하는경우최대 30% 의연료절감효과및 5% 의이산화탄소감소효과가있는것으로알려져있다. [3] 즉, 환경과에너지에대한관심이나날이증대되는현실을감안할때, 압전연료분사시스템의광범위한사용은필수불가결한선택이라할수있다. 하지만, 현재시스템에사용되고있는거의모든액추에이터는무게비로 0% 이

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이연 돈
5 years ago
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1 액추에이터용 비납계 초기압전 세라믹스 DOI: /PhiT..00 조 욱 Lead-free Incipient Piezoceramics for Actuator Applications Wook JO Lead-free has been one of the most frequently cited keywords in the piezoelectric community over the last two decades. Although the initial driving force for the research in the field was mostly imposed by the environmental regulations such as RoHS/W, the recent discovery of so-called incipient piezoelectricity leading to a giant electric-field-induced strain has demonstrated itself that lead-free piezoceramics are highly competitive against their lead-containing counterparts due to their unique properties. This paper overviews the underlying mechanism and the current status on the development of lead-free incipient piezoceramics, followed by a brief perspective on the future direction. 서 Fig. 1. xpected growth of the global piezoelectric actuator market based on the statistics in 009.[1] 재 시장을 구성하는 주요 응용으로는 MMS(Micro-lectro- 문 Mechanical System) 및 카메라/현미경 등에 장착되는 액추에 압전이란 현상은 기계적 에너지와 전기적 에너지 간 상호전 이터 모듈 등이 있다. 통계에서 한 가지 주목해 볼 점은 009 환을 가능하게 하는 물리적 현상으로 액추에이터, 센서, 나노 년 전체 액추에이터 시장의 3.8%를 차지하고 있는 자동차 연 positioners, 초음파 모터 등 다방면에 유용하게 활용되고 있 료분사 시스템 분야의 성장세이다 (01년까지 시장의.9% [1] 미국의 Innovative Research and Products사(社)가 조사 규모까지 성장할 것으로 전망된다). 압전 연료분사 시스템은 해 한 009년 통계에 따르면, 전 세계 압전 액추에이터 시장은 마다 더더욱 엄격해지는 자동차 배출 가스에 대한 규제에 효과 단일 규모만으로 억 불에 이르고, 01년까지 두 배 정도 적으로 대응할 수 있는 최적의 시스템으로, 디젤 엔진에 적용 다. [] 더 큰 시장으로 성장할 전망이다. 그림 1에 제시한 것처럼 현 RFRNCS 저자약력 조욱 박사는 서울대학교 공학 박사(005)로서 007년부터 독일 Technische Universität Darmstadt 재료과학과의 차세대 무연 압전 재료 개발 그룹 의 책임연구교수로 재직 중이다. (jo@ceramics.tu-darmstadt.de) 8 물리학과 첨단기술 JANUARY/FBRUARY 013 [1] K. Uchino, Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors (Kluwer Academic Publishers, Boston, 1997). [] W. Jo, R. Dittmer, M. Acosta, J. Zang, C. Groh,. Sapper, K. Wang and J. Rödel, J. lectroceram. 9, 71 (01).

2 하는경우최대 30% 의연료절감효과및 5% 의이산화탄소감소효과가있는것으로알려져있다. [3] 즉, 환경과에너지에대한관심이나날이증대되는현실을감안할때, 압전연료분사시스템의광범위한사용은필수불가결한선택이라할수있다. 하지만, 현재시스템에사용되고있는거의모든액추에이터는무게비로 0% 이상의납을함유한 PZT 계열의재료를기반으로하기때문에, 납의사용에대한규제가나날이강화되고있는현실을감안할때대체소재의개발이시급하다. 무연압전소재에대한연구는일본에서가장먼저시작되었다고할수있다. 일본에서는이미한세대앞선 197 년에오카자키교수를중심으로한신압전재료조사위원회가구성되어 PZT를대체할수있는재료에대한광범위한조사가이루어졌다. [] 비록조사결과가부정적이었음에도불구하고, 후속연구가지속적으로뒤따랐고, 그결과는 1991 년 (Bi 1/ Na 1/ )TiO 3 -BaTiO 3 (BNT-BT) 시스템, [5] 1999 년 (Bi 1/ Na 1/ )TiO 3 -(Bi 1/ K 1/ )TiO 3 (BNT- BKT) 시스템 [] 개발로이어졌다. 나아가 000년대에는레조네이터 (resonator) 용으로상용화가가능한 Bi layer-structured 강유전재료개발및 00년 PZT에버금가는성능을가진 (K,Na)NbO 3 (KNN) 계재료개발 [7] 등의성과로이어졌다. 비록 00년 7월유럽에서발효된유해물질에대한환경규제인 RoHS(Restrictions on the use of Hazardous Substances) 의규제대상에서는압전체에사용되는납의경우잠정적으로규제예외조항으로분류되어있는상황이지만, 차후개발된물질의성능개선여부에따라언제든규제에포함될예정이다. 전세계가지난 0여년간무연압전소재를개발하기위해쏟아부은다각적인노력은 BNT 계열, KNN 계열및 (Ba,Ca)TiO 3 -Ba(Zr,Ti)O 3 (BCT-BZT) 계 [8] 등의대략세가지시스템으로요약할수있다. 물론, 이들중그어느시스템도기존의 PZT계가가진다재다능함에는미치지못하지만, 일부특화된응용에있어서는 PZT계를대체할충분한가능성을보인다는점은누구도부인할수없다. 특히 BNT 계열의무연압전체중특정조성의경우빠르고큰움직임을요구하는액추에이터로의응용이기대되는거대변형이보고되고있는바, 본기고문에서는이거대변형의기구 (mechanism) 및특성에대해간략히살펴봄으로써향후연구방향및전망에대해논의해보고자한다. 본문 1. 전기장에의한강유전세라믹스의변형기구자연계에존재하는모든유전체는외부에서가해지는전기장에의해전기적인분극을일으키고, 그분극의결과기계적으로변형을일으킨다. 이때변형의크기는분극 (polarization, - c ferroelectric domains 5 P rem Fig.. Polarization and strain hysteresis loops of typical ferroelectric ceramics, obtained during a bipolar poling cycle. Microscopic origin in terms of domain wall motion is schematically illustrated. P: 유전상수에비례 ) 의제곱에비례하며이를전왜변형 (electrostrictive strain) 이라부른다. 대부분유전체의경우낮 은유전상수값으로인해그변형정도가실용적으로응용하 기에는미미한수준이다. 하지만, 결정학적으로단위격자 (unit cell) 내대칭중심이없는결정의경우, 단결정일때외부전 기장에대해분극값에정비례하는변형을보이는데, 이를압 전효과라부른다. 전왜변형의경우전기장의방향과관계 없이팽창만하지만압전변형의경우전기장의방향에따라 팽창또는수축이가능하고그변형정도가충분히커서실용 적인응용이가능하다. 특히외부에서전기장을가해분극의 방향을바꿀수있는재료인강유전체의경우다결정체의형 태로도분극화 (poling) 라는후처리를공정을통해압전효과를 구현할수있기때문에대부분의산업적압전응용은강유전 재료를분극화해서사용하고있다. 강유전재료의외부전기장에대한반응은크게분극의변 화및전체치수의변형으로정리할수있다. 그림 는강유 전세라믹스를대표하는 soft PZT 재료 (PIC151, PI Ceramics, RFRNCS 1 p P sat 3 ferroelastic domains S neg S rem S max [3] After Robert Bosch GmbH ( tbwebdb/bosch-usa/en-us/presstext.cfm?&nh000&search00& id0385) [] Quoted from the invited talk by professor Takenaka at the ISAF, Santa Fe, USA (008). [5] T. Takenaka, K.-I. Maruyama and K. Sakata, Jpn. J. Appl. Phys. 30, 3 (1991). [] A. Sasaki, T. Chiba, Y. Mamiya and. Otsuki, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1 38, 55 (1999). [7] Y. Saito, H. Takao, T. Tani, T. Nonoyama, K. Takatori, T. Homma, T. Nagaya and M. Nakamura, Nature 3, 8 (00). [8] W. Liu and X. Ren, Phys. Rev. Lett. 103, 570 (009) 물리학과첨단기술 JANUARY/FBRUARY 013 9

3 Germany) 의외부전기장에대한분극및치수변형을보여준다. 강유전재료의경우소결을마치고냉각하는과정에서소위큐리점 (Curie point, 상유전과강유전의상경계 ) 을지날때, 자발분극 (spontaneous polarization) 을형성한다. 자발분극의생성으로높아진전체시스템의에너지는결정이가진대칭성이허락하는방향으로무작위로배열한강유전분역 (ferroelectric domains) 이형성되면서낮아진다. 이때, 시료의거시적분극상태는 0으로유지된다. 강유전분역은크게 180 o 각도로배열하는좁은의미의강유전분역과 180 o 이외의대칭성이허락하는각도로배열하는강탄성분역 (ferroelastic domains) 으로구분된다. 전자는분극에후자는분극및치수변형양자에큰영향을준다 ( 그림 1 참조 ). 시료에전기장을가하면, 애초무작위로배열한분역들이소위분극전계 (poling field, p ) 라고부르는값에이르면서전기장방향으로정렬하기시작한다. 이때, 강탄성분역의재배열결과거시적변형이유도된다. 계속해서전기장의값을증가시키면재배열가능한분역의수가줄어들면서분극및치수변형값이포화곡선을그린다. 가해준전기장을제거해도재배열한분역들중일부를제외한대부분이정렬된상태를유지하는데, 이때의분극및치수변형을잔류분극 (remanent polarization, P rem ) 및잔류변형 (remanent strain, S rem ) 이라부르고, 이잔류상태에이르면강유전체는비로소거시적으로압전효과를발현할수있다. 즉, 잔류분극및잔류변위의값이크면클수록재료의분극화정도가더높기때문에보다우수한압전특성을나타낸다. 분극화이후에는, 즉, 분극전기장이상의전기장이가해진이후에는큐리점이상으로시료를가열하지않는이상유도된압전효과가사라지지않고, 가해준전기장의방향에따라분극의방향만이변한다. 분극의방향을바꾸기위해서는항전기장 (coercive field, c ) 이라고부르는세기이상의전기장이필요하기때문에분극및변형곡선은이력 (hysteresis) 을보인다. 여기서한가지주목할점은실제로사용되는액추에이터는일방향사이클 (unipolar cycle) 에서동작하기때문에, 액추에이터응용에사용하는변형은단순히최대변위 (S max ) 와잔류변위 (S rem ) 의차이값으로주어진다. 따라서잔류변위의값이크면클수록압전특성은향상되는반면재료가발현할수있는변형값은오히려줄어든다고할수있다. 따라서다소역설적인얘기지만, 강유전재료의일방향사이클변형정도는압전성에반비례한다고할수있다. 액추에이터응용에사용되고있는대부분의유연계 soft 강유전체의경우 unipolar strain 은 bipolar strain 의대략절반정도의값을가진다.. 초기압전효과 (Incipient piezoelectricity) 앞장에서논의한것처럼일반적인강유전재료는분극화 (poling) 처리를통해강유전분역들을한방향으로정렬해주면영구압전체 (permanent piezoelectrics) 로사용할수있다. 분극화의원리는주지하다시피분역의재배열결과유도되는분극량과일치하는전극에유도된전하들이형성하는탈분극전계 (depolarization field) 가상쇄하는데기인한다. 여기서주목할부분은분극화의결과유도되는영구압전성은없던성질이새로만들어지는것이아니라분극화이전에도이미미세하게존재하고있었으나그배열이무작위여서정렬과정을통하지않고는외부로드러나지않을뿐이라는점이다. 엄밀하게말해서강유전세라믹스는분극화이전이나이후나모두압전체의범주에들어간다고할수있다. 앞장에서언급했듯이강유전재료의경우, 변형량을향상시키는것과일반적인압전특성을향상시키는것은상충관계 (trade-off relationship) 에있다. 극단적인예로특정재료가가진최대의변형량을얻기위해서는분극화를통해유도된압전성이전기장의제거와함께완전히사라져잔류변형이 0 이되는상태를구현하면된다는의미다. 큐리점보다조금높은온도에서 BaTiO 3 (BT) 와같은상온강유전체에전기장을가하는경우를생각해보자. 이온도에서 BT는상유전 (paraelectric) 상태이다. 하지만, Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD) 현상학적모델이이미예측하고, BaTiO 3 단결정을통해실험적으로검증된것처럼특정세기이상의전기장이가해지면상유전에서강유전으로상전이가일어난다. [] 그림 3은실제 LGD 모델을이용해서큐리점보다조금높은온도에서예측된분극및변위이력곡선이다. 전기적사이클과정중가역적으로반복되는상유전과강유전간의상전이를이중분극이력곡선 (double polarization hysteresis) 을통해확인할수있다. 여기서한가지주의할것은, 이중분극이력곡선은통상적으로알려진것과달리재료의반강유전성 (antiferroelectricity) 에대한필요충분조건이아니라는점이다. 즉, 전기장이가해지지않은상태에서는어떠한형태이든거시적으로상유전상태를유지하다가특정세기이상의전기장에가해질때강유전상이유도될수있는재료에서는언제든지이중분극이력곡선을관찰할수있다는의미이다. 이중분극이력곡선을수반하는상전이는앞서언급한것처럼잔류변형이없어일방향사이클에서재료가가질수있는최대변형값을수반한다. 그림 3에제시된것과같은분극 / 변형이력곡선을보이는재료들에서는아예없거나무시할수있을정도로작은압전특성이전기장의인가와함께증폭되는데, 이런의미에서이들재료를통칭하여초기압전 (incipient piezoelectric) 세라믹스라고부른다. [] 초기압전효과는상유전또는반강유전과강유전사이의가역적상전이를통해기존강유전압전재료에서기대하기힘 10 물리학과첨단기술 JANUARY/FBRUARY 013

4 Fig. 3. Polarization and strain hysteresis loop predicted by Landau- Ginzburg-Devonshire model at a temperature slightly above T 0. 든수준의높은변형을보장한다. 하지만, 일반적인상유전 / 강유전간상전이를통한초기압전효과의경우온도증가에 따른상전이전기장값의증가폭이너무크기때문에 [9] 현실적 으로는아주좁은온도영역에서만높은변형값을구현할수 있다. 반강유전 / 강유전간상전이를통한초기압전체의경우 상전이과정에서큰부피변화를동반하기때문에 [10] cycling 과정에서기계적안정성이떨어지므로액추에이터로의응용에 는다소부적합한측면이있다. 반면, 다음장에서소개할완 화형강유전체 (relaxor ferroelectrics) 에기반한초기압전효과 는상대적으로우수한온도안정성과 cycling 에대한기계적 안정성등으로인해향후액추에이터로의응용이크게기대된 다. 3. 거대변형을동반한무연초기압전세라믹스 BNT-BT 시스템은 1991 년 Takenaka 등 [5] 에의해보고된 대표적무연압전시스템으로두가지흥미로운이슈로지금 까지도많은연구가진행되고있다. 첫번째이슈는 BNT 에 7 mol% 의 BT 를고용할때형성되는것으로알려져있는 상경계 (MPB, morphotropic phase boundary) 의결정학적정 체성및특성에대한것이고, 두번째이슈는반강유전상이 순수 BNT 에서대략 85BNT-15BT 에이르는넓은조성영역 에서고온상으로존재한다는것에대한사실여부이다. 현재 두가지이슈에대한논란은 BNT-BT 시스템이완화형강유 전체임이밝혀지면서어느정도잦아드는분위기이지만, [11] 전히소위상경계근처의조성들에서관찰되는전기장의세기 에따른복잡한상전이거동에대해서는이해가부족한상태 이고, 다양한측정기술을통한연구가활발히진행되고있 다. [1-1] P 현재논의의중심인초기압전성에기인한거대변형은 Zhang 등 [15-17] 에의해 (9-x)BNT-BT-xKNN 시스템에서처음보고 되었다. 이들은소위상경계조성으로알려진 9BNT-BT 의 BNT 를 KNN 으로점진적으로치환하면서변형이력곡선의 변화를분석하던중, 그림 (a) 에서보는것처럼 mol% 의 KNN 이치환되는경우홀연히 0.5% 의거대변형이유도 S 여 (a) 9BNT-BT-KNN 0. (b) 000 9BNT-BT T D BNT-BT-KNN BNT-BT 1000 S (%) Fig.. (a) lectric-field-induced bipolar strain of selected compositions in BNT-BT-KNN system, manifesting the appearance of giant strain, and (b) Temperature-dependent dielectric permittivity of poled 9BNT-BT with three representative strain behaviors below, near, and above the depolarization temperature (T D). 됨을관찰하였다. 나아가 KNN 을추가적으로치환하는경우 전체변형의규모가이력의감소와함께점차줄어들면서변 형기구가전왜변형특성으로수렴함을추가로확인하였 다. [18] 최초보고당시에는거대변형의기구에대해이해가부 족했기때문에거대변형이반강유전과강유전사이의가역적 상전이에기인하는것으로제안하였으나, 이후추가적으로진 행된체계적인연구를통해이거대변형이상유전과강유전 사이의가역적변화에기인하는것이고, [19] RFRNCS (kv/mm) [9] W. Merz, Phys. Rev. 91, 513 (1953). 다음장에자세히 설명한것처럼이상유전상은 KNN 의치환을통해 BNT-BT 시스템의고온에르고딕완화형강유전상이상온으로유도된 것임이밝혀졌다. [11] ' 여기서잠깐 BNT-BT-KNN 시스템에대한보다명확한이 해를위해완화형강유전체에대해간략하게확인해보자. 그 림 5 는완화형강유전체를고온에서소위탈분극온도 ( D, depolarization temperature) 라고부르는온도이하로냉각한 [10] S.-. Park, M.-J. Pan, K. Markowski, S. Yoshikawa and L.. Cross, J. Appl. Phys. 8, 1798 (1997). [11] W. Jo, S. Schaab,. Sapper, L. A. Schmitt, H.-J. Kleebe, A. J. Bell and J. Rödel, J. Appl. Phys. 110, 0710 (011). [1] W. Jo, J.. Daniels, J. L. Jones, X. Tan, P. A. Thomas, D. Damjanovic and J. Rödel, J. Appl. Phys. 109, (011). [13] W. Jo and J. Rödel, Appl. Phys. Lett. 99, 0901 (011). [1] C. Ma, H. Guo, S. Beckman and X. Tan, Phys. Rev. Lett. 109, 1070 (01). [15] S.-T. Zhang, A. B. Kounga,. Aulbach, H. hrenberg and J. Rödel, Appl. Phys. Lett. 91, 1190 (007). [1] S.-T. Zhang, A. B. Kounga,. Aulbach, T. Granzow, W. Jo, H.-J. Kleebe and J. Rödel, J. Appl. Phys. 103, (008). [17] S.-T. Zhang, A. B. Kounga,. Aulbach, W. Jo, T. Granzow, H. hrenberg and J. Rödel, J. Appl. Phys. 103, (008). [18] S.-T. Zhang, A. B. Kounga, W. Jo, C. Jamin, K. Seifert, T. Granzow, J. Rödel and D. Damjanovic, Adv. Mater. 1, 71 (009). [19] W. Jo, T. Granzow,. Aulbach, J. Rödel and D. Damjanovic, J. Appl. Phys. 105, 0910 (009). 0 0.% temperature ( o C) 물리학과첨단기술 JANUARY/FBRUARY

5 후분극화처리를하고다시탈분극온도이상으로가열하는과정에서미세조직적으로일어나는일련의상황을개략적으로보여준다. 입방 (cubic) 결정상을가지는고온에서는재료가상유전상태에있는데, 차츰냉각되어최초의전기쌍극자 (electrical dipole) 가형성되는온도인번즈온도 ( B, Burns temperature) [0,1] 에이르면, 유전상수가증가하면서상유전에서는나타날수없는복굴절등과같은성질이발현되기시작한다. 상유전과뚜렷이구분되는이상태의재료를에르고드완화체 (R, ergodic relaxor) 라고부른다. 에르고드완화체는전기쌍극자와열에너지의상호작용의결과에따라그특성이결정된다. 온도가낮아지면열에너지는계속해서감소하는반면전기쌍극자의밀도는증가하기때문에, 전기쌍극자간연관성 (correlation) 이증가하면서재료내부에동일한방향으로정렬된전기쌍극자의모임인수나노미터크기의극나노영역 (polar nano region) 이형성되기시작한다. [] 극나노영역이형성되기시작하면서유전상수값에주파수의존성이뚜렷이나타나기시작한다. 이유전상수값의주파수의존성은극나노영역의크기및분포에밀접한관련이있는데, 일반적으로크기가크고분포가넓을수록주파수의존도는더커진다. 극나노영역이일정크기이상이되면서측정주파수에반응하지못하는극나노영역의수가증가하게되는데, 그결과주파수에의존하는유전상수최대값이나타나게된다. Viehland 등 [3,] 은극나노영역의속도론을연구하는과정에서극나노영역의활성화에너지가 Vogel-Fulcher 관계식으로예측되는냉각온도 ( VF, Vogel-Fulcher temperature) 라고불리는특정온도에이르면발산함을실험적으로보여주었고, 이온도이하에서의상 (phase) 을비에르고드완화체 (NR, nonergodic relaxor) 라고명명했다. 원리적으로에르고드및비에르고드완화체를각각물과얼음에비유하면그차이를쉽게이해할수있다. 즉, 에르고드완화체는, 물분자가끊임없는병진운동을하고있음에도불구하고거시적인물의상태를온도의함수로묘사할수있는것처럼, 통계적으로처리가능한동적인극나노영역을가진시스템으로이해하면된다. 반면에, 비에르고드완화체의경우얼음을구성하는물분자같이공간적으로정적인극나노영역을가진시스템이라고할수있다. 실용적인측면에서두완화체의결정적인차이점은, 비에르고드완화체의경우외부에서인위적으로전기장을가하면비가역적으로강유전체로의상전이를일어난다는점이다. [5,] 이는비에르고드완화체의경우분극이력곡선만으로는일반적인강유전체와구분할수없음을의미한다. 유도된강유전상은재료를탈분극온도 ( 현상학적으로냉각온도와밀접한연관을가지고있지만, 정확하게일치할필요는없다. [] ) 이상으로가열해주어야만제거할 '/1000 '/ NR F Fig. 5. Schematic illustration summarizing the current understanding of relaxor ferroelectrics (P: paraelectric, R: ergodic relaxor, NR: nonergodic relaxor, F: ferroelectric). 수있다. 하지만, 에르고드완화체의경우구성하고있는극나 노영역의동적특성으로인해특정크기이상의전기장이인 가되면쉽게강유전상으로전이되지만, 전기장을제거하면이 내처음에르고드완화체로되돌아간다 ( 그림 5 우측하단 inset diagram 참고 ). 그림 (b) 는비에르고드완화체인 9BNT-BT 의분극처리 후측정된온도에따른유전상수변화및온도에따른변형 이력곡선이다. 비에르고드완화체인 9BNT-BT 가분극처 리후강유전상으로전이했음을억제된유전상수의주파수의 존성및전형적인나비모양변형곡선을통해확인할수있 다. 여기서분극처리된 9BNT-BT 를탈분극온도이상으로 가열해서측정한변형이력곡선을주목해보자. 이온도영역 에서재료의상태는에르고드완화체인데, 그변형이력곡선 의모양이 9BNT-BT-KNN 의그것과정확하게일치함을 확인할수있다. 이는 BNT 를 KNN 으로치환하는과정에서발 RFRNCS T VF T D temperature ( o C) temperature ( o C) [0] G. Burns and F. Dacol, Phys. Rev. B 8, 57 (1983). [1] V. Westphal, W. Kleemann and M. Glinchuk, Phys. Rev. Lett. 8, 87 (199). [] L.. Cross, Ferroelectrics 7, 1 (1987). [3] D. Viehland, S. J. Jang, L.. Cross and M. Wuttig, J. Appl. Phys. 8, 91 (1990). [] D. Viehland, M. Wuttig and L.. Cross, Ferroelectrics 10, 71 (1991). [5] V. Bobnar, Z. Kutnjak, R. Pirc and A. Levstik, Phys. Rev. B: Condens. Matter 0, 0 (1999). [] S. Schaab and T. Granzow, Appl. Phys. Lett. 97, 1390 (010). R T B P ferroelectric Phase (F) non-ergodic Phase (NR) T VF T D ergodic Phase (R) T 1 물리학과첨단기술 JANUARY/FBRUARY 013

6 S (%) textured KNN (LFT) BNT-8ST (kv/mm) BNT-BT-KNN soft PZT BNT-18BT-1KNN BNBK:1 MPB Fig.. State of the art in the accomplished strain behaviors via incipient piezoelectricity in comparison with that of commercial soft PZT (PIC151, PI Ceramics, Germany) and textured KNN. [7] 견된거대변형이화학적치환으로인한탈분극온도의감소와 밀접한연관을가지고있음을시사한다. 실제로거대변형을 나타내는조성의탈분극온도가상온보다조금아래있음이 BNT-BKT-ST 시스템에서실험적으로관찰된바있다. [7] 무연초기압전세라믹스연구의현재와미래 처음 BNT-BT-KNN 시스템에서거대변형이보고된이후, 커뮤니티에서주요쟁점이된이슈는발견된거대변형을실 용적으로사용하기에는유도하는데필요한전기장의세기및 결과적으로수반되는이력 (hysteresis) 이너무크다는점이었 다. 물론큰이력은단순히스위치적인 on/off 형태의액추에 이터응용만을고려한다면그다지문제가되지않겠지만, 인 가전압이높다는점은어떤응용을고려하든궁극적으로문제 의소지가다분하다. 따라서지난 5 년정도의시간동안거대 변형의기구를명확히밝히려는노력과병행해서제기된문제 들을해결하기위해다양한노력이시도되었다. 후속된대부 분의연구는크게두가지방향으로정리할수있다. 첫째는 다양한 dopants 를활용해서극나노영역의성질을바꾸려는 시도이고, [8-30] 다른한방향은 core-shell 구조 [31] 및세라믹 - 세라믹복합체 [3] 제조기술을활용하는, 세라믹스의미세조직 재단을통한물성의최적화다. 전자의경우그림 에정리된 것처럼지난몇년간큰결실이있었고, 현재는 70BNT- 18BT-1KNN [33] 또는 7BNT-8ST [3] 등과같이 3 kv/mm 정도의전계에서이미상업용 soft PZT 의성능에버금가는재 료가개발되기에이르렀다. 특히 7BNT-8ST 의경우 9BNT- BT-KNN 과비교할때, 이력또한현저히줄어들었음을확 인할수있는데, 현재이재료에서어떤이유로이력이현저 히감소했는지를이해하고제어하기위한체계적인연구가활 발히진행되고있다. 한편, 후자의경우아직연구초기단계 로전자에비해성과물이부족하지만, [,35] 일련의고무적인선 행연구결과로비춰볼때, 무연초기압전재료가가진많은 문제점들을해결해줄수있는잠재력을가지고있다는점에 서커뮤니티의관심이나날이커지고있다. 지금의연구추세 를감안하면, soft PZT 를대신해서무연초기압전재료를장 착한액추에이터를시장에서볼날이멀지않았다. RFRNCS [7] K. Wang, A. Hussain, W. Jo and J. Rödel, J. Am. Ceram. Soc. 95, 1 (01). [8] W. Jo,. rdem, R.-A. ichel, J. Glaum, T. Granzow, D. Damjanovic and J. Rödel, J. Appl. Phys. 108, (010). [9] W. Jo et al., J. ur. Ceram. Soc. 31, 107 (011). [30] W. Jo, J. Rödel, J.-S. Lee, Y.-H. Baik and C. Park, Funct. Mater. Lett. 3, 1 (010). [31] S.-Y. Choi, S.-J. Jeong, D.-S. Lee, M.-S. Kim, J.-S. Lee, J. H. Cho, B. I. Kim and Y. Ikuhara, Chem. Mater., 333 (01). [3] D.-S. Lee, S.-J. Jeong,.-C. Park and J.-S. Song, J. lectroceram. 17, 505 (00). [33] Y. Wang, A. B. Kounga Njiwa and C. Hoffmann (Germany, 011). [3] Y. Hiruma, Y. Imai, Y. Watanabe, H. Nagata and T. Takenaka, Appl. Phys. Lett. 9, 90 (008). [35] D. S. Lee, D. H. Lim, M. S. Kim, K. H. Kim and S. J. Jeong, Appl. Phys. Lett. 99, 090 (011). 물리학과첨단기술 JANUARY/FBRUARY

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[ ]-13.fm J. of the Korean Sensors Society Vol. 19, No. 2 (2010) pp. 155 159 0.96( p ½ Á Á Dielectric and piezoelectric properties of 0.96( lead-free ceramics Mi-Ro Kim, Seok-Jin Yoon, and Ji-Won Choi Abstract 0.96(