The dielectric relaxation behavior at high temperature region (400~700℃) was investigated in various perovskite-type ferroelectric oxide systems. It is known as diffuse dielectric anomaly or rounded dielectric anomaly. It is commonly found at the same temperature range of 400~700℃ in various perovskite-type ferroelectric oxides such as $BaTiO_3$, $PbTiO_3$, $CaTiO_3$, $SrTiO_3$ and their solid solutions. Although previously suggested dielectric relaxation models explained partly the dielectric relaxation phenomenon of the diffuse dielectric anomaly, there have been still remained unclear. For example, the frequency dependence of the diffuse dielectric anomaly was perfectly understood by the Debye relaxation model. However, the temperature-dependent behavior of the diffuse dielectric has not been understood. Therefore, the dielectric relaxation behavior of the diffuse dielectric anomaly at high temperature region was systematically studied in both experimental and theoretical ways, in this study.
In the first chapter, the diffuse dielectric anomaly was experimentally investigated in various perovskite-type ferroelectric oxides such as $BaTiO_3$ single crystal and ceramics, La-doped $PbTiO_3$ ceramics, and $Pb_{1-x}La_xZr_{0.4}Ti_{0.6}O_3(x=0, 0.01, 0.05, 0.1)$ ceramics. The effects of sintering atmosphere, heat treatment and additives on the diffuse dielectric anomaly were observed, which strongly confirmed that the diffuse dielectric anomaly was related with oxygen vacancies. Also, it was found that the diffuse dielectric anomaly was perfectly suppressed in highly donor-doped PLZT ceramic systems.
The theoretical approach with Debye relaxation model was performed to understand the dielectric relaxation behavior of the diffuse dielectric anomaly in the second chapter. Conventionally, the relaxation time has been known as a main parameter between experimental results and the Debye relaxation model. However, the modified fitting method with the relaxation strength used as a fitting variable was suggested in this study. The temperature dependent-behavior of the diffuse dielectric anomaly was perfectly described by modifying the Debye relaxation equation. It was confirmed that the diffuse dielectric anomaly was a combined effect between the dielectric relaxation and the electrical conduction. On the basis of these results, the dielectric relaxation model was suggested in order to more clearly understand the dielectric relaxation phenomenon of the diffuse dielectric anomaly at high temperature region in the last chapter.
페로브스카이트 구조를 가지는 강유전체에서 고온 영역 (400~700℃) 에서 발견되는 유전 완화 거동에 대하여 연구하였다. 고온 영역에서 발견되는 유전 완화 거동은 확산형 이상 유전 현상으로 알려져 왔으며, 페로브스카이트 구조를 가지는 강유전체인 $PbTiO_3$, $BaTiO_3$, $SrTiO_3$ 등과 그 외의 고용체에서 공통적으로 비슷한 온도 영역에서 관찰된다. 이미 기존의 연구자들에 의하여 유전 완화 거동에 대한 모델이 제안되어 왔지만, 현재까지 그 원인에 대해서 명확하게 해석된 바는 없다. 특히, 유전 완화 거동의 주파수 의존성은 디바이 완화 모델을 이용한 근사로서 잘 설명이 되어지나, 온도에 따라서 완화형 상전이 과정에서 나타나는 이상 유전 현상과 비슷하게 관찰되는 온도 의존성은 해석이 된 바 없다. 따라서, 본 연구는 실험적인 방법과 이론적인 고찰을 통하여 고온에서 발견되는 유전 완화 현상을 유전 특성의 온도 의존성을 중심으로 이해하고자 하였다. 본 연구는 크게 세부분으로 나누어지며, 첫번째 부분에서는 페로브스카이트 구조를 가지는 $BaTiO_3$, $(Pb,La)TiO_3$, $(Pb,La)(Zr,Ti)O_3$ 세라믹을 이용하여 확산형 이상 유전 현상을 관찰하고, 소결 분위기, 열처리, 첨가물의 영향에 관하여 연구하였다. 이 과정에서 얻어진 실험 결과들을 통하여 확산형 이상 유전 현상이 격자 내의 산소 공공과 깊은 연관이 있다는 것을 알 수 있었다. 특히 La이 10% 첨가된 PLZT 세라믹에서는 확산형 이상 유전 현상이 거의 발견되지 않는 것을 알 수 있었다.
두번째 부분에서는 디바이 완화 모델을 고찰하여 유전 완화 거동의 온도 의존성에 관하여 알아보고자 하였다. 기존의 방법은 디바이 완화 모델을 이용하여 유전 특성의 주파수 의존성에 관한 결과를 얻은 후, 유전 완화 시간의 변화를 온도 변화에 따라 얻어냄으로써 유전 완화 현상과 관련된 활성화 에너지를 구하는 방법을 이용하였다. 그러나 완화 시간만을 변수로 하는 경우, 유전 특성의 온도 의존성을 설명할 수 없기 때문에 본 연구에서는 디바이 완화 모델에서 다른 변수인 완화 강도를 변수로 사용하였다. 이와 같은 방법을 이용하여 수정된 디바이 완화 모델을 실험적으로 얻어낸 결과에 모사한 결과 아주 잘 일치함을 보였다. 특히 확산형 이상 유전 현상은 단순한 유전 완화 현상이 아닌, 유전 완화 현상과 유전 완화 강도의 변화가 동시에 복합적으로 나타나는 현상임을 알 수 있었다. 또한 유전 완화 강도의 변화는 활성화 에너지 값의 비교를 통하여 시편의 전기 전도 변화와 밀접한 연관이 있음을 알아내었다. 이러한 결과를 통하여 세번째 부분에서는 기존의 모델과는 다른 새로운 유전 완화 모델을 제안하여 확산형 이상 유전 현상과 관련된 유전 완화 현상에 대하여 명확하게 이해하고자 하였다.
