PZT박막의 계면반응 및 누설전류 개선에 관한 연구

황유상 한양대학교 대학원 1995 국내박사

A PZT type-optical pickup actuator for small form factor optical disk drive : 초소형 광디스크 드라이브용 압전형 광 픽업 액츄에이터 연구

양우성 서강대학교 대학원 2003 국내석사

A small size pick-up actuator using a bimorph multilayer PZT is studied in this paper for the application of slim and small form factor optical disk drives. A theoretical model includes the dynamics of several piezoelectric, electrode and substrate layers and it is analytically solved to predict the natural frequency, the resultant force and the maximum displacement of the PZT actuator. A flexure hinge mechanism is used as the displacement amplifier to extend the allowable stroke. The prototype of proposed model was manufactured using commercial multilayer PZT. Experimental results agree well with the analytical predictions. Based on the theoretical analysis and the preliminary experiments, we propose a final model for a new PZT pick-up actuator with 2.5-mm height, which can be applicable to small form factor optical disk drives.

Sol-Gel법으로 제조한 PZT박막의 강유전 특성에 관한 연구

이영준 광운대학교 대학원 1994 국내석사

본 연구에서는 Pb(Zr_(X), Ti_(1-X))O_(3)(X=0.65, 0.52, 0.35,)박막을 Sol-Gel법을 이용하여 제작하였다. Pb가 10[mol.%]과잉으로 첨가된 Pb(Zr,Ti)O_(3)의 stock solution을 제조하였으며, 제조된 용액을 Pt/SiO_(2)/Si 기판위에 4000[rpm], 30[sec.]간 spin coating 하였다. 코팅된 시편을 hot-plate에서 400[℃], 10[min.] 건조하였으며 열처리 온도는 500∼800[℃]로 시간은 1∼60[min.]동안 변화시켰다. 소성 온도, 소성시간 및 조성에 따라 XRD 분석을 수행하여 박막의 결정화 조건을 모색하고, 전자현미경을 통하여 미세구조를 관찰하였다. 각 조성에서 700[℃], 1[hr] 열처리하였을 때 페로브스카이트상이 형성되었으며 유전상수와 유전손실은 PZT(52/48) 조성에서 2133, 2.2[%]를 각각 나타내었으며, 잔류분극, 항전계 및 스위칭전압은 PZT(65/35) 조성에서 각각 8.4[μC/㎠], 24.9[kV/cm], 2.4[V], 누설전류는 PZT(52/48) 조성에서 160[pA/㎠]를 나타내었다. 상부 전극(Au)을 증착하여 유전, 강유전 및 전기적 특성을 측정하여 기억소자용 캐패시터 재료로의 응용 가능성을 고찰하였다. In this study, Pb(Zr_(X), Ti_(1-X))O_(3)(X=0.65, 0.52, 0.35) thin films were fabricated by Sol-Gel method. A stock solution with excess Pb 10[mol.%] of Pb(Zr_(X), Ti_(1-X)O_(3) was made and spin-coated on the Pt/SiO_(2)/Si substrate 4000[rpm], 30[sec.]. Coated specimens were dried on the hot-plate at 400[℃], 10[min.]. Anncaling temperature and time were 500∼800[℃] and 1∼60[min.]. To investigate crystallization condition, PZT thin films were analyzed with sintering temperature, time and composition by the XRD. The microstructure of this films were investigated by SEM. The thin films sintered at 700[℃], 1[hr] were formed the perovskite phase. In the PZT(52/48) composition, dielectric constant and dielectric loss were 2133, 2.2[%], respectively, and in the PZT(65/35) composition, remanent polarization, coercive field and switching voltage were 8.4[μC/㎠], 24.9[kV/cm], 2.4[V], respectively, the leakage current was 160[pA/㎠] in the PZT(52/48) composition. PZT thin films with top electrode[Au] were tested for dielectric, ferroelectric and electrical properties and evaluated the applicability of the memory devices capacitor.

매개변수 추정법을 이용한 압축응력 및 온도에 따른 PZT 세라믹의 압전물성 분석

김종호 경상국립대학교 대학원 2024 국내박사

In this study, the overall piezoelectric properties of lead zirconate titanate (Pb(Zr,Ti)O3, hereafter PZT) ceramic were optimized according to compressive stress and temperature changes. Based on this, a BLT (Bolt-clamped Langevin Type) piezoelectric device was designed, and the reliability of the piezoelectric properties was verified. PZT ceramics are used as key materials in various piezoelectric devices due to their high dielectric constant, mechanical strength, and thermal stability. However, in actual applications, the piezoelectric properties of PZT ceramics react sensitively to external compressive stress and temperature changes, affecting the performance and reliability of the devices. Therefore, to accurately design piezoelectric devices using finite element analysis (FEM), it is essential to apply piezoelectric properties that reflect changes in these external factors. To measure the piezoelectric properties under varying external effects, the impedance characteristics of PZT ceramics were measured under various compressive stress and temperature conditions using the resonance method. The parameters that minimize the difference between the experimentally obtained impedance characteristics and the impedance characteristics obtained from FEM analysis were determined, and the final piezoelectric properties were derived through parameter estimation method. These optimized piezoelectric properties were then used in the design and fabrication of the BLT device, and their characteristics were analyzed to verify reliability. As a result, the resonance frequencies of the radial mode and thickness mode increased by up to 10% and 6%, respectively, as the compressive stress increased, and the dielectric constant also increased with rising compressive stress. Regarding temperature changes, the resonance frequencies of the radial mode and thickness mode increased linearly with rising temperature, and the dielectric constant significantly increased as well. The representative optimized piezoelectric properties obtained through parameter estimation are as follows: when the compressive stress was 40 MPa, the piezoelectric constants -d31 and d33 showed the highest values of 147 pC/N and 375 pC/N, respectively, indicating that KICET-PZT8 exhibits high piezoelectric performance under 40 MPa of compressive stress. When the temperature increased to 200°C, the piezoelectric constants -d31 and d33 increased to 136 pC/N and 408 pC/N, respectively. The optimized piezoelectric properties were validated by comparing the characteristics of the BLT device, which was designed and fabricated through FEM analysis. The BLT device showed that the designed resonance frequency was very close to the actual resonance frequency, confirming the reliability of the optimized properties. The BLT device operated at a resonance frequency of 122 kHz and achieved fine droplet spraying with an average particle size of 46 μm. Finally, when comparing the FEM analysis results, which applied the optimized piezoelectric properties derived through parameter estimation under 40 MPa of compressive stress, with the actual device measurements, the difference in resonance frequency was about 2 kHz. This demonstrates that the optimized piezoelectric properties provide more reliable data than those obtained through the resonance method.

후막 스피커 응용을 위한 Pb(Zr,Ti)O₃-PVDF 0-3형 복합체의 압전 특성 평가

정준석 충주대학교 산업대학원 2008 국내석사

본 연구에서는 우수한 특성의 후막형 스피커 제작을 위한 세라믹-고분자 압전 복합체를 제조하고, 이를 이용한 후막 제작 공정을 최적화하여 압전 특성을 평가하였다. 압전체 세라믹으로는 압전 상수가 매우 높은 Pb(ZrxTi1-x)O3 계를 적용하였고, 고분자 물질은 압전 특성을 보이는 PVDF를 이용하였다. 세라믹과 고분자 압전체의 장점을 접목시키기 위하여 0-3 형 압전 복합체를 다양한 혼합 비율로 제작된 PZT-PVDF 페이스트를 ITO/PET 기판 위에 코팅하여 80 ㎛ 두께의 복합체 필름을 제작하였다 복합체의 상대 밀도는 65:35 혼합 분율에서 73.4 %로 가장 높게 나타났다. 상대 밀도가 높은 경우에서 복합체 내의 기공이 최소가 될 것으로 예상되며 혼합비가 70:30인 경우에는 세라믹 분말의 양이 많아 고르게 분산이 이루어지지 않은 결과로 많은 기공을 함유하고 있는 것으로 확인되었다. XRD 회절 분석 결과 분말시료와 복합체의 회절 도형은 거의 유사함을 볼 수 있다. 회절선을 이용하여 상 동정을 수행한 결과 2차상이 없는 완전한 페로브스카이트 구조의 PZT 회절선임을 확인할 수 있었다. PZT-PVDF 복합체 필름들의 전기적 특성 평가 결과 상대 유전 상수 및 압전 전하 계수는 PZT 함량이 증가함에 따라서 계속 증가함을 확인하였다. 즉, 70:30 복합체에서 상대 유전 상수 및 압전 전하 계수는 최대값을 보이는데, 그 최대값은 각각 88.26 및 24 pC/N 이다. 압전 전압 상수인 g33 값은 g33=d33/(k0·k) 의 관계를 이용하여 계산한 결과 압전 전하 상수와는 달리 압전 전압 상수는 65 wt%의 PZT 혼합 분율에서 최대값을 보이고, 그 값은 32 mV·m/N이었다. 또한, 70 wt%의 PZT 혼합 분율에서 감소하는 것은 상대 유전율의 증가에 따른 효과임을 알 수 있다. 65:35 혼합 분율로 제조된 복합체 필름을 이용하여 후막형 필름 스피커를 제작하고 주파수에 따른 음압(SPL) 특성 실험한 결과 전압이 증가함에 따라서 증가하다가 70 Vrms 이상에서는 거의 변화가 없음을 확인되었으며 1 kHz에서의 음압은 약 68 dB 정도를 나타내고 있는데, 이는 상용 전동 스피커(electro-dynamic speaker)의 특성과 유사함을 알 수 있었다. 상기와 같은 결과로부터 65:35 혼합 분율의 압전 세라믹-고분자 복합체 필름은 후막형 압전 스피커로의 응용 가능성이 충분한 것으로 판단되었다. We reported on characteristics of the piezoelectric ceramic-polymer composite for the application of the thick-film speaker. The PVDF-PZT composites were fabricated to incorporate the advantages of both ceramic and polymer with various mixing ratios by 3-roll mill mixer. The composite solutions were coated by the conventional screen-printing method on ITO electrode coated PET(polyethylene terephthalate) polymer film. After depositing the top-electrode of silver-paste, 4 ㎸/㎜ of DC field was applied at 120 ℃ for 30 min to poling the composite films. The value of d33(piezoelectric charge constant) was increased when the PZT weight percent was increased. The maximum value of the d33 was 24 pC/N at 70 wt% PZT. But the g33(piezoelectric voltage constant) showed the maximum value of 32 mV?m/N at 65 wt% of PZT powder. The SPL (sound pressure level) of the speaker fabricated with the 65:35 composite film was about 68 dB at 1 kHz.

이차이온질량분석기를 이용한 PZT 박막의 특성에 관한 연구

심등 성균관대학교일반대학원 2012 국내석사

Lead zirconate titanate(PZT) films have been intensively investigated due to their potential applications in nonvolatile memories, optical device and piezoelectric device. In semiconductor technology, there are several problems about estimating the integration of PZT thin films need to be overcome. One of the key problems is to find a ferroelectric thin film fabrication method with excellent electrical properties. In PZT thin film research, usually XRD, SEM are used to observed the crystal structure and the morphology, AES, XPS were also used to observed the elements in PZT film. But the SIMS can give a real-time element distribution. As AES result in some peaks has duplication, SIMS can give a more accurate result than both AES and XPS. And we focus on the Pb element in all reaction conditions. It can give a relative quantitative of Pb element among all reaction conditions. In this thesis, the effects of the sputtering pressure, the gas ratio, the post-annealing temperature, post-annealing time, the configuration and the electronic characteristics are investigated. And the elements in each interlayer is investigated by SIMS method. In particular, the Pb element played an significant role in PZT thin film crystallization process and so that influenced the electrical characteristics of each films. Electrical characteristics of PZT thin film at 700℃ 3 min RTA conditions show Pr =21.6 μC/cm2, Ps = 44.3 μC/cm2, Ec= 110 kV/cm, J = 2.1×10-7 A/cm2. 압전재료는 휘발성 메모리, 광학기기로써 많이 연구된다. 압전 재료 중에서 중요한 것은 제일 좋은 압전성질 가지고 있는 PZT 박막 만드는 것이다. 페로브스카이트 구조의 PZT는 뛰어난 강유전특성과 높은 전기 기계적 결함계수, 열적 안정성 등으로 널리 상용되는 압전 물질이다. PZT는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 바꾸어 주는 압전 정효과를 이용하여 각종센서와 액추에이터, 트랜스듀서 등 다방면으로 사용되고 있다. 또한 초소형, 고성능화를 충족시킬 수 있는 최첨단 미세가공 기술이 MEMS 기술과 함께 마이크로 크기의 제작이 가능해진다. PZT 박막의 연구 중에서 많이 이용된 것은 X선 회절분석기(XRD), 주사형 전자현미경(SEM)등이다. X선 회절분석기를 이용하여 결정구조의 특성을 볼 수 있고, 주사형 전자현미경을 이용하여 표면구조의 특성을 볼 수 있다. 오제 전자 분광법(AES), X선 광전자분광법(XPS)은 PZT 박막 중에서 각각 원소의 비례관계 관찰하는 장비다. 그렇지만 오제 전자 분광법은 중첩 피크가 자주 생기고, X선 광전자분광법은 표면분석만 이용될 수 있는 장비다. 이차이온질량분석기(secondary ion mass spectroscopy, 약자는 SIMS) 장비는 감도가 오제 전자 분광법, X선 광전자분광법에 비교해보면 더 정확하고 X-선 광전자분광법보다 실시간 원소의 PZT 박막 중에 각각 원소 높이에 따라 비례관계를 볼 수 있는 장점이 있다. PZT 박막제조 할 때 다양한 방법이 적용되고 있으며 본 연구에 사용한 RF 마그네트론 스퍼터링법은 타겟에 영구자석이나 전자석을 이용하여 자장을 형성시키고 플라즈마를 타겟에 국한시켜 플라즈마 밀도를 높여서 방전전압이 낮아도 큰 전류를 얻을 수 있으므로 비교적 불순물이 적고 높은 에너지의 원자들이 기판에 증착되어 결성이 좋으며 증착조건의 조절이 용이하여 양질의 박막을 쉽게 제작할 수 있는 이점이 있다. PZT 박막을 RF 마그네트론 스퍼터링법으로 성장 할 경우 기판의 증착압력, 온도, 아르곤과 산소가스의 비율, 증착 시간, 기판과 타겟 간의 거리, 입력 파워 등 증착조건의 따라 박막의 특성이 크게 변화되며 후열처리 조건도 박막의 특성을 크게 좌우하는 것으로 보고되고 있다. 본 논문은 기존 실리콘 기판에 RF 마그네트론법으로 PZT 압전재료 증착하여 아르곤가스와 산소 가스의 가스비에 따라, 압력에 강하에 따라, 후열처리 온도와 시간에 따라 구조적과 전기적 특성 살펴보고, 그 다음에 이차이온질량분석기를 이용 각각 PZT 시편 내에 원소의 비례관계 측정 하고 Pb/Zr+Ti 원소 비례변화, Pt/Ti 원소가 서로 내부의 침투와 분포를 측정한다. 본 연구를 통하여 이차이온질량분석측정법으로 실리콘 기판 위에 PZT 증착하는 것을 측정할 수 있는 것을 확인하였으며 향후 지속적인 연구를 통하여 더욱 좋은 깊이 분포도(depth profile) 데이터를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

고성능 유연 비휘발 메모리구현을 위한 무기물 강유전체 커패시터

노종현 성균관대학교 일반대학원 2011 국내석사

본 연구에서는 건식 전사공정을 이용하여 플라스틱 기판 상에 PZT커패시터와 강유전체 메모리를 제작하고, 전기적 특성을 측정하였다. PZT커패시터의 상부전극으로 Pt(100㎚), 하부전극으로 Pt/Ti(80㎚/20㎚)를 사용하였다. 강유전재료인 PZT는 졸-겔 법을 이용하여 360㎚의 두께로 형성되었다. PZT박막은 Ti와 Zr의 비율이 7:3으로 우수한 분극 특성을 나타낼 수 있게 하였다. 분극 특성을 향상시키기 위해 650℃에서 30분간 열처리를 실시하였고, 포토리소그래피와 ICP-RIE를 이용한 건식 식각 공정을 통하여 PZT커패시터 패턴을 형성하였다. a-Si과 SiO2의 식각 선택비를 이용하여 희생층인 a-Si을 제거하고, PDMS스탬프와 열박리 테이프를 이용하여 플라스틱 기판으로 전사하였다. 플라스틱 기판은 하부전극 형성을 위해 Au/Cr이 증착되었다. 기판이 휘어질 때 발생하는 변형과, 기판으로부터의 박리를 방지하기 위한 보호층(SU-8)을 코팅하였고, 마지막으로 측정을 위한 전극이 형성되었다. 전사된 소자는 커패시턴스와 분극 이력곡선을 측정하였고, 기판이 휘어진 상태에서 분극 이력곡선을 측정하였다. 유사한 공정을 이용하여 강유전체 메모리를 제작하였다. PZT커패시터의 하부전극을 절연성인 Al2O3로 대체하고, 희생층 에칭을 통하여 기판으로부터 분리할 수 있게 하였다. PDMS 스탬프와 SU-8 접착층을 이용하여 플라스틱 기판위로 먼저 전사된 단결정 실리콘위로 전사되었다. 마지막으로 SU-8보호층을 코팅하고 소스와 드레인, 게이트 전극을 형성하였다. 소자들의 전기적 특성을 측정한 결과, 전사공정 후 7%의 커패시턴스 감소, 166%의 ΔV값의 증가가 있었다. 전사 과정 중 커패시턴스를 측정해 봄으로써 식각공정에서 소자 성능변화가 발생함을 확인할 수 있었다. ±2, 3, 4, 5V의 범위에서 분극 이력곡선을 측정한 결과 ±3V에서 약 1.2V의 항전계 전압과 약 17μC/㎠의 잔류 분극값을 보여주었다. 이는 전사 후에도 전사되기 이전의 소자특성을 잘 유지하고 있음 의미한다. 소자의 굽힘성은 곡률 반경 8㎜까지 굽히면서 분극 이력곡선을 측정함으로써 평가되었다. ±3V의 측정 조건에서 소자의 굽힘성을 측정한 결과 20% 이내의 잔류 분극값 변화를 보여주었다. 곡률 반경 8㎜에서 PZT에 가해지는 변형률은 이론적으로 계산했을 때 0.11%로써 0.12%의 이론적 파괴변형률 보다 낮으며, 이로 인하여 안정적으로 작동할 수 있었던 것으로 생각된다. 강유전체 메모리측정결과 게이트전압의 변화 방향에 따라 약 10V의 문턱전압의 차이를 보여주었다. ±10V의 게이트 전압 인가 후 채널 영역 저항은 약 7배 정도의 변화를 보였다. 본 연구에서 제작된 소자는 전사공정 이전에 재료가 가지고 있는 물성을 잘 유지하고 있음을 보여주었고, 기판이 휘어진 상태에서도 안정적으로 작동함을 확인하였다. 따라서 고성능의 유연 비휘발성 메모리에 적용이 가능할 것으로 생각된다. 또한 전사공정의 반복을 통하여 다층으로 구성된 소자구현이 가능하므로 소자의 집적화에 있어서도 장점을 가질 것으로 생각한다. 또한 강유전체 메모리를 제작하여 측정한 결과 트랜지스터형 강유전체 메모리의 가능성을 확인하였다. This letter reports the fabrication of PbZrxTi1−xO3(PZT) thin-film capacitors on flexible plastic substrates. The PZT film was formed on a wafer using a sol–gel method and transferred to a thin plastic substrate using an elastomeric stamp. The PZT film on the plastic substrate showed a well-saturated hysteresis loop with a Pr of ∼17 μC/cm2 and a Vc of ∼1.2 V at a supplied voltage of 3 V, which are similar to those observed for PZT films on rigid wafers, as well as stable operation under an 8㎜ bending radius. These characteristics suggest promising applications in flexible electronic systems.

압전소자와 광섬유를 이용한 손상 검출에 관한 연구

황승호 전북대학교 대학원 2009 국내석사

Piezoceramic (PZT) sensors offer special opportunities for the health monitoring of structures. This paper presents work done on developing and utilizing PZT sensors and optical fiber to detect the locations of cracks occurred in beam structures. Beams are a common form in Beam structures, and therefore the real-time condition monitoring and active control of beams will improve the reliability and safety of many structures. The PZT sensors are conducted particularly to generate the longitudinal wave along the beam specimen, and systematic experiments conducted on statistical samples of incrementally damaged specimens were used to fully understand the method, the cracks with different depth and location are simulated to indicate the feasibility of the detection and assessment. This paper presents a damage assessment method using guided lamb wave. The guided wave is introduced to accurately localize damages. The improved method provides possibility for more accurately identifying and localization damages compared to that conventional method(Impedance method). A powerful wavelet transform was used to extract the signals efficiently. Additionally, using the arbitrary function generator to excite the PZT patches to generate the guided wave, the guided wave propagates along with the beam structures with PZT patches bonded, and the real-time signals are recorded. Damages are indicated by a change of response signals when compared with a template undamaged condition. The wave attenuation and mode conversion is sufficient to detect various types of defects. The results show considerable ability for identifying and localization of the simulated damages. This paper presents applications of the wavelet transform to reduce the noise signal of the output signal. Also, we developed the methods to detect damages using the method of guided lamb wave detection by PZT sensors and the optical fiber. The transmitted guided lamb wave by PZT sensors propagated through the optical fiber, and the output signal was received by PZT sensors bonded to the aluminum beam. The output signal changed with respect to aluminum specimen condition. This paper presented the characteristics of the optical fiber experimentally. We applied the optical fiber as a medium because the PZT sensor is brittle at common environment and weak at high temperatures, and also the signal can’t be transmitted in fluid. And this paper presents the detection methods of various damage patterns due to the fracture and fatigue in the structures. The various damage patterns are cracks, loosen bolts, holes, etc. These damages are occurred in real structures usually.

PZT계 압전 세라믹스의 저온소성 및 적층형 Actuator에 관한 연구

정연학 蔚山大學校 大學院 2004 국내박사

최근 액츄에이터와 변압기를 중심으로 적층형 압전부품의 응용이 확대되고 있다. 이와 같은 적층형 압전부품에 있어서 PZT계 세라믹스의 저온소성화는 경제적인 면과 환경적인 면에서 매우 중요하다. 적층체의 내부전극으로 Ag-Pd 합금을 사용하고 있으며, 소결온도가 증가할수록 PZT계 세라믹스의 PbO 휘발로 인한 환경오염이 증가할 뿐만 아니라 고온 안정성이 우수한 Pd의 함량이 증가하여 제품 원가가 높아지는 문제점을 가지고 있기 때문이다. 본 연구에서는 액츄에이터용 압전소재로 유망한 PNN-PZT계와 PMN-PZT계 세라믹스의 저온소성화를 위하여 소성거동에 미치는 하소방법과 불순물 첨가효과를 살펴보았다. PNN-PZT계에서는 Y_(2)O_(3)의 첨가효과를 PMN-PZT계에서는 Li_(2)O의 첨가효과를 중점적으로 살펴보았다. 상기 PZT계 세라믹스의 경우 종래의 일반 하소방법 보다 columbite precursor 방법으로 제조된 분말이 더 미세한 입도를 나타내었다. 또한 일반 하소방법으로 제조한 분말에서는 제 2상인 pyrochlore 상이 관찰되었으나, columbite precursor 방법으로 제조한 분말에서는 pyrochlore 상이 관찰되지 않았다. 이러한 차이점으로 인하여 columbite precursor 방법으로 제조한 분말은 일반 하소방법으로 제조한 분말보다 100~200℃ 정도 저온 소성이 가능하며, 압전특성 또한 보다 우수한 결과를 나타내었다. Y가 치환되지 않은 0.15PNN-0.85PZT 세라믹스의 적정 소결온도는 1100℃ 이상이었으며, 그 때의 밀도 및 수축률은 7.47g/㎥, 16.1%이었고, 전기기계결합계수(k_(p))는 56.9%이었으며, 압전상수(d_(33))는 338pC/N이었다. 그러나 Y가 Pb 이온 자리에 치환해 들어감에 따라 압전특성과 소결성이 향상되었으며, Y 치환량이 0.005일 때 가장 우수한 결과를 나타내었다. 1000℃에서 소결한 시편의 밀도와 수축률은 각각 7.38g/㎥과 14.36%이었고, 전기기계결합계수(k_(p)) 및 압전상수(d_(33))는 각각 53.16%와 395pC/N이었다. 0.2Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-0.8Pb(Zr_(00.475)Ti_(0.525))O_(3) 세라믹스의 경우 1100℃ 이상의 소결온도에서 치밀한 미세구조를 얻을 수 있었으며, 이 때 밀도와 수축률은 각각 7.66g/cm^(3)과 16.11%이었고, 전기기계결합계수(k_(p)) 및 압전상수(d_(33))는 각각 56.51%와 406pC/N이었다. 그러나 Li_(2)O를 첨가함에 따라 소결성과 압전특성이 향상되었으며 도핑농도가 0.1wt%일 때 가장 우수한 결과를 나타내었다. 0.1wt% Li_(2)O를 도핑하여 950℃에서 소결한 PMN-PZT 세라믹스의 밀도 및 수축률은 7.84g/㎥, 16.61%이었고, 전기기계결합계수(k_(p))는 63.7%이었으며, 압전상수(d_(33))는 565pC/N이었다. 본 연구에서는 상기 두가지 perovskite 물질의 경우 Y이나 Li의 첨가량이 증가함에 따라 모재인 PZT계 세라믹스의 능면정-정방정 상전이가 일어나는 현상을 발견하였다. 본 연구에서는 이러한 흥미로운 현상을 IIPT(Impurity Induced Phase Transformation)이라고 명명하였다. 특히 능면정과 정방정이 공존하는 상경계 불순물 농도일때 압전특성이 가장 우수함을 발견하였다. 이러한 IIPT 현상은 PNN-PZT계의 경우 Y외에도 Mo, Ga, Cu 등을 첨가한 경우에도 발견되었다. 본 연구에서는 고전열역학적 이론에 바탕을 두고 IIPT 현상을 정성적으로 해석하고자 시도하였다. PZ-PT 2성분계의 MPB 영역을 고찰한 다음 불순물 도핑에 의한 상경계가 이동함으로써 IIPT 현상을 설명하였다. 본 연구에서는 PMN-PZT계 압전세라믹스의 실용가능성을 확인하기 위하여 1층의 두께가 100㎛인 10X10X21(mm)(200층)의 적층형 압전 액츄에이터를 tape casting과 slurry bonding 방법으로 제작하였다. 높은 밀도, 구조적 매칭, 비슷한 수축율로 인한 기계적 특성의 개선 등의 일련의 기술적인 해결을 통하여 변위 특성이 12㎛인 압전 액츄에이터를 제작하였다. 제조된 액츄에이터를 반복 전계시험을 통하여 8.7×10^(7) cycle이 지난 후에도 P-E hysteresis loop가 거의 변하지 않아 전기적 내열화 특성이 우수함을 확인하였다. 또한 양극성이나 단극성 전계를 인가하더라도 10^(8)~10^(9) cycle까지 안정된 결과를 얻어서 실용성이 높음을 확인하였다. Recently an application of multilayer piezoelectric devices is rapidly growing, including actuators and transformers. For such applications, low temperature sintering of PZT-based ceramics is very important in considering both aspects of fabrication costs and environment. In other words, Ag-Pd alloy is used for an internal electrode, and the more sintering temperature rise by that, the more not only environmental pollution becomes significant by volatilization of PZT-based ceramics, but also cost of product is increased by a rise of Pd content that high temperature stability is excellent. This study described the investigation on the low-temperature sintering processes of PNN-PZT and PMN-PZT based piezoelectric ceramics, which is regarded as piezoelectric actuator material, putting on an emphasis of pre-calcinations effect and impurity effect on the sintering behaviors. The effect of Y_(2)O_(3) and Li_(2)O additions to the PNN-PZT and PMN-PZT ceramics, respectively, have been intensively investigated, and their results are as follows. Firstly, it was shown that a two-stage-calcination-process provides finer particles over the conventional one-stage-calcination-process. The pyrochlore phase, well-known as the second phase, is observed in the latter, while it is not observed in the former. The ceramics fabricated by the former process has shown to be sinterable at lower temperatures, down to 100~200℃, than those obtained by the latter process. The piezoelectric characteristics are more excellent in the former case than in the latter case. The optimun sintering temperature of 0.15PNN-0.85PZT ceramics is above 1,100℃, density and shrinkage are 7.47g/cm㎥ and 16.1% respectively, electromechanical coupling factor(k_(p)) is 56.9%, and piezoelectric constant(d_(33)) is 338pC/N. The piezoelectric characteristic and sinterability are improved by partial substitution of Pb_(2)^(+) ion with Y_(3)^(+). Particularly, when the replacement amount is 0.005, the characteristics are excellent over all cases investigated in the present study. The density and shrinkage, for 1,000℃ sintered ceramics, are 7.66g/㎥ and 16.11% respectively, and electromechanical coupling factor(k_(p)) and piezoelectric constant (d_(33)) are 56.51% and 406pC/N, respectively. Secondly, it was shown that ceramics of 0.2Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-0.8Pb(Zr_(00.475)Ti_(0.525))O_(3) have a dense microstructure upon sintering at temperatures above 1,100℃. The electromechanical coupling factor(k_(p)) and piezoelectric constant(d_(33)) were observed to be 7.39g/㎥, 47.36% and 264pC/N, respectively. Sinterability and piezoelectric properties, however, are improved by adding Li_(2)O. Particularly, at doping of 0.1wt.% Li_(2)O, its property is excellent. The density, shrinkage, electromechanical coupling factor(k_(p)) and piezoelectric constant of 0.1wt% Li_(2)O-doped PMN-PZT ceramics, which was sintered at 950℃, are 7.84g/㎥, 16.61%, 63.7% and 565pC/N respectively. It was found in the present study that an orthorhombic to tetragonal phase transition occurs in PZT-based ceramics, when the doping concentration of Y or Li increases. Such phenomena found in the present study was named as "Impurity Induced Phase Transformation" (hereafter IIPT). Particularly, if the composition of PZT-based ceramics lies near the morphotropic phase boundary in ternary phase diagram. It was further found that the similar IIPT also occurs in Mo, Ga or Cu doped PNN-PZT ceramic. In order to explain the IIPT phenomena, the IIPT development was interpreted with a concept based on the theory of classical thermodynamics. Lastly, a 10X10X21(mm)(200 layer) layered piezoelectric actuator, with thickness of one layer is 100㎛, was fabricated by tape casting and slurry bonding to confirm applicability of PMN-PZT system piezoelectric ceramics to actuators. The displacement characteristic is 12㎛, when the improved fabrication process was employed by introducing structural- and contraction rate-matching between the piezoelectric ceramics and electrode metal. According to the result of repeated electric field test, the actuator fabricated in the present study exhibited an excellent electric heat resistant performance. The P-E hysteresis loop shows negligible change in characteristics after 8.7×10^(7) cycling. The use of actuator was proven to be possible over considerable life time by showing the stabilization of the piezoelectric performance even after 10^(8) to 10^(9) cycling, when bipolar and unipolar electric fields were employed. Multilayer ceramic actuators with 200 layers of a 100㎛ thick ceramic sheet were fabricated using PMN-PZT ceramics. The maximum strain under an electric field of 2kV/mm and displacement under 100V dc bias were 5.6×10^(-3) and 12㎛, respectively. It can be concluded that 0.2Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-0.8Pb(Zr_(00.475)Ti_(0.525))O_(3) ceramics are useful as cost-effective piezoelectric actuator materials, and also matched well with Ag-based electrodes containing less amount of Pd.

PZT 나노입자의 요변성을 이용한 박막제조

주현규 경남대학교 대학원 2006 국내석사

요변성(Thixotropy)을 이용한 Spin coating 법을 통해 강유전성, 초전성, 압전성 등이 우수한 Pb(Zr, Ti)O3 의 조성을 가지는 PZT 박막을 실리콘 웨이퍼 기판위에 제조하였다. 요변성의 적용 가능성 평가를 위하여 먼저 Titanium dioxide - water 현탁계의 분산안정성 및 pH 변화에 따른 레올로지를 연구하고 Thixotropy 현상에 의한 spin coating 법을 증명하였다. 평균입경이 3㎛인 PZT분말을 나노크기의 sol 제조를 위해 먼저 PZT입자의 분산 안정성을 확보한 후 습식 마찰분쇄하여 80nm 이하의 초미립 PZT sol을 제조하였다. 제조되어진 나노입자의 PZT sol을 메탄올 용매내에서 농도(입자의 개수)에 따른 점도변화를 측정한 후, shear rate 의 변화에 따른 Thixotropy 현상을 관찰하였다. shear rate 의 증가에 따른 점도의 변화는 농도(입자의 개수) 에 따라 상이한 차이를 나타내었으며 Thixotropy 현상이 가장 활발한 10wt%(N=5.36×1014/L)에서 spin coating을 실시하였다. 스핀코팅을 실시하기전 10wt%(N=5.36×1014/L) sol 의 실리콘 웨이퍼와의 표면접촉각을 측정하였으며 500℃의 pre-heating을 통해 SiO2 산화막을 형성시킨 실리콘웨이퍼와 표면에 Pt를 증착한 실리콘웨이퍼와의 표면접촉각을 비교하였다. spin coating은 Pt 코팅을 한 실리콘웨이퍼에 2000rpm에서 10초간 코팅했을 때 가장 치밀한 미세구조의 박막이 제조되었으며 이러한 조건에서 제조되어진 막은 1.5℃/min 의 승온속도로 650℃에서 1시간 동안 열처리 하였을 때, 1㎛ 두께의 치밀한 미세구조를 갖는 PZT 박막을 제조할 수 있었다. Ceramic components are usually formed using a powder route. Among the various powder processing techniques, colloidal processing techniques are well accepted as good methods to form dense and homogeneous compacts of high reliability. It is noted that in colloidal processing, the stability of the colloid is one of the most essential factors in the process. A stable colloid with well-dispersed powder particles will provide a dense and homogeneous powder compact upon subsequent consolidation processes such as electrophoretic deposition and tape casting. An unstable colloid will result in agglomeration of particles, which drives the inhomogeneous packing of particles. Sintering with this undesirable packing leades to defects in the final product .In the present work, the colloidal stability of PZT ceramic powder was investigated. PZT is one of the most established and widely used functional ceramics in many advanced applications. With powder suspensions of good colloid stability, high-quality PZT compacts or films can be produced with high reliability for applications such as ferroelectric devices. An important parameter that relates to colloid stability is the zeta potential, which is a measure of the dispersion stability via the interaction strength of the colloid particles. It provides information on the agglomeration of the particles in the suspension. The zeta potential can also be related to viscosity of the suspension. A thixotropy behavior of PZT colloid sol is chosen to prepare a self assembled microstructure during spin coating. The PZT colloid sol was studied to investigate rheological properties. The thixotropy behavior in the PZT colloid sol was examined with different powder concentrations from 1wt% to 12wt% at isoelectric point. The spin coating was conducted by variation of a spinning rate from 1000 to 3000 rpm for 20 seconds of deposition time. The sintered film with dense and homogeneous microstructure was prepared at 650℃.