고온환경 작동형 플렉시블 압전소자 모습(왼쪽)과 (K,Na)NbO3계 압전 분말과 폴리이미드 고분자 복합체 단면. (원자력연 제공) © 뉴스1

국내 연구진이 고온을 견디는 친환경 소재의 ‘에너지 하베스팅’ 소자를 개발했다.

14일 한국원자력연구원에 따르면 스마트기기진단연구부 이경자 박사, 경북대 신소재공학과 박귀일 교수 공동연구팀은 친환경 소재 기반 ‘고온 환경 작동형 플렉시블 압전소자’ 개발에 성공했다.

지금까지 압전소자 대부분은 ‘납 티탄산 지르코늄(PZT)’ 소재로 만들어졌으나 인체 및 환경에 유해해 세계적으로 사용이 금지되는 추세다.

원자력연은 친환경 압전물질인 ‘칼륨 소듐 니오베이트(KNN)’에 미세도핑 방식으로 비스무트(Bi)계 화합물을 첨가해 분말 형태의 압전소재를 만들었다.

KNN은 PZT를 대체할 친환경 소재로 각광받고 있지만 상온에서 온도가 높아질수록 압전성능이 급격히 저하된다는 문제가 있었다.

이에 연구팀은 Bi계 화합물 도핑 양을 미세하게 조절해 고온에서 구부렸을 때도 많은 양의 전기가 발생하는 최적의 상태를 찾았다. 압전전압상수값을 극대화한 신물질을 개발한 것이다.

이어 경북대 연구팀은 원자력연이 개발한 KNN계 압전분말을 열적 안정성이 뛰어난 폴리이미드 고분자와 결합해 ‘고온 환경 작동형 플렉시블 압전소자’를 제작했다.

특히 300도의 고온에서도 구부러진 상태로 전기를 생산하는 것은 세계 최초로 확인했다.

연구진은 이번에 개발한 신소재를 정확하게 평가하고자 열을 실시간으로 확인하고 굽힘 변형도 고려하는 ‘발전 성능 평가 시스템’도 구축했다.

원자력연은 300도 이상의 고온에서도 안정적으로 작동하는 센서 개발을 목표로 연구를 이어갈 계획이다.

원자력연 관계자는 “이번에 개발한 KNN계 압전물질은 높은 온도에도 압전성을 발휘하는 친환경 물질”이라며 “웨어러블 기기 등 신체에 부착할 수 있는 스마트 센서 개발에 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.  

한편 이번 연구 결과는 복합 재료과학 저명 학술지인 ‘컴포지트 파트 비’에 최근 게재됐다.