강유전체
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1. 개요
강유전체는 외부 전기장에 비선형적으로 반응하여 자발적인 분극을 나타내는 물질이다. 이는 외부 전기장이 0일 때에도 분극을 유지하며, 온도에 따라 강유전성을 잃고 상유전체로 상전이하는 특징을 보인다. 강유전체는 이온의 변위나 쌍극자의 정렬에 따라 변위형과 질서-무질서형으로 분류되며, 결정학적 분류에 따라 압전성, 초전성을 가질 수 있다. 강유전체는 축전기, 메모리 소자, 센서, 액추에이터, 촉매 등 다양한 분야에 응용되며, 최근에는 다강체, 강유전체 터널 접합, 슬라이딩 강유전성 등 새로운 연구가 진행되고 있다. 반강유전체는 전체적으로 자발 분극이 0인 물질이며, 외부 전기장으로 강유전체로 상전이시킬 수 있다.
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강유전체 | |
---|---|
지도 | |
강유전체 | |
영어 | Ferroelectrics |
일본어 | 強誘電体 |
설명 | 외부 전기장에 의해 자발적인 분극을 가지며, 그 분극 방향을 반전시킬 수 있는 물질 |
역사 | |
최초 발견 | 1920년 로셸염에서 J. 발라섹에 의해 발견 |
특징 | |
분극 특성 | 자발 분극을 가짐 |
전기장 의존성 | 외부 전기장에 의해 분극 방향 반전 가능 |
큐리 온도 | 특정 온도 이상에서 상유전체로의 상전이 발생 |
히스테리시스 현상 | 전기장 변화에 따른 분극 변화가 비가역적 |
결정 구조 | 일반적으로 페로브스카이트 구조를 가짐 특정 구조를 갖는 산화물 재료에서 주로 나타남 |
압전 효과 | 일부 강유전체는 압전 효과를 가짐 |
초전도체 | 일부 물질에서는 초전도체 현상과 관련이 있음 |
응용 | |
주요 응용 분야 | 비휘발성 메모리 소자 센서 액추에이터 커패시터 광학 소자 |
재료 | |
주요 재료 | 로셸염 티탄산바륨 지르콘산 티탄산연 (PZT) 니오브산 리튬 |
관련 개념 | |
관련 현상 | 압전 효과 초전도체 상유전체 |
참고 문헌 | |
참고 서적 | Principles and applications of ferroelectrics and related materials - M. Lines, A. Glass 저 Solid State Physics - Werner Känzig 저 |
학술 논문 | Physical Review, 15, 537 (1920) - J. 발라섹 저 Physical Review, 17, 475 (1921) - J. 발라섹 저 |
2. 역사
(강유전체의 역사에 대한 내용이 원본 소스에 없으므로, 내용을 생성하지 않습니다.)
2. 1. 한국의 강유전체 연구 역사
1980년대부터 한국에서 강유전체 연구가 본격적으로 시작되었다. 1990년대 후반부터 강유전체 박막 기술이 발전하면서 FeRAM 개발이 가속화되었다. 한국은 현재 FeRAM 분야에서 세계적인 기술력을 보유하고 있다.3. 전기장에 대한 반응
대부분의 재료는 전기적으로 분극될 때, 유도된 분극 ''P''가 인가된 외부 전기장 ''E''에 거의 정확하게 비례하는 선형 함수로 나타난다. 이를 선형 유전 분극이라고 한다. 그러나 강유전성 재료[4]는 더욱 향상된 비선형 분극을 보인다. 분극 곡선의 기울기에 해당하는 유전율은 선형 유전체와 달리 일정하지 않고 외부 전기장의 함수이다.
강유전체 재료는 인가된 전기장 ''E''가 0일 때에도 자발적인 영이 아닌 분극을 나타낸다. 강유전체의 특징은 자발적인 분극이 반대 방향으로 적절히 강한 인가 전기장에 의해 ''역전될 수 있다는 것''이다. 따라서 분극은 현재 전기장뿐만 아니라 그 이력에도 의존하여 히스테리시스 루프를 생성한다.
강유전체의 표면에 존재하는 단위 부피당 전기쌍극자는 자연적으로 양전하와 음전하의 전하 중심이 분리되는 "자발분극"을 가진다. 외부에서 전장을 가하면 자발분극의 방향은 반전한다. 외부 전장을 0으로 했을 때 표면에 남아있는 분극의 값을 "잔류분극", 분극의 부호가 반전될 때(즉, 분극의 방향이 역전될 때)의 전장의 세기를 "항전계"라고 부른다.
충분히 강한 전장을 가하면 이동 가능한 전하가 모두 표면으로 이동하고, 그 이상의 전장을 가해도 분극은 어떤 상한(또는 하한)값으로 일정하게 된다. 이것을 포화된 상태, 이때의 분극의 값을 "포화분극값"이라고 한다.
그래프의 형태는 물질 고유의 성질뿐만 아니라, 단결정인지 다결정인지와 같은 구조의 차이에도 의존한다.
4. 분류
강유전체 내부의 전기 쌍극자는 물질 격자에 결합되어 있기 때문에, 격자가 변하면 쌍극자의 세기도 변하고, 이는 자발 분극의 변화를 일으킨다. 이러한 변화는 외부 전압이 없어도 강유전체 축전기에서 전류가 흐르게 할 수 있다. 외부에서 힘을 가했을 때 표면에 전하가 생기는 현상을 압전 효과라고 하며, 온도가 변하면서 자발 분극이 바뀌는 현상을 초전 효과라고 한다.
230개의 공간군 중에서 32개의 결정 종류가 있으며, 그중 21개는 중심 대칭이 없는 구조를 가진다. 이들 중 20개는 압전성을 보이며, 10개는 온도에 따라 자발 분극이 변하는 초전성을 가진다. 강유전성은 자발 분극을 유지하는 초전성의 부분 집합이다.[23]
강유전체의 상전이는 크게 변위형(예: 티탄산바륨)과 질서-무질서형(예: NaNO2)으로 나눌 수 있지만, 두 가지 특성을 모두 가지는 경우도 많다. 티탄산바륨은 산소 팔면체 속 티타늄 이온의 위치 변화로 인해 강유전성이 나타난다. 티탄산납은 티탄산바륨과 구조가 비슷하지만, 납과 산소 이온 사이의 상호작용도 강유전성에 영향을 준다. 질서-무질서형 강유전체는 온도가 높을 때는 쌍극자가 무작위로 배열되지만, 온도가 낮아지면 특정 방향으로 정렬된다.
티탄산지르콘산납(PZT)은 강유전체 응용 분야에서 널리 사용되는 물질이다. 메모리에는 티탄산납과 조성이 비슷한 PZT가, 압전 소자에는 50/50 조성 부근의 PZT가 주로 쓰인다.
강유전체 결정은 여러 전이 온도와 도메인 구조 히스테리시스를 보이는 경우가 많다. 1974년 R.B. 마이어는 강유전체 액정을 예측했으며,[25] 이는 곧 실험적으로 확인되었다. 강유전체 액정은 평면 모니터나 반사형 LCoS 디스플레이에 활용된다.
2010년 데이비드 필드는 아산화질소나 프로판 같은 평범한 물질의 얇은 막에서도 강유전성이 나타난다는 것을 발견했다.[26] 이러한 새로운 종류의 강유전체는 "스폰텔렉트릭" 특성을 가지며, 다양한 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
글리신 황산염, 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF), 탄탈산리튬 등도 강유전체 물질로 사용된다.[27]
4. 1. 구조적 분류
구조적 차이에 따라 강유전체는 "변위형"과 "질서-무질서형"의 두 가지로 분류된다.티탄산바륨(BaTiO3)을 비롯한 많은 강유전체는 '''변위형 강유전체'''로 분류된다. 이 유형에서는 고온상(=강유전체)에서는 자발적으로 정렬하는 영구쌍극자를 가지지 않지만, 퀴리온도(Tc, 상전이 온도) 이하의 온도에서는 결정이 약간 길어지면서 양이온과 음이온이 상대적으로 변위되어 자발분극이 발생한다. 이때의 결정구조(=이온의 배치)와 유전율의 변화는 아래 그림과 같다.
고온에서는 전기 쌍극자가 무작위로 배열되어 있다가 온도가 내려감에 따라 정렬하는 강유전체를 질서-무질서형 강유전체라고 한다. 아질산나트륨(NaNO2) 등이 대표적인 물질이며, 강유전 상태에서는 아래 그림과 같이 NO2 쌍극자의 방향이 정렬하여 자발 분극이 발생한다. 고온에서는 열에너지에 의해 NO2가 무작위로 배향하기 때문에 거시적인 분극은 0이 된다.
4. 2. 결정학적 분류
32개의 결정 종류 중 21개는 비중심 대칭 구조이며, 이 중 20개는 압전성을 나타낸다.[23] 압전성을 띠는 결정 중 10개는 자발적 전기 분극을 가지는 초전성을 나타내며, 이 중 일부는 외부 전기장 없이도 자발 분극을 유지하는 강유전성을 띈다.[23] 즉, 강유전성은 초전성의 부분집합이다.32개의 결정 종류 | ||||
---|---|---|---|---|
21개의 비중심 대칭 | 11개의 중심 대칭 | |||
20개의 압전성 종류 | rowspan="4" align="center" | | 비압전성 | ||
10개의 초전성 종류 | 비초전성 | |||
강유전성 | 비강유전성 | |||
예: PbZr/TiO3, BaTiO3, PbTiO3, AlN[24] | 예: 전기석, ZnO, | 예: 석영, Langasite |
5. 상전이
강유전체는 특정 온도, 즉 퀴리 온도(''T''C) 이하에서 자발적인 분극을 가지는 특성을 보인다. 그러나 온도가 퀴리 온도 이상으로 올라가면 상전이가 일어나 자발 분극이 사라지고 상유전체가 된다.[5]
퀴리 온도 이상의 온도 영역에서 유전율은 큐리-바이스 법칙에 따라 변화한다. 질서-무질서형 강유전체에서는 온도가 상승하여 퀴리 온도에 가까워짐에 따라 자발 분극이 연속적으로 감소하여 0이 되는 "2차 상전이"가 일어난다. 반면, 변위형 강유전체에서는 퀴리 온도에서 불연속적으로 분극량이 변화하는 "1차 상전이"가 일어난다.
5. 1. 상전이 메커니즘
강유전체는 특정 온도, 즉 퀴리 온도( ''T''C) 이하에서 자발적인 분극을 가지는 특성을 보인다. 그러나 온도가 퀴리 온도 이상으로 올라가면 상전이가 일어나 자발 분극이 사라지고 상유전체가 된다.[5]이러한 상전이 현상은 란다우 이론을 통해 설명할 수 있다. 이 이론에 따르면, 강유전체의 자유 에너지는 질서 매개변수인 분극 ''P''의 테일러 전개로 나타낼 수 있다. 외부 전기장과 외력이 없는 경우, 자유 에너지 변화(Δ''E'')는 다음과 같이 표현된다.[31]
:
여기서 ''Px'', ''Py'', ''Pz''는 각각 ''x'', ''y'', ''z'' 방향의 분극 벡터 성분이고, 계수 α들은 결정 대칭성과 일치해야 한다.
자유 에너지를 분극 ''P''에 대해 미분하여 0이 되는 지점을 찾으면, 자발 분극 ''Ps'' 값을 구할 수 있다. 1차원 자유 에너지 표현식을 예로 들면,
:
이 식을 ''Px''에 대해 미분하고 0으로 놓으면,
:
이 방정식의 해를 통해 자발 분극 ''Ps''를 구할 수 있으며, 이는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
:
특히, α11=0 인 경우에는 다음과 같이 간략화된다.
:
이러한 수식은 자유 에너지(''G'')와 분극(''P'')의 관계를 나타내는 그래프를 통해 시각적으로 이해할 수 있다. 퀴리 온도(''T''c) 이하에서는 그래프가 두 개의 최소값을 가지는 형태가 되어 자발 분극이 발생하는 반면, 퀴리 온도 이상에서는 ''P'' = 0에서 최소값을 가지므로 자발 분극이 사라지고 상유전체가 된다.
간단히 설명하면, 퀴리 온도 이하에서는 분극이 0이 아닌 값을 가질 때 에너지가 더 낮기 때문에 자발 분극이 발생하고, 퀴리 온도 이상에서는 분극이 없을 때가 에너지가 더 낮기 때문에 자발 분극이 사라지게 되는 것이다.
5. 2. 온도 의존성
큐리 온도 이상의 온도 영역에서 유전율은 큐리-바이스 법칙에 따라 다음과 같이 변화한다.:
질서-무질서형에서는 온도가 상승하여 큐리 온도에 가까워짐에 따라 자발분극은 연속적으로 감소하여 0이 된다. 이것은 “2차 상전이”라고 불린다. 변위형에서는 큐리 온도에서 불연속적으로 분극량이 변화하기 때문에 “1차 상전이”라고 불린다. 자세한 내용은 상전이 관련 문서를 참조하시오.

변위형의 큐리 온도 부근에서 유전율 변화는 오른쪽 그림과 같이 급격하지만, 다결정 등에서 국소적인 전이 온도에 차이가 있으면 완만한 변화를 보인다. 또한, 릴랙서라고 불리는 특수한 강유전체에서는 유전율의 피크 온도가 외부 전기장의 주파수에 좌우되는 흥미로운 현상이 관찰된다.
6. 응용
강유전체는 다양한 분야에 응용된다.
- 전자 소자: 강유전체의 비선형적 특성은 강유전체 축전기와 강유전체 RAM(FeRAM) 등에 활용된다. 또한, 압전성 및 초전성을 이용하여 압전소자, 적외선 검출 소자 등에도 응용된다.
- 센서: 압전성과 초전성을 결합하여 의료용 초음파 기기, 고품질 적외선 카메라, 화재 감지기, 소나, 진동 센서, 디젤 엔진 연료 분사기 등 다양한 센서에 사용된다.
- 강유전체 터널 접합(FTJ): 금속 전극 사이에 나노미터 두께의 강유전체 필름을 배치하여 거대 전기 저항(GER) 스위칭 효과를 얻을 수 있다.[8]
- 다강체: 물질 내에서 자기 및 강유전체 질서를 결합하는 연구가 진행 중이다.[9]
- 촉매: 강유전체 분극을 이용하여 표면 화학 반응을 조절하고, 사바티에 원리의 한계를 극복할 수 있다.[14]
- 에너지 수확기: 강유전체 분극은 광촉매 작용을 향상시키고, 초전성 및 압전성 효과를 통해 에너지 수확에 기여한다.[17]
- 광강유전체 이미징: 강유전체 물질에 광학 정보를 기록하고 지울 수 있는 기술이다.[22]
- 기타: X선 발생 장치, 액추에이터 (초음파 모터 등, MEMS에 널리 사용) 등에도 응용된다.
6. 1. 전자 소자
강유전체는 비선형적인 특성을 가지고 있어, 전기 용량을 조절할 수 있는 축전기를 만드는 데 사용된다. 강유전체 축전기는 강유전체 물질 층을 사이에 끼운 한 쌍의 전극으로 구성된다. 강유전체의 유전율은 조절 가능하며, 특히 상전이 온도 근처에서 매우 높은 값을 가진다. 이러한 특성 덕분에 강유전체 축전기는 비슷한 용량을 가진 일반적인 유전체 축전기에 비해 물리적인 크기가 작다.강유전체 물질의 자발 분극은 히스테리시스 효과를 나타내는데, 이 특성은 메모리 기능을 구현하는 데 사용될 수 있다. 실제로 강유전체 축전기는 컴퓨터와 RFID 카드에 사용되는 강유전체 RAM(FeRAM)을 만드는 데 활용된다.[6] FeRAM 제작에는 주로 강유전체 박막이 사용되는데, 이는 분극을 전환하는 데 필요한 전계를 적절한 전압으로 얻을 수 있기 때문이다. 하지만 박막을 사용할 경우, 소자가 안정적으로 작동하도록 계면, 전극, 그리고 샘플의 품질에 각별한 주의를 기울여야 한다.[7]
강유전체 물질은 그 대칭성에 따라 압전성 및 초전성을 동시에 가질 수 있다. 메모리, 압전성, 초전성이 결합된 특성은 강유전체 축전기를 매우 유용하게 만든다. 예를 들어 강유전체 축전기는 센서 응용 분야에 사용되는데, 구체적으로 의료용 초음파 기기(신체 내부 장기 촬영을 위한 초음파 신호 생성 및 수신), 고품질 적외선 카메라(섭씨 백만분의 1도 차이까지 감지 가능), 화재 감지기, 소나, 진동 센서, 그리고 디젤 엔진의 연료 분사기 등에 활용된다.
최근에는 금속 전극 사이에 나노미터 두께의 강유전체 필름을 넣어 만든 ''강유전체 터널 접합''(FTJ)이 주목받고 있다.[8] 강유전체 층의 두께가 매우 얇아 전자의 터널링 현상이 가능해진다. 압전 효과, 계면 효과, 그리고 탈분극장은 거대 전기 저항(GER) 스위칭 효과를 유발할 수 있다.
압전소자는 압전효과를 이용하여 100엔 라이터나 가스레인지의 점화 장치 등에 사용된다. 적외선 검출 소자는 초전효과를 이용하여 적외선을 검출하며, 적외선 온도계 등에 사용된다.
6. 2. 기타 응용
강유전체의 비선형 특성은 용량을 조절할 수 있는 축전기를 만드는 데 사용될 수 있다. 강유전체 축전기는 강유전체 물질층을 끼운 한 쌍의 전극으로 구성되며, 유전율이 조절 가능하고 높기 때문에 비슷한 용량의 유전체 축전기에 비해 크기가 작다.강유전체 물질의 자발 분극은 히스테리시스 효과를 나타내며, 이는 메모리 기능으로 활용된다. 강유전체 축전기는 컴퓨터와 RFID 카드용 강유전체 RAM[6]을 만드는 데 사용된다. 이때, 박막 형태의 강유전체 물질이 주로 사용되는데, 이는 분극 전환에 필요한 전계를 적당한 전압으로 얻을 수 있기 때문이다. 하지만 박막을 사용할 때는 소자의 안정적인 작동을 위해 계면, 전극, 샘플 품질에 주의해야 한다.[7]
강유전체는 대칭성에 따라 압전성 및 초전성을 가진다. 이러한 특성들은 강유전체 축전기를 센서 응용 분야에 유용하게 만든다. 예를 들어, 의료용 초음파 기기, 고품질 적외선 카메라, 화재 감지기, 소나, 진동 센서, 디젤 엔진 연료 분사기 등에 사용된다.
최근에는 금속 전극 사이에 나노미터 두께의 강유전체 필름을 배치한 ''강유전체 터널 접합''(FTJ)[8]이 연구되고 있다. 강유전체 층의 두께는 전자의 터널링을 허용할 만큼 얇다. 압전 효과, 계면 효과, 탈분극장은 거대 전기 저항(GER) 스위칭 효과를 유발할 수 있다.
다강체는 물질 내에서 자기 및 강유전체 질서를 결합하는 방법을 연구하는 분야로, 응용 분야가 빠르게 성장하고 있다.[9]
강유전체의 촉매 특성은 1952년부터 연구되었다.[10] 강유전체 분극의 표면 수직 성분은 표면에 분극 의존성 전하를 도핑하여 화학 반응을 변화시킬 수 있다.[11][12][13] 이는 사바티에 원리의 한계를 넘어 촉매 작용을 가능하게 한다.[14] 강유전체 분극은 표면-흡착물 상호 작용을 강한 흡착에서 강한 탈착으로 전환시켜 탈착과 흡착 사이의 타협을 없앨 수 있다.[14]
강유전체 분극은 에너지 수확기로도 작용하여[17] 광 생성 전자-정공 쌍의 분리를 돕고 광촉매 작용을 향상시킨다.[18] 또한, 초전성 및 압전성 효과로 인해 표면에 추가 전하가 나타나 다양한 (전기)화학 반응을 유도할 수 있다.[19][20][21]
광강유전체 이미징은 강유전체 물질에 광학 정보를 기록하는 기술이다. 이미지는 비휘발성이며 선택적으로 지울 수 있다.[22]
이 외에도 강유전체는 압전소자(압전효과를 이용해 100엔 라이터나 가스레인지 점화 장치), 강유전체 메모리(강유전체 부유 게이트 메모리), 적외선 검출 소자(초전효과로 적외선을 검출하며, 적외선 온도계에 사용), X선 발생 장치(강유전체를 가열, 냉각하여 고전압을 발생시키고, 전자를 가속시켜 특성 X선을 발생[33][34]), 액추에이터(압전효과로 구동, 초음파 모터 등. MEMS에 널리 사용)등에 응용된다.
7. 반강유전체
반강유전체는 인접한 전기 쌍극자가 반대 방향으로 배열되어 자발 분극이 상쇄되는 물질이다. 대표적인 물질로는 지르콘산납(PbZrO3) 및 인산일암모늄((NH4)H2PO4) 등이 있다.
또한, 강한 외부 전기장을 가하여 자유에너지를 변화시켜 강제적으로 강유전체로 상전이시키는 것도 가능하다.
8. 최신 연구 동향
최신 연구 동향과 관련하여 현재 제공된 정보가 없어 내용을 작성할 수 없습니다. 원본 소스나 추가 정보가 제공되면 해당 내용을 바탕으로 섹션을 작성해드리겠습니다.
8. 1. 슬라이딩 강유전성
슬라이딩 강유전성은 2차원(2D) 반데르발스 층상 구조에서 주로 발견되는 현상이다. 이 현상에서는 면내 층간 슬라이딩(미끄러짐)을 통해 수직 전기 분극이 전환된다.[32]9. 한국의 강유전체 기술 현황 및 전망
한국은 FeRAM, 압전 소자 등 강유전체 응용 분야에서 높은 기술력을 보유하고 있다. 4차 산업혁명 시대의 핵심 기술인 IoT, AI, 5G 통신 등에서 강유전체 기술의 중요성이 더욱 커질 것으로 전망된다. 특히, 저전력, 고성능 메모리 반도체 수요 증가에 따라 FeRAM 시장이 확대될 것으로 예상된다. 한국은 지속적인 연구 개발 투자를 통해 강유전체 기술 경쟁력을 강화하고, 미래 신산업 창출에 기여해야 한다.
참조
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논문
A Landau Primer for Ferroelectrics
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논문
Sliding ferroelectricity in 2D van der Waals materials: Related physics and future opportunities
2021-12-14
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웹사이트
手のひらに載るほど超小型な電子線プローブX線マイクロアナライザーの開発に成功
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圧電材料を用いた超微小X線発生装置の試作
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서적
Solid State Physics
Academic Press
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서적
Principles and applications of ferroelectrics and related materials
Clarendon Press, Oxford
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