재료연, 납 쓰지 않고 스스로 성장하는 압전 단결정 소재 개발

환경오염을 줄일 수 있는 또 하나의 신기술이 추가될 전망이다.
재료연구소(소장 김해두) 연구팀이 환경오염 물질인 납을 사용하지 않고 압전 단결정을 쉽게 만들 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다.

압전성은 물체를 변형 시키면 전기가 발생하고, 전기를 가하면 물체가 변형되는 성질을 말한다.
압전성을 이용하는 소자는 모든 전자제품에서 필수 부품으로 사용되고 있으며 특히, 진동 센서, 초음파 센서 등 무인 기술, 의료 기술과 같은 첨단 산업에 활용된다.
하지만 압전 재료는 환경오염 물질인‘납’을 함유하고 있어 대체 재료가 필요했지만 납 기반 재료 만큼 높은 특성을 나타내는 재료가 지금껏 개발되지 않았다.

재료연구소 분말/세라믹연구본부 안철우 박사팀은 납을 사용하지 않고 기존 보다 월등히 높은 전압을 발생 시키는 친환경 압전 단결정 제조 기술 개발에 성공했다.
기존 친환경 압전 소재는 씨앗 물질(결정 성장의 시작점이 되는 핵)을 사용해 고온(약 1050~1125℃)에서 100~300시간 동안 열처리 하는 공정으로 단결정을 제조했으며 크기가 0.02~0.1mm 정도에 그쳤다.

▲ 재료연구소 분말/세라믹연구본부 안철우 박사팀은 납을 사용하지 않고 기존 보다

월등히 높은 전압을 발생 시키는 친환경 압전 단결정 제조 기술 개발에 성공했다.

사진은 안철우 박사가 성장한 단결정을 전기로(고온에서 재료를 열처리 하는 장치)에서 꺼내고 있는 모습.

안 박사팀은 씨앗 물질을 사용하지 않고 열처리 하는 시간을 2~10시간으로 단축시켰다.
또한 특별한 공정 없이 소재의 디자인만으로도 열처리 공정에서 휘발되어 부족해지는 구성원소를 스스로 보상하도록 해 20mm이상의 단결정 제조에 성공, 납 기반 재료의 단결정보다 우수한 센서용 특성을 보이는 것을 최종 확인했다.

최근 유럽연합(EU)에서 납 등 유해물질이 함유된 소재의 사용 제한지침(RoHS)을 발표해 친환경 소재 개발이 더욱 필요한 상황에서 안 박사팀 연구가 주목되고 있다.
안철우 박사는“본 기술이 상용화 되면, 환경오염 물질인 납을 포함하고 있는 압전 재료를 대체할 수 있어 환경오염을 줄이는 데 기여하게 될 것”이라고 말했다.
이 기술은 네이처(Nature)의 자매지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)에 게재 승인되어 출판 예정이다.

▲ 재료연구소 분말/세라믹연구본부

기능세라믹연구실 안철우 선임연구원

일반적으로 친환경 압전 소재는 입자의 크기가 약 0.01 mm로 매우 작아서, 입자들 사이의 경계 때문에 압전성이 낮아진다. 반면에, 이번 연구에서 성장시킨 단결정은 입자들의 경계가 없어서 높은 압전성을 보인다.
뿐만 아니라, 본 연구에서 사용된 친환경 소재는 납을 함유한 압전 재료보다 높은 전압을 발생시키는 장점이 있어서, 압전성을 사용하는 센서에 널리 사용될 수 있다.