 |
강유전 세라믹 복합 박막의 제조와 에너지 저장 특성 향상 개념도(AI 생성 이미지). |
[대학저널 온종림 기자] 영남대학교 신소재공학부 류정호 교수 연구팀이 나노미터(nm) 크기의 미세 구조를 이용해 기존 특정한 조성의 강유전체에서 나타나는 우수한 특성을 인공적으로 구현하는 데 성공했다. 이어 이러한 설계 원리를 적용해 실제 에너지 저장 성능까지 크게 향상시킨 박막 소재를 개발했다.
많은 전자부품들은 전기적인 자극에 전기적 분극이 변화하는 강유전체 세라믹으로 이루어져 있다. 강유전체는 전기를 가했을 때 물질 내부의 전기적 방향, 즉 분극(Polarization)이 바뀌고, 전기를 제거한 뒤에도 그 흔적이 일부 남는 특성을 갖는다. 이러한 특성 때문에 강유전체는 축전기(Capacitor), 센서(Sensor), 초음파 변환기(Transducer), 정밀 구동기(Actuator), 에너지 하베스터(Energy Harvester) 같은 다양한 전자·전기 소자에 널리 쓰인다.
연구팀은 국제 저명 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’(영향력지수(IF) 19.9, 재료과학 분야 상위 4%)에 두 편의 연구논문을 잇달아 발표하며 강유전체 소재의 새로운 설계 가능성을 제시해 학계로부터 큰 주목을 받았다.
지난 4월 게재된 첫 번째 논문에서, 연구팀은 서로 다른 강유전체와 반강유전체 (Anti-ferroelectric) 물질을 상온에서 나노 크기로 촘촘히 섞어, 기존 강유전체 소재에서 성능 향상의 핵심으로 여겨져 온 ‘상변형 경계(MPB, Morphotropic Phase Boundary)’와 유사한 효과를 인공적으로 구현하는 데 성공했다. 연구팀은 이를 ‘인공 상변형 경계(aMPB, artificial Morphotropic Phase Boundary)’라고 설명했다.
연구팀은 후속 연구를 통해 이 설계 원리를 실제 에너지 저장 소재 개발로 발전시켰다. 두 번째 논문은 지난 6월 같은 학술지에 게재됐으며, 두 편의 논문 모두 송현석 박사(영남대학교 대학원 신소재공학과 졸업)가 제1저자로 참여했다.
연구팀은 바륨 타이타네이트(BaTiO₃), 납 지르코네이트(PbZrO₃), 납 타이타네이트(PbTiO₃)를 이용한 다상 나노 클러스터 박막을 제작했다. 이 박막은 절연파괴강도에서 5.8메가볼트(MV)/cm, 회수 가능한 에너지 저장 밀도에서 68.6J/cm³ 를 기록했다. 이는 비교 대상인 단일상 박막보다 각각 약 3배 가량 향상된 수치다. 내구성과 열 안정성도 확인됐다.
류정호 교수는 “이번 연구는 강유전체의 우수한 성능을 인공적인 나노 구조로 구현할 수 있음을 보여준 동시에, 이를 고성능 에너지 저장 소자로 연결했다는 점에서 의미가 크다. 향후 고출력 축전기, 전력전자 부품, 센서, 구동기, 에너지 하베스팅 소자 등에 응용될 것으로 기대된다”고 강조했다.
이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 나노·미래소재원천기술개발사업 지원으로 수행됐다. 영남대학교 류정호 교수 연구실과 인하대학교 정대용 교수 연구실의 주도로, 미국 펜실베이니아 주립대, 미국 미시간 기술대, 중국 북경과기대 연구팀 등이 국제 공동연구로 참여했다.
[ⓒ 대학저널. 무단전재-재배포 금지]
