미세한 힘으로 전기 생산…‘압전소자’ 활용 가능성 열려

최근 이차원 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)가 고성능 전기절연 방열소재 개발에 사용되기 시작하면서 주목받고 있다. 이에 국내 연구진이 h-BN 활용에 진전을 가져올 연구 성과를 발표해 화제가 되고 있다.

7일 한국원자력연구원(원장 박원석) 센서시스템연구실(이경자 책임연구원)과 경북대학교(박귀일 교수) 공동연구팀은 이차원 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)의 ‘압전상수’를 최초로 측정하는데 성공하고, 이를 응용해 스마트 센서 개발 등에 활용될 수 있는 ‘플렉시블 압전소자’를 개발했다고 밝혔다.

공동연구팀은 실험을 위해 수십 나노미터 두께의 얇은 h-BN을 분말형태의 나노플레이크로 제작했다. 이후 플라스틱 판에 h-BN 분말을 올려놓고 플라스틱판을 구부렸을 때 나오는 전압 신호를 측정해 ‘압전상수’를 계산해냈다.

어떤 물질에 힘을 가했을 때 전기가 발생하는 특징을 ‘압전성’이라 하는데 힘을 가할 때 발생하는 전하의 양을 나타낸 값이 ‘압전상수’이며, 압전상수를 실험적으로 측정 및 보고한 것은 이번이 최초로, 측정값을 활용해 h-BN을 자유자재로 활용할 뿐만 아니라 다양한 신소재를 개발할 수 있는 길이 열렸다.

붕소(B)와 질소(N)가 육각형 벌집 모양으로 결합한 질화붕소는 중심대칭이 깨져있어 이로 인해 압전성을 갖는다. h-BN은 압전성을 비롯해 우수한 전기절연성, 화학적 안정성, 방열성 및 방사선 차폐능을 갖고 있어 고온 및 방사능을 버텨야 하는 원전 및 우주항공 소재에 널리 사용될 수 있다.

h-BN이 압전성을 가진다는 사실은 그동안은 이론적으로만 알려져 있었다. 그러나 공동연구진은 실험을 통해 h-BN의 압전성을 규명하고 압전상수를 측정하는데 성공하면서 h-BN 연구에 상당한 진전을 이뤄냈다.

또 연구진은 실험결과로 도출한 압전상수를 활용해 h-BN 나노플레이크와 폴리머를 복합화한 ‘플렉시블 압전소자’도 제작해냈다. 플렉시블 압전소자는 미세한 힘만으로 전기를 생산할 수 있어서, 충전 없이 플렉시블 또는 웨어러블 전자기기를 언제 어디서나 사용 가능할 수 있게 하는 차세대 에너지 소자로 각광받고 있다. 또 사람 몸에서 발생하는 생체 역학적 힘(심장박동, 혈액흐름, 근육 수축/이완)을 통해 신체에 부착하는 스마트 센서의 영구 에너지원으로도 사용이 가능할 것으로도 예측된다.

박잔호 한국원자력연구원 원자력안전연구소장은 “h-BN은 압전성을 비롯해 우수한 방열성 및 방사선 차폐능 등의 성질로 인해 응용 가능성이 무궁무진하다”며 “앞으로도 연구원은 h-BN을 고온 방사선 극한환경용 스마트 센서 및 무선센서 네트워크 구현을 위한 에너지 하베스팅 기술 개발 등에 활용하기 위한 연구를 지속해 나갈 계획이다”고 밝혔다.

한편 이번 연구결과는 복합 자연과학 분야에서 전 세계적으로 저명한 학술지인  'ACS Applied Materials & Interfaces’ 최신호에 게재되며, 학계에서 주목을 받고 있다.