인접 조성 혼합에 의한 (Bi1/2Na1/2)TiO3-SrTiO3 강유전성 세라믹스의 유전 및 압전 특성 개선 연구

Abstract

압전 세라믹스는 다양한 산업 분야에서 센서와 엑추에이터로 널리 사용되고 있는 소재이다. 현재 주로 사용되고 있는 압전 소재는 납이 주성분인 PZT계 세라믹스로 뛰어난 압전 특성을 가지고 있다. 그러나 인체 및 환경에 유해하여 사용 규제되고 있는 납을 함유하고 있어서 이를 대체하기 위한 다양한 연구가 진행되어왔다. 무연 압전 세라믹스 중 하나인 Bi1/2Na1/2TiO3(BNT)기반의 압전 세라믹스는 초기압전효과로 인해 외부 전기장을 인가하면 높은 전계유기변형 특성을 나타내어 유망한 후보로 주목받았다. 그러나 높은 전계유기변형 특성이 나타나기 위해서는 6 kV/mm이상의 고전계가 요구되므로 실용성의 측면에서 제한된다. 이를 해결하기 위해 작동전계를 낮추고 변형 특성을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행되었다. 그 일환으로 불순물 도핑, 제3의 ABO3 변성 또는 복합 물질을 제조하여 작동전계 저감화 및 전계유기변형 특성을 향상시키는 연구가 대표적이라 할 수 있다. 비에르고딕 (Nonergodic relaxor, NER)상과 에르고딕 (Ergodic relaxor, ER)상의 혼합으로 제조한 복합소재는 변형 특성이 크게 향상되는 것으로 보고되었으며, 특히 서로 다른 상의 상호작용으로 인해 작동전계의 저감화에도 높은 효과를 기대할 수 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 BNT 기반의 세라믹스에 ST 변성량에 따라 비에르고딕상과 에르고딕상의 상전이가 유도되는 현상을 이용하여 비에르고딕상의 물질과 에르고딕상인 물질 및 서로 다른 두 에르고딕상의 물질의 하소된 분말을 1:1로 혼합하여 다른 상으로 구성된 복합 물질을 제조하였다. 복합 물질의 결정 구조, 미세 조직, 전계 유기 변형특성 및 유전 특성을 분석하여 단일 물질과 복합 물질의 특성을 분석하였다. 그 결과로 BNST24/28 및 BNST26/28 복합 세라믹스들은 평균 조성인 BNST26 및 BNST27 세라믹스와 전기적 특성을 비교하였을 때, 모두 향상된 결과가 나타났으며 가장 높은 정규화변형률(Smax/Emax)은 BNST24/28 세라믹스에서 비교적 낮은 3 kV/mm 전계 인가시 613 pm/V로 나타났다. 이러한 결과로 다른 상으로 구성된 복합 세라믹스를 제조하는 방법은 기존 무연 압전세라믹스의 단점을 극복하여 실용화에 도움이 되는 방법이라 생각된다.