플렉시블(Flexible) 전자 장치는 유연성을 보유하고 있는 동시에 쉽게 휴대하고, 잠재적인 저 원가 제조 등 강점을 보유하고 있기 때문에 의료, 정보, 에너지, 국방 등 분야에서 중요한 응용 전망을 보유하고 있으며 현재 이미 폭넓은 관심을 받고 있는 상황이다. 플렉시블 웨어러블 디바이스(Wearable device)와 같은 제일 이상적인 플렉시블 전자 설비는 구성되는 장치로 하여금 플렉시블 특성을 보유하도록 요구하고 있는데 구체적으로 플렉시블성 전원, 플렉시블 회로, 플렉시블 센서, 플렉시블 저장 등 요구가 포함되고 있다.

어떻게 하면 전통 기능 재료의 플렉시블화를 실현할 것인가는 응력/응변 환경 하에서의 재료 기능 특성의 진화 법칙을 이해하고, 멀티 타입 물리 필드 하에서 재료 및 장치 기능을 조절하는 방법을 파악하는데 있어서의 중요한 과제에 속한다. 또 다른 한 면으로 자성 재료는 전자 장치의 중요한 구성 부분에 속한다. 플렉시블 기판 상에서 자성 박막을 개발하고 자기 전기 특성에 대한 연구를 실행하는 것은 플렉시블 자기 전자/스핀 전자 장치를 개발하는데 있어서의 중요한 기반으로 된다.

중국과학원 닝보(寧波) 재료 기술 및 공정 연구소 산하 `중국과학원 자성 재료 및 장치 중점 실험실` 소속 `자기 전자 재료 및 장치 연구팀`은 최근 년간 플렉시블 자기 전자 기능 재료 및 장치에 대한 연구를 실행하였는데 구체적으로 플렉시블 자기 전자 기능 재료 제조 기술에 대한 연구 개발이 포함되어 있을 뿐만 아니라 멀티 타입 물리 필드 역할 하에서(플렉시블 상태 하에서) 자기 전자 기능 재료와 장치의 물질 특성 진화 및 조절 법칙에 대한 연구도 포함되어 있다. 연구팀은 최근 2년간 자기 이방성과 자기 모멘트의 방향에 대한 연구 분야에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있는 상황이다.

자기 이방성(Magnetic anisotropy)은 자성 재료의 중요한 빙 내(Within Bing) 매개 변수 중의 하나로서 자성 재료의 자기 모멘트의 방향(Magnetic moment orientation)과 보자력(Coercivity)을 결정할 뿐만 아니라 자성 장치의 작업 주파수, 심지어 파워 소모에도 영향을 끼치고 있는 상황이다. 자기 이방성 및 조정 제어 메커니즘 조절에 대한 연구는 자성 재료와 자성 물리 연구 분야의 핵심 과제 중의 하나로 되고 있다.

연구팀은 플렉시블 기판 상에서 자기 변형(Magnetostrictive) 박막을 개발하였으며 응력/응변이 자기 변형 박막(CoFeB, FeGa 등) 속에서의 자기 이방성과 교환 바이어스 효과(Exchange bias effect)에 대한 조정 제어 법칙 관련 연구를 실행하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 응력을 추가하여 자기 변형 박막의 자기 이방성에 대한 조정 제어를 실현하고 어려운 축과 쉬운 축이 일정한 응력 상황에서 상호 교환을 실행할 수 있다는 점을 발견하였다.

긍정적인 자기 변환 계수(Positive magnetostriction coefficient)를 보유한 박막의 쉬운 자기화 축은 인장 응력 방향에 따라가는 경향을 나타내며, 어려운 자기화 축은 압력 응력 방향에 따라가는 경향을 나타내고 있다(그림 1. 참조)(Appl. Phys. Lett. 100, 122407 (2012)； Appl. Phys. Lett.105, 103504 (2014)). 연구팀은 플렉시블 FaGa/IrMn 마그네틱 교환 바이어스 이중 층(Magnetic exchange bias bilayers) 속에서 이종 접합의 교환 바이어스 필드는 외부 추가 응력/응변의 증가에 따라 감소되지만 보자력은 외부 추가 응력/응변의 증가에 따라 증가한다(Appl. Phys. Lett.102, 022412 (2013))는 연구 결론을 도출하였다.

연구팀은 이번 연구를 통해 강자성과 반 강자성의 자기 모멘트 방향이 외부 추가 응력/응변의 응답과 일치하지 않아 반 강자성이 강자성의 피닝 효과(Pinning effect)를 약화시켜 교환 바이어스 자기장(Exchange bias field)의 크기를 감소시킨다는 점을 입증하였다. 이번 연구 결과는 과학자들이 플렉시블 자성 박막의 자기 이방성에 대해 심층적으로 이해할 수 있도록 하는데 도움을 제공해줄 뿐만 아니라 플렉시블 스핀 밸브 및 자기 터널 접합 등 장치 개발을 위해 기술 기반을 구축하였으며 더욱 중요한 점은 이번 연구 결과가 재료의 자기 이방성에 대한 조정 제어를 위해 새로운 아이디어를 제공하였다는 점이다.

자기 이방성은 일반적으로 온도의 향상에 따라 약화되며 부분적인 자성 장치의 열 안정성 부족을 발생시키고 자기 이방성과 밀접히 관련되어 있는 부분적인 응용 분야로 하여금 큰 제한을 받게끔 한다. 이런 문제점에 근거하여 연구팀은 PVDF 자체 이방성 열 팽창의 열 특성 및 거꾸로 된 방향의 자기 변형 효과를 이용하여 일종 양의 온도 계수(Positive temperature coefficient) 자기 이방성을 보유한 자성 복합 박막 재료를 디자인하는데 성공하였다.

연구팀은 CoFeB/PVDF, FeGa/PVDF 및 Ni/PVDF의 다양한 복합 박막 온도 변화 히스테리시스 루프(hysteresis loop) 및 강자성 공명 분광법(Ferromagnetic resonance spectroscopy)에 대한 계통적인 연구를 실행하여 PVDF 베이스 자성 복합 박막의 자기 이방성은 양의 온도 계수를 보유하고 있다는 점을 입증하였는데 구체적으로 온도가 향상됨에 따라 자기 이방성이 증가되는 효과를 강화시킨다(그림 2. 참조)는 점을 입증하였다. 이번 연구 결과는 자성 재료의 열 안정성을 향상시키는 면에서 중요한 의미를 보유하고 있다(Sci. Rep. 4, 6615 (2014)).

연구팀은 PVDF의 강유전성과 이방성 열 팽창 특성을 이용하여 멀티 물리 필드가 자기 이방성과 자기화 방향에 대한 효과적인 조정 제어를 실현하였다. 예를 들면 FeGa/PVDF 이종 접합 속에서 295K 수준에 달할 때 전기 필드를 추가하여 FeGa 자기 이방성의 어렵고 쉬운 축의 변환을 실현하였다(그림 3. 참조). 동시에 매우 작은 자기장(보자력보다 작음) 보조 하에서 온도를 통해 자기 모멘트의 180o 플립(flip)을 제어하였다. PVDF의 플렉시블 자성 복합 박막 재료는 온도, 전기장, 자기장 등 다양한 필드에 대한 조정 제어 자유도를 보유하고 있으며 플렉시블 스핀 전자 장치 분야에서 잠재적인 응용 가치를 보유하고 있다(Sci. Rep. 4, 6925 (2014)).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

네덜란드 델프트대학(Delft University) 및 캐나다 워털루대학(University of Waterloo)의 연구팀은 엑스선 회절(operando X-ray diffraction)법을 사용하여, 고에너지 밀도의 리튬-공기 전지에서 전기화학적으로 생성되는Li2O2의 산화가 두 단계에 걸쳐 발생한다는 사실을 보여주었다. 상업용 (결정성) Li2O2에서 오직 한 단계로 발생한다. 이번 발견은 과산화수소(peroxide)의 특성에 따라 전기화학적 산화반응의 근본적인 차이를 보여주고 있다.

Journal of the American Chemical Society에 게재된 연구결과는, 리튬-공기 전지의 충전 반응에 대한 근본적인 특성을 밝혀 주고 있을 뿐만 아니라 리튬 퍼옥사이드(lithium peroxide)의 크기, 형태 및 결정화도가 산화 메커니즘에 영향을 준다는 사실을 보여주고 있다. 이 과정을 조절하는 것은, 리튬-공기 전지의 성능을 높일 수 있는 핵심이 될 것이다.

비수용성 리튬-공기/리튬-산소 전지에 대한 연구는 지난 수 년 동안 폭발적으로 증가하였다. 그 까닭은 충전된 상태에서 높은 이론적 비에너지(∼11500 Wh/kg) 값을 가지기 때문에, 전기자동차 업체들로부터 상당한 관심을 받아왔기 때문이다. 이 전지를 구동시키는 전기화학적 과정은 2Li + O ? Li2O2로 표시된다. 이 전지 시스템을 실용화하기 위해서는 기능을 방해하는 몇 가지 문제점들을 미리 해결해야만 한다.

이런 문제들로는 높은 충전/방전 과부하로 인해 전체 효율(round trip efficiency)를 저하시키고 부산물 생성에 의한 전해질의 불안정성 및 고순도의 산소 분자가 필요한 것 등이다. 그 중에 리튬 퍼옥사이드(Li2O2) 형성의 메커니즘과 산화 및 이 반응을 지배하는 인자들에 대한 이해가 필요하다. 지난 수 년 동안, 방전 동안 Li2O2의 형성에 대한 지식은 상당한 진보를 거두었다. 용매의 donor number, 방전 전압, 전류밀도 및 가체 확산 전극의 조성, 형성 메커니즘 간의 명확한 관계가 밝혀졌다. 그러나 Li2O2의 산화와 같은 메커니즘 등은 아직 충분히 분석되지 못한 상태이며, LiO2 수퍼옥사이드 중간체도 실험적으로 관찰하기에 매우 어려운 상황이다.

본 연구에서, 과학자들은 엑스선 회절, Rietveld refinement 및 OEMS(online electrochemical mass spectrometry)를 이용해 전기화학적으로 생성된 Li2O2[E-Li2O2], 벌크 결정성 (상업용) Li2O2[C-Li2O2]와 비교하여, 산화발생 반응의 메커니즘을 연구하였다. 전기화학적으로 생성된 Li2O2와 상업용 Li2O2와는 충전 반응에서 명백한 차이를 보였는데, 이것은 입자 및 결정립(crystallite)의 특성에 의한 차이로 설명될 수 있었다. 그러나 산화발생반응의 메커니즘은 두 종류의 Li2O2의 경우 유사한 것으로 나타났다.

연구팀은 탄소 종이 상에 활성탄과 리튬화된 Nafion 결합제를 혼합하여 리튬-산소 전지 기체확산전극(cathode)를 제작하였다. 또한 Vulcan XC72 탄소, Li2O2 및 PTFE를 사용해 Li2O2 전극을 제작하였다. 이것들은 산소발생 메커니즘에 대한 엑스선 회절 실험을 하기 위한 충전용으로만 사용되었다. 전극(cathode), 전해질에 담긴 유리 마이크로섬유 분리막 및 리튬 금속 전극(anode)으로 이루어진 전지를 엑스선 회절로 분석하였다.

25 및 50 μA/cm2 정도의 낮거나 중간 정도의 전류밀도에서 완전한 충전/방전 사이클에서의 리튬-산소 전지의 엑스선 회절 패턴을 수집하였다. 방전의 끝 무럽에 50 μA/cm2의 전류밀도에서 형성된 E-Li2O2의 경우 결정립의 크기가 평균적으로 더 작은 것으로 나타났으며, 25 μA/cm2에서는 더 큰 결정립이 형성되는 것으로 나타났다.

E-Li2O2의 두 단계 산화는, 우선 무결정성 리튬 퍼옥사이드 성분에서 진행된 후에 리튬이 부족한 고용체(solid solution, Li2-xO2) 반응을 통해 결정성 퍼옥사이드에서 이루어졌다. E-Li2O2의 혈소판(platelet)과 유사한 결정립 형태가 확인되었으며, 환상(toroid) 입자가 분해되어 형성되고 퍼옥사이드 표면을 더 노출시키는 더 작은 크기로 되는 것으로 나타났다.

벌크 결정성 Li2O2의 단일 단계 산화는 등방성(isotropic) 결정립 형태와 더 큰 결정립 크기를 보인다. 산화과정의 초기에 Li2-xO2의 아화학양론적(substoichiometric) 관찰과 평균 결정립 크기의 지속적인 감소는, 리튬이 부족한 고용체 반응을 통한 산소의 발생을 의미한다. 그러나 본 경우 산화과정은 점차적으로 더 큰 C-Li2O2 결정립을 소비한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』