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AgNbO3 세라믹 소재는 반강유전체(Antiferroelectric)와 유사한 이중 전기 히스테리시스 루프(Double electric hysteresis loop)와 높은 극화(極化) 강도(~50 μC cm-2)를 가지고 있기 때문에 비교적 큰 에너지 밀도를 보유하고 있으며, 유전체 에너지 저장 등의 분야에서 비교적 밝은 응용 전망으로 인해, 최근 점점 더 많은 관심을 받고 있음.

하지만 AgNbO3 소재는 자체의 고유한 서브 강유전성(Ferroelectricity) 및 반강유전체(Antiferroelectric)-강유전성 위상 변화로 인해 히스테리시스 효과(hysteresis effect)를 나타내는데 이런 히스테리시스 효과는 비교적 큰 에너지 소모를 발생시켜, 높은 에너지 저장 밀도와 에너지 저장 효율을 동시에 실현하기 어렵게 함. 이런 상황은 에너지 저장 분야에서의 AgNbO3 소재 응용을 제약하고 있음.

중국과학원 상하이(上海, 상해) 세라믹 연구소 뚱셴린(董顯林, 동현림), 왕건수이(王根水, 왕근수) 연구원 연구팀은 최근 AgNbO3 반강유전체 소재 에너지 저장 특성을 향상시키는 새로운 아이디어를 제시하고, 에너지 저장 밀도와 에너지 저장 효율을 동시에 향상시키는데 성공하였음.

연구팀은 Ag 위치에 높은 고체 용해도가 있는 La 원소를 도입하고, AgNbO3 소재의 M3-O1(서브 강유전체-상유전(paraelectric)) 위상 변화 온도를 실온으로 이전시켜 반강유전체 특성과 선형 특징을 동시에 보유하고 있는 Ag0.76La0.08NbO3 세라믹 소재를 개발하였는데 동 소재는 476 kV cm-3 필드 강도 하에서 에너지 저장 밀도가 7.01 J cm-3 수준에 도달하고, 에너지 저장 효율성이 77% 수준에 이르러, 종합 에너지 저장 성능이 무연(leadless) 에너지 저장 세라믹 소재보다 우수한 것으로 나타났음.

AgNbO3 소재의 물리 메커니즘은 비교적 높은 농도의 La 그룹 성분의 도입을 통해 반강유전체 장거리 프로세스를 파괴시켜 부분적으로 미크론 레벨의 반강유전체 범위를 나노 레벨의 반강유전체 범위로 전환시키는 것으로 나타났음.

연구팀은 이번 연구를 통해 Ag0.76La0.08NbO3 세라믹은 미크론 레벨과 나노 레벨의 반강유전체 범위를 동시에 가지고 있기 때문에 상대적으로 높은 극화(極化) 강도에 비해 낮은 히스테리시스 효과(hysteresis effect)를 나타낸다는 점을 입증하였음.

그 외, Ag0.76La0.08NbO3 세라믹은 우수한 주파수 안정성과 온도 안정성을 가지고 있는 것으로 나타났음.

본 연구 성과는 ‘Energy Storage Materials’ ("Giant energy density and high efficiency achieved in silver niobate-based lead-free antiferroelectric ceramic capacitors via domain engineering") 지에 게재됨.