납을 사용하지 않는 친환경 비납계(Pb-free) 압전소재 연구가 활발한 가운데, 국내 연구진이 상용화의 걸림돌이던 온도 불안정성 문제를 극복했다.
한국원자력연구원은 세계 최고 수준 온도 안전성을 갖춘 친환경 비납계 압전소재 기술 개발에 성공했다고 28일 밝혔다.
압전소재는 압력이 가해질 때 전기를 발생시키는 물질로 센서나 반도체 등 다양한 산업 분야에 활용된다. 지금까지 '납 티탄산 지르코늄'을 활용해 유해성 문제에서 자유로울 수 없었다.
기존 비납계 압전세라믹 소재는 온도에 따라 압전성능이 감소하거나 증가하는 불안정성을 지녔는데, 기기안전진단연구부의 박규현 선임연구원과 이민구 책임연구원팀이 오히려 이 현상을 이용해 문제를 해결했다.
온도에 따라 상반된 압전성능 변화를 보이는 두 소재를 번갈아 쌓은 적측형 압전복합소재로 문제를 해결했다.
온도가 높을수록 압전성능이 감소하는 '칼륨 소듐 니오베이트(KNN)'계 물질, 반대로 압전성능이 높아지는 '비스무트페라이트(BF)'계 물질을 쌓았다.
많은 실험 끝에 KNN계 물질 43%가 최적 비율임을 밝혀냈다. 이 때 300℃까지 압전성능 변화 비율이 최대 4.7%로 유지됐다.
이는 기존 비납계 압전세라믹 재의 온도 안정성이 최대 100~150℃(압전성능 변화율 10% 이내)인 것과 비교해 2배 이상 향상된 결과다. 세계 최고 수준 성능이다.
또 기존에 300℃ 고온에서 사용하던 압전물질이 대부분 비스무스 층상구조로 압전성능을 의미하는 압전상수가 20 이하에 불과하다. 반면, 연구팀이 활용한 두 가지 물질은 페로브스카이트 구조로 압전상수가 최소 150 이상이다. 고온에서도 압전성능이 우수하다.
개발 소재는 원자력발전과 같은 고온 환경 고감도 센서를 비롯해 다양한 친환경 압전 부품 및 소자로 활용될 전망이다.
박태진 기기안전진단연구부장은 “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.
이번 연구 결과는 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A)' 9월호에 게재됐다. 또 국내 특허 등록이 완료된 상태며, 미국·유럽 해외 특허도 등록심사 중이다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
