압전소재, WSN 시대 필수 소재

■기술의 정의 및 분류

기능성 소재의 하나인 압전(Piezoelectricity)소재의 성질은 소재의 명칭에서 알 수 있다. Piezo는 “압력을 가하다(to press)”라는 의미이고 Electricity는 ‘전기’를 나타낸다. 즉, 소재에 압력을 가해 변형을 시키면 전기적인 극성(Polarity)을 나타내거나 주어진 전기에너지에 의해 변형이 일어나는 소재를 압전소재라 한다.

압전소재는 종류가 다양하기 때문에 매우 다양한 방법으로 분류할 수 있다. 소재 측면에서는 유연·무연·폴리머 압전소재 등으로 나눌 수 있고, 응용분야 따라서는 센서·엑츄에이터·필터·압전변압기 등으로 분류할 수 있다. 본 기획에서는 형상과 제조방법에 따라서 압전소재를 분류해 소개한다.

▲ ▲압전소재 - 기술 분류. ▲압전소재 - 기술 분류

■환경변화

◇고성능 무연 압전소재의 필요성

1960년대에 등장한 이후로 현재까지 널리 사용되고 있는 연계 압전소재(예: PZT·PMN-PT 등)는 뛰어난 성능을 보이고 있지만 이들 소재에는 중금속인 납이 포함(무게비로 50% 이상)돼 있기 때문에 인체에 해롭고 환경오염을 유발시킨다.

이에 따라 2012년부터 유럽에서는 유연계 압전소재를 유해물질로 규정했고 각종 제품에 대한 사용을 제한할 예정이다. 현재 NKN계·BZT-BCT계 등의 무연(Lead-free) 압전소재가 연구되고 있지만 대부분 유연 압전소재의 성능에 미치지 못하거나 실험실 규모에서 시편으로 제조되는 수준이다. 따라서 유연 압전소재와 같이 높은 압전특성을 나타내며 대량 생산이 가능한 고성능 무연 압전소재 및 공정기술의 개발이 요구되고 있다.

◇혁신적 압전소자의 필요성

압전소자는 의료용 초음파센서나 군수·민수용 수중소나 등 센서분야, 디젤엔진용 압전연료분사기(Piezolectric Injector)나 AFM(Atomic Force Microscope)용 극미세 거리조절기 등과 같은 엑츄에이터 분야 외에도 정보통신용 압전소자(예: 필터 공진기·압전변압기 등) 및 압전하베스터(Piezoelectric Energy Harvester)와 같은 에너지 분야 등에서 핵심적인 부품으로 매우 다양하게 적용되고 있지만 성능과 효율성이 완전하지 않으며 기대보다 낮은 편이다.

따라서 현재보다 고성능·고효율을 나타내거나 현재와는 완전히 다른 성능을 가지는 혁신적인 압전소자의 개발이 필요하다.

◇다양한 공정기술의 필요성

일반적으로 반도체 소재기술은 경박단소(輕薄短小)를 위한 공정기술을 추구한다. 하지만 압전소재는 매우 다양한 응용분야(예: MEMS용 센서에서는 박막이 필요하지만 연료분사기에서는 그렇지 않음)를 가지고 있기 때문에 이를 뒷받침할 수 있는 저에너지 소비, 저환경오염 및 대량생산이 가능한 여러 가지 공정기술(박막·후막·벌크·다층형 등)의 개발 또한 필수적이다.

사용 분야 다양, 성능 기대치 이하

新소재 개발 및 공정기술 개발 절실

■기술의 중요성

◇압전소재 등이 포함된 지능형 부품의 구성 비율 증대

정보통신기기·자동차·로봇 등이 끊임없이 진화하면서 과거보다 고성능·고효율화 되고 있어 압전소재·강유전소재 등의 지능형 소재로 만들어진 부품이 차지하는 비중이 점점 증가하고 있다.

실제 초기의 휴대폰은 단순한 통화만이 가능했지만 현재의 스마트폰은 PC와 유사한 기능을 가지고 있으면서도 기기의 크기 및 중량은 비교할 수 없을 정도로 감소되고 있다.

또한 J. Rodel 등의 보고에 따르면 1980년대 자동차에서 전자부품이 차지하는 가격이 전체의 1% 이하였지만 2004년도에는 약 20%로 증대됐고 2015년에는 약 28%에 이를 것으로 추정되고 있다. 이와 같은 전자부품은 각종 센서·엑츄에이터·필터 등으로 구성돼 있다.

◇압전소재 등 지능형 소재·부품 기반기술 확보 필요

반도체·정보통신기기 등 첨단 고부가가치 제품은 우리나라의 주요 수출품이고, 이들에 대한 세계 시장점유율도 매우 높다. 2009년 8월 D램 반도체는 60%, LCD는 55%, 휴대폰은 30% 수준으로 국내업체 중심으로 글로벌 정보기술(IT) 시장이 재편되는 모습이다.

그러나 이들을 구성하는 핵심 소재·부품, 특히 지능형 소재·부품에 대한 생산능력은 거의 없다고 볼 수 있다. 우리나라 주요 수출품의 경쟁력을 좌우하고 있는 것은 무라타·TDK·교세라 등과 같은 일본기업(예: 전세계 MLCC·공진기 시장의 70%는 일본기업이 점유)이라고 해도 과언이 아니다. 따라서 첨단제품에 대한 지능형 소재·부품기술의 확보는 향후 국가의 경쟁력을 제고시킬 수 있는 핵심이라고 할 수 있다.

▲ ▲주변의 진동에너지원. ▲주변의 진동에너지원

■압전 발전시스템의 개요

◇압전 발전시스템의 원리

압전 발전시스템이란 우리 주변에 존재하는 다양한 형태의 진동에너지를 이용해 압전소재를 변형시키면 이에 비례해 발생된 전하로부터 전기에너지를 추출할 수 있는 에너지 변환과정의 하나이다. 우리 주변에도 압전발전에 사용될 수 있는 진동에너지가 존재하고 있으며 몇 가지를 요약해 보면 아래 표와 같다.

압전소재를 이용한 발전은 주로 저전력 시스템(예, 휴대폰의 전원)이나 배선이 없이 독립전원이 요구되는 시스템(예, 공해상의 기상관측시스템)의 주전력 또는 보조전력원으로 사용될 수 있다.

압전시스템에 의한 전략공급 과정은 아래 그림과 같다. 압전소재에서 발생된 전하는 부품 또는 시스템에 안정적으로 전력을 공급하기 위했 대용량 축전기(Capacitor)에 저장된다. 이후 부품 또는 시스템에서 요구되는 전압/전류에 맞게 정류 및 변환된 전력이 공급된다.

▲ ▲압전 발전에 의한 전력 공급 과정. ▲압전 발전에 의한 전력 공급 과정

◇압전 발전의 전력밀도

압전발전의 특성상 반드시 정류 및 변환회로가 필요하기 때문에 현재까지 큰 수요를 창출하지 못하고 있지만 잠재적인 역량은 매우 높다고 할 수 있다. 이는 압전소재에 의한 에너지 변환이 기타 소재에 의한 에너지 변환에 비해 상대적으로 높은 전력밀도를 가지고 있기 때문이다.

▲ ▲에너지변환소자에 따른 전력밀도. ▲에너지변환소자에 따른 전력밀도

◇압전 발전 소자의 분류

압전발전을 위한 소자는 매우 다양한 형상을 가지고 있다. 외팔보(Cantilever)형, 적층(Stack)형, 간극전극(Interdigital Electrode)형 등이 있지만 압전소자에 주어지는 힘의 방향과 압전소재의 분극(poling)방향의 관계로부터 대표적으로 31방향, 33방향 압전발전 소자로 구분할 수 있다.

일반적으로 다결정 압전소재에서 압전발전에 응용될 수 있는 압전상수는 g33과 g31이고, g33의 값은 g31의 2배 정도이다.

▲ ▲ 33방향 압전발전 소자 개념도. ▲ 33방향 압전발전 소자 개념도

○33방향 압전발전 소자

33방향 압전발전 소자는 압전소재의 분극방향과 평행한 방향으로 힘이 주어져서 전압을 발생시킨다. g33의 값이 크지만, g33방향으로 변형을 일으킬 수 있는 한계가 있기 때문에 동일한 변형에서 많은 전력을 생산하기 위해 압전소재를 적층해 사용한다.

▲ ▲31방향 압전발전 소자 개념도. ▲31방향 압전발전 소자 개념도

○31방향 압전발전 소자

31방향 압전발전 소자는 압전소재에 주어지는 힘 방향과 분극방향이 서로 수직이다. g31의 값이 g33보다 작지만 압전소재를 변형시키는데 필요한 힘이 적고 변형이 크기 때문에 압전발전 소자로 널리 이용되고 있다. 일반적으로 31방향 압전발전 소자는 외팔보형을 기본으로해 단일형(Unimorph) 또는 이중형(Bmorph) 등이 있다.

31방향 압전발전 소자는 벌크 압전소재를 얇게 가공해 지지체에 붙이거나 필름제조 공정을 사용, 지지체에 압전소재를 코팅해 사용한다. 필름을 코팅해 사용하는 경우 박막 보다는 후막의 경우 보다 많은 전력을 생산할 수 있다.

◇압전 발전의 응용분야

○무선 센서 네트워크(WSN, Wireless Sensor Networks)용 전원

향후 10년 이내에 무선 센서 네트워크가 구축돼 기존의 산업체나 국방 분야에 큰 영향을 줄 것으로 예상되고 있다. 무선 센서 네트워크를 어떻게 구축할 것인가도 중요한 문제이지만 각 센서점(예, Vehicle Monitoring 센서점 등)에 어떻게 전력을 공급할 것인가도 매우 중요한 문제이다.

비교적 단거리여서 유선으로 전력 공급이 가능하거나 배터리를 교체할 수 있는 센서점은 문제가 없지만 독립적인 전력이 필요한 센서점에는 장기간 전력을 공급할 방법이 필요하다. 이에 따라 압전발전 소자를 이용한 전력공급이 하나의 수단으로 적용될 수 있다.

▲ ▲무선 센서 네트웍의 개념도. ▲무선 센서 네트웍의 개념도

○대용량 압전 발전 시스템

압전소자는 WSN 등과 같이 독립적인 저 전력 전원으로 적용될 수 있고, 대규모의 전력을 얻을 수 있는 시스템에 적용될 수도 있다. 아래 그림은 2006년 일본 도쿄역에 설치된 압전 발전 시스템을 나타내는데, 사람이 밟는 압력으로 압전소자를 변형시켜 전력을 생산하는 방식이다.

일반적인 중량의 사람이 각 압전소자를 10회 정도 밟으면, 약 8V 정도의 전압이 발생한다. 각 압전소자에서 발생된 전력을 모두 합하면 하루에 수백 kW·s 정도의 전력을 생산할 수 있어 역에 설치된 통과기(Ticket Gate System)에 필요한 전력을 충당하고 있다.

▲ ▲일본 지하철역의 압전발전 매트. ▲일본 지하철역의 압전발전 매트

■압전발전시스템의 성장성

◇경제적 측면

압전발전을 포함한 에너지 수확(Energy Harvest)시장은 2009년 약 6억1,000만달러에서 2019년 40억9,000만달러에 이를 것으로 전망되고 있다. 2019년 에너지 수확 방법별로 시장의 점유율은 광전 36%·전자기 22%·압전 22%·열전 18%·기타 2%로 예측되고 있다. 이를 근거로 2019년 압전발전에 의한 시장은 약 9억달러로 추정된다.

이와 같은 시장의 예측은 무선센서 네트웍(WSN)에서 요구되는 RFID의 자가 전원에 따른 것이다. 따라서 압전발전에 의한 에너지 수확 시장 자체도 경제적인 가치를 지니고 있다고 볼 수 있으며 곧 다가올 WSN에서 창출되는 경제적인 가치는 압전발전보다 크다고 할 수 있다.

◇정책적 측면

현재 에너지 수확을 위한 연구 참여기관을 국가별로 분석한 결과에 의하면 전체 200개 기관 가운데 미국 80개(39%)·독일 32개(15%)·영국 25개(12%)·일본 15개(7%)·한국 9개(5%) 등으로 분포돼 있다. 또한 기술별로 보면 압전 84개·광전 91개·열전 29개·전자기 19개·기타 11개 기관으로 분포돼 있다. 에너지 수확기술의 응용처는 대부분 산업체이고, PDA 휴대폰과 같은 일반적인 소비제품과 군사용으로도 많이 사용된다.

이와 같은 분석결과로 볼 때 선진국은 매우 많은 기관이 에너지 수확, 특히 압전에 의한 에너지 수확기술을 연구하고 있음을 알 수 있다. 현재 에너지 수확기술에 대한 우리나라의 참여율은 미미한 수준으로 앞으로 다가 올 WSN(무선센서네트워크) 시대를 대비하기 위해서는 현재보다 많은 기관이 참여할 수 있도록 정책적인 뒷받침이 필요하다.

압전 발전시장 2019년 9억불 규모

환경규제 대응 무연소재 개발 필요

■압전발전시스템에서 소재의 역할과 위상

압전발전시스템은 압전소재·축전기·정류회로·RFID와 같은 부품으로 구성된다. 가장 단순한 경우 압전소재와 이로부터 전기를 공급받을 부품만 존재해도 압전발전시스템은 구성될 수 있다. 즉, 축전기와 정류회로는 필요사항이지만 압전소재가 없이는 압전발전시스템을 구성하는 것이 불가능하다. 비록 압전발전시스템에서 압전소재(또는 압전소자)가 차지하는 가격은 매우 낮지만 시스템을 구성하기 위한 핵심소재다.

현재 압전발전시스템의 각 단계마다 에너지 손실을 최소화시키는 연구도 진행되고 있지만 압전소재 및 압전소자에 대한 연구도 진행되고 있다. 압전소재 측면에서는 주변의 작은 진동에서도 많은 전하의 생성이 가능한 소재를 연구하고 있으며, 압전소자 측면에서는 압전소재의 적층·전극의 형상·압전소재의 진폭 증가 등을 통해 보다 효율적으로 에너지를 수확하기 위한 연구가 진행되고 있다.

■압전소재 분야별 기술개발동향

압전소재 자체를 분류하면 유연·무연 압전세라믹, 압전 단결정, 압전폴리머, 압전복합체, 압전박막, 압전후막 등으로 구분할 수 있다.


◇무연 압전세라믹

PZT로 대표되는 유연 압전세라믹은 다량의 산화납이 포함돼 있어서 적절한 처리가 없이 폐기되는 경우 심각한 환경오염의 원인이 된다. 이에 따라 납을 함유하지 않고 압전특성을 나타내는 무연 압전세라믹에 대한 연구가 널리 수행되고 있다.

현재 연구되고 있는 무연 압전세라믹을 살펴보면 랑가사이트(Langasite), 페로프스카이트 구조를 가지는 강유전체(예: KNN), 텅스텐 브론즈(Tungsten Bronze)구조의 강유전체 및 BLSF(Bismuth Layer Structured Ferroelectrics) 등이 있다. 현재까지 이들의 압전특성은 유연 압전세라믹에 미치지 못하고 있지만 첨가제를 통한 화학양론의 제어, 고밀도를 위한 공정기술의 개발, 합성물의 조성제어 등을 통해 유연 압전세라믹의 특성에 근접하고 있다.

◇압전 단결정

압전단결정에서도 기존의 유연 압전단결정(PZN-PT 등)을 무연 압전단결정(KLTN 등)으로 대체하려는 연구가 진행되고 있다. 압전단결정은 압전세라믹에 비해 월등한 압전특성을 가지고 있지만 충격에 약하고 고가라는 단점도 가지고 있다. 현재는 저비용으로 대형 압전단결정을 제조하기 위한 공정기술의 개발이 널리 연구되고 있다.

◇압전 폴리머

PVDF(Polyvinylidene Difluroride)로 대표되는 압전 폴리머는 비교적 낮은 압전특성을 가지고 있지만 유연성이 있고 음향 임피던스가 압전세라믹에 비했 매우 낮다는 장점을 가지고 있다.

압전 폴리머는 소재 자체에 대한 연구보다는 응용에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 대표적인 응용분야는 초박형 스피커·핸드폰 등에 내장된 극소형 마이크 및 압전세라믹과 복합해 사용되는 압전복합체 센서 등이 있다. 또한 상대적으로 유전율이 낮고 높은 압전전압상수를 가지고 있어 풍력에 의한 압전 발전(예: Piezo-tree)용 소재로 사용될 수 있다.

◇압전복합체

압전복합체는 압전세라믹(또는 압전 단결정)의 장점인 높은 압전상수와 압전폴리머(또는 폴리머)가 가지고 있는 낮은 음향 임피던스 특성이 결합된 것으로 의료용·수중탐사용 센서에 널리 응용된다. 압전세라믹과 폴리머의 결합방식에 따라 1-3, 2-2 또는 0-3 등의 압전복합체(X-Y에서, X는 압전세라믹의 차원, Y는 폴리머의 차원을 나타냄)가 있다. 기타 압전소재와 달리 압전세라믹과 폴리머의 부피비율을 조절해 다양한 특성을 가지는 센서를 제조할 수 있다.

◇압전박막

휴대용 통신기기나 정보처리기(예: 아이패드) 등이 점진적으로 소형·경량화됨에 따라 현재보다 집적도가 높은 전자회로가 필요하다. 대표적으로 보면 인쇄기판에 내장된 축전기와 저항을 들 수 있다. 이들을 소형화 하려면 현재보다 유전율이 높고 두께는 얇으며 파괴전압이 높은 박막이 필요하다.

PLZT계·BST계·KNN계·ZnO 등의 압전박막을 초소형 고용량 축전기 또는 필터·레조네이터 등으로 사용하기 위해 MOCVD·스퍼터링·졸-겔법 등의 공정기술이 연구되고 있다.

◇압전후막

MEMS와 같은 지능형 모듈은 수동소자와 능동소자가 결합돼야 기능을 발휘할 수 있다. MEMS를 위한 능동소자(예, Optic Reflector, Micro Motor, Slip Sensor 등)는 기존의 벌크재료나 박막재료 기술로는 요구되는 성능을 나타내지 못한다. 이에 따라 10∼100μm 정도의 두께 범위를 가지는 압전후막 소재기술이 연구되고 있다. 아크방전법·에어로졸 데포지션법·스크린프린팅법·수열합성법 등이 대표적이다. 무연 압전소재의 후막화, 고밀도 후막의 제조 및 소재 조성제어를 통한 고성능 압전후막 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.

■압전소재 기술개발의 핵심 이슈

◇무연 압전소재

압전소재가 가지고 있는 지능형 특성(전기와 역학에너지 사이의 변환)으로 인해 현재 매우 다양한 제품의 핵심 소자로 사용되고 있다.

휴대폰·TV·PC·자동차 등을 비롯한 가전제품으로부터 로봇·원자현미경(AFM) 등과 같은 초정밀 제품에도 사용되고 있다. 현재 이들 제품에는 대부분 유연 압전소재(예, PZT)를 기반으로 하는 압전소자가 포함돼 있는데 납에 의한 환경오염 문제 및 법적인 규제(예: 유럽의 RoHS)가 시행되면 유연 압전소재를 기반으로 하는 제품은 수출입이 불가능해진다.

이에 따라 납을 포함하지 않는 무연 압전소재의 개발은 향후 국가 경제를 위한 핵심 소재기술이다. 유연 압전소재가 적용되는 제품에 따라 서로 다른 특성이 요구되는 것과 같이 무연 압전소재에서도 적용 제품에 따라 각각 특성이 달라야 한다. 페로프스카이트(Perovskite)구조를 가지는 무연 압전소재(예: KNN계)는 높은 압전상수(d33)을 나타내어 엑츄에이터에 적용될 수 있고, BLSF계 압전소재는 높은 품질계수를 가지고 있어 필터나 공진기(Resonator)에 적용될 수 있다.

무연 압전소재의 핵심이슈는 무연 압전소재에 첨가제의 도핑(예: KNN에 FeO를 도핑), 두 산화물의 조성비 제어(예: KNN과 LT를 혼합) 또는 위 두 공정의 혼합 등을 통해 높은 압전 특성 및 임계온도(Curie 온도)를 증가시키는 것이다. 더불어 제조 공정의 측면에서는 보다 치밀하고 일방향으로 배향(Textured)시킬 수 있는 대량 생산 공정기술의 개발이 필요하다.

◇유비쿼터스용 압전소재

정보통신·미래형 자동차 등에 많은 압전센서·필터·공진기 등이 사용되고 있지만 이 분야 외에도 WSN의 구축을 위한 자가 전원을 압전발전으로 해결하기 위한 연구도 널리 진행되고 있다.

태양광이나 열전발전은 태양 또는 열원을 필요로 하지만 압전발전은 일기·온도와 무관하게 진동만 있으면 적용가능한 자가 전원이어서 다양한 센서에 사용될 것으로 예측된다.