입도분포에 다른 ZnO 바리스터의 비직선적 전압-전류 특성의 변화와 ZnO입자의 이방성에 관한 연구

Abstract

IV.1.4 $ZnO-Bi_2O_3-MnO$계와 $ZnO-Bi_2O_3-MnO-TiO_2$계를 $900\,^\circ\!C,\; 1000\,^\circ\!C,\; 1100\,^\circ\!C$ 및 $1200\,^\circ\!C$에서 각각 100분간 소결된 시편들의 미세구조를 관찰하고 입도분포와 l-V 특성을 측정하여 다음과 같은 결과를 얻었다. (1) 소결시편의 미세구조는 ZnO입자, Bi-rich 입계상 및 기공등으로 이루어져 있었으며, 소결온도 증가에 따른 ZnO입자의 성장이 관찰되었다. (2) $ZnO-Bi_2O_3-MnO$계 소결시편의 ZnO입자들은 등방적으로 성장하였으며, $ZnO-Bi_2O_3-MnO-TiO_2$계 소결시편의 ZnO입자들은 이방적으로 성장하였다. (3) 소결시편의 ZnO입자들에 대한 입도분포는 log-normal distribution을 나타내었으며, 소결온도에 관계없이 일정한 형태를 유지하였다. 이는 입자성장을 저지하는 Spinel상이 존재하지 않았기 때문으로 판단되었다. (4) $TiO_2$ 첨가에 의해 평균입경에 따른 표준편차의 증가율이 증가하는 것은 ZnO입자들의 이방성에 기인한다고 사료된다. (5) 소결온도 증가에 따라 소결시편의 breakdown field는 $ZnO-Bi_2O_3-MnO$계의 경우 254V/mm에서 77V/mm로, $ZnO-Bi_2O_3-MnO-TiO_2$계의 경우 256V/mm에서 46V/ mm로 감소?臼느만,} 누설전류밀도는 $ZnO-Bi_2O_3-MnO$계의 경우 $0.035\mu A/cm^2$에서 $0.1\mu A/cm^2$로, $ZnO-Bi_2O_3-MnO-TiO_2$계의 경우 $0.035\mu A/cm^2$에서 $2.5 \mu A/cm^2$로 증가하였다. (6) $ZnO-Bi_2O_3-MnO$계 소결시편의 비직선성 계수 $\alpha$는 $30 \sim 40$이었으며, $ZnO-Bi_2O_3-MnO-TiO_2$계에서는 $20 \sim 30$이었다. IV.2.3. $ZnO-Bi_2O_3-MnO$계와 $ZnO-Bi_2O_3-MnO-TiO_2$계 소결시편들에 대하여 직접측정법 으로 구한 측정장벽전압과 간접측정법으로 구한 계산장벽전압을 비교하고, 두 장벽전압 간의 차이를 제거하기 위한 새로운 입계 수의 계산방법을 제안하였다. (1) 직접측정법으로 구한 단일 입계와 단일 입자에 대한 I-V특성의 비교로 부터 ZnO바리스터의 비직선적인 I-V특성을 설명하는 breakdown현상은 입계에 기인된다는 사실이 확인되었다. (2) 직접측정법으로 전압인가 시간에 따른 단일 입계의 I-V특성변화로 부터 ZnO 바리스터의 비직선성에 대한 열화현상이 관찰되었다. (3) $ZnO-Bi_2O_3-MnO$계와 $ZnO-Bi_2O_3-MnO-TiO_2$계의 측정장벽전압은 소결온도 에 관계없이 각각 6V와 5V로 일정하였으나, 계산장벽전압은 소결온도 증가에 따라 감소하였다. (4) (3)의 결과로 부터, 동일조성의 ZnO바리스터에서 측정장벽전압과 계산장벽전압간의 차이가 실험적으로 확인되었으며, 이 두 전압간의 차이는 입도분포의 표준편차에 따라 sigmoidal mode로 변화하였다. (5) 본 논문에서 제안된 큰 입경을 모두 고려한 입계 수의 계산식으로 구한 입계 수는 실제 도전경로상에 존재하는 입계의 수와 잘 일치되었다. (6) 표준편차가 $15\mu m$이하인 입도분포를 갖는 시편의 입계 수는 $N_b(\bar{D})$로, 표준편차가 $15 \mu m$이상인 입도분포를 갖는 시편의 입계 수는 $N_b(\bar{D}+\sigma)$로 계산하여야 한다고 제안되었다. IV.3.4. $ZnO-Bi_2O_3-MnO-TiO_2$계 소결시편에서 관찰되는 ZnO입자들의 이방성을 주사전자 현미경과 투과전자현미경을 통하여 결정학적으로 고찰하고, 이를 근거로 이방적 입자성장을 설명하였다. (1) 주사전자현미경 관찰로부터 $TiO_2$ 첨가에 관계없이 basal plane에 평행한 입계면에 Bi-rich입계층이 관찰되었는데, 이러한 Bi-rich상은 소결온도에서 상온으로 냉각시 Bi-rich액상이