초록 ▼

유전체는 전기전도에 참여하는 자유전자들이 거의 존재하지 않으며 전계가 인가되면 분극화하여 전기쌍극자를 발생시킨다. 유전체중 특시 강유전체라 불리우는 재료는 전계가 인가되지 않았을 때에도 상당한 크기의 쌍극자를 유지하고 있으며 이를 자발분극이라고 한다. 강유전체는 일반적으로 전기적·기계적·열적으로 강하게 연성되어 있으며 외부에서 인가되는 전계에 매우 신속하게 반응하기 때문에 트랜스듀서, 센서 및 액츄에이터, 비휘발성 기억소자, MEMS, 지능구조물 등 여러 가지 다양한 응용분야를 가지고 있다. 본 연구에서는 강유전체의 거동에 대한 1

유전체는 전기전도에 참여하는 자유전자들이 거의 존재하지 않으며 전계가 인가되면 분극화하여 전기쌍극자를 발생시킨다. 유전체중 특시 강유전체라 불리우는 재료는 전계가 인가되지 않았을 때에도 상당한 크기의 쌍극자를 유지하고 있으며 이를 자발분극이라고 한다. 강유전체는 일반적으로 전기적·기계적·열적으로 강하게 연성되어 있으며 외부에서 인가되는 전계에 매우 신속하게 반응하기 때문에 트랜스듀서, 센서 및 액츄에이터, 비휘발성 기억소자, MEMS, 지능구조물 등 여러 가지 다양한 응용분야를 가지고 있다. 본 연구에서는 강유전체의 거동에 대한 1차원 연속체 모델을 개발하여 그 재료에 대한 이해를 높이고자 한다.
본 연구에서는 고차다항식으로 이루어진 에너지식을 이용하는 기존의 Landau나 Jiang (1993)의 모델과 달리 강유전체의 각 상이 선형적으로 거동하고 상간의 전이가 핵생성과 카이네틱스의 의해서 결정된다는 가정에 기반한 모델을 개발하였다. 각 상이 선형적으로 거동하므로 각 상에 대한 에너지 방정식에는 2차항만이 존재하고 수식적인 처리가 단순해지게 된다. 이러한 에너지 방정식에 근거하여 이루어진 본 연구의 결과는 크게 두 부분으로 나눌 수 있다. 먼저 큐리점 이하의 온도에서의 강유전체의 전기적·기계적 거동에 대한 모델링이다. 이 경우 에너지 방정식은 분극밀도와 변형률의 함수로 주어지며 강유전상의 두 개의 배리언트에 대응하는 두 개의 에너지 우물만을 가지게 된다. 헬름홀쯔 에너지 방정식 외에 분역벽의 이동을 결정하는 카이네틱스식과 새로운 배리언트의 생성을 결정하는 핵생성식이 필요하다. 본 연구에서는 분역벽에 작용하는 드라이빙력을 정의하고 드라이빙력의 함수의 형태로 주어지는 카이네틱스식을 제안하였고 또 분역벽에 작용하느 드라이빙력이 일정한 값에 도달할 때 새로운 배리언트의 생성이 이루어진다고 가정하였다. 모델의 예측결과는 정성적으로 실험결과와 일치하였다. 둘째로 강유전체의 전기적·열적 거동에 대한 이해를 높이기 위하여 1개의 상유전상과 강유전상인 2개의 배리언트로 이루어진 헬름홀쯔 에너지 방정식을 개발하였다. 새로운 상의 생성은 이전과 마찬가지로 드라이빙력이 일정한 값에 도달할 때 이루어진다고 가정하였으며 상계면의 이동 속도는 드라이빙력에 비례한다고 가정하였다. 이 모델의 계산결과는 강유전체에 대한 실험결과와 일치하였다. 특히 열역학적 평형이 이루어지지 않은 상태에서 이동하는 분역벽으로부터 열이 발생한다는 것을 보여주었다.

Abstract ▼

One of the characteristics of a ferroelectric crystals is that it is polarized in the absence of applied electric fields at a temperature below the so-called Curie point. This is called spontaneous polarization. A ferroelectric crystal undergoes a structural transformation by an application of eletr

One of the characteristics of a ferroelectric crystals is that it is polarized in the absence of applied electric fields at a temperature below the so-called Curie point. This is called spontaneous polarization. A ferroelectric crystal undergoes a structural transformation by an application of eletro-thermomechanical loads. Therefore it shows a strong electro-thermo-mechanical coupling and this enables a wide application of that material in the fields such as transducers, memory devices, sensors and actuators, MEMS, and smart structures and so on. Through the present research we have obtained a deep insight on this important material.
In this research we developed a one-dimensional continuum model based on the assumption that each phase of the material can be modeled as a linear material and phase transitions are determined by nucleation and kinetic relation. Since each phase behaves in a linear way the Helmholtz free energy function for the phase has only second-order terms and mathamatical manipulation gets easier. The results of the present study can be divided into two parts: one is the constitutive modeling for the polarization reversals of an electro-mechanically coupled material at a temperature below Curie point and the other is the development of constitutive equations for the phase transitions and domain switchings in a thermo-electrically coupled material. In the former case the Helmholtz free-energy function is a function of polarization intensity and strain and has only two energy wells. Besides the energy function the nucleation criterion and kinetic relation are needed for a complete description of the material behavior. The speed of domain wall is given as a function of driving force acting on the domain wall and the nucleation of a new domain occurs at a critical value of driving force. The predictions of the model are shown to be qualitatively consistent with experimental observations. In the latter part of this research we developed a complete constitutive equations for a thermo-electrically coupled material. The Helmholtz free-energy function includes three energy wells corresponding to a paraelectric phase and two variants of the ferroelectric phase. This modeling shows that a certain amount of heat is generated during an electric field-induced domain switching.

목차 Contents

• 표지...1
• 목차...2
• 1. 제출문...3
• 2. 연구계획서 요약문(국문)...4
• 3. 연구내용...5
• 가. 연구결과 요약문(국.영문)...5
• 나. 서론...7
• 다. 연구방법 및 이론...8
• 라. 결과 및 고찰...19
• 마. 결론...24
• 바. 인용문헌...25
• 4. 논문발표목록서 및 자체평가서...26
• 가. 논문발표목록서...26
• 나. 자체평가서...27