| 학회 |
한국재료학회 |
| 학술대회 |
2021년 가을 (11/24 ~ 11/26, 경주 라한호텔) |
| 권호 |
27권 2호 |
| 발표분야 |
G. 나노/박막 재료 분과 |
| 제목 |
전계 유도 강유전성 HfO2-ZrO2 나노라미네이트 박막의 에너지 변환 및 저장 특성에 관한 연구 |
| 초록 |
2011년에 최초로 강유전성(ferroelectricity)이 확인된 산화하프늄(HfO2) 기반 박막은 현재까지 많은 연구자들의 관심을 받고 있으며, 특히 메모리 및 에너지 어플리케이션에 활용하기 위한 연구가 지속적으로 이어지고 있다. 전기열량효과(electrocaloric effect)는 강유전성 산화하프늄 기반 박막의 대표적인 에너지 어플리케이션 중 하나로, 초전 특성(pyroelectricity) 기반의 전기 및 열 에너지 변환을 이용하여 친환경적인 냉각을 가능하게 하는 기술이다. 특히 적정량의 산화지르코늄(ZrO2)을 첨가한 HfO2-ZrO2 박막은 전기장의 인가 여부에 따라 강유전성이 발현 혹은 제거되는 전계 유도 강유전성(field induced ferroelectricity)을 나타내며, 이는 전계 유도 상전이(field induced phase transition)에 기인한다. 전기열량효과는 이러한 상전이에서 관찰되는 두 상, 즉 Pca21 orthorhombic phase와 P42/nmc tetragonal phase 사이의 엔트로피 차이로 인해 발생하며, 이론적으로 수백 K의 온도 범위에서 냉각 용량(Refrigerant Capacity, RC) = 102 J/cm3∙cycle 과 등온 엔트로피 변화 ∆S = 171 - 341 mJ/cm3의 우수한 값을 기대할 수 있다. 이에 본 연구에서는 8.8 nm 두께의 전계 유도 강유전성 HfO2-ZrO2 박막에서 온도에 따른 분극 특성을 관찰하고 이를 기반으로 전기열량효과를 정량적으로 계산하였다. 특히 강유전성 산화하프늄 기반 박막에 관한 대다수의 선행 연구에서 채택한 고용체 구조가 아닌, 각 물질이 고용되지 않고 분리되어 고유한 층을 가지는 나노라미네이트(nanolaminate) 구조로 제작하여 박막의 적층 순서에 따른 영향을 관찰하였다. 결과적으로 HfO2(2.2 nm)-ZrO2(6.6 nm) 박막에서 12.25 K의 우수한 단열 온도 변화를 얻을 수 있었다. 이는 동일 재료에서 관찰되었던 최대값의 약 91.41 %에 해당하는 수준이다. 더불어 본 소재를 에너지 저장을 위한 electrostatic supercapacitor로 활용할 때, 최대 49.9 J/cm3의 에너지 저장 밀도(Energy Storage Density,ESD)를 보일 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 전계 유도 강유전성 HfO2-ZrO2 나노라미네이트 박막에서 적층 순서에 따른 특성 차이를 평가하고, 에너지 변환 및 저장 특성을 기반으로 차세대 친환경 냉각 기술에 유망할 수 있음을 시사한다. |
| 저자 |
양건1, 박민혁2, 이동현1, 박주용1, 이은빈1, 김세현1, 유근택1, 박근형1
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| 소속 |
1부산대, 2서울대 |
| 키워드 |
강유전체; 전기열량효과; 산화하프늄; 산화지르코늄; 원자층증착법
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