‘플렉시블 압전소자’는 압력이나 구부러짐 같은 미세한 힘으로 전기를 생산한다. 버려지는 자연적인 에너지를 수집해 전원이 공급되지 않는 순간도 대비한다. 이에 스마트 센서의 영구 에너지원으로 떠오른 가운데 국내에서 고온을 견디는 친환경 소재의 ‘에너지 하베스팅(harvesting)’ 소자가 탄생했다.

한국원자력연구원(원장 박원석/이하 원자력연구원)은 경북대학교(총장 홍원화) 공동연구팀과 함께 친환경 소재 기반의 ‘고온 환경 작동형 플렉시블 압전소자’를 개발했다고 7월 14일 밝혔다. 연구원은 2021년부터 기관 주요사업을, 2022년부터 과학기술정보통신부 원자력연구개발사업의 지원을 받아 이번 연구를 진행했다.

공동연구팀은 원자력연구원 스마트기기진단연구부 이경자 박사, 이민구 박사와 경북대학교 신소재공학과 박귀일 교수, 현동열 학생으로 구성됐으며, 연구결과는 복합 재료과학 및 세라믹 재료과학 분야에서 세계적으로 저명한 학술지인 ‘컴포지트 파트 비(Composites Part B)’ 4월호와 ‘유럽세라믹학회지(Journal of the European Ceramic Society)’ 5월호에 게재돼 학계에서 주목을 받고 있다. 

지금까지 압전소자 대부분은 ‘납 티탄산 지르코늄(Pb[Zr,Ti]O3, 이하 PZT)’ 소재로 만들어졌지만 인체 및 환경에 유해해 세계적으로 사용이 금지되는 추세다. 이에 원자력연구원은 친환경 압전물질인 ‘칼륨 소듐 니오베이트([K,Na]NbO3, 이하 KNN)’에 미세도핑 방식으로 비스무트(Bi)계 화합물을 첨가해 분말 형태의 압전소재를 만들었다. 

KNN은 PZT를 대체할 친환경 소재로 각광받고 있지만 상온에서 온도가 높아질수록 압전성능이 급격히 저하된다는 문제가 있었다. 이에 원자력연구원은 Bi계 화합물 도핑 양을 미세하게 조절해 고온에서 구부렸을 때도 많은 양의 전기가 발생하는 최적의 상태를 찾았다. 압전전압상수 값을 극대화한 신물질을 개발한 것이다.

이어 경북대학교는 연구원에서 자체 개발한 KNN계 압전분말을 열적 안정성이 뛰어난 폴리이미드(polyimide) 고분자와 결합해 ‘고온 환경 작동형 플렉시블 압전소자’를 제작했다. 특히 300℃ 고온에서도 구부러진 상태로 전기를 생산하는 것은 세계 최초로 확인했다.

연구진은 이번에 개발한 신소재를 정확하게 평가코자 열을 실시간으로 확인하고 굽힘 변형도 고려하는 ‘발전 성능 평가 시스템’을 구축했다.

원자력연구원은 300℃ 고온에서도 안정적으로 작동하는 센서 개발을 목표로 신소재 연구를 이어갈 계획이다. 

원자력연구원 스마트기기진단연구부 최영철 부장은 “이번에 개발한 KNN계 압전물질은 높은 온도에도 압전성을 발휘하는 친환경 물질”이라며 “웨어러블 기기 등 신체에 부착할 수 있는 스마트 센서 개발에 활용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

박원석 원자력연구원장은 “원자력연구원의 압전소자 개발 경험을 살려 고온 및 방사선을 버티는 원전용 스마트 센서도 개발해나가겠다”고 밝혔다.