무연 (Bi1/2Na1/2)TiO3-SrTiO3-CaTiO3 삼성분계 세라믹스의 상전이 및 압전성에 관한 연구

Abstract

Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)를 기본 소재로 하고 있는 압전세라믹스는 우수한 압전 및 유전 특성을 가짐으로써 센서와, 액추에이터 등 여러 응용분야에 널리 사용되어지고 있다. 하지만 PZT계 세라믹스에 전체 무게비 60%이상 함유된 납은 인체와 환경에 유해한 원소로 환경규제가 엄격해짐에 따라 납을 대체 하기 위한 친환경 무연 압전세라믹스의 개발이 활발히 진행 되어지고 있다. 다양한 무연 압전 소재 중 (Bi1/2Na1/2)TiO3 (BNT)를 기반으로 하는 압전 세라믹스는 2007년 개발된 (Bi1/2Na1/2)TiO3-BaTiO3-(K1/2Na1/2)NbO3 (BNT-BT-KNN) 삼성분계 무연 압전세라믹스가 액추에이터 응용에서 중요한 특성인 외부전계에 의해 유도되는 변형특성이 기존 PZT에 버금가는 특성으로 보고됨으로 PZT를 대체하기에 유망한 후보 물질 중 하나로 여겨지고 있으며 관련 연구가 활발하게 진행되어 지고 있다. 하지만 BNT계 세라믹스의 거대변형을 유도하기 위해 요구되는 외부전계가 상당히 높다는 단점을 갖고 있어 액추에이터 분야에서 실용화에 큰 걸림돌이 되고 있다. 한편 BNT계 세라믹스에서 작동전계 저감화를 위해 불순물 및 ABO3변성체를 첨가하여 변형특성을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있으며 SrTiO3가 첨가된 (Bi1/2Na1/2)TiO3-SrTiO3 (BNT-ST)조성의 압전세라믹스가 기존 BNT세라믹스와 비교적 낮은 전계에서 높은 변형률을 나타내는 특성이 보고됨으로써 주목 받았다. 본 연구에서는 BNT-ST 매질에 변성체를 첨가하여 화학적 조성변화가 여러 특성에 미치는 영향을 조사하였고, 변성체로 Ca2+ 이온을 이용하여 ABO3구조를 가지는 CaTiO3 (CT)를 첨가하여 (Bi1/2Na1/2)TiO3-SrTiO3-CaTiO3 조성을 갖는 삼성분계 무연 압전 세라믹스를 제조하였다. 이 조성에서 SrTiO3 (ST)를 22, 24, 26, 28, 30 mol% 의 분율로 혼합하였으며 각 분율에서 CaTiO3를 0, 1, 2, 3, 4 mol% 분율로 첨가하였다. 제작된 시편의 결정구조, 미세조직, 전계 유기 변형률 및 유전 특성 등의 분석을 통하여 ST와 CT의 조성변화가 상전이에 어떤 영향을 주는지 고찰해 보았다.