[논문]압전재료의 기초 물성 측정

강우석; 이건주; 조욱

doi:10.4313/jkem.2021.34.5.301

[국내논문] 압전재료의 기초 물성 측정
Practical Guide to the Characterization of Piezoelectric Properties 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.34 no.5, 2021년, pp.301 - 313

강우석 (울산과학기술원 신소재공학과 및 JULIA 연구센터) , 이건주 (울산과학기술원 신소재공학과 및 JULIA 연구센터) , 조욱 (울산과학기술원 신소재공학과 및 JULIA 연구센터)

초록
AI-Helper

본 논문은 대학 연구실과 산업현장에서 강유전 압전 분야 연구를 갓 시작한 이들이 압전 소재의 특성에 대한 기초적, 이론적 개념에 대해서는 각종 교과서와 논문을 통해 쉽게 접할 수 있는 반면, 그 특성들이 실제로 어떻게 측정되고 평가되는 지에 대한 정보를 얻기가 힘들다는 점에 착안하여 압전 분야 입문자가 관련 측정 기술을 보다 쉽게 이해하고 접근할 수 있도록 돕는 것을 목적으로 한다. 기초 유전 물성인 임피던스에 기반한 유전상수와 유전손실 측정법을 시작으로 압전상수, 전기기계결합계수, 품질계수 및 측정 방법에 대해 논의하고, 강유전성을 대표하는 전계에 따른 분극 변화 측정법에 대해 기술하였다. 본 논문에서는 이미 표준화되어 있는 측정법들을 소개하고 있지만, 이를 숙지하고 응용한다면 보다 도전적이고 창의적인 측정법을 도출할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Theoretical background for the meaning of various piezoelectric properties can be easily found in a number of textbooks and academic papers. In contrast, how they are actually measured and characterized are rarely described, though this information would be the most important especially to the researchers who just started working on the field. It follows that this report was intended to provide a practical guidance for measuring basic but essential properties of ferroelectric-based piezoelectric materials. The discussion begins with how to measurement dielectric properties such as dielectric permittivity and loss (dissipation factor), followed by piezoelectric properties such as piezoelectric constants, electromechanical coupling factor, and quality factor as well as ferroelectric features, i.e., electric field dependent polarization hysteresis. Though our discussion here is limited to the techniques that are already well-standardized, it is expected to make a seed to be developed into more challenging and creative ones.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of ferroelectric piezoelectric material properties that can be measured experimentally (because ferroelectricity is a special case of piezoelectricity and piezoelectricity is a special case of dielectricity, it is reasonable to proceed in the order of dielectricity, pie zoelectricity, and ferroelectricity for actual measurement).
표 Table 1. Dielectric, piezoelectric and ferroelectric properties of PMN-PT [1].
그림 Fig. 2. (a) Measurement system for dielectric permittivity and (b) schematic diagram of sample with wire.
그림 Fig. 3. Impedance measurement pictures (a) and (d) and measurement examples: (b) before poling, (c) after poling, (e) resonant/anti-resonan ce waveforms expanded from 180~270 kHz, and (f) impedance waveforms with oscillation mode interference.
그림 Fig. 4. Density measuring equipment depending on (a) weight buoya ncy measurement kit and (b) gas displacement method equipment.
그림 Fig. 5. (a) Schematic image for defining direction of piezoelectric coefficient and (b) vibration mode for each type of piezoelectric element.
그림 Fig. 6. (a) Photo of usual piezoelectric coefficient (d₃₃) measurement, (b) photo of reference specimen, (c) photo of measuring tip, and (d) ph oto of high-performance piezoelectric coefficient meter model.
그림 Fig. 7. (a) Schematic diagram of poling process and condition profile, (b) DC poling, (c) field cooling poling, and (d) AC poling.
그림 Fig. 8. Schematic diagram of measurement system for Strain through (a) michelson interferometer and (b) linear variable displacement trans ducer (LVDT).
그림 Fig. 9. Equipment photos by strain measurement method. (a) Michelson interferometer application method, (b) linear variable displacement transducer (LVDT) application method, and (c) a circuit diagram of sawyer tower.
그림 Fig. 10. Applied voltage waveforms (a), (d), and (g) for measuring piezoelectric characteristics and strain curves (b), (c), (e), (f), and (h) by waveform. Bi-polar strain (a)~(c), uni-polar strain (d)~(f), small signal d33 (g)~(h).

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