히로시마대에서 납계재료 대체가능한 강유전성과 압전성에 우수한 세라믹제료개발

https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/column/18/02122/00243/

広島大学などが強誘電性と圧電性に優れるセラミックス材料、鉛系材料代替に

큐슈대학 대학원, 야마나시대학 대학원과 공동으로 연구했다. BF-BT세라믹스는 BF와 BT의 분말 형태 원재료를 혼합하여 성형한 후 고온에서 소성하여 제작했다.강유전체 특성과 압전 특성을 조사한 결과 강유전체에 특징적인 분극과 변형곡선을 얻을 수 있었다. BF-BT세라믹스는 자발 분극의 크기가 적층 콘덴서 재료로 많이 사용되는 전형적인 강유전체 재료인 BT를 상회하는 크기로 납계 압전 재료인 티타늄산 지르코산 납(Pb(Zr, Ti) O3, PZT)에 육박하는 압전성을 가진 것으로 나타났다.BF와 BT는 모두 마이크로미터 크기의 강유전체(도메인)를 가진 강유전체이지만 고분해능 투과형 전자현미경 관찰 결과 BF-BT세라믹스에는 나노미터 크기의 도메인이 존재하는 것을 발견했다.또한 나노 도메인의 기원을 밝히기 위해 방사선 회절실험(SR-XRD)을 실시했다.페로브스카이트형 구조의 단위격자 코너 위치인 A사이트를 차지하는 Ba이온과 Bi이온 중 Bi이온만이 이상적인 원자위치에서 결정축 방향으로 어긋나게 배치함으로써 A사이트에 국부적인 분극구조가 형성되고 이것이 나노도메인의 기원이 되는 것으로 나타났다.

　강유전성을 나타내는 압전 재료의 압전 특성은 결정 단위 구조 유래의 본질적 기여와 도메인 등을 유래로 하는 비본질 기여로 설명된다.일반적으로 본질적인 기여분을 제외한 모든 기여분이 하나로 비본질적인 기여에 의한 것으로 여겨져 왔다.연구진은 비본질적인 효과를 명확히 분류하기 위해 전기장 아래에서 SR-XRD 실험을 수행하고 압전 효과에 대한 각각의 기여를 추정했다.BT 농도가 0.3이나 0.4인 세라믹인 0.70BF-0.30BT나 0.60BF-0.40BT에서는 비본질적인 효과에는 나노 도메인 내에서 Bi 이온이 전기장 아래에서 재배열하는 효과밖에 없어 통상적인 강유전 도메인 유래 효과가 없는 것으로 나타났다.0.70BF-0.30BT 세라믹이 가장 높은 압전 성능을 보이는 한편, 결정 단위 구조 유래의 본질적 압전 효과의 기여를 크게 하기 어렵기 때문에 Bi 이온의 오프 센터링에 의해 형성된 나노 도메인에 의한 압전성 기여를 크게 함으로써 이 재료의 압전성은 현격히 향상될 것으로 생각된다.이렇게 하여, 구조혼란을 갖는 나노 도메인을 결정에 도입하고, 전기장하에서 그 흐트러짐을 가지런히 하여 분극방향을 전기장방향으로 정렬시키면 납을 포함하지 않고도 우수한 고성능 압전재료를 개발할 수 있는 것으로 나타났다.

　본 연구에서는 납 대신 Bi이온을 포함하는 BF-BT세라믹스가 납계 압전재료의 대체재료가 될 수 있음을 발견하여 강유전성·압전성에 기여하는 새로운 분극기구를 설명하였다.연구진에 따르면 Bi 이온을 포함한 압전 재료는 그동안 여러 그룹에서 연구돼 왔지만 유전물성 발현 기구를 명확히 이해하는 물리적 해석이 미흡했다.나노 도메인을 형성해 전기장하에서 제어한다고 하는 본 수법을 이용하는 것으로, 보다 고성능인 강유전체·압전체 재료의 개발을 기대할 수 있다.