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미약한 맥박까지 감지하는 고출력 고민감도 유연 압전소자 개발 2022-06-23
오상미 기자 osm@mtnews.net


▲ 한국생산기술연구원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사 연구팀이 강유전성 유기 고분자 나노섬유의 압전 성능을 향상시키는 데 성공했다. (왼쪽부터) 김강민 박사, 강석현 박사, 김상훈 박사



[기계신문] 한국생산기술연구원이 높은 출력성능을 보이며 미세한 움직임까지 감지하는 고민감도 유연 압전소자를 개발했다.


압전소자(Piezoelectric Device)는 압전효과를 활용한 디바이스로, 재료에 기계적 힘을 가하면 전기적 신호가 발생하는 압전효과를 이용해 전기를 생성하고 수확하는 장치이다.


소형 정밀기계에서부터 군사, 의료, 우주·항공, 재생에너지 분야의 각종 센서에 사용되며, 특히 별도의 충전 없이도 지속적인 작동이 가능해 최근 웨어러블 기기의 센서 및 자가발전 소자로 각광받고 있다.


압전소자에는 압전효과를 지닌 압전 재료가 사용되는데, 출력성능이 높으면서 외부 충격이나 진동에 강한 소재가 선호된다. 그 중 강유전성 유기 고분자 소재인 P(VDF-TrFE)는 가공이 쉽고 인체 친화적이며 내구성이 뛰어난 반면 압전 성능이 약하다는 단점이 있다.


강유전성 유기 고분자 나노섬유인 P(VDF-TrFE) Nanofibers의 경우, 이보다 압전 성능은 우수하지만 여전히 출력량이 낮아 압전소자 실용화에는 어려움이 따랐다.


한국생산기술연구원 기능성소재부품연구그룹 김강민 박사 연구팀은 탄소나노튜브 표면에 강유전체인 주석아연산화물(ZnSnO)을 반구형의 모양으로 성장시켜 강유전성 유기 고분자 나노섬유의 압전 성능을 향상시키는 데 성공했다.


주석아연산화물은 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질 중 하나로, 연구팀은 펄스레이저 공정(PLA, Pulsed Laser Ablation)을 통해 탄소나노튜브 표면에 주석아연산화물을 합성하는 방식으로 새로운 소재를 생성해 냈다.


이때, 페로브스카이트는 육방면체의 특별한 결정 구조를 갖는 반도체 물질을 말하고, 펄스레이저 공정은 레이저로 탄소소재 표면을 파괴한 후 다양한 이종소재와의 결합을 유도하는 물리적 기법으로, 유해 화학물질을 사용하지 않아 친환경적인 공정이다.



▲ 2022년 5월 ‘Nano Energy’에 게재된 고효율 압전소재의 전기에너지 생산 및 심박감지 모식도



개발된 탄소기반의 소재는 인체에 해가 없고 친환경적인 공법으로 제조돼 환경에도 무해하다. 그동안 압전소자의 출력성능을 높이기 위해 사용돼 온 납 티탄산 지르코늄(PZT)의 경우 압전 특성은 우수한 반면 납이 포함된 소재여서 인체와 접촉해야 하는 제품에는 사용할 수 없고, 환경에도 유해하다는 지적을 받아 왔다.


또한 개발된 신소재를 강유전성 유기 고분자 나노섬유와 혼합해 압전소자를 제작했을 때, 출력성능이 전류값 97.5 V, 전압값 1.16 μA로 나타나 납 티탄산 지르코늄을 사용한 압전소자(65 V, 1.6 μA)보다 높은 출력성능을 보였다.


이러한 특성 때문에 미세한 움직임을 감지할 수 있는 고민감도 압전소자 실용화 가능성을 높인 것으로 평가받고 있으며, 유연 소재이므로 굴곡이 많은 인체에도 다양하게 적용할 수 있다. 특히 심박 수를 잡아내는 기능이 뛰어나 그동안 맥박 반응이 미약해 감지가 어려웠던 후경골동맥의 맥박 관찰에도 성공했다.


김강민 박사는 “압전소자의 출력성능을 향상시킨 신소재로, 포스트 코로나 시대의 비대면 의료 서비스 분야에 활용도가 클 것”이라며 “친환경적인 PLA 공정을 이용하기 때문에 신재생에너지 분야에도 널리 적용할 수 있는 신소재”라고 강조했다.


한편, 한국연구재단이 지원하는 개인 기초 연구사업을 통해 수행된 이번 연구 성과는 지난 5월 에너지 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’ 온라인판에 게재된 데 이어 오는 8월 정식 출판될 예정이다.


한국생산기술연구원에서는 김강민 박사가 교신저자로, 강석현 박사가 제1저자로 참여하고, 김상훈 박사, 한혁수 교수(건국대학교), 박석희 교수(부산대학교)가 공동 연구를 맡았다.


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오상미 기자 osm@mtnews.net

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