페로브스카이트 구조(Perovscite structure)

페로브스카이트는 페로브스카이트 구조로 알려진 산화칼슘(CaTiotal oxide, CaTiO3)과 같이 양이온-산소(혹은 할로겐 원소)-양이온의 교대 입방 구조를 가지고 있는 결정 구조를 가진 모든 물질의 통칭이다. 페로브스카이트는 1839년 구스타프 로즈에 의해 우랄 산맥에서 처음 발견되었으며 러시아의 광물학자 L. A. 페로브스키(1792–1856)의 이름을 따서 명명되었다.

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구조 및 특성

페로브스카이트 화합물의 일반적인 화학식은 ABX3이며, 여기서 'A'와 'B'는 매우 다른 크기의 두 양이온이며, X는 양쪽 모두에 결합하는 음이온으로 일반적으로 산소나 할로겐원소이다. 그림 1과 같이 A, B, X, 3종류의 원자는 입방 구조를 구성해야 하므로 A, B의 원자가 입방구조 내에 안정하게 구성되는 크기를 가지고 있어야 한다. 페로브스카이트 구조 안정성에서 아래식으로 나타내어지는 tolerance factor가 중요한 역할을 한다.

τ : tolerance factor

rA : A원자의 반지름

rB : B원자의 반지름

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일반적으로 tolerance factor가 0.9에서 1.0 사이에 있어야 안정한 것으로 본다.

A, B 원자의 크기가 전체 입방구조 자체를 왜곡시키기는 경우가 자주 있으며, 이것은 페로브스카이트 구조에 강유전성 혹은 압전성과 같은 고유한 특성을 부여하기도 한다.

페로브스카이트 소재는 자기저항, 강유전성, 초전도성 등의 특성으로 인해 연료 전지 센서, 촉매 전극, 메모리 장치와 스핀트로닉스 응용 분야 등에 다양하게 사용된다.

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주요용도

태양전지

X위치에 Cl, Br, I 등 할로겐 물질로 구성된 halide perovskite들이 뛰어난 반도체적 특성으로 인해 태양전지의 재료로 많이 연구된다. halide perovskite에서 빛을 받으면 전자가 여기되며, 여기된 전자는 이산화티타늄(TiO2) 전극, 산화주석(SnO2:F) 전극, 금전극 등을 통해 전기가 통할 수 있게 한다. 패로브스카이트 태양전지는 25 % 이상의 높은 효율을 보이지만 전압/전류의 히스테리시스 현상, 열/습기 안정성, 대면적 소자 제작시 안정성, Pb 대체물질의 개발 등 많은 문제점을 해결해야 한다.

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강유전체

BaTiO3는 대표적인 패로브스카이트 산화물 강유전체로 1949년 강유전성이 밝혀졌다. BaTiO3는 고온에서는 입방정계(cubic)으로 강유전성이 없으나, 408 K, 278 K, 183 K의 온도에서 결정구조가 입방정계 → 정방정계(tetragonal) → 사방정계(orthorhombic) → 삼방정계(rhombohedral)로 변화하면 위의 물질들은 모두 강 유전성을 띈다.

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압전체

LiTaO3, PbTiO3, KNbO3, PZT(PbZrxTi1-xO3)와 같은 다양한 페로브스카이트 물질들은 강유전성을 가짐과 동시에 외부압력에 따른 결정격자 왜곡(찌그러짐)에 따라 분극이 발생되어 기계적 압력이 전기적 신호로 전화되는 압전특성을 보인다.

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초전도체

IBM에서 1986년 발견된 defected perovskite structure(perovskite structure에서 화학양론(stoichimetric)적으로 산소가 부족)를 가진 YBCO(barium copper yttrium oxide)는 77 K라는 비교적 높은 온도에서 초전도성이 구현되어 한동안 차세대 초전도체로 주목받았으며, 현재까지도 perovskite 구조의 초전도체는 다양하게 연구되고 있다.

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연료전지

SrTiO3의 경우 이온 및 전자전도성 때문에 고체산화물 연료전지(SOFC, Solidoxide Fuel Cell)에서 사용된다. 연료전지의 연료측에는 La가 도핑된 SrTiO3가(LST), 산소측에는 Strontium Titanium Ferrite가 사용된다.

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물질합성

LSAT(Lanthanium aluminate-strontium aluminium tantalate)는 얇은 단결정 필름으로 제조되어 박막성장(epitaxial growth)에서 기판(substrate)로 많이 사용된다.

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레이저

네오디뮴이 도핑된 LaAlO3는 1080 nm 파장의 레이저를 방출했다는 보고가 있다.