Pb-free Bi계 전자재료의 제조와 응용

Abstract

Pb는 축전지 재료, 건물이나 공장시설의 배관용 연관 등의 재료, 통신장비용의 피복전선 재료, 탄환제조의 군수품원료, 핵물질포장 재료, 활자주조 재료, 고급유리의 유약 재료, 석유정제첨가물 재료 등 여러 곳에 사용되고 있다. 허나 유럽 납규제가 2006년 7월부터 실시하기로 정해짐에 따라 무연 제품의 개발이 불가피하게 되었다. 전자제품에서의 Pb 성분 규제에 따라 본 연구에서는 현재 사용되고 있는 Pb를 Bi-base로 대체한 PDP투명유전체와 자동차의 knock 센서의 새로운 조성개발 및 이를 제조하여 특성을 측정하였다. 첫 번째 연구로는 차세대 디스플레이분야에서 플라즈마 디스플레이 패널 (PDP : Plasma Display Panel)에 적용 가능한 새로운 Bi-based의 유리조성의 투명유전체를 개발하였다. 또한 기존의 Pb-based 프릿과의 물성을 비교하였고, PDP디스플레이 응용에서 전면유리와의 일체화를 위해, 소자와의 반응 억제와 열응력 완화를 위해 프릿의 저융점화 및 열팽창계수를 제어하였다. Bi2O3가 50-60wt%이상 첨가된 Bi2O3-B2O3-Al2O3계 조성의 유리는 열분석 (DTA, TMA) 및 XRD분석을 행하여 조성의 변화에 따른 유리의 열적 특성변화를 관찰하였고, 유리분말을 페이스트에 첨가하여 만든 후 스크린 프린팅 법으로 후막 처리하여 저항 및 미세구조를 관찰하였다. TGA, TMA 열 분석 결과 및 유리 전이점이 400~480℃ , 열팽창계수가 7.31~10.02 ×10-6/℃이며, 전극의 단자저항은 4.1~4.8Ω 이었고, 비유전율이 높으면 전기장에 영향을 받아 기능의 저하나 신호처리 속도가 느려지는 것을 방지하기 위해 비유전율을 11.1~14.6으로 제어하였다. 본 연구에서 새로이 개발된 Bi계 투명유전체 조성은 Pb계 조성의 투명유전체에 상당하는 물성을 얻을 수 있었으며, 이는 조성의 미세제어를 통해 고기능성 투명유전체로의 Bi계 조성의 적용가능성을 확인할 수 있었다. 두 번째 knock sensor용 압전체 연구에서는 Bi(Na,K)TiO3의 압전물성, 전기기계 결합계수에 미치는 첨가물의 영향을 밝히고자 (Bi0.5Na0.5TiO3-Bi0.5K0.5TiO3 : 이하 xBNT-(1-x)BKT를 기본 조성으로 여기에 천이금속화합물(A, B), SrTiO3 등의 여러 가지 첨가물을 첨가 및 치환하여 그에 의한 결정구조, 전기기계 결합계수의 변화와 미세구조 변화를 조사하였다. xBNT-(1-x)BKT(x=0.82~0.88) 조성에서 x=0.86의 유전율과 Tc가 가장높았으며 상온에서의 유전율은 471, Tc는 390℃이며, (1-x)BNKT-xSrTiO3(x=0.01~0.07) 조성은 x=0.03 SrTiO3가 치환되었을때 유전율과 Tc는 837, 280℃이다. 이와같이 ST의 첨가로서 유전율은 증가하고, Tc는 첨가량이 증가할수록 낮아지는 경향을 보였다. xBNT-(1-x)BKT(x=0.86) 조성의 기계적 품질계수인 Qm 과 전기기계결합계수 kp는 각각 205, 30%이다. 여기에 천이금속화합물(A, B)을 1wt% 첨가하게 되면 Qm 과 kp 는 400~500, 31~32%로 증가하게 된다. 전기기계결합계수는 비슷하나 기계적 품질계수가 2배이상 증가하는 것으로 나타난다.