[논문]PMN-PNN-PZT 세라믹스의 미세구조 및 압전 특성

류주현; 김승원

doi:10.4313/jkem.2017.30.8.496

PMN-PNN-PZT 세라믹스의 미세구조 및 압전 특성
Microstructure and Piezoelectric Properties of PMN-PNN-PZT Ceramics 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.8, 2017년, pp.496 - 500

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$Pb(Mn_{1/3}Nb_{2/3})_{0.07}(Ni_{1/3}Nb_{2/3})_{0.10}(Zr_{0.5}Ti_{0.5})_{0.83}O_3$ composition ceramics with high piezoelectric properties were fabricated by the columbite precursor method for ultrasonic generators, and the effects of sintering temperature on microstructure and piezoelectric properties were systematically investigated. It was found that the tetragonality of the ceramics decreased with increase in sintering temperature. Moreover, excellent physical properties such as $d_{33}=447pC/N$, ${\varepsilon}_r=1,843$, $k_p=0.641$, and $Q_m=1,207$ were obtained for an ultrasonic generator when the second calcination temperature and sintering temperature were $720^{\circ}C$ and $920^{\circ}C$, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 초음파 절삭기 등에 사용할 high power용 압전진동자에 필요로 하는 높은 전기기계결 합계수(k_p)와 높은 압전 상수(d₃₃)와 높은 기계적 품질 계수(Q_m)갖는 세라믹스를 개발하기 위하여, Pb(Mn_1/3 Nb_2/3)_0.07(Ni_1/3 Nb_2/3)_0.10(Zr_0.5Ti_0.5 )_0.83O₃ 세라믹스에 Bi₂O₃, CuO, Li₂CO₃를 소결조재로 첨가하여 저온소결 하였으며, 동시에 유전 및 압전특성을 높이고자 소성온도를 변화시켜 그 미세구조 및 압전특성을 조사하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 저온 소결이 가능한 초음파 절삭기용 진동자에 적용하기 위한 압전세라믹스를 개발하기 위하여 Pb(Mn_1/3Nb_2/3)_0.07(Ni_1/3Nb_2/3 )_0.10(Zr_0.5Ti_0.5)_0.83 O₃ 조성에 720℃에서 2차 하소된 시편의 소성온도를 변화를 주어 시편을 제작하고 실험을 통하여 소성 온도가 세라믹의 미세구조와 압전 및 유전 특성에 미치는 영향을 조사한 결과는 다음과 같은 결과를 얻었다.
성형된 시편은 600℃에서 3시간 동안 결합제를 태워버린 후, 승하강온도 3℃/min로 하여 900℃, 920℃, 940℃, 960℃의 소결온도에서 2시간 소결하였으며 특성측정을 하기 위하여 1 mm로 연마 후 Ag전극을 도포하고 600℃에서 10분간 열처리하였다. 제작된 시편은 120℃ 의 실리콘 오일에서 3 kv/mm의 직류 전계를 30분간 인가하여 분극처리 하였으며 유전특성을 조사하기 위하여 LCR meter (Instek LCR-819)를 사용하여 1kHz에서의 정전용량을 측정하여 유전상수를 산출하였고, impedance analyzer (Agilect 4294A)로 공진 및 반공진 주파수와 공진 저항을 측정하여 전기기계결합계 수(k_p)와 기계적 품질계수(Q_m)을 산출하였다.

대상 데이터

본 실험은 일반적인 산화물 혼합법으로 시편을 제조 하였으며, 실험에 사용 된 조성식은 다음과 같다.

성능/효과

1. 그레인의 크기는 940℃ 소성된 시편에서 11.5 ㎛로 가장 큰 값을 나타내었고, 920℃에서 소성한 시편이 7.92 g/cm³로 밀도가 가장 큰 값을 나타내었다.
3. 920℃에서 소성된 시편이 d₃₃=447 pC/N, ε_r =1,843, k_p=0.641, Q_m =1,207로 초음파 절삭기용 조성으로 우수한 특성을 얻었다.

후속연구

따라서 소결온도를 950℃이하로 낮추고 전기적 특성을 향상시키기 위한 방법 중 하나는 PZT계 압전세라 믹스의 주성분에 각종 첨가제를 첨가함으로써, 유전 및 압전 특성이 크게 개선될 뿐만 아니라, 상경계 영역이 확대되므로 용도에 적합한 재료 선택의 폭이 넓어지는 장점이 있다. 또한, 조성비에 의해 유전 및 압전 특성이 변화할 뿐만 아니라, 미량의 첨가제에 따라서 특징을 개선하는 연구가 진행 중이다. 첨가제의 역할은 ABO₃ 의 perovskite 구조에서 압전 및 유전 특성을 향상시키는 CuO, Fe₂O₃, Bi₂O₃ 등과 같은 저융점을 갖는 불순물들을 첨가함으로써 일부는 A자리와 B자리에 치환시키고, 또한 서로 액상을 형성하여 치밀화시키고, 소결성을 향상시키는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	첨가제의 역할은?	또한, 조성비에 의해 유전 및 압전 특성이 변화할 뿐만 아니라, 미량의 첨가제에 따라서 특징을 개선하는 연구가 진행 중이다. 첨가제의 역할은 ABO3 의 perovskite 구조에서 압전 및 유전 특성을 향상시키는 CuO, Fe2O3, Bi2O3 등과 같은 저융점을 갖는 불순물들을 첨가함으로써 일부는 A자리와 B자리에 치환시키고, 또한 서로 액상을 형성하여 치밀화시키고, 소결성을 향상시키는 것이다.
	PZT계 세라믹스의 단점은?	그리고 Smolenskii 등은 이 PZT계 세라믹스 2성분계에 화학적 개량을 통한 3성분계 복합 페로브스카이트 구조에 관한 연구를 보고하였고, 1성분 더 추가한 제 4성분계와 같은 복합 페로브스카이트 화합물에 대한 연구가 진행되어졌다 [1-3]. 그러나 PZT계 세라믹스는 전자 세라믹스 분야에서 가장 널리 사용되고 있지만 1,000℃ 부근에서 급격히 휘발되는 PbO로 인한 환경오염과 기본 조성의 변화로 인한 압전 특성의 저하가 문제되고 있다 [4,5].
	PZT계 세라믹스의 압전특성 저하 문제를 개선하기 위한 방법은?	따라서 소결온도를 950℃이하로 낮추고 전기적 특성을 향상시키기 위한 방법 중 하나는 PZT계 압전세라 믹스의 주성분에 각종 첨가제를 첨가함으로써, 유전 및 압전 특성이 크게 개선될 뿐만 아니라, 상경계 영역이 확대되므로 용도에 적합한 재료 선택의 폭이 넓어지는 장점이 있다. 또한, 조성비에 의해 유전 및 압전 특성이 변화할 뿐만 아니라, 미량의 첨가제에 따라서 특징을 개선하는 연구가 진행 중이다.

참고문헌 (5)

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상세보기
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X. Chao, Z. Yang, X. Huang, D. Ma, and J. Zeng, Curr. Appl. Phys., 9, 1283 (2009). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.cap.2009.02.012]

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