본 연구에서는, BaSnTiO3 구조 기반 재료로서, 압전 소자 응용에 대해 (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 세라믹을 조사하였다. 납이 없는 압전 재료인 (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 세라믹은 압전 센서, 액추에이터 등 다양한 용도에서 PZT를 대체할 수 있는 유망 압전 소재이다. 하지만 높은 압전 특성에도 불구하고 낮은 퀴리 온도는 소자 응용의 장애물이 된다. 따라서 Ba(Sn,Ti)O3 소재의 퀴리 온도를 높이기 위해 (Ba,Ca)TiO3 세라믹을 추가하였다. (Ba,Ca)TiO3 세라믹은 Ba(Sn,Ti)O3 세라믹에 비해 a-parameter 길이가 짧은 반면, c-parameter는 비슷한 값을 유지한다. 이로 인해, A-site 소재의 화학적 결합에너지 와 물리적 힘 크기 등을 고려하여 원하는 strain을 도출하였고, 결과적으로 strain의 제어를 통한 퀴리 온도를 조절할 수 있었다. 또한 에너지 수확 시스템에 적용하기 위한 (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 세라믹의 결정 구조 및 압전 특성을 분석하였다. (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 세라믹은 x = 0.4, 0.5, 0.55, 0.6, 0.7의 BCT 조성에서 압전 전하 계수, P-E 이력 루프, Bulk density를 조사하였고, 그 결과 1480 °C에서 소결된 0.45Ba(Sn,Ti)O3-0.55(Ba,Ca)TiO3 세라믹이 가장 높은 압전 특성을 나타냈다. 이러한 높은 압전 특성으로 인하여 (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 무연 압전 세라믹이 다양한 응용분야에서 활용 될 것으로 기대된다. 에너지 수확을 위한 (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 무연 압전 세라믹을 분석하였다. 우리는 임피던스 매칭 시스템을 구현하여 다양한 부하 저항으로 출력 전압과 평균 전력 발생을 확인했다. 본 연구에서는 다양한 부하 저항에서 출력 전압, 발생 평균 전력을 측정하였으며, 압전 에너지 하베스터 구성요소에 대해서는 병렬로 연결된 종속 전압원과 부하 저항 및 압전 콘덴서를 도입하여 임피던스 매칭 회로 모델링을 실시하였으며, 생성된 출력 전압 및 전력을 임피던스 매칭 기법을 도입하여 시뮬레이션 과정을 거쳐 실험결과를 증명했다.
In this study, as a BaSnTiO3 structure based material, (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 piezoelectric ceramic was investigated for piezoelectric applications. As a lead-free piezoelectric ceramic, the (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 ceramic is a promising piezoelectric material that can replace lead zirconate titanate (PZT) in various applications, including piezoelectric sensors and actuators. Even though high piezoelectric properties, low Curie temperature is the obstacles for the applications. To increase Curie temperature of BaSnTiO3 material, (Ba,Ca)TiO3 ceramic was added. (Ba,Ca)TiO3 ceramic has shorter a-parameters compared with that of BaSnTiO3 ceramics, while c-parameter remains similar values of 4.02 Å. Due to the increased strain of (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3, the Curie temperature can be controlled. Also, we have analyzed the structural and piezoelectric properties of a (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 ceramics for application to an energy harvesting system. (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 ceramics with x = 0.4, 0.5, 0.55, 0.6, and 0.7 were synthesized and analyzed at sintering temperatures from 1455 to 1505 °C. We investigated the piezoelectric charge coefficient and P-E hysteresis loops. Results showed that the optimized composition of (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 ceramics was x = 0.55, sintered at 1480 °C. As lead-free piezoelectric ceramics, it is expected that (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 ceramics will be promising candidates for various applications. Also, We analyzed the (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 lead-free piezoelectric ceramics for energy harvesting applications. we confirmed that the output voltage and generated average power by various load resistance through impedance matching system. In this study, the output voltage, generated average power, piezoelectric properties, and phase of (1-x)Ba(Sn,Ti)O3-x(Ba,Ca)TiO3 ceramics are analyzed by X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) and mechanical force system for energy harvesting applications. As a result, we calculated optimized output power using electric energy formula (V2/R).