기능성 에너지 압전 신소재
본 세부 연구에서는 자연계에 존재하지 않는 압전 에너지 하베스트 신물질을 설계하고, 실제 그 구조상 (structural phase)을 실험적으로 안정화시키고자 한다. 구체적으로는, 기존 선행 연구에서 사용된 전통적인 고상반응법에 새로운 이온 치환법을 도입/접목하여, 다양한 기능성을 발현하는 압전 신소재를 개발하고자 한다. (1) 제일원리 계산과 같은 이론적 모델링을 통하여 그 우수한 물리적 특성을 미리 예측하고, (2) 새로이 개발된 이온 치환법을 이용하여, 전이금속 양이온이나 칼코젠/할로겐 음이온을 기존 압전 소재에 도핑 (doping), 신물질/신소재를 인공적으로 합성할 것이다. 더 나아가, (3) 다양한 실험 측정 기법들을 사용하여 제작된 압전 신소재의 기본 물리적 특성들 및 그 미세구조를 이해하고, 이를 바탕으로 (4) 그 에너지 수확 특성을 원자 수준에서 제어, 신개념의 고기능성 압전 에너지 하베스트 소재를 구현하고자 한다.
<그림 2> 기능성 에너지 하베스트 압전 신소재 연구에 대한 모식도.
모식도 사진 대한민국은 세계 5위의 에너지 수입국으로 에너지 자립도가 3% 미만인 대표적인 에너지 자원 빈국에 속한다. 뿐만 아니라 온실가스 배출량은 세계 10위로 화석 연료를 대체에너지원을 시급히 발굴하여야 상황에 처해 있다. 여러 주목받고 있는 대체에너지 기술 중 “주변 환경에 널려 있는 에너지를 수집하여 사용하는 개념”인 에너지 하베스팅 기술이 다른 부작용이 있을 수 없는 대표적인 청정에너지 기술이다. 효율적인 에너지 수확을 위하여, 기계적 에너지를 전기적 에너지로 상호 변환 가능한 압전 효과를 가지고 있는 압전 물질이 기능성 에너지 하베스트 소재로 실제 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만, 잘 알려진 기존 압전체를 이용한 에너지 수확 효율은 아직 상용화에 적용하기에는 높지 않으며, 이러한 이유로 우수한 압전 계수를 나타내는 압전 신물질의 원천 소재 개발이 매우 시급한 실정이다.
또한, 새로이 개발된 압전 원천 소재는 친환경적이어야 한다. 전통적으로 널리 사용되고 있는 압전 물질인 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)는 환경에 유해한 Pb가 압전 재료에 60 wt% 이상 함유하고 있어 사용규제 대상이다. 실제로 유럽을 중심으로 위험물질 사용제한 지침 (Restricting the use of Hazardous Substances, RoHS)에서는 Pb 사용을 엄격히 제한하고 있으면, 이러한 친환경 압전 소재 정책은 전 세계적으로 확산되고 있다. 그러므로 고기능성의 에너지 하베스트의 개발을 위해서는 뛰어난 압전 특성을 지니고 있는 무연계 압전 신물질의 구현이 필수불가결하다.
<그림 3> (a) 완화형 강유전 압전 세라믹 PZN-PT에서 화학적 조성 및 결정 방향성에 따른 압전 계수의 변화. morphotropic 상 경계 (phase boundary, MPB) 근처에서는 ~2,500 pC/N의 초고 압전 계수가 관측되었다. (b) MPB 부근에서 외부 전기장에 의한 rhomboheral-monoclinic-tetragonal 구조 상전이에 대한 개략도 [S.-E. Park & T. R. Shrout, J. Appl. Phys. 82, 1804 (1997)].
본 연구에서는 제일원리 계산을 통하여 우수한 물성을 지니고 있는 압전 신물질을 이론적으로 예측하고, 전통적인 고상반응법이나 수열합성법에 새로운 양/음이온 치환법을 접목하여 자연계에 존재하지 않는 기능성 압전 신소재를 인공적으로 합성하고자 한다. 예를 들어, 고상반응법을 통해 잘 알려진 강유전/압전 소재에 전이금속 이온을 도핑함으로써, 상전이 현상을 동반한 새로운 구조상을 실험적으로 발견할 수 있다. 이 경우, 상경계 (phase boundary)에서는 그 구조적 불안정성으로 인해, 전기장과 같은 외부 자극에 대해 결정 구조가 쉽게 변할 수 있고 이로 인해 매우 뛰어난 압전 특성을 발현하게 된다 (그림 3참고).
고기능성 압전 신소재 구현을 위한 세부 추진전략은 다음과 같다. 먼저, 치환되는 전이금속 양이온 또는 비금속 (닉토젠, 칼코젠, 할로겐) 음이온의 치환 농도를 조절하면서, 합성된 화합물 내 구조 상전이 현상이 도핑 정도에 따라 어떻게 변화하는지를 체계적으로 모니터링 (monitoring)하고자 한다. x-선 광전자 분광법을 통해 화합물의 화학적 조성 및 내부 이온들의 전자 구조 상태를 확인한다. 그리고 다양한 전기적, 광학적 측정법들을 이용하여, 화합물의 유전 및 압전 특성을 측정한다. 이와 같은 기본적 물성 측정에 의해 1차 선별된 시료들에 대해, 그 거시적 물성들과 화합물 내부의 미세구조 사이의 상관관계를 연구한다. 원자 수준 미세구조 분석을 위해, 거대 방사광 가속기나 고성능 투과 전자현미경 통한 첨단 실험 측정이 가능한 다른 그룹과 공동 연구를 진행하고자 한다. 마지막으로, 측정된 발현 물성의 원인에 대한 실험적 모델을 세우고, 이론적 계산을 통하여 그 모델의 타당성을 검증할 계획이다.
저차원 압전 에피-박막 및 다기능성 에너지 하베스트 소자 연구
1단계 후속 연구에서 설계 및 합성된 압전 신소재로부터 실제 에너지 하베스트 소자를 실현하기 위해서는, 높은 결정성을 지니고 있는 저차원 압전 에피-박막을 우선적으로 적층할 필요가 있다. 펄스레이저 증착법이나 rf-스퍼터링과 같은 다양한 박막 증착법을 이용하여, 고품질의 압전 단결정 박막 이종적층구조를 제작할 계획이다. 일반적으로, 이러한 박막 이종적층구조에서는 상부 박막과 하부 기판이 서로 다른 물질로 이루어져 있고, 이러한 차이는 다양한 인자들-(1) 두께 조절을 통한 저차원 발현 물성 구현, (2) 격자 상수의 불일치를 통한 응력 인가, (3) 박막 성장 방향 조절을 통한 기하학적 대칭성 제어, (4) 박막과 기판 사이의 인접효과를 통한 원자 수준에서의 구조적 뒤틀림과 같은 미세구조 제어 등-을 통해 에피 압전 박막의 물리적 특성들을 제어, 우수한 압전 특성을 구현할 수 있게 한다. 그리고 이렇게 제작된 압전 단결정 박막을 기반으로, 먼저 연구실 수준에서 에너지 하베스트 소자 모듈을 제작하고, 이후에 그 모듈을 고도화하여 실제 산업에 응용 가능한 소자 제작 공정을 개발하고자 한다.
<그림 4> (a) 박막 이종적층구조에서 적용가능한 제어인자들 (b) 박막과 기판 사이의 인접효과를 이용한 원자 수준 미세구조 제어 [J. M. Rondinelli, S. J. May, J. W. Freeland, MRS Bull. 37, 261 (2012)].