압전 고분자 – 진동 및 구조적 스트레스를 활용한 자유 에너지

연구팀은 스트레스를 받을 때 전기를 생성하는 칼코제나이드 페로브스카이트 화합물로 채워진 고분자 필름을 만들었습니다. 이 현상은 압전 효과라고 불리며, 특정 물질이 기계적 스트레스가 가해질 때 전하를 생성하는 능력입니다.

압전 효과는 결정 구조 대칭성이 없는 물질에서 발생합니다. 결정, 세라믹, 고분자, 그리고 뼈, DNA, 다양한 단백질과 같은 생물학적 물질은 각각 다른 종류의 압전 물질입니다.

이러한 물질은 기계적 진동과 관련된 에너지를 수집할 가능성이 있습니다. 이 형태의 에너지의 가장 큰 장점은 우리 주변에 풍부하게 존재하며 재생 가능하다는 점입니다.

하지만 최신 연구 노트에 따르면, 압전 물질 중 성능이 가장 좋은 것들은 종종 화학 원소인 납(Pb)을 함유하고 있는데, 이는 암을 유발하고 뇌종양 위험을 증가시키며 DNA 복구를 방해할 수 있습니다.

납을 함유한 물질은 위험하며, 규제 기관은 환경 보호를 위해 그 사용을 제한하고 있습니다.

낮은 녹는점과 가공성이 높은 무거운 자연 금속인 납의 독성을 고려할 때, 납은 점점 더 많은 물질과 장치에서 단계적으로 배제되고 있습니다.

따라서 팀의 목표는 납이 없고 자연에서 흔히 발견되는 원소를 사용해 저렴하게 만들 수 있는 물질을 개발하는 것이었습니다.

그래서 렌셀러 폴리테크닉 인스티튜트(RPI) 팀은 납이 포함되지 않을 뿐만 아니라 몇 안 되는 고성능 물질 중 하나인 재료를 활용했습니다. 따라서 이는 생물 의학 응용, 기계 및 인프라에 사용하기에 훌륭한 후보입니다.

팀이 사용한 무납 물질은 압전성을 나타내는 칼코제나이드 페로브스카이트 계열에 속합니다. 연구에 사용된 조성은 BaZrS3이며, 이는 뚜렷한 압전 반응을 보이는 것으로 보고되었습니다.

칼코제나이드 페로브스카이트는 최근 많은 관심과 발전을 얻고 있습니다. 이 화합물 군은 페로브스카이트 구조와 관련이 있으며, 낮은 독성, 높은 안정성, 직접 밴드갭, 우수한 전하 운반 능력, 강한 광 흡수와 같은 많은 장점을 가지고 있습니다.

이러한 특성 덕분에 페로브스카이트는 태양전지, 광검출기, 발광 장치, 광촉매와 같은 응용 분야에서 두드러집니다.

흥미롭게도 대부분의 고성능 압전 물질은 비중심대칭성을 가지고 있어 본질적으로 높은 분극성을 나타냅니다. 그러나 연구에 사용된 것을 포함한 많은 산화물 페로브스카이트는 중심대칭 결정 구조를 가지고 있어 원래 형태에서는 약한 압전성을 보입니다. 이러한 화합물은 실제로 순수한 쌍극자 모멘트가 없기 때문에 비극성입니다.

쌍극자 모멘트는 압전 물질이 스트레스를 받을 때, 즉 물질 내의 양이온과 음이온이 분리되는 변형 방식으로 작동하는 과학적 명칭입니다. 이 쌍극자 모멘트를 활용하면 전류로 변환할 수 있습니다.

하지만 순수한 쌍극자 모멘트가 없는데 팀은 어떻게 압전성을 달성했을까요? 그들은 칼코제나이드 페로브스카이트 구조 내의 느슨한 포장을 활용해 이 문제를 극복했습니다.

녹색 에너지 적용을 위한 기술 확장

최신 연구에 따르면, 중심대칭이지만 무납 칼코제나이드 페로브스카이트 물질은 변형될 때 매우 빠르게 편극됩니다. 이는 많은 빈 공간을 가진 느슨하게 포장된 단위 셀 때문입니다.

이러한 상당한 빈 공간은 이온의 광범위한 변위를 가능하게 하며, 이는 대칭 감소를 초래하고 변위 매개 쌍극자 모멘트를 증폭시킵니다.

팀은 BaZrS3에 대해 압전 반응 포스 현미경(PFM) 실험을 수행하여 물질의 압전성을 확인했습니다.

PFM은 기능성 원자 힘 현미경(AFM) 모델로, 나노미터 규모에서 다양한 물질의 전기기계적 특성에 대한 독특한 정보를 제공하는 것으로 인정받고 있습니다.

팀에 따르면, 칼코제나이드 페로브스카이트 물질의 구조적 대칭은 스트레스 하에서 쉽게 깨질 수 있으며, 이는 향상된 압전 반응을 초래합니다. 따라서 확인 후, 팀은 BaZrS3 입자를 폴리카프로락톤에 분산시킨 복합재를 개발했습니다.

새롭게 합성된 물질은 바륨, 지르코늄, 황을 함유하고 있으며, 이를 이용해 인간의 신체 움직임으로부터 에너지를 수집하고 전기화학 및 전자 장치를 구동했습니다.

팀은 달리기, 걷기, 손가락 두드리기, 박수와 같은 신체 움직임에 물질을 노출시켜 전기 생성 능력을 테스트했습니다. 실험 중 생성된 전기는 LED 뱅크를 구동하기에 충분했으며, RPI라는 글자를 표시했습니다.

“우리는 우리의 발견과 그것이 녹색 에너지 전환을 지원할 잠재력에 대해 흥분하고 고무됩니다.”

– Nikhil Koratkar, 연구 공동 저자

그에 따르면, 이 물질은 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. Koratkar에 따르면:

“가해지는 압력 부하가 클수록, 그리고 압력이 가해지는 표면적이 넓을수록 효과가 커집니다.”

팀이 만든 에너지 수확 필름은 두께가 0.3밀리미터에 불과하며, 건물이나 고속도로와 같은 다양한 기계, 장치 및 구조물에 통합되어 진동하거나 차량이 지나갈 때 전기를 생산할 수 있습니다.

팀이 수행한 테스트는 이 기술이 자전거 타는 사람이나 달리기하는 사람에게 착용되는 장치처럼 헬멧을 밝히거나 가시성을 높이는 다양한 방식으로 유용할 수 있음을 보여줍니다.

하지만 현재는 개념 증명 단계에 불과합니다. 팀은 “궁극적으로 이와 같은 물질이 대규모로 구현되어 에너지 생산에 실질적인 차이를 만들 수 있기를 기대한다”고 Koratkar는 말했습니다.

다음 단계에서는 연구원들이 전체 칼코제나이드 페로브스카이트 화합물 군을 조사하여 보다 강력한 압전 효과를 보이는 물질을 찾을 예정입니다. 이를 위해 팀은 인공지능(AI)과 머신러닝(ML)을 활용할 것입니다.

“지속 가능한 에너지 생산은 우리의 미래에 필수적입니다,” 라고 RPI 공대 학장인 Shekhar Garde 박사는 말했으며, RPI 팀의 물질 발견 노력이 “전 세계적인 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있다”고 찬사했습니다.

압전의 변혁적 영향

압전 현상은 1880년 Jacques와 Pierre Curie에 의해 처음 발견되었으며, 오늘날 이 현상은 실제 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 전기와 기계 에너지를 직접 변환하는 능력은 에너지 수집 장치와 같은 응용 분야에서 매우 매력적입니다.

압전의 가장 흔한 예 중 하나는 전자 라이터입니다. 버튼을 누르면 스프링 레버가 압전 결정에 충돌하고, 이 기계적 스트레스가 전류를 생성하여 가스를 점화하는 불꽃으로 이어집니다. 일상 생활 곳곳에서 압전의 예를 찾을 수 있습니다.

이전 기사에서 자세히 다룬 바와 같이, 압전은 현대 기술에서 기본 원리로 자리 잡았으며, 휴대폰 및 웨어러블 디바이스, 감쇠 시스템, 청소 솔루션부터 항공우주, 소나, 의료 진단 도구, 액추에이터에 이르기까지 다양하게 활용됩니다.

그 광범위한 사용으로 인해 해당 분야에서는 여러 진보가 이루어졌습니다. 약 반세기 전인 1960년대 초에 인기 있는 압전 세라믹 PZT(납 지르코니아 타이타네이트)가 개발되었고, 이어 1964년에 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)가 등장했습니다.

그 이후로 연구자들은 압전 장치의 효율성과 다재다능성을 향상시키기 위해 새로운 물질과 기술을 개발해 왔습니다. 주요 초점 중 하나는 위에서 언급한 연구에서 보듯이 납 독성에 대한 우려가 커짐에 따라 PZT와 같은 납 기반 세라믹에 대한 친환경 대안을 만드는 것이었습니다.

연구자들은 납의 해로운 환경 영향을 피하면서 압전 특성을 제공하는 바륨 티타네이트(BaTiO₃)와 칼륨 나트륨 나이오베이트(KNN)와 같은 물질을 탐구하고 있습니다.

또한 PVDF 및 그 공중합체와 같은 고분자 기반 압전 물질의 발전으로 스마트 텍스타일, 센서, 의료 임플란트에 통합할 수 있게 되었습니다.

압전 고분자는 그 고유의 유연성과 순응성 때문에 에너지 수집에 대해 광범위하게 연구되어 왔으며, 이는 장치를 많이 구부려야 하는 웨어러블 디바이스에 통합하기에 적합합니다.

웨어러블 전자는 기존의 경직된 전자를 혁신하여 의료, 에너지, 신경과학, 메타버스, 지속 가능성 분야에서 혁신적인 솔루션을 제공합니다. 이러한 장치에 압전을 활용하면 기업은 빈번한 충전 및 배터리 사용을 줄일 수 있어 사용자는 휴대용 장치의 편리함과 향상된 안전성을 동시에 누릴 수 있습니다.

최근 나노기술의 발전으로 나노구조 압전 물질이 제작되었으며, 이는 작은 크기에서도 향상된 성능을 제공합니다.

예를 들어, 양자점, 나노와이어, 그래핀은 압전 시스템의 민감도와 효율성을 크게 향상시킬 잠재력으로 주목받고 있으며, 이는 유연 전자 및 차세대 이미징 기술과 같은 응용 분야에 매우 유용합니다.

이러한 압전 물질의 혁신은 다양한 산업에서 새로운 가능성을 열었으며, 이러한 진보가 지속됨에 따라 전 세계 압전 물질 시장은 상당한 성장을 경험할 것으로 예상됩니다.

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거대한 성장 전망

전 세계 압전 물질 시장은 2024년 15억 2천만 달러에서 2032년에는 21억 9천만 달러로 성장할 것으로 예상됩니다.

전자 및 자동차와 같은 핵심 최종 산업의 제한된 운영이 압전 물질에 대한 수요에 크게 영향을 미쳤지만, COVID-19로 인해 산소 측정기, 파이로미터, 전자 온도계, 자동 인공호흡기와 같이 압전 물질을 사용해 에너지를 변환하는 장비에 대한 수요가 급증했습니다. 이는 위기 동안 이러한 물질에 대한 수요에 영향을 미쳤으며, 이는 보고서에 언급되었습니다.

지역적으로는 특히 미국 시장이 크게 성장할 것으로 예상되며, 향후 8년 동안 전자, IT, 통신 부문의 생산 증가에 힘입어 약 2,484억 8천만 달러에 이를 것으로 추정됩니다. 또한 미국의 광범위한 우주 탐사 프로그램도 이 성장에 기여할 것입니다.

한편, 아시아 태평양 시장 규모는 9억 9천만 달러이며, 2023년에는 68.28%의 시장 점유율을 차지했습니다. 이는 중국, 일본, 대만, 인도, 한국이 생산 능력 확대에 집중하면서 전자 및 소비재 제조 허브로 부상했기 때문입니다.

라틴 아메리카의 압전 물질 시장은 아직 초기 단계이지만, 중동 및 아프리카에서는 의료 및 전자 산업이 확대됨에 따라 수요가 증가하고 있습니다.

응용 분야별로 압전 물질 시장은 센서, 공명기, 발전기 및 변압기, 액추에이터, 트랜스듀서, SONAR, 음향 장치, 모터 및 기타로 구분됩니다.

이 중 센서 부문은 소비자 전자, 제조 라인, 자동 차량 등 다양한 분야에서 기술이 적용됨에 따라 높은 CAGR로 성장할 것으로 예상됩니다.

한편, 시스템이 보낸 전기 신호를 제어용 기계 에너지로 변환하여 특정 동작을 수행하는 액추에이터는 로봇 팔, 산업 가공 도구의 정밀 제어, 차량 제동 및 가속 시스템에 적용되어 압전 물질 시장에서 가장 큰 점유율을 차지할 것으로 예상됩니다.

전자레인지, TV, 세탁기, 원격 조종 장난감 등 압전 물질을 사용해 제어 및 작동하는 소비재는 전 세계 시장에서 선두를 유지할 것으로 예상됩니다. 그 뒤를 따르는 자동차 산업은 안정적인 CAGR로 성장할 전망입니다.

압전 기술을 활용하는 기업들

이 분야를 선도하는 기업으로는 MEMS 스피커에 압전 효과를 활용하는 USound와 압전 액추에이터, 발전기, 변압기를 개발하는 Noliac가 있습니다.

Kinetic Ceramics는 압전 액추에이터, 압전 밸브, 고체 펌프, 정밀 가공, 지능형 시스템, 움직임 제어 시스템 등을 전문으로 하는 또 다른 기업입니다.

Amphenol Corporation’s Piezo Technologies (APH )는 압전 세라믹 재료와 초음파 트랜스듀서를 전문으로 합니다. 또한 이 회사의 제품에는 항공우주, 방위, 자동차, 운송 및 토목 공학에 사용되는 장치, 어셈블리 및 시스템이 포함됩니다.

CTS Corporation (CTS )은 의료 기술, 항공우주 및 산업 분야 전반에 걸쳐 압전 제품을 제조합니다. 시가총액 14억 3천만 달러인 이 회사의 주가는 현재 $47.21에 거래되고 있으며, 연초 대비 7.93% 상승했습니다. EPS(TTM)는 1.77이며, P/E(TTM)는 26.66, 배당 수익률은 0.34%입니다.

L3Harris Technologies

이 회사는 공기, 우주, 육상, 해양 및 사이버 영역을 연결하는 엔드투엔드 기술 솔루션을 제공합니다. 또한 군용 소나 및 음향, 의료 영상, 암 치료, 에너지 수집 분야의 다양한 적용을 위한 압전 세라믹 형태를 설계합니다. L3Harris는 군용 및 상업용 고객을 위한 PZT, PT, PMN 재료를 포함한 고성능 압전 세라믹을 제조하는 데 70년 이상의 재료 과학 전문성을 보유하고 있습니다.

회사의 압전 세라믹 파우더 조성은 균일하고 고성능이며 미세 입자와 고밀도로, 트랜스듀서 및 암 치료, 약물 전달, 영상, 상처 치료를 지원하는 맞춤형 재료 등 다양한 용도에 적합합니다. L3Harris의 압전 세라믹은 압력이나 진동에서 에너지를 수집하여 배터리 의존도를 낮추고 무선 센서 네트워크에 전력을 공급합니다.

작성 시점에 LHX 주가는 $248.15에 거래되고 있으며, 올해 현재 17.82% 상승해 시가총액은 470억 달러에 달합니다. 이에 따라 회사의 EPS(TTM)는 6.25, P/E(TTM)는 39.72이며, 배당 수익률은 1.87%입니다. L3Harris Technologies (LHX ) 는 곧 2024년 3분기 재무 결과를 발표할 예정이며, 2024년 2분기에는 보고된 매출이 45억 달러로 13% 증가했으며, 영업 마진은 9%였습니다.

“우리는 개선된 마진과 함께 또 하나의 강력한 분기 재무 결과를 제공했으며, 이는 운영 우수성에 대한 우리의 헌신과 고객 및 주주에게 가치를 제공하는 실행에 대한 끊임없는 집중을 반영합니다.”

– CEO Christopher E. Kubasik

결론

교통에 의해 전력이 공급되는 가로등, 건물 조명을 공급할 수 있는 바닥, 차량을 충전하는 타이어 등, 압전 물질은 청정 에너지 분야를 혁신할 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 이러한 물질도 도전 과제가 없지는 않으며, 따라서 무납 압전 물질 개발이 필요합니다.

칼코제나이드 페로브스카이트와 같은 이러한 새로운 물질은 지속 가능한 에너지 수집 기술에서 중요한 진전을 나타냅니다. 낮은 독성, 높은 안정성, 스트레스 하에서 향상된 압전 반응을 갖춘 이들은 압전 물질의 잠재력을 실현하고 에너지 생산을 혁신하는 데 기여할 수 있습니다. 그리고 연구자들이 AI를 활용해 이러한 새로운 물질을 계속 탐구함에 따라, 이 분야는 생물 의학 장치, 인프라, 웨어러블 기술에서 지속 가능한 혁신을 이끌 수 있습니다.

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