Special 그린뉴딜/탄소중립 실현을 위한 세라믹소재 기술개발 동향(2)

친환경 무연 압전 세라믹스 소재 개발 동향

조경훈_금오공과대학교 신소재공학부 교수
유일열_금오공과대학교 신소재공학과 연구원

1. 서론

압전 효과는 1880년 Curie 형제에 의해 단결정 수정에서 최초로 발견되었으며, 물체에 기계적인 응력이 인가되었을 때 전위차 혹은 전기장이 유도되는 정압전 효과와 물체에 전기장을 인가하였을 때 기계적인 변형이 유도되는 역압전 효과로 구분된다. 20세기 중반 무렵 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 BaTiO3, Pb(Zr,Ti)O3 등 강유전체 세라믹스에 고전계를 인가하여 강유전 도메인들을 정렬시키게 되면 다결정 세라믹스에서도 높은 압전 효과가 나타남을 발견하면서, 강유전체 세라믹스의 압전 성능을 증가시키기 위한 조성 개발 연구가 활발하게 진행되어 왔다. 기계적 신호와 전기적 신호 간의 상호 변환 및 전기-기계-전기 다중 신호 변환이 가능한 스마트 기능을 바탕으로 트랜스듀서, 제너레이터, 모터, 액츄에이터, 센서, 트랜스포머, 레조네이터 등 다양한 압전 소자들이 연구 개발되어 실생활 및 산업현장에 사용되고 있으며, 미래 첨단 전자 부품 및 소자 개발을 위한 압전 소재의 성능 증대 연구는 지금도 계속되고 있다.
  그림 1은 최근 연도별 압전 소자 및 압전 소재의 세계 시장 규모 추세를 나타낸다.[1] 압전 소자 시장(그림 1(a))은 액츄에이터, 트랜스듀서, 모터, 센서 순으로 높은 제품 점유율을 나타내며 2020년부터 2025년까지 전체적으로 연평균 3.7 %의 성장률이 예상되고 있다. 압전 제너레이터 제품군은 현재 가장 낮은 시장 점유율을 보이고 있지만 예상되는 연평균 성장률은 11 % 이상으로 가장 높다. 압전 소재 시장 역시 그림 1(b)에 나타낸 것처럼 꾸준한 성장세에 있으며, 가장 높은 비중을 차지하는 다결정 세라믹스와 단결정 소재의 경우 2025년까지 각각 3.5 % 및 2.8 %의 연평균성장률이 기대되고 있다.

그림 1. (a) 압전 소자 세계 시장 규모, (b) 압전 소재 세계 시장 규모.

  2021년 현재 200억 달러 이상 수준으로 거대한 시장이 형성되고 있는 압전 세라믹스 소재는 대부분 조성 내 납의 함량이 높은 Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) 기반 다결정 세라믹스와 Pb(Mg1/3Nb2/3)-PbTiO3 혹은 Pb(Zn1/3Nb2/3)-PbTiO3 기반 단결정 소재 위주로 연구 개발 및 상용화되어 왔다. 그러나 최근 전 세계적으로 강화되고 있는 환경 규제들은 독성과 제조 및 폐기 공정 중 높은 증기압 등의 유해성을 지닌 산화납이 포함되지 않은 무연 압전 세라믹스 조성의 연구 개발을 촉구해 오고 있다.[2-4] 그림 2에서 확인할 수 있듯이 2004년부터 현재까지 무연 압전 조성에 대한 연구 논문 수가 꾸준하게 증가하고 있으며, PZT 기반 세라믹스를 대체할 수 있는 성능의 무연 세라믹스가 개발될 경우 거대 시장에 기초한 경제적 파급효과가 매우 클 것이 자명하다. 이에 본고에서는 무연 압전 세라믹스의 최신 연구 개발 동향에 대해 기술하고자 한다.

그림 2. 무연 압전 세라믹스 조성 연구에 대한 논문 게재 건수 (ISI web of science).

2. 압전 소재의 분류 및 성능 지표

무연 압전 세라믹스 연구 개발 동향을 설명하기에 앞서 먼저 압전 소재의 성능 지표에 대해 간략하게 정리하고자 한다. 표 1에 압전 소재 연구에서 많이 보고되는 특성 값들의 정의를 요약하였다. 압전 소재는 세라믹스 (일반적으로 다결정인 경우를 통칭), 단결정, 고분자, 그리고 세라믹과 고분자로 구성된 복합체와 같이 소재 구성물질의 종류에 따라 분류될 수 있고, 또한 소프트 압전체 및 하드 압전체와 같이 소재의 물리적 성질과 압전 특성에 따라 분류될 수도 있다.
  압전 소재 연구에서 많이 사용되는 성능 지표 혹은 특성 값으로서 압전 전하 계수 (d), 고전계 압전 변형률 계수 (d*), 압전 전압 계수 (g), 전기기계 결합계수 (k), 기계적 품질계수 (Qm) 및 Curie 온도 (TC)가 있다.
  d 계수는 가장 대표적으로 보고되는 압전 특성 값으로서 g 계수와 함께 비공진 모드 센서 및 트랜스듀서 소자들의 중요 정압전 성능 지표로 활용된다. d* 계수는 역압전 성능 지표로서 비공진 모드 액츄에이터 소자 적용에 중요하다.
k 계수는 전기적 에너지와 기계적 에너지의 변환 효율을 반영하며 공진 모드 트랜스듀서 소자의 중요 성능 지표이고, Qm 계수는 기계적 손실의 역수로서 대부분의 공진 모드 소자 분야에서 중요하지만 특히 고전력 압전 소자에서는 높은 Qm 값이 필수적이다.
  또한, dㆍg 값은 에너지 변환 계수로서 비공진 모드 가속도센서, 노킹센서, 마이크로폰 및 에너지 하베스팅 소자 분야에 중요하고, k2ㆍQm 값은 공진모드 자이로센서, 노킹센서, 소나, 초음파 프로브, 초음파 모터 등에 중요하다.
  TC는 강유전성을 잃고 cubic 구조의 상유전체가 되는 상전이 온도를 말하며, 압전 성능의 유지를 위해서는 압전 소자의 사용 온도 범위가 TC보다 충분히 낮아야 한다.

-----이하 생략

  _?xml_:namespace prefix = "o" ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

<</SPAN>본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2021년 6월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>