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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 천채일
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 호서대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수7
초록· 키워드
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압전 재료(Piezoelectrics)는 기계적인 응력이 표면에 가해지면 전압이 발생하고, 전기장을 인가하면 변위를 발생시키는 재료이다. 이러한 성질을 이용하여 전압 발생기, 초음파 발생기, 의료기기용 소자, 압전 모터, 정밀계측 등 여러 산업 분야에 다양하게 응용되고 있다. Pb(Zr,Ti)O3(PZT)계 세라믹스는 우수한 압전 특성으로 인해 가장 많이 사용되고 있다. 하지만 납의 독성으로 인한 환경 문제로 세계적인 규제를 받고 있다.
이러한 PZT를 친환경 소재로 대체하기 위해 BiFeO3-BaTiO3 세라믹스 등의 무연 압전 세라믹스들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 BiFeO3-BaTiO3는 높은 상전이 온도와 양호한 압전 특성을 갖고 있어 고온용 압전 소자로의 응용에 매력적인 물질이다.
BiFeO3-BaTiO3 (BF-BT) 세라믹스는 능면체 (Rhombohedral) 구조에서 의사입방체 (Pseudo-Cubic) 구조 또는 정방정체(Tetragonal) 로의 상전이가 이루어 지는 상 경계인 MPB (Morphotropic Phase Boundary)(∼0.3BT) 근처의 조성 영역에서 우수한 강유전성과 압전 특성을 갖는 것으로 알려져 있다.[1-3] MPB 영역에서의 상전이는 문헌마다 주장하는 바가 다르며, 아직 명확하게 알려져 있지 않다. BF-BT는 400℃이상의 온도까지 압전특성이 유지된다고 보고되어 왔으며,[1-5] 이러한 고온 안정성으로 인하여 자동차 엔진의 연료 분사기 같은 고온의 환경이 요구되는 응용 분야에서 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 기존에 보고된 문헌들의 최적의 압전특성을 보이는 하소 및 소결 온도가 일정하지 않으며, 하소나 소결 과정 중의 Bi의 휘발, 낮은 절연 저항 등의 문제를 가지고 있어 이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 연구가 필요하다.
강유전체(Ferroelectrics)는 외부의 전기장 없이도 스스로 분극을 가지는 재료로서 외부 전기장에 의해 분극의 방향이 바뀔 수 있는 물질이다. 이러한 성질을 이용하여 적층 세라믹 커패시터 (MLCC, Multi Layer Ceramic Capacitor), 메모리, 트랜지스터, 에너지 변환 소자 등 전자산업분야에서 광범위하게 사용되고 있다.
강유전체 또는 완화형 강유전체(relaxor ferroelectrics)에 전기장을 인가하면 전기 쌍극자의 배열에 의해 배열 엔트로피가 감소하여 단열조건 하에서는 온도가 증가하고 등온조건하에서는 열이 발생하는 현상이 일어난다. 전기장을 제거하면 반대의 현상이 발생하며 이러한 현상을 전기 열량 효과(Electro-Caloric Effect)라 한다.[6-9] 일부 강유전체나 반강유전체(Anti-Ferroelectrics)에서 드문 경우 음의 전기 열량 효과(Negative ECE)를 보이는 재료들이 존재하며,[10-13] 상 경계 영역 근처 조성을 가진 BF-BT 세라믹에서도 이러한 특성이 보고된 바 있다.[13]
본 연구에서는 상경계 근처 조성인 0.75BiFeO3-0.25BaTiO3 무연 압전 세라믹스의 하소 및 소결 조건의 변화에 따른 특성의 변화를 확인하였으며, 다양한 조성의 (1-x)BiFeO3-(x)BaTiO3(x=0.10~0.40) 세라믹스의 전기 열량 효과를 조사하였다.
이러한 PZT를 친환경 소재로 대체하기 위해 BiFeO3-BaTiO3 세라믹스 등의 무연 압전 세라믹스들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 BiFeO3-BaTiO3는 높은 상전이 온도와 양호한 압전 특성을 갖고 있어 고온용 압전 소자로의 응용에 매력적인 물질이다.
BiFeO3-BaTiO3 (BF-BT) 세라믹스는 능면체 (Rhombohedral) 구조에서 의사입방체 (Pseudo-Cubic) 구조 또는 정방정체(Tetragonal) 로의 상전이가 이루어 지는 상 경계인 MPB (Morphotropic Phase Boundary)(∼0.3BT) 근처의 조성 영역에서 우수한 강유전성과 압전 특성을 갖는 것으로 알려져 있다.[1-3] MPB 영역에서의 상전이는 문헌마다 주장하는 바가 다르며, 아직 명확하게 알려져 있지 않다. BF-BT는 400℃이상의 온도까지 압전특성이 유지된다고 보고되어 왔으며,[1-5] 이러한 고온 안정성으로 인하여 자동차 엔진의 연료 분사기 같은 고온의 환경이 요구되는 응용 분야에서 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 기존에 보고된 문헌들의 최적의 압전특성을 보이는 하소 및 소결 온도가 일정하지 않으며, 하소나 소결 과정 중의 Bi의 휘발, 낮은 절연 저항 등의 문제를 가지고 있어 이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 연구가 필요하다.
강유전체(Ferroelectrics)는 외부의 전기장 없이도 스스로 분극을 가지는 재료로서 외부 전기장에 의해 분극의 방향이 바뀔 수 있는 물질이다. 이러한 성질을 이용하여 적층 세라믹 커패시터 (MLCC, Multi Layer Ceramic Capacitor), 메모리, 트랜지스터, 에너지 변환 소자 등 전자산업분야에서 광범위하게 사용되고 있다.
강유전체 또는 완화형 강유전체(relaxor ferroelectrics)에 전기장을 인가하면 전기 쌍극자의 배열에 의해 배열 엔트로피가 감소하여 단열조건 하에서는 온도가 증가하고 등온조건하에서는 열이 발생하는 현상이 일어난다. 전기장을 제거하면 반대의 현상이 발생하며 이러한 현상을 전기 열량 효과(Electro-Caloric Effect)라 한다.[6-9] 일부 강유전체나 반강유전체(Anti-Ferroelectrics)에서 드문 경우 음의 전기 열량 효과(Negative ECE)를 보이는 재료들이 존재하며,[10-13] 상 경계 영역 근처 조성을 가진 BF-BT 세라믹에서도 이러한 특성이 보고된 바 있다.[13]
본 연구에서는 상경계 근처 조성인 0.75BiFeO3-0.25BaTiO3 무연 압전 세라믹스의 하소 및 소결 조건의 변화에 따른 특성의 변화를 확인하였으며, 다양한 조성의 (1-x)BiFeO3-(x)BaTiO3(x=0.10~0.40) 세라믹스의 전기 열량 효과를 조사하였다.
목차
- Ⅰ. 서 론 8Ⅱ. 문헌 조사 101. 압전 재료 및 강유전체 10가. 압전 재료 10나. 강유전체 122. BiFeO3-BaTiO3 세라믹스 163. 전기 열량 효과 22Ⅲ. 실험 방법 및 측정 271. 세라믹스의 제조 공정 272. 세라믹스의 물리적 성질 분석 31가. X-선 회절 분석 31나. 밀도 측정 32다. 미세구조 관찰 333. 세라믹스의 전기적 성질 분석 34가. 유전 특성 측정 34나. 강유전 특성 측정 35다. 압전 특성 측정 36라. 전기 열량 효가 측정 37Ⅳ. 결과 및 고찰 401. 하소 및 소결온도 변화에 따른 BiFeO3-BaTiO3 세라믹스의 특성 변화 40가. 물리적 성질 40나. 유전 및 압전 특성 552. BiFeO3-BaTiO3 세라믹스의 전기 열량 효과 58Ⅴ. 결 론 671. 하소 및 소결온도 변화에 따른 BiFeO3-BaTiO3 세라믹스의 특성 변화 672. BiFeO3-BaTiO3 세라믹스의 전기 열량 효과 69참고문헌 70영문초록 77
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