KNbO3가 Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3 무연압전세라믹스의 구조 및 압전특성에 미치는 영향

Abstract

압전소자는 액추에이터, 초음파 모터, 센서, 에너지 저장기기 등 다양한 영역에서 사용되고 있으며, 그 중에서 액추에이터는 전기 에너지를 역학 에너지로 변환시키는 모든 기구를 말한다. 현재 사용되고 있는 대부분의 압전소자는 60%이상의 납이 포함된 Pb(Zr1-xTix)O3 (PZT)계 물질을 사용하고 있기 때문에 환경문제가 있으며, 전자제품에 대한 유해물질 사용을 제한하는 규제가 공표되면서 무연 압전 소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서 스마트폰에 들어가는 액추에이터는 낮은 구동전계에서의 변형률 특성이 중요하다. 본 연구에서는 거대변형을 가지는 기존의 무연 압전 세라믹스 조성들에 비해 상대적으로 낮은 구동전계를 가지는 Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3 (BNT-ST)조성에 KNbO3를 고용하여, 3성분계 조성을 설계하였다. 0.78Bi0.5Na0.5TiO3-(0.22-x)SrTiO3-xKNbO3 (BNT-ST-KN)세라믹스는 일반적인 고상반응법으로 제조하였으며, XRD 회절분석 결과 모든 조성에서 단일 페로브스카이트상을 나타내었다. FE-SEM 분석 결과 SrTiO3를 KNbO3와 치환함에 따라 결정립의 크기가 줄어들었으며, BSE 모드와 EDX Mapping 분석을 통하여 KNbO3를 치환함에 따라 불균일한 결정립이 나타나는 것을 확인하였다. 또한, 온도별 유전율 및 유전손실을 측정한 결과 KNbO3의 함량이 증가함에 따라 큐리온도가 감소하였으며, 이는 불균일한 성분분포를 가지는 결정립들이 생성되면서 나타나는 전체적인 조성의 변화가 전기적인 특성에 영향을 준 것으로 보인다. KNbO3의 함량 증가에 따른 전기적인 특성의 변화는 전계 유기별 분극 이력곡선에서 나타났으며, 실질적인 액추에이터에 적용되는 특성인 인가전계에 따른 단극성 모드 변형률을 측정하였다. BNT-ST-KN 세라믹스는 모조성인 BNT-ST 세라믹스보다 낮은 전계인 2 kV/mm 에서 높은 변형률인 0.157% 값을 얻었으며, 이러한 결과는 불균일한 성분분포를 가지는 결정립이 주위 다른 결정립들의 경계에서 강유전 분역의 정렬을 유도하여 단극성 모드에서의 구동전계가 낮아진 것으로 사료된다.; Piezoelectric devices are used in various areas such as actuators, ultrasonic motors, sensors, and energy storage devices, among which actuators are all instruments that convert electrical energy into mechanical energy. Most current piezoelectric devices use more than 60% lead-based Pb(Zr1-xTix)O3 (PZT) material, which has environmental issues, and regulations restricting the use of hazardous materials for electronics have been published, and research on lead-free piezoelectric materials has been very active. Among them, the strain characteristics at low drive relays are important for actuators that are placed into smartphones. In this study, KNbO3 was employed to Bi0.5Na0.5TiO3-SrTiO3 (BNT-ST) with relatively low drive-electricity compared to the existing lead-free piezoelectric ceramics, to design the three-component formation. 0.78Bi0.5Na0.5TiO3-(0.22-x)SrTiO3-xKNbO3 (BNT-ST-KN) Ceramic is manufactured using a conventional solid state reaction method. And XRD diffraction analysis shows a single ferrovskite structure for all composition. The FE-SEM analysis found that the size of the crystal was reduced by replacing SrTiO3 with KNbO3 and that an asymmetric grain was produced by replacing the KNBO3 with the BSE mode and EDX Mapping analysis. In addition, the temperature dependence of dielectric constant show that the curie temperature has decreased due to an increase in the content of KNbO3. The change in electrical properties due to increase in content of KNbO3 was shown as a reduction in remnant polarization in the electric field induced polarization hysteresis loops, and the unipolar strain was measured according to the application relay, which is a characteristic of the actuator. BNT-ST-KN ceramic obtained a high strain of 0.157% at an electrical field of 2 kV/mm lower than the BNT-ST ceramic system. These results are thought to be that grain with unequal component distribution lead to the alignment of the ferroelectric domain at the boundaries of the other grain around them, thus lowering the driving field in unipolar strain.