생기원, 세계 최고 수준의 고민감도 유연 압전소자 개발

- 맥박 반응 약해 감지 어려웠던 후경골동맥 맥박 관찰 성공

- 의료용 웨어러블, 신재생에너지 분야 센서 및 자가발전 소자 활용 기대    

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 높은 출력성능을 보이며  미세한 움직임까지 감지하는 고민감도 유연 압전소자를 개발했다. 

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

ㅇ 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.

□ 압전소자에는 압전효과를 지닌 압전 재료가 사용되는데, 출력성능이 높으면서 외부 충격이나 진동에 강한 소재가 선호된다. 

ㅇ 그 중 강유전성 유기 고분자 소재인 P(VDF-TrFE)는 가공이 쉽고 인체 친화적이며 내구성이 뛰어난 반면 압전 성능이 약하다는 단점이 있다.

ㅇ 강유전성 유기 고분자 나노섬유인 P(VDF-TrFE) Nanofibers의 경우 이보다 압전 성능은 우수하지만 여전히 출력량이 낮아 압전소자 실용화에는 어려움이 따랐다. 

□ 생기원 기능성소재부품연구그룹의 김강민 박사 연구팀은 탄소나노튜브 표면에 강유전체인 주석아연산화물(ZnSnO3)을 반구형의 모양으로 성장시켜 강유전성 유기 고분자 나노섬유의 압전 성능을 향상시키는 데 성공했다.

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

  * 페로브스카이트 : 육방면체의 특별한 결정 구조를 갖는 반도체 물질

  ** 펄스레이저 공정 : 레이저로 탄소소재 표면을 파괴한 후 다양한 이종소재와의 결합   을 유도하는 물리적 기법으로, 유해 화학물질을 사용하지 않아 친환경적인 공정

□ 개발된 탄소기반의 소재는 인체에 해가 없고 친환경적인 공법으로 제조돼 환경에도 무해하다.

ㅇ 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 없고, 환경에도 유해하다는 지적을 받아 왔다.

□ 또한 개발된 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 보였다.

ㅇ 이러한 특성 때문에 미세한 움직임을 감지할 수 있는 고민감도 압전소자  실용화 가능성을 높인 것으로 평가받고 있으며, 유연 소재이므로 굴곡이 많은 인체에도 다양하게 적용할 수 있다.

ㅇ 특히 심박 수를 잡아내는 기능이 뛰어나 그동안 맥박 반응이 미약해 감지가 어려웠던 후경골동맥의 맥박 관찰에도 성공했다. 

□ 김강민 박사는 “압전소자의 출력성능을 향상시킨 신소재로, 포스트 코로나 시대의 비대면 의료 서비스 분야에 활용도가 클 것”이라고 말하며 “친환경적인 PLA 공정을 이용하기 때문에 신재생에너지 분야에도 널리 적용할 수 있는 신소재”라고 밝혔다.

ㅇ 한편 한국연구재단이 지원하는 개인 기초 연구사업을 통해 수행된 이번 연구 성과는 지난 5월 에너지 분야 권위지 ‘Nano Energy (IF:17.881)’온라인 판에 게재된 데 이어 오는 8월 정식 출판될 예정이다.

ㅇ 생기원에서는 김강민 박사가 교신저자로, 강석현 박사가 제1저자로 참여하고, 김상훈 박사, 한혁수 교수(건국대학교), 박석희 교수 (부산대학교)가 공동 연구를 맡았다.