[논문]압전복합센서용 PZT 세라믹스의 미세구조 및 압전특성에 미치는 <tex> $Cr_2O_3$</tex> 와 <tex> $Nb_2O_5$</tex> 첨가효과

백종후; 엄형근; 임은경; 김창일; 이미재; 최병현; 김세기

압전복합센서용 PZT 세라믹스의 미세구조 및 압전특성에 미치는 $Cr_2O_3$ 와 $Nb_2O_5$ 첨가효과
Effect of $Cr_2O_3$ and $Nb_2O_5$ Additives on the Microstructure and Piezoelectric Properties of PZT Ceramics for Piezoelectric Composite Sensor 원문보기

백종후 (요업기술원) , 엄형근 (요업기술원) , 임은경 (요업기술원) , 김창일 (요업기술원) , 이미재 (요업기술원) , 최병현 (요업기술원) , 김세기 (요업기술원)

본 연구에서는$Cr_2O_3$ 와 $Nb_2O_5$ 를 첨가한 $Pb(Zr_{0.54}Ti_{0.48})O_3$ 세라믹스에서 $Nb_2O_5$ 첨가량에 따른 소결 및 압전, 유전특성을 조사하였다. $Pb(Zr_{0.54}Ti_{0.48})O_3$ + 0.2 wt% $Cr_2O_3$ + wt% $Nb_2O_5$ ($0.{\sim}2wt.%$)의 첨가량에 따른 압전, 유전특성 및 미세구조에 관해 연구하였다. 본조성에서 $Nb_2O_5$ 첨가량이 증가함에 따라 입경의 크기는 증가하였으며, 0.5 wt% $Nb_2O_5$ 첨가조성에서 $4\sim5\mu m$의 최대 평균입경을 보이다가 그 이상의 첨가 조성에서 급격히 감소하였다. 유전상수와 kp 는 $Nb_2O_5$ 첨가량이 1.0 wt% 조성까지 증가하였다가 그 이상 조성에서 감소하였다. $Nb_2O_5$ 첨가량이 증가함에 따라 삼방정(rhombohedral)구조에서 정방정(tetragonal)구조로 상전이 일어났으며, 본 조성의 상경계 영역인 0.5 wt% 조성에서 $\varepsilon_r$ = 730, $k_p$ = 0.72, $d_{33}$ = 450, $g_{33}$ = 70의 우수한 압전 특성을 나타내었다. 이러한 조성은 접촉센서용 복합압전소재의 실용가능성을 제시하였다.

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문제 정의

복합체가 많이 연구되고 있다. [2] Hydrophone, 의료진단용 탐촉자, 진동센서, Sona「등에 응용되는 압전 복합소재에서는 압전상수 (d33)와 전압계수 (g33)가 크고 음향임피던스를 낮추기위해서 유전상수가 작을수록 유리하匚L 따라서 본 연구에서는 0-3 연결성을 갖는 접촉 센서요 압전복합체를 제작하기 위해서 압전특성이 우수한 조성을 연구하고자 하였다. 이때 사용한 조성은 Pb(Zf0.

제안 방법

본 연구에서 Pb(Z「O.54Tio.48)C)3 + 0.2 Wt% CK)3 + x wt% Nb2O₅ 조성에서 x에 따른 압전 특성의 변화를 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이를 일축 성형하여 지름 13mm 인 disc 시편을 만들었다. 성형시편들은 11501에서 2시간 동안 소결하였으며, 소결된 시편silver paste를 이용하여 55 0*0 에서 소부하여 형성하였으며, 전극 처리된 시편은 2.다<V/mm의 직류 전류계를 15분 인가하여 분극처리 하였다. 소결시편의 상 합성과 결정구조 등은 XRD(Mac Science KFX-987228 -SE)로 분석하였으며, 시편의 미세구조는 주사전자현미경(SEM- Topcon SM-300)으로 분석하였다.
다<V/mm의 직류 전류계를 15분 인가하여 분극처리 하였다. 소결시편의 상 합성과 결정구조 등은 XRD(Mac Science KFX-987228 -SE)로 분석하였으며, 시편의 미세구조는 주사전자현미경(SEM- Topcon SM-300)으로 분석하였다. 전기적 특성은 IRE standard에 근거하여 Impedance Analyzer(Agilent, 4294A) 를 이용하여 공진-반공 진법으로 측정, 계산하였다.
[2] Hydrophone, 의료진단용 탐촉자, 진동센서, Sona「등에 응용되는 압전 복합소재에서는 압전상수 (d33)와 전압계수 (g33)가 크고 음향임피던스를 낮추기위해서 유전상수가 작을수록 유리하匚L 따라서 본 연구에서는 0-3 연결성을 갖는 접촉 센서요 압전복합체를 제작하기 위해서 압전특성이 우수한 조성을 연구하고자 하였다. 이때 사용한 조성은 Pb(Zf0.54Ti0.48)O₃ + 0.2 wt% Cr2O₃ 세라믹스에, 압전정수와 전기기계결합계수를 증가시키기 위해서 NgOs 를 첨가제로 사용하여 첨가량에 따른 압전 및 전기적 특성을 조사하였다’
혼합된 시류는 850C에서 2시간 하소하였으며, 하소분말은 지르코니아 볼을 사용하여 습식으로 48 시간을 분쇄하였다. 이를 일축 성형하여 지름 13mm 인 disc 시편을 만들었다. 성형시편들은 11501에서 2시간 동안 소결하였으며, 소결된 시편silver paste를 이용하여 55 0*0 에서 소부하여 형성하였으며, 전극 처리된 시편은 2.
9%)이며, 전자 저물을 사용하여 평량하였다. 평량 한 분알의 혼합은 지르코니아 볼을 사용하여 습식으로 36 시간 하였다. 혼합된 시류는 850C에서 2시간 하소하였으며, 하소분말은 지르코니아 볼을 사용하여 습식으로 48 시간을 분쇄하였다.

대상 데이터

본 연구에서 출발물질로 사용한 분말원료는 PbO (Aldrich, 99.9%), Nb2O₅ (Aldrich, 99.9%), Cr2O₃ (고순도 화학, 99.9%), ZrO₂ (Aldrich, 99이TiO₂ (고순도 화학, 99.9%)이며, 전자 저물을 사용하여 평량하였다. 평량 한 분알의 혼합은 지르코니아 볼을 사용하여 습식으로 36 시간 하였다.

이론/모형

소결시편의 상 합성과 결정구조 등은 XRD(Mac Science KFX-987228 -SE)로 분석하였으며, 시편의 미세구조는 주사전자현미경(SEM- Topcon SM-300)으로 분석하였다. 전기적 특성은 IRE standard에 근거하여 Impedance Analyzer(Agilent, 4294A) 를 이용하여 공진-반공 진법으로 측정, 계산하였다.

성능/효과

1.Pb(Zro.54Tio.48)03 + 0.2 wt% C「2C)3 + 1 -0 wt% Nb2O₅ 조성이 상 경계임을 확인하였으며, 이 조성에서 er, KDt d33 값이 최대값을 나타내었다.
2. 1150C에서 소결한 조성에서 er = 730, kp = 0.72, d33 = 450, 033 = 70의의 우수한 특성을 나타내었다.
0 조성부근에서 회절선이 분리되는 것을 알 수 있으며, 이 영역이 압전특성 향상에 영향을 주는 것으로 알려져 있는 상경계(Mophotropic Phase Boundary)영역임을 알 수 있다. Nb2O₅ 첨가량이 증가함에 따라 삼방정 (rhombohedral)구조에서 정방정 (tetragon 교1)구조로 상전01 일어났으며, 특성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 2차 상인 pyrochlore(2e 그28°부근에서 관찰) 상은 전체조성에서 관찰되지 않았다.
본 실험결과를 보면 x너.0 조성부근에서 회절선이 분리되는 것을 알 수 있으며, 이 영역이 압전특성 향상에 영향을 주는 것으로 알려져 있는 상경계(Mophotropic Phase Boundary)영역임을 알 수 있다. Nb2O₅ 첨가량이 증가함에 따라 삼방정 (rhombohedral)구조에서 정방정 (tetragon 교1)구조로 상전01 일어났으며, 특성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 2차 상인 pyrochlore(2e 그28°부근에서 관찰) 상은 전체조성에서 관찰되지 않았다.

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