원자력硏, ‘친환경’ 비납계 압전 복합소재 개발

한국원자력연구원(이하 원자력연)은 기기안전진단연구부 박규현 선임연구원과 이민구 책임연구원 연구팀이 친환경 비납계 압전 소재 기술 개발에 성공했다고 28일 밝혔다.

(왼쪽부터) 기기안전진단연구부 이민구 책임연구원, 박규현 선임연구원. 한국원자력연구원 제공

압전 소재는 압력이 가해질 때 전기를 발생시키는 물질로, 센서와 반도체 등 산업계에서 다양하게 활용된다.

그간 압전 소재는 ‘납 티탄산 지르코늄’이 주로 쓰였다. 하지만 납은 인체와 환경에 유해해 세계적으로 사용이 금지되는 추세를 보여, 납을 대신할 친환경 비납계 압전 소재 연구가 활발하게 진행된다. 이 과정에서 온도 불안정 문제는 연구자에게 극복해야 할 과제였다.

원자력연 연구팀이 개발한 비납계 압전 소재 기술은 이러한 문제를 해결했다는 점에서 의미를 갖는다.

연구팀은 기존 비납계 압전 세라믹 소재가 온도에 따라 압전 성능이 감소 또는 증가하는 불안정성을 해결하는 데 같은 현상을 역이용했다. 온도에 따라 상반된 압전 성능 변화를 보이는 두 소재를 번갈아 쌓은 적층형 압전 복합소재로 문제를 해결한 것이다.

우선 연구팀은 온도가 높아질수록 압전 성능이 감소하는 ‘칼륨 소듐 니오베이트((K,Na)NbO3·이하 KNN)’계 물질과 압전 성능이 높아지는 ‘비스무트페라이트(BiFeO3·이하 BF)’계 물질을 층으로 쌓아 복합소재를 만들었다.

원자력연 연구팀의 ‘적층형 압전 복합소재’ 개발 원리 개념도. 한국원자력연구원 제공

이 복합소재는 복합비율에 따라 온도 안정성의 차이를 보인다. 하지만 연구팀은 숱한 실험 끝에 KNN계 물질의 최적 비율이 43%인 것을 밝혀냈고, 이 비율을 유지했을 때 300℃까지 압전 성능 변화 비율이 최대 4.7%로 유지되는 것을 확인했다.

이는 기존 비납계 압전 세라믹 소재의 온도 안정성(최대 100~150℃ 기준, 압전 성능 변화율 10% 이내)보다 2배 이상 향상된 성능으로, 세계 최고 수준이라고 원자력연은 강조했다.

연구팀이 개발한 기술은 압전 성능도 높였다. 기존에 300℃의 고온에서 사용하던 압전 물질 대부분은 비스무스 층상구조(Bi-layered structure)로, 압전 성능을 의미하는 압전상수는 20 이하에 불과했다.

반면 연구팀은 KNN과 BF를 활용한 페로브스카이트 구조(perovskite structure)로 압전 상수를 150 이상으로 높이는 데 성공, 고온에서도 우수한 압전 성능을 확보하는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 압전 소재는 우수한 온도 안정성과 압전 성능을 갖춰 향후 원자력발전 등 고온 환경에서 사용하는 고감도 센서는 물론 다양한 친환경 압전 부품 및 소자로 활용될 가능성이 점쳐진다.

연구팀의 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지인 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)’ 9월호에 게재됐다.

특히 연구팀은 개발한 기술의 국내 특허등록을 마친 상태다. 현재는 미국과 유럽 등 해외에서 특허등록을 위한 심사를 받고 있다.

박태진 원자력연 기기안전진단연구부장은 “그간 원전 등 가혹 환경에서 사용하는 특수 센서는 대부분 해외 기술에 의존해 온 실정”이라며 “하지만 연구팀의 연구 결과물을 토대로 앞으로는 특수 센서 분야에 친환경 국산 기술이 우선 적용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr