경북대 박귀일 교수팀, 우주·원자로에서도 버티는 유연 압전 소자 구현

'입자 뭉침' 잡아 압전 소자 성능·내구성 동시 향상
국제학술지 'Advanced Functional Materials' 표지논문 선정

박귀일 경북대 금속재료공학과 교수. 경북대 제공

장학수 경북대 금속재료공학과 박사 과정생

경북대학교 연구팀이 나노입자의 '뭉침 현상'을 해결해 성능과 내구성을 동시에 높인 차세대 유연 압전 소자를 개발했다.

우주·원자로 같은 극한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 가능성을 확인하면서 차세대 자가구동 센서 및 에너지 하베스터(버려지는 에너지를 모아 전기로 바꾸는 것) 소재로 주목받고 있다.

경북대는 금속재료공학과 박귀일 교수팀이 충남대 진형민 교수팀, 한국원자력연구원 백창연 박사팀과의 공동연구를 통해 초고함량 나노입자를 고분자 내에 균일하게 분산시킨 유·무기 복합체 기반 압전 소자를 개발했다고 11일 밝혔다.

압전 소자는 진동이나 움직임 같은 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치다. 일반적으로 전기를 생성하는 세라믹 나노입자와 이를 지지하는 유연한 고분자를 혼합해 제작된다.

그동안 압전 성능을 높이기 위해 나노입자 함량을 늘리려는 연구가 이어졌지만, 입자끼리 서로 뭉치거나 고분자와 제대로 결합하지 못하는 '계면 비호환성' 문제가 한계로 지적돼 왔다. 이런 경우 소재가 쉽게 깨지거나 효율이 떨어지는 문제가 발생한다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 '실시간 아미드화(In-Situ Amidation)' 기술을 적용했다. 나노입자 표면에 폴리도파민(PDA)을 코팅한 뒤 polyamic acid(PAA) 전구체에 분산시키고, 열처리 과정에서 화학 결합이 동시에 형성되도록 설계한 것이다.

이 과정에서 아마이드 결합과 수소결합 등 다양한 상호작용이 복합적으로 작용하며 입자 응집과 계면 비호환성 문제를 효과적으로 억제했다. 연구팀은 이를 통해 나노입자를 최대 80wt%(중량 퍼센트)까지 균일하게 분산한 복합체 구현에 성공했다.

새롭게 개발된 압전 소자는 외부 압력을 전기에너지로 바꾸는 효율도 크게 향상됐다. 실험 결과 최대 5.1V 전압과 1.1μA(마이크로암페어) 전류를 안정적으로 출력했으며, 1만 회 이상의 반복 굽힘 테스트와 고선량 감마선 조사 환경에서도 성능 저하가 거의 없는 것으로 나타났다.

특히 고선량 방사선 환경에서도 안정성이 유지돼 우주·원자로 등 극한 환경에서 활용 가능한 유연 압전 에너지 하베스터와 자가구동형 센서 개발 가능성을 확인했다고 연구팀은 설명했다.

박귀일 경북대 교수는 "이번 연구는 실시간 아미드화 기술을 통해 압전 소재의 물리적 한계를 극복할 수 있는 원천 기술을 확보했다는 점에서 의미가 크다"며 "극한 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있어 향후 자가구동 센서 등 미래 산업 분야 핵심 소재로 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 재료 분야 국제학술지인 Advanced Functional Materials에 지난 4일 게재됐으며, 연구 우수성을 인정받아 표지 논문으로 선정됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 해외우수과학자유치사업 지원을 받아 수행됐다.