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3D 프린터로 출력 가능한 플렉서블 압전 소재



(Credit: Wang et al.)


 중국 연구팀이 플렉서블 압전 소자 를 3D 프린터로 출력할 수 있는 방법을 개발했습니다. 베이징 대학교, 중국 남방 과학 기술 대학고, 지난 대학교 (Peking University, Southern University of Science and Technology and the University of Jinan in China)의 연구팀은 세라믹 폴리머 합성 소재를 이용해서 플렉서블 압전 소재를 출력할 수 있다고 에 발표했습니다. 


 압전 효과(Piezoelectric effect)는  압력 같은 기계적 에너지가 바로 전기 에너지로 바뀌는 현상입니다. 압전 효과는 여러 가지 분야에 응용되는 중요한 성질이긴 하지만, 발전 부분에서 역할은 크지 않습니다. 발전 효율이 높다고 보기도 힘든데다 양도 얼마 되지 않기 때문입니다. 하지만 일부 연구자들은 압전 효과에 여러 가지 가능성이 있다고 보고 있습니다. 대표적인 것이 저전력 웨어러블 기기나 센서에 전력을 공급하는 압전 소재입니다. 전력을 많이 소비하는 장치가 아니고 지속적으로 기계적 힘을 받을 수 있어 배터리 없이 사용이 가능하기 때문입니다. 




 연구팀은 polydimethylsiloxane (PDMS) 소재 폴리머를 베이스로 은 코팅 PNN-PZT (PZT: Pb(Zr,Ti)O3 성분의 압전 소자) 기반 세라믹 입자를 섞은 3D 프린터용 잉크를 개발했습니다. 통상적인 PZT 소재는 세라믹 형태로 부서지기 쉽고 3D 프린터로 출력할 수 없을 뿐 아니라 당연히 플렉서블 하지 않습니다. 하지만 이 소재를 플렉서블한 폴리머에 섞는다면 이런 성질을 지니게 할 수 있습니다. 


 문제는 압전 효과가 줄어들지 않을까 하는 우려입니다. 연구팀이 거둔 의외의 성과는 탄성을 지닌 폴리머 소재에 PZT 세라믹 입자를 섞었을 때 압전 효율도 올라갔다는 것입니다. 연구팀은 이 기술이 다양한 플렉서블 기기와 통합될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 


 플렉서블 압전 소재를 3D 프린터로 출력할 수 있다면 다양한 응용이 가능해질 것임은 분명합니다. 예를 들어 신발 소재에 응용해 걸으면서 전력을 생산할 수 있다면 군용으로 상당한 이점이 있을 것입니다. 계단의 미끄럼 방지턱에 설치해서 주변의 사물 인터넷 기기에 전력을 공급하는 용도로 사용할 수 있을지도 모릅니다. 다만 진짜 상업화 가능한 기술인지는 앞으로 검증이 필요합니다. 내구성, 가격, 인체 유해성, 안전성 및 여러 가지 문제를 모두 충족하지 않으면 실제 상용화는 어려울 것입니다. 


 참고 

Zehuan Wang et al. 3D-printed flexible, Ag-coated PNN-PZT ceramic-polymer grid-composite for electromechanical energy conversion, Nano Energy (2020). DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104737

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