초록 ▼

본 연구의 최종 목표는 에너지 밴드 갭 (< 2.5 eV)이 낮은 무연계 강유전체 박막을 제조하여 자외선 영역에서 뿐만 아니라 가시광 영역에서도 빛을 흡수할 수 있고 실온에서 강유전 및 광기전력 특성이 우수한 박막 조성 및 광기전력 소자를 개발하는 것이다. 기존의 태양전지는 p형과 n형 두 종류 반도체 물질이 접합하여 대역 굽힘 (band bending) 때문에 전류가 흐르게 된다. 그러나 최근 빛을 물질에 조사하면 전자가 특정한 방향으로 이동하여 기전력이 발생하는 벌크 광기전력 (bulk photovoltaic) 효과를 나타내는

본 연구의 최종 목표는 에너지 밴드 갭 (< 2.5 eV)이 낮은 무연계 강유전체 박막을 제조하여 자외선 영역에서 뿐만 아니라 가시광 영역에서도 빛을 흡수할 수 있고 실온에서 강유전 및 광기전력 특성이 우수한 박막 조성 및 광기전력 소자를 개발하는 것이다. 기존의 태양전지는 p형과 n형 두 종류 반도체 물질이 접합하여 대역 굽힘 (band bending) 때문에 전류가 흐르게 된다. 그러나 최근 빛을 물질에 조사하면 전자가 특정한 방향으로 이동하여 기전력이 발생하는 벌크 광기전력 (bulk photovoltaic) 효과를 나타내는 강유전체 물질을 발견하였다. 이것은 기존 태양전지에서 일어나는 계면 효과와 다르며 강유전체의 광기전력 효과에서 기존 태양전지의 p-n 접합에 의해 생성된 전압(~V) 보다 더 높은 전압(~kV)을 발생시킬 수 있고 강유전체 분극에 의한 스위칭 효과와 함께 단순한 perovskite 구조이기 때문에 많은 연구자들의 관심을 받고 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 연구가 활발히 이루어지지 않는 이유는 강유전체의 벌크 광기전력 효과는 자외선 영역에서만 나타나므로 기존의 높은 밴드 갭(> 3.0 eV)을 가지는 강유전체 물질을 태양전지에 활용할 수 없었기 때문이다. 최근 다른 연구자들이 [KNbO₃]_1-x[BaNi_0.5Nb_0.5O_3-δ]_x (KBNNO) 세라믹과 KBiFe₂O₅ 단결정에서 1.1~2.0 eV의 낮은 밴드 갭을 가지는 물질을 제조했지만 실온에서 강유전 특성이 낮은 특성을 보여 광기전력 소자로 응용할 수 있었다.

본 연구진은 우수한 물리적 특성을 가지는 물질을 개발하기 위하여 조성변화가 용이한 sol-gel 방법으로 KNN계 박막을 제조하였다. 동일한 조성의 산화물 박막이라도 그 물성은 제조 방법에 따라 크게 다르기 때문에 휘발성 원소를 다량 포함하고 있는 K_0.5Na_0.5NbO₃ (KNN) 및 Bi_0.5Na_0.5TiO₃ (BNT)계 박막의 경우 미세한 조성 변화에도 물리적 특성이 크게 변한다. 따라서 휘발성 원소의 보상 조건에 따른 박막 제작 연구를 진행하였다.

X-선 회절 패턴 분석을 통해 (Bi_0.5Na_0.5)TiO₃ (BNT)와 (Na_0.82K_0.18)Bi_4.5Ti₄O₁₅ (NKBiT) 박막이 페로브스카이트 구조를 가지는 것을 확인하였다. BNT와 NKBiT 박막의 광전류 밀도는 각각 346 nm와 352 nm의 파장에서 측정하였다. BNT 박막의 순수한 잔류 분극은 양의 전압과 음의 전압을 가했을 때 각각 3.0 μC/cm²와 -1.0 μC/cm²으로 측정되었다. BNT 박막의 광전류밀도는 양의 전압과 음의 전압이 인가되었을 때 각각 5.75 nA/cm²와 -0.025 nA/cm² 이었다.

(Na_0.82K_0.18)Bi_4.5Ti₄O₁₅ (NKBiT) 박막의 순수한 잔류 분극은 양의 전압과 음의 전압이 가해졌을 때 각각 9.7 μC/cm²와 8.0 μC/cm²을 나타내었다. NKBiT 박막의 광전류 밀도는 양의 전압과 음의 전압을 가했을 때 각각 약 12. 3 nA/cm²와 -9.5 nA/cm²으로 대칭적으로 나타났다. 메모리 소자로의 응용을 위해 광전류 측정 장치를 이용하여 분극 방향에 따른 광기전력 특성을 평가하고 파장 변화와 폴링 조건에 따른 광기전력 특성을 분석하였다.

(K_0.5Na_0.5)NbO₃ (KNN)에 0.5 mol%의 Mn을 소량 도핑한 KNMN계 MEMS 소자의 최대 출력과 전력 밀도는 3.62 μW와 1800 μW/cm³으로 Pb계 MEMS 소자와 비교하여도 높은 값을 나타내었다. 이러한 결과는 생체 적합형 압전 MEMS 에너지 하베스팅 소자로 소규모 자체 구동 전자 소자 응용에 가능성이 있음을 보여준다.

(출처 : 연구결과 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 5
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 7
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 8
• Ⅲ. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 17