[헬로티]
KAIST(한국과학기술원) 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 3D 나노 구조체를 활용해 탄성 변형률이 3배로 향상된 압전 세라믹 소재를 개발했다.
최근 들어 시각 및 청각보다 상대적으로 발전이 더딘 촉감 구현 및 증강 기술이 주목을 받고 있다. 촉각 증강 기술은 의료용 로봇을 주축으로 한 로봇 기술뿐만 아니라 촉각을 통해 정보를 전달하는 햅틱 디스플레이, 햅틱 장갑 등 정보 전달 기술에 활용할 수 있다
이러한 촉각 증강 분야에서는 전기적-기계적 결합이 있는 압전 재료의 활용이 필수적이다. 압전 재료는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하거나 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환할 수 있는 소재로서 촉각 증강 분야에서 사용자에게 촉각을 전달하거나 사용자의 움직임을 전기적 신호로 변형시키는 데 적합한 소재다.
촉각 증강 소재로 활용하기 위한 압전 재료의 중요한 특징은 압전 계수와 탄성 변형률이다. 압전 계수는 기계적 힘과 전기적 전하량 간의 변환 효율을 나타내는 수치로써 촉각 증강 장치의 감도에 영향을 준다. 또 탄성 변형률은 소재가 가질 수 있는 기계적 변형 한계를 나타내는 수치인데 소재 및 장치가 가지는 유연성에 영향을 준다.
촉각 증강 기술로 활용하기 위해서는 압전 계수와 탄성 변형률 모두가 높은 압전 소재를 개발하는 것이 필수적이다. 하지만 압전 세라믹 소재의 경우 압전 계수는 높으나 탄성 변형률이 낮고, 고분자 소재는 탄성 변형률은 높으나 압전 계수가 낮아 하나의 소재에서 높은 압전 계수와 탄성 변형률을 모두 얻기는 힘들다.
▲3차원 아연 산화물 나노 트러스 구조체의 제조 방법 및 구조의 측면 이미지
▲제조 온도에 따른 3차원 아연 산화물 트러스 구조체의 기계적 탄성 변형률과 탄성계수 및 압전 계수
홍 교수 연구팀은 문제해결을 위해 근접장 나노 패터닝(PnP) 기술 및 원자층 증착(ALD) 기술을 이용해 3차원 나노 트러스 구조를 갖는 산화물 아연 세라믹을 제작했다. 또 나노 인덴테이션 기술과 압전 감응 힘 현미경(PFM) 기술을 이용, 제작된 구조체의 높은 기계적 특성과 압전 특성을 입증하는 데 성공했다.
홍 교수팀이 개발한 압전 아연 산화물 구조체는 100 나노미터(nm) 이하의 두께를 가지면서 내부가 비어있는 트러스 구조체다. 기존 세라믹이 보유하고 있는 내부 결함의 크기를 나노미터 단위로 제한해 재료의 기계적 강도를 증가시켰다.
이 아연 산화물 트러스 구조체의 탄성 변형률은 10% 수준으로 기존 아연 산화물 대비 3배나 더 큰 것으로 나타났으며 압전 계수 역시 9.2 pm/V로 박막 형태의 아연 산화물보다 2배 이상 더 큰 값을 나타냈다.
KAIST 신소재공학과 김훈 박사과정, 윤석중 박사과정, 김기선 박사가 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 전석우 교수와 한승민 교수 연구팀과 함께 진행됐으며 연구 결과는 국제 학술지 `나노 에너지(Nano Energy)'에 게재됐다.
▲(왼쪽부터) KAIST 한승민 교수, 윤석중 박사과정, 김훈 박사과정, 김기선 박사, 홍승범 교수
