초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 높은 전계유기변형률 (d₃₃^*= S_max/E_max > 700 pm/V이고 큐리온도 T_c > 250 ℃)을 나타내는 BiNaTiO₃-BiKTiO₃ (BNT-BKT)계 무연 압전세라믹 적층형 액추에이터를 성공적으로 제조하고자 한다. 이를 위하여 다음의 세부적인 목표를 달성하고자 한다.
1. 높은 전계유기 변형률을 가지는 Bi-perovskite 무연 압전

연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 높은 전계유기변형률 (d₃₃^*= S_max/E_max > 700 pm/V이고 큐리온도 T_c > 250 ℃)을 나타내는 BiNaTiO₃-BiKTiO₃ (BNT-BKT)계 무연 압전세라믹 적층형 액추에이터를 성공적으로 제조하고자 한다. 이를 위하여 다음의 세부적인 목표를 달성하고자 한다.
1. 높은 전계유기 변형률을 가지는 Bi-perovskite 무연 압전 세라믹 소재 제조
2. Bi계 무연세라믹과 AgPd 내부전극의 후막 적층 및 동시소성 기술 확립
3. Bi계 무연 압전 세라믹스에 있어서 거대 전계유기변형 기구 규명
연구결과
본 과제에서는 상기에 제시한 과제목표를 대부분 달성하였으며, 주요 내용은 다음과 같이 요약할 수 있음.
1) 세계 최고 수준의 전계유기 변형률을 나타내는 Bi 계 무연 압전 소재 개발
- Nb-doped BNKT-ST를 단순한 세라믹 공정으로 제조하여 5 kV/mm를 인가하였을 때 최대 변형률 0.438%, d₃₃^* (S_max/E_max)= 876 pm/V라는 세계 최고수준의 값을 얻음
2) S-E 이력특성이 우수한 Bi 계 무연 압전소재 개발
- BCZ 를 변성제로 첨가하여 S-E 이력률이 25%로 낮은 소재개발
3) Bi 계의 거대 전계유기 변형 거동 기구 제안
- ABO₃ 화합물에서 A-site 또는 B-site 불순물을 도핑할 경우 acceptor는 거대 전계유기변형 거동을 유발하지 않고 donor 불순물의 경우 ferroelectric-relaxor 전이가 유기되고 이때 거대 전계유기 변형 특성이 나타남을 발견
- 이 경우 재료의 Goldschumidt의 허용인자(tolerance factor)가 매우 중요하며, 허용인자가 감소하는 경우 거대 변형이 일어남을 발견하고 격자 변형에 의한 상전이와 전계유기에 의한 역전이에 의해 거대변형이 나타남을 제안
4) 적층형 액추에이터 제조기술 확립
- 내부전극으로 세라믹-금속 복합소재를 사용할 경우 동시소성 불량률을 거의 제거할 수 있음을 실험적으로 증명하였으나 동시소성 반응 문제가 있음을 발견
- Stack 형 적층 액추에이터를 제조하여 4.5 kV/mm 전계에서 700 pm/V를 실현
5) 연구성과
- SCI 논문 13편 게재, KCI 논문 3편 게재, 국내외 학회발표 67회
- 국위 선양: 국제학회 초청강연 7회, 해외 대학 초청강연 3회
- 국제학회 (ICAE 2011) 압전 분야 조직위원장 성공적 수행 및 수상 (2012 전기전자재료학회 공로상 수상), 2013 ICAE TPC (Technical program committee) Chair
- 국제학회 우수 포스터상 3회 수상, 국내학회 우수 포스터상 1회 수상
- 인력양성에 기여: 3년간 박사 4명 (외국인 2명), 석사 12명 (외국인 4명) 배출
연구결과의 활용계획
압전 세라믹 부품은 자동차용 연료분사기, 휴대폰 및 카메라의 초음파 모터, 정밀스테이지 등 메카트로닉스 분야에서 2017년 약 20조원 이상의 세계 시장을 점유할 것으로 전망되고 있으나, 아직 유연계 압전 소재를 대체하지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구를 통하여 무연 신소재 개발 경쟁에서 선점을 취한다면 학문적이나 산업적으로 국가 위상을 높이는데 큰 기여를 할 것이다.

Abstract ▼

Purpose&contents
This study aims to develop Bi-based lead-free multilayer piezoelectric actuators with d₃₃^*= S_max/E_max > 700 pm/V and T_c > 250 ℃, which is the world best level in this field. This goal will be attained through the following ac

Purpose&contents
This study aims to develop Bi-based lead-free multilayer piezoelectric actuators with d₃₃^*= S_max/E_max > 700 pm/V and T_c > 250 ℃, which is the world best level in this field. This goal will be attained through the following activities.
1. Finding new Bi-perovskite compositions with high strains
2. Co-firing Bi-based piezoelectric ceramic/AgPd multilayer laminates
3. Elucidation of high field-induced strain at ferroelectric-electrostrictive phase boundaries in BNT-BKT ceramics
Result
In this project, we achieved most goals suggested in our proposal, which can be summarized as follows;
1) Development of Bi-based leead free piezoelectric ceramics showing world-best level strain properties.
- Nb-doped BNKT-ST ceramics prepared in this work showed an electric-field-induced strain of 0.438%, corresponding to d₃₃^* (S_max/E_max)= 876 pm/V under a field of 5 kV/mm.
2) Development of Bi-based lead-free materials with small S-E hysterisis
- S-E hysterisis of 25% was obtained in BCZ-modified BNKT ceramics
3) Suggestion of models for large strain in Bi-based ceramics
- Finding the fact that donor impurities induce ferroelectric-relaxor (FE-RFE) phase transition in ABO₃ compounds when the Goldschumidt's tolerance decrease with doping, which is closely related with the field-induced giant strain, while acceptors do not.
4) Establishment of process technologies for lead-free multilayer ceramic actuator
- Using ceramic-metal composite inner electrodes, co-firing induced defects were significantly eliminated.
- Fabrication of stack-type mutilayer actuator showing a d₃₃^* = 700 pm/V
5) Papers and international activities
- 13 SCI-indexed papers, 3 KCI-indexed papers, and 67 conference presentations
- Invited talks; 7 international conferences and 3 universities
- Awards and honors; 2012 KIEEME excellent member, Symposium organizer at ICEA 2011, 2012-2013 Board member of KIEEME as a chief international-affairs officer, 2013 ICAE TPC (Technical program committee) Chair, 3 excellent poster awards at international conferences, 1 excellent poster award at domestic conference
Expected Contribution
Piezoelectric ceramics are currently widely used for automotive fuel injectors, ultrasonic motors for mobile phones, and actuators in a wide range of mechatronic systems. Their world market in 2018 is expected to reach more than 20 billion dollars. However, requests for lead-free piezoelectric ceramics that can replace the lead-based peizoelectrics are increasing because of global restrictions on hazardous materials in commercial products. This work will bring about a great impact on the world piezoelectric industry.

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 8
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 11
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 77
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 80
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 81
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 84
• 8. 참고문헌 ... 85
• 9. 연구성과 ... 89
• 10. 기타사항 ... 99