Piezoelectric materials have been widely investigated in haptic applications due to their ability to convert mechanical stimuli into electrical signals. However, piezoelectric materials have tradeoff between piezoelectric coefficient and elastic limit which limits their wide application to haptic devices. Here we fabricated PbTiO$_3$ hollow nanostructure with mesoscale body centered tetragonal (BCT) symmetry to break this tradeoff. We used two separate processing schemes, namely PbO gas reaction with TiO$_2$ thin films to fabricate PbTiO$_3$ thin film and proximity field nanopatterning (PnP) to create PbTiO$_3$ hollow nanostructure. The thickness of TiO$_2$ was increased to 20, 30, and 50 nm, and the characteristics were analyzed according to the thickness. The structure stability and crystallinity of PbTiO$_3$ was evaluated through XRD, SEM, and TEM, the piezoelectric modulus was measured through AFM, and the elastic modulus was measured through the compression test. This research will provide insight into optimum piezoelectric materials with both high piezoelectric coefficient and high elastic limit, which could be used in various haptic applications.
압전 물질은 기계적 자극을 전기 신호로 변환하는 능력 때문에 촉각 응용 분야에서 널리 연구되어 왔다. 그러나 압전 재료는 압전 계수와 탄성 한계 사이의 상충 관계가 있어 촉각 장치에 광범위하게 적용할 수 없다. 여기서 우리는 내부가 비어 있는 나노 트러스 구조의 티탄산납을 제작함으로써 압전 계수와 탄성 한계 모두 증가시키고자 한다. 티탄산납 박막을 제조하기 위한 방법으로 2가지 기술을 사용하였다: PnP 기술을 사용하여 트러스 구조를 만들었고, 그 위에 원자층 증착법으로 증착한 이산화 타이타늄을 산화납(II) 기상반응을 통해 티탄산납으로 치환하였다. 여기에 이산화 타이타늄의 두께를 20, 30, 50 나노의 두께로 증가시켜 두께에 따른 특성 분석을 진행하였다. 엑스선 회절 분석법, 주사현미경, 투과전자현미경을 통해 티탄산납의 합성평가를 진행하였고, 원자간력 현미경을 통해 압전 계수를 측정하였으며, 압축 시험을 통해 탄성 계수를 측정하였다. 이번 연구는 다양한 햅틱 소자에 사용할 수 있는 높은 압전 계수와 높은 탄성 한계를 모두 갖춘 최적의 압전 소재에 대한 통찰력을 제공할 것이다.
