□ 서울과학기술대학교 MSDE학과 김관래 교수 연구팀(제1저자 양이준 연구원)이 원자힘현미경(Atomic Force Mciriscope, AFM)을 이용하여, 압전 나노선 소재의 크기에 따른 압전 성능을 평가하는 방법을 개발했다.

□ 원자힘현미경에 부착된 미세한 탐침으로 산화아연 나노선을 구부릴 경우 전류가 감지되는 현상이 2006년 사이언스지에 발표되면서, 산화아연 나노선의 압전효과가 처음으로 세상에 알려진 바 있다.

□ 오늘날 전세계적으로 압전 나노선 소재를 기반으로 한 웨어러블 에너지 하베스터와 무전원 전자기기 개발이 활발히 진행되고 있다.

◦ 압전소재는 오래전부터 높은 압전성을 지닌 벌크 형태의 세라믹으로 대표되는데, 유연하지 못한 단점을 지녔다.

◦ 반면, 압전 나노선 소재의 경우, 유연한 폴리머 계열의 물질과 혼합하면 웨어러블 전자기기에도 활용될 수 있어 신체활동으로부터 전기적 에너지를 수확할 수 있다.

□ 김관래 교수 연구팀은 약 100나노미터 크기의 직경을 가진 산화아연 나노선의 압전효과를 체계적인 방법으로 평가하기 위하여, 최초로 전도식 원자힘현미경(Conductive AFM)과 횡력 현미경(Lateral Force Microscope) 신호를 동시에 분석하는 연구를 시도하였다.

□ 두 현미경에서 얻은 신호들 간의 통계적 분석을 진행한 결과, 산화아연 나노선의 종횡비가 증가할수록 적은 힘으로도 더 큰 전류를 얻을 수 있음이 증명되었다.

□ 또한, 이 과정에서 측정되는 전류가 산화아연의 압전효과 뿐만 아니라 직경이 약 50나노미터인 탐침과 산화아연 표면의 접촉에 의한 마찰전기 효과에 의한 것임을 규명하였다.

◦ 백금(Pt)와 같은 금속 물질로 코팅된 탐침으로 n형 반도체 성질을 보이는 산화아연 나노선을 굽힐 경우, 나노선의 압축된 면에 탐침이 닿는 경우에만 쇼트키 접촉이 형성되어 전류가 흐르게 된다.

◦ 연구팀이 탄성계수가 크게 다른 두 종류의 탐침으로 실험을 진행한 결과, 탄성계수가 큰 탐침으로 마찰력을 유도하며 산화아연 나노선을 굽힐 경우에는 압축된 면 뿐만 아니라 늘어난 면에 닿을 때에도 상당한 크기의 전류가 감지됨을 확인하였다.

◦ 이는 그 동안 전도식 원자힘현미경에 의해서 관찰되는 전류가 나노선의 압전효과에 의한 현상으로만 간주되던 학계의 오랜 관행을 반박하는 것이기도 하다.

□ 이번 연구 결과는 현재 활발하게 진행되고 있는 친환경 무연(lead free) 압전 나노선 소재에 대한 원자힘현미경을 활용한 압전성능 평가에도 매우 중요한 지침이 될 전망이다.

□ 이번 연구에 대한 내용은 국제학술지 「네이처」 자매지인 「사이언티픽 리포트(Scientific Reports)」 2월 호에 게재되었다. 이 연구는 한국연구재단의 이공분야기초연구사업 기본연구(2019R1F1A1057944)의 지원을 받아 수행되었다.

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