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‘스마트 센서 무한동력’ 고성능 친환경 압전물질 기반 고온 플랙시블 소자 탄생

신소재공학부

  • 2022-07-20 15:02
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경북대·원자력연, ‘고온 환경 작동형 플렉시블 압전소자’개발
친환경 압전물질의 압전전압상수 향상, 세계 최초 굽힘 조건에서 300℃까지 성능 평가

‘플렉시블 압전소자’는 압력이나 구부러짐 같은 미세한 힘으로 전기를 생산한다. 버려지는 자연적인 에너지를 수집하기 때문에 별도로 충전하지 않아도 된다. 이러한 특성으로 ‘스마트 센서’의 영구 에너지원으로 떠오른 가운데, 국내에서 고온에서 작동 가능한 새로운 유형의 에너지 하베스팅 소자가 탄생했다.

경북대학교 신소재공학과(박귀일 교수, 현동열 학생)와 한국원자력연구원 스마트기기진단연구부(이경자·이민구 박사)의 공동연구팀은 친환경 비납계(Pb-free) 압전물질인 ‘칼륨 소듐 니오베이트((K,Na)NbO3, 이하 KNN)’계 물질 연구를 통해 압전전압상수(g33) 값이 극대화된 신물질을 개발하는데 성공하고, 이를 응용해 스마트 센서 개발 등에 활용될 수 있는 ‘고온 환경 작동형 플렉시블 압전소자’를 개발했다고 14일 밝혔다.

해당 연구결과는 복합 공학기술 및 세라믹 재료과학 분야에서 전 세계적으로 저명한 학술지인 ‘Composites Part B’ 및 ‘Journal of the European Ceramic Society’에 게재되며, 학계에서 주목을 받고 있다.

지금까지 압전소자 대부분은 ‘납 티탄산 지르코늄(Pb(Zr,Ti)O3, 이하 PZT)’ 소재로 만들어졌으나, 인체 및 환경에 유해해 세계적으로 사용이 금지되는 추세다.

이에 원자력연구원은 친환경 압전물질인 KNN에 미세도핑 방식으로 비스무트(Bi)계 화합물을 첨가했다. KNN은 PZT를 대체할 유망한 비납계 물질군으로 꼽힌다. 다만, 상온에서 온도가 높아질수록 압전성능이 급격히 저하된다는 문제가 있었다. 연구원은 Bi계 화합물 도핑 양을 미세하게 조절함으로써 압전전압상수 값을 극대화하면서 온도안정성이 우수한 최적의 압전 신물질을 만들었다.

이어서 경북대는 연구원에서 자체 개발한 KNN계 압전분말을 열적 안정성이 뛰어난 폴리이미드(polyimide) 고분자와 결합해 ‘고온 환경 작동형 플렉시블 압전소자’를 제작했다. 굽힘 조건에서 300℃ 고온까지 발전성능을 평가한 것은 세계 최초다.
압전소자가 구부러진 상태에서는 외부에서 열이 동일한 양으로 전달되기 어렵다. 따라서 기존에는 소자 성능을 검증할 때 평면 상태에서 동일한 압력이나 진동을 가했다.
연구진은 이번에 개발한 신소자를 정확하게 평가하고자 소자가 영향 받는 열을 실시간으로 확인하고 굽힘 변형도 고려하는 ‘발전 성능 평가 시스템’을 구축했다.

이번 연구는 2021년부터 기관 주요사업을, 2022년부터 과학기술정보통신부 원자력연구개발사업의 지원을 받아 진행했다.