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압전소재는 압력이 가해질 때 전기를 발생시키는 물질로 센서나 반도체 등 다양한 산업 분야에 활용되고 있다. 지금까지 압전소재로 ‘납 티탄산 지르코늄(Pb(Zr,Ti)O3)’을 활용했으나, 납이 인체와 환경에 유해해 세계적으로 금지되는 추세다. 이에 납을 사용하지 않는 친환경 비납계(Pb-free) 압전소재 연구가 활발한 가운데, 국내 연구진이 상용화의 걸림돌이던 온도 불안정성 문제를 극복한 기술 개발에 성공해 기대를 모은다.
한국원자력연구원은 세계 최고 수준의 온도 안정성을 갖춘 친환경 비납계 압전소재 기술 개발에 성공했다고 밝혔다. 기기안전진단연구부 박규현 선임연구원과 이민구 책임연구원 연구팀은 기존 비납계 압전세라믹 소재가 온도에 따라 압전성능이 감소하거나 증가하는 불안정성을 해결하기 위해 오히려 이 현상을 이용했다. 온도에 따라 상반된 압전성능 변화를 보이는 두 소재를 번갈아 쌓은 적측형 압전복합소재를 개발해 문제를 해결한 것이다.
먼저, 온도가 높아질수록 압전성능이 감소하는 ‘칼륨 소듐 니오베이트((K,Na)NbO3, 이하 KNN)’계 물질과 반대로 압전성능이 높아지는 ‘비스무트페라이트(BiFeO3, 이하 BF)’계 물질을 층으로 쌓아 복합소재를 만들었다. 이 복합소재는 복합비율에 따라 온도 안정성의 차이가 있었는데, 연구팀은 많은 실험 끝에 KNN계 물질이 43%일 때 최적 비율임을 밝혀냈다. 이 때 300 ℃까지 압전성능 변화 비율이 최대 4.7 %로 유지되었다. 이는 기존 비납계 압전세라믹 소재의 온도 안정성이 최대 100~150 ℃(압전성능 변화율 10 % 이내)인 것과 비교하면 2배 이상 향상된 결과로 세계 최고 수준의 성능을 자랑한다. 또한, 기존에 300 ℃의 고온에서 사용하던 압전물질이 대부분 비스무스 층상구조(Bi-layered structure)로 압전성능을 의미하는 압전상수가 20 이하에 불과하다. 반면, 연구팀이 활용한 두 가지 물질은 페로브스카이트 구조(perovskite structure)로 압전상수가 최소 150 이상으로 고온에서도 압전성능이 우수하다는 장점이 있다.
이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A(저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A)’의 9월호에 게재되었다. 또한 국내 특허 등록이 완료된 상태며, 현재 미국과 유럽의 해외 특허도 등록심사 중이다.
연구팀이 개발한 압전소재는 우수한 온도 안정성과 압전성능을 갖추어 원자력발전과 같은 고온 환경에서 사용하는 고감도 센서를 비롯해 다양한 친환경 압전 부품 및 소자로 활용이 가능할 것으로 예상된다.
연구원 박태진 기기안전진단연구부장은 “온도와 방사선이 높은 원전과 같은 가혹 환경에서 사용하는 특수 센서는 해외 기술에 의존해왔다.”면서, “앞으로 특수 센서 분야에 이번 소재 기술을 우선 활용해 나가겠다.”고 밝혔다.
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