일반기술

희토류 금속 함유 티탄산 비스무스 강유전 물질

본 기술의 희토류 금속 함유 티탄산 비스무스 강유전 물질인 Bi4-xRxTi3O12 (단, R은 Nd, Gd, Pr, Sm 또는 이들의 혼합물이며, x는 0.25 내지 1.25의 수임)는 700 ℃ 이하의 낮은 상 생성온도 및 15 μC/cm2 이상의 높은 잔류 분극값(2Pr)을 가지며, 반복적인 장기간의 분극 반전후의 비휘발성 분극 감소량이 20% 이하로서 피로 현상에 대한 내구성이 우수한 특성을 갖는다. 하기 화학식 1의 조성을 가진 강유전 물질: Bi 4-x R x Ti 3 O 12 상기 식에서, R은 Nd, Gd, Pr, Sm 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 중에서 선택된 희토류 금속이고, x는 0.25 내지 1.25 범위의 수이다.티탄산 비스무스는 강유전체로 알려져 있으며, 융점이 낮고 휘발성이 강한 물질이다. 이러한 강유전 현상의 근원은 티탄산 비스무스 결정격자내의 페로브스카이트(perovskite) 단위격자로서, 이는 비스무스에 인접해 있으며 비교적 안정성이 낮다. 따라서, 티탄산 비스무스 강유전 물질에 전기장을 반복적으로 인가하여 분극 반전시킬 경우 페로브스카이트를 구성하는 산소원자가 소실될 가능성이 높고 이는 분극 반전의 피로현상을 발생시켜 잔류분극의 감소가 유발되고 이에 따라 재료의 신뢰성이 저하된다. 페로브스카이트의 안정성을 증가시키기 위하여 페로브스카이트 단위격자를 유지하면서 티탄산 비스무스 결정격자내의 비스무스를 대체할 수 있는 원소들을 검토하였다. 그 결과, 원자가가 비스무스와 동일한 +3이면서 이온반경도 비스무스와 유사하여 결정격자내의 비스무스를 용이하게 대체할 수 있을 뿐 아니라 높은 상전이 온도를 유발할 수 있는, 희토류 금속, 예를 들어 Nd, Gd, Pr 및 Sm을 도출해내었다. 상기 희토류 금속 함유 티탄산 비스무스 강유전물질인 Bi4-x Rx Ti3 O12 는 도 1에 도시한 바와 같은 결정구조를 갖는다. 본 기술의 희토류 금속 함유 티탄산 비스무스 강유전 물질은 박막, 세라믹과 같은 벌크(bulk) 등의 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 높은 잔류 분극값 및 반복적인 분극 반전시 발생하는 피로 현상에 대한 내구성이 요구되는 각종 강유전물질의 응용분야, 예를 들면 강유전 메모리, 센서, 전자광학 분야 등에 효과적으로 이용될 수 있다.