최근 남방과학기술대학 물리학과 강석교수 왕준령과 남양이공대학 교수 판홍진팀은 압전재료 분야에서 중요한 진전을 이룩하여 처음으로 신형 유기-무기 잡화 철전재료를 합성하여 21.5%에 달하는 전단응변을 실현하여 업계 표준의 PZT 압전세라믹 두 체급을 초과하였다. 해당 연구 결과는 Nature Materials에 "Ferroelastic-switching-driven large shear strain and piezoelectricity in a hybrid ferroelectric"이라는 제목으로 게재되었다.
압전 결정은 에너지 변환기, 센서, 여파기 등 일련의 부품을 제작하는데 광범위하게 응용되어 국민 경제의 각 분야에서 모두 중요한 역할을 하고 있다. 사람들은 압전 결정의 응변량을 높이는 데 많은 노력을 기울였다. 그 중 철전이나 압전재료는 형상기억합금의 철탄성 이행상태가 가역적인 큰 변형을 가진다. 그러나 기존의 철제 전기 재료를 사용하여 변형 철제 탄성 스위치를 켜는 것은 매우 어려운 일이다. 재료의 압전 반응이 분극과 강성의 비율임을 감안하여, 높은 분극률과 낮은 강성을 가진 재료가 더 큰 압전 반응을 일으킬 것을 예측할 수 있다. 그러나 현실에서, 사람들은 종종 유연성이 큰 유기재료의 분극률이 낮고 강성 무기재료의 분극률이 높다는 것을 발견하는데, 이 현상은 연구자들이 유기-무기 잡화 압전재료에 대한 관심을 불러일으켰다.
그림 1 (PTMA) CdBr3xCl3 (1-x) 재료의 철전, 철탄 성질 및 (PTMA) CdCl3의 철탄 형태와 다른 재료 체계의 비교
연구진은 유연성이 큰 유기분자와 강성이 큰 무기소재 뼈대를 결합한 (PTMA) CdBr3xCl3(1-x) 철전소재를 제조하고 브롬을 섞는 방법으로 전기기계 성능을 체계적으로 조절했다. (PTMA) CdBr3xCl3(1-x) 의 180° 철 전극화 뒤집기는 재료 구조의 한계 때문에 매우 어렵기 때문에 제어할 수 있는 초대형 절단 변형 철탄 뒤집기를 가능하게 한다. 이와 동시에 Br 대체는 화학 결합을 효과적으로 연화시켜 분극 전복 퍼텐셜을 낮추고, 나아가 재료의 전단 압전 계수를 강화시킬 수 있다는 연구 결과가 있다. 밀도 범함이론에 기초한 계산은 또한 이것을 증명하는데, 두 철의 탄성 상태 사이를 전환하는 최소 에너지 경로 맵은 Br이 풍부한 샘플에서 얕은 이중 트랩 태세(double-well landscape)를 나타낸다.
그림 2 (PTMA) CdCl3의 결정구조와 전기장 제어를 위한 철탄 뒤집기 도식 및 거시적 표현
왕준령과 그의 팀의 이 연구는 압전 재료에 대한 연구에 새로운 방향을 열었다. 처음으로 제시된 구조적 제약 효과로 인해 철탄의 전복을 정밀하게 제어함으로써 엄청난 변형을 얻을 수 있게 되었다. 화학결합연화(bond softening)의 원리는 또한 우수한 성능의 유기-무기 잡화 철전/압전 재료를 더 많이 선별하도록 지도한다.
왕준령은 논문의 공동 교신저자이며, 남과대는 공동 교신저자 단위이다. 본 과제의 전개는 국가자연과학기금위원회, 싱가포르교육부, 남방과학기술대학 등 기관의 지지를 받았다.
