• 한국결정성장학회지
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• 제8권4호
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• pp.599-604
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• 1998

본 논문은 PZT 박막의 기억소자 응용을 위한 Pt 그리고 RuO2 박막을 조사하였다. 초고주파 마그네트론 스퍼터링 방법을 이용하여 하부전극을 성장하였으며, 조사된 실험변수는 기판온도, 가스 부분압, RF 전력 그리고 후열처리 등이다. 기판온도는 Pt, $RuO_2$박막의 결정구조 뿐만 아니라 표면구조 및 비저항 성분에 크게 영향을 주었다. Pt 박막의 XRD 분석으로 기판온도가 상온에서 $200^{\circ}C$까지는 (111) 그리고 (200) 면이 혼재하는 결과를 보였으나 $300^{\circ}C$에서는 (111) 면으로 우선 방위 성장 특성을 보였다. XRD와 AFM 해석으로부터 Pt 박막 성장시 기판온도 $300^{\circ}C$, RF 전력 80W가 추천된다. 산소 분압비를 0~50%까지 가변하여 조사한 결과 산소가 5% 미만으로 공급되면 Ru 금속이 성장되고, 산소 분압비가 10 ~40%까지는 Ru와 $RuO_2$ 상이 공존하였으며 산소 분압비가 50%에서는 순수한 $RuO_2$상만이 검축되었다. 이 결과로부터 RuO2/Ru 이층 구조의 하부전극 형성이 산소 가스 부분압을 조절하여 한번의 공정으로 성장 가능하며, 이런 구조를 이용하면 금속의 낮은 비저항을 유지하면서도 PZT 박막의 산소 결핍에 의한 기억소자의 피로도 문제를 완화할 것으로 사료된다. 후 열처리 온도를 상온에서부터 $700^{\circ}C$까지 증가할 때 Pt와 $RuO_2$의 비저항 성분은 선형적 감소 추세를 보였다. 본 논문은 강유전체 기억소자 응용을 위한 최적화된 하부전극 제적조건을 제시한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.476-476
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• 2014

서론: 저 전력 소모를 필요로 하는 무선 센서 네트워크 관련 기술의 급격한 발달과 함께 자체 전력 수급을 위한 진동 에너지 수확 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 다양한 구조와 소재를 압전 외팔보에 적용하여 제안하고 있다. 그 중에서도 진동 기반의 에너지 수확 소자는 주변 환경에서 쉽게 진동을 얻을 수 있고, 높은 에너지 밀도와 제작 방법이 간단하다는 장점을 가지고 있어 많은 분야에 응용 및 적용 가능하다. 기존 연구에서는 2차원적으로 진동 에너지 수확을 위한 휜 구조의 압전 외팔보를 제안 하였다. 휜 구조를 갖는 압전 외팔보는 각각의 짧은 두 개의 평평한 외팔보가 일렬로 연결된 것으로 볼 수 있다. 하나의 짧고 평평한 외팔보는 진동이 가해지면 접선 방향으로 응력이 생겨 최대 휨 모멘텀을 갖게 된다. 그러므로 휜 구조를 갖는 외팔보는 진동이 인가됨에 따라 길이 방향과 수직 방향으로 진동한다. 하지만, 이 구조는 수평 방향으로 가해지는 진동에 대한 에너지를 수확하기에는 한계점을 가진다. 즉, 3축 방향에서 임의의 방향에서 진동 에너지를 수확하기는 어렵다. 본 연구에서는 3축 방향에서 에너지를 효율적으로 수확할 수 있도록 헤어-셀 구조의 압전 외팔보 에너지 수확소자를 제안한다. 제안된 소자는 길이 방향과 수직 방향뿐만 아니라 수평 방향으로도 진동하여 임의의 방향에서 진동 에너지를 수확할 수 있다. 구성 및 공정: 제안하는 소자는 3축 방향에서 임의의 진동을 수확하기 위해서 길이를 길게 늘이고 길이 방향을 따라 휘어지는 구조의 헤어-셀 구조로 제작하였다. 외팔보의 구조는 외팔보의 폭 대비 길이의 비가 충분히 클 때, 추가적인 자유도를 얻을 수 있다. 그러므로 헤어-셀 구조의 에너지 수확 소자는 기본적인 길이 방향, 수직방향 그리고 수평방향에 더불어 추가적으로 뒤틀리는 방향을 통해서 3차원적으로 임의의 주변 진동 에너지를 수확하여 전기적인 에너지로 생성시킬 수 있다. 제작된 소자는 높은 종횡비를 갖는 무게 추($500{\times}15{\times}22{\mu}m3$)와 길이 방향으로 길게 휜 압전 외팔보($1000{\times}15{\times}1.7{\mu}m3$)로 구성되어있다. 공정 과정은 다음과 같다. 먼저, 실리콘 웨이퍼 위에 탄성층을 형성하기 위해 LPCVD SiNx를 $0.8{\mu}m$와 LTO $0.2{\mu}m$를 증착 후, 각각 $0.03{\mu}m$과 $0.12{\mu}m$의 두께를 갖는 Ti와 Pt을 하부 전극으로 스퍼터링한다. 그리고 Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 박막을 $0.35{\mu}m$ 두께로 졸겔법을 이용하여 증착하고 상부 Pt층을 두께 $0.1{\mu}m$로 순차적으로 스퍼터링하여 형성한다. 상/하부 전극은 ICP(Inductively Coupled Plasma)를 이용해 건식 식각으로 패턴을 형성한다. PZT 층과 무게 추 사이의 보호막을 씌우기 위해 $0.2{\mu}m$의 Si3N4 박막이 PECVD 공정법으로 증착되고, RIE로 패턴을 형성된다. Ti/Au ($0.03/0.35{\mu}m$)이 E-beam으로 증착되고 lift-off를 통해서 패턴을 형성함으로써 전극 본딩을 위한 패드를 만든다. 초반에 형성한 실리콘 웨이퍼 위의 SiNx/LTO 층은 RIE로 외팔보 구조를 형성한다. 이후에 진행될 도금 공정을 위해서 희생층으로는 감광액이 사용되고, 씨드층으로는 Ti/Cu ($0.03/0.15{\mu}m$) 박막이 스퍼터링 된다. 도금 형성층을 위해 감광액을 패턴화하고, Ni0.8Fe0.2 ($22{\mu}m$)층으로 도금함으로써 외팔보 끝에 무게 추를 만든다. 마지막으로, 압전 외팔보 소자는 XeF2 식각법을 통해 제작된다. 제작된 소자는 소자의 여러 층 사이의 고유한 응력 차에 의해 휨 변형이 생긴다. 실험 방법 및 측정 결과: 제작된 소자의 성능을 확인하기 위하여 일정한 가속도 50 m/s2로 3축 방향에 따라 입력 주파수를 변화시키면서 출력 전압을 측정하였다. 먼저, 소자의 기본적인 공진 주파수를 얻기 위하여 수직 방향으로 진동을 인가하여 주파수를 변화시켰다. 그 때에 공진 주파수는 116 Hz를 가지며, 최대 출력 전압은 15 mV로 측정되었다. 3축 방향에서 진동 에너지 수확이 가능하다는 것을 확인하기 위하여 제작된 소자를 길이 방향과 수평 방향으로 가진기에 장착한 후, 기본 공진 주파수에서의 출력 전압을 측정하였다. 진동이 길이방향으로 가해졌을 때에는 33 mV, 수평방향으로 진동이 인가되는 경우에는 10 mV의 최대 출력 전압을 갖는다. 제안하는 소자가 수 mV의 적은 전압은 출력해내더라도 소자는 진동이 인가되는 각도에 영향 받지 않고, 3축 방향에서 진동 에너지를 수확하여 전기에너지로 얻을 수 있다. 결론: 제안된 소자는 3축 방향에서 진동 에너지를 수확할 수 있는 에너지 수확 소자를 제안하였다. 외팔보의 구조를 헤어-셀 구조로 길고 휘어지게 제작함으로써 기본적인 길이 방향, 수직방향 그리고 수평방향에 더불어 추가적으로 뒤틀리는 방향에서 출력 전압을 얻을 수 있다. 미소 전력원으로 실용적인 사용을 위해서 무게추가 더 무거워지고, PZT 박막이 더 두꺼워진다면 소자의 성능이 향상되어 높은 출력 전압을 얻을 수 있을 것이라 기대한다.

• 한국지진공학회논문집
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• 제10권6호
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• pp.79-91
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• 2006

이 연구에서는 강교량과 같은 토목 구조물에서 유도파의(Guided waves)한 종류인 램파(Lamb wave)를 이용하여 실시간으로 균열손상을 감지할 수 있는 새로운 비파괴 검사방법을 제안한다. 기존의 유도파를 이용한 기술들은, 손상을 감지하기 위해 비손상 상태의 자료를 저장하고 이를 새로이 얻어진 결과와 비교하는 방법을 사용함으로써 잠재적인 손상을 진단해 왔다. 그러나, 공용중인 강구조물은 다양한 하중 뿐 아니라 상시로 변화하는 자연환경에 노출되어 있기 때문에 동일한 비손상 상태의 응답을 얻는 것이 매우 어려우며 이러한 방법을 적용할 경우 오보(false alarm)의 우려도 매우 높다고 할 수 있다. 따라서 이 연구에서는 보다 안정적인 손상감지기법을 개발하기 위해 기존에 얻어진 초기치를 이용하지 않으면서 실시간으로 손상 여부를 판단할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 이 연구에서 제안된 감지 기술은, 압전소자의 극성과 판파의 특성을 이용하는 것으로 얇은 판의 양면에 부착된 압전소자를 통하여 균열손상에 의한 신호를 선택적으로 감지해 내는 데에 그 목적이 있다. 균열이 발생한 판에서 진행하는 판파는 균열로 인한 판의 두께변화로 인해 모드 변화를 일으키게 되는데, 제안된 감지기법으로 이러한 모드 변화만을 선택적으로 추출할 수 있다. 다양한 수치해석과 실험을 통해 이 연구에서 제안된 손상감지기법의 효율성과 적용성을 입증한다.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제25권12호
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• pp.955-960
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• 2012

We fabricated piezoelectric unimorph cantilever generators (UCG) using $Pb(Zr_{0.54}Ti_{0.46})O_3$ + 0.2 wt% $Cr_2O_3$ + 1.0 wt% $Nb_2O_5$ (PZCN) piezoelectric thick films, which were produced by a tape casting method. The PZCN thick films were tailored with same width and thickness but different lengths from 7.7 to 57.7 mm in order to evaluate optimized UCG for energy harvesting device applications. When the length of PZCN film was increased, the resonance frequency of UCG was slightly increased from 7 Hz to 8 Hz, which could be due to enlarged area of the highly stiff piezo-ceramic film. However, the output power was proportionally increased with the length of PZCT film and it reached 4.68 mW (1.221 $mW/cm^3$) when the film's length was 57.7 mm under 25 g of tip mass at 8 Hz, which is sufficient for micro-scale device applications.

• 한국세라믹학회지
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• 제39권1호
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• pp.92-98
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• 2002

Pb(Zr$_{0.8}$Ti$_{0.2}$)O$_3$강유전체 음극의 상부 전극 크기를 변화시키며(500$mu extrm{m}$~900$\mu\textrm{m}$)비대칭 전극 구조에서의 전자 방출에 대하여 연구하였다. 펄스 전기장을 가했을 때 나타나는 분극 반전에 의한 전류 밀도는 상부 전극 크기를 감소시킴에 따라 증가하였다. 이것은 비대팅 전극 구조에 의해 강유전체 표면에서 stray-field가 발생하고, stray field가 전극의 모서리 부근의 강유전체 표면 하부에도 분극 반전을 발생시켰기 때문이다. 전기장 전산모사를 통하여 이러한 stay-field의 존재 가능성을 예측할 수 있었고, 분극 반전에 의한 전류 밀도 측정 결과 stray-field가 미치는 거리는 약 11-l4$\mu\textrm{m}$이었다. 전자방출의 문턱전계는 항전계 의 약 3배인 61-68kV/cm이었으며, 문턱전계가 단순히 강유전체의 항전계에 의해 결정되는 것이 아니라, 강유전 음극의 구조에 의해 결정되는 stray-field의 세기와 stray-field가 미치는 거리에 영향을 받음을 전산모사를 통해 예측할 수 있었다.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제30권5호
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• pp.263-269
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• 2017

A piezoelectric cantilever energy harvester (PCEH) driven in longitudinal (3-3) vibration mode was fabricated, and its electrical properties were evaluated by varying the resistive load. A commercial PZT piezoelectric ceramic with a high piezoelectric charge constant ($d_{33}$) of 520 pC/N and the interdigitated (IDT) electrode pattern was used to fabricate the PCEH driven in longitudinal vibration. The IDT Ag electrode embedded piezoelectric laminates were co-fired at $850^{\circ}C$ for 2 h. The 3-3 mode PCEH was successfully fabricated by attaching the piezoelectric laminates to a SUS304 elastic substrate. The PCEH exhibited a high output power of 3.8 mW across the resistive load of $100k{\Omega}$ at 100 Hz and 1.5 G. This corresponds to a power density of $10.3mW/cm^3$ and a normalized global power factor of $4.56mW/g^2{\cdot}cm^3$. Given the other PCEH driven in transverse (3-1) vibration mode, the 3-3 mode PCEH could be better for vibration energy harvesting applications.

• 한국전기전자재료학회논문지
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• 제24권7호
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• pp.563-567
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• 2011

The most widely used piezoelectric ceramics are lead oxide based ferroelectrics (PZT). However, the toxicity of lead oxide and its high vapor pressure during processing have led to a demand for alternative lead-free piezoelectric materials. We synthesized Lead-free piezoelectric ceramics of $0.96(K_{0.5}Na_{0.5})NbO_3-0.04SrZrO_3+x$ mol% $ZrO_2$ [KNN-SZ+$xZrO_2$; x= 0~0.10] doped with 0.1 wt% $MnO_2$ by a conventional solid state method. We investigated the piezoelectric properties and microstructures of these disk samples sintered in reduced atmosphere in order to evaluate the possibility of the multilayered piezoelectric ceramics having the base metal such as Ni as a internal electrode. All of these KNN-SZ samples sintered in 3%$H_2-97%N_2$ atmosphere at $1,140^{\circ}C$ exhibit pure perovskite structure irrespective of the content of $ZrO_2$. Meanwhile, the sintering denisty and piezoelectric properties such as $K_p$, $Q_m$ and $d_{33}$ of KNN-SZ samples as a function of $ZrO_2$ content show the maxima ($k_p$=28.07%, $Q_m$= 101.34, $d_{33}$= 156 pC/N) at x= 0.04 and it is likely that there is some morphotropic phase boundary(MPB) in this KNN-SZ+$xZrO_2$ composition system. These results indicate that the ceramic composition is a promising candidate material for applications in lead free multilayer piezoelectric ceramics.

• Transactions on Electrical and Electronic Materials
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• 제6권5호
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• pp.202-209
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• 2005

Phase evolution, microstructure and the electrical properties such as $k_p$ and $Q_m$ of $Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3[PMN]-Pb(Mn_{1/3}Nb_{2/3})O3[PM'N]-PbZrO_3[PZ]-PbTiO_3[PT]$ quaternary system were investigated within the compositional ranges $0{\leq}y{\leq}0.125$, y+z=0.125, and $0.39{\leq}x{\leq}0.54$ of the formula $Pb_{0.97}Sr_{0.03}[Mg_{1/3}Nb_{2/3})_y\;(Mn_{1/3}Nb_{2/3})_z\;(Zr_{x}Ti_{1-x})_{1-(y+z)}]O_3$. In the case of increasing Mn/(Mg+Mn) ratio for a fixed Zr/Ti ratio of 47.5/52.5, phase relation remained unchanged but the grain size drastically decreased, and the electrical properties changed as following: both $k_P$ and $Q_m$ reached the peak values at $Mn/(Mg+Mn)\cong0.3l7$ and gradually decreased; $\varepsilon33^T$ showed a monotonic decrease; P-E hysteresis loop gradually changed to asymmetrical one, and $E_i$ increased in correspondence. With increasing Zr/Ti ratio for a fixed Mn/(Mg+Mn) ratio of 0.317, on the contrary, the cell parameter $(\alpha^2c)^{1/3}$ gradually increased, and tetragonal-rhombohedral morphotropic phase boundary appeared in the range of $51/49{\leq}Zr/Ti{\leq}54/46$. the meantime, the grain size substantially increased, and the electrical properties changed as following: $k_P$ and $\varepsilon33^T$ reached peak values at Zr/Ti=51/49 and 48/52, respectively, and then gradually decreased; change of $Q_m$ was adverse to $k_P$; both $E_C\;and\;E_i$ considerably decreased while $P_S$ moderately increased. For the system 0.125(PMN+PM'N)-0.875PZT studied, the composition Mn/(Mg+Mn)=0.3l7 and Zr/Ti=51/49 revealed some promising electrical properties for piezoelectric transformer application such as $k_P=0.58,\;Q_m\cong1000$, and $\varepsilon^T_{33}=970$, as well as dense and fine-grained microstructure.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2010년도 하계학술대회 논문집
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• pp.304-304
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• 2010

최근 생활에 편리하며 휴대하기 좋은 전자기기들이 개발되고 있다. 휴대폰이나 MP3와 같은 전자기기들은 거의 필수품이라고 할 정도로 우리의 일상생활에 근접하여 있다. 그 종 대표적으로 휴대폰의 종류로 스마트폰과 같은 터치스크린을 이용한 사례는 점차 상승하고 있으며 시간이 지날수록 그 수요는 더욱 많아지고 있다. 때문에 몰입감 제공을 위하여 햅틱장치의 채용이 일반화 되고 있다. 햅틱장치란 가상환경이나 원거리에 있는 환경과 사용자가 상호 작용할 때 사용자에게 촉감이나 힘의 정보를 전달하여 주는 장치로 진동 및 회동 저항에 의해 사용자로 하여금 촉감들 느낄 수 있도록 하는 장치를 뜻한다. 즉, 현실감을 전달을 중점으로 하는 햅틱장치는 빠른 응답 속도와, 진동의 주파수와 크기는 독립적으로 제어가 가능해야 하며 기계적 수용기들을 직접적으로 자극할 수 있어야 한다. 하지만 모바일 햅틱장치의 경우 크기 및 소비전력의 문제로 모든 스펙을 만족하기에는 어려워 좀 더 한정적인 느낌을 제공할 수 없다. 현재까지 모바일 장치에서 햅틱 피드백을 위하여 진동모터나, 솔레노이드, 압전 액츄에이터 등이 많이 사용되어 지고 있다. 그 중 압전 액츄에이터는 입력에너지를 기계적 출력에너지로 변환되는 효과를 이용 한 것으로 압력 센서, 초음파 센서 등 많은 분야에서 응용되고 있으며 변위 범위는 작지만, 크기가 매우 작고 변위 정밀도가 높으며 발생력과 응답속도가 빠르다는 장점이 존재한다. 이를 이용한 햅틱 압전 엑츄에이터의 제작에 사용되는 압전 세라믹스는 높은 전기적 특성을 가질수록 더 졸은 효율을 가지며 이로 인하여 보다 좋은 전기적 특성을 가지는 압전 세라믹스를 필요로 한다. 현재 많이 사용되는 PZT계 세라믹스는 우수한 전기적 특성으로 많이 사용되고 있지만 Pb의 유독성으로 인한 환경문제로 Pb가 포함된 제품을 제한하고 있어 현재 Lead-free의 연구가 이루어지고 있다. Lead-free중 Ba$(Ti_{0.8}Zr_{0.2})O_3$(BZT)는 PZT계 세라믹스를 대체할 차세대 압전 재료로 주목받고 있다. 일반적으로 Lead-free의 압전계수($d_{33}$=100~300pC/N)는 비교적 낮은 값을 보이지만 BZT의 압전계수(BZT $d_{33}$~620pC/N)는 PZT계 세라믹스의 압전계수($d_{33}$=500~600pC/N)와 비교하여 부족하지 않은 압전계수를 보여주며 PZT를 대체할 재료로 주목받고 있다. 본 실험은 햅틱 압전 엑츄에이터용 무연 압전세라믹스의 제작을 위하여 Ba$(Ti_{0.8}Zr_{0.2})O_3-(Ba_{0.7}Ca_{0.3})-TiO_3$(BZT -BCT)의 조성으로 유전 및 압전 특성을 조사하였다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2008년도 추계학술대회 논문집 Vol.21
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• pp.194-194
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• 2008

Lead oxide based ceramics, represented by PZT, are the most widely used materials for piezoelectric actuators, sensors, and transducers due to their excellent piezoelectric properties. In particular, high-performance multilayered piezoelectric ceramics for advanced electronic components have drawn great attention. In order to develop piezoelectric ceramics capable of being sintered at low temperature for multilayer piezoelectric device applications, the effect of CuO additions on the microstructures and electromechanical properties of the 0.4Pb$(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3-0.25PbZrO_3-0.35PbTiO_3$ ceramics was investigated. The samples with CuO addition were synthesized by ordinary sintering technique. X-ray diffractions indicated that all samples formed a single phase perovskite structure. The addition of CuO improved the sinterability of the samples and caused an increase in the density and grain size at low temperature. The optimum sintering temperature was lowered by CuO additions. Excellent piezoelectric and electromechanical responses, $d_{33}$ ~ 663 pC/N, $k_p$ ~ 0.72, were obtained for the samples of high density with 0.1 wt% CuO addition sintered at $1050^{\circ}C$ for 4 h in air. These results show that the piezoelectric properties of PMNZT ceramics can be improved by controlling the microstructure and this system is potentially a good candidate as multilayer piezoelectric device for a wide range of electro-mechanical transducer applications.