• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2010.06a
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• pp.306-306
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• 2010

21 세기는 언제, 어디에서, 누구나가 정보를 자유롭게 염가에 이용할 수 있는 유비쿼터스 정보사회가 될 것으로 예상하고 있다. 이러한 유비쿼터스 사회가 실현되기 위해서는 필연적으로 대두되고 있는 과제가 에너지 공급원의 문제이다. 휴대용 전자제품이나 소형 에너지 공급원으로 지금까지 주로 전지가 사용되어 왔지만 이것들은 교환 및 충전이 불가피하다. 이러한 불편함을 개선하기위해 교환과 충전이 불필요하거나 아주 장시간동안 공급해주는 형태의 에너지 공급원의 필요성이 대두되고 있다. 이러한 에너지 공급원으로 최근에 많은 연구가 되고 있는 것이 주위의 환경으로부터 버려지는 에너지를 수확(harvesting)하여 전력으로 변환하는 에너지 하베스팅 (energy harvesting)기술이 연구 개발되고 있다. 에너지 하베스팅 응용을 위해서 사용되어지는 압전 세라믹스는 전압출력계수 ($g_{33}$)가 커야하는데 이것은 압전상수 ($d_{33}$)와 유전상수 (${\varepsilon}_{\tau}$)의 값에 영향을 받는 것으로 알려져있다. 그 중에서 우수한 전기적 특성 때문에 PZT를 기반으로 하는 압전 세라믹스가 사용되어져왔다. 그러나 Pb의 높은 유독성과 Pb를 포함하는 제품들의 처분문제들로 인해 제조에 관한 많은 문제점들을 지니고있다. 그리하여, Pb를 포함하지 않는 Pb-free계에 관한 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 다양한 Pb-free계 후보자들 가운데 $K_{0.5}Na_{0.5}NbO_3$ (KNN)는 높은 큐리온도와 좋은 강유전 특성 및 압전특성 때문에 PZT를 대체할 가장 장래성있는 대안들 중의 하나로 고려되고 있다. 그러나 고온에서 알칼라인 원소들의 높은 휘발성 때문에 보통의 소결공정으로는 소결이 잘되고 치밀한 세라믹스를 얻기가 어렵다. 많은 연구에서 KNN 세라믹스의 소결성을 개선하기 위하여 강유전 또는 반강유전체인 $SrTiP_3$와 $LiTaO_3$를 고용체 형성에 포함시키고 또한 $K_4CuNb_8O_{23}$, $MnO_2$, CuO등과 같은 소결조제를 첨가하여 압전 특성과 소결성을 개선시켰다. 따라서 본 연구에서는 비화학양론적 (1-X)[$[(K_{0.5}Na_{0.5}]_{0.97}(Nb_{0.96}Sb_{0.04})O_3]$ + 0.008CuO + 0.2wt% $Ag_2O$ + X $CeMnO_3$의 조성을 사용하여 A사이트와 B 사이트에 각각 Ce이온과 Mn 이온의 치환량을 변화하여 그에 따른 유전 및 압전특성을 조사하였다.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.34 no.5
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• pp.301-313
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• 2021

Theoretical background for the meaning of various piezoelectric properties can be easily found in a number of textbooks and academic papers. In contrast, how they are actually measured and characterized are rarely described, though this information would be the most important especially to the researchers who just started working on the field. It follows that this report was intended to provide a practical guidance for measuring basic but essential properties of ferroelectric-based piezoelectric materials. The discussion begins with how to measurement dielectric properties such as dielectric permittivity and loss (dissipation factor), followed by piezoelectric properties such as piezoelectric constants, electromechanical coupling factor, and quality factor as well as ferroelectric features, i.e., electric field dependent polarization hysteresis. Though our discussion here is limited to the techniques that are already well-standardized, it is expected to make a seed to be developed into more challenging and creative ones.

• Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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• v.17 no.7
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• pp.1645-1652
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• 2013

In this paper, a new piezoelectric transducer for high performance ultrasonic flaw detector used in non-destructive test (NDT) is implemented. Here, the goals for some major characteristics such as piezoelectric strain constant and electro-mechanical coupling factor are fixed in advanced. Then, the parameters obtained by finite element analysis (FEA) are exploited to design and implement the piezoelectric transducer. As a result of experiments using manufactured samples, it is proved that the new PZT ceramics satisfy the goals very well. It has much improved impedance characteristic at the resonant frequency and generation of ultrasonic signals. In addition, ultrasonic flaw detector with the new transducer provides increased flaw detecting gain than the conventional one. Thus, it is considered that the new flaw detector contributes significantly to improve reliability of the NDT.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2005.11a
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• pp.27-28
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• 2005

본 연구에서는$Cr_2O_3$ 와 $Nb_2O_5$ 를 첨가한 $Pb(Zr_{0.54}Ti_{0.48})O_3$ 세라믹스에서 $Nb_2O_5$ 첨가량에 따른 소결 및 압전, 유전특성을 조사하였다. $Pb(Zr_{0.54}Ti_{0.48})O_3$ + 0.2 wt% $Cr_2O_3$ + wt% $Nb_2O_5$ ($0.{\sim}2wt.%$)의 첨가량에 따른 압전, 유전특성 및 미세구조에 관해 연구하였다. 본조성에서 $Nb_2O_5$ 첨가량이 증가함에 따라 입경의 크기는 증가하였으며, 0.5 wt% $Nb_2O_5$ 첨가조성에서 $4\sim5\mu m$의 최대 평균입경을 보이다가 그 이상의 첨가 조성에서 급격히 감소하였다. 유전상수와 kp 는 $Nb_2O_5$ 첨가량이 1.0 wt% 조성까지 증가하였다가 그 이상 조성에서 감소하였다. $Nb_2O_5$ 첨가량이 증가함에 따라 삼방정(rhombohedral)구조에서 정방정(tetragonal)구조로 상전이 일어났으며, 본 조성의 상경계 영역인 0.5 wt% 조성에서 $\varepsilon_r$ = 730, $k_p$ = 0.72, $d_{33}$ = 450, $g_{33}$ = 70의 우수한 압전 특성을 나타내었다. 이러한 조성은 접촉센서용 복합압전소재의 실용가능성을 제시하였다.

• Aerospace Engineering and Technology
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• v.12 no.1
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• pp.32-39
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• 2013

All spacecraft components shall be checked for compatibility with vacuum using CVCM and TML in advance. CVCM and TML of the PZT-5 piezoelectric vibrator has to be less than 0.1% and 1.0% respectively. Also, it has less than $500ng/cm^2/hr$ of TQCM for vacuum bake-out test using high temperature and high vacuum. Thus, the piezoelectric vibrator may be employed in the vacuum environments. Finally, it can be confirmed that the characteristics change of the piezoelectric vibrator is less than 1% under vacuum environments. Also, the temperature dependency of the characteristics in the PZT-5 piezoelectric vibrator with the lateral mode was investigated in the range of $-100^{\circ}C$ to $90^{\circ}C$ using the thermal vacuum chamber to utilize the vibrator to the aerospace industries. As the results, at room temperature, the resonant and anti-resonant frequencies had the minimum value, whereas, the dielectric constant increased linearly from about 2500 to 7500 in the given temperature range. The mechanical loss decreased linearly from 0.08 to 0.03.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.89-90
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• 2010

최근 우리는 InGaAs 위에 성장한 InAs 양자점에 GaAs를 얇게 덮음으로써 양자고리를 성장하고, 그 광학적 특성을 분석하였다. [1] 이번 연구에서는 이 양자고리 구조의 전자 구조 및 광학적 특성을 전산모사를 통해 계산하였고, GaAs가 구조의 응력, 압전 포텐셜 및 light-hole 분율에 미치는 영향을 분석하였다. 이론적인 분석을 위해, valence force field 방법을 이용하여 이종 물질간의 격자상수 차이에 의한 격자 변형 및 압전 포텐셜의 변화를 계산하였고, 양자고리 내 전자의 양자화 에너지 및 파동함수를 k p 방법을 통해 얻을 수 있었다. 또한 광학적인 특성 등의 다체 효과를 예측하기 위해 configuration interaction 방법을 사용하였다. 이 연구에서 우리는, GaAs가 InAs에 강한 압축 응력을 가할 것이라는 일반적인 예측과 달리, InGaAs 매트릭스 안에서는 격자상수가 작은 GaAs가 InAs 양자고리에 효과적인 압축 응력을 가할 수 없음을 보였다. 특히 GaAs 층의 두께가 얇을 경우, InGaAs 매트릭스에 의해 인장 응력을 받는 GaAs가 InAs의 응력을 해소하기 충분한 공간을 제공하여, 오히려 InAs의 압축 응력을 약화시키는 것을 알 수 있었다. 이 연구 결과는 응력 분포가 단순한 양자우물 등의 2차원 구조와 달리, 응력 분포가 복잡한 3차원 나노 구조에서는 단순히 격자상수만으로 파장 변화 경향을 예측할 수 없음을 나타낸다. 또한 우리는, GaAs의 큰 negative 이방 응력과 InAs의 작은 positive 이방 응력에 의해 전자와 heavy-hole은 InAs에, light-hole은 GaAs에 구속됨을 보였다. 즉, InAs보다 밴드갭이 큰 GaAs가 전자와 heavy-hole에 대해서는 강한 포텐셜 배리어로 작용하지만 light-hole에 대해서는 포텐셜 우물로 작용하는, 반 우물-반 배리어 특성을 가짐을 알 수 있었다. 이로 인해 GaAs가 있는 양자고리의 light-hole 분율이 GaAs가 없을 경우에 비해 2배에서 8배가량 증가함을 보일 수 있었다. 비슷한 특성이 hole에 대해서는 InP나 InGaAsP 위에 성장한 GaAs 층에서 보고된 바가 있으나, 전자는 InAs로, hole은 GaAs로 분리할 수 있는 3차원 나노 구조에 대한 연구는 이 연구가 처음이다. [2]

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2008.06a
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• pp.306-306
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• 2008

기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 변환소자인 압전 세라믹스는 액추에이터, 변압기, 초음파모터, 초음파 소자 및 각종 센서로 응용되고 있으며, 그 응용분야는 크게 증가하고 있다. 최근에는 이러한 압전 소자를 앞으로 도래하는 ubiquitous, 무선 모바일 시대의 휴대용 전자제품, robotics, MEMS 분야 등의 대체 에너지원으로 응용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 특히 인간의 걷기 운동 등과 같은 일상적인 동작으로 필요한 전력을 얻을 수 있고, 세라믹 소자를 이용하기 때문에 전자노이즈가 발생되지 않을 뿐 아니라 반영구적으로 사용할 수 가 있어서, 기존 이차전지를 대체 또는 보완 할 수 있는 방안도 검토되고 있다. PZT계 세라믹스는 높은 유전상수와 우수한 압전특성으로 전자세라믹스 분야에서 가장 널리 사용되어지고 있지만 $1200^{\circ}C$ 이상의 높은 소결온도 때문에 $1000^{\circ}C$ 부근에서 급격히 휘발되는 PbO로 인한 환경오염과 기본조성의 변화로 인한 압전 특성의 저하가 문제시 되고 있다. 또한 적층 세라믹스의 제작 시 구조적 특성상 내부전극이 도포된 상태에서 동시 소결이 필요한데, 융점이 낮은 Ag전극 대신 값비싼 Pd나 Pt가 다량 함유된 Ag/Pd, Ag/Pt 전극이 사용되고 있어 경제성이 떨어지는 단점을 갖게 된다. 순수 Ag 전극을 사용하거나 Ag의 비율이 높은 내부전극을 사용하기 위해서는 $900^{\circ}C$ 이하에서 소결되고 우수한 전기적 특성을 보이는 압전 세라믹스를 개발 하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 압전특성이 우수한 $(Pb_{1-x}Cd_x)(Ni_{1/3}/Nb_{2/3})_{0.25}(Zr_{0.35}/Ti_{0.4})O_3$ 계의 조성을 설계하고, 소걸온도를 낮추기 위해서 2 단계 하소법을 이용하였다. 또한 $MnCO_3$, $SiO_2$, $Pb_3O_4$ 등을 소량 첨가하여 액상 소결 특성을 부여하여 소결 온도를 감소시키려는 시도도 하였다. 분말을 볼 밀링 (ball milling)을 통해 24시간 동안 혼합하고, 혼합된 분말은 $800^{\circ}C$에서 2시간 동안 하소하였다. 하소한 분말을 다시 72시간 동안 볼 밀링 하여 최종 분말을 얻었다. 최종 분말에 PVB를 첨가하여 직경 15mm의 디스크 형태로 성형한 후, 850~$975^{\circ}C$ 범위에서 온도를 변화시키면서 소결을 하였다. 최종 분말 및 소결된 시편을 XRD분석을 통하여 상을 확인하였고, SEM을 이용하여 미세조직을 관찰 하였다. 전기적 특성을 평가하기 위하여 두께를 1mm로 연마한 시편에 Ag 전극을 도포하여 $650^{\circ}C$에서 열처리한 후, 분극처리 하였다. 압전특성은 $d_{33}$-meter로 측정하였고, impedance analyzer를 이용하여 압전 특성 (전기기계결합계수 및 기계적품질계수)을 측정 하였다. 또한 강유전체 특성 평가 장치 (Precision-LC)를 이용하여 분극-전계 특성을 평가하였다. 이상의 연구를 통하여 소결 온도가 $900^{\circ}C$인 경우에서도 양호한 압전 특성을 확보 할 수 있었다.

• The Journal of the Acoustical Society of Korea
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• v.31 no.8
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• pp.514-522
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• 2012

The temperature dependence of the characteristics in a PZT-5 piezoelectric ceramic vibrator with the transverse mode was investigated in the range of $-100^{\circ}C$ to $90^{\circ}C$ using a thermal vacuum chamber to utilize the vibrator in aerospace industries. As the results, at room temperature, the resonant and anti-resonant frequencies had the minimum value, whereas, the dielectric constant increased linearly from about 2500 to 7500 in the given temperature range. The mechanical loss decreased linearly from 0.08 to 0.03. Through the regression analysis, the temperature dependence functions of the characteristics were derived to linear and square regression functions. Applying the functions, the input admittance characteristics of the piezoelectric vibrator were calculated, and the results showed good agreement with measured ones. It can be confirmed that this method is useful to estimate the characteristics change of the piezoelectric vibrator caused by the temperature change under the space environment.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 2010.06a
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• pp.311-311
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• 2010

Aerosol deposition method(ADM)은 상온에서 에어로졸화 된 고상의 원료분말을 노즐을 통해 분사시켜 소결과정을 거치지 않고도 상온에서 고밀도 후막을 제조할 수 있는 공정이다. 이러한 Aerosol deposition method의 장점은 상온에서 고밀도 후막을 제조할 수 있고, 다양한 재료의 코팅이 가능하며, 코팅층의 조성 및 화학 양론비의 제어가 용이하다. 본 연구에서는 많은 장점을 가지고 있는 Aerosol deposition method를 이용하여 높은 유전상수, 압전계수, 초전계수를 갖는 $BaTiO_3$ 분말을 원료로 하여 압전소자, 커패시터, 고전압용 유전체 등에 응용이 가능한 유전체 형성에 관한 연구를 진행하였다. 또한 $BaTiO_3$ 같은 강유전체 세라믹을 이용하여 여러 가지 소자를 제조하는 경우 소자의 미세조직에 따라 물성이 영향을 받는 것으로 확인되어져 있다. 이에 본 연구에서는 세라믹 분말보다 상대적으로 탄성이 큰 polymer 분말 중 높은 유전율을 갖고 압전특성이 있는 Polyvinyl difluoride(PVDF)를 선정하여 $BaTiO_3$ 분말에 첨가하여 동시분사법을 사용해 복합체 후막을 성장시켰고, 또한 금속 분말을 첨가하여 동시분사법을 사용해 복합체 후막을 성장시켰다. 성장된 복합체 후막은 유전율과 유전손실 그리고 leakage current, breakdown voltage, 미세구조 분석 등 다양한 분석이 이루어 졌으며, embedded capacitor 유전체 층으로 응용 가능성을 가늠하였고, 상온에서 제조된 유전체 층의 응용을 위한 최적의 공정조건을 제시하고자 한다.

• Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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• 2004.11a
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• pp.407-412
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• 2004

본 연구에서는 PMN-PT bimorph actuator를 이용하여 초소형 광디스크 드라이브용 광픽업 구동기를 제작하였다. 최근에 휴대용 기기에서의 고용량 정보 저장기기에 대한 필요성이 대두됨에 따라 착탈식이 가능한 수 기가급 초소형 광디스크 드라이브가 개발중에 있다. PMN-PT는 약 1.5kV/cm 이하의 전기장에서는 PZT같은 압전 소자와 마찬가지로 입력 전압에 대한 변형률이 선형성을 나타내는데, 사용된 PMN-PT는 PZT의 약 3배 가까운 압전 상수값을 나타내었다. 보 끝단에 외부 힘이 작용할 때 PMN-PT bimorph 구동기가 낼 수 있는 수직 방향의 힘과 변위에 대해서 일반적인 적층 형태로 이론적인 해석을 수행 하였다. 그리고 이 bimorph로 구동될 Cymbal 형태의 변위 확대 기구의 변위에 대한 이론적인 모델을 제시하고, 이를 이용하여 2개의 bimorph로 2축을 동시에 구동하는 픽업 구동기를 제작하였다. 3개의 제작된 prototype으로 실험을 수행하여 예상 변위량과 잘 일치함을 보였다. 또한, 상용 해석 프로그램인 Matlab과 Ansys를 이용하여 Cymbal 확대 기구의 여러 파라미터에 따른 구동 성능의 민감도를 확인해 보았다.