For use in ultrasonic actuators, we investigated the structural and piezoelectric properties of $(1\;-\;x)Pb(Zr_{0.515}Ti_{0.485})O_3$ - $xPb(Sb_{1/2}Nb_{1/2})O_3$ + 0.5 wt% $MnO_2$ [(1 - x)PZT - xPSN + $MnO_2$] ceramics with a variation of x (x = 0.02, 0.04, 0.06, 0.08). All the ceramics, which were sintered at $1250^{\circ}C$ for 2 h, showed a typical perovskite structure, implying that they were well synthesized. A homogeneous micro structure was also developed for the specimens, and their average grain size was slightly decreased to $1.3{\mu}m$ by increasing x to 0.8. Moreover, a second phase with a pyrochlore structure appeared when x was above 0.06, which resulted in the deterioration of their piezoelectric properties. However, the 0.96PZT-0.04PSN+$MnO_2$ ceramics, which corresponds with a morphotropic phase boundary (MPB) composition in the (1 - x)PZT - xPSN + $MnO_2$ system, exhibited good piezoelectric properties: a piezoelectric constant ($d_{33}$) of 325 pC/N, an electromechanical coupling factor ($k_p$) of 70.8%, and a mechanical quality factor ($Q_m$) of 1779. The specimens with a relatively high curie temperature ($T_c$) of $305^{\circ}C$ also showed a significantly high dielectric constant (${\varepsilon}_r$) value of 1109. Therefore, the 0.96PZT - 0.04PSN + $MnO_2$ ceramics are suitable for use in ultrasonic vibrators.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2007.11a
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pp.346-346
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2007
압전세라믹 재료는 현재 압전 변압기, actuator, transducer, sensor, speaker 등에 광범위하게 이용이 되고 있다. 이 중에서 압전세라믹 소결체를 이용한 스피커의 제조는 가공이 까다롭고, 대형의 크기로 제작 시 소자가 깨지는 등의 많은 제약을 받고 있으며, 저음 특성이 떨어져 응용 범위가 한정되어 있다. 따라서 최근에는 이러한 단점을 극복하기 위하여 세라믹/고분자 복합체를 이용한 필름 스피커를 제작하고자 시도하고 있다. 이러한 세라믹/고분자 0-3형 압전 복합체를 이용할 경우, 제품의 경량화를 실현할 수 있고, 크기나 환경의 영향을 거의 받지 않으므로, 고기능성 스피커로의 응용에 적합할 것으로 보인다. 따라서 본 연구에서는 PZT계의 세라믹와 PVDF, PVDF-TrFE, Polyester, acrylic resin 등의 여러 고분자 물질과의 복합체를 제조하여 압전특성을 평가하였다. 본 실험은 먼저 $(Pb_{1-a-b}Ba_aCd_b)(Zr_xTi_{1-x})_{1-c-d}(Ni_{1/3}Nb_{2/3})_c(Zn_{1/3}Nb_{2/3})_dO_3$ (이하 PZT라 표기)의 최적화 조성을 선택하여, $1050^{\circ}C$에서 소결된 분말을 48시간 ball milling방법 로 약 $1{\mu}m$ 크기로 분쇄하였다. 고분자 물질들은 알맞은 용제들을 선택하여 녹였다. 그 다음 소결된 PZT분말과 고분자를 50:50, 60:40, 65:35, 70:30등의 무게 분율로 혼합하고, 분산제, 소포제 등을 첨가하여 3단 roll mill을 이용하여 충분히 분산시켜 페이스트 (Paste)를 제조하였다. 제조된 페이스트를 ITO가 코팅된 PET필름 위에 스크린 프린팅 법을 사용하여 인쇄하여 $120^{\circ}C$에서 5분간 건조하였다. 코팅된 복합체의 두께는 약 $80{\mu}m$ 정도로 측정되었다. Ag 페이스트를 이용한 상부 전극 형성에도 스크린 프린팅 법을 적용하였다. 이를 $120^{\circ}C$에서 4 kV/mm의 DC 전계로 분극 공정을 수행한 후 전기적 특성을 평가하였다. 유전특성을 조사하기 위해서 LCR meter (EDC-1620)를 사용하였고, 시편의 결정구조는 XRD (Rigaku; D/MAX-2500H)을 통해 분석하였으며, 전자현미경(SEM)을 이용하여 미세구조를 분석하였다. 압전 전하상수$(d_{33})$ 값은 APC 8000 모델을 이용하여 측정하였다. PZT의 혼합비가 증가할수록 비유전율 및 압전 전하 상수 등의 전기적 특성이 증가되었다. 또 여러 고분자 물질 중에서 PVDF-TrFE 수지가 가장 우수한 특성을 보였다. 이는 PVDF-TrFE 수지가 압전성을 나타내기 때문인 것으로 판단되었다.
In this paper, equivalent properties of 2-2 mode piezocomposites were studied. Variation of the properties of 2-2 mode piezocomposites was analyzed by the finite element method, and the result was compared with experimental measurement data to confirm the validity of the analysis. The equivalent properties of a single phase material to represent the piezocomposite composed of PZT-5H and polymer were derived by the asymptotic averaging method. Accuracy of the derived equivalent properties was enhanced by minimizing the discrepancy between the impedance spectra of full 2-2 piezocomposite and equivalent single phase material resonators of various vibration modes by the least square method. The equivalent properties of 2-2 piezocomposites derived in this study can be utilized to the design of diverse acoustic sensors.
Pb(Zr, Ti)O3 (PZT) (Zr:Ti= 52: 48) thin films were prepared on MgO(100) substrates by dipping-py-rolysis process using metal naphthenates as starting materials. Thin films were fabricated by spin coating technique and the precursor films were prefired at 20$0^{\circ}C$ in air for 0.5, 1, 2, 3, and 24 h followed by final heat treatment at 75$0^{\circ}C$ for 30min. Film prefired for 24 h lost orientational properties and pole figure analysis showed the lost of the epitaxial relationship between the films and substrate while highly a/c-axis oriented thin films were obtained for the samples prefired for 1, 2, and 3h.
Piezoelectric coefficient and dielectric constant of PZT-5H vary with electric field. In this work, variations of these coefficients with electric field are included in finite element modelling of a cantilevered plate instrumented with piezoelectric patches. Finite element model is reduced using modal truncation and then converted into state-space. First three modal displacements and velocities are estimated using Kalman observer. Negative first modal velocity feedback is used to control the vibrations of the smart plate. Three cases are considered v.i.z case 1: in which variation of piezoelectric coefficient and dielectric constant with electric field is not considered in finite element model and not considered in Kalman observer, case 2: in which variation of piezoelectric coefficient and dielectric constant with electric field is considered in finite element model and not considered in Kalman observer and case 3: in which variation of piezoelectric coefficient and dielectric constant with electric field is considered in finite element model as well as in Kalman observer. Simulation results show that appreciable amount of change would appear if variation of piezoelectric coefficient and dielectric constant with r.m.s. value of electric field is considered.
Kim, Chul-Min;Kim, Chang-Il;Lee, Joo-Hee;Paik, Jong-Hoo;Cho, Jeong-Ho;Chun, Myoung-Pyo;Jeong, Young-Hun;Lee, Young-Jin
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.11
no.5
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pp.206-211
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2010
Piezoelectric energy harvesting uses piezoelectric, which is able to convert unused mechanical vibration energy to electrical energy, such as with motor and machinery. The piezoelectric energy harvester was constructed with a cantilever made of lead zirconate titanate with a metal plate. The primary material was soft lead zirconium titanate (PZT-5H) due to the large strain availability, acceptable mechanical strength and high piezoelectric constant. This technique's drawback is that the energy efficiency is lower than the other energy harvesting methods, but this study increases the output electric power efficiency by analyzing a finite element method for the structure of the piezoelectric energy harvester. We manufactured two cantilever types as follows: the L-60 and L-33 bimorph piezoelectric energy harvesters. Their resulting energy harvesters were able to obtain high voltage values as follows: 27.4 mV and 40.6 mV. Moreover, these results have a similar band of resonance frequency it comparison to the simulation. Consequently, this study was confirmed with validity. The output electric powers of the L-60 and L-33 types have 3.1 mW/s and 5.8 mW/s with 47 Hz and 148 Hz of resonance frequency and then, the load resistivities were $100k\Omega$ and $10k\Omega$, respectively.
Kwon, Mi-Jung;So-Lim Park;Sung-Koo Kim;Soo-Wan Nam
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.12
no.6
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pp.1002-1005
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2002
The effects of GroEL/ES chaperone on the production of soluble form of B. macerans cyclodextrin glucanotransferase (CGTase) in recombinant E. coli were investigated. The cgt gene and groEL/ES genes are under the control of T7 promoter and Pzt-1 promoter, respectively. The optimal concentrations of inducers, IPTG and tetracycline, were found to be 1.0 mM and 10 ng/ml, respectively. When tetracycline and IPTG were added at the early exponential phase (2h) and exponential phase (3h) of growth, respectively, about 1.5-fold increase of soluble CGTase activity and 1.6-fold increase of soluble CGTase protein were obtained. An SDS-PAGE analysis revealed that about $37.2\%$ of total CGTase protein was in the soluble fraction when GroEL/ES chaperone was overexpressed.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.18
no.9
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pp.810-814
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2005
[ $Pb(Zr_{0.2}Ti_{0.8})O_3/SrRuO_3$ ] heteroepitaxial thin films were deposited at various temperatures on single crystal $SrTiO_3$ substrates by pulsed laser deposition and characterized for the microstructural and ferroelectric properties. The $SrTiO_3$ substartes etched by buffered oxide etch $(pH{\thickapprox}5.8)$ solution for 20s followed by the thermal annealing at $1000^{\circ}C$ for 1h showed the terrace ledges with a 0.4nm height. The $SrRuO_3$ bottom electrodes with a thickness of 52nm grown on $SrTiO_3$ single crystal also exhibit a terrace ledge similar to that of $SrTiO_3$. The PZT thin films were grown with an epitaxial relationship and showed typical P-E hysteresis loops shown at the epitaxial films. The 56nm thick-PZT films deposited at $650^{\circ}C$ exhibit a remanent polarization $(p_r)$ of $80{\mu}C/cm^2$ and a coercive field $(E_c)$ of 160kV/cm.
An Fe$_{49}$ Co$_{49}$ V$_2$alloy is annealed in thermal annealing furnace at 50$0^{\circ}C$, 75$0^{\circ}C$, 80$0^{\circ}C$, and 90$0^{\circ}C$. Annealed samples were cooled in air. The magnetostriction is measured by using a Michelson laser interferometer. Receiving the feedback signal of interference, a mirror attached to piezoelectric transducer (PZT) maintains the optical path length (OPL) between two arms of laser interferometer relatively constant. The feedback voltage is calibrated to the OPL variation. A magnetostriction of 2$\times$10$^{-6}$ at H = 60 Oe increases up to 33.68$\times$10$^{-6}$ at an annealing temperature of 90$0^{\circ}C$, suggesting that the magnetostrictive characteristics are improved by the microstructural modification.
The dynamic magnetostriction characteristics of an Fe-based nanocrystalline FeCuNbSiB alloy are investigated as a function of the dc bias magnetic field. The experimental results show that the piezomagnetic coefficient of FeCuNbSiB is about 2.1 times higher than that of Terfenol-D at the low dc magnetic bias $H_{dc}$ = 46 Oe. Moreover, FeCuNbSiB has a large resonant dynamic strain coefficient at quite low Hdc due to a high mechanical quality factor, which is 3-5 times greater than that of Terfenol-D at the same low $H_{dc}$. Based on such magnetostriction characteristics, we fabricate a new type of transducer with FeCuNbSiB/PZT-8/FeCuNbSiB. Its maximum resonant magnetoelectric voltage coefficient achieves ~10 V/Oe. The ME output power reaches 331.8 ${\mu}W$ at an optimum load resistance of 7 $k{\Omega}$ under 0.4 Oe ac magnetic field, which is 50 times higher than that of the previous ultrasonic-horn-substrate composite transducer and it decreases the size by nearly 86%. The performance indicate that the FeCuNbSiB/PZT-8/FeCuNbSiB transducer is promising for application in highly efficient magnetoelectric energy conversion.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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