상압 소결을 통한 Sm³⁺/Pr³⁺ 공동 도핑 PMN-PT 투명 압전 세라믹의 광학 및 전기적 특성 향상 = Enhancement of Optical and Electrical Properties in Sm³ /Pr³ ⁺ ⁺ Co-doped Transparent PMN-PT Ceramics via Pressureless Sintering

국문 초록 (Abstract)

최근 투명한 압전 세라믹은 햅틱 디스플레이, 투명 센서, 초음파 소자 및 광음향 장치 등의 다양한 차세대 전자기기에 적용 가능성이 높아 주목받고 있다. 그러나 기존 압전 세라믹에서는 높은 투명성과 우수한 압전 특성을 동시에 구현하는 데에는 기술적 한계가 존재한다. 특히, 일반적으로 사용되는 열간압축소결(hot-press sintering) 공정은 고온·고압 조건(>1200 °C, 수백 MPa)과 복잡한 장비 구성을 요구하므로 에너지 소비가 크고 비용이 높으며 대면적 제조가 어렵다는 산업적 제약이 있다. 이에 따라, 보다 단순하고 저비용인 상압소결(pressureless sintering) 공정을 통해 고밀도화와 투명도를 확보할 수 있는 소재 개발이 필요하다.

본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 Pr³⁺/Sm³⁺ 희토류 원소 공동 도핑을 통한 고성능 투명 PMN–PT 세라믹의 개발을 수행하였다. 희토류 이온의 도입은 격자 내 전하 보상 및 결함 제어를 통해 결정립 성장 억제, 산소 공공 감소, 그리고 결정립 경계의 광 산란 감소를 유도한다. 특히 Pr³⁺은 결정립 경계의 투명도 향상에, Sm³⁺은 국부 구조의 불균일성 조절을 통한 압전 반응성 개선에 각각 기여한다.

0.71Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–0.29PbTiO₃(PMN-PT) 조성을 기반으로 Pr³⁺과 Sm³⁺의 도핑 함량을 변화시키며 구조적, 전기기계적, 광학적 특성을 분석하였다. XRD, Raman, UV-Vis, FE-SEM, P-E 히스테리시스 곡선, d₃₃ 측정 결과, 총 2.5mol% 농도에서 Pr³⁺과 Sm³⁺을 1:1 비율로 첨가한 조성에서 가장 우수한 특성이 나타냈다. 해당 조성은 높은 투명도와 함께, 1mm 두께 기준 1065pC/N의 압전 계수를 달성하였다.

따라서 본 연구는 희토류 원소 공동 도핑을 통해 상압소결 조건에서도 고투명·고성능 PMN–PT 압전 세라믹을 구현할 수 있음을 입증하였으며, 이는 향후 투명 햅틱 디스플레이, 초음파 영상, 광음향 센서 등 차세대 투명 압전 소자 개발에 기여할 수 있는 중요한 기술적 기반을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, transparent piezoelectric ceramics have attracted considerable attention due to their high potential for application in next-generation electronic devices such as display speaker, haptic displays, transparent sensors, ultrasonic transducers, and photoacoustic devices. However, conventional piezoelectric ceramics face significant technical challenges in achieving both high optical transparency and excellent piezoelectric performance simultaneously. In particular, the commonly used hot-press sintering process requires high temperature and pressure (>1200 °C, several hundred MPa) and complex equipment, resulting in high energy consumption, high cost, and challenges for large-area fabrication. Therefore, the development of materials capable of achieving high densification and transparency via a simpler, low-cost pressureless sintering process is highly desirable.

In this study, high-performance transparent PMN–PT ceramics were developed by co-doping with Pr³⁺ and Sm³⁺ rare-earth ions to overcome these limitations. The introduction of rare-earth ions promotes charge compensation and defect control within the lattice, thereby suppressing grain growth, reducing oxygen vacancies, and minimizing light scattering at grain boundaries. Specifically, Pr³⁺ contributes to improving transparency by reducing grain boundary scattering, while Sm³⁺ enhances piezoelectric responsiveness by modulating local structural heterogeneity.

Based on the 0.71Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–0.29PbTiO₃ (PMN–PT) composition, the doping concentration and ratio of Pr³⁺ and Sm³⁺ were systematically varied to investigate their effects on the structural, electromechanical, and optical properties. Characterizations using XRD, Raman spectroscopy, UV–Vis spectroscopy, FE-SEM, P–E hysteresis, and d₃₃ measurements revealed that the composition with a total doping concentration of 2.5 mol% and a 1:1 ratio of Pr³⁺ to Sm³⁺ exhibited the best overall performance. This optimized composition achieved excellent transparency and a high piezoelectric coefficient of 1065 pC/N for a 1 mm-thick specimen.

These results indicate that effective microstructural control through the pressureless sintering process enables the fabrication of high-density ceramics comparable to those produced by high-pressure sintering, thereby contributing to improved transparency. Furthermore, the pressureless sintering method was found to facilitate the formation of uniform and coarse grains, which are difficult to obtain via high-pressure sintering, suggesting that it may be more suitable for enhancing piezoelectric properties.

Therefore, this study demonstrates that co-doping with rare-earth elements enables the realization of highly transparent and high-performance PMN–PT ceramics even under pressureless sintering conditions. These results provide an important technological foundation for the development of next-generation transparent piezoelectric devices such as haptic displays, ultrasonic imaging systems, and photoacoustic sensors.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 이론적 배경 3
• 2.1 압전 세라믹 3
• 2.1.1 압전효과 3
• 2.1.2 압전 세라믹의 분류 5
• 2.1.3 전기기계적 특성 6
• 2.2 투명 압전 세라믹 7
• 2.3 PMN-PT 세라믹 9
• 2.4 희토류 원소 도핑의 효과 13
• 2.5 투명 압전 소재의 응용 분야 15
• 제 3 장 실험 방법 17
• 3.1 PMN-PT 세라믹의 분말 합성 17
• 3.2 PMN-PT 세라믹의 성형체 제조 및 소결 18
• 3.3 PMN-PT 세라믹의 특성 분석 20
• 제 4 장 실험 결과 및 고찰 21
• 4.1 도핑 함량에 따른 결정구조 분석 21
• 4.2 도핑 함량에 따른 밀도 및 미세구조 변화 27
• 4.3 도핑 함량에 따른 압전 특성 31
• 4.3.1 압전 계수 측정 31
• 4.3.2 P-E & S-E loops 측정 33
• 4.3.3 전기기계적 특성 측정 37
• 4.4 도핑 함량에 따른 광학 특성 40
• 4.4.1 투과율 측정 40
• 4.4.2 에너지 밴드갭 분석 45
• 4.5 도핑 함량에 따른 유전 특성 48
• 4.5.1 유전율 & 유전손실 계수의 온도 의존성 48
• 제 5 장 결론 51
• 참고문헌 53
• Abstract 60