차세대 압전소자 물질 결정구조 규명
- 김용일 박사팀, X-선·중성자 회절로 새 구조 발견 -

□ KRISS(한국표준과학연구원, 원장 강대임) 신기능재료표준센터 김용일 박사팀이 고려대 김웅 교수팀과의 공동 연구를 통해 차세대 압전소자 물질로 기대를 모으고 있는 칼륨니오베이트(Potassium Niobate: KNbO3) 나노선(nano-wire)의 결정구조를 세계 최초로 규명했다.

   o 결정구조(結晶構造)란 물질을 구성하고 있는 원자 또는 이온이 3차원 공간 내에서 규칙적이고 반복적으로 배열되어 있는 것을 의미하며, 모든 물질은 고유한 결정구조를 지니고 있다. 다이아몬드와 흑연은 모두 같은 원자인 탄소(원자번호 16번)로 이루어져 있지만, 흑연의 단단함은 다이아몬드의 10분의 1도 안 된다. 결정구조의 차이로 인해 보석과 연필로 쓰임새가 완벽하게 달라졌기 때문이다. 이처럼 결정구조를 규명하는 것은 물성을 알아내기 위한 가장 기본적이고 핵심적인 활동이다.

   o 이번 연구결과를 통해 관련 소자의 물성 제어와 신뢰성을 확보할 수 있는 새로운 길이 열렸으며, 새로운 물성을 갖는 맞춤형 소자 생산 연구에도 영향을 미칠 것으로 예상된다.

□ 현재 대부분 전자제품의 압전소자로 사용되고 있는 대표적인 압전 물질인 ‘PZT’(납, 질콘, 티탄으로 만든 소재)는 사용규제 대상인 납(Pb)을 함유하고 있어 업계에서는 이를 대체할 물질을 찾고 있었다. 연구팀은 칼륨니오베이트가 PZT를 대체하여 전 세계 친환경 정책에 부합하는 새로운 비납(lead-free)계 압전 물질이 될 것으로 기대하고 있다.

   o 칼륨니오베이트 나노선은 자동차 엔진의 진동, 사람이 걸어 다니면서 바닥을 누르는 힘, 건물 및 다리의 흔들림 등 주위에서 무심코 버려지는 기계에너지를 전기에너지로 변환시키는 압전소자의 재료로 활용될 수 있다.

□ 공동 연구진은 X-선 및 중성자 회절을 활용한 다양한 결정구조 해석법을 통해 칼륨니오베이트 나노선의 결정 구조를 알아냈다. 지금까지 칼륨니오베이트는 상온에서 사방정계(斜方晶系,orthorhombic system)에 속하는 결정구조로 알려져 있었으나, 나노선으로 변화하면서 새로운 결정형태인 단사정계(單斜晶系, monoclinic system)에 속하는 구조임을 밝혀낸 것이다.

□ 김용일 박사는 "전 세계 연구진들이 다양한 합성법을 사용해 신물질을 개발하고 있지만, 물성을 예측하고 규명하기 위한 필수적인 결정구조에 대한 정보가 부족해 응용연구에 어려움을 겪는 상황이 많다"며 "이번 칼륨니오베이트 나노선 결정구조 규명을 통해 관련 소재 기반 응용 분야 연구가 더욱 확대될 것"이라고 밝혔다.

□ 학계에서는 김용일 박사팀이 상온 상태의 칼륨니오베이트 나노선 결정구조를 새롭게 규명함으로써 해당 물질에 대한 물리화학적 성질을 정확하게 이해할 수 있는 발판을 마련한 것으로 평가하고 있다.

□ 김 박사의 연구결과는 화학분야의 최고 권위지인 JACS (Journal of the American Chemical Society, 미국화학학회 저널)\"지 2013년 1월호에도 게재됐다.