초록 ▼

재료공학, 물리학 및 전기공학의 학제간 공동연구를 통해 궁극적으로 환경 친화적이면서 특성이 우수한 비납계 압전 세라믹스 및 박막을 개발하여 현재의 PZT를 대체하고자 함이 본 연구의 목적이다.
본 연구팀은 압전 세라믹스의 기초물성을 평가하고, 그 재료의 조성비 변화에 따른 결정구조 변화와 상공존 현상 간의 관계를 규명하며, 나아가 모조성에 첨가물을 의도적으로 첨가 또는 치환할 때 발생하는 상전이 현상에 대해 집중적으로 연구하였다. 본 연구팀에 의해 개발된 비납계 압전세라믹스에 대한 대표적인 연구결과는 다음과 같다.
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재료공학, 물리학 및 전기공학의 학제간 공동연구를 통해 궁극적으로 환경 친화적이면서 특성이 우수한 비납계 압전 세라믹스 및 박막을 개발하여 현재의 PZT를 대체하고자 함이 본 연구의 목적이다.
본 연구팀은 압전 세라믹스의 기초물성을 평가하고, 그 재료의 조성비 변화에 따른 결정구조 변화와 상공존 현상 간의 관계를 규명하며, 나아가 모조성에 첨가물을 의도적으로 첨가 또는 치환할 때 발생하는 상전이 현상에 대해 집중적으로 연구하였다. 본 연구팀에 의해 개발된 비납계 압전세라믹스에 대한 대표적인 연구결과는 다음과 같다.
O (Bi_0.5Na_0.5+x)TiO₃ 계열 압전 세라믹스에서 A자리 비화학양론성에 따른 압전특성과 격자구조간의 상관관계
- 양이온 Na의 비화학양론성 조성에서 rhombohedral 결정상은 유지되었으나 그 뒤틀림정도가 조성비에 따라 변화하였다. 격자뒤틀림이 가장 작은 조성인 x=-3.5mol%에서 압전특성은 가장 높은 값을 보였으며, 반면 탈분극온도 (T_d)는 가장 낮은 온도를 보였다. 격자뒤틀림이 압전특성과 탈분극온도 변화와의 직접적인 상호연관성이 있음을 본 실험에 의해 최초로 학계에 보고되었다. 뿐만 아니라 (Bi_0.5+xNa_0.5)TiO₃, Bi_0.5(Na_1-xK_x)_0.5TiO₃, (Bi_0.5K_0.5+x)TiO₃ 압전 세라믹스에서도 위와 같이 격자뒤틀림과 압전특성 간의 관계가 반비례하는 동일한 결과를 보였으며 이러한 결과는 재료의 압전특성을 향상시키기 위한 기초적인 메커니즘을 제시하고 있다.
O (Na_0.53K_0.47)(Nb_1-xTa_x)O₃ 압전 세라믹스에서 Ta 치환에 따른 상전이 현상과 압전특성 향상
- B-site Nb 자리에 Ta가 0 ∼ 0.6mol의 조성비를 가지고 치환될 때 상전이 (polymorphic phase transition) 온도가 변화하는 것이 관찰되었다. 그 변화의 정도는 T_C(℃) = 406– 5.9(x*100), T_O-T(℃) = 182-3.3(x*100) (x=Ta 1mol%)로 수식적으로 규명되었으며, x=0.45mol 일 때 T_O-T가 상온에 위치하는 것이 확인되었다. 이때의 압전특성 값은 284pC/N으로 현재까지 국내/외에서 보고된 NKNT 조성의 압전특성 값 중 가장 높은값을 보였다.
O Unimorph형 압전발전기를 통한 에너지 수확소자 개발 및 연구
- 원판형으로 압전 세라믹을 장착하여 바이브레이터를 통하여 발생되는 진동을 압전체 재료에 가해주어 압전체로부터 나오는 에너지 수확소자의 발전 특성을 연구하였다. 경방향 굽힘과 원환방향으로 수축확장 현상이 발생하였고 직류 변환 시 비교적 안정적인 출력이 발생하였다. 공진주파수는 대략 300Hz 정도였으며 최대출력전압은 2.5V 였고, 2개를 동시에 구동하였을 시는 3V 정도의 출력전압을 얻을 수 있었다. 또한 최대 출력 전류는 1.5mA 였고 2개 동시에 구동하였을 시 2.7mA를 나타내었다.
Bi-계열의 세라믹스에 대한 연구는 재료의 구조과 물성 간의 관계를 규명하고, 추가적인 연구를 진행함에 있어 실험의 설계를 뒷받침해 줄 수 있는 기초적인 이론배경을 제시하고 있다. 이러한 결정구조와 물성관의 관계는 Bi-계열의 세라믹스뿐만 아니라 NKN-계열의 시스템에서도 적용이 될 수 있으며 압전특성을 향상시키기 위한 다양한 방법중 한 가지 방안을 제시하고 있다.
본 연구팀에 의해 개발된 NKNT 세라믹스의 압전특성은 현재까지 개발된 NKN계열의 세라믹스에 비해 상당히 우수한 값을 나타내고 있다. 그럼에도 불구하고 PZT에 비해 다소 미흡한 특성을 보이고 있어 추가적인 실험이 요구되며, 특히 상공존 영역(morphotropic phase boundary, MPB)의 제어와 Li, Sb, Ca, Zr 등의 물질을 치환시키는 연구가 필요하다. 또한 NKNT 세라믹스에서 A자리 비화학양론성을 적용하였을 때 압전특성이 더욱 향상될 것이라 기대되며, NKNT 세라믹스의 고질적인 문제인 휘발문제가 보완되면 부분적으로도 PZT를 대체할 수 있을 것이라 판단된다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• I. 연구결과 요약문 ... 4
• II. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 7
• III. 연구성과 ... 8