Na_0.5K_0.44Li_0.06NbO₃무연압전사기의 압전 및 유전특성과 온도안정성에 주는 WO₃첨가의 영향

PZT에 기초한 압전사기는 우수한 압전 및 유전특성으로 하여 여러가지 수감부들과 구동장치들에 널리 응용되고있다. 그러나 제작과정에 Pb의 증발로 하여 환경오염을 일으키고 사용온도가 300℃이하인것으로 하여 PZT를 대신할수 있는 무연압전사기재료개발사업이 세계적범위에서 광범히 진행되고있다. PZT에 기초한 압전사기와 특성이 비교되는 무연압전재료들은 페로브스카이트구조를 가진 Na_0.5K_0.5NbO₃(NKN)계와 Na_0.5Bi_0.5TiO₃(BNT)계, BaTiO₃계에 기초한 사기재료들로서 그중에서도 NKN에 기초한 무연압전사기는 우수한 압전특성과 높은 큐리온도를 가지고있는것으로 하여 특별한 관심을 끌고있다.

최근 김일성종합대학 첨단기술개발원의 연구사들은 Na_0.5K_0.44Li_0.06NbO₃(NKLN)무연압전사기에 WO₃을 첨가하고 첨가량에 따르는 유전 및 압전특성의 변화와 온도안정성을 고찰함으로써 고온에서 리용할수 있는 무연압전사기재료를 제작하였다.

각이한 WO₃첨가제가 들어있는 Na_0.5K_0.44Li_0.06NbO₃(NKLN)+_xWO₃(x=0~0.08)사기의 밀도는 소결온도가 증가함에 따라 증가하며 매 조성에 따라 최대밀도를 나타내는 최적소결온도가 존재한다.(그림 1)

그림 1. 서로 다른 온도에서 소결한 각이한 WO₃첨가량이 들어있는 사기시편들의 밀도변화

WO₃첨가량이 x≤0.06이하인 경우 k_p와 d₃₃은 x의 증가에 따라 증가되며 x=0.06에서 d₃₃~235pC/N, k_p~42.1%, tanδ~0.043, Q_m~61, T_C~442℃의 우수한 압전 및 유전특성이 얻어진다.(그림 2)

그림 2. WO₃첨가량에 따르는 NKLN-_xWO₃사기시편의 전기력학적결합곁수(k_p)와 력학적우량도(Q_m), 압전곁수(d₃₃), 유전손실(tanδ)의 변화

WO₃을 첨가할 때 계의 중성을 유지하기 위해 약간의 A자리빈틈들이 발생하며 이것은 비180°도멘들의 편극방향이 변화되면서 발생하는 변형을 완화시켜 180°도멘들의 편극변화가 충분히 진행되도록 함으로써 사기의 압전특성을 개선시킨다. 온도안정성을 평가하기 위하여 400℃에서 48h동안 열처리하고 k_p의 변화특성을 고찰한 결과 WO₃이 증가함에 따라 k_p의 변화가 작아진다는것을 발견하였다.

이 연구결과들은 잡지 《Applied Physics A》에 《Effect of WO₃ doping on the piezoelectric property and temperature stability of lead free Na_0.5K_0.44Li_0.06NbO₃ ceramics》(https://doi.org/10.1007/s00339-021-04586-7)의 제목으로 출판되였다.