[재료공학개론]Barium titanate(BaTiO3) 3부






강유전체(ferroelectrics)


외부의 전기장이 없이도 스스로 분극(자발 분극, Spontaneous polarization, Ps)을 가지는 재료로서 외부 전기장에 의하여 분극의 방향이 바뀔 수(switching) 있는 물질을 뜻한다. 주로 산화물이 많이 응용되고 있으며 BaTiO3가 가장 대표적인 재료이다.


응용 사례로서는 전자회로에 많이 사용되는 MLCC(multilayer ceramic capacitor)를 비롯하여 가스레인지 착화기 등의 압전 응용 등 일상 생활에 아주 많이 사용되고 있다. 첨단 응용으로는 강유전체 기억소자(FeRAM) 응용을 위한 박막 연구가 지난 20년 정도 활발히 진행되었으나 최근에는 조금 주춤해진 상태이다. FeRAMDRAM의 기억 세포에 강유전체 재료를 넣어서 외부 전원이 없더라도 정보가 사라지지 않는 비휘발성의 특성을 가지며, 강유전체의 자발 분극을 이용하므로 우주선에도 강하다는 장점을 갖는다.


가장 많이 알려진 페로브스카이트 결정 구조 BaTiO3는 상온에서는 정방정(tetragonal) 결정구조를 가지며 양이온 Ti4+가 음이온 O의 중심보다 약간 다른 위치에 있어서 자발 분극을 갖게된다. 그런데 약 120oC 이상이 되면 결정구조가 입방정(cubic)으로 바뀌면서 자발 분극이 사라지게 된다. 이렇게 강유전성(ferroelectricity)을 잃어버리는 온도를 큐리 온도(Curie temperature)라고 한다. 이러한 강유전 상전이는 고체상전이의 예의 하나로 큐리 온도를 상전이 온도라고도 부른다.


강유전(Ferroelectric) 이라는 용어는 강자성(Ferromagnetic)이라는 용어에서부터 나왔다. Ferromagnetic에서 Ferro-는 철을 뜻하는데 강유전성의 많은 현상들이 강자성 현상과 비슷하여 부쳐진 이름이다. 그러나 실제로 강유전체 재료는 철(Fe)이 포함된 재료는 거의 없다. 그래서 중국이나 싱가포르 등에서는 한국이나 일본에서 사용하는 강유전(强誘電)이라는 용어 대신에 Ferroelectric을 직역하여 철전(鐵電) 이라는 용어를 사용한다


강유전체는 강자성체와 비슷한 이력곡선(Hysteresis loop) 특성을 보여준다. 외부 전기장(E)에 따른 분극값(P)의 변화를 나타낸 그래프가 이력곡선이다. 상온에서 강유전체이더라도 강유전체는 강유전분역(Ferroelectric domain)으로 나누어져 있기 때문에 외부 전기장이 없을 경우 분극 값은 영에서 시작한다. 외부 전기장이 강해짐에따라 분극값이 증가하는데 이는 외부 전기장과 같은 방향의 분역이 넓어지기 때문이다. 일정한 전기장 이상이 되면 분극값이 포화되고 외부 전기장에 따른 선형적인 증가만 보여주게 된다. 이 때의 분극값을 포화 분극(Psat, Saturation polarization)이라고 한다


다시 전기장을 내려주면 분극값이 영으로 돌아가지 않고 외부 전기장이 없더라도 일정한 분극값을 가지게 된다. 이를 잔류 분극(Pr, Remanent polarization)이라고 부른다. 분극값이 영이 되기 위해서는 반대 방향의 전기장을 더 가해주어야 하는데 이 때의 전기장의 크기를 항전기장(EC, Coercive field)라고 부른다. 반대 방향으로 전기장을 더 가해주면 처음에 전기장을 가해 준것과 비슷한 모양으로 분극 값이 포화되고 다시 원래의 방향으로 전기장을 가해주면 포화 분극이 될 때 하나의 폐곡선(loop)을 이루게 된다. 이러한 이력곡선은 강자성체의 이력곡선과 매우 유사하며 강유전체를 나타내는 가장 대표적인 특성이다.



Hyteresis(이력현상)


Hysteresis란 물리나 경제 체계의 수많은 산업분야에서 발생하는 강한 비선형 현상이다. 여기서 강한 비선형이란 선형화(linearisation)가 단지 관찰된 현상만으로 분류할 수 없다는 것이다


Hysteresis는 그리스의 어원 `coming behind'에서 유래 되었고, 120여년 전에 스코틀랜드의 물리학자에 의해 처음으로 과학적 단어로 소개되었다. 이후 Alfred EwingHysteresis에 대해 "When there are two quantities M and N, such that cyclic variations of N cause cyclic variation of M, then if the changes of M lag behind those of N, we may say that there is hysteresis in the relation of M and N''라고 정의하였다


결국 Hysteresis현상이란 오늘날 역학, 물리학, 수문학, 경제학 등 여러 분야에서 쓰이고 있으며 어떤 물리량이 그때의 물리 조건만으로는 일의적으로 결정되지 않고, 그 이전에 그 물질이 경과해온 상태의 변화과정에 의존하는 현상이라 할 수 있다.


Upscale과 Downscale 차이에 의한 Hyteresis현상

 

1. Hyteresis 현상의 발생 원인

수분의 흡수와 응축 과정에서 역시 앞에서 언급한 Hyteresis현상을 발견 할 수 있는데, 이는 상대습도-수분율 그래프를 통해 쉽게 확인할 수 있다. 일반적으로 온도가 일정한 조건하에서 상대습도와 수분율(Regain)간의 absorption isothermdesorption isotherms자형 커브 형태의 그래프를 나타낸다. 하지만 흡수 등온 곡선과 탈착 등온 곡선은 그 반응 경로간의 차이가 발생하며, 이러한 차이는 Hyteresis현상으로써 설명할 수 있다.


간단한 예로 실크를 들자면, 상대습도가 65%이고 온도가 20인 일정한 조건하에서 흡수 수분율은 실험 결과 약 10%정도 인 것으로 나타났지만, 탈착 수분율은 약 11%로 나타났다. 여기서 약 1.2%정도의 수분율 차이를 보였으며 이는 결국 Hyteresis의 현상에 의한 것이라 볼 수 있다.


이러한 Hyteresis 현상의 발생 원인은 흡수 과정과 탈착 과정동안 셀룰로오스 분자 배열의 변화 때문이다. 반응 중에서도 습윤 상태의 반응(wet processing)은 수분 함유량에 있어서 더 많은 차이를 보인다. 이러한 차이를 줄이기 위해선 먼저 분자 내에 포함 되어 있는 셀룰로오스를 제외한 불순물들을 제거하는 것이다. 그럼으로써 셀룰로오스 분자간의 재배열이 이루어질 수 있다. 건조 상태에서의 열 공급은 상대 습도에 대한 수분율을 낮출 수 있지만, 습윤 상태에서의 열 공급은 오히려 이를 높일 수 있다


이러한 불순물을 제거하여 수분율을 증가시키는 예로는 Soda-boiling 과정이 있다. 또 다른 방법으로는 장력이 가해지지 않은 상태에서의 Mercerization이 있다. 장력을 가하지 않은 상태에서의 머서화 과정(일반적으로가성소다 또는 액체 암모니아를 장력이 가해진 상태(under tention)또는 이완된 상태의 면적을 처리하는 것을 Meroerization 가공법이라 하며, 이는 섬유의 수축을 방지하며 부풀림을 계속 유지시켜준다.)은 주어진 상대 습도 하에서 약 1.5배 정도의 수분율을 증가 시킬 수 있다.


결국 흡수 등온 곡선과 탈착 등온 곡선 사이에 발생하는 차이인 Hyteresis 현상은 각각의 과정이 진행되는 동안 들어오고 나가는 물분자와 불순물들에 의한 셀룰로오스의 분자 배열상의 구조적 변화로 인한 것이라 볼 수 있다.




결정 구조


1. 체심입방구조

체심 입방 격자(Body Centered Cubic lattice ; BCC)는 입방체의 각 모서리와 입방체의 중심에 1개의 원자가 배열된 결정구조이다. 원자가 점유하고 있는 비율은 약 68%이고, 원자가 없는 빈 공간은 32%이다. 체심 입방 격자는 총 2개의 원자로 되어 있으며, 32%의 빈 공간에는 탄소원자가 들어갈 수가 없다.


 

2. 조밀육방격자구조

조밀 육방 격자(Hexagonal Close Packed lattice ; HCP)은 육각 기둥 상하 면의 각 모서리와 그 중심에 한 개씩의 원자가 존재하고, 또한 육각기둥을 구성하는 6개의 삼각 기둥 중에서 1개씩 띄워서 삼각 기둥의 중심에 1개의 원자가 배열된 결정 구조이다.


 

3. 정방정계

정방정계란 결정학에서 3개의 벡터로 묘사되는 7 결정계 중의 하나이다. 정방정계는 입방정계(정육면체 모양)에서 하나의 격자 벡터를 따라 잡아늘려 정사각형을 밑면으로 하는 직사각기둥의 모양이다. 정방정계에는 단순 정방정계와 체심 정방정계의 2가지 Bravais 격자가 존재한다


 

4. 사방정계

사방정계는 3개의 벡터로 결정 구조를 기술하는 7 결정계 중의 하나이다. 사방정계는 입방정계(정육면체 모양)에서 두 개의 벡터를 서로 다른 길이로 잡아 늘린 모양이다. 따라서 직사각형을 밑면으로 하는 사각기둥의 모양이며, 밑면의 양 변의 길이와 높이는 서로 다르다. 입방정계에서 길이만 달라지고 각은 변하지 않으므로 세 벡터는 여전히 직교한다. 사방정계는 단순 사방정계, 저심 사방정계, 체심 사방정계, 면심 사방정계의 4가지 Bravais 격자가 존재한다.

 

 

5. 삼방정계

삼방정계(Trigonal crystal system) 또는 마름모계(Rhombohedral lattice system)3개의 벡터로 결정 구조를 기술하는 7 결정계 중의 하나이다. 삼방정계는 세 개의 벡터의 길이가 모두 같고 각 축이 이루는 각이 모두 직각이 아닌 모양으로 정육면체를 대각선 방향으로 잡아늘린 형태를 하고 있다.


삼방정계에는 '단순 삼방정계'1가지 Bravais 격자만 있다.


 


퀴리 온도


퀴리점이라고도 한다. 명칭은 발견자인 프랑스의 물리학자 피에르 퀴리의 이름에서 딴 것이다. 자석같은 강자성체를 퀴리온도 이상으로 가열하면 자석으로서의 성질을 잃는다. 이렇게 강자성체가 강자성 상태에서 상자성(常磁性, paramagnetism) 상태로 변하거나 그 반대로 변할 때의 전이온도를 말한다. 자석의 재료가 되는 물질을 조절하면 이 온도를 어느 정도 바꿀 수 있다.


일반적으로 자철석의 퀴리온도는 575, 적철석은 675, 순수한 철은 768, 니켈은 350, 코발트는 1120이다. 이 온도 이상에서는 자발자화를 가지지 않는 데 비해 이보다 낮은 온도에서는 자발자화를 가진다. 이런 의미에서 자기변태점(磁氣變態點)이라고도 한다. 이 온도에서는 일반적으로 큰 비열이 나타나며, 압력과는 거의 관계가 없다.


퀴리온도 이상에서 상자성이 나타나는 이유는 원자의 열에너지가 자기모멘트의 결합에너지와 같아져서 자기모멘트가 결합하지 못하기 때문이다. 일반적인 암석의 퀴리온도는 550정도인데, 지각으로부터 3040의 깊이에서 이 온도에 이른다. 이 성질을 이용하여 자력 탐사 자료로부터 지각 내 깊이를 계산하여 지열 탐사에 이용하기도 한다. 또한 벼에 해충이 많아 이를 박멸할 때 사용할 수 있다


해충은 65가 되어야 죽고 벼는 그 이상으로 가열하면 변질되므로 정확하게 65까지만 가열해야 한다. 퀴리온도가 65인 강자성체 분말을 벼에 뿌린 다음 자기장을 가하면, 전자기유도현상으로 인해 분말에 전기가 생긴다. 그리고 전기저항에 흐르는 전류로 열이 발생하여 벼의 온도가 점점 올라간다. 65가 되면 자성을 잃어 전기가 발생하지 않기 때문에 더 이상 온도가 올라가지 않는다.

 


Perovskite(페로브스카이트) 형


페로브스카이트는 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속산화물을 말한다. 다양한 물리성질을 갖고 있어 차세대 DRAM, 차세대 비휘발성 메모리재료, 연료전지 전극재료 등 중요한 분야에 응용되고 있다. 수십 GPa를 넘는 초고압 환경에서의 페로브스카이트 구조는 매우 흔한 구조인데, 그 구조에서는 원자를 일정장소에 조밀하게 가득 채워 넣을 수 있다.


금속산화물은 금속이 산화돼 금속이온과 산소이온이 특정한 비율로 결합된 고체물질이다. 그러나 실제로 산화물은 금속과 산소이온의 비율이 화학식처럼 정확하지 않고 산소이온의 비율이 낮다. 금속에 산소이온이 붙을 자리에 산소이온이 빠진 자리가 발생하기 때문인데 이를 산소결함이라고 부른다. 산소결함은 산화물의 물리적 성능에 크게 영향을 미쳐 산화물을 이용한 전자소자의 성능을 결정한다고 알려져 있다.


1. Perovskite(페로브스카이트)형 구조

페로브스카이트 산화물이란 ABO3의 구조를 지니는 물질로 BaTiO3, SrTiO3, KTaO3, KNbO3, NaNbO3 등의 강유전체 화합물로 제작되어 세라믹 재료로 널리 이용되고 있다. 강유전체의 생성은 대부분 고체내의 상전이나 결정격자의 불완전 배열에 의해 일어나며 상전이 온도는 물질에 따라 1000부터 극저온 사이에 분포한다. 페로브스카이트형 산화물은 저온영역에서 자발분극이 발생하거나 압전성을 나타내기 때문에 상전이 온도인 큐리에 온도와 그 부근에서 일반적인 강유전체보다 훨씬 높은 유전율을 가진다. 또한 단결정의 산화물이지만 대체로 다결정의 특성을 보이고 화학적으로 안정하다.

 


축전기(Capacitor/Condenser)


두 도체판 사이에 전압을 걸면 음극에는 (-)전하가 양극에는 (+)전하가 유도되는데 이로 인해 전기적 인력이 발생하게 되고 전하들이 모여있게 됨에 따라 에너지가 저장된다. 이와같이 전기회로에서 전기 에너지가 저장되는 장치를 축전기 라고 한다.

 

1. 축전기의 종류

축전기의 종류 사용하는 유전체에 따라 분류하면, 공기 축전기·진공 축전기·가스입 축전기·액체 축전기·운모 축전기·종이 축전기·금속화종이 축전기·자기 축전기·유기막 축전기·전해 축전기 등으로 나눈다. 또 전기용량이 변화하지 않는 고정 축전기와 변화하는 가변 축전기(가변 콘덴서)로도 분류한다.

 

진공 축전기(vacuum capacitor)

유전체를 사용하지 않고 진공관과 같은 진공용기 속에 전극을 마주놓은 축전기. 진공 속에서는 글로방전이 발생하지 않고 대기 속의 습도·탄산가스 등의 영향이 없으므로 내전압(耐電壓)이 높고 안정하다. 따라서 전극 사이 거리를 좁힐 수 있으며, 소형으로 큰 용량을 얻을 수 있다. 또 높은 주파수라도 손실이 적고 안정하므로 송신기와 같은 고주파의 대전력에 적합하여 많이 사용한다. 구조는 고정용량형(동량형)과 가변용량형(가변형)이 있다. 대전력에 사용할 때는 축전기의 바깥쪽을 접지쪽으로 해서 사용하는 편이 좋다.

 

공기 축전기(air capacitor)

유전체로서 공기 자체를 사용하는 축전기. 밀봉하여 건조공기를 충전하면 시간에 따른 변화가 적으므로 표준용으로 사용한다. 휴대용 이외의 라디오 AM수신기에 가변용량형 공기축전기가 사용된다. 얇은 판으로 된 금속극판이 공기 속의 음향으로 진동하면 두 금속판 사이 거리가 달라져 용량값이 변동한다. 이것을 억제하기 위해 보통 극판을 상호 결합해서 기계적 강도를 크게 한다.

 

금속화종이 축전기

파라핀 등을 스며들게 한 얇은 종이의 한쪽 면에 아연·알루미늄 등의 금속을 높은 진공 속에서 증발시켜 부착시킨 금속화종이를 2장을 포개서 감은 축전기. MP콘덴서라고도 한다. 얇은 금속막이 전극이 되고 그 사이에 1장의 종이가 절연물로서 끼워져 여러 층으로 쌓인 구조의 축전기가 된다. 전극이 얇고 원통으로 감은 구조로 표면적이 넓어서 소형 축전기를 만들기 쉽다. 전자부품에 쓰는 원통형 축전기는 이 방식을 사용한다. 하지만 전극이 대단히 얇기 때문에 종이의 작은 구멍에서 절연파괴가 일어나기 쉽다.



Ostwald Ripening


열역학적으로, 동일온도에서 작은 입자와 큰 입자간의 차이는 작은 입자가 단위 질량당 아주 큰양의 표면에너지(surface energy)를 가진 반면, 큰입자는 그렇지 못한점이다. 이 차이로 인한 결과로단위 보다도 작은 소립자의 용해도는 큰입자의 용해도보다 더 크다.


일반적인 용해도는 중간정도 크기의 결정에만 적용된다. 소형결정은 어느 과포화용액과 평형에 있을 수 있으나, 이와같은 평형은 불안정하다. 왜냐하면 만일 큰 결정이 용액내에 존재한다면, 이보다 작은 결정은 용해되고, 큰 결정의 표면에 붙기 때문에, 저큰 결정은 작은 결정이 사라질 때까지 성장한다. 이현상을 Ostwald ripening이라 한다.

 

Ostwald ripening - Colloidal solution 내의 결정 성장의 경우

1) 입자의 크기에 따른 용해도의 차이에 의해, 작은입자는 녹고 큰 입자는 성장된다.

2) 작은 입자영역은 농도가 높고, 큰 입자 영역은 농도가 낮아 Fick의 확산원리에 따라 녹은 분자가 큰 입자영역으로 확산되고 그 결과 결정화와 입자 성장이 일어난다.

3)온도에 작은 변동이 있으면 이 효과는 가속화 된다.


log(S/S0) = K(2.303r)

S:작은 입자의 초기 용해속도, S0 : 평형에서 큰 입자의 용해 속도

r입자의 반경(), K : 상수

 


SEM(Scanning Electron Microscope, 주사전자현미경)


광학현미경의 최대 확대배율은 1,500배이다. 이 값 이상은 해상능(Resolution)이라고 하는 렌즈()의 성질에 의해 제한을 받는다. 분해능(Resolution)illumination system의 파장, 대안렌즈나 대물렌즈의 numerical aperture(NA)에 의해 결정된다. 이러한 관계는 Abbe에 의하여 수학적으로 R = 0.61 [λ]/NA로서 표시되었다. 따라서 1.4numerical aperture를 가진 대물렌즈를 사용하면 가시광선([λ]avg = 550)을 사용하는 광학현미경의 경우에는 0.2 이다. 즉 광학현미경으로는 두 점 사이가 0.2보다 가까운 거리는 구별할 수 없다는 이야기가 된다.

 

광학현미경의 이러한 단점을 극복하기 위해서 전자현미경이 개발된 것이다. 광학현미경의 작동원리나 한계에 대한 물리적 법칙들이 전자현미경에도 그대로 적용된다. 차이점은 유리렌즈 대신에 전자기렌즈를 사용하는 것과 빛의 파장이 다르다는 것뿐이다. 전자들은 전자기파의 파동성격을 지닌 하전된 입자로서 de Broglie's equation에 따르면 전자빔의 파장은 전자들의 속도에 반비례한다. 전자현미경의 전자총에서 방출된 전자의 속도는 가속전압에 비례하므로 짧은 파장의 전자빔을 이용하여 고배율(90~800,000)을 얻을 수 있다.

 

1. SEM의 작동 원리

전자현미경은 거의 빛의 속도로 이동하는 전자의 파동성을 이용한 전자가속기로서 전자빔을 전자기렌즈를 이용하여 초점을 형성한다. 가속전압은 대개 60-100 keV이고 illumination source로서는 텅스텐으로 만든 filament를 사용하는데, 이를 전자총 (electron gun)이라고 부른다. 전자총에 고전압이 걸리면 filament2700 K까지 온도가 올라가서 filament의 끝부분에서 열전자(thermal electron)를 방출하게 된다.



이 방출된 열전자 혹은 전계전자(Field-emitted electron)들은 집광렌즈(condenser lens)에 의해서 모아지고 대물렌즈(objective lens)에 의해서 시편의 표면에 초점이 형성된 다음 주사 시스템(scanning system)electromagnetic deflection coil에 의해서 시료의 표면을 훑게(scan) 된다. 입사빔이 시편에 충돌하면 시편에서는 2차전자(secondary electron)들이 방출되는데, 2차전자들이 닿으면 빛을 방출하는 scintillation counter에 모아지고 이 빛의 신호들이 photomultiplier에 의해 증폭된 다음 확대된 영상을 스크린 혹은 CRT에 보여주게 된다.



렌즈 시스템과 시편은 세로로 된 원통형의 column 속에 위치하게 되고 내부는 진공에 가깝게 유지된다. 진공을 유지시키는 이유는 전자들이 filament 에서 나와 시편에 이를 때까지 공기중의 분자들과 충돌하여 진로를 잃는 것을 방지하기 위해서 이다. 전자들이 10-4 torr정도의 진공에서는 mean free path가 약 125에 불과하기 때문에 약 10-7 torr이상의 고진공이 필요하다.



SEM에서는 가속된 전자빔이 Au 혹은 Au-Pd합금으로 coating된 시편에 반사되거나 (backs cattered)혹은 가속된 전자빔에 의하여 방출된 전자(secondary electrons)에 의하여 시편의 표면 영상을 확대하여 보여준다.



이러한 과정은 좁고 강한 전자빔으로 아주 작은 illumination spot (2& 200diameter)을 시편에 형성하고 이 spot이 옆으로 이동하면서 시편표면에 spot의 직경과 같은 크기의 아주 좁은 띠를 형성하면서 훑으면서 secondary electron이나 back scattered electronsignal을 발생시킨 뒤, probe spot이 원래 출발위치보다 위나 아래쪽으로 spot의 직경만큼 재빨리 이동한 다음, 다시 띠 형태의 시편영역을 훑으면서 신호를 발생시키는 과정을 반복하여 전체 영상을 형성한다. 이러한 line patternraster라고 하는데 마치 TV의 작동원리와 비슷하다.



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