여러분 안녕하세요! 저는 한국과학영재학교 19학번 (2학년) 추연서 기자입니다! 오늘 소개해드릴 내용은 바로 압전소자입니다. 압전소자라는 것이 무엇일까요? 흔히 많은 사람들이 압전소자라고 하면 지하철역 바닥에 있는 압전 발전기를 생각 할 것입니다. 사실 압전소자를 생각하면 많은 사람들이 새로운 형태의 에너지를 얻을 수 있는 발전 시스템이라고 생각합니다. 하지만 압전소자는 활용 분야가 무궁무진 합니다. 매우 정밀한 센서 부터 초음파 발생 장치 등 수 없이 많은 분야에서 활용되고 있습니다. 이런 압전소자는 아직도 많은 발전이 기대되는 신소재입니다. 이런 압전소자는 한국과학영재학교 R&E (Research and Education) 활동에서 그 성능을 향상 시키는 원료를 찾기 위해 제가 연구하고 있는 주제이기도 합니다. 따라서 오늘 여러분과 함께 압전소자의 이론, 발전 가능성을 소개하고 현제 한국과학영재학교에서 제가 진행하고 있는 연구와 연구실을 여러분에게 소개하고자 합니다!
압전소자의 발견과 활용
1880년 퀴리 부인의 남편으로 더 잘 알려진 피에르 퀴리와 그의 형 자크 퀴리는 현대 기술 발전에 큰 획을 그을 수 있는 발견을 하였습니다. 이는 바로 압전소자(piezoelectric element)의 발견입니다. 그들은 아래 그림과 같은 결정구조의 물질에다 외부 힘을 가하면 해당 물질이 분극화 된다는 것을 발견하였습니다.
이때 유의해서 살펴 보아야할 점은 바로 가장 가운데에 있는 초록색 원자입니다. 통상적으로 초록색 원자는 이온 형태입니다. 즉 전하를 띄고 있는 것이죠. 이런 결정구조를 보고 퍼보스카이트(Pervoskite)라고 합니다. 퍼보스카이트 자체 만으로도 많은 활용이 가능하여 수많은 연구의 대상이 되지만, 퍼보스카이트 구조에 힘을 가해 주거나 전류를 걸어주면 매우 흥미로운 현생이 발생합니다. 아래 그림을 살펴봅시다.
어떤 물질을 당기는 함을 인장력, 누르는 힘을 압축력이라고 할 때, 인장력(Tension)과 압축력(Compression)이 해당 물질에 가해지면 가해진 힘의 크기와 비례하는 크기의 전압(voltage)가 발생한다는 것을 확인 할 수 있습니다. 이런 현상을 자크 퀴리와 피에르 퀴리가 발견하여 압전소자의 시대의 시초를 알립니다. 1년 뒤 그들은 반대로 결정체가 전기장에 놓이면 물질에 탄성 변형(elastic strain)이 생긴다는 것을 발견하였습니다. 이러한 현상들을 각각 압전효과(piezoelectric effect), 역압전효과(inverse piezoelectric effect)라고 합니다. 추가적으로 압전효과의 piezoelectric은 그리스어 piezein에서 유래되었으며 “누르다, 압축 시키다”의 뜻을 갖습니다. 이런 결정을 형성하는 물질 중 철을 함유하는 물질이 있는데, 이는 강유전체로 따로 명명합니다. 이는 강자성 물질이 갖는 특징과 유사한 면이 있기 때문에 이처럼 명명되었지만, 이번에 다룰 주제와는 거리가 있어 자세한 내용은 또 다른 기회에 설명하도록 하겠습니다.
비납계 압전소자의 필요성
압전물질도 여러 종류가 있는데, 그 중 고성능 압전 세라믹스(piezoceramics)가 가장 많이 사용되며 중요한 소재입니다. 이때 세라믹들도 퍼보스카이트 결정 구조를 갖는 여러 화합물이 있는데, 이 중 여러 공업분야에서 가장 활발하게 활용되는 압전 세라믹스는 PZT라는 납을 포함한 납계 압전 소자입니다. 1950년 이후 PbZr1-xTixO3 (PZT)를 기본으로 하는 세라믹스들이 뛰어난 압전상수(piezoelectric constant, d33≒200-750 pC/N, 기사 후반부에 개념을 설명합니다.)를 보이며, 높은 큐리 온도(TC≒180-320℃)를 보였습니다. 이로써 납계 압전 세라믹스(PZT-based ceramics)는 다양한 산업 분야에서 뛰어난 활용 가능성을 보였으며 현재는 많은 기계에서 사용하게 되었습니다.
납계 세라믹스는 뛰어난 성능을 갖고 있음에도 불구하고 납을 ~60 wt %를 함유하고 있다는 비친환경적인 요소로 인해 문제시 되었습니다. 특히 PZT 세라믹스의 공정 과정에서 납이 공기 중으로 휘발될 수 있는 위험성은 물론이고, 사용하거나 폐기할 때 환경적으로 많은 문제를 갖고 있습니다. 또한 최근 들어 사회적 제도 또한 납계 물질들의 사용을 감소시키는 추세이기 때문에 납계 압전 세라믹스의 개선이 시급합니다. 대표적인 규제 예시로는 2003년에 유럽연합(EU)는 RoHS (Restriction of Hazardous Substance)를 통과 시켰고 일본에서는 “가전제품 재활용 법안”을 통과시켰습니다. 중국은 2006년 “Electronic Information Product Pollution Control Management Regulation”을 통과 시킨바가 있습니다. 여러 제품들이 납을 사용한다는 이유로 사용에 제제가 가해진 것에 비해 압전소자는 활용도가 높으며, 비납계 대체품이 존재하지 않아 예외 항목으로 분류되어 있습니다. 이 때문에 비납계 압전소자가 납계 압전소자와 같은 효율을 보이기만 한다면 비납계 압전소자 또한 사용 불가 항목에 추가시킬 수 있으며, 더욱 친환경적인 제품을 만들 수 있을 것입니다. 이 때문에 비납계 압전소자에 대한 연구가 시급한 상황입니다.
그런데 문득 압전소자가 좋고 나쁨을 어떤 기준으로 정하는지 궁금하지 않나요? 이렇게 압전체의 성능을 나타내는 지표가 되는 것은 바로 압전 상수입니다! 압전 상수도 여러 종류가 있는데 이중 2가지만 소개해보고자 합니다. 첫 번째로 소개하고자 하는 압전 상수는 “Charge Constant”입니다. 이는 세라믹 압전체의 단위면적당 가해진 응력에 따라 생성된 전기장의 세기를 뜻합니다. 앞서 소개한 자크 퀴리(Jacque Curie)와 피에르 퀴리(Pierre Curie)의 발견으로 이 역과정 또한 같은 값을 가져 온다는 사실을 알 수 있습니다. 따라서 이는 가해진 단위 전기장당 발생한 변형룰을 뜻하기도 합니다. 해당 상수는 dxy로 표기하는데, 이때 x는 유도된 값의 방향이고 y는 가해진 값의 방향이다. 방향의 숫자, x, y는 다음 그림과 같은 형태를 따르는 것입니다.
예를 들어 보면 d33는 3번방향으로 응력이 가해지고 이로 인해 3번 방향으로 유도 분극이 나타난다는 것이죠! 반대로 3번 방향으로 가해진 전기장으로 인해 3번 방향으로 변형이 발생함을 뜻합니다. 두 번째로 소개할 상수는 “Voltage Constant”입니다. 이는 가해진 응력당 발생한 전기장이나, 역과정인 전기장 변위당 발생한 변형의 정도를 나타내는 상수입니다. 이는 gxy로 표기하며, 다음과 같은 관계를 만족합니다.
(g 는 voltage constant, d는 charge constant, eT는 세라믹스의 유전율)
이처럼 압전 상수는 해당 압전 소자가 압전성을 얼마큼 띄는지 나타내는 지표중 하나입니다. 따라서 해당 상수 값을 측정하는 방법을 알아내는 것은 매우 중요한데, 이때 사용할 수 있는 기기를 보고 우리는 d33 meter라고 합니다. 해당 기기는 넓은 범위의 d33 값을 측정할 수 있으며, 높은 해상도를 자랑하죠. 또 이는 측정하는 방식이 매우 간단하고 측정 시간 또한 짧아 유용합니다. 측정가능한 Ceramic도 디스크, 블록, 반지형, 튜브형과 구 모양 모두 가능하여 광범위하게 적용이 됩니다. 기기는 조금 뒤에 연구실을 탐험할 때 살펴보도록 하겠습니다! 이제 d33 정의를 아니 PZT의 d33 값을 살펴보겠습니다. 현재 연구가 진행되며, 상업화된 PZT의 d33 값은 약 200~800pC/N으로 나타나며, 고성능 PZT는 1000pC/N보다도 큰 값을 가지기도 합니다.
그러나 다행히도 이런 비친환경적인 납계 압전소자를 대체할 수 있는 물질이 있습니다! 비납계 압전소자로 떠오르는 별, 바로 KNN입니다! 비납계 압전 세라믹스의 여러 후보 물질중 (K, Na)NbO3 (KNN)이 지난 10년 동안 가장 유망하여 많은 연구가 진행된 물질입니다. 이는 d33 값이 크고 큐리 온도 또한 높은 것으로 확인되었습니다. 예를 들자면 Satio가 진행한 연구 결과에 따르면 d33가 416pC/N이 나타나는 한편, Guo가 연구한 결과에 따르면 KNN에 LiNbO3나 LiTaO3를 도핑하여 만든 것은 d33 가 200에서 235pC/N정도로 나왔습니다.
KAIST 부설 한국과학영재학교(KSA) 연구실 탐험
이제 여러분이 이론적인 배경을 알 것이라고 믿고 한국과학영재학교에서 실제로 비납계 압전소자 KNN 연구를 진행하는 연구실을 소개하겠습니다. 해당 실험실은 응집 물질 물리 실험실로 신소재 연구를 하는 실험실입니다!
앞서 압전소자의 d33 값이 압전 효과를 나타내는 중요한 상수라고 강조한 것이 기억나나요? 이 d33 값을 측정할 수 있는 기기를 보고 d33 meter이라고 하는데, 저희 연구실에는 이런 d33 meter의 변형시켜 여러 다른 값들도 볼 수 있게 바꾼 실험 기기가 있습니다.
사진을 보면 PZT의 d33 값을 측정하는 모습인데, 그 값이 306pC/N인 것을 확인할 수 있네요!
이번에 소개 하고자 하는 기기는 물리 공부를 하면 한번쯤 책에서 볼 수 있는 X-ray Diffraction, X선 회절 분석 장치 입니다. 이것을 사용하면 물질의 결정구조가 어떤지를 관찰할 수 있습니다.
이를 사용하여 저희가 만든 세라믹스 구성 파우더의 결정 구조를 분석하면 다음과 같은 그래프를 얻을 수 있습니다. 하지만 그래프에 대한 자세한 분석은 다음에 기회가 있으면 해보도록 하겠습니다.
이런 세라믹스 구성 파우더를 바탕으로 공정과정을 거치면 사진에서 보이는 것과 같은 원판 형태의 세라믹스가 만들어지게 됩니다!
이런 실험 기기외에도 시료 표면의 거친 정도를 난반사를 통해 구할 수 있는 DRS, 라만 분광기, 박막 제작에 사용되는 스퍼터링 기기, Sawyer Tower Circuit의 구현한 임피던스 측정 장치 등, 수많은 기계들이 있습니다.
이런 연구실에서 저희는 현재 LiNbO3, LiTaO3, BaTiO3와 Eu2O3를 도핑하여 압전 상수 값이 어떻게 변화하는지와 Eu2O3의 광발광(Photoluminescence)이 어떻게 영향을 미치는지를 살펴보고자 합니다. 저희 연구에 많은 기대를 부탁드리며, 다음에 기회가 된다면 연구실에 있는 다양한 기계들을 주제로 기사를 써보도록 하겠습니다. 감사합니다~
추연서 학생기자│Physics│지식더하기
참고자료
[1] Curie, Jacques and Curie, Pierre (1880). Development, via compression, of electric polarization in hemihedral crystals with inclined faces, Bulletin de la Societe de Minerologique de France, 3:90-93
[2] Curie, Jacques, and Curie, Pierre (1881). Contractions an Expansion produced by voltages in hemihedral crystals with inclined faces, Comptes Rendus 93: 1137-1140
[3] APC International, Piezoelectric Ceramics: Principles and Applications (2nd Edition). 23-24
첨부 이미지 출처
[1] https://www.comsol.com/blogs/piezoelectric-materials-crystal-orientation-poling-direction/
[2] https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=claider&logNo=220425557084&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
[3] http://korean.ultrasoniccleaning-transducer.com/sale-2038759-ultrasonic-pzt-5-disc-shape-piezo-ceramic-plate-for-ultrasonic-cleaner.html
