[논문]온도 및 압축응력 변화에 따른 PIN-PMN-PT 단결정의 유전 및 압전 특성

임재광; 박재환; 이정호; 이상구

doi:10.6117/kmeps.2019.26.4.063

[국내논문] 온도 및 압축응력 변화에 따른 PIN-PMN-PT 단결정의 유전 및 압전 특성
Effect of Temperature and Compressive Stress on the Dielectric and Piezoelectric Properties of PIN-PMN-PT Single Crystal 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.26 no.4, 2019년, pp.63 - 68

임재광 (국교통대학교 전자공학과) , 박재환 (국교통대학교 전자공학과) , 이정호 ((주)아이블포토닉스) , 이상구 ((주)아이블포토닉스)

초록
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온도 및 압축응력 변화에 따른 PIN-PMN-PT계 압전 단결정의 유전 특성과 압전 특성을 조사하였다. 단결정의 결정상은 110℃ 영역에서 강유전 rhombohedral 구조에서 tetragonal 구조로, 190℃ 영역에서 tetragonal 구조로부터 상유전 cubic 구조로 변화하였다. 전계 인가에 따른 분극 및 변위의 변화율로부터 압전상수와 비유전율을 계산하였으며, 이는 계측기로부터 측정된 값과 유사한 수준을 나타내었다. 샘플에 인가되는 압축응력이 증가할수록 압전상수 d₃₃과 비유전율값은 증가하는 경향성을 나타내었다. 측정 온도 5℃에서 샘플에 인가되는 압축응력이 60 MPa인 경우 d₃₃ 값이 4500 pC/N로 계산되었으며, 측정 온도 60℃인 경우, 샘플에 인가되는 압축응력이 40 MPa 일 때 비유전율 62000이 계산되었다. 압축응력이 높아질 때 압전상수와 비유전율 값이 상승한 것은 rhombohedral 상에서 orthorhombic 상으로의 전이에 기인한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Dielectric and piezoelectric properties of PIN-PMN-PT piezoelectric single crystals with variation of temperature and compressive stress were investigated. The crystal phase of the single crystal was changed from the ferroelectric rhombohedral structure to tetragonal structure in the 110℃ region and from the tetragonal structure to the paraelectric cubic structure in the 190℃ region. The piezoelectric constant and relative dielectric constant were calculated from the rate of change of polarization and displacement with the application of electric field, which was similar to the value measured from the instrument. As the compressive stress applied to the sample increased, the piezoelectric constant d33 and relative dielectric constant values tended to increase. When the compressive stress applied to the sample at 5℃ was 60 MPa, the d33 was calculated as 4,500 pC/N. At 60℃, the relative dielectric constant of 62000 was calculated when the compressive stress applied to the sample was 40 MPa. The increase in piezoelectric constant and relative dielectric constant when the compressive stress increased could be attributed to the phase transition from the rhombohedral structure to orthorhombic.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Polarization and strain measurement system.
그림 Fig. 2. Relative dielectric constant of PMN-PIN-PT according to temperature change.
그림 Fig. 3. Changes of the polarization and strain in PMN-PIN-PT with bipolar and unipolar electric field.
표 Table 1. Change of d₃₃ [pC/m] in PMN-PIN-PT with temperature and compressive stress change
표 Table 2. Relative dielectric constant of PMN-PIN-PT with temperature and compression stress
그림 Fig. 4. Changes of the polarization and strain in PMN-PIN-PT with temperature and compressive stress changes.

AI 본문요약
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문제 정의

실제 소자의 사용 온도는 대체로 5~60℃, 소자에 인가되는 압축응력은 수 십 MPa 수준이다. 따라서 실제 소자를 운용하는 환경에서의 분극 및 변위 특성을 알아보려는 목적으로 5~60℃의 온도 및 2~60 MPa 범위에서 P-E 및 S-E 특성을 조사하였다. Fig.
무부하 무전계 상태에서의 PMN계 소재의 결정상은 소자에 인가되는 기계적 응력에 의하여 다른 형태로 변화하게 되고 이에 따라 전기적 특성은 변화하게 된다. 이에 본 연구에서는 PIN-PMN-PT계 시스템에서 온도 및 압력 변화에 따른 유전 및 압전 특성 변화를 조사하고자 한다.

제안 방법

8) 성장된 웨이퍼를 절 단 및 연마하여 최종적으로 4 mm×4 mm×12 mm 육면체 시편을 제작하였다.
PIN-PMN-PT계 단결정의 유전특성과 압전 특성을 조사하였다. 단결정의 결정상은 110℃ 영역에서 강유전 rhombohedral 구조에서 tetragonal 구조로, 190℃ 영역에서 tetragonal 구조로부터 상유전 cubic 구조로 변화하였다.
1에 나타내었다. 고전압 발생기(Trek, 20C)에 의하여 고전압을 생성하여 시편의 높이 방향(z축)으로 인가하였다. 스트레인 게이지를 시편의 높이 방향에 부착하고 스트레인 증폭기에 의하여 변위를 측정하였다.
금(Au) 전극은 4 mm×4 mm 면에 형성하였고, 12 mm 높이 방향으로 일축 압축응력(uni-axial compressive stress)을 인가하고 변위를 측정하였다.
고전압 발생기(Trek, 20C)에 의하여 고전압을 생성하여 시편의 높이 방향(z축)으로 인가하였다. 스트레인 게이지를 시편의 높이 방향에 부착하고 스트레인 증폭기에 의하여 변위를 측정하였다. 자동 공압 압력장치에 의하여 시편에 대한 압축응력의 크기를 조절하였다.
최소 압력은 2 MPa로 설정 하여 시편에 대한 전극 접촉이 보장되도록 하였고, 최대 60 MPa까지의 압력을 인가하였다. 시편은 절연유에 담그어 측정중 고전압에 의한 절연파괴가 없도록 하였으며, 절연유의 온도를 제어하여 측정온도를 5~60℃ 범위에서 원하는 임의의 온도로 설정하였다. 시편의 유전특성은 임피던스 분석기(HP 4194A)에 의하여 주파수 20 Hz~100 kHz 범위에서 비유전율을 측정하였다.
시편은 절연유에 담그어 측정중 고전압에 의한 절연파괴가 없도록 하였으며, 절연유의 온도를 제어하여 측정온도를 5~60℃ 범위에서 원하는 임의의 온도로 설정하였다. 시편의 유전특성은 임피던스 분석기(HP 4194A)에 의하여 주파수 20 Hz~100 kHz 범위에서 비유전율을 측정하였다.
스트레인 게이지를 시편의 높이 방향에 부착하고 스트레인 증폭기에 의하여 변위를 측정하였다. 자동 공압 압력장치에 의하여 시편에 대한 압축응력의 크기를 조절하였다. 최소 압력은 2 MPa로 설정 하여 시편에 대한 전극 접촉이 보장되도록 하였고, 최대 60 MPa까지의 압력을 인가하였다.

대상 데이터

연구에 사용된 조성은 In₂O₃가 첨가된 PIN-PMN-PT 조성이다. 단결정 합성은 아이블포토닉스 사의 브리지만 결정성장 공정에 의하여 이루어졌다.

성능/효과

32PT 시스템의 경우 샘플에 인가되는 압축력이 존재할 경우 상전이 온도가 크게 변화한다는 것이 보고된 바 있다.¹⁰⁾ PIN-PMN-PT계의 결정상은 110℃ 영역에서 강유전 rhombohedral 구조에서 강유전 tetragonal 구조로 변화하게 되고, 190℃ 영역에서 강유전 tetragonal 구조로부터 상유전 cubic 구조로 변화하게 된다. 이번 연 구에서 샘플에 외부 압축응력이 인가되지 않는 경우, 5~60℃ 영역 전체에서 결정상은 rhombohedral 구조이지만, 압축응력이 인가될 때 orthorhombic 상으로 변화하는 것으로 판단된다.
단결정의 결정상은 110℃ 영역에서 강유전 rhombohedral 구조에서 tetragonal 구조로, 190℃ 영역에서 tetragonal 구조로부터 상유전 cubic 구조로 변화하였다. 샘플에 인가되는 압축응력이 증가할수록 압전상수 d₃₃ 과 비유전율 값은 증가하는 경향성을 나타내었다. 측정 온도 5℃에서 샘플에 인가되는 압축응력이 60 MPa인 경우 d₃₃ 값이 4,500 pC/N로 계산되었으며, 측정 온도 60℃ 인 경우, 샘플에 인가되는 압축응력이 40 MPa 일 때 비유전율 62000이 계산되었다.

참고문헌 (10)

J. H. Lee, T. S. Kim, and H. H. Park, "Hybrid Fabrication of Screen-printed $Pb(Zr,Ti)O_3$ Thick Films Using a Sol-infiltration and Photosensitive Direct-patterning Technique", J. Microelectron. Packag. Soc., 22(4), 83 (2015).

원문보기 상세보기
K. K. Lee, J. S. Hwang, W. Wang, G. Y. Kim, and S. S. Yang, "Improving Sensitivity of SAW-based Pressure Sensor with Metal Ground Shielding over Cavity", J. Microelectron. Packag. Soc., 12(3), 267 (2005).
S. W. Choi, T. R. Shrout, S. J. Jang, and A. S. Bhalla, "Dielectric and Pyroelectric Properties in the $Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3-PbTiO_3$ System", Ferroelectrics, 100, 29 (1989).

상세보기
K. Uchino, "Electrostrictive Actuators: Materials and Applications", Am. Ceram. Soc. Bull., 65(4), 647 (1986).

상세보기
J. A. Gallagher, J. Tian, and C. S. Lynch, "Composition dependence of electro-mechanical properties and field induced phase transformations in [001]C PIN-PMN-PT single crystals", Smart Mater. and Struct., 23(9), 095031 (2014).

상세보기
D. A. DeAngelis, and G. W. Schulze, "Performance of PINPMN-PT single crystal piezoelectric versus PZT8 piezoceramic materials in ultrasonic transducers", Physics Procedia, 63, 21 (2015).

상세보기
F. H. Schader, G. A. Rossetti, J. Luo, and K. G. Webber, "Piezoelectric and ferroelectric properties of $Pb(In_{1/2}Nb_{1/2})O_3-Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3-PbTiO_3$ single crystals under combined thermal and mechanical loading", Acta Materialia, 126, 174 (2017).

상세보기
Ibule photonics Inc. (2019) from http://www.ibule.com/
S. Zhang, F. Li, N. P. Sherlock, and T. Shrout, "Recent developments on high Curie temperature PIN-PMN-PT ferroelectric crystals", J. Cryst. Growth, 318, 846 (2011).

상세보기
E. A. McLaughlin, T. Liu, and C. S. Lynch, "Relaxor Ferroelectric PMN-32%PT crystals under stress, electric field and temperature loading: II-33-mode measurements", Acta Materialia, 53, 4001 (2005).

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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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