무연 페로브스카이트는 압전 에너지 수확의 새로운 시대를 약속합니다

한 연구팀이 스트레스를 받으면 전기를 생성하는 칼코게나이드 페로브스카이트 화합물로 채워진 고분자 필름을 만들었습니다.

연구원들이 스트레스를 받으면 전기를 생성하는 칼코게나이드 페로브스카이트 화합물로 채워진 고분자 필름을 만들었습니다. 이 현상은 단순히 기계적 응력이 가해질 때 특정 재료가 전하를 생성하는 능력인 압전 효과로 알려져 있습니다.

압전 효과는 결정 구조 대칭이 부족한 재료에서 발생합니다. 결정, 세라믹, 고분자, 뼈, DNA, 각종 단백질 등의 생물학적 물질은 다양한 종류의 압전재료입니다.

이러한 물질은 기계적 진동과 관련된 에너지를 수집할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이러한 형태의 에너지의 가장 좋은 점은 우리 주변에 풍부하게 존재하며 자연에서 재생 가능하다는 것입니다.

그러나 최신 연구 결과에 따르면 성능이 가장 좋은 압전 소재에는 납(Pb)이 함유되어 있어 암을 유발하고 뇌종양 위험을 높이며 DNA 복구를 방해하는 경향이 있습니다.

납이 포함된 물질은 위험하므로 규제 당국에서는 환경 보호를 위해 납 사용을 제한했습니다.

납은 무겁고 가단성이 있으며 녹는점이 상대적으로 낮은 자연 발생 금속인 납의 독성으로 인해 재료와 장치에서 점차적으로 사용이 중단되고 있습니다.

따라서 팀의 목표는 납이 없고 자연에서 흔히 발견되는 요소를 사용하여 저렴하게 만들 수 있는 소재를 만드는 것이었습니다.

그래서 Rensselaer Polytechnic Institute(RPI) 팀은 납을 포함하지 않을 뿐만 아니라 성능이 뛰어난 몇 안 되는 소재를 사용했습니다. 따라서 생의학 응용 분야, 기계 및 인프라에 사용하기에 적합한 후보입니다.

팀이 사용한 무연 소재는 압전성을 나타내는 칼코게나이드 페로브스카이트 계열에 속합니다. BaZrS3는 연구에 사용된 조성으로, 뚜렷한 압전 반응을 보이는 것으로 보고되었습니다.

칼코게나이드 페로브스카이트는 최근 많은 관심과 발전을 얻고 있습니다. 이 화합물 계열은 낮은 독성, 높은 안정성, 직접 밴드 갭, 우수한 캐리어 수송 능력 및 강한 광 흡수와 같은 많은 유리한 특성을 갖는 페로브스카이트 구조와 관련이 있습니다.

이러한 특성으로 인해 페로브스카이트는 광전지, 광검출기, 발광 장치, 광촉매와 같은 응용 분야에서 매우 뛰어난 성능을 발휘합니다.

흥미롭게도 대부분의 고성능 압전 재료는 중심칭이 아니므로 본질적으로 높은 분극성을 나타냅니다. 그러나 연구에 사용된 것을 포함하여 많은 산화물 페로브스카이트는 원시 형태에서 약하게 압전되는 중심대칭 결정 구조를 나타냅니다. 이러한 화합물은 본질적으로 순 쌍극자 모멘트가 부족하기 때문에 실제로 비극성입니다.

쌍극자 모멘트는 압전 재료가 응력을 받을 때 작동하는 방식을 가리키는 학명으로, 재료의 양이온과 음이온이 분리되는 방식으로 변형됩니다. 이 쌍극자 모멘트를 활용하여 전류로 바꿀 수 있습니다.

그러나 순 쌍극자 모멘트가 없는 상황에서 팀은 어떻게 압전성을 달성했습니까? 글쎄, 그들은 문제를 극복하기 위해 칼코게나이드 페로브스카이트 구조 내의 느슨한 패킹을 활용합니다.

녹색 에너지 응용을 위한 기술 확장

중심대칭임에도 불구하고 무연 칼코게나이드 페로브스카이트 재료가 변형되면 매우 빠르게 분극화된다는 최신 연구 세부정보가 있습니다. 이는 헐렁하게 채워진 단위셀에 빈 공간이 많기 때문이다.

이러한 상당한 양의 빈 공간은 이온의 확장된 변위를 허용하며, 결과적으로 대칭성이 감소하고 변위 매개 쌍극자 모멘트가 증폭됩니다.

팀은 재료의 압전성을 확인하기 위해 BaZrS3에 압전응답현미경(PFM)을 실시했습니다.

PFM은 기능성 원자현미경(AFM) 모델로 나노미터 규모의 다양한 물질의 전기기계적 특성에 대한 고유한 정보를 제공하는 것으로 인정받고 있습니다.

팀에 따르면 칼코게나이드 페로브스카이트 소재의 구조적 대칭성은 스트레스를 받으면 쉽게 깨질 수 있어 압전 반응이 향상됩니다. 그래서 확인 후, 연구팀은 폴리카프로락톤에 분산된 BaZrS3 입자의 복합재를 개발했습니다.

합성된 신소재에는 바륨, 지르코늄, 황이 포함되어 있으며, 이를 인체 동작에서 에너지를 수확하고 전기화학 및 전자 장치에 전력을 공급하는 데 사용했습니다.

팀은 달리고, 걷고, 손가락을 두드리고, 박수를 치는 등의 신체 움직임을 물질에 적용하여 물질의 전기 생성 능력을 테스트했습니다. 실험 중에 생산된 전기는 LED 뱅크(RPI)에 전력을 공급하기에 충분한 것으로 나타났습니다.

“우리는 녹색 에너지로의 전환을 지원할 수 있는 우리의 발견과 그 잠재력에 흥분하고 격려를 받습니다.”

– Nikhil Koratkar, 연구 공동저자

그에 따르면 물질은 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. Koratkar에 따르면:

“가해지는 압력 하중이 클수록, 압력이 가해지는 표면적이 클수록 효과는 커집니다.”

팀이 만든 에너지 하베스팅 필름은 두께가 0.3mm에 불과해 건물, 고속도로 등 다양한 기계, 장치, 구조물에 통합해 사용할 수 있다.

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