세라믹-세라믹 복합소재 공정을 통한 Bi계 완화형 강유전체의 전계 유기 변형 특성 개선

Abstract

압전세라믹은 발진자, 레조네이터, 액추에이터 등과 같은 전자부품소재로 실용화되고 있으며 전기기계 결합계수(kp), 기계적 품질계수(Qm), 압전계수(d33) 등과 같은 압전 특성이 뛰어난 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)계 물질이 사용되고 있다. 그러나 PZT계 화합물로 제작된 전자부품들은 인체와 환경에 유해한 납(Pb)이 60wt% 이상 포함되어 있어 선진국에서는 생산과 사용을 제한하고 있다. 이 때문에 최근 산업계에서는 납이 포함되지 않는 친환경 무연(lead-free) 압전 소재 개발이 요구되고 있다. Bi계 무연 압전세라믹스의 높은 변형률은 고전계에서만 발생되기 때문에 액추에이터 등의 응용분야에 적용하기 위해서는, 높은 변형이 저전계에서 나타나도록 개선할 필요가 있다. 본 연구에서는, 거대변형이 나타나기 위한 임계 전계 값 (Ecrit)을 보다 낮추기 위해 첫번째로 강유전성 0.99Bi1/2(Na0.82K0.18)1/2O3 + 0.01(Ba1/2Ca1/2)ZrO2 (BNKT18-1BCZ)와 0.99Bi1/2(Na0.78K0.22)1/2O3 + 0.01(Ba1/2Ca1/2)ZrO2 (BNKT22-1BCZ)입자를 완화형 강유전체 (relaxor, 이하 RE)인 (1-x)Bi1/2Na1/2TiO3-xSrTiO3 (x = 0.26, 0.28, 0.30) 고용체에 고루 분산시키는 방법을 이용하여 RE-FE 세라믹 복합소재 제작을 시도하였다. BNKT18-1BCZ와 BNKT22-1BCZ를 각각 0, 10, 20, 30그리고 100 wt.%의 비율로 (1-x)BNT-xST (x = 0.26, 0.28, 0.30)에 각각 혼합하여 결정구조, 밀도, 미세구조, 유전특성 그리고 전계유기 변형율 (electric-field-induced strain)의 변화를 살펴보고 분석하였다. BNST/BNKT-1BCZ세라믹은 각각 하소하여 페로브스카이트상을 형성시킨 후 혼합분말로 만들었으며, 원판형 몰드로 성형을 한 후 전기로를 이용하여 소결하였다. 세라믹 복합소재의 전계 유기변형율은 BNST28에 30 wt.%의 BNKT18-1BCZ를 첨가하였을 때, 저전계 3 kV/mm에서 정규화변형율 (Smax/Emax)= 730 pm/V라는 높은 변형률 값을 얻을 수 있었다. 이러한 결과로 볼 때 BNST28/BNKT18-1BCZ 세라믹 복합소재는 향후 액추에이터로 제작, 적용이 가능한 후보 물질로 생각되며, 무연압전세라믹스를 복합소재로 제작하는 방법이 기존의 무연압전세라믹스의 한계를 극복할 수 있는 전도유망한 방법이라 생각된다. 두번째로는 (1-x)BNT-xST (x=20, 22, 24, 25, 26, 28, 30)을 제작하여 평균 BNST25가 되게 합성하는 방법을 이용하여 세라믹 복합소재 제작을 시도하였다. BNST를 각각 50 wt.%의 비율로 혼합하여 결정구조, 밀도, 미세구조, 유전특성 그리고 전계유기 변형율 (electric-field-induced strain)의 변화를 살펴보고 분석하였다. BNST세라믹은 각각 하소하여 페로브스카이트상을 형성시킨 후 혼합분말로 만들었으며, 원판형 몰드로 성형을 한 후 전기로를 이용하여 소결하였다. 세라믹 복합소재의 전계유기변형율은 BNST28/BNST22를 혼합하였을 때, 저전계 2 kV/mm에서 정규화변형율(Smax/Emax) = 950 pm/V라는 높은 변형률 값을 얻을 수 있었다. 이러한 결과로 볼 때 상기 BNST28/BNKT18-1BCZ 세라믹 복합소재와 동일하게 BNST 세라믹 복합소재 역시 향후 액추에이터로 제작, 적용이 가능한 후보 물질로 생각되며, 무연압전세라믹스를 복합소재로 제작하는 방법이 기존의 무연압전세라믹스의 한계를 극복할 수 있는 전도유망한 방법이라 생각된다.