25일 전북대학교에 따르면 한진규 박사와 부상돈 교수(물리학과) 연구팀은 티탄산지르콘산연(PZT) 나노입자의 전왜효과(電歪效果·flexoelectricity)를 이용해 나노제너레이터 특성을 향상시킬 수 있는 연구 결과를 내놓았다.
전왜효과란 반도체 소자 내에 있는 고체 시료의 결정이 찌그러진 상태로 인해 결정 내부에 자발적으로 전기장이 형성되는 효과를 말한다.
이 연구 결과는 세계 최고 저널인 네이처의 자매지 중 하나인 ‘사이언티픽 레포트 (Scientific Reports)’ 최신호 온라인판에 게재됐다.
연구진은 카본나노튜브(CNT) 표면에 직접 성장된 티탄산지르콘산연(PZT) 나노 입자 복합체를 용액공정으로 제조하였고, 이를 이용해 두 물질이 단순히 혼합돼 있는 복합체에 비해 약 10배 정도 향상된 나노제너레이터 소자를 개발하는 데 성공했다.
그동안 나노제너레이터는 박막이나 나노 구조 형태의 압전체로 제작돼 왔는데, 전기 발전 효율이 그리 높지 않았다. 그러나 CNT 와 같은 1차원 전도체와 압전체의 복합체 제작이 전기 전도도와 분산성을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있어 2개의 물질을 섞는 복합체 제작이 최근 미국과 중국, 그리고 국내 유수 연구진 등에 의해 연구가 이뤄져왔다.
전북대 연구진이 개발한 고효율 나노제너레이터는 그간 연구들에서 한 단계 더 앞서 나간 것으로써 CNT 위에 압전체 물질의 직접 성장을 통해 두 물질 사이에 결합력을 높일 뿐만 아니라 압전체 내부에 응력구배 (strain gradient) 의 형성에 의해 전왜효과가 발생, 전기 발생 효율을 향상 시킨다는 사실을 밝혀낸 것이다.
연구팀이 제작한 PZT/CNT 입자는 CNT 표면에 PZT 결정이 화학적으로 강하게 결합되어 있는 형태로 기존에 개발된 단순 복합체에 비해 훨씬 높은 발전 특성을 구현할 수 있게 됐다. 또한, 이번에 개발한 PZT/CNT 입자를 이용한 나노제너레이터는 전왜효과를 적용한 사례라 할 수 있다.
부상돈 교수는 “이번 결과는 기존의 연구 결과와는 달리 PZT 나노입자의 발전 특성을 크게 향상 시킬 수 있음을 보여줌으로써 차세대 에너지원으로써의 나노제너레이터 상용화 가능성을 한층 더 높여주는 중요한 연구결과”라며 “추후 진전된 연구를 통해 전기 발생이 가능한 웨어러블 등 다양한 분야에 활용할 수 있게 되어, 화석 연료 고갈에 따른 에너지원 부족 문제 등을 해결할 수 있을 것으로 기대된다”라고 평가했다.
김미진 기자
