BaTiO3의 조성과 첨가제에 따른 물성 변화

소개글

BaTiO3의 조성과 첨가제에 따른 물성 변화에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1, 서론:
- BaTiO3는 강유전성을 띠는 산화물
- 상유전(paraelectric) 특성

2. 문헌조사
I. 고상법
II. 소결과정의 이해
III. Pervoskite 구조 세라믹의 강유전적 특징
IV. BaTiO3의 size effect

3. 실험방법

4. Data and Result
(1) XRD 결과
(2) 시편의 소결 밀도
(3) 시편의 SEM 분석
(4) 시편의 전기적 특성 분석

5. 결 론

본문내용

일치함을 알 수 있다.
- Ti가 과량 첨가된 5군의 경우 낮은 온도에서 유전상수가 순수 조성보다 낮은 반면에 큐리 온도에서는 유전상수가 순수조성보다 증가하였으며, 큐리온도는 높아진 것을 알 수 있었다. 문헌에 따르면 Ti의 첨가량이 증가함에 따라 PTCR 특성이 증가한다고 하는데, 이것을 Ti의 과량 첨가가 전자 포획 준위 밀도에 영향을 주기 때문이라고 한다. 전자 포획 준위 밀도는 온도에 따른 저항 변화가 급격할수록 증가한다고 하는데, Ti가 증가함에 따라 온도에 따른 저항 벼화가 급격해지는 것은 전자 포획 밀도 준위가 커지고 있음을 뜻한다고 보고된 바 있다.
- 입자경이 PCTR 특성에 미치는 영향: 일반적으로 입자경이 작으면 PCTR 특성이 나빠진다고 알려져 있으며, 문헌에서는 이를 설명하기 위해 입계장벽 모델을 이용하였다. 입자경이 작아지면 상대적으로 높은 전위 장벽을 가지는 전하 공핍층의 두께가 상대적으로 많은 비중을 차지하기 때문이라고 한다. 또 고온에서 입계에 생긴 바륨 비자리가 입내로 확산하지 못하여 생기는 입계의 높은 전위장벽층이 입자경이 작으면 서로 겹치게 되어 상온에서 높은 저항을 가지게 된다고 설명한다.
본 실험에서는 입자경에 의한 유전상수 변화는 알 수 없었는데, 그 원인으로는 유전상수가 단순히 입자경에서만 변하는 것이 아니라, 절연층의 활성화 에너지 양이온의 공공 등 여러 다른 요소에 의해서 변화된 것으로 생각된다.
(마) Curie-Weiss 법칙의 확인
상전이 온도 이상에서 유전상수의 온도의존성은 Curie-Weiss 법칙을 따르는 것으로 알려져 있는데, 식은 다음과 같다. , C는 Curie 상수이고, θ는 Curie-Weiss 온도이다.
- 5군의 경우 큐리온도 이상의 데이터가 적어 그래프에 표시되지 않았으며 3군의 경우 큐리온도를 구할 수가 없어 그래프에서 제외시켰다. 2군의 경우 낮게 깔려있어 그래프 11에 다시 그렸다.
- 강한 이온 결합을 하고 있으면서 영구 쌍극자를 갖는 원자군을 포함하고 있지 않은 강유전체는 비조화적으로 진동하는 이온의 평균 위치가 이동함에 따라서 자발 분극이 야기되는데, 이러한 물질의 경우 이온의 위치 이동에 따라 상유전 상태에서 강유전 상태로의 상전이가 일어나기 때문에 이런 상전이를 변위형 상전이라고 하고, 이와 같은 물질을 변위형 강유전체라고 한다. BaTiO3는 대표적인 변위형 상전이를 보이는 물질인데, 대체로 변위형 상전이에서 Curie 상수 C의 값은 큰 값을 갖는다. BaTiO3의 경우에는 C의 값은 대략 15000K 정도의 값을 갖는다고 알려져 있다.
- 위의 그래프에서 보듯이 Tc 이후의 온도 범위에서 거의 직선에 가까운 그래프가 나타남으로써 Curie-Weiss 법칙을 만족시키고 있음을 알 수가 있다.
5. 결 론
- 이번 실험의 궁극적인 목적은 BaTiO3의 강유전 특성을 확인한 뒤 조성에 따른 물성의 특정을 고찰하는 것이었다. 실험적으로 얻은 Tc값이 실제 문헌값과 0.91% 정도의 오차만을 보이고 있으며, 온도에 따른 유전 상수의 변화 경향과 유전 손실의 변화 경향을 그래프로 살펴본 결과 BaTiO3는 우수한 강유전체임이 확인되었다.
우리가 실험에서 변화를 조성과 소결온도이며 이에 따른 결론은 다음과 같다.
- 소결온도가 높아질수록 밀도가 커지고, 기공률이 감소함을 알 수 있으며 구조가 더 치밀해지는 것을 알 수가 있었다.
- 조성에 따라서 변화에서는 MgO를 첨가한 경우나 Ca, Zr을 첨가한 조성의 경우 소결온도를 순수조성보다 좀 더 높여야 기공률이 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 유전 특성의 경우는 MgO를 첨가한 것은 유전 상수를 크게 떨어뜨리며 큐리온도의 근처의 변화도 상대적으로 약한 것을 알 수 있으며, Ba이나 Ti 과량 조성에서는 유전상수와 큐리온도가 달라진다는 것을 알 수 있었다.
- 이상의 결과에서 보듯이 여러 문헌에 발표된 대로 BaTiO3는 강유전체의 성격이 첨가되는 여러 가지 원소에 따라 달라지는 것을 확인하였다. 실제 응용에 있어서는 BaTiO3가 높은 Tc를 갖기 때문에 Tc를 낮춰 상온 수준에서도 응용이 가능케 하는 방법에 대한 연구가 진행중이라고 한다. 본 실험에서는 Ba가 Tc를 낮추는 것을 알 수 있었으며 Ti가 유전상수를 높이는 것을 알 수 있다. 이를 바탕으로 조성을 적절히 조절하면 낮은 온도에서도 좋은 유전 특성을 갖는 물질을 개발할 수 있을 것이다.
6. 참고문헌
- 세라믹스 물성학, 유광수 외 2인, 반도출판사, 1997
- A-site Ca 및 B-site Zr 첨가에 의한 BaTiO3-CaTiO3 복합체의 유전특성 및 미세구조에 미치는 영향, 윤만순 외 1인, Jounal of the Korean Ceramic Society Vol.40, No.1, pp 37-45, 2003
-Ti/Ba 비가 반도성 BaTiO3 의 PCTR 특성에 미치는 영향, 박기운, 서울대학교 대학원, 1997
- BaTiO₃의 PTCR 특성에 미치는 입자크기 분포의 영향, 김종환, 서울대학교 대학원, 1997
- Ca 첨가에 의한 BaTiO3 의 환원억제기구, 황연 외 2인, Jounal of the Korean Ceramic Society, Vol.27, No.6, pp 741-746, 1990
- (Ca, Sr)TiO3 의 첨가에 의한 반도성 BaTiO3 계의 정저항 온도계수 특성, 주지원, 서울대학교 대학원, 1998
- Effect of MgO Doping on the Phase-Transformations of BaTiO3, Nagai-T 외 5인,pp 107 - 112, Journal of The American Ceramic Society 2000년도 83 권 1 호
재료실험 2
BaTiO3의 조성과 첨가제에 따른 물성 변화
Abstract
강유전체로 널리 알려진 BaTiO3를 고상법을 이용하여 합성한다. 조성과 소결온도에 변화를 주면서 합성하고, 이에 따른 물성의 차이를 고찰하였다. XRD, SEM 등을 통한 미세구조 고찰과 조성 변화에 의한 유전상수 및 유전 손실의 변화를 고찰하였다. 그리고, Curie-Weiss 법칙을 확인한다.

키워드

재료실험,   XRD,   BaTiO3,   세라믹