말을 표준물질로 사용하여 회절 피크의 위치를 보정하였다. 전 조성에 걸쳐 이차상이 없는 단일상의 perovskite 구조가 나타났으며 Fig.

데이터처리

6 mm의 두께로 연마(polishing)한 후 표면에 전극을 도포하여 주요 특성평가를 실시하였다. 시편의 구조 및 결정성을 파악하기 위해 X-선 회절 장치(X-ray diffractometer, MiniflexII, Rigaku)를 사용하였으며 소결된 시편의 미세구조를 관찰하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, JSM-6510)을 이용하여 관찰하였다. 또한 임피던스(impedance)분석기(HP4194A)를 이용하여 유전특성을 평가하였으며 전기장에 따른 변위 (strain)는 변위 측정 장비(LVDT, Millimar 1240, Mahr)를 이용하여 측정하였다.

성능/효과

03의 조성에서 440 pm/V로 가장 높은 d₃₃^* 값이 나타났다. Bi양이 증가함에 압전특성이 향상되었을 뿐만 아니라 소결조제로도 작용한 것을 확인할 수 있었다.
07)의 세라믹스를 고상반응법으로 제조하였고 급냉 공정을 실시한 후 미세구조 및 강유전, 압전 특성을 조사하였다. XRD 분석결과 이차상 없는 단일상의 perovskite 형태로 나타났으며 실험한 범위 내에서 Bi가 과잉으로 포함되어도 정방정 결정구조에는 변화가 없다는 것을 알 수 있었다. 또한 미세구조 이미지를 통해서 Bi 과잉량이 증가함에 따라 입자의 크기 또한 증가하였으며 x = 0.
XRD 분석결과 이차상 없는 단일상의 perovskite 형태로 나타났으며 실험한 범위 내에서 Bi가 과잉으로 포함되어도 정방정 결정구조에는 변화가 없다는 것을 알 수 있었다. 또한 미세구조 이미지를 통해서 Bi 과잉량이 증가함에 따라 입자의 크기 또한 증가하였으며 x = 0.03 조성 이후 감소하는 경향이 나타났지만 상당한 차이는 나타나지 않는 것을 볼 수 있었다. P-E 이력곡선 측정결과 Bi과잉에 따라 P_r 값이 증가하였으며 x = 0.
07) 세라믹스의 미세구조를 나타내었다. 전 조성에 걸쳐 소결이 잘 되고 치밀화가 잘 이루어진 미세구조가 관찰되었으며, Bi의 양이 증가함에 따라 평균 입자 (grain)의 크기도 증가하는 것을 볼 수 있는데 x = 0.03의 조성에서 평균 입자의 크기가 가장 크게 나타나고 이후 다시 감소하는 경향이 나타나지만 이후에는 큰 변 화는 없다는 것을 확인할 수 있다. Bi₂O₃ 첨가의 경우 830 °C에서 액상을 형성하고 그에 따라 소결 온도를 낮추며 입자 크기 또한 증가하며 치밀화가 향상된다고 보고된 바 있다.
07) 세라믹스를 상온에서 40 kV/cm 10 Hz로 측정한 분극(polarization)이력곡선을 나타내고 있다. 전체적으로 모든 조성에서 포화(saturation)가 잘 이루어진 이력곡선이 나타났고 P_r값의 변화를 보면 Bi과잉량이 증가함에 따라 P_r 값이 증가하다가 다시 감소하는 경향이 나타나는 것을 볼 수 있는데 x = 0.03의 경우 2P_r= 45.4 μC/cm² 로 가장 높은 값을 볼 수 있다.

후속연구

따라서 BFO와 BTO의 고용체 형성을 통해 각각의 높은 T_C 및 압전특성의 장점을 바탕으로 상호 간의 단점을 보완해 줄 수 있을 것이라 생각된다. 본 실험에서는 BFO 기반에 BTO를 40 mol% 치환한 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BaTiO3 (BTO) 장단점은?	4-7) 이러한 단점을 보완하기 위해 A자리를 La2O3, Sm2O3, Nd2O3와 같은 란탄족으로 치환하거나8-12) BaTiO3, CaTiO3, SrTiO3 perovskite로 치환하여 압전 및 유전 특성이 향상된 연구결과가 보고되고 있다.13-16) BaTiO3 (BTO)는 현재까지 가장 널리 알려진 강유전체 재료로 높은 400 pC/N 이상의 압전상수(piezoelectric constant, d33) 를 갖는 반면에 낮은 TC~120oC로 인해 응용분야에 있어 한계를 가지고 있다.17)
	순수 BFO의 특성은?	여러 비납계 관련 후보 중에서 최근 BiFeO3 (BFO)를 기반으로 한 세라믹스가 관심을 받고 있다. 순수 BFO의 경우 높은 큐리온도(Curie temperature, TC) ~830 oC와 큰 잔류분극(remnant polarization, Pr) ~100 μC/cm2 을 갖는다.4-7) 하지만 제조공정중에 쉽게 2차상을 형성하여 순수한 물질을 제작하기 어려우며, 소결 과정에서 ABO3 형태의 perovskite 구조에서 A자리 Bi이온의 휘발이나 B 자리 Fe3+이온이 Fe2+이온으로의 천이로 인한 전하보상으로 산소 공공이 증가함에 따라 누설전류가 높아지는 단점이 있다.
	BFO의 단점은?	순수 BFO의 경우 높은 큐리온도(Curie temperature, TC) ~830 oC와 큰 잔류분극(remnant polarization, Pr) ~100 μC/cm2 을 갖는다.4-7) 하지만 제조공정중에 쉽게 2차상을 형성하여 순수한 물질을 제작하기 어려우며, 소결 과정에서 ABO3 형태의 perovskite 구조에서 A자리 Bi이온의 휘발이나 B 자리 Fe3+이온이 Fe2+이온으로의 천이로 인한 전하보상으로 산소 공공이 증가함에 따라 누설전류가 높아지는 단점이 있다.4-7) 이러한 단점을 보완하기 위해 A자리를 La2O3, Sm2O3, Nd2O3와 같은 란탄족으로 치환하거나8-12) BaTiO3, CaTiO3, SrTiO3 perovskite로 치환하여 압전 및 유전 특성이 향상된 연구결과가 보고되고 있다.

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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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