Special 디지털 뉴딜과 광전자 세라믹 소재(2)
촉각증강을 위한 압전 세라믹의 최신 기술동향 및 산업전망

홍승범_한국과학기술원 신소재공학과 교수
엄성문_한국과학기술원 신소재공학과

1. 서론

압전 세라믹스란 무엇인가?
  먼저 압전효과에 대해서 간략하게 설명하자면, 압전효과란 힘을 가하게 되면 전하를 발생시키고, 전압을 가하면 변형이 일어나는 효과를 일컫는다. 후자의 경우는 엄밀하게 말하면 역압전효과(inverse 혹은 converse piezoelectricity)라고 부르기도 한다[1].

이런 효과를 활용해서 무엇을 할 수 있을까?
  실생활에서 간단하게는 가스레인지 혹은 라이터의 불꽃을 만들기도 하고, 초음파를 만들어서 잠수함의 소나 혹은 산부인과에서 사용하는 초음파 진단기에 활용하기도 한다[2]. 더 나아가, 원자간력 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)과 같이 원자와 분자를 영상화할 수 있는 장비에서 시편을 나노미터 정밀도로 움직이게 하는 스테이지를 만들기도 한다[3]. 최근에는 자율주행차의 핵심소자인 라이다 장치에서도 압전효과를 활용하고 있으며, 미래에는 촉감을 재현할 수 있는 가상 및 증강 현실과 디지털 트윈스 기술(예를 들면, 로봇 수술 기계에서 환부의 질감을 의사에게 전달하는 기술)에도 적극적으로 활용될 것으로 기대된다[4].

그러면, 도대체 세라믹스 무엇이고, 뛰어난 압전 효과를 내는 소재는 왜 대부분 세라믹스인가?
  일반적으로 세라믹스라고 하면 도자기 혹은 변기를 떠올리며, 광채가 나고 딱딱하면서도 잘 깨지는 소재로 생각하지만, 세라믹스는 신소재공학 혹은 재료공학적 광범위한 분류 중 하나일 뿐이다[5]. 재료는 크게 금속, 세라믹스, 반도체, 고분자 등으로 나누게 된다. 그 기준은 소재를 구성하는 원소들이 어떤 종류의 결합을 하는가이다. 금속 결합을 하게 되면 주로 금속으로, 이온 결합을 하게 되면 주로 세라믹스로, 공유 결합을 하게 되면 반도체 혹은 고분자로 나뉘게 된다. 반도체와 고분자를 나누는 경계는 주 구성성분이 실리콘, 게르마늄, 갈륨, 비소인지 혹은 탄소, 수소, 산소, 질소인지가 되기도 한다. 전자의 경우, 반도체이고, 후자의 경우가 고분자이다.

  세라믹스의 경우, 원소들끼리 이온 결합을 하기 때문에, 강한 전기력을 가지고 결합을 하게 되며, 조금이라도 어긋나게 되면 매우 큰 에너지를 소비해야 하기 때문에 경도가 크고, 이로 인해서 딱딱한 경우가 많다[5]. 만약, 결함이 있으면 결함으로부터 크랙이 발생하여 이온결합이 끊어지고, 이는 걷잡을 수 없이 갑작스럽게 끊어짐으로써 쉽게 깨지고 산산조각이 나게 된다. 또한, 양이온과 음이온이 간격을 두고 배치하고 있기 때문에, 전기 분극을 형성하기 좋은 구조이며, 이로 인해서 압전효과를 내기 좋은 구조라고 할 수 있다. 이와 같은 이유로 대부분의 압전 소재는 세라믹스이다[6].

  금속의 경우, 금속 결합을 하고 있고, 금속 결합에서는 전자들이 자유롭게 움직이면서 전기분극을 차폐시키기 때문에 압전효과를 낼 수 없다. 반도체의 경우에는 밴드갭이 작고 공유 결합을 하고 있어 마찬가지로 전기분극을 만들기 어렵고, 만들더라도 작은 밴드갭으로 인해서 전자들이 넘쳐흘러서 전기분극을 차폐시키기 때문에, 압전효과를 내기 어렵다. 또한, 대부분의 금속과 반도체가 결정학적으로 중심대칭형(centrosymmetric)이라서 자발분극을 만들기 어려운 것도 한 몫하고 있다[6].

  고분자의 경우에는, PVDF 계열이 유일하게 압전 세라믹스와 견줄 수 있는 압전소재인데, 세라믹스보다 변형률이 높다는 장점을 갖고 있다[7]. 다만, 소성변형이 쉽게 일어나고, 압전성능이 압전 세라믹스보다 현저하게 작다는 단점을 지니고 있다. 그럼에도 불구하고, 최근 투명스피커에 활용된 바 있으며, 변형률이 높고 강성이 낮기 때문에 저주파 압전에너지 하베스터에 활용될 가능성이 매우 크다[8]. 또한, 생체적합성(biocompatibility)이 커서 유연한 인공생체 조직 소재에도 활용될 것으로 기대된다[9,10].

  우리는 압전 고분자처럼 높은 변형성을 가진 압전 세라믹스의 개발이 가능한지 그 가능성을 타진할 필요가 있으며 개발된다면 쉽게 깨지지 않고 큰 변형이 가능하면서 동시에 큰 압전효과를 갖는 소재를 확보할 수 있을 것이다. 이런 소재를 확보하는 경우, 어떤 임팩트가 있을지 본 고에서 함께 생각해보고자 한다.

그림 3. 촉각 증강을 통해 사용자에게 풍부한 사용자 경험을 제공하는 응용의 대표적인 예. (a) 로봇 팔, (b) 가상현실·증강현실 (출처: Telesuit), (c) 원격조정(로봇 수술) (출처: Da Vinci Robotic Surgery), (d) 대면적 Display & 지능형 자동차(출처: https://whatsnext.nuance.com/connected-living/automotive-assistants-will-be-best-assistants/)

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2021년 2월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>