무연 압전 세라믹스 연구 동향

조   욱_ 다름슈타트 공과대학 재료과 연구교수

Abstract
This contribution is to introduce the recent advance-ment in the contemporary understanding of the field of piezoceramics, inspired during the study of lead-free piezoceramics, to the general readers in Materials Science and Engineering. The contribution covers basic concepts and strategies to be noted during the development of lead-free piezoceramics at a fundamental level. It follows that several representative applications of market-available piezoceramics are discussed in an attempt to assess potentiality of lead-free piezoceramics as a replacement for their lead-containing counterparts.

I. 들어가며…
2004년 11월 전세계 압전 세라믹 커뮤니티를 들썩인 한 편의 논문이 Nature에 발표되었다. 이 논문1에서 일본 토요타 중앙 R&D 연구소에 근무하던 일련의 연구인들이 이미 반 세기 가까이 잘 알려져 있던 알칼리 금속 기반의 세라믹스인 (K0.5Na0.5)NbO3 (KNN)에 첨단 공법을 적용해서 소위 ‘신이 내린 재료’라고 일컬어지는 Pb(Zr, Ti)O3 (PZT)에 견줄 수 있는 특성을 보고하였다. PZT 재료의 중요성은 현재 연간 200억 달러 규모에 이르는 세계 압전 시장2의 98% 이상이 PZT를 기반으로 하고 있다는 점에서 쉽게 확인할 수 있다.3 논문이 발표되면서 관련 분야의 세계적 석학인 Eric Cross 박사4는 ‘드디어 무연 압전 세라믹스’라는 제목의 기고문으로 이 결과의 중요성과 가치를 역설했다. Figure 1에 제시된 연간 Science Citation Indexed (SCI) 저널에 출간된 무연 압전 관련 논문의 수가 2004년을 기점으로 폭발적으로 증가한다는 사실 또한 논문의 임팩트가 어느 정도인지를 가늠하게 한다.

무연 압전소재 개발에 대한 관심과 노력은 1976년으로 거슬러 올라간다.5 당시 일본은 산업화 과정에서 심각한 사회적 문제를 야기한 중금속의 사용을 최대한 억제하기 위해 많은 노력을 기울이고 있었다. 이러한 노력의 일환으로 압전 분야에서는 신압전재료 조사 위원회라는 것이 조직되어 정부 주도의 광범위한 조사가 이루어졌고, 이를 통해 무연압전 재료 데이터베이스가 구축되기 시작했다. 당시 기준에서는 산업적 임팩트가 낮았던 탓에 큰 주목을 받진 못했지만, 이후 학계를 중심으로는 지속적인 연구활동이 진행되었다. 그 결과 현재 전세계적으로 가장 많이 연구되고 있는 무연 압전 시스템 대부분의 개발을 선점하는 성과로 이어졌다.6-8

무연 압전소재에 대한 전세계적 관심은 2002년 전자제품 폐기물에 포함된 유해물질에 대한 규제(WEEE/ Waste Electrical and Electronic Equipment)9 및 전자제품에 유해물질 사용 자체를 제한하는 규제(RoHS/ Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment)10가 유럽 연합에서 공표되면서 본격화 되었다. 특히 RoHS 규제는 그 관련조항에 잘 나와 있는 것처럼 교체 가능 여부를 비용이 아닌 기술적 측면에서만 고려하기 때문에 무연 압전소재 개발에 대한 충분한 동기를 부여했다. 비록 유럽연합의 가장 최근 결정인 2010년 9월 결정11까지 예외항목 7(c)-I12에 명시된 것처럼 압전체에 사용되는 납의 경우 기술적 미성숙을 이유로 계속적인 사용이 허락되고 있지만, Figure 1에서 보는 바와 지난 10여년간 전세계적으로 엄청난 노력이 경주되었고, 이러한 노력은 지금도 진행형이고 양적으로나 질적으로 그 규모가 더욱 커지고 있는 추세다. 그 결과 현재 독일의 PI Ceramics, 덴마크의 Noliac, 일본의 Ricoh 등에서는 제한적이긴 하지만 무연 압전 세라믹스 제품을 출시하고 있다. 이들 성과는 단순히 무연 압전소재의 개발에 국한되지 않고, 압전 세라믹스 분야에서 지금까지 축적되어 온 지식들의 오류를 발견함은 물론 새로운 사실들까지 발견함으로써, 학문적 성숙에도 기여했다는 점에서 큰 의미를 지닌다.3,13-15

Figure 1: 연간 SCI 저널에 출간된 무연 압전 관련 논문 수.3 (개별 논문의 내용 검토를 통해 무연 압전소재 개발과 직접적인 연관이 있는 논문만 통계에 포함)

본 기고문에서는 압전 세라믹스에 대한 기본 개념과 압전 세라믹스 개발 과정에서 고려해야 할 중요한 요소들에 대해 먼저 논의한 후, 대표적인 압전 세라믹스의 응용에 있어서 무연 압전 세라믹스가 가진 경쟁력과 잠재력에 대해 간략히 살펴보고자 한다.

II. 펼치며…

압전 세라믹스
압전(piezoelectricity)이란 응력(stress)과 같은 기계적 신호를 전기적 신호로 변환하는 현상을 말하며 결정학적 대칭 중심을 가지고 있지 않 자연계의 수많은 결정들에서 관찰되는 다소 보편적 현상으로 1880년 큐리(Curie) 형제에 의해 처음 학문적으로 인지되었다. 하지만, 결정학적 비대칭성이 원인인 까닭에 압전성은 오직 단결정에서만 구현될 수 있기 때문에 그 응용이 오랜 세월 동안 수정을 이용한 레조네이터(resonator) 등에 한정되어 있었다. 제 2차 세계대전이 한창이던 1940년대 티탄산 바륨(BaTiO3)으로 대표되는 강유전(ferroelectric) 페로브스카이트 (perovskite)계 결정이 개발되면서 압전 커뮤니티에 큰 전기가 마련되었는데, 이는 상대적으로 제조가 용이한 세라믹스에서도 분극화(electrical poling – 외부에서 강한 전기장을 걸어 강유전 분역(ferroelectric domains)을 한 방향으로 정렬하는 공정)이라는 후처리 공정을 통해 압전성을 구현할 수 있게 되었기 때문이다. 따라서 압전 세라믹스라는 용어는 강유전성을 전제한 압전 재료를 의미한다.

페로브스카이트 결정구조는 ABO3라는 간단한 화학식으로 표현되며, Figure 2에서 보는 것처럼 산소 팔면체가 점접촉(corner sharing)으로 3차원 네트워크를 형성하고 여덟 개의 산소 팔면체 및 각 산소 팔면체 중심에 각각 양이온들이 자리하고 있다. 압전체로 활용되는 페로브스카이트 재료는 기본적으로 산화물에 기반하기 때문에 통상 화학식을 간단히 ABO3로 쓰지만, 최근 산소의 일부를 질소로 치환한 산질화물 페로브스카이트 재료에 대한 관심도 높아지고 있다는 점을 감안할 때,16,17 엄밀하게는 ABX3의 화학식을 사용하는 것이 맞지만, 본 기고문에서는 산화물 페로스카이트에 국한해서 논의를 진행하기로 한다.

페로브스카이트 결정의 가장 큰 장점은 그 결정구조의 뛰어난 유연성으로 화학적 변형에 대한 자유도가 높아서 다양한 조성의 화합물이 가능하다는 점이다.18 즉, 12개의 산소를 최근접 이웃(nearest neighbor)으로 가지는 A 자리에 +2가의 단일 양이온이 자리할 수도 있지만, 서로 다른 +2가 양이온이 공존할 수도 있고, 서로 다른 원자가를 가진 이종 원소라도 전체적으로 +2가를 만족하는 경우 공존할 수도 있다. 뿐만 아니라, B 자리에 위치한 양이온과 더불어 전체적으로 +6가를 만족하는 조합이라면 잠재적으로 페로브스카이트 결정을 구성할 수 있다. 일례로 최근 학계의 많은 관심을 받고 있는 다강체(multiferroic) 재료의 대표격에 해당하는 재료인 BiFeO3는 A와 B자리 모두 +3의 원자가를 가진 원소가 위치한다. 8개의 산소를 최근접 이웃으로 가지는 B 자리의 자유도는 A 자리 양이온 보다 조금 더 높아서 (+4/+4, +3/+5, +2/+6)다양한 화합물의 생성이 가능하다.

한편, 산소 팔면체가 점접촉을 하고 있기 때문에 산소 팔면체의 움직임이 상대적으로 자유롭다. 따라서 산소 팔면체가 다양한 형태로 기울어짐으로써 다양한 형태의 결정구조가 유도될 수 있다. 특히, 이러한 산소 팔면체의 기울어짐 (oxygen octahedral tilting) 현상은 아직 이론적으로 명확하게 규명되어 있지는 않았지만, 격자 뒤틀림(lattice distortion)과 함께 재료의 변형(strain) 특성과 밀접한 연관이 있기 때문에,19,20 실용적 측면에서도 중요한 의미를 갖는다.

Figure 2: 페로브스카이트 산화물 압전 재료의 결정구조
ABO3의 화학식으로 표현되는 페로브스카이트 산화물 결정은 산소 팔면체가 점접촉으로 연결된 네트워크에 양이온들이 고용되어 있는 구조로 이해할 수 있다.

페로브스카이트 결정 구조가 지닌 이러한 장점이 일궈낸 가장 큰 성취 중 하나는 현재 압전 관련 시장의 대부분을 장악하고 있는 PbZrO3-PbTiO3 (PZT) 고용체의 발견이다. Jaffe21는 PZT 세라믹스의 특정 조성 (대략 PbZr0.52Ti0.48O3)에서 압전 특성이 급격히 향상되는 것을 발견하고, 이를 소위 상경계 효과(morphotropic phase boundary effect)라고 명명했는데, BaTiO3에 비해 월등히 넓고 높은 사용온도 대역과 안정적이고 우수 한 압전 특성은 물론 상대적으로 쉽게 제조할 수 있다는 장점으로 인해 반세기가 훨씬 지난 지금까지도 대표적 압전 세라믹스로 자리잡고 있다. 무엇보다도, PZT 재료의 가장 큰 학문적 산업적 중요성은 그 압전 특성을 필요에 따라 소량의 소위 주게(donor) 또는 받게(acceptor) 등의 도펀트(dopant)를 통해 쉽게 조절할 수 있다는 점에 있다.

강유전 분극
압전 세라믹스는 기본적으로 강유전체이기 때문에 고온에서 소결 이후 냉각하면 큐리점(Curie point, 상유전과 강유전의 상경계)을 지나면서 입방정(cubic)에서 비입방정으로 상전이가 일어나고, 이 상전이의 결과 Figure 3에 개략적으로 나타낸 것처럼 격자 단위에서 구성 원자들이 재배열되면서 격자내에 영구 쌍극자 모멘트(permanent dipole moment)가 형성된다. 이때 생성된 쌍극자 모멘트를 자발분극(PS, spontaneous polarization)이라고 하는데, 자발분극의 형성으로 증가된 결정의 자유 에너지를 낮추기 위해 시스템 전체 분극의 합이 0이 되도록 결정내 강유전 분역(ferroelectric domains)이 무질서하게 형성된다.22

Figure 3: 강유전 재료에서 상유전-강유전간 상전이가 일어날 때 수반되는 변화. 상유전-강유전 상전이를 명확하게 이해하기 위해서는 다양한 길이 스케일(length scale)에서의 이해가 필요하다.

다소 복잡할 수도 있는 강유전 분역에 대한 얘기를 굳이 언급하는 이유는 강유전 분역이 압전 세라믹스의 특성에 미치는 절대적 영향 때문이다. 통상적으로 압전 세라믹스의 특성을 얘기할 때, 가장 많이 인용하는 물성치로 압전계수(d33)가 있는데, 일반적인 생각과는 달리 압전계수는 상수값이 아니라 전기장의 세기에 따라 그 값이 변한다. 그 이유는 압전계수는 외부 전기장에 반응하는 격자내 쌍극자 모멘트의 크기 변화를 의미하는 내인성 기여(intrinsic contribution) 외 비-180o 강유전 분역에 의한 외인성 기여(extrinsic contribution)에 큰 영향을 받기 때문이다. 외인성 기여는 다시 가역적 기여(reversible contribution) 및 비가역적 기여(irreversible contribution)로 구분되는데, 통상 전자는 강유전 분역벽의 이동(ferroelectric domain wall motion)에 의한, 그리고 후자는 강유전 분역 반전(ferroelectric domain switching)에 의한 기여로 본다.

Figure 4(a)는 PZT의 세가지 다른 조성에 대해 항전계(coercive field: 강유전 분극의 반전속도가 최대가 되

는 전기장)23 이하 영역에서 전기장의 세기에 따른 압전계수 측정값이다. 전술한 바와 같이 압전계수는 상수값이 아닌 외부에서 가해주는 전기장에 선형적으로 비례함을 알 수 있다. 여기서 측정 데이터를 선형 근사해서 전기장이 0일 때의 압전계수를 내인성 기여에 의한 값을 본다. 따라서 전기장 하에서 압전계수 값에서 내인성 기여를 제한 부분을 강유전 분역의 가역적 기여 부분으로 볼 수 있다. 외부 전기장의 세기가 항전계를 넘어서는 경우 Figure 4(b)에 제시된 것처럼 거시적인 강유전 분극 반전 때문에 가역적 기여 부분의 비선형성이 크게 증가한다. 이는 압전특성 향상을 위한 연구를 수행할 때, 분역의 이동 및 반전에 의한 외인성 기여도에 대한 명확한 이해가 선행되어야 함을 시사한다.

Figure 4: (a) 항전계 이하 전기장(subcoercive field)이 가하질 때 전기장의 세기에 따른 압전계수의 변화24 및 (b) 양극 사이클(bipolar cycle) 과정에서 측정한 PIC151 재료의 압전계수 이력곡선.

소프트(soft)/하드(hard) 압전 세라믹스
전술한 것과 같이 PZT가 압전 응용에 범용적으로 사용될 수 있었던 가장 중요한 요인 중 하나는 도핑(doping)을 통해 압전 특성을 쉽게 재단할 수 있다는 점이다. 이미 Figure 2에서 언급했듯이 페로브스카이트 재료는 산소 팔면체의 네트워크를 골격으로 하기 때문에 산소 팔면체가 재료의 물성에 미치는 영향이 상당하다. 예를 들어 산소 빈자리(oxygen vacancy)는 주변 산소원자와 자리바꿈을 통해 결정 내부를 쉽게 이동할 수 있어서 이온 전도성(ionic conduction)에 기여한다.25,26

페로브스카이트 결정의 A 또는 B 자리에 있는 원소를 원자가수가 작은 원소(acceptor, 받게)로 치환하는 경우 – 예를 들어, BaTiO3에서 Ba2+ 대신 Li+ 혹은 Ti4+ 대신 Fe3+ 등으로 치환되는 경우 – 원자가의 차이로 인한 전기적 중성(charge neutrality)을 유지하기 위해 치환 원소 주변에 산소 빈자리가 만들어지고, 만들어진 산소 빈자리는 이들 도펀트와 함께 결함 쌍극자(defect dipole)를 형성한다. 반면 원자가수가 높은 원소(donor, 주게)가 치환하는 경우 – Ba2+를 La3+ 혹은 Ti4+를 Nb5+가 치환하는 경우 – A 또는 B 자리에 금속 빈자리(metal vacancy)가 형성되고 주게와 결함 쌍극자를 형성함으로써 전기적 중성을 유지한다.

Figure 5: B 자리에 고용되는 받게 및 주게 도펀트를 첨가했을 때, 형성되는 결함 쌍극자의 예

도펀트의 역할 및 물성에의 영향은 치환에 사용되는 원자의 종류에 따라 차이가 있지만,27 크게 받게와 주게의 두 범주로 정리할 수 있다. 전술한 바와 같이 페로브스카이트 재료에 받게 및 주게를 첨가하면, Figure 5에 제시된 것과 같이 고온에서 소결을 진행하는 동안 도펀트의 종류에 따라 도펀트와 산소 빈자리 또는 금속 빈자리간 결함 쌍극자가 형성된다. 형성된 쌍극자는 격자내에서 통계적으로 입방정 대칭성을 유지한 채 자유롭게 배열한다. 냉각이 진행되면서 재료가 큐리점에 이르게 되면 자발분극이 유도되면서 강유전성이 발현되는데, 자발분극에 의한 쌍극자 모멘트는 표면 전하 – 쌍극자 방향에 수직한 분역벽, 입계(grain boundary) 또는 상경계(phase boundary) 등에 집적되는 전하 – 를 유도하고, 이 표면 전하에 의해 자발분극과 반대 방향으로 탈분극 전장(depolarization field)이 유도된다. 이때 유도되는 탈분극 전장은 재료 내에 결함 쌍극자가 존재하는 경우 이들 쌍극자를 재배열함은 물론 강유전 분역을 형성시키는 구동력(driving force)이 된다.

Figure 5는 B 자리에 받게 또는 주게를 치환한 경우 생성되는 결함 쌍극자의 예를 보여준다. 받게-산소 빈자리 결함 쌍극자의 경우 산소 빈자리의 높은 이동도(mobility)로 인해 받게 원자를 중심으로 결함 쌍극자가 자발분극을 상쇄하는 방향으로 쉽게 재배열할 수 있는 반면, 주게-금속 빈자리 결함 쌍극자가 움직이기 위해서는 산소 이온들을 가로질러 이동해야 하기 때문에 그 재배열이 용이하지 않다. 따라서, 받게의 치환은 결함 쌍극자의 상대적으로 높은 이동도로 인해 재료 내에 강한 내부 바이어스(internal bias)를 형성하고 – 내부 바이어스는 Figure 6(a)에 작게 삽입된 그림에서 보는 것처럼 분극화 처리 후 측정한 분극 이력 곡선에서 확인할 수 있다. – 이는 분역벽의 이동 및 분역 반전을 방해하는 요인으로 작용하는데, 분역벽의 이동으로 인한 기계적 손실(mechanical loss)을 크게 감소시켜 고출력/고압이 필요한 응용에 적합한 성능을 발휘한다. 내부전장의 효과는 Figure 6에 제시한 것처럼 분극처리를 하지 않은 재료에서는 분극 이력 곡선의 이분화를 야기한다. 이때, 받게에 의해 유도되는 이중 분극 이력 곡선(polarization double hysteresis)을 반강유전체(antiferroelectrics)의 그것과 혼동해서는 안 된다. 받게에 의한 이중 분극 이력 곡선은 산소 빈자리의 유한한 확산속도 때문에 계속적인 이극 사이클(bipolar cycle)을 수행하면 결함 쌍극자들이 무질서하게 되면서 집혀있는(pinched) 가운데 부분이 펼쳐지고 통상적인 분극 이력 곡선으로 전이하기 때문이다 (Figure 6(a) 참조).28-30

Figure 6: (a) 받게인 Fe3+ 및 (b) 주게인 Sb5+가 도핑된 PZT 재료의 분극 이력 곡선 (polarization hysteresis). 주게 도핑과는 달리 받게가 도핑된 PZT의 분극 이력 곡선은 이극 사이클이 진행되면서 모양이 크게 변한다. (a)에 작게 삽입된 그림은 받게를 치환한 PZT의 분극화 처리 후 측정한 분극 이력 곡선이다. 이러한 모양 변화의 원인은 받게-산소 빈자리 결함 쌍극자들이 탈분극 전계 방향으로 쉽게 정렬할 수 있기 때문인 것으로 알려져 있다.28,31-33

Table 1: 받게 및 주게의 첨가에 의한 압전 제반 물성 변화
한편, 주게-금속 빈자리 결함 쌍극자의 경우 재배열이 힘들기 때문에 내부 바이어스를 형성하지 못하는 대신 자발분극의 크기를 줄임과 동시에 강유전 분역의 형성을 촉진하여 압전물성의 외인성 기여를 크게 향상시킨다. 즉, 외부 전계 인가시 분역벽의 움직임이 활발하여 압전계수 및 전기기계 결합계수(electromechanical coupling factor) 등의 제반 물성치를 향상시킨다.

이상에서 논의한 것과 같이 받게와 주게의 치환은 주로 압전특성의 외인성 기여에 큰 영향을 미치는데, 받게의 경우 분역벽의 움직임을 방해하고 주게의 경우 촉진한다는 측면에서 받게와 주게가 치환된 압전 세라믹스를 각각 하드 압전 세라믹스 및 소프트 압전 세라믹스라고 부른다. Table 1은 하드/소프트 압전 세라믹스의 일반적인 특성을 정리한 것인데, 단순히 받게와 주게의 치환만으로도 압전 세라믹스의 특성에 놀라운 변화가 있음을 확인할 수 있다.

Figure 7: 일반적으로 압전 세라믹스의 응용은 크게 네 가지 영역으로 구분한다.

전술한 바와 같이 도펀트의 사용은 압전 세라믹스의 물성을 필요에 맞게 재단함에 있어서 가장 효율적이고 유용한 방법인데, 이들 효과가 가장 잘 구현되는 재료가 PZT이다. PZT 계열의 재료가 산업적으로 가장 널리 사용되고 있는 이유 중 하나이다. 즉, 무연 압전 세라믹스가 경쟁력을 가지고 PZT의 영역에 발을 들여 놓기 위해서 반드시 갖추어야 할 조건 중 하나는 도펀트를 통해 상대적으로 용이하게 필요에 맞는 물성을 재단할 수 있는지의 여부라고 할 수 있다. KNN 계열의 재료의 경우 제한적이나마 도펀트의 영향에 대해 연구가 진행되고 있지만,34-37 아직 대부분의 연구는 공정 자체의 이슈에 머물고 있는 실정이다.14,15,38,39 또 하나의 중요한 무연 압전 시스템인 BNT 계열의 재료에서 역시 도펀트의 영향에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있지만, 받게의 효과는 아주 미미하게 나타나고 주게의 효과는 지나치게 강해서 재료가 압전성이 사라지는 등 예상 밖의 결과들로 인해 보다 심도 깊은 연구가 필요한 상황이다.40-44

압전 세라믹스의 응용 및 전망
압전 현상의 응용은 크게 외부에서 주어지는 기계적 신호를 전기적 신호로 변환(압전 정효과를 이용)하는 응용과 그 반대의 경우(압전 역효과를 이용) 두 가지 범주로 나눌 수 있는데, 넓은 의미에서 모두 트랜스듀서(transducer – 한가지 형태의 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하는 시스템)라고 할 수 있다. 하지만, 오늘날 많은 압전 세라믹스 기업들은 Figure 7에 제시된 것처럼 (광의의) 트랜스듀서를 응용의 초점에 따라 엑츄에이터(actuators), 센서(sensors), (협의의) 트랜스듀서, 및 발전기(generators)의 네 가지로 세분화해서 취급하고 있다.45 즉, 전기 신호에 대한 변위에 초점을 두는 경우 엑츄에이터, 기계적 진동 및 압력 등의 변화를 감지하는 것에 초점을 두는 경우 센서, 기계적 에너지가 음파(acoustic wave)의 형태일 경우 트랜스듀서, 그리고 압력 또는 진동 등의 기계적 입력을 전기적 에너지의 형태로 전환하는 경우 발전기로 분류한다. 본 기고문에서는 각 응용의 대표적 사례들을 소개하고 향후 무연 압전 세라믹스의 활용 방안에 대해 간략하게 살펴보기로 한다.

압전 엑츄에이터는 전기 신호를 이용해서 정밀한 변위를 만들어내는 응용으로 반도체와 같은 첨단산업을 가능하게 하는 정밀기계에서부터 일상에서 흔히 사용하는 컴퓨터 하드디스크, 휴대전화 등과 같은 전자제품에 이르기까지 다양하게 응용되고 있다. 또한 정밀한 통제가 필요한 유압밸브(hydraulic valves), 소형 펌프, 및 특수 목적의 모터 등에 주로 활용되고 있다. 특히 압전 모터의 경우 현재 범용적으로 사용되고 있는 일반적인 전자기 모터(electromagnetic motor)와는 달리 전기 신호에 따른 변위(displacement)가 재료 자체에서 기인하기 때문에 에너지 손실이 크기에 의존하지 않을 뿐만 아니라 전자기기에 실장 되는 경우 주변 회로에 영향을 주지 않음으로 소형화에 유리하다.

압전 엑츄에이터는 일반적으로 여러 층의 압전 세라믹스를 쌓아서 만드는 스텍형 엑츄에이터(stack actuators) 및 얇은 압전 세라믹스를 붙여서 만드는 굴곡형 엑츄에이터(stripe actuators)의 두 가지 형태로 제조되고 있다. 전자는 연료분사기(fuel injector), 진공차단기(vacuum circuit breaker) 등과 같이 큰 발생력이 필요한 응용에 적합하고, 후자의 경우 상대적으로 저전압으로 큰 변위가 요구되는 펌프 등에 주로 응용된다. 구동방식 측면에서는 압전 엑츄에이터의 경우 크게 초음파 모터(USM, ultrasonic motor) 및 최근 스마트기기의 발달과 함께 주목 받고 있는 초고속 햅틱 피트백(haptic feedback – 사용자가 스마트 기기의 키보드와 같이 가상의 물체를 만질 때 적절한 기계적 반응을 통해 촉감을 전달하는 기술) 기술 등으로 대표되는 공진 주파수에서 사용하는 응용과 Figure 8에 제시한 차량용 연료분사 시스템(fuel injector), 나노 포지셔너(nano positioner) 등과 같이 비공진 주파수 영역 대를 활용하는 응용으로 나뉜다.

Figure 8: 커먼레일엔진(common rail direct injection engine)에 장착된 연료분사기(fuel injector)에 압전체를 사용함으로써 기존 엔진 대비 최대 30%의 연료 절감효과 및 25%의 이산화탄소 감소효과가 가능해졌다. 연료분사기에 사용되는 압전 세라믹스의 가장 큰 요구 조건 중 2000 기압 이상의 압력을 이겨 낼 수 있는 높은 발생력(blocking stress – 압전체의 변형이 완전히 억제될 때 얻을 수 있는 최대 힘46)과 -50도에서 150도 온도범위에서의 안정적 작동이다.

현재 엑츄에이터 분야에서 무연 압전 세라믹스는 기존의 PZT 계 세라믹스에 비해 상대적으로 높은 항전계로 인해 높은 구동전압이 필요할 뿐만 아니라 상대적으로 온도 안정성이 낮아서 응용에 많은 제한을 받고 있다.3,14,39 물론 Saito 등1이 보여준 것처럼 배양성 입성장(TGG, templated grain growth – 한 방향으로 정렬이 용이한 seed 입자들을 사용해서 특정 결정방향으로 배양된 세라믹스를 제조하는 기술) 등과 같은 특수한 공정을 적용해서 특성을 PZT 계 세라믹스에 버금가는 정도로 향상시킬 수 있는 여지는 있지만, 이 경우 높은 비용 상승이 불가피하다. 따라서 엑츄에이터 응용을 위한 무연 압전 세라믹스 개발은 중단기적으로 개개 응용에 특화된 물성을 최적화하는 방향으로 진행될 것으로 예상된다. 일례로 BNT 계열의 초기 압전 세라믹스의 경우 큰 발생력이 필요한 응용에 유리하고,3,46 KNN 계열의 세라믹스 역시 조성을 적절히 통제함으로써 상대적으로 우수한 온도 안정성을 얻을 수 있다.47

압전 센서는 힘, 가속도, 압력 변화 등의 기계적 움직임을 전기적 신호로 전환한다. 센서의 기본 원리는 압전 정효과에 기인하는 것으로 외부에서 기계적인 신호가 주어지면 외부 전극에 전하가 축적되고 이를 검출하는 방식이다. 여기서 한가지 주의할 점은 압전 센서의 경우 정적인 힘 또는 압력의 검출은 불가하다는 점이다. 이는 신호가 정적인 경우 회로 및 압전 세라믹 재료가 가진 자체 저항에 의한 전압강하로 인해 전극에 축적되는 전하량이 자연 감소하기 때문이다.
어느덧 현대인의 생활에 필수품이 되어 버린 자동차의 경우 각종 센서의 백화점이라고 해도 과언이 아닌데, 수 많은 센서들 중 Figure 9(a)에서 보는 것처럼 압전 센서가 차지하는 비율이 상당하다. 초음파를 이용해서 거리를 측정함으로써 주차를 도와주는 주차센서(parking pilot) 및 연료 잔량 확인 센서(fuel level sensor), 자동차의 가속과 감속 정도를 측정해서 에어백 및 안전벨트 등을 제어하는 가속도 센서(accelerometer), 엔진의 부적절한 점화를 감지하는 노크센서(knock sensor) 등등 그 종류와 기능을 이루 나열할 수 없을 정도이다.

-----------이하 생략(자세한 내용은 세라믹코리아 2013년 4월호를 참조바람)

V. 참고문헌
1) Y. Saito, H. Takao, T. Tani, T. Nonoyama, K. Takatori, T. Homma, T. Nagaya, and M. Nakamura, “Lead-Free Piezoceramics,” Nature, 432 [7013] 84-87 (2004).
2) http://www.electronics.ca/reports/technology/piezoelectric_devices.html
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12) 7(c)-I Electrical and electronic components containing lead in a glass or ceramic other than dielectric ceramic in capacitors e.g. piezoelectronic devices, or in a glass or ceramic matrix compound
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51) see, for example, http://librarians.aip.org/promote/emails/jap_most_citedWV.html?TRACK=JAPMC2012

조 욱
- 1995.03 – 2001.02 연세대학교 세라믹공학과 학사
- 2001.03 – 2003.02 서울대학교 재료공학부 석사
- 2003.03 – 2005.08 서울대학교 재료공학부 박사
- 2005.09 – 2006.02 서울대학교 신소재공동연구소 연수연구원
- 2006.03 – 2006.08 서울대학교 신소재공동연구소 선임연구원
- 2006.09 – 2007.02 서울대학교 BK21사업단 재료인력양성사업단 연구원
- 2007.02 – 현재 독일 다름슈타트 공과대학 재료과 연구교수