납 아닌 친환경 압전소재 개발

원자력연 연구팀이 만든 압전소재를 기반으로 한 가속도계 센서. 원자력연 제공

납 없는 친환경 압전소재가 개발됐다. 압전소재란 압력이 가해질 때 전기를 발생시키는 물질을 가리킨다. 고온 환경에서 안전하게 사용할 수 있는 센서를 만드는 데 활용될 것으로 보인다. 

한국원자력연구원(원자력연)은 박규현 기기안전진단연구부 선임연구원과 이민구 기기안전진단연구부 책임연구원 연구팀이 기존 비납계 압전세라믹 소재가 온도에 따라 압전성능이 감소하거나 증가하는 불안정성을 이용해 새로운 비납계 압전소재를 개발했다고 28일 밝혔다. 

압전소재는 디스플레이를 터치할 때 진동을 만드는 햅틱, 임산부가 품고 있는 태아의 모습을 보는 초음파검사기, 센서, 반도체 등 다양한 곳에서 사용된다. 몸을 움직이거나 소리가 울릴 때 나오는 압력에서 생겨나는 에너지를 유용한 전기 에너지로 전환하는 ‘에너지 하베스팅’에도 활용된다. 

지금까지 압전소재로 ‘납 티탄산 지르코늄(Pb(Zr,Ti)O3)’이 주로 사용돼 왔다. 납은 인체와 환경에 유해해 최근 세계적으로 금지되는 추세다. 납을 사용하지 않는 친환경 비납계(Pb-free) 압전소재 연구가 관련 업계에서 활발한 이유다. 친환경 비납계 압전소재 중 세라믹 소재는 온도 불안정성 문제를 갖고 있어 상용화하는 데 한계가 있었다. 

연구팀은 오히려 이 불안전성 문제를 이용했다. 온도에 따라 상반된 압전성능 변화를 보이는 두 소재를 번갈아 쌓은 적측형 압전복합소재를 개발해 문제를 해결한 것이다. 온도가 높아질수록 압전성능이 감소하는 ‘칼륨 소듐 니오베이트(KNN)’계 물질과 반대로 압전성능이 높아지는 ‘비스무트페라이트(BF)’계 물질을 번갈아 쌓아 복합소재를 만들었다. 

이 복합소재는 두 물질의 복합비율에 따라 온도 안정성의 차이가 있었다. 연구팀은 많은 실험 끝에 KNN계 물질이 43%일 때 최적 비율임을 밝혀냈다. 이때 300℃까지 압전성능 변화 비율이 최대 4.7%로 유지됐다. 이는 기존 비납계 압전세라믹 소재의 온도 안정성이 최대 100~150℃인 것과 비교하면 2배 이상 향상된 결과로 세계 최고 수준의 성능을 자랑한다. 

연구팀이 개발한 압전소재는 우수한 온도 안정성과 압전성능을 갖춰 원자력발전과 같은 고온 환경에서 사용하는 고감도 센서를 비롯해 다양한 친환경 압전 부품 및 소자로 활용이 가능할 것으로 예상된다. 

박 연구원은 “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. 

[이채린 기자 rini113@donga.com]