조용수 교수팀, 원자 간 거리 조절에 의한 최고의 플렉시블 압전에너지 하베스팅 성능 구현

에너지 재료 분야 최고 학술지 ‘Advanced Energy Materials’ 게재

공과대학 신소재공학과 조용수 교수 연구팀(제1저자 김다빈, 공동저자 조경수, 박성준)이 휘어진 상태에서 내부 스트레스를 가하는 인 시투(in situ) 공정을 개발해 500㎚ 두께의 할라이드 페로브스카이트 박막에서 20V 이상의 고효율 압전에너지 하베스팅 특성을 구현하는 데 성공했다.

압전에너지 하베스팅(piezoelectric energy harvesting)은 신재생에너지 변환 기술의 하나로서 주위에서 쉽게 얻어지는 진동이나 응력 등 기계적 자극을 전기에너지로 바꾸는 기술이다. 본 연구에서는 기존에 알려진 산화물계 압전 화합물과 다른 무기 할라이드 화합물(CsPbBr3)를 적용, 플렉시블 소자로서는 최고의 성능인 22.6V와 1.13㎂의 전기에너지를 구현하는 데 성공했다. 할라이드 화합물은 100도 미만의 저온 공정이 가능해 플라스틱 기판 위 플렉시블 소자로서 구현이 가능하므로 태양전지, 광검출기, 퀀텀닷 분야에서 세계적으로 연구가 가장 활발하게 진행되고 있는 신소재 중 하나이다.

최고의 성능 구현을 위해 소자 제작 시 인위적으로 내부 응력을 조성해 최적의 격자 뒤틀림을 구현했다. 즉 소자의 밴딩 시 수평 방향으로는 격자 수축, 수직 방향으로의 격자 인장을 유도해 최대의 압전 성능이 나타나도록 했다. 

또한 본 연구에서는 우수한 압전 특성의 메커니즘을 설명하기 위해 할라이드 결정구조 내에 원자 간 결합 거리와 결합 각의 변화를 추정해서 할라이드 소재에서의 팔면체 뒤틀림 거동을 정량적으로 제시했다. 할라이드에서만 가능한 경쟁력 있는 플렉시블 소자를 구현함으로써 압전 특성을 이용한 각종 센서, 엑추에이터, 트랜스듀서 분야로 다양한 응용이 가능하다. 

본 연구 결과는 와일리(Wiley)에서 출판되는 에너지 재료 분야 최고 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials, IF=29.368) 2월호에 온라인 게재됐으며 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 미래소재디스커버리사업의 지원으로 이뤄졌다.

논문정보

● 논문제목: Contribution of Anisotropic Lattice-Strain to Piezoelectricity and Electromechanical Power Generation of Flexible Inorganic Halide Thin Films

● 논문주소:  https://doi.org/10.1002/aenm.202103329