▲ 김용일 KRISS 박사가 X-선 회절데이터 측정을 위해 장비(X-선 회절기)에 시료를 올리고 있다..

자동차 엔진 진동과 같이 버려지는 기계에너지를 전기에너지로 변환시키는 압전소자에 대한 관심이 높아지는 가운데 국내 연구진이 친환경 차세대 압전소자를 개발할 수 있는 길을 열었다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 강대임)은 신기능재료표준센터 김용일 박사팀이 고려대 김웅 교수팀과의 공동 연구를 통해 차세대 압전소자 물질로 기대를 모으고 있는 칼륨니오베이트(Potassium Niobate: KNbO3) 나노선(nano-wire₃)의 결정구조를 세계 최초로 규명했다고 지난 22일 밝혔다.

결정구조란 물질을 구성하고 있는 원자 또는 이온이 3차원 공간 내에서 규칙적이고 반복적으로 배열되어 있는 것을 의미하며 다이아몬드와 흑연이 모두 같은 원자인 탄소로 이뤄졌지만 쓰임새가 다른 것은 이 때문이다.

공동 연구진은 X-선 및 중성자 회절을 활용한 다양한 결정구조 해석법을 통해 칼륨니오베이트 나노선의 결정 구조를 알아냈다. 지금까지 칼륨니오베이트는 상온에서 사방정계(斜方晶系,orthorhombic system)에 속하는 결정구조로 알려져 있었으나, 나노선으로 변화하면서 새로운 결정형태인 단사정계(單斜晶系, monoclinic system)에 속하는 구조임을 밝혀낸 것이다.

이번 연구결과를 통해 관련 소자의 물성 제어와 신뢰성을 확보할 수 있는 새로운 길이 열렸으며, 새로운 물성을 갖는 맞춤형 소자 생산 연구에도 영향을 미칠 것으로 예상된다.

현재 대부분 전자제품의 압전소자로 사용되고 있는 대표적인 압전 물질인 ‘PZT’(납, 질콘, 티탄으로 만든 소재)는 사용규제 대상인 납(Pb)을 함유하고 있어 업계에서는 이를 대체할 물질을 찾고 있었다. 연구팀은 칼륨니오베이트가 PZT를 대체하여 전 세계 친환경 정책에 부합하는 새로운 비납(lead-free)계 압전소자 재료가 될 것으로 기대하고 있다.

김용일 박사는 “전 세계 연구진들이 다양한 합성법을 사용해 신물질을 개발하고 있지만, 물성을 예측하고 규명하기 위한 필수적인 결정구조에 대한 정보가 부족해 응용연구에 어려움을 겪는 상황이 많다”며 “이번 칼륨니오베이트 나노선 결정구조 규명을 통해 관련 소재 기반 응용 분야 연구가 더욱 확대될 것”이라고 밝혔다.

한편 김 박사의 연구결과는 화학분야의 최고 권위지인 JACS (Journal of the American Chemical Society, 미국화학학회 저널)'지 2013년 1월호에도 게재됐다.