최근 ‘이차원 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)가 고성능 전기절연 방열소재 개발에 사용되기 시작하면서 주목 받고 있는 가운데 국내 연구진이 h-BN 활용에 진전을 가져올 연구성과를 발표해 화제가 되고 있다. 

한국원자력연구원(원장 박원석) 이경자 박사와 경북대학교 박귀일 교수의 공동연구팀은 이차원 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)의 ‘압전상수’를 최초로 측정하는데 성공하고, 이를 응용해 스마트 센서 개발 등에 활용될 수 있는 ‘플렉시블 압전소자’를 개발했다고 6일 밝혔다.

어떤 물질에 힘을 가했을 때 전기가 발생하는 특징을 ‘압전성’이라 하는데 힘을 가할 때 발생하는 전하의 양을 나타낸 값을 ‘압전상수’라 한다. 또 ‘플렉시블 압전소자’는 압전성을 나타내는 물질에 압력이나 구부러짐 등과 같은 기계적 힘이 가해질 때 전기가 발생하는 현상을 이용하는 에너지 생성 소자다.

해당 연구결과는 복합 자연과학 분야에서 전 세계적으로 저명한 학술지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces’ 최신호에 게재되며 학계에서 주목을 받고 있다.

공동연구팀은 실험을 위해 수~수십 나노미터 두께의 얇은 h-BN을 분말형태의 나노플레이크로 제작했다. 이후 플라스틱판에 h-BN 분말을 올려놓고 플라스틱판을 구부렸을 때 나오는 전압 신호를 측정해 ‘압전상수’를 계산해냈다. 압전상수를 실험적으로 측정 및 보고한 것은 이번이 최초로 측정값을 활용해 h-BN을 자유자재로 활용할 뿐만 아니라 다양한 신소재를 개발할 수 있는 길이 열렸다.

붕소(B)와 질소(N)가 육각형 벌집 모양으로 결합한 질화붕소는 중심대칭이 깨져있어 이로 인해 압전성을 갖는다. h-BN은 압전성을 비롯해 우수한 전기절연성, 화학적 안정성, 방열성 및 방사선 차폐능을 가지고 있어 고온 및 방사능을 버텨야 하는 원전 및 우주항공 소재에 널리 사용될 수 있다.

h-BN이 압전성을 가진다는 사실은 그동안 이론적으로만 알려져 있었다. 하지만 공동연구진은 실험을 통해 h-BN의 압전성을 규명하고 압전상수를 측정하는데 성공하면서 h-BN 연구에 상당한 진전을 이뤄냈다.

연구진은 실험결과로 도출한 압전상수를 활용해 h-BN 나노플레이크와 폴리머를 복합화한 ‘플렉시블 압전소자’도 제작해냈다. ‘플렉시블 압전소자’는 미세한 힘만으로 전기를 생산할 수 있어 충전 없이 플렉시블 또는 웨어러블 전자기기를 언제 어디서나 사용 가능할 수 있게 하는 차세대 에너지 소자로 각광받고 있다. 또한 사람 몸에서 발생하는 생체 역학적 힘(심장박동, 혈액흐름, 근육 수축·이완)을 통해 신체에 부착하는 스마트 센서의 영구 에너지원으로도 사용이 가능할 것으로도 예측된다.

한국원자력연구원 원자력안전연구소 박진호 소장은 “h-BN은 압전성을 비롯해 우수한 방열성 및 방사선 차폐능 등의 성질로 인해 응용 가능성이 무궁무진하다”며 “앞으로도 연구원은 h-BN을 고온 방사선 극한환경용 스마트 센서 및 무선센서 네트워크 구현을 위한 에너지 하베스팅 기술 개발 등에 활용키 위한 연구를 지속해나갈 계획”이라고 밝혔다.