재료연, 납 없는 친환경 압전 소재 개발

안철우 재료연구소 연구원
안철우 재료연구소 연구원

재료연구소가 납을 쓰지 않고 스스로 성장하는 압전 단결정 소재 개발에 성공했다. 환경오염을 줄일 수 있는 또 하나의 신기술로 평가된다.

안철우 재료연구소 분말세라믹연구본부 연구팀(이하 안 연구팀)은 환경오염 물질인 납을 사용하지 않고 압전 단결정을 쉽게 만들 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다고 25일 밝혔다.

압전성은 물체에 변형을 가할 때 전기가 발생하고 반대로 전기를 가하면 물체에 변형이 일어나는 성질을 말한다. 압전성을 띤 소자는 대부분의 전자제품에 필수 부품으로, 특히 진동 센서나 초음파 센서 등 무인 기술, 의료 기술 분야에 많이 활용되고 있다.

하지만 압전 소재는 환경오염 물질인 ‘납’을 함유하고 있다는 것이 단점이다. 아직까지 대체 소재로 납 만큼 필요한 특성을 갖춘 재료를 개발하지 못했다.

안 연구팀은 납을 사용하지 않고도 기존 대비 월등히 높은 전압이 발생하는 친환경 압전 단결정 제조기술을 개발했다.

일반 압전재료와 재료연구소 개발 압전재료 비교
일반 압전재료와 재료연구소 개발 압전재료 비교

기존 압전 소재는 씨앗 물질(결정 성장의 시작점이 되는 핵)을 사용해 고온(약 1050~1125℃)에서 100~300시간 열처리 공정으로 단결정을 제조했다. 결정 크기는 0.02~0.1mm 정도다.

안 연구팀은 씨앗 물질을 사용하지 않아 열처리 시간을 2~10시간으로 단축했다.

특별한 공정 없이 소재의 디자인만으로 열처리 공정에서 휘발돼 부족해지는 구성 원소를 스스로 채우도록 만든 것이다. 이렇게 만든 단결정 크기는 20mm 이상으로 기존 납 기반 재료의 단결정보다 우수한 특성을 나타냈다.

재료연구소 압전재료 연구개발 모습.
재료연구소 압전재료 연구개발 모습.

안철우 연구원은 “이 기술을 상용화하면 납을 포함한 압전 재료를 대체할 수 있어 환경오염을 줄이는 데 크게 기여할 수 있다”고 말했다.

이번 연구 성과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트에 게재될 예정이다.

창원=임동식기자 dslim@etnews.com