조용수 교수팀, 구부려서 얻어지는 초고효율 에너지변환 소재 기술 개발

휘어지는 플라스틱 기판 위에 직접 증착해 박막형 에너지 소재 기술 개발

최고의 압전에너지 생산 능력으로 독립적인 전자소자 동작 가능

세계적 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 게재

[사진 1. (왼쪽부터) 조용수 교수, 한주 통합과정 연구원, 박성현 석사, 정예슬 박사]

신소재공학과 조용수 교수 연구팀이 기존 소재보다 성능이 뛰어난 초고효율 전기 에너지 변환소자를 개발했다. 이 소재는 플라스틱 기판에 페로브스카이트 결정구조를 가진 산화물 박막을 실온에서 열처리 없이 간단한 증착 공정만으로 제작한 것이다.

[그림 1. 비정질 페로브스타이트 박막 소재가 적용된 초고효율 플렉시블 압전에너지 소재 기술]

연구팀은 물질의 특정 결정구조를 기반으로 외부에서 가해진 힘을 전기 에너지로 바꾸는 압전성(Piezoelectricity)을 이용했다. 이 과정에서 기존에 보고된 적 없는 비정질 CaCu3Ti4O12 박막을 포함하는 유연한 박막형 에너지 소자를 성공적으로 개발하고, 최고 수준의 에너지 출력값(최대전압 38V, 전력밀도 2.8×106mW/cm3)을 확인했다. 또한, 연구팀은 비정질 박막 특성을 증명하기 위해 내부 결함과 결정 구조적 메커니즘을 제안했다. 이를 통해 세계 최고 성능의 압전 변환 출력을 성공적으로 구현했다.

기존의 세라믹 소재들은 압전성을 발현하기 위해 700℃ 이상의 고온 열처리 과정이 필요했다. 이는 기판의 종류와 외부에서 가해지는 힘의 종류 등을 제한하는 단점이 있었다. 하지만 이번 연구는 이러한 고온 열처리 과정을 생략할 수 있었다. 이에 따라 휘어지는 플라스틱 기판을 사용해 상온에서 박막을 직접 증착할 수 있었으며, 다양한 힘을 가할 수 있어 기존의 단점을 해결할 수 있었다.

연구팀은 이러한 방법으로 기존 세라믹 박막형 에너지 소자가 가지는 한계를 넘어 열처리 과정을 생략하고, 유연 소자의 굽힘을 이용해 최고 수준의 압전 출력을 발현하는 고성능 하베스터 소자를 구현했다. 이 기술은 외부 전원 공급 없이 독립적인 에너지원을 이용하는 자가 구동 소자에 특화될 수 있다.

조용수 교수는 “지금까지 보고된 바 없는 비정질 박막 기반 플렉시블 압전소자에서 세계 최고 수준의 압전에너지 변환특성을 확인하고, 이를 뒷받침하는 결정 구조적 메커니즘 제안을 함으로써 다른 플렉시블 전자소자에 광범위하게 응용될 수 있는 매우 주목할 만한 성과에 해당한다.”며 연구 의의를 밝혔다.

이번 연구는 신소재공학과 한주, 박성현 연구원이 공동 제1저자, 정예슬 연구원이 참여저자, 조용수 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 자연 과학 분야의 최고 권위 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 5월 16일 온라인 게재됐다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 진행됐다.

논문정보

● 논문 제목: 

High-performance piezoelectric energy harvesting in amorphous perovskite thin films deposited directly on a plastic substrate

● 논문 주소: https://doi.org/10.1038/s41467-024-48551-3