This paper was studied on the effects of Ca-La-Nb substitution and Zr/Ti ratio variation to Pb(Zr, Ti)$O_3$ system on structural, electrical, optical and sound level characteristics in order to develope the piezoelectric and electrooptic ceramic devices. Also the specimens were prepared by the two stage sintering technique. The molecular formular was X($CaO{\cdot}1/4La_{2}O_{3}{\cdot}1/4Nb_{2}O_{5}){\cdot}(1-X)Pb(Zr_{Y}Ti_{1-Y})O_{3}$(x=100X, y=100Y), and the variation of x was $6{\sim}12$, y was 60${\sim}$49 and second stage sintering time was 20${\sim}$40 hours. The experimental results obtained from this study are as follows : 1. The density was decreased, the grain size was increased according to increase of Ca-La-Nb substitution. 2. The crystal structure was rhombohedral in composition 6/60/40, and the crystal structure was tetragonal and cubic according to increase of Ca-La-Nb substitution. 3. The Ca substitution of PZT system enhanced the sintering property. The Pb site vacancy resulting from the substitution of La-Nb increased the dielectrical constant, the piezoelectric charge constant, the dielectric loss and decreased the coercive field. 4. The resistivity of PZT system which has the P type conduction mechanism increased according to substitution of La-Nb because of the substituent acting as donor. 5. The PZT ceramics varied from ferroelectric substance according to increase of Ca-La-Nb substituent. The coercive field and saturation remanent polarization decreased, and at last straight line according to increase of La-Nb substitution. 6. The amount of Ca-La-Nb substitution to improve the light transmittance of speciment was 10 mol%, the Zr/Ti ratio was 49/51, and the second stage sintering time was 40 hours. 7. According to Ca-La-Nb substitution, the specimens was to be transparent. The 7.5/51/49 specimen was suitable for transparent sound vibrator because it had 58% light transmittance (thick 0.2[mm], wave length 700[mm]) and 48% electromechanical coupling factor.
Kim, Do-Hyung;Yoo, Ju-Hyun;Jeong, Young-Ho;Hong, Jae-Il
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2008.06a
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pp.48-48
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2008
현재 압전재료로써 사용되고 있는 PZT계 세라믹스는 우수한 압전 및 유전특성으로 초음파 센서, 압전변압기, 액츄에이터, 필터, 레조네이터와 같은 여러 응용분야에 널리 사용되어지고 있다. 그러나 납을 60%이상 포함하므로 환경오염에 의하여 그 사용에 대한 규제가 강화되고 있어 최근에는 납을 함유하지 않은 무연 환경친화형 압전세라믹스가 주목받고 있다. 현재 무연 조성 세라믹스에는 텅스텐-브론즈 형, 비스머스 레이어형, 페로브스카이트 형 등이 이으며, 그 중 페로보스카이트 혈을 제외하고는 보통 소성법 조제시 낮은 압전특성을 갖는다. 그러므로 압전특성을 증가시키기 위하여 Hot pressing, Hot forging, RTGG(Reactive Template Grain Growth), SPS(Spark Plasma Sintering), 그러나 이는 무연 세라믹스의 대량생산 과정에서 어려운 문제를 가지고 있고, 저가격 관점에서 볼 때 보통소성법이 보다 바람직하다. 그래서 보통소성법으로 NKN세라믹스의 소결성을 향상 시키고 비교적 높은 압전특성을 얻기 위해서 $LiSbO_3$, $LiNbO_3$, $LiTaO_3$, alkaline-earth(Mg, Ca, Sr, Ba) 등을 첨가한 논문들이 보고되고 있으며, 이러한 재료들의 kp는 대략 0.3-0.4를 나타내고 있다. 따라서, 본 연구에서는 소결온도를 낮추고자 $Ag_2O$를 소결조제로 사용하였고 유전 및 압전특성을 높이고자 소결시간 변화시켜 시편을 제작하여 NKN 세라믹스의 유전 및 압전특성을 조사하였다.
Perovskite structured barium titanate particles ($BaTiO_3$) platelets were synthesized by molten salt synthesis and topochemical microcrystal conversion. As the precursors of $BaTiO_3$, plate-like $BaBi_4Ti_4O_{15}$ particles were first synthesized by the reaction of $Bi_4Ti_3O_{12}$, $BaCO_3$, and $TiO_2$ at $1080^{\circ}C$ for 3 h in $BaCl_2$-KCl molten salt. After the topochemical reactions, layer-structured $BaBi_4Ti_4O_{15}$ particles transformed to the perovskite $BaTiO_3$ platelets. $BaTiO_3$ particles with thickness of approximately $0.5{\mu}m$ and a length of $10-15{\mu}m$ retained the morphology feature of the $BaBi_4Ti_4O_{15}$ precursor. For <001> $Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3-32.5PbTiO_3$ (PMNT)-5 wt % PbO piezoelectric ceramics textured with 5 vol % of $BaTiO_3$ templates, the Lotgering factor reached 0.82, and $d_{33}$ was 870 pC/N.
In this study, the effect of the sintering temperature on the dielectric and piezoelectric properties of 0.5 wt% $MnO_{2}$-doped $0.125Pb(Mg_{1/2}Nb_{2/3})O_{3}-0.435PbTiO_{3}-0.44PbZrO_{3}$ ceramics were investigated aiming at ultrasonic motor applications. From experimental result, it was found that the optimal sintering temperature condition was at $1270^{\circ}C$. The sample sintered at $1270^{\circ}C$ had density of $7.72\;g/cm^{3}$, dielectric constant of 570, dielectric loss of 0.82%, remanent polarization of $19.18{\mu}C/cm^{2}$, coercive field of 9.63 kV/cm, electromechanical coupling factor of radial mode of 55.1%, mechanical quality factor of 886. Temperature and frequency dependence of dielectric constant and dielectric loss of the sintered sample at $1270^{\circ}C$ was also investigated.
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers C
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v.49
no.5
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pp.259-264
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2000
In this paper, the characteristics of piezoelectric transformer is studied for driving CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp). In order to investigate the effects of geometrical dimensions, λvibration-mode type piezoelectric transformers with different sizes in the length(l), width$(\omega)$ and thickness(t) are made of ceramics with PZT-PMWS compositions. The increases in temperature and aging effect are also measured in the transformer of PT-3 sample under the condition of operation continuously for 10 hrs. As the results of dimensional effects, the output power and voltage step-up ratio are largely affected by the ratio of length to thickness(l/t) rather than that of length to $width(l/\omega)$. The output power and step-up ratio are increased with increasing l/t. On case of PT-3, the output voltages are 510[Vrms] at 36[Vrms] in input voltage, $100[k\Omega]$ in load resistance. Temperature increases and variation of output voltages are $10[^{\circ}C]$ and less than 5[%], respectively.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.14
no.6
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pp.455-459
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2001
In this paper, the dielectric and pizoelectric properties of 0.05Pb(M $n_{04}$$W_{0.2}$N $b_{0.4}$) $O_3$-0.95(PbZ $r_{x}$$Ti_{1-x}$ ) $O_3$+yN $b_2$$O_{5}$ , are investigated as a function of the mole ratio of Zr and the amount of N $b_2$$O_{5}$ . Also, the phase is analyzed by XRD. When the mole ratio of Zr is 0.51, the electromechanical coupling coefficient( $k_{p}$ ), relative dielectric constant ($\varepsilon$$^{T}$$_{33}$ /$\varepsilon$$_{0}$ ), piezoelectric stain constrain ( $d_{33}$ and dielectric loss tangent show maximum, while the mechanical quality factor shows minimum value ; $k_{p}$ =56.5%, $d_{33}$ =258pC/N, $\varepsilon$$^{T}$$_{33}$ /$\varepsilon$$_{0}$ =1170, $Q_{m}$ =1150, tan$\delta$=0.51%. At that composition, MPB which rhombohedral and tetragonal phase coexist in this ternary system is shown by the results of XRD analysis. Also, when the amount of N $b_2$$O_{5}$ is 0.3wt%, the mechanical quality factor is increased to about 2000. The phase transition temperature of the ternary piezoelectric ceramic system showed about 35$0^{\circ}C$.TEX>.>.>.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.21
no.12
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pp.1077-1082
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2008
To fabricate a multi-layered piezoelectrics/electrodes structure, the piezoelectrics should be sintered at the temperature lower than $950^{\circ}C$ to use the silver electrode, which is cheaper than the electrodes containing noble metals such as Pd and Pt. Therefore, in this study, we modified the composition of $Pb(Zr,Ti)O_3$-based material as $(Pb_{0.98}Cd_{0.02})(Ni_{1/3}Nb_{2/3})_{0.25}Zr_{0.35}Ti_{0.4}O_3$ to lower the sintering temperature and to improve the piezoelectric properties. Small amount of $MnCO_3$, $SiO_2$, and $Pb_3O_4$ were also added to lower the sintering temperature of the ceramic. The prepared raw powders were mixed by using a ball mill for 24 hours. And then the mixed powders were calcinated for 2 hours at $800^{\circ}C$. The calcinated powders were again crushed with the ball mill for 72 hours. The final powders were pressed for making the shape of ${\emptyset}15\;mm$ disk. The disk-type samples were sintered at temperature range of $850{\sim}950^{\circ}C$. The crystal phases of the sintered specimens were perovskite structure without secondary phases. All of the measured electrical properties such as electromechanical coupling coefficients ($k_p$), mechanical quality factors ($Q_m$), and piezoelectric charge constants ($d_{33}$) were decreased with decreasing the sintering temperatures. The electrical properties measured at the sample sintered at $950^{\circ}C$ were 54% of $k_p$, 503 of $Q_m$, and 390 pC/N of $d_{33}$, respectively. These properties were considered to be fairly good for the application of multi-layered piezoelectric generators or actuators.
0.75BF-0.25BT ceramics were prepared by sintering at $980-1040^{\circ}C$ in air or under atmosphere powder. A sample with 1 mole %-excess $Bi_2O_3$ was also prepared to compensate for $Bi_2O_3$-evaporation. Physical and piezoelectric properties of these three samples were compared. When the sintering temperature increased from $980^{\circ}C$ to $1040^{\circ}C$, the density of the sample sintered in air decreased continuously due to Bi-evaporation. Due to the suppression of Bi-evaporation, the sample sintered under atmosphere powder had a higher density at sintering temperatures above $1000^{\circ}C$ than did the sample sintered in air. The addition of 1 mole %-excess $Bi_2O_3$ successfully compensated for Bi-evaporation and kept the density at the higher value until $1020^{\circ}C$. Grain size increased continuously when the sintering temperature increased from 980 to $1040^{\circ}C$, irrespective of the sintering atmosphere. When the sintering temperature increased, the piezoelectric constant ($d_{33}$) and the electromechanical coupling factor ($k_p$) increased for all samples. The sample with 1 mole % excess-$Bi_2O_3$ showed the highest density and the best piezoelectric properties at sintering temperature of $1020^{\circ}C$.
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.
Akram, Fazli;Malik, Rizwan Ahmed;Lee, Soonil;Pasha, Riffat Asim;Kim, Myong Ho
Korean Journal of Materials Research
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v.28
no.9
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pp.489-494
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2018
Lead free $(1-x)(0.675BiFeO_3-0.325BaTiO_3)-xLiTaO_3$ (BFBTLT, x = 0, 0.01, 0.02, and 0.03, with 0.6 mol% $MnO_2$ and 0.4 mol% CuO) were prepared by a solid state reaction method, followed by air quenching and their crystalline phase, morphology, dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties were explored. An X-ray diffraction study indicates that lithium (Li) and tantalum (Ta) were fully incorporated in the BFBT materials with the absence of any secondary phases. Dense ceramic samples (> 92 %) with a wide range of grain sizes from $3.70{\mu}m$ to $1.82{\mu}m$ were obtained in the selected compositions ($0{\leq}x{\leq}0.03$) of BFBTLT system. The maximum temperatures ($T_{max}$) were mostly higher than $420^{\circ}C$ in the studied composition range. The maximum values of maximum polarization ($P_{max}{\approx}31.01{\mu}C/cm^2$), remnant polarization ($P_{rem}{\approx}22.82{\mu}C/cm^2$) and static piezoelectric constant ($d_{33}{\approx}145pC/N$) were obtained at BFBT-0.01LT composition with 0.6 mol% $MnO_2$ and 0.4 mol% CuO. This study demonstrates that the high $T_{max}$ and $d_{33}$ for BFBTLT ceramics are favorable for industrial applications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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