$Nb_2O_5$를 첨가한 barium titanate 에 관한 연구

Abstract

$BaTiO_3$의 소결밀도 및 dielectric property에 소결온도와 $Nb_2O_5$의 첨가가 미치는 영향을 고찰하였다. $Nb_2O_5$는 ionic balance를 이루도록 $Ba_{0.5}NbO_3$의 형태로 $BaTiO_3$에 첨가하였으며 아울러 ionic balance를 고려하지 않고 $NbO_{2.5}$의 형태로 첨가하였지만 본 실험의 결과에 나타난 바에 의하면 별 차이가 없었다. $Ba_{0.5}NbO_3$는 0.2mole\%, 0.5mole\%, 1.0mole\%, 및 2.0mole\%를 $BaTiO_3$에 첨가하였으며 $NbO_{2.5}$는 0.4mole\%, 1.0mole\%, 2.0mole\%, 및 4.0mole\%를 첨가하였다. 소결온도는 $1,200\,^\circ\!C,\; 1,300\,^\circ\!C$ 및 $1,400\,^\circ\!C$ 이었으며 1시간 동안 소결하였다. 일부의 시편은 $1,250\,^\circ\!C$와 $1,350\,^\circ\!C$에서도 소결하였다. 소결온도까지의 가열 속도는 $8.3\,^\circ\!C/\min$로 하였으며 소결후의 냉각속도는 $11.7\,^\circ\!C/\min$로 하였다. 냉각속도에 따른 변화를 보기 위하여 조성이 0.5mole\% $Ba_{0.5}NbO_3$와 1.0mole\% $Ba_{0.5}NbO_3$인 일부의 시편은 $1,300\,^\circ\!C$에서 소결을 행한 후에 $65\,^\circ\!C/\min$의 냉각속도로 냉각하였다. 약 0.5mole\% 이하의 $BaTiO_3$에 첨가하였을 때는 sinterability가 감소하는 경향이 있었으며 그 이상을 첨가하였을 때는 sinterability가 증가하였다. 그렇지만 약 2.0mole\% 이상의 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$가 첨가되면 sinterability가 다시 감소하였다. 소결온도는 pure $BaTiO_3$와 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$가 첨가된 $BaTiO_3$의 grain size에 영향을 주었다. $1,300\,^\circ\!C$에서 소결하였을 때는 grain size가 $2 \sim 10 \mu m$로 조성에 거의 무관하게 일정하였으나 $1,400\,^\circ\!C$에서 소결하였을 때는 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$가 첨가되는 량이 증가할 수록 grain size가 커지는 경향을 나타냈다. 예로써 1.0mole\%의 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$가 첨가된 경우의 grain size는 $4 \sim 30 \mu m$ 정도로 나타났다. Pure $BaTiO_3$와 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$가 첨가된 $BaTiO_3$의 유전상수 및 그 온도특성은 소결온도와 소결후의 냉각속도에 따라서 변하였다. 이 결과는 grain size와 internal stress와 밀접한 관련이 있다고 판단되며 Buessem et al.이 제시한 internal stress model과 일치했다. $BaTiO_3$의 유전상수 및 그 온도특성은 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$의 첨가량에 따라서도 변하였다. 이 결과는 Subbarao et al.과 Smolenskii et al.의 실험결과와 유사하였다. 그렇지만 2.0mole\% 이상의 $Ba_{0.5}NbO_3$ 또는 $NbO_{2.5}$를 $BaTiO_3$에 첨가하였을 때는 Subbarao et al.과 Smolenskii et al.의 결과와 전혀 다른 결과가 나왔다. Pure $BaTiO_3$의 Curie temperature는 $115 \sim 120\,^\circ\!C$의 범위에 있었다.