마이크로 에너지 변환 지능형 세라믹 소재 기술

홈 네트워크, 로봇, 미래형 자동차 등 미래 성장 동력 분야의 완성도를 높이기 위한 기반 기술로서 정보 수집 및 자체 구동이 가능한 센서 네트워크의 확보가 절실히 요구된다. 이를 위해 시스템 내에 센서가 내장되어 주변 정보를 인지하고 구동하는 센서 및 액츄에이터가 반드시 구비되어야 한다. 현 상황에서 미래 삶의 질 향상을 위한 유비쿼터스 센서 네트워크 구축에서 문제점으로 대두되 는 것은 센서 네트워크를 구동할 전원 공급 장치이다. 넓

은 범위에 분포할 센서를 전선으로 연결하거나 배터리 (battery)를 이용하여 구동하는 것은 매우 어렵기 때문에 자연에서 버려지고 있는 에너지를 수확하여 이용하는 방 법이 가장 가능성 있는 대안으로 제시되고 있다. 자연에 서 수확이 가능한 에너지는 그 양이 매우 적으므로, 센서 를 구동하기 위해서는 센서 자체의 소비전력을 획기적으 로 낮추는 것이 필요한데 이를 위해서는 센서의 복합화, 저전력화가 필수적이다. 그러나, 현존하는 소재의 한계 성능으로 인해 획기적인 센서의 저전력화, 복합화가 어 려우므로 새로운 개념의 소재 개발이 요구된다.

_ 이형규, 이우성, 강형원, 유명재 전자부품연구원 전자응용연구센터

Fig. 1. USN(Ubiquitous Sensor Network) 응용 분야 예.

주변 환경에서 얻을 수 있는 에너지의 소스는 여러 가 지 형태가 있다. 태양에너지, 풍력에너지, 열전에너지, 압 전에너지 등이 있을 수 있는데 현재 개발되고 있는 에너 지 밀도를 Table 1에 예시하였다. 각각의 에너지를 이용 하는 방법에는 장단점이 있으나 본고에서는 압전 에너지 하베스트에 관해서만 논하기로 한다.

압전 에너지 하베스트 기술은 주변의 소음과 진동, 구 부러짐과 같은 불연속적 힘을 전기로 변환해 저장하는 친환경 기술이다. 주로 압전 소자를 이용해 기계적 에너 지를 전기적 에너지로 변환한다. 세계적으로 압전 발전 을 응용한 사례를 살펴보면 Fig. 3에서와 같이 일본 아라 가와현에 있는 고시키자쿠라 대교에 설치한 압전체로, 교량에서 차량의 움직임(진동 : 기계적 에너지)을 전기적 에너지로 저장하여 일몰 후 도로, 교량의 전원으로 사용 하고 있다.

일본 지하철역 출입구 바닥에 압전 발판을 설치하여 보 행자의 걸음(기계적 에너지)을 전기적 에너지로 저장하여 지하철 내 안내판 표시 전원으로 사용하고 있다.(Fig. 4)

친환경 나이트클럽으로 잘 알려진 영국의 나이트클럽 (Surya), 네덜란드의 나이트클럽 (WATT)에서 바닥에

Fig. 2. 무선통신기기에 삽입된 마이크로 파워 제너레이터 개념도.

Table 1. Power Densities of Harvesting Energy Source

Fig. 3.

압전 발전기를 설치하여 고객의 춤에 발전을 일으켜 조 명을 사용하고 있는 것도 압전 에너지 하베스트의 한 예 라 할 수 있다.(Fig. 5)

최근에는 압전 소자의 효율성이 크게 높아지고 있고 무선충전기술 연구 또한 활발하게 진행되고 있기 때문에 2012년 이후에는 휴대폰 등 소형 전자제품의 리튬 배터 리도 대체 가능할 것으로 판단되고 있다.

또한 압전 에너지 하베스트 분야는 MIT의‘Technolo- gy Review(3/4월호)’를 통해 2009년 10대 유망 기술에 선정된 분야로서 압전 성질을 이용하여 나노 크기의 센 서에 전력을 공급하는 기술에 대하여 소개되었다. 압전 발전기에 관해서는 현재 다양한 관점에서 연구가 진행되 고 있다. 소재분야에서는 압전 변환 전력밀도가 큰 소재

를 연구하고 있고 구조 분야에서는 발생 전력을 충전에 적절한 형태로 변형하고 저전압 고전류 발생이 가능한 적층 구조에 대한 연구, 유연성을 갖을 수 있는 세라믹- 폴리머 복합화에 대한 연구 등이 시도되고 있다. 이와 연 계하여 발생된 전력을 어떻게 저장하고 기계적 진동 소 스에 대한 불연속 발생전력을 어떻게 관리할 것인가에 대한 연구 (하나의 예로, 에너지 관리 IC에 대한 연구, EPMIC(Energy & power Management IC)) 등이 이루 어지고 있다. 본 연구에서는 압전 에너지 하베스팅 중 소 재 분야에서 소재 및 공정을 통한 최적 구조를 집중 연구 하여 전력밀도 관점에서 기존에 연구된 전력밀도 값보다 20배 이상 큰 소재 및 구조를 찾아내는 것이 목표이다.

2.1. 압전 세라믹 소재

현재 압전 에너지 하베스트 관련 소재에 대한 연구는 크게 압전 소재로 대표되는 PZT( Pb(Zr,Ti)O3) 기반으로 페로브스카이트계 재료의 복합물로 압전 전력밀도가 큰 소재를 찾고자 연구하는 그룹과 다른 한편으로는 친환경 분야의 비연계 압전 소재를 대상으로 연구하는 그룹이 있다. 미국 캘리포니아 주의 Pb 사용을 규제하는 Pro- position 65와, 유럽연합의 위험물질 사용에 관한 지침 (RoHS)에 따라 Pb을 포함한 중금속 물질의 사용을 금지 하고 있다. 비록 PZT에 함유된 Pb는 예외 사항으로 두었 지만 PZT를 대체할 수 있는 물질이 개발되면 압전 소재

Fig. 4.

Fig. 5.

에서도 Pb의 사용을 금지할 것으로 예고되고 있다. 이러 한 환경적인 제약 때문에 PZT를 대체 할 수 있는 비연계 압전 세라믹스에 대한 연구가 전 세계적으로 활발히 진 행되고 있다. Yasuyoshi Saito 등이 2004년 11월 Nature 지에 PZT 세라믹스의 압전 특성과 유사한 (NaK)NbO3- Li(NbTaSb)O3(NKN-LNTS) 재료의 압전 특성을 발표한 이후 비연계 압전 재료의 개발 가능성이 확실시 되고 있 다. 최근 10여 년간 국내외에서 출원된 친환경 압전 소재 에 관한 특허는 약 250여 편으로, 국내 및 해외 특허의 대부분이 일본 회사에서 출원한 것이다. 주요 특허를 조 성별로 정리하여 아래 Table 2에 나타내었다. 대부분이 일본기업에서 출원한 것들이며, 조성은 BNT계, NKN계, Bi-층상구조 계가 가장 많이 출원되고 있다.

Table 3에서 알 수 있듯이 비연계 압전 재료는 그 성능 면에서 PZT에 비해 특성이 부족하여 아직 압전 액츄에 이터 분야에 실용화 되지는 않았지만 현 개발 추세로 볼 때 향후 10년 이내에 상용화 될 것으로 전망된다. 그러나 에너지 하베스트면에서는 비연계 압전재료에서도 전력 밀도 측면만 고려하면 그리 불리하지만은 않다. 전력밀 도는 하기의 식으로 표시된다.

(1) U : 발생 에너지 (Joule)

d : piezoelectric strain constant g : piezoelectric voltage constant F : force

S : 진동 모드별 형상 factor ε : dielectric permittivity

전력밀도 계수에서 외형과 외부 힘을 제외하면 하기와 같이 표시된다.

(2)

전력밀도 계수 측면에서 보면 Table 4에서 알 수 있듯 이 PZT계 소재에 비해 비연계 소재는 압전 계수 측면에 서는 특성 값이 떨어지나 전력밀도 계수 측면에서는 유 전율이 작아 d332/ε 값을 비교하여 보면 PZT계 전력밀도 계수 못지않은 특성을 갖고 있다. 비록 비연계 압전 소재 는 재현성확보의 어려움이나 제조 공정이 까다로운 단점 이 있으나, 전력밀도 측면에서는 충분히 연구할 가치가 있는 소재이다.

현재 통상적인 PZT계 압전 에너지 하베스팅분야의 논 문을 보면 켄티레버형 하베스터 구조에서 단위 부피당 330 µW/cm³를, Guyomar 등은 6 mW/cm³의 밀도를 갖 는 압전발전기를 개발하였다고 보고하고 있다. 그러나 이러한 것들은 외부의 힘이 얼마나 주어 졌는지에 대한 자료가 누락되어 있어 상대적으로 그 값의 대소를 판별 하기가 어렵다. 다만 USN 분야에서 센서노드의 센싱, 신 Table 2. 국외에서 출원된 친환경 압전 세라믹스의 주요 조성별 특

허 동향

개발기관 주요 조성계 대표적인 특성

NEC-Tokin, Bi0.5(Na1-xKx)0.5TiO3(BNKT) kp=0.43 BNT 계 NGK, Bi0.5Na0.5TiO3- d33=253 pC/N,

Nissan, TDK 등 BaTiO3(BNBT) k33=0.62 Murata, Toyota, K1-xNaxNbO3

d33=223 pC/N, NKN 계 Matsushita, (Na0.475K0.475Li0.05)(Nb1-xSbx)

kp=0.45, 유전율=1223 SIEMENS 등 O3+yCeO2+zBO2

Bi-층상 Murata, TOKO (Sm,Bi3)TiNbO9 Qm=12500, Tc=833℃

구조 계 Matsushita 등 (Na0.5Bi0.5)Bi4Ti4O15+MnCO3d33=35 pC/N, Tc=665℃

Table 3. 친환경 압전 소재와 PZT계 압전 소재의 비교 PZT 계 친환경 압전 소재 성능 비교 압전상수가 큰 조성 d33~600pC/N BNT, NKN 계:

PZT계 대비 (soft piezoelectrics) k33~0.75 d33=200~250pC/N

40~50%

k33=0.4~0.6 기계적 품질계수가 d33~225pC/N Bi-층상구조계:

큰 조성 k33~0.65 d33<50pC/N PZT계 대비 (hard piezoelectrics) Qm > 1,000 k33<0.25 30~40%

Qm~10,000

Table 4. 친환경 압전 소재와 PZT계 압전 소재의 비교 Materials d33 d31 d15 비전유율

d

/

d

/

d

/

pC/N (ε⁰) (pm²

/N) (pm

/N) (pm

/N)

NKN계 ~400 ~150 - ~1500 12.1 1.7 -

BiFeO3계 ~100 - - ~80 14.1 - -

호처리, 무선통신 등에 필요한 전력이 대략 50 mW 정도 의 전력이 필요하다고 알려져 있다. 따라서 압전 발전 분 야에 있어서 분명한 것은 아직도 자가 발전을 위한 발전 량이 매우 부족하다는 것으로 이에 대한 신소재 및 대전 력 발생 구조 등에 대한 집중 연구가 필요한 상황이다.

2.2. 세라믹-폴리머 복합 소재

압전 에너지 하베스팅 관련 소재에 대한 연구에서 친 환경 비연계 압전 소재 뿐만 아니라 이들의 복합 소재에 대한 연구도 필요하다. 세라믹은 외력(진동에너지)에 취 성파괴가 쉽게 일어나기 때문에 세라믹-폴리머 복합소재 의 개발은 취성에 약한 점을 보완하고 플렉서빌리티 (flexibility)를 부여함과 공진주파수의 저주파를 유도하 고 동시에 특성 향상을 도모하는데 목적을 두고 있다.

압전체에서 형성된 교류 전력은 정류회로를 거쳐 슈퍼 캐퍼시터나 이온전극 배터리에 저장하였다가 전원으로

사용한다.

압전 발전시스템의 특성을 최적화시키기 위해서는 발 전을 일으키는 압전소재의 전력밀도 계수가 커야함은 말 할 것도 없거니와 외부의 진동에너지를 받아 전기적 에 너지로 변환하도록 연속된 반복 진동을 일으켜서 발전에 휴면시간이 없는 탄성계수를 갖도록 시스템이 설계되어 야 한다. 세라믹은 보통 수 mm 두께 판상형으로 수십 mm 정도의 크기를 갖는다고 할 때 면적 진동시 수십 KHz, 두께 진동시 수백 KHz의 공진주파수를 갖기 때문 에 자연에서 존재하는 외부 진동수가 인가되더라도 높은 출력을 얻기가 어렵다(자연 진동수가 대부분 100 Hz 이 내). 압전 발전기의 발생 전력은 공진주파수에서 가장 극 대화되는데 이를 위해서 세라믹-폴리머 복합 소재는 공 진주파수의 저주파화를 유도하기에 유리한 소재이고 외 부 진동에 파괴될 염려가 없이 진동을 연속적으로 반복 할 수 있는 소재이다. 이러한 복합 소재의 연구가 세계적

Fig. 6.

Fig. 7.

으로 진행 중에 있다. Fig. 8은 복합 소재의 예를 보여주 고 있다.

상기 압전 복합 소재는 세라믹-폴리머 2종(species)의 복합 소재에 2차원 평면(2 dimension) 대칭 교차 패턴으 로 구현된 소재로서 지금까지 개발된 압전 복합 소재 중 가장 우수한 소재들이다. 압전 소형 발전기(piezoelectric micro generator) 분야에서 에너지 변환 지수(figure of merit)인 압전 변위 계수와 압전 전압 계수(piezoelectric voltage constant)의 곱인 d33×g33값을 소재 성능 지수로 사용하고 있는데 현재 세계적으로 우수한 압전 세라믹- 폴리머 (ceramic-polymer) 복합 소재는 12 pm²/N 값을 갖 고 있다.

본 연구에서 세라믹-폴리머 복합 소재의 개발을 위해 먼저 우수한 특성의 압전 세라믹을 결정한 후 세라믹과 폴리머의 매칭성이 좋고 열적 특성이 우수한 폴리머를 선정한다. 폴리머는 유전손실이 적고(low dielectric loss), 절연저항이 낮고(폴링공정에서 유리함), 유리전이온도 (glass transition temperature)가 높은 소재이어야 한다. 주 로 열경화성 수지로 epoxy계, cyanate ester계, COP (cyclo

Fig. 8. (a) Thunder, (b) Active Fiber Composite, (c) Macro

Fig. 9.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

olefin polymer)계, PPO(poly phenylene oxide)계 등을 가 교제(coagent)와 혼합하는 방식으로 복합 조성을 개발하 고자 한다. 세라믹-폴리머 복합 소재의 테이프(tape) 성 형은 filler(압전 세라믹)의 충진율과 분산 특성을 고려하 여 최적의 배합 비율을 유지하여 만든다.

성형된 복합 소재의 테이프를 build up 방식의 적층 공 정을 활용하여 압전 발전에 있어 고전류의 전력이 얻어 지도록 다층 압전복합체를 제작하면 유리하다. Fig. 9에 build up 방식의 적층 공정을 도시하였다.

2.3. 진동형태에 따른 에너지 변환 (31, 33, 15진동모드)

모드, 15진동모드로 구분할 수 있으며 Fig. 10에 도시하 였다. Fig. 10에 나타낸 3가지 진동모드 모두 상하 양단 에 전극이 형성되어 있다.

Table 4에서 알 수 있듯이 전력밀도 계수는 하기와 같 은 순으로 그 값을 갖고 있다.

31진동모드 < 33진동모드 < 15진동모드

압전 발전시스템은 유니모프나, 바이모프형태가 주류 를 이루고 있는데 이는 외부 진동에 유연하게 반응하며 연속적인 진동을 전기에너지로 바꾸는데 유용하기 때문 이다. Fig. 11은 바람을 이용한 압전 발전시스템의 개략도 로서 풍차구조에서 압전 복합 소재 바이모프 형태의 바 퀴살이, 바람에 의해 내부 축이 회전하면서 굴곡운동을 반복하므로 전기를 발생시키는 장치를 보여주고 있다.

또한 Fig. 12는 2006년 UTA workshop에서 선보인 시

Fig. 10.

Fig. 11.

제품으로 온도/압력센서가 내장되어 무선으로 신호 처리 를 하는 디바이스의 압전 발전시스템 (MFC : micro fiber composit 장착)을 보여주고 있다.

상기의 응용 예에서 볼 수 있듯이 대부분 압전 발전은 유니모프나 바이모프 형태의 발전, 즉 31진동모드를 활 용하고 있음을 알 수 있다. 이렇듯 압전 발전기의 구조는 대부분 31진동모드를 이용하거나 일부 33진동모드를 활 용하고 있으며, 15진동모드는 다른 진동모드에 비해 월 등히 큰 전력밀도를 갖고 있음에도 불구하고 전단응력 (Shear stress)방향으로 진동을 주어야 하기 때문에 구현 이 어려운 점을 들어 잘 활용하지 않는 편이다. 본 연구 에서는 세라믹-폴리머 복합체를 시트 형태로 제작하고 내부 패턴을 적절히 설계하여 적층 구조로 하며, 순수한 15진동모드는 어렵더라도 31진동모드나 33, 15진동모드 가 혼재된 구조를 만들어 전력밀도가 높은 압전 발전기 를 만들고자 한다.

압전 에너지 하베스팅에서 가장 중요한 것은 무엇보다 전력밀도 계수가 높은 압전 소재를 개발하는 것이다. 기 존의 PZT 계열의 소재가 현재까지는 잘 알려진 소재이 지만 비연계 소재도 앞서 언급하였듯이 비록 압전 변위 계수 d값은 PZT 계열 소재보다 작으나 압전 전압계수 g 값이 크기 때문에 (압전 액츄에이터 분야에서는 아직 특

성이 작아 응용에 제약을 받지만) 에너지 하베스팅 분야 에서는 결코 불리하지 않은 소재이다. 향후 2~3년 이내 에 비연계 소재에서도 실용화가 가능한 소재가 개발될 것으로 사료된다. 친환경 소재의 사회적 요구에도 부응 하는 결과를 덤으로 얻을 수 있는 잇점도 있다.

또한 압전에너지 변환자를 설계할 때 어떤 환경에서 하베스팅을 할 것인가를 고려하는 것이 중요하다. 풍력 발전에서도 바람의 속도에 따른 발전의 cut in, cut out이 정해져 있듯이 압전 발전에서도 예외는 아니다. 세라믹 은 응력파괴가 쉽게 발생하기 때문에 고분자와 복합체를 형성하는 것도 그러한 이유지만 외부 진동에 의한 에너 지의 소스가 넓은 범위(진동 외력)에 걸쳐있으면 설계에 제약을 받게 된다. 가령 외부의 기계적 에너지가 약한 힘 으로부터 큰 힘까지 다양하게 걸쳐있다고 가정할 때, 압 전체의 구조 설계를 약한 힘에 맞춰 설계한다면 큰 힘에 는 파괴되어 못 쓰게 되고, 큰 힘에 대응되는 압전체를 설계하였다면 약한 에너지가 들어올 때 에너지 변환 효 율이 미약하여 손실로 소멸되는 문제점이 있다. 일반적 으로 세라믹은 인장응력(Tensile stress)에는 파괴강도가 약하고 압축응력(Compress stress)에는 큰 파괴강도를 갖고 있다. 예로서 유니모프형태(윗면에 압전세라믹, 아 래층에 메탈 또는 폴리머 형태)의 압전 발전기에서 외력 에 요철변형이 일어날 때 요(凹, concave)형태에서는 세 라믹은 압축응력을 받게 되고 철(凸, convex)형태에서는 인장응력을 받게 된다. 결국 철형태의 변형이 가해질 때 일정 이상 외력이 있으면 파괴될 확률이 크게 된다. 따라 서 유니모프 형태라면 외력이 어느 방향에서 입력되는가 를 고려하여 압전 발전기의 상하를 구분한다면 상대적으 로 넓은 범위의 외력에 의한 발전이 가능할 것이다. 또한 앞서 언급하였듯이 변환자의 설계시 압전체의 진동모드 를 가능한 전력밀도 계수가 큰 33진동모드나 15진동모 드에 근접한 진동이 일어나는 방식으로 설계하는 것도 하베스팅에 유리한 요소가 될 것이다.

본 연구는 지식경제부 소재원천기술개발사업으로 진

Fig. 12. MFC(Macro Fiber Composite)를 사용한 무선 온도, 압

행중이며, 이에 감사드립니다.

1. http://www.technologyreview.com/specialreports/

2. D. Guyomar, Y. Jayet, L Petit, E. Lefeuvre, T.Monnier, C.Richard, and M. Lallart, “Synchronized Switch Harvesting Applied to Selfpowered Smart System”,

Sensor & Actuator A, 138 151-60 (2007).

3. N.L.G. Elvin, N.Lajnef, and A. A. Elvin, “Feasibility

of Structural Monitoring with Vibration Powered Sensors”, Smart mater. Struct., 15 977-86 (2006).

4. S.Priya, “Advances in Energy Harvesting Using Low Profile Piezoelectric Transducers”J. Electroceram., I9 165-82 (2006).

5. S.priya, C. Chen, D.Fye, J. Zhand, Jpn. J. Appl. Phys.,

44 104 (2004).

6. Technical Paper Presented by Smart Material Corp.

at UTA Workshop, 2006.

1984 연세대학교 세라믹공학과(학사) 1986 KAIST 재료공학과(석사) 1989 KAIST 재료공학과(박사) 1989~1992 삼성반도체 선임연구원 1992~현재 전자부품연구원 수석연구원

(센터장)

1990 고려대학교 금속공학과(학사) 1992 고려대학교 금속공학과(석사) 2008 고려대학교 금속공학과(박사) 1992~1997 (주)유유 부설연구소 과장 1997~현재 전자부품연구원 책임연구원

1997 연세대학교 전기공학과(학사) 1999 연세대학교 전기공학과(석사) 1999~2002 삼화콘덴서공업(주) 연구원 2002~2004 대우일렉트로닉스 주임연구원 2004~현재 전자부품연구원 선임연구원

1997 고려대학교 재료공학과(학사) 2002 고려대학교 재료공학과(석사) 2008~현재 고려대학교 신소재공학과

(박사과정)

2002~현재 전자부품연구원 선임연구원