As lead-free piezoelectric materials, $Ag_2O$ doped $0.95(K_{0.5}Na_{0.5})NbO_3-0.05LiNbO_3+x$ mol% (where x = 0, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 and 3, respectively) ceramics were fabricated by a conventional sintering process. The doping effects on the microstructure and electrical properties of the $0.95(K_{0.5}Na_{0.5})NbO_3-0.05LiNbO_3$ ceramics were systematically investigated. When the 3 mol % $Ag_2O$ doped $0.95(K_{0.5}Na_{0.5})NbO_3-0.05LiNbO_3$ samples were sintered at $1,080^{\circ}C$ for 5 hrs in air, these ceramics showed excellent values of density=4.20 $g/cm^3$, piezoelectric constant ($d_{33}$)=174 pC/N and phase transition temperature$(T_c)=421.6^{\circ}C$, respectively.
Structure and electrical properties of $0.85NaNbO_3-0.15LiNbO_3$ ($(Li_{0.15}Na_{0.85})NbO_3$) ceramics were investigated as a function of sintering temperature. $(Li_{0.15}Na_{0.85})NbO_3$ ceramics were prepared by conventional solid state processing. A main phase of the orthorhombic perovskite structure and secondary phase of $LiNbO_3$ were confirmed for all sintered specimens. Dense $(Li_{0.15}Na_{0.85})NbO_3$ ceramics were obtained at sintering temperature above $1050^{\circ}C$. With increasing sintering temperature, the electromechanical coupling factor ($k_p$), piezoelectric constant ($d_{33}$) and relative dielectric constant (${\varepsilon}_r$) of the sintered specimens increased, while the mechanical quality factor ($Q_m$) decreased. These results are due to the increase of grain size and crystallite size of orthorhombic perovskite structure. Based on the temperature dependence of ${\varepsilon}_r$, stable piezoelectric properties were expected because no phase transition found up to $300^{\circ}C$. Typically, kp of 18%, $d_{33}$ of 34.7 pC/N, ${\varepsilon}_r$ of 135, and $Q_m$ of 62.8 were obtained for the specimens sintered at $1200^{\circ}C$ for 5 h.
Lead-free $0.9(Na_{0.52}K_{0.48})NbO_3$ - $0.1LiTaO_3$ piezoelectric ceramics doped with $Ag_2O$ (0-4 mol%) have been prepared by the conventional mixed oxide method. The structural and electrical properties were analyzed in order to find its potential applications. The crystal structure of 1-4 mol% Ag doped $0.9(Na_{0.52}K_{0.48})NbO_3$-$0.1LiTaO_3$ lead free piezoelectric ceramics were investigated for several sintering temperatures ($1100^{\circ}C$) by the use of X-ray diffraction analysis. In order to analyze the effect of Ag dopants on the $0.9(Na_{0.52}K_{0.48})NbO_3$-$0.1LiTaO_3$ ceramic, the diffraction intensity ratio of the (002) to (200) planes were calculated from the X-ray diffraction patterns of the ceramic samples.
$Pb(Zr,Ti_O_3$계 세라믹스는 우수한 압전 특성으로 인하여 압전변압기 및 액츄에이터, 센서 등 많은 분야에 응용이 되어져 왔다. 그러나, 최근 들어 $1000^{\circ}C$에서 급속도로 많은 휘발을 하는 PbO는 환경 및 인체에 나쁜 영향을 미칠 뿐 아니라 사용 후의 처리도 어려워 선진국에서는 사용을 제한하거나 줄이고 있는 추세에 있다. 따라서, PbO를 포함하지 않은 무연 (Lead-free)계 압전 세라믹스에 대한 연구가 많은 관심을 끌고 있으며 앞으로는E 장래성 있는 하나의 이슈 분야가 될 것이다. 이러한 Pb-based System 세라믹스를 대체 할 재료로서 $(Bi_{1/2}Na_{1/2})TiO_3$나 Tungsten-Bronze type, $(K_{1/2}Na_{1/2})NbO_3$ 등이 주로 연구가 되고 있다. 특히, alkali niobate를 기초로 한 $(K_{1/2}Na_{1/2})NbO_3(NKN)$은 무연 압전 물질로서 많은 주목을 받고 있다. 그러나, NKN의 주요 성분인 K 의 높은 조해성 때문에 일반적인 고상방법으로는 고 밀도의 세라믹을 얻기 힘들뿐더러 낮은 상전이 온도 때문에 많은 응용에는 제약이 되고 있다. 이러한 세라믹의 단점을 보완하고자 Hot forging, RTGG, SPS 등 과 같이 특수한 소결방법을 사용하여 고밀도의 세라믹을 제작하지만 이 방법들은 제품 대량 생산에 있어 경제적으로나 복잡한 제조과정을 고려할 때 매우 비효율적이라고 판단된다. 그러므로 $BaTiO_3$, $LiTaO_3$, Mg, Ca등을 첨가 시켜 소결을 향상시키고 고밀도를 얻기 위해 많은 연구가 진행 중이다. 따라서 본 연구에서는 Pb-based계의 세라믹스를 대체할 우수한 특성의 세라믹스를 제작하고자 기존의 $(K_{1/2}Na_{1/2})NbO_3(NKN)$세라믹스에서 낮은 용융온도 때문에 소결하기 어려운 $KNbO_3$를 제거한 $NaNbO_3$에 $LiNbO_3$와 $BaTiO_3$를 추가한 $NaLiNbO_3-BaTiO_3$세라믹스에 $K_4CuNb_8O_{23}$(KCN)을 첨가함으로서 이에 따른 압전 및 유전 특성을 조사하였다.
강유전성 세라믹스 재료로써는 PZT계열의 세라믹재료가 널리 쓰이고 있다. 이는 우수한 유전 및 압전특성을 가지고 있으나, PbO을 다량 함유하고 있어 $1000^{\circ}C$이상에서 PbO가 급격하게 휘발되는 성질에 따라서 조성의 변동이 생겨 재현성이 어려우며 이를 방지하기 위하여 과잉 PbO를 첨가시키기 때문에 PbO휘발로 인한 강한 독성이 인체에 유해하다. 최근에는 Pb의 환경문제가 대두됨에 따라 이를 대체할 다른 물질의 개발이 활발하게 연구되고 있다. 대표적인 비납계 강유전 세라믹스인 $(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3$ ($d_{33}$ = 120 pC/N, Kp = 39%, Qm = 210, 이하 NKN라 표기) 조성은 $KNbO_3,\;NaNbO_3$ 상태도에 따라 순수한 NKN 세라믹스는 $1140^{\circ}C$에서 안정상을 가지나, 높은 온도로 인하여$Na_2O$와 $K_2O$가 쉽게 휘발됨에 따라 화학량 비의 변화가 생겨 이차 상을 형성하기도 한다. 따라서 본 연구에서는 $LiNbO_3$의 새로운 고용체를 추가시켜 기본 NKN조성에 압전성 및 고온에서의 상안정성을 향상시키고자 하였다. 최적 조성을 설계하기 위하여 (1-x)$(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3-xLiNbO_3$, x=(0,0.02,0.04,0.06,0.08)의 범위에서 조성을 변화시키면서 실험하였다. 시편 제작은 일반적인 세라믹스 소결 공정을 적용하였는데, $850^{\circ}C$에서 5시간 하소 후 $1080^{\circ}C$에서 2시간 소결하였다. 하소 및 소결 후에는 XRD분석을 통해 perovskite구조를 확인하였고, 미세구조 확인을 위해 주사전자현미경 (SEM)으로 관찰하였다. 압전특성을 평가하기 위해 압전 $d_{33}$-meter를 사용하였으며, impedance analyzer (HP 4194A)를 이용하여 전기적 특성을 측정하였다.
$(K_{0.5}Na_{0.5})NbO_3$ (NKN) ceramics doped with $Li_{2}CO_3$ as sintering aids were manufactured in order to develop the low temperature sintering ceramics for piezoelectric device. The sintering aids were proved to lower the sintering temperature of doped NKN ceramics due to the effect of $Na_{2}CO_{3}-Li_{2}CO_3$ liquid phase. All the specimens showed the orthorhombic phase without secondary phase. And also, the piezoelectric properties of specimens were improved with increasing $Li_{2}CO_3$ contents. At sintering temperature of $930^{\circ}C$, the density, electromechanical coupling factor (kp), mechanical quality factor (Qm) and dielectric constant(${\epsilon}_{\gamma}$), piezoelectric constant of 0.3 wt.% $Li_{2}CO_3$ added specimen showed the optimum values of $4.255 g/cm^3$, 0.37, 234, 309, 136 pC/N, respectively.
In this study, in order to develop the composition ceramics for lead-free ultrasonic motor, (1-x-0.09)$NaNbO_{3-x}BaTiO_3-0,09LiNbO_3$ ceramics were fabricated using a conventional mixed oxide process and their piezoelectric and dielectric characteristics were investigated according to the $BaTiO_3$ substitution. All the specimens showed orthorhombic phase structure without secondary phase, $BaTiO_3$ substitution enhanced density, dielectric constant(${\epsilon}_r$) and electromechanical coupling factor($k_p$), However, mechanical quality factor was deteriorated. Curie temperature of specimens was observed as about $380^{\circ}C$. At the $BaTiO_3$ substitution of 4 mol%, density, electromechanical coupling factor($k_p$), dielectric constant(${\epsilon}_r$) and piezoelectric constant($d_{33}$) of specimen showed the optimum value of $4.493g/cm^3$, 0.236, 175, 70 pC/N, respectively.
Stability and formation of Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 (PMN) phase synthesized in Li2SO4-Na2SO4 molten salts have been investigated. And powder characteristics of PMN have been studied with a variation of processing parameters such as temperature, time, amount of the salts, and excess PbO. More ratio of Li2SO4 to Na2SO4 influences the percentage of perovskite phase due to the difference of the eutectic point of the salts, but does not influence the powder characteristics. The shape of PMN particles shows faceted morphology with bimodal distribution consisting with large and submicron parts. Particle size of PMN increased greatly with increasing soaking time or amount of salts rather than temperature. The addition of excess PbO resulted in round PMN crystallites without submicron particles. These results are discussed by XRD, SEM and thermal analyses.
As a candidate for lead-free piezoelectric materials, dense $(Na_xK_{0.94-x}Li_{0.06})NbO_3$ ceramics were developed by conventional sintering process. Sintering temperature was lowered by adding 1 mol% $Li_2O$ as a sintering aid. The electrical properties of $(Na_xK_{0.94-x}Li_{0.06})NbO_3$ ceramics were investigated as a function of Na/K ratio. When the sample sintered at $950^{\circ}C$ for 4 h with the compositions of morphotropic phase boundary, 0.47 < x < 0.51, electro-mechanical coupling factor ($k_p$) and piezoelectric coefficient ($d_{33}$) were found to reach the highest values of 0.42 and 190 pC/N, respectively. These excellent piezoelectric and electro-mechanical properties indicate that this system is potentially good candidate for lead-free material for a wide range of electro-mechanical transducer applications.
Dense $0.95(Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3-0.05LiTaO_3$ (NKN-LT) ceramics were developed by conventional sintering process. Sintering temperature was lowered by adding $Na_2O$ as a sintering aid. The electrical properties of NKN-LT ceramics were investigated as a function of $Na_2O$ concentration. When the sample sintered at $1000^{\circ}C$ for 4h with the addition of 1 mol% $Na_2O$, electromechanical coupling factor ($k_p$) and piezoelectric coefficient ($d_{33}$) of NKN-LT ceramics were found to reach the highest values of 0.43 and 190 pC/N, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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