다층박막 압전 나노발전기 나온다

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다층박막 압전 나노발전기 나온다

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최종수정 2014.09.18 12:00 기사입력 2014.09.18 12:00

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국내 연구팀, 다양한 에너지 소자 응용 가능

▲층상 조립된 다층박막 기반의 압전 나노발전기 소자의 제작과 LED 소자 구동.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자]다층박막 기반의 압전 나노발전기 소자가 개발될 것으로 전망된다. 국내 연구팀이 직경 약 10nm의 바륨 티타네이트 나노입자와 고분자 재료를 반복적으로 쌓아올린 수십에서 수백 nm 두께의 다층박막 필름을 제작해 이를 압전 나노발전기에 구현했다.

바륨 티타네이트 나노입자와 고분자로 구성된 다층박막 필름을 만들고 이를 전기에너지를 생성하는 압전 나노발전기로 구현하는데 성공한 것이다. 바륨 티타네이트(BaTiO3)는 전기장에 의해 자발적 분극 스위칭이 가능한 강유전 특성을 갖는 재료로 강유전성 메모리와 에너지 하베스팅 압전소자 등에 적용될 수 있다.

압전 나노발전기란 외부 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환시킬 수 있어 화석연료 고갈 등의 문제를 해결할 수 있는 에너지 하베스팅 소자를 말한다.

압력이나 전기장에 의해 전기분극의 방향을 바꿀 수 있는 바륨 티타네이트 나노입자는 압전소자나 비휘발성 메모리 등의 다양한 전기 소자에 응용될 수 있었는데 이를 위해서는 나노미터 스케일에서의 특성변화를 완전히 이해하는 것이 관건이었다.

연구팀은 직경 약 10 nm의 바륨 티타네이트 나노입자와 고분자 재료를 반복적으로 쌓아올린 수십에서 수백 nm 두께의 다층박막 필름을 제작하여 이를 압전 나노발전기에 구현했다.

무극성 용매에서 박막을 조립함으로써 기존처럼 극성용매인 물에서 조립할 때 나타날 수 있는 입자의 흡착량 감소나 누설전류 발생 문제를 완화할 수 있을 것으로 기대된다. 고분자 대신 탄소나노튜브를 이용한다면 리튬이온전지 등 다양한 에너지 저장소자에도 응용될 수 있을 전망이다.

실제 일정하게 누르는 힘을 반복적으로 가해줌으로써 커패시터의 도움 없이 LED 소자를 구동할 수 있는 수준(1.8 V의 출력전압과 700nA의 출력전류)의 전기발생을 확인했다.

이번 연구는고려대 화공생명공학과 조진한 교수, 김영훈 박사(제1저자), 성균관대 신소재공학부 김상우 교수, 이근영 박사 연구팀이 공동으로 수행했다. 국제학술지 어드밴스드 펑셔널 머티리얼스지(Advanced Functional Mateirals) 온라인판 8월18일자(논문명 : Layer-by-Layer Controlled Perovskite Nanocomposite Thin Films for Piezoelectric Nanogenerators)에 실렸다.

조 교수는 "박막의 두께나 사용된 나노입자의 크기, 고분자의 종류를 달리함에 따라 이러한 압전 성능을 조절할 수 있어 다양한 에너지 소자로의 응용 가능성이 더욱 넓어질 것으로 기대된다"고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr