(Bi₁/₂Na₁/₂)TiO₃-SrTiO₃ 세라믹스의 저온 소결 및 압전 특성과 전기열량효과 :Low-temperature Sintering of (Bi₁/₂Na₁/₂)TiO₃-SrTiO₃ Ceramics and Their Piezoelectric Properties and Electro-caloric effect

권현희

자료유형: 학위논문

저자정보: 권현희 (호서대학교, 호서대학교 대학원)

지도교수: 천채일

발행연도: 2023

저작권: 호서대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수15

초록· 키워드

압전 재료는 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 정압전효과(Piezoelectric effect), 혹은 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 역압전 효과(Inverse piezoelectric effect)를 나타내는 재료로, 위와 같은 효과를 활용해 액추에이터, 센서, 햅틱, 스피커, 초음파 진동자 등 다양한 응용 분야에서 활용되는 재료이다.
Micro Electro Mechanical System (MEMs) 기술의 발전으로 인해 압전 재료는 마이크로미터 크기의 액추에이터 혹은 센서로 활용 가능하여 의료를 비롯한 미세한 작업이 요구되는 분야에서 큰 성장 잠재력을 가지고 있다. 또한, 강유전체의 전기열량효과(Electrocaloric effect, ECE)는 MEMs 처럼 미세한 크기의 소자에서 발생하는 열을 조절하기 위한 소형 냉각 장치 등의 활용이 기대되고 있다. 전기열량효과(Electrocaloric effect, ECE)란 강유전체에서 전기를 인가하거나 제거하였을 때 강유전체 내부의 전기 쌍극자의 배열 엔트로피가 변화하여 이로 인해 재료의 온도가 변화하는 효과인데, 증기 압축 방식의 냉각 장치와 달리 부품의 소형화가 가능하며 높은 효율을 얻을 수 있다. 이처럼 다양한 활용처로 인해 압전 세라믹스 분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나 현재 산업 분야에서 대표적으로 활용되는 Pb(Zr0.53Ti0.47)O3 (PZT)계 압전 재료는 60% 이상의 납(Pb)을 함유하고 있고 재료의 제조 및 폐기 과정에서 인체로의 유입이나 환경오염이 발생할 수 있다는 큰 문제를 가지고 있다. 더욱이 RoHS, WEEE 등의 환경 문제에 따른 규제가 심화 되고 있어 납을 포함하지 않는 무연 압전 세라믹스에 대한 연구의 필요성이 요구되고 있다. 이에 (Bi1/2,Na1/2)TiO3 (BNT)계 재료에 SrTiO3 (ST)를 첨가한 BNT-ST 세라믹스는 기존에 사용되던 PZT계 재료의 변형(Strain) 특성과 유사한 거대 변형 특성을 보이고 있어 액추에이터 분야에서 PZT계 재료를 대체할 수 있을 것으로 기대되는 유망한 재료이다.
한편 압전 액추에이터는 구동 전압을 낮추고 생산성을 확보하기 위해 얇은 압전 세라믹을 여러 층 쌓아 만드는 다층 세라믹 액추에이터(Multilayer Ceramic Actuators, MLCAs)의 형태가 많이 활용되고 있다. 다층 세라믹 구조는 전기열량효과를 활용한 고상 냉각 장치에 있어서도 박막의 특성상 고전압을 인가할 수 있고, 작은 부피로 인한 작은 열용량을 보완할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그런데 MLCAs는 제조 공정에서 세라믹층과 내부의 전극 층이 동시에 소결되어야 하므로, 내부 전극으로 사용할 소재는 세라믹의 소결 온도에서도 견딜 수 있는 높은 녹는점을 가져야 한다. 이를 만족하는 전극 재료로는 Ag-Pd 합금 혹은 Pt 등이 있는데, 이는 귀금속 및 희소금속으로 고가로 대량생산에 적용하기에는 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 소결조제를 사용하여 세라믹 소재의 소결 온도를 낮추어 더 값싼 가격대의 전극을 사용할 수 있도록 하는 방법이 제안되고 있다[46].
따라서 본 연구에서는 높은 변형 특성을 나타내는 BNT-ST 세라믹스를 이용하여, 저융점의 금속 전극을 활용할 수 있는 저온 소결을 목표로 연구하였다. CuO와 Na2CO3를 소결조제로 첨가량과 조성에 따른 치밀화 거동 및 미세조직의 변화를 관찰하였고, 소결조건에 따른 유전 및 압전 특성을 관찰하고 전기열량 효과에 대해 연구하였다.

(Bi1/2,Na1/2)TiO3-SrTiO3 (BNT-ST) ceramic is well known for its relaxor ferroelectric property with large strains due to electric-field induced phase transition (EFIPT). In the undoped 0.75(Bi1/2,Na1/2)TiO3-0.25SrTiO3 (BNT-25ST) ceramics sintered at around 1,200℃ large electro-calortic effect (ECE) has been found in recent years. The low temperature sintered BNT-25ST ceramics at ≤ 1,000℃ by using sintering agents show the good ECE properties which are required for manufacturing multi-layered devices.
In this study BNT-25ST ceramics were prepared by a conventional solid-state ceramic process. Several additives such as CuO and Na2CO3 were added to reduce the sintering temperature of the samples. The effect of additives on the densification behaviors and microstructural development were investigated Crystal structures and Microstructures were analyzed using X-ray diffraction and scanning electron microscope(SEM), respectively. The measured apparent density of the sintered samples were in the range of 5.49 ∼ 5.51 g/cm3. Pseudo-cubic perovskite phase was observed without any second phase in all the samples sintered at 1000℃. The addition of Na2CO3 additive reduced the grain size of the sintered samples to 1 ∼ 3 μm. The frequency dependent dielectric permittivity and dielectric loss was reduced by Na2CO3 doping. The temperature dependent dielectric permittivity was measured to investigate the phase transition behavior. Bipolar and unipolar strain-electric field (S-E) hysteresis curves were measured at room temperature using linear variable differential transformer(LVDT). Both the undoped and 1 mol% CuO-doped samples showed relaxor-like S-E curves. Contrarily, Na2CO3-doped sample shows typical ferroelectric S-E curves. The co-doped samples with Na2CO3 and CuO show intermediate S-E curves. Polarization-electric field (P-E) hysteresis curves were measured at temperatures of RT ∼ 180℃. In room temperature(RT), Undopd and CuO-doped sample was show relaxor-like P-E curve but Na2CO3-doped sample shows ferroelectric P-E curves. The ECE can be evaluated by measuring the electrocaloric temperature change (ΔT).
The adiabatic temperature changes owing to ECE were calculated indirectly by using the temperature dependence of polarization and Maxwell relation. The 0.5 mol% Na2CO3 added sample showed the increase in polarization at high temperature(under the applied electric field of 80kv/cm) and hence a negative electric calorific effect of -1.93K at 65℃. The co-doped samples (1 mol% CuO + 0.5 mol% Na2CO3) showed high negative electric calorific effect of -2.86K at 48℃ under the applied electric field of 80 kv/cm.

#무연압전세라믹스 #압전 #BNT-ST #역압전효과

Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 문헌 조사 4
1. 압전 세라믹스 4
가. 압전 세라믹스 개요 4
나. 강유전 특성 및 페로브스카이트 구조 5
다. 강유전체의 변형 특성 12
라. 완화형 강유전체 및 초기 압전 효과 15
2. 무연 압전 재료 19
가. 무연 압전 재료 개요 19
나. 비스무스계 압전 재료 20
3. 압전 세라믹스의 전기열량효과 22
Ⅲ. 실험 방법 및 측정 26
1. BNT-ST 무연 압전 세라믹스 26
가. BNT-ST 세라믹스의 제조 공정 26
나. BNT-ST 세라믹스의 특성 측정 30
1) 물리적 특성 30
2) 전기적 특성 31
3) 간접법을 통한 전기열량효과 측정 35
Ⅳ. 결과 및 고찰 37
1. 저온 소결한 (Bi1/2,Na1/2)TiO3-SrTiO3의 특성 37
가. 저온 소결한 BNT-ST의 물리적 특성 37
나. 저온 소결한 BNT-ST의 유전 및 압전 특성 45
다. 저온 소결한 BNT-ST의 전기열량효과 59
Ⅴ. 결 론 65
참고문헌 68
영문초록 74

최근 본 자료

전체보기

구분	그룹	데이터 항목
AI 학습용 데이터	원문	원문 PDF 파일
AI 학습용 데이터	원문 + 메타 (기본/상세)	원문 PDF 파일 및 서지정보 CSV
대량 구매용 데이터	B2B 구독 방식	특정 자료 한정으로 원문 접근 권한 부여
대량 구매용 데이터	URL 전달 방식	바로 PDF 뷰어를 열람할 수 있는 URL 제공

구분	그룹	데이터 항목
AI 학습용 데이터	기본 메타	발행기관명, 간행물명, 권호명, 권(vol), 호(issue), 통권, 발행연도, 발행월, 논문명, 저자명, 시작페이지, 종료페이지, 전체페이지, 상세페이지URL
상세 메타 데이터	발행기관 메타	발행기관 이명, 영문명, 창립연도, 홈페이지URL, 발행기관 소개
	간행물 메타	부제목, 간행물 유형, ISSN, ISBN, 최초발행연도, 폐간연도, 간행빈도, 발행주기, 등재사항, 이용수, 피인용수, 권호수, 논문수, 표지이미지
	논문 메타	작성 언어, 부제목, 대등제목, 목차, 키워드, 초록, 이미지, 참고문헌, 이용수, 피인용수, 논문활용도, DBpia통합주제분류, KDC분류, DDC분류, 한국연구재단분류, UCI, DOI
	저자 메타	소속기관, 소속부서, 직급, 연구분야, 연구키워드, 이용수, 피인용수, 저자 논문활용도

구분	그룹	데이터 항목
※ 결합형/맞춤형 메타 데이터는 신청 내용에 따라 다양하게 제공 가능
이용순위 정보	주제분야별 많이 이용된 논문	“인문학”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	이용기관별 많이 이용된 논문	“중고등학교”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	세부기관별 많이 이용된 논문	“서울대학교”에서 많이 이용된 논문 TOP100
	키워드별 많이 이용된 논문	“Chat GPT”에서 많이 이용된 논문 TOP100
키워드 정보	많이 이용된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 이용된 키워드
	많이 발행된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 발행된 키워드
	많이 검색된 키워드	특정기간/분야/저널 내 많이 검색된 키워드
	연구 트렌드 키워드	특정 키워드 연관 연구동향 분석 데이터 키워드

논문 기본 정보

초록· 키워드

목차

최근 본 자료

댓글(0)