생기원, 고민감도 유연 압전소자 개발

한국생산기술연구원(이하 생기원)이 높은 출력성능을 보이며 미세한 움직임까지 감지하는 고민감도 유연 압전소자를 개발했다고 23일 밝혔다.

압전소자(Piezoelectric Device)는 압전효과를 활용한 디바이스로, 재료에 기계적 힘을 가하면 전기적 신호가 발생하는 압전효과를 이용해 전기를 생성하고 수확하는 장치다.

이 소자는 소형 정밀기계에서부터 군사, 의료, 우주·항공, 재생에너지 분야의 각종 센서에 사용되며, 특히 별도의 충전 없이도 지속적인 작동이 가능해 최근 웨어러블 기기의 센서 및 자가발전 소자로 각광받고 있다.

그동안 압전소자의 출력성능을 높이기 위해 사용돼 온 납 티탄산 지르코늄(PZT)의 경우 압전 특성은 우수한 반면 납이 포함된 소재여서 인체와 접촉해야 하는 제품에는 사용할 수 없었다. 또한 환경에도 유해하다는 지적을 받아 왔다.

이에 생기원 기능성소재부품연구그룹의 김강민 박사 연구팀은 탄소나노튜브 표면에 강유전체인 주석아연산화물(ZnSnO3)을 반구형의 모양으로 성장시켜 강유전성 유기 고분자 나노섬유의 압전 성능을 향상시켰다고 했다. 또한 개발한 탄소기반 소재는 인체에 해가 없고 친환경적인 공법으로 제조돼 환경에도 무해하다고 소개했다.

주석아연산화물은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질 중 하나로, 연구팀은 펄스레이저 공정(PLA ; Pulsed Laser Ablation)을 통해 탄소나노튜브 표면에 주석아연산화물을 합성하는 방식으로 새로운 소재를 생성했다고 설명했다.

또한 개발한 신소재를 강유전성 유기 고분자 나노섬유와 혼합해 압전소자를 제작했을 때, 출력성능이 전류값 97.5V, 전압값 1.16μA로 나타나 납 티탄산 지르코늄을 사용한 압전소자(65V, 1.6μA) 보다 높은 출력성능을 보였다고 밝혔다.

연구팀은 특히 심박수를 잡아내는 기능이 뛰어나 그동안 맥박 반응이 미약해 감지가 어려웠던 후경골동맥의 맥박 관찰에도 성공했다고 강조했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 개인 기초 연구사업을 통해 수행했다. 생기원에서는 김강민 박사가 교신저자로, 강석현 박사가 제1저자로 참여하고, 김상훈 박사, 한혁수 교수(건국대학교), 박석희 교수 (부산대학교)가 공동 연구를 맡았다.