납 쓰지 않는 `친환경 압전소재`…고감도 센서·압전 부품 등에 활용

원자력연, 비납계 압전복합소재 개발
상용화 걸림돌 '온도 불안정성' 극복

한국원자력연구원은 납을 쓰지 않고 온도 불안정성을 해결한 친환경 압전소재를 개발했다. 원자력연 제공

인체에 유해한 납 대신 친환경 소재를 쓰면서 온도 불안정성 문제를 극복한 새로운 압전소재가 개발됐다.

한국원자력연구원은 박규현·이민구 박사 연구팀이 납을 사용하지 않고도 세계 최고 수준의 온도 안정성을 갖춘 '친환경 비납계 압전소재 기술'을 개발했다고 28일 밝혔다.

압전소재는 압력을 전기로 변환하는 소자로 고감도 센서나 반도체 등 다양한 분야에 활용된다. 지금까지 압전소재로 '납 티탄산 지르코늄' 소재를 써 왔는데, 인체와 환경에 유해해 세계적으로 금지되는 추세다. 이 때문에 납을 사용하지 않는 친환경 비(非)납계 압전소재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

연구팀은 온도에 따라 상반된 압전성능 변화를 보이는 두 소재를 번갈아 쌓은 적측형 압전 복합소재를 통해 온도에 따른 압전성능 감소 또는 증가라는 불안정성 문제를 해결했다. 온도가 높아질수록 압전성능이 감소하는 '칼륨 소듐 니오베이트'(KNN)계 물질과 반대로 압전성능이 향상되는 '비스무트페라이트'(BF)계 물질을 층으로 쌓아 복합소재를 만들었다. 이 복합 소재는 KNN계 물질이 43%일 때 최적의 비율로, 300도까지 온도가 올라가도 압전성능 변화 비율이 4.7% 이내로 유지됐다.

기존 비납계 압전세라믹 소재의 온도 안정성이 최대 100도에서 150도(압전성능 변화 비율은 10% 이내)인 것과 비교하면 2배 이상 향상된 결과로, 세계 최고 수준의 성능이라고 연구팀은 설명했다. 특히 300도 이상에서도 압전 성능을 의미하는 압전상수(힘을 가할 때 발생하는 전하의 양)가 최소 150 이상으로 고온에서도 압전 성능이 우수했다.

박태진 원자력연 기기안전진단연구부장은 "친환경 압전소재는 우수한 온도 안정성과 압전성능을 갖춰 원자력 발전과 같은 고온 환경에서 사용하는 고감도 센서, 압전 부품·소자 등으로 활용이 가능하다"며 "특수 센서 분야에 활용하는 연구를 지속하겠다"고 말했다.

이 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(9월호)'에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr