J. Microelectron. Packag. Soc., 26(4), 69-74 (2019) https://doi.org/10.6117/kmeps.2019.26.4.069

Print ISSN 1226-9360 Online ISSN 2287-7525

69

PMN-PT 단결정의 압전 및 유전 특성 평가에 미치는 측정 방법의 영향

김용수1·박재환1,†·이정호2·이상구2

1한국교통대학교 전자공학과, 2(주)아이블포토닉스

Effect of Measuring Method on the Evaluation of Piezoelectric and

Dielectric Properties of PMN-PT Single Crystal

Yong Soo Kim1, Jae Hwan Park1,†, Jeongho Lee2, and Sang Goo Lee2

1Department of Electronic Engineering, Korea National University of Transportation,

50, Daehak-ro, Daesowon-myeon, Chungju-si, Chungcheongbuk-do 27469, Korea2Ibule Photonics, 22, Gaetbeol-ro 145beon-gil, Yeonsu-gu, Incheon 21999, Korea

(Received December 2, 2019: Corrected December 20, 2019: Accepted December 22, 2019)

초 록: PMN-PT 단결정 시편의 유전 및 압전 특성의 측정 결과에 미치는 측정 기구물의 영향을 고찰하였다. 샘플에

교류 전기신호를 인가하는 지그핀의 압력이 감소할수록 공진저항은 낮게 측정되고 기계적 품질계수는 높게 계산되었다.

지그핀의 스프링 텐션이 20 grf인 경우 기계적 품질계수는 418으로 측정되었고, 스프링 텐션이 200 grf인 경우 품질계수

값은 절반으로 감소하였다. 4-프로브 방식의 픽스쳐는 압전특성 측정에는 부적합하지만 유전손실 값의 측정에는 가장 적

합하였다. 정확한 PMN-PT의 압전특성 평가를 위하여 지그핀의 스프링 텐션을 최대한 낮추는 것이 필요하며, 정확한 유

전특성의 평가를 위하여 4-프로브 방식이 적합함을 알 수 있다.

Abstract: The influence of measuring fixtures on the measurement of dielectric and piezoelectric properties of PMN-

PT single crystal specimens was investigated. As the pressure of the jig pin which applied the AC electrical signal to

the sample decreased, the lower resonance resistance was measured and the higher mechanical quality factor was

calculated. The mechanical quality factor was 418 when the spring tension of the jig pin was 20grf, and the value of

the quality factor was reduced by half when the spring tension was 200grf. The 4-probe fixture method is unsuitable for

measuring piezoelectric properties, but it was suitable for the measurement of dielectric loss. In order to accurately evaluate

the piezoelectric properties of PMN-PT, it is necessary to lower the spring tension of the jig pin as much as possible.

Keywords: PMN-PT, single crystal, piezoelectric, dielectric, test fixture

1. 서 론

전자 및 기계 부품의 미세화 및 고기능화에 따라 정밀

한 센서와 액츄에이터 개발의 수요는 꾸준히 증가하고 있

다. Pb(Zr,Ti)O3계와 같은 세라믹 압전 소재는 과거 널리

사용되어 왔으나, 다결정 소재라는 단점과 한계에 도달

한 전기적 물성으로 인하여 극한적 특성이 요구되는 응

용분야에는 적용이 제한적이다.1,2) 한편, 비교적 최근에

개발된 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3계 소재의 경우 단결정으

로 구현할 경우, PZT계에 비하여 5배 이상의 압전상수를

구현할 수 있어서 고성능의 압전소자를 구현할 수 있다

는 장점이 있다.3-8)

PMN-PT 단결정의 경우 PZT계에 비하여 월등히 우수

한 전기적 특성을 나타낸다. 특히 압전상수 d33 값은 1,200

pC/N에 달하여 PZT계에 비하여 5배 이상 월등하므로, 탁

월한 특성의 센서 및 액츄에이터를 구현할 수 있다. PMN-

PT 단결정은 의료, 군사, 비파괴검사 등의 분야에서 강력

하고 정밀한 초음파 발진소자로서 활용될 수 있다. PMN-

PT 단결정의 전기적 특성이 매우 우수하므로, 전기적 특

성의 측정방법에서도 세심한 주의가 요구된다.

일반적으로 압전특성을 측정하는 방법은 임피던스 분

석기를 활용한 공진법이다. 주파수를 낮은 영역에서 높

은 영역으로 변화시키면서 교류신호를 압전체에 인가할

때, 압전체에 유도되는 변형이 압전체의 물리적 구조와

†Corresponding authorE-mail: pjh@ut.ac.kr

© 2019, The Korean Microelectronics and Packaging Society

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work isproperly cited.

70 김용수·박재환·이정호·이상구

마이크로전자 및 패키징학회지 제26권 제4호 (2019)

간섭하여 공명현상을 일으키면서 압전체의 임피던스는

크게 변화하게 된다. 전기적 공진현상과 달리 압전체에

서의 기계적 공진현상은 전기적 신호 입력에 대한 시편

의 기계적 진동이 수반되는 것이므로, 전기 신호를 인가

하는 방법 및 측정 지그의 크기나 텐션 등 많은 요인들이

특성평가에 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 PMN-

PT 단결정 시편의 유전 및 압전 특성의 측정 결과에 미

치는 측정방법의 영향을 고찰하였다. 특히 지그핀의 스

프링 텐션이 압전체의 물성 평가에 어떤 영향을 미치는

지 중점적으로 검토하였다.

2. 연구 방법

연구에 사용된 조성은 28%의 PbTiO3가 첨가된 PMN-

0.28PT로 하였다. 단결정 합성은 아이블포토닉스 사의 브

리지만 결정성장 공정에 의하여 이루어졌다. 성장된 3''

웨이퍼를 절단 및 연마하여 최종적으로 4 mm×4 mm×12

mm 육면체 시편을 제작하였다. 금(Au) 전극은 4 mm×12

mm 양측 면에 형성하였고, 폴링을 실시하였다. 단결정

방향은 전극면 방향과 일치하며 (001) 이다.

임피던스 분석기(HP 4192A)에 의하여 인가 주파수 1

KHz~10 MHz 범위에서 전압 1V 신호를 생성하여 시편

에 인가하였다. 압전 공진법에 의하여 기계적 품질계수

(Qm), 전기기계결합계수(k31), 압전계수(d31)를 계산하였

다. 유전특성으로서 정전용량(C0)및 유전손실(D) 값은 주

파수 1 KHz에서 측정하였다.

시편의 전기적 특성에 영향을 미치는 것은 프로브 방

식과 지그핀의 스프링 텐션 등 많은 요소가 영향을 미칠

수 있다. 임피던스 측정의 원리는 시편에 정현파 교류 전

압을 인가하고 시편에 흐르는 전류 벡터의 분석을 통하

여 임피던스와 위상을 검출하게 된다. 시편에 대한 프로

브 방식은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 2-프로브 방식과 4-

프로브 방식으로 구분된다. 연구에 사용된 픽스쳐의 종

류는 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 4종을 적용하였다. 픽스

쳐 A(Applent, L608)는 SMD 타입의 시편을 측정하는 것

으로서 2-프로브 접촉방식이며, 스프링텐션이 200 grf로

서 다소 높은 편이다. 픽스쳐 B는 20 grf의 매우 낮은 스

프링텐션을 갖는 형태로 제작된 2-프로브 접촉방식이며,

이 픽스쳐를 사용함으로서 스프링텐션을 낮출 때 압전소

자의 전기적 특성 평가에서 어떤 유리한 점이 있는지 알

아보고자 하였다. 픽스쳐 C(Tonghui, TH26012)는 프로브

와이어가 긴 방식이며, 픽스쳐 D(HC, Z92161)는 4-프로

브 모두가 시편에 직접 접촉되는 타입이다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 3(a)에 PMN-PT 샘플의 압전 공진 스펙트럼의 측

정 결과를 나타내었다. 50~100 kHz 범위에서 공진 및 반

공진 주파수가 나타나고 있으며, 상위 주파수 대역에서

고조파 공진 특성이 나타나는 전형적인 압전소자의 특성

을 나타내고 있다. Fig. 3(b)~(c)에는 공진대역에서의 임

피던스 및 위상의 자세한 변화를 나타내었다. 공진주파

수는 59.8 kHz, 반공진주파수는 92.1 kHz로 측정되었다.

공진 대역에서 위상반전이 정확하게 나타나고 있다. 공

진주파수에서의 임피던스 값은 52 Ω으로 측정되고 있다.

Fig. 4에는 픽스쳐의 종류에 따른 공진 스펙트럼의 변

화를 나타내었다. 모든 경우에 공진주파수는 60 kHz 부

근, 반공진 주파수는 90 kHz 부근으로 측정되었으나 공

진주파수에서의 임피던스(Zm) 값은 차이를 보이고 있다.

픽스쳐 A(스프링 텐션 200 grf)와 픽스쳐 B(스프링 텐션

20 grf)는 기구상 거의 유사한 구조이나 지그핀의 스프링

텐션 값의 차이가 있다. 스프링 텐션이 낮은 픽스쳐 B를

사용할 경우, Zm 값은 38 Ω으로 가장 낮은 값을 보여주

고 있다. 픽스쳐 C의 경우에는 시편에 측정용 전선을 납

땜하여 픽스쳐로 물린 후 측정하였으며, 이 때 Zm 값은

Fig. 1. Fixture probe contact method to specimen for impedance analysis.

PMN-PT 단결정의 압전 및 유전 특성 평가에 미치는 측정 방법의 영향 71

J. Microelectron. Packag. Soc. Vol. 26, No. 4 (2019)

71 Ω으로 측정되었다. 이 경우 시편에 지그핀의 스프링

은 적용되지 않지만, 시편에 부착되어 있는 전선의 무게

로 인하여 Zm 값이 다소 높게 나온 것으로 판단된다. 이

상의 측정결과를 종합해 보면, 측정 중에 시편에 대한 외

부의 간섭이 최소화될수록 시편의 Zm 값이 낮게 측정된

다는 것을 알 수 있다. 압전체의 전기기계 공진현상은 교

Fig. 2. The fixtures used for the measurement. (a) SMD type fixture, (b) low tension spring fixture, (c) wire fixture, and (d) 4-probe

fixture.

Fig. 3. Piezoelectric resonance spectrum of PMN-PT single crystal.

72 김용수·박재환·이정호·이상구

마이크로전자 및 패키징학회지 제26권 제4호 (2019)

류 전기신호에 의하여 압전체가 물리적으로 진동하면서

발생하는 것이므로, 압전체에 전기적 신호를 전달하기 위

한 픽스쳐로부터 전달되는 접촉 압력이 최소화되어야 정

확한 Zm 값의 측정이 보장된다고 판단된다. 픽스쳐 D의

경우는 4-프로브 방식의 기구물이며, Fig. 1(b)에 나타낸

바와 같이 시편의 전극으로 2-프로브에 의하여 교류 신

호가 입력되고, 시편의 전극의 다른 부위에 접촉된 2-프

로브 접촉에 의하여 전압 벡터를 측정하여 임피던스와 위

상을 측정하는 방식이다. Fig. 4(d)에 나타내었듯이, 전체

적인 공진특성이 불안정하게 나타났으며, Zm 값이 300 Ω

이상으로 상당히 높게 나타났다. 이는 4개의 지그핀이 시

편을 누름에 따라 기계적 공진이 크게 억제된 것에 기인

한 것으로 판단된다.

픽스쳐의 종류에 따라 측정된 유전특성과 압전특성의

계산값을 Table 1에 정리하여 나타내었다. 지그핀의 스프

링 텐션이 가장 낮았던 픽스쳐 B를 적용하였을 때 공진

저항 Zm 값이 가장 낮았으며, 이 때 계산된 기계적 품질

계수 Qm 값은 418로 나타났다. 픽스쳐 A와 C의 경우 Qm

값은 200 정도의 값이 얻어졌으며, 이는 샘플에 인가되는

외부 힘에 의하여 낮은 Zm 값이 측정된 것에 기인하는 것

으로 판단된다. 픽스쳐 D의 경우 높은 Zm 값에 의하여 40

정도의 매우 낮은 Qm 값이 얻어지고 있어서, 압전체의 공

진특성 측정에 부적합한 방법으로 판단된다. 정전용량

(C0) 및 유전손실 (D) 값의 측정에 있어서 픽스쳐 A, B, C

모두 유사한 결과를 보여주었다. 픽스쳐 D의 경우는 매

우 낮은 유전손실 값을 보여주고 있다. 이는 4-프로브 방

식의 급전 및 측정방식에 의하여 시편에 인가되는 전압

과 전류의 위상을 완전하게 분리할 수 있는 구조를 갖고

있으므로, 전압 전류 위상차이에 해당하는 유전손실 값

이 낮게 나타난 것으로 보인다. 픽스쳐 D 방식은 압전체

의 유전특성 측정에 적합한 방식으로 판단된다. 전기기

계 결합계수의 경우 모든 종류의 픽스쳐에서 0.8 전후의

유사한 값이 얻어졌으며, 압전계수의 경우 1,000~1,200

pC/N 범위의 값들이 얻어졌다. 이러한 압전상수들은 픽

Fig. 4. Resonance spectrum variation according to the fixture types. (a) SMD type fixture, (b) low tension spring fixture, (c) wire fixture,

and (d) 4-probe fixture.

Table 1. Effect of test fixtures on the dielectric and piezoelectric properties of PMN-PT.

Sample C0 [pF] D fr [kHz] fa [kHz] Zm [Ω] Qm k31 d31 [pC/N]

Fixture A 292 0.0018 59.80 92.10 75 210 0.79 1150

Fixture B 290 0.0018 59.95 92.10 38 418 0.78 1080

Fixture C 296 0.0021 57.30 89.00 71 202 0.79 1240

Fixture D 280 0.0003 60.72 93.10 380 42 0.78 1090

PMN-PT 단결정의 압전 및 유전 특성 평가에 미치는 측정 방법의 영향 73

J. Microelectron. Packag. Soc. Vol. 26, No. 4 (2019)

스쳐 종류의 영향을 거의 받지 않았다.

샘플의 유전특성 및 압전특성은 일반적으로 공기 분위

기 중에서 측정된다. 그러나 때로 압전소자는 물 또는 절

연유와 접촉되는 경우가 있을 수 있다. 이런 상황을 가정

하여 압전 및 유전 특성이 어떻게 변화하는지를 조사하

였고, 그 결과를 Fig. 5 및 Table 2에 정리하여 나타내었

다. 절연유인 실리콘 오일에 시편을 담그었을 경우 공기

에서 측정한 것과 유사한 공진, 반공진 주파수 대역을 나

타내고 있다. 그러나 공진 저항 Zm 값이 상당히 높게 나

타나고 있으며, 반공진 특성도 완화되어 나타나고 있다.

이는 샘플을 둘러싼 매질인 오일의 진동에서 발생한 방

사 임피던스가 시편의 진동변위에 부가되어 Zm 값이 증

가된 것으로 판단된다. 오일 속에서 측정된 Qm 값은 공

기 중에서 측정한 값에 비하여 1/10 정도로 크게 낮게 나

타나고 있다. 물 속에서 측정한 경우에도 Zm 값이 증가하

고 공진스펙트럼이 크게 위축되는데, 이는 매질의 점도

에 의한 감쇄로 판단된다. 또한 물의 유전적 특성으로 인

한 정전용량 및 유전손실 값의 증가로 샘플 유전특성의

유의미한 평가 역시 어렵다.

4. 결 론

여러 종류의 측정 픽스쳐를 활용하여 PMN-PT 단결정

시편의 유전 및 압전 특성의 측정 결과에 미치는 측정 기

구물의 영향을 고찰하였다. 샘플에 교류 전기신호를 인

가하는 지그핀의 압력은 압전체의 공진저항 및 기계적 품

질계수 측정에 결정적 영향을 미치는 것으로 조사되었

다. 지그핀의 스프링 텐션이 20 grf로 가장 낮은 경우, 기

계적 품질계수 Qm 값은 418로 가장 높게 측정되었다. 지

그핀의 압력이 200 grf인 경우 Qm 값은 절반 이하로 감소

하였다. 현재 상용으로 시판중인 픽스쳐의 경우 지그핀

의 압력이 대체로 100~300 grf 사이로 파악되고 있으며,

이는 압전체의 공진특성을 정확히 측정하기에는 높은 스

프링 텐션으로 판단된다. 한편 4-프로브 방식의 픽스쳐는

압전특성 측정에는 부적합하지만 유전손실 값의 측정에

적합한 방식으로 판단된다. 샘플을 절연유에 담그었을 경

우 공진현상은 크게 완화되고 품질계수는 공기 중에서 측

정된 값의 1/10 이하로 감소하였다.

감사의 글

이 논문은 국방기술품질원의 지원을 받아 수행된 연구

임(과제번호 : E170000).

이 논문은 2017년 대한민국 교육부와 한국연구재단 이

공학개인기초연구사업의 지원을 받아 수행된 연구임

(2017R1D1A1B03031776).

References

1. J. H. Lee, T. S. Kim and H. H. Park, “Hybrid Fabrication of

Table 2. Dielectric and piezoelectric property variation of PMN-PT with measurement atmosphere

Sample C0 [pF] D fr [kHz] fa [kHz] Zm [Ω] Qm k31 d31 [pC/N]

Air 290 0.0018 56700 89000 38 418 0.80 1100

Silicone oil 350 0.0110 55080 88000 151 89 0.81 1305

Water 1550 0.0420 55200 88000 60 51 0.81 1850

Fig. 5. Resonance spectrum variation with measurement atmosphere.

(a) air, (b) silicone oil, and (c) water.

74 김용수·박재환·이정호·이상구

마이크로전자 및 패키징학회지 제26권 제4호 (2019)

Screen-printed Pb(Zr,Ti)O3 Thick Films Using a Sol-infiltra-

tion and Photosensitive Direct-patterning Technique”, J.

Microelectron. Packag. Soc., 22(4), 83 (2015).

2. K. K. Lee, J. S. Hwang, W. Wang, G. Y. Kim, and S. S. Yang,

“Improving Sensitivity of SAW-based Pressure Sensor with

Metal Ground Shielding over Cavity”, J. Microelectron.

Packag. Soc., 12(3), 267 (2005).

3. K. Uchino, “Electrostrictive Actuators: Materials and Appli-

cations”, Am. Ceram. Soc. Bull., 65(4), 647 (1986).

4. S. W. Choi, T. R. Shrout, S. J. Jang and A. S. Bhalla, “Dielec-

tric and Pyroelectric Properties in the Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 –

PbTiO3 System”, Ferroelectrics, 100, 29 (1989).

5. S. Nomura, and K. Uchino, “Electrostrictive Effect in

Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 Type Materials”, Ferroelectrics, 41, 117

(1982).

6. R. Wongmaneerung, R. Yimnirun and S. Ananta, “Synthesis

and electrical properties of Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 ceram-

ics”, Curr. Appl. Phys., 9, 268 (2009).

7. J. S. Ko, Y. H. Shin, and S. W. Choi, “Dielectric, piezoelectric

and pyroelectric properties of strontium-modified lead mag-

nesium niobate-lead titanate ceramics”, Ferroelectrics, 158,

259 (1994).

8. J. Kim, C. Joh, and Y. Roh, “Evaluation of All the Material

Constants of PMN-28%PT Piezoelectric Single Crystals for

Acoustic Transducers”, Sensors and Materials, 25(8), 539

(2013).