(Bi0.5Na0.5)TiO3-BaTiO3 무연계 세라믹의 압전특성

국문 초록 (Abstract)

압전 부품에 많이 사용되고 있는 PZT계 압전 세라믹은 유해물질인 납을 60% 이상 포함하고 있어 친환경 무연 압전 소재 개발이 요구되고 있다. 주로 연구되고 있는 무연 압전 세라믹 재료는 압전 단결정계, Tungsten Bronze계, Bi-Layer, KNN계, 페로브스카이트계 등의 5가지 정도로 구분할 수 있다. 그 중에서도 비스무스계에 대한 연구를 중심으로 활발히 진행되었다. PZT계 대체 조성중의 하나인 (Bi0.5Na0.5)TiO3(BNT)계 소재는 상온에서 강한 강유전 특성을 나타내지만, 비교적 큰 잔류분극(remanent polarization, Pr=38μC/cm2)과 항전계(coercive field, Ec=73kV/cm)을 가지고 있다.1) 순수한 (Bi0.5Na0.5)TiO3는 높은 항전계와 낮은 절연파괴전압(breakdown voltage)을 가지고 있어 분극(poling)이 어렵다. 그래서 BaTiO3, CeO2 등을 첨가 및 치환시키는 화학적 개량으로 압전 특성을 향상시키는 연구가 활발히 수행되고 있다.
본 연구에서는 일반적인 세라믹 공정을 이용하여 (1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xBaTiO3 ((1-x)BNT-xBT) (x=0.03, 0.06, 0.08, 0.12, 0.15, 0.2, 0.3, 0.4) 세라믹을 제작하였다. 그리고 세라믹의 결정구조, 유전특성 및 압전특성을 관찰하였다. BNT-BT의 밀도와 미세구조는 BaTiO3의 양이 증가할수록 감소하였다. BNT-BT의 결정구조는 BaTiO3의 양이 증가함에 따라 능면정상에서 정방정상으로 변화하였다. kt와 d33는 x=0.12일 때, 27.1%와 131pC/N을 나타내었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Pb(Zr,Ti)O3 ceramics have been widely used as sensors, actuators, filter, resonator and other piezoelectric devices because of outstanding piezoelectric and dielectric properties. However, they contain 60 weight percent PbO and it raises the environmental problems.
Lead-free piezoelectric ceramic materials are mainly investigated the piezoelectric single crystal system, Tunsten Bronze system, Bi-Layer, KNN system, Perovskite system. Bismuth inter alia for the systems have been extensively conducted research focusing on.
(Bi0.5Na0.5)TiO3 has relatively large remenant polarization(Pr=38μC/cm2) and large coercive field.(Ec=73kV/cm). But because of its large coercive field and relatively high conductivity, pure (Bi0.5Na0.5)TiO3 is difficult to poling and its piezoelectric properties are not desirable. Therefore, (Bi0.5Na0.5)TiO3-based solid solutions were studied to improve piezoelectric properties BaTiO3, CeO2, and the addition and substitution by a chemical addition.
In this study, using conventional ceramic process (1-x)(Bi0.5Na0.5)TiO3-xBaTiO3((1-x)BNT-xBT)(x=0.03, 0.06, 0.08, 0.12, 0.15, 0.2, 0.3, 0.4) ceramics were fabricated. And we have investigated the crystalline structure, dielectric and piezoelectric properties of ceramics. The density and microstructure of the BNT-BT ceramics is decreased with increasing BaTiO3 concentration. The crystalline structure of BNT-BT changed from rhombohedral to tetragonal with increasing BaTiO3 concentration. The kt and d33 showed their maximum at x=0.12 with 27.1% and 131pC/N.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 이론적 배경 3
• 2-1. 압전 세라믹스 3
• 2-2. 무연계 압전 세라믹스 9
• 2-3. 압전 세라믹스의 상경계(MPB) 11
• 제 3 장 실험 방법 13
• 3-1. 분말 및 시편 제조 13
• 3-2. 측정방법 15
• 제 4 장 결과 및 고찰 17
• 4-1. XRD 분석 17
• 4-2. 소결밀도 및 미세구조 관찰 20
• 4-3. 유전 및 압전 특성 평가 24
• 4-3-1. 유전 특성 평가 24
• 4-3-2. 압전 특성 평가 29
• 4-3-3. 분극 이력곡선 및 변위 곡선 35
• 제 5 장 결론 44
• 참고 문헌 46