고상합성 기반 비스무트-아연-나니오븀 산화물 세라믹스의 미세구조에 따른 유전 특성 및 에너지 저장 특성 최적화 연구 = Optimization of Dielectric and Energy Storage Properties Based on Microstructure of Solid-State Synthesized Bismuth?Zinc?Niobium Oxide Ceramics

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 고온 소결 시 발생하는 비스무트(Bi) 휘발로 인해 조성 불안정과 이차상이 형성되는 Bi 기반 유전체 세라믹의 한계를 해결하고자 합성 및 소결 공정을 최적화하는 것을 목표로 하였다. 먼저 BNKT 세라믹을 대상으로 고상합성 조건을 조정하고, Bed powder 보상기법을 적용하여 페로브스카이트 단일상을 안정적으로 확보하였다. 이 과정에서 Bi 손실이 효과적으로 억제됨을 확인하였다. 이후 동일한 전략을 BZN 파이로클로르 세라믹에 적용하였다. Fast Firing 공정은 급속 가열과 짧은 유지 시간을 통해 Bi 휘발을 크게 감소시키며 조밀하고 균일한 미세구조를 형성하였다. 최적 소결 온도인 1050 °C에서 제조된 시편은 XRD 분석에서 완전한 단일 파이로클로르 상을 나타냈다. 유전특성 및 임피던스 분석에서도 유전손실 감소, 주파수 안정성 향상, 입계 저항 증가 등 전기적 특성 개선이 확인되었다. 에너지 저장 특성 측정 결과 Fast Firing 시편은 선형적인 P–E 루프와 높은 절연파괴전계를 나타내어 회수에너지 밀도와 효율이 크게 향상되었다. 본 연구는 Bi 보상 및 Fast Firing이 Bi 기반 유전체의 고전계 안정성과 성능 향상에 효과적인 공정 전략임을 제시하며, 차세대 에너지 저장 및 유전체 소재 개발에 기초 자료로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures iii
• 요 약 vi
• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Research background 4
• 2.1. Dielectric Materials 4
• 2.2 Multilayer Ceramic Capacitors 8
• 2.3 Limitation of BaTiO3 based Dielectrics 11
• 2.3.1 Low Curie Temperature and Instability 12
• 2.3.2 Nonlinear Dielectric Behavior 15
• 2.4 Bismuth based Pyrochlore Dielectrics as an Alternative 18
• 2.4.1 Volatilization of Bi based Ceramics 22
• Chapter 3. Experimental Section 25
• 3.1. Materials synthsis 25
• 3.1.1. Solid state reaction method 25
• 3.1.2. Conventional Sintering 25
• 3.1.3. Fast Firing 26
• 3.2. Materials Characterization 27
• 3.2.1 X-ray Diffraction (XRD) 27
• 3.2.2 Scanning Electron Microscope (SEM) 27
• 3.2.3 Polarization Analyzer (P-E Hysterisis Loop) 28
• 3.2.4 Dielectric Properties Analysis (LCR meter) 28
• 3.2.5 Impedence Analysis 28
• Chapter 4. Result and Discussion 29
• 4.1 Phase Analysis 29
• 4.2 Microstructure 34
• 4.3 Dielectric Properties 38
• 4.4 Impedence Response 43
• 4.5 Energy Storage Properties 46
• Chapter 5. Conclusion 49
• References 52
• Abstract 62