1분만에 알아가는 압전세라믹

압전 세라믹(Piezoelectric Ceramics)

압전 세라믹은 외부에서 가해지는 기계적 압력을 전기 신호로 변환하거나, 전기 신호를 기계적 변형으로 변환하는 기능을 가진 특수 소재입니다. 이러한 특성 덕분에 센서, 액추에이터, 에너지 하베스팅 장치 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 최근 이 분야에서는 여러 흥미로운 발전이 있었습니다.

• 친환경 비납계 압전 세라믹 개발: 기존의 압전 소재로 주로 사용되던 납 티탄산 지르코늄(PZT)은 인체와 환경에 유해한 납을 포함하고 있어 환경 문제를 야기할 수 있습니다. 최근 연구에서는 납을 포함하지 않은 친환경 비납계 압전 소재가 개발되고 있습니다. 이러한 소재는 기존의 납 계열 소재와 유사한 성능을 가지면서도 환경에 무해하여 상용화 가능성이 높습니다. 한국원자력연구원은 온도 안정성이 우수한 비납계 압전 소재를 개발하여 친환경 센서와 에너지 하베스팅 장치에 적용하려 하고 있습니다.
• 고온 환경에서도 안정적인 성능 구현: 일반적인 비납계 압전 세라믹 소재는 온도가 높아지면 성능이 저하되는 문제가 있습니다. 최근 연구에서는 300℃까지도 성능을 안정적으로 유지하는 고온 환경용 압전 세라믹이 개발되었습니다. 이 소재는 높은 열에 노출되는 엔진 센서, 항공우주 분야의 장비 등에 활용될 수 있으며, 안정적인 작동을 보장합니다.
• 유연한 압전 세라믹 개발: 압전 세라믹은 대부분 단단하고 변형이 어려운 특성이 있었으나, KAIST 연구진은 3D 나노 구조체를 이용하여 유연한 압전 세라믹 소재를 개발했습니다. 탄성 변형률이 기존보다 3배 높아진 이 소재는 유연한 센서와 액추에이터에 적합해 웨어러블 기기나 IoT 센서에 큰 혁신을 가져올 수 있습니다.
• 고효율 에너지 하베스팅 소자 개발: 압전 세라믹은 에너지 하베스팅 소자에도 많이 사용되며, 주변의 진동이나 압력을 전기에너지로 변환하여 웨어러블 기기나 IoT 센서의 전원을 공급할 수 있습니다. 최근 연구에서는 압전 세라믹의 효율을 높이기 위한 방법들이 다각도로 시도되고 있으며, 이로 인해 전력 효율이 크게 향상된 에너지 하베스팅 소자가 기대됩니다.
• 의료용 초음파 트랜스듀서 성능 개선: 압전 세라믹은 의료용 초음파 트랜스듀서에도 필수적인 소재입니다. 새로운 압전 세라믹 소재의 개발로 인해 트랜스듀서의 해상도와 감도가 개선되어, 더욱 선명하고 정확한 초음파 이미징이 가능해졌습니다. 이는 의료 영상 기술 발전에 중요한 역할을 할 것입니다.