• Korean Journal of Materials Research
• /
• v.30 no.7
• /
• pp.343-349
• /
• 2020

NKN [(Na,K)NbO₃] is a candidate lead-free piezoelectric material to replace PZT [Pb(Zr,Ti)O₃]. A single crystal has excellent piezoelectric-properties and its properties are dependent of the crystal orientation direction. However, it is hard to fabricate a single crystal with stoichiometrically stable composition due to volatilization of sodium during the growth process. To solve this problem, a solid solution composition is designed (Na,K)NbO₃-Ba(Cu,Nb)O₃ and solid state grain growth is studied for a sizable single crystal. Ceramic powders of (Na,K)NbO₃-M(Cu,Nb)O₃ (M = Ca, Sr, Ba) are synthesized and grain growth behavior is investigated for different temperatures and times. Average normal grain sizes of individual specimens, which are heat-treated at 1,125 ℃ for 10 h, are 6.9, 2.8, and 1.6 ㎛ for M = Ca, Sr, and Ba, respectively. Depending on M, the distortion of NKN structure can be altered. XRD results show that (NKN-CaCuN: shrunken orthorhombic; NKN-SrCuN: orthorhombic; NKN-BaCuN: cubic). For the sample heat-treated at 1,125 ℃ for 10 h, the maximum grain sizes of individual specimens are measured as 40, 5, and 4,000 ㎛ for M = Ca, Sr, and Ba, respectively. This abnormal grain size is related to the partial melting temperature (NKN-CaCuN: 960 ℃; NKN-SrCuN: 971 ℃; NKN-BaCuN: 945 ℃).

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2008.06a
• /
• pp.56-56
• /
• 2008

최근, 비납 또는 납의 함량을 줄인 압전 세라믹에 대한 관심이 증가하고 있고, 그에 따른 여러 연구가 활발히 이루어지고 있다. 납을 포함하는 세라믹은 높은 소성온도에서 납의 휘발로 인한 특성저하와 환경오염 등이 문제가 된다는 것을 우리는 익히 알고 있다. 그렇기 때문에 PZT계 세라믹스를 대체할 우수한 특성을 가지는 새로운 비납 세리믹스의 조성개발이 시급하다. 비납계 세라믹스 중에서 NKN계를 바탕으로 하는 세라믹스는 가장 기대되는 재료이다. 일반적인 소성에서 순수한 NKN 세라믹은 가장 높은 압전 $d_{33}$상수가 100 pC/N이 넘지 않는다. 그런데 페로브스카이트 구조로된 NKN세라믹스의 A-site에 $Li^{1+}$이온을 치환하면 압전 특성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 압전세라믹에서 분극처리는 필수적인데 분극처리는 압전성을 부여할 뿐 아니라 다른 물성도 변화시킴은 잘 알려져 있다. 그러므로 그에 대한 연구 또한 중요한 의미를 갖는다. 따라서 이번 연구에서는 NKN세라믹스에 $Li_2CO_3$를 소결조제로 첨가하여 시편을 제작하였고, 제작된 시편의 특성을 분극전계에 따라 조사하였다.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
• /
• v.27 no.1
• /
• pp.14-17
• /
• 2014

In this study, lead-free Piezoelectric $(Na_{0.47}K_{0.47}Sr_{0.03}Ca_{0.03})(Nb_{0.94}Ti_{0.06})O_3$-0.1 $MnO_2$ ceramics were fabricated using mixed oxide method and the effects of various sintering temperature on the structural and electrical properties were investigated. For the $(Na_{0.47}K_{0.47}Sr_{0.03}Ca_{0.03})(Nb_{0.94}Ti_{0.06})O_3$-0.1 $MnO_2$ (NKN-SCT-$MnO_2$) ceramics sintered at temperatures of $1,025{\sim}1,100^{\circ}C$. The results indicated that all specimens were perovskite single phase formation without any second phase. It has been shown that relative density is increased to increasing sintering temperature. When the sintered temperature at $1,075^{\circ}C$, highest sintered density and maximum value of $4.45g/cm^3$. Average grain size is increased to increasing sintering temperature. The electromechanical coupling factor, dielectric constant, dielectric loss, d33 and curie temperature at the sintering temperature $1,075^{\circ}C$ of NKN-SCT-$MnO_2$ specimens were 0.22, 511, 0.033, 103 and $380^{\circ}C$, respectively.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2005.11a
• /
• pp.210-211
• /
• 2005

[ $(K_{0.5}Na_{0.5})NbO_3$ ](KNN) 세라믹스의 소결 특성과 압전 특성을 높이기 위해 B-site에 Sb를 치환하여 Sb함량에 따른 특성을 측정 하였다. Sb 의 함량을 0mol $\sim$ 0.1mol 까지 첨가한 결과 소결 밀도는 Sb의 첨가량이 많아질수록 증가하다 Sb-0.08mol에서 4.40g/$cm^3$으로 가장 높은 밀도를 가졌으며, 여기서의 전기기계 결합 계수가(Kp) 0.45로 높은 값을 나타내었다. 상전 이 온도는 375$^{\circ}C$로 순수한 KNN 의 420$^{\circ}C$ 보다 약 45$^{\circ}C$정도 떨어졌으나 orthorhombic에 서 tetragonal 로 바뀌는 전이 온도는 KNN이 220$^{\circ}C$, KNNS 가 225$^{\circ}C$로 크게 변하지 않았다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2008.06a
• /
• pp.59-59
• /
• 2008

Pb(Zr,Ti)$O_3$(PZT)는 현재 가장 우수한 압전특성을 가진 압전 재료로써, 압전효과와 역압전효과를 이용한 압전 액추에이터, 압전 트랜스듀서, 센서, 레조네이터 등의 활동에 대한 연구과 활발하게 이루어 지고 있다. 그러나 압전성이 우수한 PZT 세라믹스들은 Pb 성분이 포함되어 있기 때문에 환경오염뿐 아니라, 경제적인 측면에서도 많은 문제점을 가지고 있어 최근에는 유해원소인 Pb를 포함하지 않는 친환경 압전 세라믹스에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. (Na, K)$NbO_3$은 뛰어난 특성을 가지고 있어 Pb를 기본조성으로 하는 압전세라믹스를 대체할 수 있는 대표적인 물질중의 하나로 알려져 있다. 그러나, potassium의 수분과의 반응성과, 소결시 휘발로 인해 높은 소결밀도의 NKN을 제조하기 어렵다. 이러한 단점을 보안하기 위해 Hot pressing, Hot forging, SPS 등 여러가지 방법을 이용하여 연구가 수행되고 있지만, 고가의 제조공정을 이용해야만 한다. 본 연구에서는 $BaSrTiO_3$의 새로운 고용체를 추가시켜 기본 NKN 조성보다 소결밀도, 유전 및 압전특성을 향상시키고자 하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2010.06a
• /
• pp.328-328
• /
• 2010

압전 세라믹스는 엑츄에이터 및 센서 등의 다양한 응용분야로 인하여 많은 연구가 진행되어왔다. 최근 친환경 무연 압전계인 Bi층상구조 (BNT) 및 알칼리 니오븀산화물계 (KNN)에 대한 연구가 집중되고 있다. 한편, 소형화 및 고성능의 압전소자에 대한 요구 증가로 고가의 내부전극인 Ag, Ag-Pd합금으로 이루어진 적층압전소자에 대한 연구개발이 진행되어 왔다. 본 연구에서는 Ni이나 Cu를 내부전극으로 사용하는 적층압전소자의 개발가능성을 타진하고자 Ni의 산화를 억제할 수 있는 환원분위기 소결시에 압전소재의 상변화 및 내환원성 정도를 조사하였다. 압전소재인 BNT 및 KNN를 공기중에서 합성한 후, 환원분위기의 영향을 조사하고자 샘플을 디스크 형태로 성형하여 $1000{\sim}1200^{\circ}C$에서 2 시간 동안 공기, 중성 (N2) 와 환원 분위기 (3 % H2 - 97 %의 N2) 에서 소결한 후 미세구조와 전기적 특성을 SEM, EDS, XRD, impedance analyzer로 조사였다. 환원분위기에서 소결된 BNT 샘플은 페롭스카이트 상이 관찰되지 않았으며, SEM/EDS 분석결과 시편의 표면에 Bi의 석출이 관찰되었다. KNN의 경우에는 공기중에서 소결 시편뿐만 아니라 환원분위기에서 소결된 시편에서도 페롭스카이트 구조를 보였으며, EDS분석결과 K 및 Na의 휘발이 비교적 적었다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2008.06a
• /
• pp.327-327
• /
• 2008

Lead-free $(K_{0.5}Na_{0.5})NbO_3$ 압전 세라믹스는 다양한 광소자로의 응용과 압전 특성, 초전 특성을 이용한 압전 소자로의 응용이 가능한 재료로 보고되고 있다. 그러나 KNN계 압전소재 특성상 판상 형태의 결정립으로 인해 낮은 소결 밀도를 갖게 되고, 그로인해 압전물성의 저하를 초래하는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 본연구에서는 다양한 밀링 방법을 적용하여 입자 사이즈를 작게 하고 소성체의 결정립을 구형화 함으로써 저온소결에서의 압전물성을 개선시키고자 한다. $(K_{0.5}Na_{0.5})NbO_3$를 기계적 분쇄법에 의해 입자사이즈에 따라 변화되는 상의 분석과 압전체로서의 특성을 관찰하였다. 결정학적 상분석 및 미세 조직은 XRD, SEM을 이용하여 관찰하였고, Capacitance는 Impedance analyzer(HP4192A)로 측정하였으며, Impedance 주파수 특성은 Network Analyzer로 측정하여 Kp, Kt와 Qm을 측정하였다.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
• /
• 2010.06a
• /
• pp.307-307
• /
• 2010

최근 유한연료의 고갈로 인해 세계 유가가 불안정 됨으로서 대체 에너지에 대한 연구가 많이 진행 되고 있다. 특히 압전 소자를 이용한 에너지 하베스팅은 압전 역효과를 이용한 것으로서 주변에서 무의미하게 버려지는 진동이나 바람, 열 에너지를 실 생활에 사용할 수 있는 전기 에너지로 변환할 수 있는 유망한 기술 중 하나이다. 이러한 에너지 하베스팅 기술은 일본과 같은 선진국에서 이미 지하철 및 일반 다리와 같이 진동이 극히 많은 곳에서 응용되고 있다. 이러한 에너지 하베스팅 기술을 응용 하려면 전압출력 계수($g_{33}$)가 높아야 한다. 이것은 압전 d 상수와 유전상수에 영향을 많이 받는 것으로 알려져 있다. 현재가지 응용되는 압전 하베스팅 조성은 Pb(Zr,Ti)$O_3$ (PZT)를 기초로한 세라믹이 응용되고 있다. Pb(Zr,Ti)$O_3$ (PZT) 세라믹은 Morpohotropic phase boundary(MPB)에서 전기기계 결합계수 (kp) 와 기계적 품질계수 (Qm) 이 각각 0.5와 500으로 우수한 특성을 나타낸다. 또한 큐리온도 (Tc) 도 $400^{\circ}C$로 온도 안정성 또한 높다. 하지만 $1000^{\circ}C$ 이상에서 소결하는 PbO는 소결 중 급격한 휘발로 환경적 오염 뿐 아니라 특성의 저하를 야기시킨다. 그래서 몇몇 나라에서는 그 사용을 제한하고 점차적으로 사용을 줄여 나가고 있는 동시에 PbO가 첨가되어 있지 않은 Lead-Free 세라믹의 연구가 많이 진행되고 있다. Lead-Free 세라믹 중 alkaline niobate를 기초로 한 페로브스카이트 구조의 ($Na_{0.5}K_{0.5})NbO_3$ (NKN) 은 PbO를 기초로 한 세라믹을 대체할 유망한 후보자 중 하나이다. 하지만 NKN세라믹의 K 성분의 조해성 및 고온에서의 휘발로 인해 일반 적인 소결 방법으로는 고밀도의 세라믹을 얻기 매우 어렵다. 그래서 Hot pressing, Hot forging, RTGG(Reactive Template Grain Growth), SPS(Spark plasma Sintering)와 같은 특별한 소결 법을 이용하거나 $K_8CuNb_4O_{23}$(KCN) 이나 $K_{5.4}Cu_{1.3}Ta_{10}O_{29}$(KCT) 등을 첨가하여 그 소결성을 향상 시키는 방법도 있다. 또한 압전 d상수를 향상 시키기 위해 $Nb_2O_5$나, $La_2CO_3$, $CeO_2$, $Li_2CO_3$ 등을 치환함으로써 압전 d상수를 향상 시켜 전압출력 계수를 높이는 연구 또한 많은 보고가 되어 있다. 특히 $Li_2CO_3$의 첨가는 일반 적인 소결 방법으로도 밀도의 조밀함을 향상 시켜 그에 따른 높은 유전율과 전기기계 결합계수, 압전 d상수를 가져 많은 연구가 되어지고 있다. 그래서 본 연구에서는 일반적인 ($K_{0.5}N_{0.5})_{1-x}Li_x(Nb_{0.96}Sb_{0.04})O_3$ + 0.2mol%$La_2O_3$ + 1.2mol%$K_8CuNb_4O_{23}$ 세라믹에 x(=Li) 치환에 따른 유전 및 압전특성을 조사하였다.