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1. 강유전체의 정의와 특성
1.1. 강유전체의 정의
강유전체는 전기적으로는 절연체인 유전체의 일종으로서, 특수한 물리적 성질을 가진 물질이다. 강유전체[强誘電體, ferroelectrics]는 자연 상태에서 전기 편극(電氣偏極)을 가지고 있는 물질을 말한다. 1920년 로셸염이라는 물질에서 처음 그 성질이 발견되어 알려지게 된 물질이다. 물질에 전기장을 가하면 그 영향으로 일반적으로 쌍극자 모멘트가 생겨서 전기 편극이 일어난다. 그러나 어떤 특정한 물질은 전기장을 가하지 않아도 자발적으로 전기 편극이 일어나는 것이 있는데, 이 물질을 강유전체라 한다. 강유전체는 전기적으로는 절연체인 유전체의 일종으로서, 특수한 물리적 성질을 가지고 있다.
1.2. 강유전체의 물리적 특성
강유전체의 물리적 특성은 다음과 같다.
강유전체는 전기적으로는 절연체인 유전체의 일종으로, 자발 분극(spontaneous polarization)을 가지고 있다. 자발 분극이란 외부 전기장 없이도 물질 내부에서 전하들이 특정 방향으로 배열되어 나타나는 분극을 말한다. 이 자발 분극은 전기장에 의해 그 방향이 역전될 수 있다는 특징을 가진다. 따라서 강유전체에서는 전기장에 따른 분극의 비선형적인 거동, 즉 히스테리시스(hysteresis) 특성이 나타난다.
강유전체는 특정 온도 이하에서 자발 분극이 나타나며, 이 온도를 큐리 온도(Curie temperature)라 한다. 큐리 온도 이하에서는 전기 쌍극자 모멘트들이 특정한 방향으로 배열되어 자발 분극을 형성하지만, 큐리 온도 이상에서는 열적 요동에 의해 자발 분극을 잃게 된다.
또한 강유전체는 구역(domain) 구조를 가지고 있다. 구역이란 자발 분극이 일정한 방향으로 배열된 영역을 말하며, 인접한 구역들 간의 분극 방향이 다르다. 이 구역 구조는 강유전체 내부의 depolarization field를 최소화하기 위해 나타나는 현상이다.
강유전체는 압전 효과와 초전 효과를 나타낸다. 압전 효과란 물질에 기계적 변형을 가하면 전기 분극이 생기는 현상이며, 초전 효과란 물질의 온도 변화에 따라 전기 분극이 변하는 현상이다. 이러한 특성들은 강유전체의 실용적인 응용에 활용된다.
1.3. 강유전체의 구조와 상전이
강유전체의 구조와 상전이는 다음과 같다.
강유전체는 소위 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가지는 대표적인 물질이다. Ba 원자가 정육면체의 모서리에 위치하고, Ti 원자는 체심에, 그리고 O 원자는 면심에 위치한다. 따라서 Ti 원자는 산소 원자가 만드는 정팔면체의 중심에 위치하게 된다. 상전이 온도 이하에서는 Ti 원자와 Ba 원자의 이동이 산소원자의 이동방향과 반대로 이루어져 자발분극을 형성하여 강유전상이 된다.
강유전체는 특정한 온도에서 상전이 현상을 보인다. 상전이 온도 아래에서는 전기 쌍극자끼리의 상호작용을 통해 자발 분극이 특정한 방향으로 배열하고 있다가 그 온도 이상에서는 열적 요동에 의해 자발 분극을 잃게 되는 현상이 나타난다. 이 온도를 큐리 온도(Curie temperature)라고 한다. 큐리 온도 아래에서는 자발 분극이 일정한 방향으로 배열을 하게 되지만, 구역(domain)이라는 것이 함께 형성된다. 구역 구조는 전기 쌍극자의 배열로 인해 depolarization field가 형성되기 때문에 나타나는 것으로서, 형태에 따라 90도 구역과 180도 구역으로 구분된다.
1.4. 강유전체의 D-E 이력곡선
강유전체의 D-E 이력곡선은 강유전체의 자발분극이 외부 전기장에 의해 역전되는 현상을 나타낸다. 강유전체의 전...
