[논문]압축하중 및 전계 인가에 따른 PIN-PMN-PT 단결정의 33-모드 유전 및 압전특성

임재광; 박재환; 이정호; 이상구

doi:10.6117/kmeps.2020.27.4.091

압축하중 및 전계 인가에 따른 PIN-PMN-PT 단결정의 33-모드 유전 및 압전특성
The 33-mode Dielectric and Piezoelectric Properties of PIN-PMN-PT Single Crystal under Stress and Electric Field 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.27 no.4, 2020년, pp.91 - 96

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

초록
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Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3계 압전 단결정의 유전특성과 압전특성을 전계 및 압축응력 인가 조건 하에서 33-모드 방식으로 측정하였다. 110~140℃ 영역에서 저온 rhombohedral 구조에서 고온 tetragonal 구조로의 상전이가 관찰되었으며, cubic 구조로 변화하는 큐리온도는 165℃ 정도로 나타났다. 압축응력 및 전계 변화에 따른 분극의 크기변화를 측정하였다. 전계인가 분극 곡선의 기울기로부터 비유전율을 계산하였고, 인가되는 응력의 크기가 증가할수록 계산된 비유전율의 크기는 증가하고, 인가되는 전계의 크기가 증가할수록 비유전율의 크기는 감소하는 경향성을 나타내었다. 압축응력 및 전계 변화에 따른 변위 거동을 측정하였으며, 곡선의 기울기로부터 압전상수를 계산하였고 압력인가에 따른 상전이를 확인하였다. 수중 또는 의료용 초음파 발진자로 실제 응용할 경우 선형성을 유지하여 구동이 가능하기 위하여 소자 기구물을 형성하는 단계에서 인가하게 되는 압축응력의 크기와 구동 전계의 DC 바이어스의 크기를 적절하게 설계할 필요가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The 33-mode dielectric and piezoelectric properties of Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 piezoelectric single crystals were measured under large electric field and compressive stress. The phase transition from the low temperature rhombohedral to the high temperature tetragonal structure was observed in the range of 110~140℃, and the Curie temperature changing to the cubic structure was about 165℃. The polarization change according to the compressive stress and electric field was measured. Relative dielectric constant was calculated from the slope of the polarization curve applied to the electric field, and the calculated relative dielectric constant increased as the applied stress increased, and the relative dielectric constant decreased as the applied electric field increased. The strain according to the compressive stress and electric field change was measured, the piezoelectric constant was calculated from the slope of the curve, and the phase transition according to the application of pressure was confirmed. In the case of practical application as an underwater or medical ultrasonic actuator, it is necessary to properly design the magnitude of the compressive stress applied to the device and the DC bias in order to maintain linear driving.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. (a) Polarization and strain measurement system. (b) Sample preparation.
그림 Fig. 2. Relative dielectric constant of PIN-PMN-PT according to temperature change.
그림 Fig. 3. Effect of electric field and compressive stress on the polarization of PIN-PMN-PT at selected temperatures.
그림 Fig. 4. Calculated relative dielectric constant of PIN-PMN-PT from P-E curves.
그림 Fig. 5. Effect of electric field and compressive stress on the strain of PIN-PMN-PT at selected temperatures.
그림 Fig. 6. Calculated piezoelectric constant of PIN-PMN-PT from S-E curves.

AI 본문요약
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문제 정의

한편 PMN-PT계 조성에 대하여 Pb(In1/2Nb1/2)O3을 첨가할 경우 상전이 온도를 높일 수 있어서 소자 동작 온도 영역 을 넓힐 수 있다는 장점이 있다. 4) 본 연구에서는 온도 및 압력 변화에 따른 PIN-PMN-PT계의 33-모드 유전 및 압 전특성을 조사하였다.
민수 용 및 군사용 수중 음향탐지기 (SONAR) 등과 같이 고출 력 초음파 소자에 PMN-PT계 단결정이 사용될 경우, 사 용 중 기계적 파괴를 방지하기 위하여 강한 압축응력을 인가한 상태로 소자를 구성하게 된다. 본 연구에서는 이러한 상황을 가정하여 PMN-PT계 단결정에 압축응력이 인가될 경우 전기적 특성이 어떻게 변화하는지를 살펴보 고자 한다. 한편, 압전소자가 수중에서 구동될 경우 상당 한 온도변화에 노출되게 된다.
최대출력으로 사용할 경우 소자의 온도가 상당히 상승할 것이고, 출력이 낮을 경우에는 낮은 수온으로 인하여 소자의 온도는 5o C 정도까 지 떨어지게 될 것이다. 이에 따라 본 연구에서는 온도변화에 따른 압전 및 유전특성 변화도 함께 고찰해 보았다. 한편 PMN-PT계 조성에 대하여 Pb(In1/2Nb1/2)O3을 첨가할 경우 상전이 온도를 높일 수 있어서 소자 동작 온도 영역 을 넓힐 수 있다는 장점이 있다.

제안 방법

한편, 자동 공압 압력장치에 의하여 시편에 일축 압축응력 (uni-axial compressive stress)을 인 가하였다. 12 mm 길이 방향으로 압축응력을 2~62 MPa 범위로 인가하는 33-모드 방식으로 시편의 변위 및 분극 특성을 측정하였다. 6) 설정한 압축응력의 범위는 실제 수 중 초음파 소자가 구현될 때 인가되는 압축응력을 감안 하여 설정한 값이다.
단결정 합성은 아이블포토닉스 사의 브리지만 결정성장 공정에 의하여 이루어졌다. 5) 성장된 웨이퍼를 직육면체로 절단하고 연 마하여 최종적으로 4 mm × 4 mm × 12 mm 크기의 시편을 제작하였다.
강전계 및 압축응력 조건 하에서 Pb(In1/2Nb1/2)O3- Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3계 압전 단결정의 유전특성과 압전 특성을 살펴보았다. 110~140o C 영역에서 저온 rhombohedral 구조에서 고온 tetragonal 구조로의 상전이 가 관찰되었으며, cubic 구조로 변화하는 큐리온도는 165o C 정도로 나타났다.
PC에서 소신 호를 생성하고 이를 고전압 증폭기 (20C, Trek)에 의하여 증폭하여 시편의 12 mm 방향으로 인가하였다. 금 (Au) 전극은 4 mm × 4 mm 면적을 이루는 윗면과 아랫면 에 증착하였고, 전극면 사이에 전계를 0~1.65 MV/m 범위 에서 인가하면서 33-모드 방식으로 시편의 변위 및 분극 특성을 측정하였다. 한편, 자동 공압 압력장치에 의하여 시편에 일축 압축응력 (uni-axial compressive stress)을 인 가하였다.
시편과 시편 홀더 전체가 실리콘 오일에 잠기게 하고, 오일의 온도를 제어하여 시편의 온도를 5~60o C 범위에서 설정하였다. 심해에서 정지 또는 저출력 상태에 있는 초 음파 소자가 운영되는 온도 및 고출력 상태로 운영될 때 초음파 소자의 발열 정도를 감안하여 측정온도 범위를 설 정하였다.
심해에서 정지 또는 저출력 상태에 있는 초 음파 소자가 운영되는 온도 및 고출력 상태로 운영될 때 초음파 소자의 발열 정도를 감안하여 측정온도 범위를 설 정하였다. 시편의 유전특성은 임피던스 분석기 (HP 4194A)에 의하여 주파수 1 kHz, 발진 전압 1.0 V 조건에서 측정하였다.
시편과 시편 홀더 전체가 실리콘 오일에 잠기게 하고, 오일의 온도를 제어하여 시편의 온도를 5~60o C 범위에서 설정하였다. 심해에서 정지 또는 저출력 상태에 있는 초 음파 소자가 운영되는 온도 및 고출력 상태로 운영될 때 초음파 소자의 발열 정도를 감안하여 측정온도 범위를 설 정하였다. 시편의 유전특성은 임피던스 분석기 (HP 4194A)에 의하여 주파수 1 kHz, 발진 전압 1.
65 MV/m 범위 에서 인가하면서 33-모드 방식으로 시편의 변위 및 분극 특성을 측정하였다. 한편, 자동 공압 압력장치에 의하여 시편에 일축 압축응력 (uni-axial compressive stress)을 인 가하였다. 12 mm 길이 방향으로 압축응력을 2~62 MPa 범위로 인가하는 33-모드 방식으로 시편의 변위 및 분극 특성을 측정하였다.

대상 데이터

1에 측정 장치의 개요 및 시편의 형상을 나타내었 다. 본 연구에서 사용된 전계는 10 Hz 사인 정현파로서, 0~1.65 MV/m 범위에서 시편에 공급되었다. PC에서 소신 호를 생성하고 이를 고전압 증폭기 (20C, Trek)에 의하여 증폭하여 시편의 12 mm 방향으로 인가하였다.
연구에 사용된 조성은 페로브스카이트 구조를 갖는 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3에 대하여 Pb(In1/2Nb1/2)O3 24% 및 PbTiO3 28%가 첨가된 조성으로 하였다. 단결정 합성은 아이블포토닉스 사의 브리지만 결정성장 공정에 의하여 이루어졌다.

성능/효과

강전계 및 압축응력 조건 하에서 Pb(In1/2Nb1/2)O3- Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3계 압전 단결정의 유전특성과 압전 특성을 살펴보았다. 110~140o C 영역에서 저온 rhombohedral 구조에서 고온 tetragonal 구조로의 상전이 가 관찰되었으며, cubic 구조로 변화하는 큐리온도는 165o C 정도로 나타났다. 압축응력 및 전계의 크기 변화에 따른 PIN-PMN-PT 시편의 분극 거동에서 응력 인가에 따라 강유전성이 크게 발현되면서 분극의 크기가 크게 증 가하였다.
PMN계의 상전이 온도가 -5o C 정도이며, 10% PT 가 첨가된 경우 상전이 온도는 40o C 정도, 28%의 PT가 첨가된 경우 상전이 온도가 100o C 정도로 보고되고 있다. 3,4) 한편 본 연구에서 사용된 조성은 큐리온도가 더 높아 서 0~60o C 영역에서 안정적으로 소자를 동작시킬 수 있으며, 고출력 초음파 소자 응용에는 유리하다고 볼 수 있다. 비유전율 최고값은 25,000 정도로 나타나고 있으며, 이는 기존에 보고된 PIN-PMN-PT계와 유사한 수준이다.
온도가 40~60o C 이상으로 올라가면서 S-P 커브는 뚜렷한 이력곡 선을 나타내는데 이는 압력인가에 따라서 rhombohedral 상이 orthorhombic 상으로 변화하기 때문이다. 6) 온도가 40o C인 경우, E=0 조건에서 인가응력 40 MPa 정도 영역 에서 orthorhombic 상으로 변화가 나타나고 있다. 한편 E=0.
압축응력 및 전계의 크기 변화에 따른 PIN-PMN-PT 시편의 분극 거동에서 응력 인가에 따라 강유전성이 크게 발현되면서 분극의 크기가 크게 증 가하였다. P-E 곡선의 기울기로부터 비유전율을 계산하 였고, 인가되는 응력의 크기가 증가할수록 계산된 비유 전율의 크기는 증가하고, 인가되는 전계의 크기가 증가할수록 비유전율의 크기는 감소하는 경향성을 나타내었다. 인가된응력이 40 MPa일때비유전율값은최대 39000 으로 계산되었다.
S-E 곡 선의 기울기로부터 계산된 d33 값의 경우 측정온도 60o C, 압축응력 20 MPa 조건에서 4300으로 계산되었다. PIN - PMN-PT 시편은 상온에서 rhombohedral 상을 나타내지 만, 압축응력 인가에 따라 orthorhombic 상으로 변화하 였고, 전계인가에 의하여 상전이는 억제되었다. 수중 또는 의료용 초음파 발진자로 실제 응용할 경우 선형성을 유지하여 구동이 가능하기 위해서는, 소자 기구물을 형 성하는 단계에서 인가하게 되는 압축응력의 크기와 구동 전계의 DC 바이어스의 크기를 적절하게 설계할 필요가 있다.
측정온도가 5o C인 경우, 인가되는 응력 의 크기가 증가할수록 계산된 비유전율의 크기는 증가하고, 인가되는 전계의 크기가 증가할수록 비유전율의 크 기는 감소하는 경향성을 나타내고 있다. 인가된 전계가 0 이고 인가된 응력이 2 MPa일 때 비유전율은 4,200이었으 나, 응력이 62 MPa일 때 비유전율은 34,000으로 계산되었다. 인가된 전계가 1.
이는 높은 전계 가 시편에 인가된 경우 시편이 전극이 인가된 길이 방향으로 인장되어, 외부 응력에 의해 시편이 길이방향 줄어 드는 효과를 상쇄하기 때문인 것으로 판단된다. 측정온 도가 증가하여 20~40o C로 증가하면서 동일한 측정조건 에서의 분극 값은 조금씩 증가하는 경향성을 나타내고 있으며, 온도가 60o C로 증가할 경우 분극 값은 약간 감소하는 경향을 보여주고 있다.

후속연구

현재까지 보고된 바 있는 PMN-PT계 단결정의 압전 및 유전 특성은 외부 응력 인가 조건이 아닌 계측기에 연결 된 상태로 측정된 경우가 대부분이다. 그러나 압전 단결 정에 외부 응력이 인가될 경우 전기적 특성의 상당한 변화가 있을 수 있으므로 이에 대한 평가가 필요하다. 민수 용 및 군사용 수중 음향탐지기 (SONAR) 등과 같이 고출 력 초음파 소자에 PMN-PT계 단결정이 사용될 경우, 사 용 중 기계적 파괴를 방지하기 위하여 강한 압축응력을 인가한 상태로 소자를 구성하게 된다.

참고문헌 (7)

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

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).
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J. G. Lim, J. H. Park, J. Lee, and S. G. Lee, "Effect of Temperature and Compressive Stress on the Dielectric and Piezoelectric Properties of PIN-PMN-PT Single Crystal", J. Microelectron. Packag. Soc., 26(4), 63 (2019).
Ibule photonics Inc. (2019) from http://www.ibule.com/
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상세보기
S. Zhang, F. Li, N. P. Sherlock, J. Luo, H. J. Lee, R. Xia, R. J. Meyer, W. Hackenberger, and T. R. Shrout, "Recent Developments on High Curie Temperature PIN-PMN-PT Ferroelectric Crystals", J. Cryst. Growth., 318(1), 846 (2011).

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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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