압전 물질의 속성 탐구

기계적 응력에 반응하여 전기를 생성하는 압전 물질(Piezoelectric materials)은 연간 13.2%의 속도로 성장할 것으로 추정되는 120억 달러 규모의 글로벌 산업을 차지하고 있다고 혁신 연구 제품이 최근 발표한 보고서에서 밝혔다. 그럼에도 불구하고 널리 사용되고 있는 가장 일반적인 압전 물질 중 하나의 속성은 아직 잘 알려지지 않았다. 이러한 이해의 부족은 결정 구조를 이루고 있는 물질의 복잡한 특성 때문이며, 이는 그것의 물리적 속성에 기인한다.

Nature Communications에 발표된 새로운 연구에서, N. Zhang과 동료는 PZT로 좀 더 잘 알려진 납 지르코늄 티탄산염(lead zirconium titanate) 결정의 구조적 특성을 탐구하였다. 이들 결과물 중에서도 이 결정 물질의 두 다른 영역 간 경계의 발견은 이전부터 그 존재를 예상했지만, 아직 관찰된 적은 없었다. “누락 경계(missing boundary)”의 특성을 이해하는 것은 PZT를 그토록 훌륭한 압전 물질로 만드는 것이 정확히 무엇인지를 이해하고, 그것의 압전 반응을 어떻게 최적화하는지에 대한 통찰력을 제공할 것이다. “PZT가 세라믹 압전으로서 광범위하게 사용되고 있고, 납을 제외한 새로운 압전을 찾기 위한 시도가 있기 때문에, 왜 PZT가 그러한 방식으로 작동하는지를 이해하는 것은 매우 중요하며, 그러한 정보를 여러 곳에 응용할 수 있는 잠재력이 있다”고 영국 옥스포드 대학의 Mike Glazer가 말했다. “따라서 우리는 이러한 이해에서 중요한 역할을 차지할 것으로 생각되는 메커니즘을 입증하였다. 이 연구는 또한 장거리 및 단거리 질서 구성 요소를 가진 이와 같은 물질이 사람들이 생각하는 것보다 훨씬 더 복잡한 구조물을 가지고 있다는 것을 지적한다"고 그는 덧붙였다.

이 경계의 특성을 이해하기 위하여, 연구진은 PZT가 가진 배경 일부를 설명했다. PZT는 납 지르콘산염(lead zirconate, PbZrO3)과 납 티탄산(lead titanate, PbTiO3)으로 이루어진 고용체이다. 이것은 페로브스카이트 결정 구조(perovskite crystal structure, ABX3, 여기서 A는 납이고, B는 지르콘산염, 또는 티탄산, 그리고 X는 산소이다.)를 가지고 있으며, 8면체 형성 과정에서 일어난다. PZT의 중요한 특징 중 하나는 A와 B 이온이 분자 구조에서 그들의 주요한 위치로부터 변위될 수 있다는 것이다. 만약 그것들이 모두 같은 일반적인 방향으로 변위한다면, 이 결정은 압전성을 포함한 극성 특성을 보일 수 있다. 지난 60년 동안, PZT 구조에 관한 연구는 높은 수준의 복잡한 구조를 드러냈다. 특히, 연구는 티탄산이 풍부한 영역과 지르코늄이 풍부한 지역이 분리되는 PZT 내 위상 경계의 존재를 드러냈다. PZT의 압전 효과가 그러한 경계 쪽으로 증가한다는 것을 보여주는 수치로 말미암아, 이 두 번째 위상 경계는 이론적으로 그 존재가 예측되었다. 그러나 지르코늄 풍부 영역과 납 원자를 담고 있는 영역 사이에 있다고 예측되는 이 경계는 지금까지 아직 실험적으로 입증되지는 않았다.

현재 연구에서, 과학자들은 누락 경계를 관찰하였고, 그것이 규정하기가 매우 힘들며, 이 경계를 처음에 발생시키는 것이 무엇인지를 설명할 수 있었다. 연구진은 납을 담고 있는 영역이 두 종류의 구조로 이루어져 있다고 설명했다. 한 구조에서, 납 원자는 이동할 만한 충분한 공간을 가지며, 이로 말미암아, 그들은 외부의 기계적 응력에 의해 영향을 받을 공간이 많아진다. 다른 구조에서는, 납 원자가 움직일 충분한 공간을 갖지 못한다. 이 결과물은 첫 번째 유형의 구조가 PZT 내의 압전 반응을 최적화하는 데 매우 바람직함을 나타내며, 왜 압전 반응이 이 경계 근처에서 증가하는지를 설명한다. 이 연구는 두 종류의 구조 사이에서의 중요한 차이를 이해하는 통찰력을 제시한 최초의 결과물이다.

이 결과물이 압전 분야에 큰 영향을 끼칠 수 있으며, 자동차나 센서, 그리고 엑추에이터와 같은 다양한 응용의 가능성을 제시한다. 이 연구의 가장 중요한 영역 중 하나는 납이나 독성 요소를 가지고 있지 않은 새로운 압전 물질을 찾는 것이다. 현재, 일부 납 없는 압전 물질이 같은 성능이나, 또는 납 기반의 압전보다 더 나은 성능을 발휘하고 있지만, 오직 특정한 응용이나 제한된 범위에서만이 가능하다. 압전체의 기원을 이해하는 것은 납 없는 압전체의 응용을 넓히는 데 중요한 발판이 될 것이다. “우리는 PZT에서의 중성자와 X-선 작업을 수행하기 위한 연구를 지속할 것이다. 특히, 우리는 확산 회절 효과(diffuse diffraction effects)라고 불리는 현상을 연구하기 위하여, PZT 단일 결정을 밴쿠버에서 성장시키고 있다. 이는 PZT에 존재하는 장애물(또는 장점이나 단거리 질서)을 관찰하는 데 중요하다. 나는 앞으로 4년 후에 은퇴하지만, 이 연구를 계속할 것”이라고 Glazer가 말했다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 압전 물질의 속성 탐구