휴대용 전기를 가능하게 하는 새로운 인공 압전소재 개발

휴대용 전기를 가능하게 하는 새로운 인공 압전소재 개발

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2007-11-22

미국 휴스턴대(University of Houston) 기계공학과 교수인 프레디프 샤르마(Pradeep Sharma) 연구팀은 의수족을 가진 사람들에게 좀 더 자연스러운 동작을 제공하기 위해 휴대폰에서 진동을 만드는 기술을 이용하고 있다. 만약 이러한 기술이 성공적으로 개발된다면 좀 더 자연스러운 의수족의 움직임을 가능하게 할 뿐만 아니라 군인이나 일반 사람들이 단순히 보행 동작을 수행하여 순간적인 전력을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 프레디프 샤르마 연구팀은 스테로이드(steroid) 상에 압전소재(piezoelectric)를 만들려고 하고 있다. 압전성(piezoelectricity)은 응력을 받았을 때 전하를 만들 수 있는 재료의 능력이다. 이 첨단 기술은 많은 사람들이 인식하는 것보다 훨씬 유용하다. 압전기는 에어백이 전개하는 것에서부터 라이터가 불꽃을 발생시키는 것에 이르기까지 모든 것에서 관련되어 있다. 압전소재는 압력이 가해졌을 때 전압을 발생시키고 전계가 가해졌을 때 기계적인 변형이 일어나는 소재로서, 기계적인 진동에너지를 전기에너지로 변환시키고 전기에너지를 기계적인 진동 에너지로 변환할 수 있으며 변환효율이 매우 높은 재료이다. 그리하여 만약 압전소재를 눌러서 기계적인 힘을 인가하면, 이 물질은 전압을 발생시킬 것이며, 전압이나 전기력을 인가하면 굽혀지거나 형상을 변경하게 될 것이다. 진동을 전기적인 에너지로 변환할 수 있는 원리는 가속도 센서 등으로 응용되고, 가청영역의 소리를 전기에너지와 상호 변환할 수 있는 원리는 레코드 디스크의 픽업, 마이크로 폰, 스피커, 버저 등의 소자로 이용되고 있다. 또한 초음파를 투과하고 받을 수 있어 초음파 센서의 프루브(Probe), 어군탐지기 등으로 사용된다. 외부로부터 힘이나 압력을 받으면 고전압 스파크를 발생시킬 수 있어 가스기기 및 압전 변압기에 응용된다. 기타 응용제품으로는 세라믹 필터, delay line, 초음파 세척기, 초음파 가공기, 초음파 용착기, 초음파 가습기 등 여러 방면에서 활용되고 있다(참조자료1). 비록 압전기는 자연적으로 발생하지만, 한계가 있다. 현재의 의수족은 자연적으로 압전기가 발생하는 물질인 세라믹과 폴리머로 만들어져 있어서 그 동작 범위에 있어 한계를 가지고 있다. 세라믹 압전소재는 매우 높은 경도 및 취성을 가지고 있지만, 많은 동작을 만들 수 없으며, 많은 동작을 위해서는 대량의 전기 에너지를 요구한다. 폴리머 압전소재는 동작을 위해 그리 큰 힘을 요구하지는 않지만 강도가 크지 않다. 그리하여 폴리머로 만든 의수족을 이용하면 적절하게 의수족을 뻗을 수 있지만 심지어 계란을 잡지 못할 수 있다. 만약 어떤 응용분야에서 자연적으로 발생하는 압전소재로 발견되지 않는 에너지 변환 수준을 요구한다면 압전소재와 비압전소재로 구성되는 복합재가 만들어져야 한다. 프레디프 샤르마 연구팀은 압전성을 가지지 않는 인공 재료로부터 압전소재를 만드는 연구를 수행하고 있다. 프레디프 샤르마 연구팀은 처음부처 다시 시작하여 자연에서 구할 수 있는 재료 이상의 것을 만들려고 하고 있다. 이들은 세라믹과 폴리머라는 두 가지 형태의 압전소재들에서 얻을 수 있는 최고의 성질을 조합할 수 있기를 원하고 있다. 프레디프 샤르마는 지난 2년 동안 미국 과학재단(National Science Foundation)으로부터 122만 달러(약 11억원)의 연구자금을 지원받아 이와 같은 이론적인 아이디어를 다듬고 있다. 이러한 기술은 기존의 압전소재에 의존할 필요가 없기 때문에 다양한 응용분야를 가질 수 있다. 예를 들어 특정한 나노스케일의 효과를 이용하여 재료를 만들어 더욱 높은 에너지 변환을 제공할 수 있다. 이와 같이 기존의 압전소재에 의존하지 않는 새로운 인공 압전소재가 개발된다면 압전소재가 전기를 생산하는 방식을 혁신시킬 것으로 기대된다. 가용한 기계적 압력을 이용하여 상당한 양의 에너지를 생산할 수 있게 될 것이며, 휴대용 전기를 가능하게 할 것으로 기대된다. 예를 들어 병사의 군화에 설치된 압전성 조각은 전기를 만들고, 병사가 지니게 되는 점점 더 많아지는 장치들에게 전력을 공급할 수 있을 것이다. 보행 동작은 이 압전성 조각에 힘을 가하거나 변형을 만들어서 매 걸음마다 전기를 만들게 할 것이다. 또한 맞춤형으로 제작된 압전소재는 의수족을 가진 사람들에게 실제 팔다리가 가진 유연성과 강도에 가까운 의수족을 만드는데 더욱 근접하게 할 것이다.