페롭스카이트 화합물의 미세구조 제어와 유전특성

Abstract

Perovskite 구조의 강유전체는 높은 유전상수 및 단순한 결정구조로 인해 응용 및 기초연구 재료로 널리 쓰여 왔다. 특히 $BaTiO_3$와 $SrTiO_3$를 기본으로 하는 재료는 유전재료, 초전재료, 각종 센서재료 등으로의 응용 가능성이 높아 활발히 연구되었다. 본 연구는 첫째, Curie 온도를 상온으로 조정한 $Ba_{0.67}Sr_{0.33}TiO_3$의 소결 특성과 그에 따른 유전 및 초전특성에 대한 것이고 둘째로는 $BaTiO_3-SrTiO_3-CaTiO_3$계 입계절연형 유전체에 고상확산법으로 계면 2차상을 침투시키고 이때 발생하는 계면이동을 제어한 시편의 유전특성에 대한 것이다. 먼저 $Ba_{0.67}Sr_{0.33}TiO_3$의 세라믹스에 대한 연구에서는 $BaTiO_3$와 $SrTiO_3$를 출발물질로 하여 $Fe_2O_3$를 첨가한 $Ba_{0.67}Sr_{0.33}TiO_3$ 소결체를 제조 하였을 때 core-shell 구조를 관찰하였다. 이 때 core가 shell에 비해 Sr의 량이 많았는데 상온에서 core는 상유전상 shell은 강유전상을 가지게 됨을 의미한다. Core의 분율이 상대적으로 높은 시편의 경우 유전상수는 높지 않았으나 온도에 따른 유전상수의 변화가 완만하였다. 이는 core-shell 구조가 조성적 불균일을 증대시켜 상유전-강유전상전이 온도가 서로 다른 상들이 존재하게 되고 이로 인해 유전상수의 온도 평탄화에 기여한 것이다. 한편 소결온도와 시간이 증가하면 core의 부피 분율이 shell에 비해 상대적으로 감소하여 이러한 효과가 감소하였다. 영하 25℃ 부근의 높은 초전계수는 입계에 존재하는 결정화된 액상에 의한 것임을 유전손실 측정으로 확인할 수 있었다. 따라서 $Fe_2O_3$를 첨가한 $Ba_{0.67}Sr_{0.33}TiO_3$ 소결체는 유전 및 초전특성이 우수하여 적외선 감지 소자용 타겟에 적합한 것으로 판단된다. $BaTiO_3-Fe_2O_3-SrTiO_3$ 반응층 생성 실험으로부터 $Fe_2O_3$가 첨가된 $Ba_{0.67}Sr_{0.33}TiO_3$ 소결체에서 관찰된 core-shell 구조는 $BaTiO_3$와 $SrTiO_3$ 그리고 액상이 된 $Fe_2O_3$의 반응에 의해 형성된 것임을 확인하였다. $Fe_2O_3$의 첨가에 의해 형성된 액상이 소결중 용해 재석출의 과정을 거쳐 core-shell 구조를 형성하는데 중요한 역할을 하였다. Core는 소결초기에 $BaTiO_3-SrTiO_3$의 고상반응으로 형성된 것이며 그 위에 액상을 매개로 Shell이 성장하는 것이다. $BaTiO_3$와 $SrTiO_3$의 초기 분말크기를 변화시켜 $Fe_2O_3$를 첨가한 $Ba_{0.67}Sr_{0.33}TiO_3$ 제조 하여 이러한 성장 기구를 확인하였다. 열처리하여 입자 크기가 10배 정도 성장한 $BaTiO_3$ 분말과 열처리 하지 않아 입자 크기가 작은 $SrTiO_3$ 분말을 사용하여 $Ba_{0.67}Sr_{0.33}TiO_3$ 소결체를 만든 경우, 대부분의 입자에서 core가 있던 자리에 큰 기공이 형성되고 작은 $SrTiO_3$ 입자중에서 core가 된 것들만 관찰되었다. 반대로 열처리 하여 입자크기가 10배 정도 성장한 $SrTiO_3$ 분말과 열처리 하지 않아 입자크기가 작은 $BaTiO_3$ 분말을 사용한 경우에는 열처리에 의해 입자크기가 커진 $SrTiO_3$가 core가 되어 두 개의 최대값을 갖는 유전특성 거동을 보였다. 즉 액상을 매개로 $BaTiO_3$와 $SrTiO_3$ 입자에 모두 shell이 성장할 수 있으나 액상이 $BaTiO_3$를 우선적으로 녹이는 것으로 생각되며 이러한 경향이 $SrTiO_3$가 core가 되기 쉽도록 하는 것으로 생각되며 최종적으로 $SrTiO_3$에 $BaTiO_3$가 일부 고용된 입자만이 core로 작용하는 것이다. 한편 $BaTiO_3-SrTiO_3-CaTiO_3$계 입계절연형 유전체에 대한 연구에서는 고상확산법으로 계면 2차상을 침투시키고 이때 발생하는 계면이동을 제어한 입계절연