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<고효율 압전소재의 전기에너지 생산 및 심박감지 모식도>

한국생산기술연구원이 출력이 높으면서 미세한 움직임까지 고민감도 감지하는 유연 압전소자를 개발했다.

생기원은 김강민 기능성소재부품연구그룹 연구원팀이 탄소나노튜브 표면에 강유전체인 주석아연산화물을 반구형으로 성장시키는 방법으로 강유전성 유기 고분자 나노섬유 압전 성능을 향상시키는 데 성공했다고 23일 밝혔다.

압전소자는 재료에 힘을 가하면 전기 신호가 발생하는 압전효과로 전기를 생성, 수확하는 장치다. 별도 충전 없이 지속 작동해 최근 웨어러블 기기 센서 자가발전 소자로 각광받는다.

출력성능이 높으면서 외부 충격이나 진동에 강한 소재가 선호된다. 그 중 강유전성 유기 고분자 소재인 P(VDF-TrFE)는 가공이 쉽고 인체 친화적이며 내구성이 뛰어나다. 문제는 약한 압전 성능이다.

강유전성 유기 고분자 나노섬유인 P(VDF-TrFE) 나노파이버의 경우, 압전 성능은 보다 우수하지만 여전히 출력량이 낮아 압전소자 실용화에 어려움이 따랐다.

연구팀은 펄스레이저 공정(PLA)으로 탄소나노튜브 표면에 주석아연산화물을 합성, 새로운 소재를 생성했다.

개발 소재는 친환경 공법으로 제조했고, 인체에 해가 없다. 그동안 압전소자 출력 성능을 높이기 위해 사용돼 온 납 티탄산 지르코늄(PZT)의 경우 납이 포함돼 인체 접촉 제품에는 사용할 수 없었다. 환경에도 유해하다는 지적을 받아 왔다.

개발 신소재를 강유전성 유기 고분자 나노섬유와 혼합해 압전소자를 제작했을 때 출력성능은 97.5볼트(V), 전압값 1.16밀리암페어(μA)로 납 티탄산 지르코늄을 사용한 압전소자(65V, 1.6μA) 보다 출력성능이 높다.

덕분에 미세한 움직임을 감지할 수 있는 고민감도 압전소자 실용화 가능성을 높인 것으로 평가받는다. 유연 소재이므로 굴곡이 많은 인체에도 적용할 수 있다. 특히 심박 수 감지 기능이 뛰어나 그동안 파악이 어려웠던 후경골동맥 맥박 관찰에도 성공했다.

김 연구원은 “압전소자 출력성능을 향상시킨 신소재로 포스트 코로나 시대 비대면 의료 서비스 분야에 활용도가 클 것”이라며 “친환경적인 PLA 공정을 이용해 신재생에너지 분야에도 널리 적용할 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 지난 5월 에너지 분야 권위지 'Nano Energy (IF:17.881)'온라인 판에 게재된 데 이어 오는 8월 정식 출판될 예정이다.

생기원에서는 김강민 연구원이 교신저자로, 강석현 연구원이 제1저자로 참여했고 김상훈 연구원, 한혁수 건국대 교수, 박석희 부산대 교수가 공동 연구를 맡았다.

김영준기자 kyj85@etnews.com