전북대학교 연구진이 새로운 나노구조를 이용하여 환경오염 물질인 납 성분이 없는 고효율 압전소재를 개발해 세계 학계의 주목을 받고 있다.

전북대 정창규 교수팀(공대 신소재공학부)은 경북대 박귀일 교수팀, 한국세라믹기술원 조성범 박사팀과 공동 연구를 통해 코어(core)-쉘(shell) 나노구조의 비납계 압전소재를 개발하고, 기존 소재 대비 2배 이상 증폭된 압전효과를 증명했다고 14일 밝혔다.

이번 연구 결과는 나노소재·에너지 분야 저명 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy, Impact factor: 17.881)’ 8월 31일자 온라인판에 게재됐다. 제1저자는 전북대 김현승 석사과정생과 경북대 김연규 석사과정생이다.

압전효과는 어떤 물질에 변형을 가했을 때 전기적인 변화가 생기는 현상을 말한다. 압전소재는 대부분의 전자제품에 필수 부품으로, 센서나 액추에이터(모터·감속기 등 물리적 동작을 가능케 하는 장치), 에너지 생성 소자 등 다양한 분야에 적용되고 있다.

현재 압전소재로 티탄산지르콘산납(PZT)이 가장 많이 사용되고 있다. 그러나, 국제 환경 규제 정책의 일환인 납 사용 제한으로 티탄산지르콘산납을 대체할 수 있는 비납계 압전소재의 개발이 시급한 상황이다. 이에 티탄산바륨(BaTiO3) 등 비납계 압전소재가 주목받고 있으나, 기존 납계 압전소재 대비 낮은 압전특성으로 실용화 수준에 이르지 못하고 있다.

이러한 단점 극복을 위해 연구팀은 내부(코어)는 티탄산바륨, 외부(쉘)는 티탄산스트론튬(SrTiO3)으로 구성된 코어-쉘 나노입자 구조를 개발했다.

코어와 쉘의 명확한 경계 없이 나노입자 전체에 걸쳐 티탄산스트론튬에서 티탄산바륨으로 연속적으로 원소의 농도를 변화시키는 구조를 만들어서 변전효과(변형율이 작용되었을 때 재료 내부에 전기적인 변화가 생기는 현상)를 유도했고, 이것이 압전 특성을 증폭시킬 수 있음을 입증했다.

개발된 코어-쉘 나노입자는 기존 티탄산바륨 나노입자 대비 2배 이상 향상된 압전효과를 나타냈다. 이는 현재까지 보고된 압전 나노입자 가운데 가장 높은 수치라고 연구진은 밝혔다. 또한 개발된 해당 압전 나노입자를 이용한 에너지 생성 소자도 제작해 응용 기술로의 가능성도 확인했다. 더불어 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 압전재료 내부에서 변형률 변화를 구조 역학적으로 계산하여 실험 결과를 이론적으로 검증했다.

정창규 교수는 “이번 연구는 나노소재의 구조 및 조성 변화 따라서 압전효과를 증폭하고 조정할 수 있다는 점을 실험에서부터 이론에 이르기까지 증명하였다는 점에서 앞으로 에너지 및 센서 소자 개발에 있어서 중요하게 적용될 수 있다”며 “또한 기존의 변전효과 연구는 주로 박막에서만 보고되었는데, 나노입자에서 증명했다는 점에서 물리적으로 중요한 의의가 있다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 한국연구재단 신진연구자지원사업 및 4단계 BK21 사업단(수소에너지 융복합기술 혁신인재양성사업단, 단장 유동진) 등의 지원을 받아 수행되었다.