Special(1) 소재 자립화를 위한 세라믹 소재혁신 선도 프로젝트

고성능 결정립 배향 압전 다결정 핵심소재 개발

강종윤_한국과학기술연구원 전자재료연구센터 센터장
최종진_한국재료연구원 기능세라믹연구실 실장
정영훈_한국세라믹기술원 광·전자부품소재센터 책임연구원
송현철_한국과학기술연구원 전자재료연구센터 선임연구원

1. 서론

압전소재는 기계적 에너지와 전기적 에너지를 상호 변환시킬 수 있는 스마트 소재로서, 그림 1과 같이 액추에이터, 센서, 소나, resonator 등 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있고 에너지 하베스팅, 유연 전자 소자, 체내이식형 바이오 소자 등과 같은 미래 기술에 있어서도 압전소재는 핵심적인 역할을 할 것으로 예상된다. 압전소재는 조성 개발 기술과 공정 기술 모두가 뒷받침되어야만, 성공적인 개발이 가능하며, 다른 소재기술과 비슷하겠지만 특히, 기술적 노하우가 축적되지 않으면 산업화에 굉장히 어려움이 많은 기술 분야이다.

그림 1. 압전소재의 다양한 응용 분야
 

  현재까지 압전소재 기술은 압전 특성 향상을 위한 조성 개발 위주로 진행되었으나, 이러한 방식은 기술 개발에서 산업화까지 많은 시간과 노력이 소요된다. 압전소재의 조성 개발만으로 특성값을 향상시키는데는 분명한 한계가 있으며, 이를 극복할 수 있는 Breakthrough 기술 개발이 크게 요구되고 있다. 현재 전 세계 고성능 압전소재 및 소자 시장은 일본이 대부분 점유하고 있으며, 저가의 제품들은 중국에 의해 시장 잠식이 진행되고 있는 실정이기 때문에 이러한 상황을 돌파할 수 있는 핵심 압전소재공정기술 개발이 필요하다.

2. 결정립 배향 압전 소재 기술

압전소재의 특성값은 압전소재를 구성하는 화학적 조성에 의해 크게 좌우되지만, 결정립 구조나 압전 도메인 구조에 의해서도 크게 달라질 수 있다. 이에 따라 grain engineering 또는 domain engineering 기술을 이용한 압전 특성 향상 연구가 최근 각광을 받고 있다. 그림 2와 같이 결정립 배향기술(Templated grain growth, TGG)은 다결정 압전소재의 결정립을 한 방향으로 정렬시킴으로써, 단결정과 유사한 도메인 정렬 구조를 만들어 기존 다결정 압전소재에 비해 압전 특성을 1.5 ~ 2배 이상 향상할 수 있는 획기적인 공정기술이다. TGG로 제작된 압전소재는 일반적인 벌크 세라믹 소재와 마찬가지로 다결정이기 때문에, 그림 3과 같이 깨지기 쉬운 압전 단결정에 비해 강도가 월등히 우수하며, 압전 성능은 단결정과 유사한 특성을 나타내므로 기존 다결정 압전소재, 단결정 압전소재 시장을 동시에 대체할 수 장점이 있다고 할 수 있다. 압전 단결정은 결정성장에 비용과 시간이 많이 소요되는 반면, TGG 공정은 기존의 전통적인 세라믹 공정을 그대로 사용하기 때문에, 제조단가가 단결정에 비해 훨씬 저렴할 수 있다.

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