[논문]고상반응법을 이용한 BaTiO3 합성 및 특성 평가

김용진; 최문희; 신효순; 주병권; 전명표

doi:10.4313/jkem.2020.33.6.483

고상반응법을 이용한 BaTiO3 합성 및 특성 평가
Synthesis and Characterization of BaTiO3 Powder by Solid State Method 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.33 no.6, 2020년, pp.483 - 489

김용진 (고려대학교 전기전자공학과) , 최문희 (한국세라믹기술원 나노소재공정센터) , 신효순 (한국세라믹기술원 나노소재공정센터) , 주병권 (고려대학교 전기전자공학과) , 전명표 (한국세라믹기술원 나노소재공정센터)

Abstract ▼ AI-Helper

BaTiO3 powder was synthesized by a solid-state reaction using BaCO3 and TiO2. Different calcination temperatures (800℃, 850℃, 900℃, and 950℃) were set to investigate their effects on the properties of BaTiO3 powder. The synthesized BaTiO3 phase was confirmed to be a single phase by XRD, and the tetragonality (c/a) and crystallite size were calculated. Thereafter, each calcinated BaTiO3 was sintered at five different sintering temperatures (1,100℃, 1,150℃, 1,200℃, 1,250℃, and 1,300℃), and the tetragonality, density, porosity, dielectric constant, and grain size were measured. As the calcination temperature increased, the tetragonality and crystallite size also increased, to 1.008 and 66 nm, respectively, at 950℃. Moreover, most pellets showed increased density, dielectric constant, and tetragonality as the sintering temperature increased up to 1,250℃; the same parameters slightly decreased at 1,300℃. It is noteworthy that the tetragonality of BaTiO3 at 1,250℃ exhibits a very high c/a value of 1.0084. In addition, the grain size and dielectric constant measured near the Curie temperature increased as the sintering temperature increased.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of solid-state reaction procedure of synthesizing BaTiO₃ from BaCO₃ and TiO₂.
그림 Fig. 2. XRD pattern of BaTiO₃ powders synthesized by solidsate reaction at different calcination temperatures (800℃, 850℃, 900℃, and 950℃).
그림 Fig. 3. Change in crystallite size as a function of calcination temperature of BaTiO₃ powders.
그림 Fig. 4. FE-SEM micrographs of BaTiO₃ powder prepared from BaCO₃ and TiO₂ at different calcination temperatures.
그림 Fig. 5. XRD patterns of BaTiO₃ powders showing peak splitting of (200) and (002) planes at 2θ＝44~46°.
그림 Fig. 6. Change in tetraonglity as a function of calcination temperature of BaTiO₃ powders.
그림 Fig. 7. (a) Density of BaTiO₃ pellets according to sintering temperature change and (b) porosity of BaTiO₃ pellets according to sintering temperature change.
그림 Fig. 9. (a) Temperature dependence of dielectric constant and (b) dielectric loss of BaTiO₃ pellets sintered at different temperatures at 1 kHz.
그림 Fig. 8. Change in tetragonality as a function of sintering temperature of BaTiO₃ pellets.
그림 Fig. 10. FE-SEM micrographs of BaTiO₃ pellets according to sintering temperature change.
그림 Fig. 11. Change in average grain size as a function of sintering temperature of BaTiO₃ pellets.
그림 Fig. 12. Temperature dependence of dielectric constant of BaTiO₃ pellets sintered at 1,300℃ according to frequency change.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 다양한 하소 온도에서 BT 분말을 합성하고, 이들의 소결 및 유전특성을 평가하였다. 특히, 하소 온도에 따른 BT 분말의 입도 및 결정성 그리고 소결 후의 결정립(grain size) 크기와 결정성에 대해 분석하였다.

가설 설정

9. (a) Temperature dependence of dielectric constant and (b) dielectric loss of BaTiO₃ pellets sintered at different temperatures at 1 kHz.
7. (a) Density of BaTiO₃ pellets according to sintering temperature change and (b) porosity of BaTiO₃ pellets according to sintering temperature change.

제안 방법

BaCO₃와 TiO₂를 출발원료로 고상반응법으로 BaTiO₃ 분말을 합성하고, 이들 분말을 이용하여 소결 시편을 제조하였다. 또한 합성된 BT 분말이 소결에 미치는 영향을 pellet 시편을 이용하여 조사하였다.
분말을 합성하고, 이들 분말을 이용하여 소결 시편을 제조하였다. 또한 합성된 BT 분말이 소결에 미치는 영향을 pellet 시편을 이용하여 조사하였다.
를 1:1 몰비로 칭량하여, 용매 에탄올과 5Φ 지르코니아 볼과 날젠병에 넣어 120 rpm의 속도로 24시간 동안 볼 밀링을 하였다. 볼 밀링 후에 혼합된 분말을 100℃에서 24시간 동안 건조 및 분쇄 시킨 후에 도가니에 넣고 800℃, 850℃, 900℃, 950℃ 온도에서 2시간 동안 하소하여 BT 분말을 합성하였다. 이때 승온 속도는 5℃/min로 하였다.
소결시편의 밀도와 기공률은 아르키메데스법을 이용해 계산하였다. 유전특성은 임피던스 분석기(HP Agilent, 4294A)를 이용하여 측정하였다.
이후 혼합된 분말들을 10Φ 원판형 몰드에 분말을 넣고 프레스 장비로 125 MPa의 압력을 가해 pellet을 제작했고. 제작된 pellet들을 1,100℃, 1,150℃, 1,200℃, 1,250℃, 1,300℃로 총 5구간을 나누어서 소결을 진행하였다. Pellet들은 대기 분위기에서 650℃까지 5℃/min의 속도로 온도를 상승시키고 650℃에서 2시간 동안 온도를 유지시켜 binder를 제거하였고 이후, 650℃에서 해당 소결 온도까지 5℃/min의 속도로 온도를 상승시켰고 해당 소결 온도에서 2시간 동안 소결을 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 다양한 하소 온도에서 BT 분말을 합성하고, 이들의 소결 및 유전특성을 평가하였다. 특히, 하소 온도에 따른 BT 분말의 입도 및 결정성 그리고 소결 후의 결정립(grain size) 크기와 결정성에 대해 분석하였다. 하소 온도는 800~950℃이며, 소결 및 유전 특성은 디스크 형태의 샘플을 제작하여 1,100~1,300℃에서 소결하여 측정하였다.
특히, 하소 온도에 따른 BT 분말의 입도 및 결정성 그리고 소결 후의 결정립(grain size) 크기와 결정성에 대해 분석하였다. 하소 온도는 800~950℃이며, 소결 및 유전 특성은 디스크 형태의 샘플을 제작하여 1,100~1,300℃에서 소결하여 측정하였다.
또한 (002)과 (200)의 XRD 회절선을 이용하여 tetragonality (c/a)를 얻었다. 합성된 BT 입자의 형상 및 크기 그리고 소결 시편의 미세구조는 FE-SEM (JEOL, JSM-6700F)으로 조사하였다. 소결시편의 밀도와 기공률은 아르키메데스법을 이용해 계산하였다.
합성된 BT 하소분말의 결정구조 및 상합성 상태는 XRD (Bruker, D8 Advance A25)을 이용하여 조사하였다. Crystallite size는 가장 강도가 큰 주회절선(110)을 0.

대상 데이터

본 실험의 사용 원료로는 순도 99.0%의 BaCO₃ (고순도화학)와 순도 99.9%의 TiO₂ (Degussa, P25)을 사용하여 고상반응법으로 BaTiO₃를 합성하였다.

이론/모형

합성된 BT 입자의 형상 및 크기 그리고 소결 시편의 미세구조는 FE-SEM (JEOL, JSM-6700F)으로 조사하였다. 소결시편의 밀도와 기공률은 아르키메데스법을 이용해 계산하였다. 유전특성은 임피던스 분석기(HP Agilent, 4294A)를 이용하여 측정하였다.
그림 3은 하소 온도 변화에 따른 crystallite size 변화를 나타낸 그래프이다. 여기서 crystallite size는 Scherrer 공식을 이용하여 계산하였다 [4]. 하소 온도가 증가할수록 crystallite size는 연속적으로 증가하여 950℃에서 최대치 92 nm 크기를 보였다.
5°/min.의 속도로 정밀하게 측정하여 Scherrer 공식을 이용하여 계산하였다. 또한 (002)과 (200)의 XRD 회절선을 이용하여 tetragonality (c/a)를 얻었다.

성능/효과

1) 하소 온도가 증가할수록 합성된 BT 분말의 tetragonality (c/a)는 연속적으로 증가하며 800℃, c/a＝1.006이고, 950℃, c/a＝1.008의 값을 보인다. 또한, crystallite size 및 FE-SEM으로 관찰된 입자크기도 하소 온도가 증가함에 따라 연속적으로 증가하였으며 950℃일 때에 각각 약 92 nm, 100 nm의 값을 나타내었다.
2) 소결 온도가 증가함에 따라 밀도, tetragonality, 상온에서의 유전율은 증가하는 경향을 보여주고, 1,200℃ 이상에서 상대적 밀도는 약 90% 이상의 값을 나타내었으며, 1,250℃에서 최대치를 나타내고, 1,300℃에서는 다시 약간 감소하는 경향을 확인했다. 최적의 하소 및 소결상태는 900℃ 하소, 1,250℃에서 소결시킨 pellet에서 얻어졌으며 소결 밀도, c/a 및 상온유전율은 각각 93.
3) 유전율은 큐리 온도 근처에서 가장 큰 값을 보였다, 소결 온도가 높아짐에 따라서 큐리 온도 근처에서의 유전율은 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 최대 크기의 유전율은 900℃에서 하소하고 1,300℃에서 소결시킨 pellet이 4,300의 크기를 갖는다.
4) 소결 온도가 증가할수록 상온 유전율은 증가하는 경향을 보였으며, 900℃ 하소 및 1,250℃ 소결 시편에서 가장 좋은 유전율을 나타내었다. 한편 1,300℃에서 소결시킨 시편은 큐리 온도 근처에서 sharp한 온도에 따른 유전율 곡선을 보이며, 따라서 상온 유전율은 다른 시편들에 비하여 낮은 값을 보여주었다.
최대 크기의 유전율은 900℃에서 하소하고 1,300℃에서 소결시킨 pellet이 4,300의 크기를 갖는다. 또한 주파수가 높아짐에 따라서 유전율의 값을 감소하는 경향을 확인할 수 있었다.
한편 1,300℃에서 소결시킨 시편은 큐리 온도 근처에서 sharp한 온도에 따른 유전율 곡선을 보이며, 따라서 상온 유전율은 다른 시편들에 비하여 낮은 값을 보여주었다. 또한 주파수의 크기가 증가함에 따라 유전율이 감소하는 경향을 알 수 있었다.
008의 값을 보인다. 또한, crystallite size 및 FE-SEM으로 관찰된 입자크기도 하소 온도가 증가함에 따라 연속적으로 증가하였으며 950℃일 때에 각각 약 92 nm, 100 nm의 값을 나타내었다.
그림 8은 BT 소결 시편의 tetragonality를 나타낸다. 소결 온도가 증가할수록 tetragonality가 증가하는 경향을 보였으며, 900℃에서 하소하여 합성된 BT 분말을 이용하여 1,250℃에서 소결된 BT 시편이 가장 큰 tetragonality＝1.0084를 나타내었다. 한편, 소결 온도가 1,300℃로 더 증가하게 되면 tetragonality가 약간 감소하였다.
02 g/cm³이다 [14]. 소결 온도가 증가할수록 상대밀도는 증가하였으며, 1,250℃에서 최댓값 92%를 나타내었으며, 1,300℃에서 상대밀도가 약간 감소하는 모습을 보였다. G.
그림 12는 900℃에서 하소된 BT 분말을 1,300℃에서 소결시켜 제조된 소결 시편의 온도에 따른 유전율 그래프를 보여준다. 주파수가 1 KHz에서 1 MHz로 증가할수록 유전율은 감소하는 경향을 보이며, 큐리 온도는 주파수에 따라 거의 변화되지 않고 약 125℃로 일정하며 sharp한 강유전 상전이를 보임을 알 수 있다. 따라서 1,300℃에서 상온 유전율이 1,250℃에 비하여 급격히 감소하는 것은 grain size 증가에 의한 큐리 온도에서 sharp 강유전 상전이를 하기 때문으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	커패시터가 특정 주파수 성분만을 추출 또는 제거하는 필터의 역할을 가능하게 하는 성질은 무엇인가?	커패시터는 전기를 저장하거나 방출하는 축전지의 기능을 가지며 평활회로, 백업회로 및 타이머 회로 등에 활용된다. 또한, 커패시터는 직류를 잘 통과시키지 않는 성질을 이용하여 특정 주파수 성분만을 추출 또는 제거하는 필터의 역할도 할 수 있다. 특히 적층세라믹커패시터(MLCC)는 스마폰에는 1,000개, 전기자동차에는 10,000개 이상이 사용되는 것으로 알려져 있으며, 점점 더 사용 원수는 증가되고 있다.
	BaTiO3의 유전율이 크게 의존하는 것은 무엇인가?	BaTiO3 (BT)의 유전율은 입자의 크기와 결정성에 크게 의존하므로 BT의 입자크기 및 유전율 특성에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다. R.
	결정립 크기에 따른 유전율의 변화를 domain wall 거동으로 설명하시오.	결정립 크기에 따른 유전율의 변화는 domain wall 거동으로 설명된다. 매우 작은 결정립을 갖는 다결정체는 결정입계의 응력에 의한 탄성에너지를 줄이기 위해 90° domain이 생성된다. 1 um보다 큰 결정립을 갖는 다결정체에서 결정립의 크기가 작아질수록 탄성에너지는 증가하게 되어 이를 감소시키기 위하여 domain wall width는 점점 줄어들게 되고, 따라서 domain wall 진동에 기인한 유전율의 증가가 가능하게 되며, 따라서 결정립 크기가 작아질수록 유전율은 증가하게 된다. 한편, 1 um보다 작은 결정립은 tetragonality의 감소로 자발분극의 크기가 감소되며, 결정립의 크기가 감소할수록 자발분극의 크기는 더욱 감소되어 유전율은 감소하게 된다.

참고문헌 (20)

R. Ashiri, RSC Adv., 6, 17138 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1039/c5ra22942a]

상세보기
J. L. Clabel H, I. T. Awan, A. H. Pinto, I. C. Nogueira, V.D.N. Bezzon, E. R. Leite, D. T. Balogh, V. R. Mastelaro, S. O. Ferreira, and E. Marega Jr, Ceram. Int., 46, 2987 (2020). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.09.296]

상세보기
T. Hoshina, J. Ceram. Soc. Jpn., 121, 156 (2013). [DOI: https://doi.org/10.2109/jcersj2.121.156]
H. P. Klug and L. E. Alexander, X-ray Diffraction Procedure For Polycrystalline and Amorphous Materials (Wiley, New York, 1974) p. 687.
W. Maison, R. Kleeberg, R. B. Heimann, and S. Phanichphant, J. Eur. Ceram. Soc., 23, 127 (2003). [DOI: https://doi.org/10.1016/S0955-2219(02)00071-7]

상세보기
N. M. Zali, C. S. Mahmood, S. M. Mohamad, C. T. Foo, and J. A. Murshidi, AIP Conf. Proc., 1584, 160 (2014). [DOI: https://doi.org/10.1063/1.4866124]
K. Uchino, E. Sadanaga, and T. Hirose, J. Am. Ceram. Soc., 72, 1555 (1989). [DOI: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1989.tb07706.x]

상세보기
M. Yashima, T. Hoshina, D. Ishimura, S. Kobayashi, W. Nakamura, T. Tsurumi, and S. Wada, J. Appl. Phys., 98 014313 (2005). [DOI: https://doi.org/10.1063/1.1935132]

상세보기
M. B. Smith, K. Page, T. Siegrist, P. L. Redmond, E. C. Walter, R. S eshadri, L . E. B rus, and M. L. Steigerw ald, J. Am. Chem. Soc., 130, 6955 (2008). [DOI: https://doi.org/10.1021/ja0758436]

상세보기
C. Fang, L. Y. Chen, and D. X. Zhou, Phys. B, 409, 83 (2013). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.physb.2012.10.016]
Y. Shi, Y. Pu, Y. Cui, and Y. Luo, J. Mater. Sci.: Mater. Electron., 28, 13229 (2017). [DOI: https://doi.org/10.1007/s10854-017-7158-1]

상세보기
J. F. Ihlefeld, D. T. Harris, R. Keech, J. L. Jones, J. P. Maria, and S. Trolier-McKinstry, J. Am. Ceram. Soc., 99, 2537 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1111/jace.14387]

상세보기
Z. Zhao, V. Buscaglia, M. Viviani, M. T. Buscaglia, L. Mitoseriu, A. Testino, M. Nygren, M. Johnsson, and P. Nanni, Phys. Rev. B, 70, 024107 (2004). [DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.024107]
A. A. Kholodkova, M. N. Danchevskaya, Y. D. Ivakin, A. D. Smirnov, S. G. Ponomarev, A. S. Fionov, and V. V. Kolesov, Ceram. Int., 45, 23050 (2019). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.07.353]

상세보기
G. Picht, H. Kungl, M. Baurer, and M. J. Hoffmann, Funct. Mater. Lett., 3, 59 (2010). [DOI: https://doi.org/10.1142/S1793604710000889]
K. R. Kambale, A. R. Kulkarni, and N. Venkataramani, Ceram. Int., 40, 667 (2014). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.06.053]

상세보기
W. Luan, L. Gao, and J. Guo, Ceram. Int., 25, 727 (1999). [DOI: https://doi.org/10.1016/S0272-8842(99)00009-7]

상세보기
Y. Tan, J. Zhang, Y. Wu, C. Wang, V. Koval, B. Shi, H. Ye, R. McKinnon, G. Viola, and H. Yan, Sci. Rep., 5, 9953 (2015). [DOI: https://doi.org/10.1038/srep09953]

상세보기
K. Kinoshita and A. Yamaji, J. Appl. Phys., 47, 371 (1976). [DOI: https://doi.org/10.1063/1.322330]

상세보기
T. Tsurumi, T. Hoshina, K. Takizawa, and H. Kakemoto, Proc. 2008 17th IEEE International Symposium on the Applications of Ferroelectrics (Santa Fe, New Mexico, USA, 2008) p. 1. [DOI: https://doi.org/10.1109/ISAF.2008.4693883]

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증