초록 ▼

□ 연구개요
센서와 액추에이터의 응용으로 많이 활용되었던 압전(piezoelectric)소자 이후로 근래에 큰 관심과 더불어 활발한 연구가 시작된 변전효과(flexoelectricity)에 대하여 연구한다. 변전효과의 기초원리 규명과 더불어 변전소자 개발과 엔지니어링에 필요한 전기탄성학적 모델링 기법과 해석 tool을 개발하는 것을 연구목표로 한다. 변전효과를 지닌 재료를 다층박막이나 양자점에 응용할 때 전기적 분극(polarization)과 기계적(변형, 응역) 거동을 수학 모델링과 전산모사를 통해 밝혀낸다. 또한 신뢰성 확

□ 연구개요
센서와 액추에이터의 응용으로 많이 활용되었던 압전(piezoelectric)소자 이후로 근래에 큰 관심과 더불어 활발한 연구가 시작된 변전효과(flexoelectricity)에 대하여 연구한다. 변전효과의 기초원리 규명과 더불어 변전소자 개발과 엔지니어링에 필요한 전기탄성학적 모델링 기법과 해석 tool을 개발하는 것을 연구목표로 한다. 변전효과를 지닌 재료를 다층박막이나 양자점에 응용할 때 전기적 분극(polarization)과 기계적(변형, 응역) 거동을 수학 모델링과 전산모사를 통해 밝혀낸다. 또한 신뢰성 확보를 위해 변전재료 내에서 생성되는 여러 결함들이 야기하는 변전장과 결함들간의 상호작용을 수학적 계산방법을 통해 밝혀낸다. 나노스케일에서 더 크게 효과를 나타내는 변전효과 및 변형률 구배(strain gradient)를 연속체 모델로 응용범위를 정립한다.

□ 연구 목표대비 연구결과
[1 단계] 다층박막과 양자점의 변전효과 예측
• 액추에이터로 사용될 수 있는 변전(flexoelectric)효과 현상 모델링 방법 구현.
• 변전 부품의 설계 및 개발에 필요한 모델링 기법과 해석 도구 개발.
• 수학적 모델링과 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하여 양자점(quantum dot) 소재의 전기적 분극과 기계적 거동(변형, 변형률) 연구.
• 단순 연속체 탄성 및 유효 질량 양자역학 모델을 사용하여 격자 불일치 변형이 코어/쉘 양자점 나노 구조의 광학적 특성에 미치는 영향 조사.
• 탄성학 기반의 쉘 내에 포함된 내포물에 불일치 격자가 야기하는 변형률 계산.

[2 단계] 변전(Flexoelectric) 결함 역학 및 상호작용 연구
• XFEM을 사용하여 반도체 재료내에 있는 전위에 대한 열탄성 해석 수행
• 자유 표면과 이중 재료 계면 근처에 위치한 에지 전위 등 다양한 2차원 결함 거동에 대한 시뮬레이션 수행 및 중요한 결과 도출.
• XFEM 방법으로 전기, 열 및 탄성 하중의 영향을 받는 다중 전위 분석.
• J-integral 로 Peach-Koehler 힘을 평가하는 방법 개발.
• 열전달이 Peach-Koehler 힘과 전위 운동에 미치는 영향을 XFEM 시뮬레이션으로 파악.
• 이중 재료 계면 근처에서 다른 전위와 상호작용하는 결함의 힘 계산.
• 반도체 재료로 만든 전자 부품(예: 다이오드 및 트랜지스터)의 설계 및 작업 조건을 변경하는데 필요한 모델링 및 시뮬레이션 수행.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
변전효과 (flexoelectricity)는 최근 강유전체 분야에서 매우 중요한 연구 주제이다. 이 분야는 압전효과에 이어 센서와 액츄에이터, 에너지 하베스팅, 신메모리 소자 및 여러 생체바이오에서 새롭게 응용될 수 있으므로 해외(특히 미국)에서 최근 수년간 상당히 활발히 연구되어왔다. 실험과 소자 제조에도 많은 연구가 이루어지고 있는 동시에 변전효과를 극대화하는 엔진니어링을 하기 위해서는 더 정확한 현상의 이해와 해석 및 전산모사 tool들이 필요하다. 이 연구에서 진행한 수학 모델링 및 전산모사는 이 분야의 발전과 산업화에 필수적이며 국내의 연구역량을 제고 하여 국제경쟁력을 키우는데 매우 중요한 역할을 할 것이다. 이 연구에서 개발한 모델링 기법은 수치해석을 포함한 수학적 closed-form solution을 찾는 매우 도전적인 연구이다. 이를 바탕으로 새로운 현상을 매우 창의적인 방법으로 규명하여 변전소자의 혁신적인 응용에 필요한 해석 방법론을 제시할 수 있다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• A. 변전효과에 대한 지배 방정식 ... 5
• B. 결함역학 ... 6
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 7
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 12
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• 3) 목표 달성 수준 ... 12
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 자체점검표 ... 13
• 7. 참고문헌 ... 14
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• 붙임2 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 19
• 끝페이지 ... 29