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납이 포함되지 않은 압전 특성의 (Na1/2Bi1/2TiO3)(1-x)-(BaTiO3)x 상전이 거동 연구
Phase Transition Behaviors of Lead-Free Piezoelectric (Na1/2Bi1/2TiO3)(1-x)-(BaTiO3)x 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.23 no.1, 2020년, pp.101 - 109  

이병완 (성균관대학교 화학공학과) ,  ,  김정규 (성균관대학교 화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the phase transition behaviors of lead-free (Na1/2Bi1/2TiO3)(1-x)-(BaTiO3)x (NBT-BT) are investigated by using Brillouin spectroscopy. The elastic properties, sound velocity and absorption coefficient of NBT-BT are characterized as a function of temperature along different crystallogr...

주제어

#brillouin spectroscopy   #lead-free piezoelectric   #relaxor ferroelectrics   #phase transition  

AI 본문요약
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문제 정의

  • BT의 조성이 6~8% 정도인 소위 morphotropic phase boundary (MPB) 근처에서는 압전성, 유전상수 및 전기기계결합계수 등이 높아진다고 알려져 있다. MPB 조성의 NBT-BT가 압전 소자의 성능 면에서 매우 중요함에 따라 본 연구에서는 해당 조성의 NBT-BT 단 결정에 대해 레이저 광산란 분광법인 브릴루앙 분광법을 이용해 상전이 특성을 조사하였다.
  • 본 연구에서는 비납계 압전 물질인 NBT-BT의 상전이 거동을 비탄성 레이저 광산란 분광법으로 조사하셨다. poling되지 않은 (Na1/2Bi1/2TiO3)(1-x)-(BaTiO3)x 의 탄성특성을 브릴루앙 분광법으로 조사한 결과 음속도와 흡수계수가 매우 넓은 온도 범위에서 완만히 변하는 것을 확인하였다.

가설 설정

  • 는 역산란 구도에서 얻은 브릴루앙 산란 주파수를, n은 샘플의 굴절률을 의미한다. 여기에서 샘플의 굴절률은 온도에 따라 변하지 않는다고 가정하였고, 문헌상의 수치인 2.503으로 설정하였다19). 위의 식에서 볼 수 있듯이 음속도는 브릴루앙 주파수에 선형으로 비례한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
PZT의 특징은 무엇인가? 압전소자 분야에서 가장 많이 쓰이고 있는 소재는 PbZr1-XTiXO3(PZT)이다. PZT는 페로브스카이트 계 강유전체 물질로 압전계수와 에너지 변환 효율이 높은 특징을 가지고 있으며, 각종 센서와 전자 소자 등에 활용 되고 있다1). 하지만 세계적으로 납이나 수은 같은 중금 속 사용을 규제하고 있어 PZT처럼 납 기반의 소자들의 대체하려는 친환경 소재에 대한 연구가 활발히 이루어 지고 있다2).
비납계 압전 소자 중 압전 상수 및 퀴리온도가 비교적 높은 것으로 보고대는 것은 무엇인가? 비납계 압전 소자들의 성능은 일반적으로 납기반의 압전 소자보다 열등하지만 이러한 친환경적인 요소로 인해 많은 주목받고 있다. 현재 비납계 압전 소자 중 (Na1/2Bi1/2TiO3)(1-x)-(BaTiO3)x 물질이 압전 상수 및 퀴리 온도가 비교적 높은 것으로 보고되고 있다3-5). 우수한 질의 NBT-BT 단결정이 성공적으로 성장된 이후로 비납계 압전소자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
NBT-BT는 완화형 강유전체로 분류되는데 어떤 특징을 가지고 있는가? NBT-BT는 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(PMN)이나 Pb (Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT) 같은 완화형 강유전체(relaxor ferroelectrics)로 분류되고 있다. 완화형 강유전체는 독특한 구조적 특성과 함께 이로 인해 조성 무질서도(compositional disorder)를 갖는 결정 이다6). 완화형 강유전체에 대해서는 아직도 많은 연구가 필요하지만, 고온에서는 극성의 띄지 않는 상유전성 (Paraelectric)상태로 존재하고, 이는 보통 강유전체의 상유전성과 비슷하다.
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참고문헌 (20)

  1. B. Jaffe, W. R. Cook and H. Jaffe, "Piezoelectric Ceramics ", Academic Press Ltd., London, (1971). 

  2. Y. Saito, H. Takao, T. Tani, T. Nonoyama, K. Takatori, T. Homma, T. Nagaya and M. Nakamura, "Materials science: Lead-free at last", Nature 432,84, (2004). 

  3. Wenwei Ge, Hong Liu, Xiangyong Zhao, Bijun Fang, Xiaobing Li, Feifei Wang, Dan Zhou, Ping Yu, Xiaoming Pan, Di Lin and Haosu Luo "Crystal growth and high piezoelectric performance of $0.95Na_{0.5}Bi_{0.5}TiO_3-0.05BaTiO_3$ lead-free ferroelectric materials ", J. Phys. D: Appl. Phys., 41, 115403, (2008). 

  4. H. Wang, R. Zuo, X. Ji, Z. Xu, "Effects of ball milling on microstructure and electrical properties of sol-gel derived $(Na_{0.5}Bi_{0.5})_{0.94}Ba_{0.06}TiO_3$ piezoelectric ceramics ", Mater Des, 31, 4403-7, (2010). 

  5. A. Ullah, C.W Ahn, A. Hussain,I.W. Kim, "The effects of sintering temperatures on dielectric, ferroelectric and electric fieldinduced strain oflead-free $Bi_{0.5}(Na_{0.78}K_{0.22})_{0.5}TiO_3$ piezoelectric ceramicssynthesized by the sol gel technique", Curr Appl Phys, 10,1367-71, (2010). 

  6. L. ERIC CROSS, "RELAXOR FERROELECI' RICS ", Ferroebctrirs, Vol. 76, pp. 241-267, (1987). 

  7. G. Burns and F. H. Dacol, "Crystalline ferroelectrics with glassy polarization behavior ", Phys. Rev. B, 28, 2527, (1983). 

  8. K. Hirota, S. Wakimoto, and D. E. Cox, "Neutron and X-ray Scattering Studies of Relaxors ", J. Phys. Soc. Jpn. 75, 111006, (2006). 

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  9. E. Dul'kin, M. Roth, P.-E. Janolin, and B. Dkhil, "Acoustic emission study of phase transitions and polar nanoregions in relaxorbased systems: Application to the $PbZn_{1/3}NB_{2/3}O_3$ family of single crystals", Phys. Rev. B, 73, 012102, (2006). 

  10. S. Kojima and J. -H. Ko, "Broadband micro-Brillouin scattering spectroscopy of $Pb(B_{1/3}B'_{2/3})O_3$ -based relaxor ferroelectrics", Curr. Appl. Phys., 11 S22, (2011). 

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  11. D. Fu, H. Taniguchi, M. Itoh, S. -Y, Koshihara, N. Yamamoto, and S. Mori, "Relax or $Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3$ : A Ferroelectric with Multiple Inhomogeneities ", Phys. Rev. Lett., 103, 207601, (2009). 

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  12. A. A. Bokov, Z. -G. Ye, "Recent progress in relaxor ferroelectrics with perovskite structure" Journal of Materials Science, 41, 31-52, (2006). 

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  13. S. Speziale, H. Marquardt, T. S. Duffy, "Brillouin Scattering and its Application in Geosciences", Reviews in Mineralogy and Geochemistry, Vol.78, pp 543-603, (2014). 

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  14. Eugene Hecht, "Optics 4th", Addison-Wesley, (2001). 

  15. S. Hoffmann-Eifert, D. Richter, S.T. Kinstry, "Dielctric, Ferroelectric, and Optical Properties ". NE3rd 12.book Seite 33 Dienstag, 14. Februar (2012). 

  16. J. Petzelt, G. V. Kozlov, A.A. Volkov, "DIELECTRIC SPECTROSCOPY OF PARAELECTRIC SOFT MODES ", Ferroebctrirs, Vol. 73, pp. 101-123, (1987). 

  17. A. Pelaiz-Barranco and J. D. S. Guerra, "Dielectric Relaxation Phenomenon in Ferroelectric Perovskite-related Structures". Ferroelectrics, (2010) 

  18. J.-H. Ko, M.-S. Jeong B. W. Lee, J. H. Kim, Y. H. Ko, K. J. Kim, T, H, Kim, S. Kojima, and M Ahart, "Pressure Dependence of Acoustic Properties of Liquid Ethanol by using High-pressure Brillouin Spectroscopy", Korean Journal of Optics and Photonics, Volume 24, Number 5, October, (2013). 

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  19. C. He, X. Yi, T. Wu, J. Wang, K. Zhu, Y. Liu, "Wavelength dependence of refractive index in lead-free $Na_{0.5}Bi_{0.5}TiO_3-BaTiO_3$ single crystals", Optical Materials 36, 2023-2025, (2014). 

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  20. J.-H. Ko, T. H. Kim, K. Roleder, D. Rytz, and S. Kojima, "Precursor dynamics in the ferroelectric phase transition of barium titanate single crystals studied by Brillouin light scattering", Phys. Rev. B Vol. 84, Iss. 9, (2011). 

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