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촉각 증강기술 위한 고탄성 압전 세라믹 신소재 개발

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  • 2020.12.02 13:02
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KAIST, 기존 대비 탄성 변형률 3배 증가

3차원 아연 산화물 나노 트러스 구조체의 제조 방법 및 구조의 측면 이미지 (KAIST 제공) ©뉴스1
3차원 아연 산화물 나노 트러스 구조체의 제조 방법 및 구조의 측면 이미지 (KAIST 제공) ©뉴스1
(대전=뉴스1) 심영석 기자 = KAIST는 신소재공학과 홍승범 교수 연구팀이 3D 나노 구조체를 활용해 탄성 변형률이 3배로 향상된 압전 세라믹 소재를 개발했다고 2일 밝혔다.

최근 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.

촉각 증강 소재로 활용하기 위한 압전 재료의 중요한 특징은 압전 계수와 탄성 변형률이다.

하지만, 압전 세라믹 소재의 경우 압전 계수는 높으나 탄성 변형률이 낮다.

또, 고분자 소재는 탄성 변형률은 높으나 압전 계수가 낮아 하나의 소재에서 높은 압전 계수와 탄성 변형률을 모두 얻기는 힘들다.

제조 온도에 따른 3차원 아연 산화물 트러스 구조체의 기계적 탄성 변형률과 탄성계수 및 압전 계수 (KAIST 제공) ©뉴스1
제조 온도에 따른 3차원 아연 산화물 트러스 구조체의 기계적 탄성 변형률과 탄성계수 및 압전 계수 (KAIST 제공) ©뉴스1

특히, 세라믹 소재는 상대적으로 높은 압전 계수에도 불구하고 소재 내부의 결함으로 인해 탄성 변형률을 높이기가 어려워 아직 실용화 단계까지 이르지 못하고 있다.

홍 교수 연구팀은 문제해결을 위해 Δ근접장 나노 패터닝(Proximity field nanopatterning, PnP)기술 Δ원자층 증착(Atomic layer deposition, ALD) 기술을 이용해 3차원 나노 트러스(truss) 구조를 갖는 산화물 아연(ZnO) 세라믹을 제작했다.

또, 나노 인덴테이션 (Nano-indentation) 기술과 압전 감응 힘 현미경(Piezoelectric force microscopy, PFM) 기술을 이용, 제작된 구조체의 높은 기계적 특성과 압전 특성을 입증하는데 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 nm단위로 제한해 재료의 기계적 강도를 증가시켰다.

이 아연 산화물 트러스 구조체의 탄성 변형률은 10% 수준으로 기존 아연 산화물 대비 3배나 더 큰 것으로 나타났다.

압전 계수 역시 9.2 pm/V로 박막 형태의 아연 산화물보다 2배 이상 더 큰 값을 얻어냈다.

특히, 홍 교수팀이 개발한 이 구조체의 탄성 변형률 증가는 아연 산화물 외에도 다양한 압전 세라믹 소재에 적용할 수 있다.

이에 따라 향후 촉각 증강 기술에서 매우 중요한 유연한 센서와 액추에이터에 압전 세라믹을 활용할 수 있는 새로운 방법으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST 한승민 교수(왼쪽부터), 윤석중 박사과정, 김훈 박사과정, 김기선 박사, 홍승범 교수© 뉴스1
KAIST 한승민 교수(왼쪽부터), 윤석중 박사과정, 김훈 박사과정, 김기선 박사, 홍승범 교수© 뉴스1

홍승범 교수는 "언택트 시대의 도래로 감성 소통의 중요성이 증가하고 있는데 시각, 청각에 이어 촉각 구현 기술의 발전을 통해 인류는 장소와 관계없이 누구와도 소통할 수 있는 새로운 세상을 맞이할 것?이라고 전망했다.

그러면서 "이번 연구 결과를 촉각 증강 소자에 바로 적용하기에는 공정적인 측면에서 다소 보강작업이 필요하다”면서도 “소재 활용에 큰 문제가 됐던 기계적 한계를 극복해 압전 세라믹 소자로의 응용 가능성을 연 것?이라고 이번 연구에 대한 의미를 부여했다.

한편, 이번 연구 결과는 국제 학술지 `나노 에너지'에 게재됐다.

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