포스텍(POSTECH)은 최시영 신소재공학과 교수·통합과정 황수윤 씨, 한국원자력연구원 이민구·이경자 박사 연구팀이 열 안정성과 관련된 소재의 결정립 내부 도메인 구조를 촬영하고, 고온에서도 압전 성능을 우수하게 유지하는 친환경 소재를 개발했다고 26일 밝혔다.
연구팀은 최첨단 분석 기술인 주사형 투과전자현미경으로 친환경 압전소재인 칼륨소듐니오베이트(KNN) 세라믹의 결정립 내 나노 도메인 구조를 원자 수준으로 촬영하는 데 성공했다.
친환경 압전소재인 KNN에 안전한 중금속인 비스무트(Bi)계 화합물 도핑 양을 미세하게 조절했을 때, 특정 조성에서 결정립의 크기가 1㎛(10-6m) 이하로 급격히 작아지는 경우를 발견했으며, 이때 열 안정성이 획기적으로 증가했다. 실험 결과, 연구팀이 제작한 소재는 상온에서 섭씨 300도에 이르기까지 우수한 압전 성능을 유지했다.
또 이론적인 계산과 시뮬레이션을 통해 소재의 결정립 크기가 작아질수록, 결정립계가 분극을 고정시켜 고온에서 안정하다는 사실도 밝혀냈다. 연구팀이 개발한 압전물질을 소자에 적용한 결과, 상용화된 납을 기반으로 한 기존 소자 대비 고온 작동성이 월등히 우수함을 확인했다.
최시영 교수는 “납 없이 이처럼 높은 온도에서 친환경 압전소재의 우수한 성능이 보고된 것은 처음”이라며, “원전 등 고온용 압전소재를 사용하는 다양한 산업 분야에 큰 도움이 되길 바란다”고 말했다.
한국기초과학지원연구원 국가연구시설장비진흥센터, 한국원자력연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 원자력연구개발사업 지원으로 진행된 이번 연구성과는 최근 재료과학 분야 국제 학술지인 '머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
