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에어로졸 증착법에 의한 PZT 후막의 미세구조에 미치는 PZN 첨가의 영향
Effect of PZN addition on microstructure of PZT thick films by aerosol deposition process 원문보기

한국결정성장학회지 = Journal of the Korean crystal growth and crystal technology, v.28 no.1, 2018년, pp.14 - 20  

장주희 (부경대학교 재료공학과) ,  박윤수 (부경대학교 재료공학과) ,  박동수 (재료연구소 기능성재료그룹) ,  박찬 (부경대학교 재료공학과)

초록
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에어로졸 증착법에 의해서 상온에서 $6{\mu}m/min$의 속도로 $5{\sim}10{\mu}m$ 두께의 PZT-PZN(0 %, 20 %, 40 %) 복합체의 막을 실리콘/사파이어 기판위에서 제조하였다. 에어로졸 증착에 사용된 PZT, 2PZN-8PZT, 4PZN-6PZT 초기분말입자는 불규칙한 형상을 가지고 있으며 submicron 크기임을 확인하였다. 증착된 막은 어떠한 뜯김이나 기공도 없는 치밀한 막임을 확인하였고 나노크기의 입자를 가진 페로브스카이트 단상이었다. 실리콘기판 및 사파이어 기판위에서 증착된 막은 전기로에서 $700^{\circ}C$$900^{\circ}C$에서 각각 어닐링처리 하였으며 PZT에 40 %의 PZN이 첨가된 조성의 막의 경우 pyrochlore의 2차상이 형성되었다. 미세구조에 미치는 PZN 첨가의 영향을 관찰하기 위해 FE-SEM 및 HR-TEM이 사용되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Lead zinc niobate (PZN) added lead zirconate titanate (PZT) thick films with thickness of $5{\sim}10{\mu}m$ were fabricated on silicon and sapphire substrates using aerosol deposition method. The contents of PZN were varied from 0 %, 20 % and 40 %. The initial particles (PZT, 2PZN-8PZT, 4...

주제어

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제안 방법

  • 에어로졸 증착법은 충격고화 현상을 이용하여 상온에서 세라믹 막을 제조하는 획기적인 성막기술이다. 건조한 미립자의 세라믹 원료가 들어있는 에어로졸 챔버는 진동교반을 주어 일정량의 분말이 에어로졸(세라믹 미립 자와 기체와의 혼합체)화 될 수 있도록 했으며 진공 펌프를 써서 두 챔버 안을 감압분위기(50 kPa 전후)를 만든 후 고압의 에어로졸 챔버에서 저압의 데포지션 챔버로 유동하는 가스와 함께 분말의 흐름이 가속화 될 수있도록 하였다. 슬릿형태의 노즐을 통해 데포지션 챔버에 장착되어 있는 기판상에 에어로졸을 분사시켜 세라믹 막을 형성하는 원리이다.
  • 기판의 종류에 따라 Pt/Ti/SiO2/Si 기판에 증착한 막은 500oC, 700oC 온도에서어닐링하였으며 Ag-Pd/사파이어 기판에 증착한 막은 900oC에서 어닐링 하였다.
  • 본 연구에서는 에어로졸 증착법에 의해서 상온에서 6 μm/min의 속도로 5~10 μm 두께의PZT-PZN(0%, 20%, 40%) 복합체의 막을 실리콘/사파이어 기판위에서 제조하였다.
  • 에어로졸 증착은 단시간에 수많은 분말들이 기판에 충돌하는 것이기 때문에 증착된 막은 높은 충격에너지로 인한 응력이 걸린다. 뿐만 아니라 기판과 입자, 입자와 입자간의 강한 충돌로 인해 부분적 상분해가 일어나기 때문에 잔류응력도 없애고 상을 재형성시키기 위해 막이 증착된 기판은 1시간 동안 일반 박스 전기로에서 어닐링 하였다. 이때 PbO 휘발에 의한 구조결함을 막기 위해 PbZrO3 의 분위기 분말을 막이 증착된 기판 주위로 흩어 뿌렸으며 뚜껑으로 덮어 막내부에서 외부로 PbO가급격하게 휘발되는 것을 막았다.
  • 에어로졸 증착 전 초기 분말과 증착된 막 및 열처리한 막은 조성 및 상변화를 확인하기 위해 X-선 회절분석 (XRD, D-MAX 2200, Rigaku Co., Tokyo, Japan)을 하였다. 주사전자현미경(FE-SEM, JSM-6700F, FEOL Co.
  • , Tokyo, Japan)을 하였다. 주사전자현미경(FE-SEM, JSM-6700F, FEOL Co., Tokyo, Japan)과 고성능 투과전자현미경(HR-TEM, JEM-2100F, JEOL Co., Tokyo, Japan)을 이용하여 열처리 전후 막의 단면, 측면의 미세조직을 관찰하였으며 결정학을 분석하였다.

대상 데이터

  • 본 연구에서 에어로졸 증착된 막의 면적은 5 × 12 mm2 이다.
  • 1은 본 실험의 전체 공정도를 나타내고 있다. 사용되어진 물질은 Pb(Zr0.52Ti0.48 )O3 [PZT], 0.2Pb(Zr1/3Ti2/3)O3 -0.8Pb(Zr0.50Ti0.50 )O3 [2PZN-8PZT], 0.4Pb(Zn1/3 Nb2/3)O3 -0.6Pb(Zr0.47Ti0.53)O3 [4PZN-6PZT]이다.
  • 에어로졸 증착법을 통하여 Pt/Ti/SiO2/Si 기판에 8.5 μm 두께의 2PZN-8PZT 막을 제조하였다.
  • 원료분말은 PbO, ZnO, Nb2O5 , ZrO2 , TiO2(all 99.9 % purity, Aldrich Co., Milwaukee, WI)을 사용하였다. 상기된 원료분말을 칭량하여 용매인 에탄올을 나일론 광구 병에 넣고 직경 5 mm의 지르코니아 ball을 이용하여 9시간 동안 습식 ball millng하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
압전재료인 Pb(Zr,Ti)O3의 특성을 어디에 응용하여 이용하는가? 대표적인 압전재료인 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT로 표기)는 강유전성, 압전성, 전기광학성 등의 다양한 성질을 가지고 있어 벌크뿐 아니라 필름형태로 여러 분야에서 많은 응용이 이루어지고 있다[1]. 그리고 PZT는 그 기본적인 전기적 특성을 최대화하기 위해 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 와 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3와 같은 A(B1B2)O3 구조를 가진 완화형 강유전체와의 고용체 형태로 제조하므로 유전특성 뿐만 아니라 압전특성을 향상시킬 수 있다.
Pb(Zn1/3 Nb2/3)O3는 어떻게해야 열역학적으로 안정화 되는가? 완화형 강유전체 중에서 단결정 Pb(Zn1/3 Nb2/3)O3 [PZN]은 다른 물질에 비해 넓은 온도 범위에서의 우수한 유전특성, 전기광학 효과, 그리고 높은 전왜 효과로 각광받고 있다[2]. 그러나 PZN은 페로 브스카이트 상안정성이 낮기 때문에 순수한 PZN계 물질로는 제조되지 못하고 PZT, PT, PZ와 함께 복합 페로 브스카이트 화합물로 제조하여 순수한 페로브스카이트상을 얻을 수 있으며 열역학적으로 안정화 된다고 알려져 있다[3]. 전기적 특성이 뛰어난 PZN과 상안정성이 높은 PZT가 고용된 PZN-PZT는 페로브스카이트상이 안정하며 뛰어난 압전특성을 나타낸다.
Pb(Zr,Ti)O3의 특성은? 대표적인 압전재료인 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT로 표기)는 강유전성, 압전성, 전기광학성 등의 다양한 성질을 가지고 있어 벌크뿐 아니라 필름형태로 여러 분야에서 많은 응용이 이루어지고 있다[1]. 그리고 PZT는 그 기본적인 전기적 특성을 최대화하기 위해 Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 와 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3와 같은 A(B1B2)O3 구조를 가진 완화형 강유전체와의 고용체 형태로 제조하므로 유전특성 뿐만 아니라 압전특성을 향상시킬 수 있다.
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