G.Yang, W.Ren, A.J.Masys, and B.K. Mukherjee Roual Military College of Canada , Ontario, Canada

1. Effects of Uniaxial Stress and DC Bias Field on the Piezoelectric, Dielectric, and Elastic Properties of Piezoelectric Ceramics G.Yang, W.Ren, A.J.Masys, and B.K. Mukherjee Roual Military College of Canada, Ontario, Canada 2000 IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM

2. Abstract(1/1) • EDO회사에서 제조한 PZT 압전세라믹의 몇가지 형태에 대해 전계와 기계적 스트레스를 인가하여 유전, 신장, 압전상수를 측정하였다. • 이러한 상수를 결정하는데 고주파 임피던스 공진방식과 전기적, 기계적 응력이 주어진 상태에서의 저주파 응답들이 사용된다. • 여기서는 위의 재료상수들이 DC bias 전압과 기계적 스트레스에 의존하고 있음을 나타내었다 • 대부분의 결과에서 - 세라믹재료의 domain존재로부터 발생되는 압전응답은 외인적 영향에 바탕을 두고 있음을 알 수 있었다.

3. Introduction(1/4) • 압전세라믹이 이용되는 센서와 액튜에이터가 점차적으로 적용범위가 확대 • 이러한 적용에 있어서 압전세라믹은 - 매우 광범위한 환경조건과 신호가 인가된 상태에서 사용되도록 요구 - 재료들은 공진주파수와 다른 주파수에서 동작하는 것이 필요 • 압전재료에서 DC bias는 변환기설계에 있어 필요 • 변환기는 상온이상 또는 이하에서 동작할 것이고, 고전력기기의 경우 재료온도는 주변온도와는 틀림. • 따라서, 주파수, 전계, 기계적 스트레스와 변환기의 응답을 이해하고, 예상하기 위하여 온도와 관련된 변환기의 온도특성을 아는 것은 매우 유용하다.

4. Introduction(2/4) • 압전체에 대한 IEEE 기준에서, 공진측정은 일반적으로 고주파응용기기에 있어 압전재료의 특징을 나타내는데 사용 • 합성 재료상수의 사용으로 재료의 손실을 설명할 수 있는데, 특히 손실이 많은 압전재료의 변환기 전달함수 계산에 적합 • 반경, 두께, length-thickness, thickness shear, 그리고 length extensional modes의 임피던스 spectra는 PRAP software를 사용하여 분석이 가능하고, C∞압전재료에 대해 감쇄 행렬을 구성하는 10개의 독립적인 합성 재료상수가 결정 • 일반적으로 공진측정은 DC bias 없이 상온에서 시행되고 분석은 기본공진에만 기준을 둔다. • 임피던스 분석기를 보호하기위해 구성된 절연회로는 공진측정동안 시료에 DC bias 전압을 +/-3 kV 까지 인가할 수 있음

5. Introduction(3/4) • 공진방법을 사용하여 압전특성의 field 의존도를 측정 • 기본차수와 고차의 공진에서 얻어진 결과를 분석하여 재료특성의 주파수 의존도를 얻을 수 있다. • 온도특성은 temperature chamber에 시료를 넣고 시험기간동안 온도를 조정함으로써 알 수 있다. • 정상상태와 저주파특성의 비선형성을 연구 하기 위해, 두 가지 실험이 수행되었는데, - 전계가 인가된 상태와 한축에 압축 stress를 인가한 상태에서의 압전세라믹의 변형과 절연변위응답을 조사하였다. • 이전의 Stress 시험시스템은 pole 방향으로 단축스트레스의 함수로 압전계수를 알 수 있고, 실험결과는 재료형태, history of the specimen, stress level, time scale of the measurements에 의존

6. Introduction(4/4) • 시스템의 발전으로, 각각 다른 pre-stress값에서 저주파 동적스트레스 excitation상태에서의 변형(strain)과 전기적 변위가 측정 가능해 졌고, • 압전계수와 신장률 모두 인가된 스트레스의 함수로서 얻어진다. • 여기서의 실험장치는 인가된 스트레스의 함수로써 유전율(dielectric permittivity:εT33), 신장율(elastic compliance sE33), 압전상수(piezoelecric:d33)가 주어지고, 결합계수(coupling coefficient : k33)가 계산된다. • 다른 시험에서는 인가된 전계하에서 세라믹의 변형을 측정 하기위해 heterodyne 검출방식인 ZYGO laser interferometer 시스템을 사용하였다. - 압전세라믹의 압전계수 d는 상온에서 전계의 함수로써 정하고 있다.

7. Experimental Results and Discussions- Stress dependence(1/5) • stress 실험에 대한 setup은 변형과 유전변위와 동반되는 유전율 εT33의 stress 의존도를 측정하는데 용이하다. • 그래서, stress의 함수로써 신장도 sE33뿐만아니라, 압전상수d33를 얻을 수 있고, 결합계수 k33가 계산된다. • 여기서의 실험결과는 εT33과 sE33의 스트레스 의존도를 상세히 쉽게 설명한다. • 그림1은 EDO corp에서 생산된 EC-69(hard PZT)와 EC-65(soft PZT)에 대하여, 미리 10MPa간격으로 160MPa까지 인가한 함수의 파라미터들이다. • 이전의 행하였던 실험과 같이, AC stress 는 0.2Hz 이고, 1.5MPa의 진폭을 가진다.

8. Experimental Results and Discussions- Stress dependence(2/5) • 모든 재료에서 d33는stress가 증가하면서, 초기에는 증가하다가, 나중에 급격히 감소하는 비선형 특성을 보인다. • 스트레스 인가 후에 스트레스가 없던 EC-65의 d33가 매우 감소 - 이것은 스트레스 인가 동안 높은 스트레스 하에서 지속된 d33의 감소의 결과로 중대한 depoling이 발생하였음을 알려줌 • 이와는 반대로, 스트레스 후에 EC-69는 d33의 순증가가 나타남 • 이것은 domain switching의 가능성을 나타내고, 인가된 스트레스의 결과에 따른 non-180。domain walls 과 de-aging의 발생을 나타냄 • 고 stress하에서 유지된 d33의 감소는 아마도 주로 domain mobility에서의 stress clamping에 기인된다.

9. Experimental Results and Discussions- Stress dependence(3/5)

10. Experimental Results and Discussions- Stress dependence(4/5) • 두 재료의 εT33과 sE33의 스트레스 의존도는 매우 다르다. • sE33에서의 중요한 drop은 stress cycle후에 EC-65에서 나타났고, 이것은 더더욱 depoling이 증명된다. • EC-65와는 달리 EC-69는 εT33에서 강한 증가를 보이나, sE33에서는 매우 적은 변화가 있었다. - 재료에 있어서의 de-aging은 일반적으로 εT33의 증가를 일으킨다.

11. Experimental Results and Discussions- Stress dependence(5/5)

12. Experimental Results and Discussions- DC bias field dependence(1/8) • 임피던스 공진측정은 HP 4194A 임피던스 분석기 사용 • field dependence를 알아보기위해 시험기간중 재료에 DC bias를 +/- 3kV까지 인가 • PRAP software로 임피던스 spectra를 분석하고 재료특성을 얻기 위해 기본공진을 분석한다. • radial mode spectra로 부터 재료 상수 sE11, sE12, εT33, d31, kp 을 얻는다. • EDO corp에서 생산한 PZT 시료의 세가지 형태인 EC-69, EC-65, EC-76가 DC bias의 함수로써 그림 2에 나타내었다.

13. Experimental Results and Discussions- DC bias field dependence(2/8) • 모든 경우에 있어, 압전상수 d31은 - 시료에 양의 DC bias가 인가되었을 때 약간의 감소를 보인다. - 음의 DC bias가 인가된 경우에는 d31은 증가하고, - 음의 DC bias가 재료의 depoling을 일으키기에 충분히 높은 값 일 경우에는 결과적으로 감소한다. • 인가된 전계 내에서, hard PZT EC-69의 depoling을 찾기는 어렵고, 상대적으로 soft 재료 EC-65인 경우-0.8MV/m의 bias 전계에서 중대한 depoling이 발견되었다. • EC-76 세라믹에 대한 음의 DC bias에서는 d31의 증가를 측정하기는 어려웠다. 그 이유는 이 재료가 너무 soft하여 depoling이 매우 낮은 음의 bias전계에서 일어나기 때문이고, 그림에서는 단지 양의 DC bias 결과만이 보여진다.

14. Experimental Results and Discussions- DC bias field dependence(3/8)

15. Experimental Results and Discussions- DC bias field dependence(4/8)

16. Experimental Results and Discussions- DC bias field dependence(5/8) • heterodyne 검출방식인 ZYGO laser interferometer system은 인가된 전계의 함수로 압전세라믹 시료의 변형을 측정하였다. • PZT 세라믹의 압전계수 d는 다양한 주파수에서 bias 전계의 함수로써 결정된다. 그림3은 bias 전계의 함수로써, 10Hz에서 측정된 EC-69와 EC-65의 d33를 보여준다. • 모든 시료에 대해 압전상수 d33는 시료에 양의 DC bias가 인가되었을 때 약간의 감소를 보이고, 또한 그림2의 DC bias 공진방식에 의해서 얻어진 결과에서도 같다. • 음의 DC bias가 인가된 전체영역에서 hard PZT EC-69의 d33값은 감소없이 증가하였다. EC-65의 경우에는 낮은 bias 전계인 -0.5MV/m에서 급격한 depoling이 시작됨을 알 수 있다

17. Experimental Results and Discussions- DC bias field dependence(6/8)

18. Experimental Results and Discussions- DC bias field dependence(7/8) • 압전계수 d와 DC bias와의 의존도는 재료의 특성에 대한 지식을 바탕으로 이해해야 함. • well poled 압전세라믹에 대해서는 추가적인 양의 bias전계는 전체 분극의 증가에 기여하지 않는다. • 반면, 광범위하게 인가된 전계는domain wall motion을 제한하게 되어 재료의 압전응답은 감소할 것이다. • depoling의 발생을 제외하고, 음의 bias 전계는 절연상수, 압전계수, 탄성도의 증가를 일으키는 재료의 de-aging을 유도할 수 있다.

19. Experimental Results and Discussions- DC bias field dependence(8/8) • 이번 결과, 광범위한 운전전계가 압전재료에 인가되는 곳의 적용에 있서, 비선형성에 의존하는 전계가 중요한 역할을 함을 나타냄 • soft 재료에서는 만약 재료가 음의 전계에 있기 쉽다면, depoling의 발생을 고려해야 한다. 그러한 depoling은 적합한 양의 bias 전계의 적용으로 피할 수 있고, - 또한 온도나 stress 변화와 같은 예측할 수 없는 발생에 의해 가능한 depoling에 대해서 안정한 분극배치를 가능하게 한다. • hard PZT의 경우에 Depoling은 중요하지 않지만, 압전상수 d는 일반적으로 soft PZT재료보다 매우 낮다. • 그러나, hard PZT에 안정한 음의 bias 적용은 압전상수 d의 증가를 야기하고, 더 강한 압전응답을 발생한다.

20. Summary • EDO corp에서 제작된 많은 PZT 압전세라믹의 유전, 탄성, 압전상수는 고주파, 저주파에서 인가된 DC bias 전계와 인가된 기계적 스트레스의 함수로 측정되었다. • 대부분의 결과에서 - 세라믹재료의 domain존재로부터 발생되는 압전응답은 외인적 영향에 바탕을 두고 있음을 알 수 있었다.