[반도체 물성, 물리전자] 분극(Polarization)이란? 분극의 종류 - 전자분극, 이온분극, 배향분극

유전체의 분극은 무엇일까? 유전체와 도체의 비교
What is Polarization of Dielectric? Comparison between Dielectric and Conductor

절연체의 분극을 알기 위해서는 절연체의 구조를 먼저 알고 있어야 합니다. 

유전체(Dielectric)는 도체(Conductor)와 다르게 외부 전기장(E Field)가 인가 되었을 때, 물질 내의 전하가 재분포되어 전기적인 성질이 유도되는 특성을 갖고 있습니다. 자유전자가 거의 존재하지 않고 대부분의 전자들이 nuclues에 구속되어 있기 때문에 외부 전기장이 인가되었을 때, 전자들이 전기장을 따라 흐르지 않고 특정 방향으로 배열이 되게 됩니다. 반면, 도체의 경우에는 free carrier가 굉장히 많이 존재하고 있습니다. 다시 말해 전자들이 nucleus에 구속되어 있지 않기 때문에 외부 전기장이 인가되더라도 절연체처럼 전기 쌍극자가 생기는 것이 아니라 전자의 이동으로 전류가 발생하게 되죠. 이때문에, 유전체(Dielectric)와 부도체/절연체(Insulator)를 혼용해서 사용하고는 합니다. 하지만, 완벽히 동의어는 아닌 것이죠. 

전기가 통하기 어렵다는 의미를 담은 절연체(Insulator)와 
전기 쌍극자가 생성되어 배열이되는 의미를 담은 유전체(Di + Electrics)는 다른 어원을 갖고 있죠.
하지만, 분극 현상이 발생하지 않는 절연체는 없기 때문에 혼용을 해서 사용 합니다. 

 

출처 : Hyperphysics

위는 일반적인 유전체의 모습입니다. 비분극(Unpolarized)상태일 때는 당연히 random하게 음전하와 양전하가 배열되어 있습니다. 그러면 net polarization = 0이겠죠. 만약 외부 전기장(E field)가 인가되는 경우에는 radon하게 배열되어있던 charge들이 방향성을 띄고 배열되게 됩니다. 이 상황을 분극(Polarization)이라고 합니다. 위 figure는 정확하게는 원자분극이라고 합니다. 양성자인 nuclues에 bound 되어 있는 전자의 배열에 의해 전기 쌍극자가 생성되는 상황이기 때문입니다.

위와 같은 원자 분극 이외에 더 많은 분극의 메카니즘이 존재합니다. 해당 내용은 아래에서 설명을 하겠습니다.

유전체의 유전율과 밴드 갭 에너지에는 어떤 관계가 있는가?
What is the relationship between dielectric constant(ε) and Band gap Energy(Eg)

일반적으로 유전상수와 밴드갭 에너지는 Trade-Off의 관계에 있습니다. 아래의 figure를 보시죠.

출처 : Toward Advanced High-k and Electrode Thin Films for DRAM Capacitors via Atomic Layer Deposition, Se Eun Kim et al.

위 figure에서도 Dielectric constant가 커질 수록 Trade-Off로 Band gap가 작아지는 것을 확인 할 수 있습니다. 그 이유는 electron은 당연히 nuclues에 bonding이 되어 있습니다. 그때, electron과 nuclues에 bonding이 강해져서 electron의 구속력이 강해질 수록 Bandgap은 커지게 됩니다. free electron이 되기 위한 Energy가 훨씬 더 크게 요구되는 것이죠. 하지만 동시에 electronic polarization은 약해집니다. nuclues에 의한 힘이 크게 작용하기 때문에 분극의 정도가 약해지는 것이죠. 

현재 DRAM에서 사용이 되는 Capacitor에서 Capacitance를 키우기 위해서 Dielectric Constant를 키우는 방향으로 연구가 진행된다고 했었습니다. 그러면 Band gap이 작아지는 약점을 동시에 갖게 되죠. Band gap이 작다는 것은 결국 Capacitor의 누설전류의 위험성이 커지는 것을 의미합니다. 따라서 Dielectric Constant를 키움과 동시에 Leakage를 줄이는 연구가 DRAM Capacitor연구의 핵심이라고 할 수 있습니다.

DRAM Capacitor의 발전, DRAM구조와 동작원리, High-k

 

 

유전체의 분극에는 어떤 종류가 있는가? 
What are the types of Polarization?

분극(Polarization)은 대표적으로 3가지의 메카니즘이 존재합니다.

Electronic, Ionic(=atomic), Orientation Polarization 3가지가 대표적인 유전체의 분극 메카니즘이죠.
이제 각각이 어떤 원리로 분극을 발생시키는지 알아보겠습니다.

첫 번째, 전자분극(Electronic Polarization)

(좌) E Field 인가 전 / (우) E Field 인가 후 / 출처 : doitpoms

전자 분극은 일반적으로 대부분의 케이스에서 발생하는 분극현상입니다. 각각의 atom이나 ion에는 positive하게 charged된 nuclues가 있고 그 주위를 negative electron cloud가 감싸고 있죠. 전자구름의 형태를 생각하시면 됩니다. 좌측의 figure처럼 생겼죠. 모든 non-conducting 물질은 전자 분극이 발생합니다. 그래서 앞서서 부도체와 유전체가 통용이 되어 단어가 사용된다고 말씀을 드렸죠.

만약, E Field가 우측의 figure처럼 인가되었다고 생각해봅시다. 위가 (+) Voltage 아래가 (-) Voltage가 인가가 되어있다고 생각하시면 편하죠. 그러면 당연히 electron cloud(전자구름)이 비틀리면서(distort) 위쪽방향으로 찌그러지게 되죠. 그리고 그 반대방향으로 nucleus는 움직이게 됩니다. 그러면 전체적인 모양은 E Field가 인가되기 전인 좌측 figure처럼 전자구름에 nuclues가 정확히 중심에 위치하는 것이 아니라 한쪽 사이드에 nuclues가 위치하게 됩니다. 그 결과 dipole moment가 발생하게 되죠. 

상대적으로 위쪽이 전자구름에 의해 -q charge를 그리고 그 반대의 방향의 nuclues에 의해서 +q charge가 발생하게 됩니다. 이것이 바로 전자 분극(Electronic Polarization)이죠.

 

두 번째, 이온분극(Ionic Polarization)

이온 분극은 물질이 ionic structure를 가지고 있을 때 발생하는 현상입니다. 공유결합(Covalent Bonding)과 달리 이온 결합(Ionic Bonding)을 통해서 결합을 하고 있는 물질들이죠. 공유 결합이 전자를 공유하면서 결합을 하는 반면에 이온 결합은 반대의 charged ion들의 인력에 의해서 결합을 이루고 있는 물질입니다. 

출처 : Wikipedia

위와 같은 이온 결합을 예시로 들 수 있습니다. Na 그리고 F의 이온 결합으로 만들어지는 NaF(Sodium Fluride)가 그 예시이죠. 

(1,2) E Field 인가 전 / (3) E Field 인가 후 / 출처 : doitpoms

 

그렇게 ionic structure를 가져 (-) (+) ion들이 존재한다고 생각을 해봅시다. 그러면 중간의 figure처럼 (-)와 (+) ion은 bonding을 하고 있게 되죠. 양이온과 음이온 pair는 이미 dipole moment(쌍극자 모멘트)를 가지고 있습니다만 전체적인 net polarization은 zero입니다. 그래서 아직은 분극이 활성화 되어 있지 않은 상태이죠.

이때, 우측 세 번째 사진처럼 E field가 인가되었다고 생각을 해봅시다. 양이온과 음이온의 bonding에 stretch가 발생하면서 거리가 멀어지게 되죠. 결과적으로 각각의 양이온 음이온 pair의 dipole moment가 커지게 되면서 이온 분극(Ionic Polarization)이 발생하게 됩니다. 만약 E Field가 반대 방향으로 인가가 된다면 어떻게 될까요? 아까의 경우에는 Stretch가 늘어나서 dipole moment가 커지는 방향이었다면, reverse field에서는 오히려 양이온-음이온 사이의 bonding 거리가 짧아지게 됩니다. Bonding의 Compression이 발생하게 되면 Dipole moment가 감소하게 되죠. 

결국 이온 분극(Ionic Polarization)은 Ionic Structure에서 E field에 의해 bonding의 결합 길이가 달라지게 되며 Dipole moment(쌍극자 모멘트)에 변화가 발생하여 분극이 발생합니다. 물질과 구조에 따라서 발생할 수 있는 dipole moment의 변화가 매우 커질 수도 있기 때문에 처음에 설명을 했던 전자 분극 보다 훨씬 더 큰 유전율을 가질 수 있습니다. 

예를 들어, Perovskite 물질이라고 불리는 구조는 ABO3의 화학식을 갖는 구조를 의미하는데요 이때 B 이온의 움직임으로 인해서 이온 분극이 발생합니다. 그리고 이 Perovskite 물질은 100이 훨씬 넘는 유전율을 가질 수 있게 됩니다. STO(SrTiO3)의 경우 150의 상대 유전율을 가질 수 있고 BST의 경우에는 이상적인 경우 800에 가까운 유전율을 가질 수 있죠. 따라서 연구가 굉장히 활발히 이루어지고 있는 유전체이기도 합니다.

세 번째, 배향분극(Orientational Polarization)

배향 분극은 이미 물질자체가 쌍극자 모멘트를 가지고 있는 분자의 경우에 발생을 합니다. E field가 인가되지 않은 상태에서도 쌍극자 모멘트가 존재하죠. 예를들어 H2O를 들 수 있습니다. 그리고 두 번째에 설명을 했던 ionic structure의 경우에도 이미 permanent dipoles(영구 쌍극자)가 존재할 수도 있습니다. 하지만, 그 배열이 random하게 정렬되어 있기 때문에 역시나 net polarization은 zero이죠. 

(1,2) E Field 인가 전 / (3) E Field 인가 후 / 출처 : doitpoms

첫 번째 figure에서 처럼 배향 분극을 가질 수 있는 분자들은 이미 permanent dipole(영구 모멘트)를 가진다고 했습니다. 그때 분자가 가지는 극성의 방향을 아래 방향처럼 나타낼 수 있죠. 그리고 그런 각각의 영구 모멘트들이 radom하게 배열되어 net polarization이 zero인 모습을 나타내는 것이 두 번째 figure입니다. 

만약 이때, E field가 인가된다면 어떻게 될까요? 세 번째 figure를 보시면 됩니다. E field가 인가 됨에 따라서 random하게 배열이 되어 있던 permanent dipole(영구 쌍극자)가 회전하면서 일정한 방향으로 정렬이 되게 됩니다. 결과적으로 배향 분극(Orientational Polarization)이 발생합니다. E field가 작용하지 않을 때는 서로 쌍극자 모멘트가 상쇄가 되다가 E field가 인가됨에 따라서 모든 쌍극자들이 한 방향으로 정렬하게 되어 분극이 발생하는 것이죠.