1. 서 론

압전 세라믹 재료는 압력이나 진동 등의 외력이 가해졌을 때 전기적 에너지가 발생하거나 외부 전계가 인가 되었을 때 기계적인 변형이 일어나는, 에너지 상호 변환이 가능한 소자에 쓰이는 재료이다. 이러한 특징으로 인해 압전 변압기, 압전 트랜스듀서, 압전센서, 압력 및 촉각센서, 액추에이터 및 레조네이터 등에 사용되는 것을 비롯해 의료기기, 센서기기, 가정용 전자기기 분야 등에서 매우 넓은 범위로 응용되고 있다[5,7,8,10].

초기 상용화 모델부터 지금까지 주로 사용되고 있는 압전 소재는 유연계 납(Pb) 성분을 함유하고 있는 PZT(Pb(Zr, Ti)O₃), PMN-PT(Pb(Mg_1/3,Nb_1/3)O₃-PbTiO₃) 기반의 강유전체 화합물이다. 이는 높은 압전 특성과 상용온도 부근에서의 온도 안정성, 저렴한 가격 등의 산업적 이점이 많아 현재까지도 사용되고 있다. 그러나 2000년대 초반부터 전기 전자제품에 인체 및 환경에 영향을 초래하는 물질 사용을 제한하는 안건인 RoHS라는 유럽환경규제(유해물질 제한 지침(Restriction of Hazardous Substances Directive)은 유럽 연합(EU)에서 시행되며 해로운 물질을 사용한 전자제품이나, 전기기기를 제한하는 지침이다. 일반적으로 RoHS(알오에이치에스)라고 적는다. 2003년 2월에 WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment)의해 제정 공포되고 2006년 7월 1일에 발효되었다.)를 통해 사용 제한이 본격화되었다. 이에 2002년 전자제품 폐기물에 포함된 유해물질에 대한 규제(WEEE) 및 전자제품에 유해물질 사용 자체를 제한하는 규제(RoHS/ Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment)가 유럽 연합에서 공표되면서 중금속 유해물질에 속하는 Pb를 함유하지 않은 무연 압전소재에 대한 연구가 활발해지고 있다[6,9].

PZT계 압전세라믹 소재를 대체할 다양한 무연압전소재 중에서 비스무스(Bi)계 무연압전세라믹 중 하나인(Bi_1/2Na_1/2)TiO₃(BNT), (Bi_1/2K1/2)TiO₃(BKT)은 강유전 세라믹 물질로서, 높은 유전율 온도를 대체할 수 있는 높은 잔류분극 특성을 가지기 때문에 유연계(Pb) 압전세라믹스를 대체할 대표적인 무연 압전소재로 여겨지고 있다. BNT계 무연 압전세라믹스는 독일의 다름슈타트 공대 Zhang 등의 연구진에 의해 최대 0.4% 이상의 매우 큰 전계유기 변형률이 처음 발견된 이후, 활발한 연구가 진행되고 있다[12]. 하지만 절연 파괴 전압(break-down voltage)이 낮아서 분극(Poling) 처리하기가 어렵고 높은 항전계(coercive field) 값을 가지며, 높은 전계유기 변형율 값은 5kV/mm 이상의 높은 외부 전계를 인가할 때 발생하므로, 산업적 측면에서는 실용적으로 사용하기에는 어려운 문제점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 지난 연구에서 Bi_0.5 (Na_0.78K_0.22)_0.5TiO₃(=BNKT) 분말을 합성 후, BNKT 분말 표면에 Bi, Na 및 K 성분을 갖는 BNK를 표면 코팅을 실시하여 코어쉘 구조(BNKT-BNK)를 형성해 저온 소성이 가능하며, 최대 전계인가 값에 대한 변형률 값이 증가하며 압전계수(d₃₃=S_max/E_max)의 평균값은 310.59(pm/V)로 확인할 수 있었다[11]. 이렇듯 Bi기반의 무연압전세라믹의 변형은 도핑이나 고용체 경로를 통해 많은 연구가 진행되어왔다. 무연압전세라믹소재의 특성값은 적용대상 어플리케이션에 따라 그 특성값의 차이가 있기에 유사 실험연구가 많은 학교나 기관 및 기업체에서 진행되었겠지만 이번 연구는 Bi계가 갖는 특성 중 기존 유연압전소재를 사용하여 구동하고 있는 선형액추에이터의 안정적 인 구동을 위한 물리적, 전기적 특성과 미세구조 및 결정적 변화를 분석하여 대체값을 얻고자 하는 것이다. 적용 대상 어플리케이션은 동일하지만 연구방향이 다른 선행 연구 사례로, 입자 크기 제어에 의한 Bi계 무연압전세라 믹 복합소재의 전계유기 변형 특성 개선이라는 연구가 있다[2]. 이 연구의 목적은 높은 변형률은 고전계에서만 발생되기 때문에 액추에이터 등의 응용분야에 적용하기 위해서는, 높은 변형이 저전계에서 나타나도록 개선하고자 강유전성(BNKT)입자를 완화형 강유전체(BNKT2LF) 고용체에 분산처리방식을 이용하여 복합소재 제작을 시도한 사례다[2]. 또 다른 선행연구로는, 적용대상 어플리케이션은 다르지만 실험 방식이 유사한 사례로, 0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3 세라믹의 압전 특성 분석 및 변압기 응용에 관한 연구가 있는데, 이 선행연구는 BZT-BCT 도펀트 Sb2O3의 0.1 mol%는 도핑되지 않은 BZT-BCT에 비해 향상된 압전 성능을 제공할 수 있어 압전 변압기 용도에 적합한 소재임을 제시한 사례로 무연압전세라믹소재의 특성을 조사 분석하여 압전 변압기에 적합한 최적의 소재를 제시하고자 하였다는데 에서 연구실험 방법이 유사한 사례이다[3]. 선행연구가 본 연구와의 차별된 부분이 있다면 선행 연구는 유연압 전세라믹소재가 갖는 저전계 구동전압에 근접하기 위한 복합소재 제작이라는 점이고, 이 연구는 선형 액추에이터가 갖고 있는 물리적, 전기적, 그리고 입자의 구조와 결정의 특성값들을 Bi계 무연압전세라믹 소재로 대체하고자 하는데에서 그 차별성이 있다 하겠다. 그 중에 Fe³⁺ 를 사용한 도핑은 PZT 기반 압전 세라믹의 전기적 특성 을 조정하기 위해 자주 채택되는 전략이고, 이온 반경의 유사성으로 인해 Fe³⁺는 페로브스카이트 격자 ABO₃의 B 사이트에 통합되고 Ti⁴⁺를 대체하는 것을 선호하고 있다. 따라서 Fe³⁺ 수용체와 전하 보상 산소 결손 사이에 결함 쌍극자가 형성된다. PZT 기반 시스템에서는 결함 쌍극자 분극 Pd와 자발 분극 Ps 사이의 상호 작용이 도메인 구조에 안정화 효과를 부여하고 압전경화를 초래한다는 것이 널리 받아들여지고 있다. Fe³⁺가 도핑된 BNT 기반 시스템에서는 압전 경화 및 이에 따른 노화 현상이 덜 뚜렷하지만, 현재까지는 Bi 기반의 시스템의 강유전성 안정성에 대한 Fe³⁺ 도핑의 효과는 검증되지 않았다.

이에 본 연구에서는 (Na_1-xK_x)_0.5Bi_0.5TiO₃(x=0.20~ 0.25) 조성을 기반으로 한 무연압전세라믹스를 통해 후속으로 K⁺(excess)의 변화와 Fe₂O₃ 첨가제의 함량에 따른 물리적, 전기적 특성 및 미세구조, 결정성 변화를 비교 분석하여 선형 액추에이터의 안정적인 구동을 위한 최적의 특성값들을 찾아내고, 재현성 실험을 통해 연구 결과물에 대한 신뢰성을 확보할 수 있는 최적의 공정설계까지의 연구를 최종 목표로 한다.

즉, 본 연구에서는 BNKT-BNT 소재에 K⁺(excess)의 변화 와 Fe₂O₃ 첨가제의 함량을 통해서 높은 소결밀도와 압전특성값(d₃₃)을 얻고자 하는 것이고, <Table 1>에서와 같이 유연압전세라믹소재(PZT) 특성값 중 액추에이터나 초음파진 동소자 등의 하드(hard)용 압전세라믹소재의 압전계수(d₃₃) 값 300pC/N 이상의 특성값을 달성하고자 한다.

본 연구에서 d₃₃=300pC/N 이상의 압전특성값을 얻어야 유연압전세라믹소재(PZT)를 대체할 수가 있기에 연구 과정에서 K⁺(excess)의 변화와 Fe₂O₃를 일정량 첨가하여 첨가량 변화에 따른 특성값을 관찰하면서 목표하는 특성값을 얻기로 하였다.

이 연구의 성공적인 결과는 향후 초음파진동소자를 사용하고 있는 가전제품, 바이오메디컬 및 전기 전자부품, 그리고 로봇과 자동화 설비 등 다양한 분야에 사용되어질 것으로 본다. 특히, 무연압전재료로 가장 빠르게 대체해 갈 수 있는 초음파진동소자 분야를 1차 진입할 목표시장으로 하여 수요처에서 요구하는 특성값들을 만족시키는데 주력하여 연구개발을 진행해 나갈 것이다.

향후에는 로봇이나 VR/AR, 그리고 자동화 설비 등 산업용 시장도 염두에 두고 연구의 범위를 액추에이터나 초음파 진동소자 등의 hard용 무연압전세라믹소재 개발에 국한하지 않고 압전센서등의 soft용 무연압전세라믹소재 개발도 목표를 두고 연구개발 범위를 확대해 나갈 것이다.

2. 실험방법

본 연구에서는 (Na_0.78K_0.22)_0.5Bi_0.5TiO₃에 0.02~0.12 mol%의 K⁺(excess)를 초과로 첨가하여 K⁺(excess)의 변화에 따른 구조 분석을 진행했으며 (Na_0.78K_0.22)_0.5Bi_0.5TiO₃ + 8mol% K₂CO₃ Ti⁴⁺을 Fe³⁺로 취환하여 제조하였다. 본 연구에 사용한 조정식은 [(Na_0.78K_0.22)_0.5Bi_0.5]Fe_xTi_(1-x)O₃ + 8mol% K₂CO₃이며, x는 0.0025~0.010이다. 공정 조건은 <Table 2>와 같이 동일하게 진행하였다.

세라믹 혼합분말의 제조는 고상반응법(Solid state reaction: 고체 간에 반응을 일으키게 함으로써 원하는 조성의 분말을 얻는 방법)으로 하였다. Bi₂O₃(high purity, 99.9%), Na₂CO₃(high purity, 99.9%), K₂CO₃(high purity, 99.9%), TiO₂(high purity, 99.9%), Fe₂O₃(high purity, 99.9%)을 BNKT와 BNKT-FE의 원료로 사용하였다. 정확한 조성의분말을 제조하기 위해 전자저울을 이용하여 0.0001g까지 측정한 시료를 에탄올 용매(물질을 녹이거나 분산시키는데 사용되는 액체)와 지르코니아 볼(10mm, 5mm 2가지 타입)을 혼합 사용하여 HDPE(high density polyethylene) 용기에 주입한 후 24시간 볼밀(Ballmill: stone이나 플라스틱 재질의 실린더형 용기에 단단한 zirconia 볼을 넣어 회전시킴으로써 텀블링에 의한 충격이나 전단력, 마찰력 등을 이용하여 원료를 분쇄)을 이용해 습식 혼합, 분쇄 후 100℃에서 충분히 건조하여 해쇄(물체를 더 작은 조각이나 입자로 만드는 과정) 후 하소(Calcination: 물체를 가로 형태로 만드는 과정)를 하였다. 혼합분말을 알루미나 도가니에 넣어 650℃에서 2시간 동안 하소하여 BNKT 분말을 확보하였다.

위의 <Table 2>와 같은 공정을 통해서 얻은 (Na_0.78K_0.22)_0.5 Bi_0.5TiO₃에 0.02 ~ 0.12 mol%의 K⁺를 초과로 첨가하여 연구를 진행했고, 소결 후 <Table 3>과 같이 높은 밀도(5.690 ~ 5.768g/cm³)를 얻을 수 있었으며, <Figure 1>과 같이 SE-SEM 이미지와 같이 조밀한 미세구조를 확인할 수 있었다.

마찬가지로, <Table 2>와 같은 동일한 공정을 통해 얻은 (Na_0.78K_0.22)_0.5Bi_0.5TiO₃ + 8 mol% K₂CO₃ 소재에 Ti⁴⁺을 Fe³⁺로 치환하여 연구를 진행하였고, 그 결과 아래 <Table 4>와 같은 높은 밀도값을 얻을 수 있었고, <Figure 2>와 같이 치밀한 미세구조를 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.

아르키메데스(Archimedes) 방법으로 소결된 시편의 밀도를 측정하였고, X-선 회절분석기(빛의 회절 현상을 이용해 물질의 구조와 특성을 분석하는 기기)를 이용하여 결정구조를 분석하였다.

시편은 연마기를 이용하여 두께가 1mm가 되도록 연마 후 은(Ag) 페이스트(SungJee Tech. co., SAJ-43-251)를 도포 하고 700℃에서 30분간 열처리하여 전극을 형성하였다. 은 (Ag) 전극을 도포한 시편의 미세구조와 결정구조, 전기적 성능 평가인 S-E(Strain-Electric field) 히스테리시스 특성, P-E(Polarization-Electric field) 히스테리시스 특성, 임피던스 특성(Kp와 Qm)을 살펴보고 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

<Figure 1>은 (Na_0.78K_0.22)_0.5 Bi_0.5TiO₃에 0.02~0.12 mol% 의 K⁺(excess)를 초과로 첨가한 BNKT 세라믹분말이다. BNKT 기반 소재의 경우 알칼리 원소의 휘발성으로 인해 화학량론을 유지하기 어렵다. 칼륨(K⁺)은 휘발성이 강한 산화물 중 하나로 합성 중 휘발이 발생하게 되므로 이러한 휘발을 보상하기 위해 적절한 양의 K⁺(excess)를 첨가하는 것이 필요하다. Na/K 함량변화에 따른 가장 좋은 압전 성능을 보인 (Na_0.78K_0.22)_0.5 Bi_0.5TiO₃에 0.02 ~ 0.12 mol%에 K⁺(excess)를 첨가 후 동일한 공정조건으로 연구를 진행하였다. K⁺(excess)를 첨가한 BNKT 세라믹 분말은 소결공정을 거쳐 높은 밀도(5.690 - 5.768g/cm³) 값을 얻을 수 있었다. <Figure 2>는 Fe³⁺치환 BNKT 세라믹의 FE-SEM 사진으로, FE-SEM 이미지를 통해 조밀한 미세구조를 확인하였으며, 결정구조는 XRD(X-ray diffraction)에 의해 결정되었다. 정방(Tetragonal) 구조(결정 형태 중 하나로, 정사각형 모양의 기본 단위)와 삼방(Rhombohedral) 구조(결정 형태 중 하나로, 마름모 모양의 기본 단위)가 공존하면서 세라믹이 잘 결정화된 것을 확인할 수 있었다[8].

<Figure 3>과 같이 삼방 구조상은 40℃에서 (111)피크 분할이 특징인 반면, 정방 구조상은 약 46℃에서 (200)피크 분할이 나타난다[6].

재료가 MPB(Morphotropic Phase Boundary:재료의 구조 변화가 일어나는 경계영역) 영역에 속한다는 의미를 가지며 이것은 무연압전세라믹을 활용한 최종 제품의 높은 전기적 성능을 달성하기 위한 중요한 조건이다[6,9].

세라믹은 일반적으로 강유전체(强誘電體, ferroelectrics: 외부의 전기장이 없이도 자발분극(Ps)을 가지는 재료로서 외부 전기장에 의하여 분극의 방향이 바뀔 수(switching) 있는 물질)에서 볼 수 있는 나비 모양의 S-E 곡선을 나타내며, Effective 압전계수(d₃₃, S_max/E_max)는 단극 S-E 루프에 의해 결정될 수 있다. <Figure 4>에서 K⁺(excess) 함량은 x=0.08인 경우 가장 우수한 특성을 보여주었으며, 평균 압전계수값(d₃₃)은 279.6[pm/V]를 나타냈고, <Figure 5>와 같이 Fe³⁺ 치환량의 경우 x=0.0075인 세라믹스에서 평균 압전계수값(d₃₃)은 315[pm/V]를 나타내었으며, 최종 목표인 300pm/V 이상인 압전계수값(d₃₃)값을 얻을 수 있었다.

<Figure 6> P-E 히스테리시스 곡선은 Sawyer-tower 회로를 사용하여 측정하였으며 최대 분극(P_max), 잔류 분극(P_rem) 및 항전계(E_c) 등의 전기적 성능을 확인할 수 있었다. (a)에서 K⁺ (excess) 함량은 x = 0.08일 때에 대한 평균값으로, 최대분극(P_max), 잔류분극(P_rem) 및 항전계(E_c)의 평균값은 각각 38.6[uC/cm²], 29.4[uC/cm²] 및 2.42[kV/mm]를 나타냈고, (b)Fe³⁺ 치환량의 경우 x=0.0075인 세라믹스에서 평균 최대 분극(P_max), 잔류분극(P_rem) 및 항전계(E_c)의 평균값은 각각 39.63[uC/cm²], 30.45[uC/cm²] 및 2.50[kV/mm] 값을 나타냈다.

<Figure 7>은 임피던스 측정기를 사용하여 측정된 유전 특성을 나타낸 그래프이다. Curie 온도(T_c)는 유전율 Vs 온도 곡선에 의해 결정되며, 유전율의 피크는 ferro- electric상과 para-electric상 사이의 상전이에 의해 발생하는데 (a)에서 K⁺(excess) 함량이 x=0.08 일 때, 유전율의 피크는 큐리온도(T_c) 287℃에서 관찰되었으며, (b)Fe³⁺ 치환량의 경우 x=0.0075일 때 큐리온도(T_c) 293℃에서 유전율 피크를 관찰할 수 있었다.

4. 결론

본 연구에서는 (Na_0.78K_0.22)_0.5Bi_0.5TiO₃에 0.02~0.12 mol% 의 K⁺(excess)를 첨가하여 K⁺(excess)의 변화에 따른 구조 분석을 진행했으며, (Na_0.78K_0.22)_0.5Bi_0.5TiO₃ + 8mol% K₂CO₃ 의 Ti⁴⁺를 Fe³⁺로 취환하여 제조하였다. K⁺(excess) 함량은 x=0.08인 경우 가장 우수한 특성을 보여주었으며, 평균 압전계수값(d₃₃)은 279.6[pm/V]를 나타냈다. Fe³⁺치환량의 경우 x=0.0075인 세라믹스에서 평균 압전계수값(d₃₃)은 315[pm/V]를 얻을 수 있었다. 이 결과값은 액추에이터, 초음파 진동소자 등의 전기전자부품(device)에 적용할 수 있는 수준의 압전계수값으로, 실증을 위해 Fe³⁺를 치환하여 제조한 무연압전세라믹 소재를 ㈜피에조테크놀러지社에 공급하여, <Figure 8>과 같이 이 기업에서 생산하고 있는 유연소재 기반의 선형 액추에이터(Linear actuator : TULA)에 적용해 보기로 하였다. ㈜피에조테크놀러지社는 KIST로부터 유연 압전세라믹 부품(device) 제조에 대한 기술을 이전받아 TULA라는 선형액추에이터(Linear actuator) 개발 및 사업화에 성공한 기업으로서 이 분야에 대한 기술적 노하우나 경험이 풍부한 기업이다. 이 기업은 유럽환경규제(RoHS)의 더 이상의 유예는 없을 것이라는 판단에 국내외 여러 학회 또는 박람회 등을 통해 무연압전세라믹소재에 대한 기술동향과 관련기업에 대한 정보를 수집하고 있었다. 유연(Pb) 압전소재의 무연(Lead-free)압전소재로의 전환은 빠르게 진행될 것으로 판단하여 이 연구에 대한 가치를 매우 높게 평가하였고, 마침내는 공동연구개발에 대한 동의를 얻어 6개월간 Bi계 무연압전세라믹소재를 기반으로 한 선형 액추 에이터 TULA 샘플 제작과 제품적용 및 테스트를 반복 실행 하였다. 그 결과 압전계수(d₃₃), 소결밀도, 큐리온도(Tc), 두께 등의 특성값에서의 문제는 없었으나 인가전압이 유연압전 세라믹소재는 0.2mV/mm에 액추에이터 TULA가 구동되지만 본 연구를 통해서 제조된 무연압전세라믹소재는 2kV/mm 라는 높은 전압에서 구동된다는 것을 확인할 수 있었다. ㈜피에조테크놀러지의 선형 액추에이터 TULA에 무연압전 세라믹소재가 적용되기 위해서는 인가전압을 크게 낮추기 위한 기타 물질에 대한 도핑(Dopping) 등의 연구가 계속 되어야만 한다. 인가전압을 낮추기 위한 연구개발은 본 연구에 이어 계속 진행되어야 하겠지만, 본 연구에서 달성하고자 했던 K⁺(excess)의 변화에 따른 구조 분석실험과 Fe³⁺의 치환에 따른 압전특성값의 상향을 위한 연구는 충분히 성과가 있었다.

추가로, 앞서 언급한 선행연구 중 입자 크기 제어에 의한 Bi계 무연압전세라믹 복합소재의 전계유기 변형 특성 개선이라는 연구와 본 연구를 융합한다면 기존 선형 액추에이터가 요구하는 물리적, 전기적 그리고 인가전압에 대한 요구값을 충분히 만족시킬 수 있을 것으로 본다.

위 <Figure 8>과 같이 선형운동을 하는 유연 압전액추 에이터는 축(shaft)과 이동체(moving part), 전기기계변환기(피에조소자, 탄성체)로 구성되고, 이동체는 스프링에 의한 적정 압착력으로 축과 기계적으로 결합된다. 전기기계 변환 소자는 탄성체 상하 양면에 압전 세라믹이 부착된 구조(Bimorph-type)로 구현되어있고, 축은 가볍고, 탄성이 좋은 탄소합성수지로 구현한다. 본 연구에서 개발된 Fe₂O₃가 첨가된 무연압전세라믹 소재는 선형 액추 에이터(TULA)의 탄성체 상하 양면에 부착되어 수축과 팽창을 반복하게 하는 역할을 하게 된다.

이러한 기능은 <Figure 9>와 같이 압전소재의 수축팽 창의 특성을 이용하여 디지털카메라용 손떨림보정장치(OIS: Optical Image Stabilizer)에 많이 쓰이고 있고, 향후에는 <Figure 10>과 같이 로봇의 관절이나 자동화 설비의 미세한 움직임 등에 많이 적용될 것으로 본다.

특히, 로봇의 관절 부분에서 TULA가 많이 사용되고 있다. 한쪽 방향으로 분극된 압전세라믹에 전계를 인가하면 분극 방향과 인가된 전계 방향에 따라 압전세라믹에 수축 또는 팽창 운동이 발생하며 굴곡 진동을 이동축에 전달하여 이동체가 선형(linear) 운동을 하게 되는데 이 원리를 이용하여 로봇의 관절부분에 많이 사용되고 있다.

압전소재의 또 다른 용도로 앞서 설명된 ㈜피에조테 크놀러지의 압전액추에이터 기술을 이용한 디지털카메라 손떨림보정장치에 대한 내용이다. 디지털 카메라에는 카메라 모듈이 10개에서 16개까지 구성되는 멀티 어레이(Multi array) 모듈이 있는데, 이 모듈은 롱 스트로크(구동길이 1mm 이상), 저 소비전력, 모듈 간 상호 간섭 배제, 홀딩 포스의 기능을 갖고 있고 현 스마트폰에 채택되어 있는 VCM 모듈이 구현할 수 없는 성능을 가지고 있다. 현재는 유연압전소재를 많이 쓰고 있어 이 소재를 기반으로 제조된 압전 압전액츄에이터를 적용한 디지털카메라 모듈을 탑재한 단말기들은 멀티 어레이(Multi array) 카메라 모듈이 구성되어 손 떨림 보정 자체 기능을 구현하게 되므로 손떨림 보정 모듈을 따로 구성할 필요가 없게 된다.

그 외 손떨림 진동보상기법으로 선행 연구된 사례를 보면, 마찰 구동형 압전 작동기를 이용한 카메라 손떨림 진동보상 기법 연구라는 사례를 찾아볼 수 있다[1]. 이 선행연구에서 손떨림 보상 방법으로 밝혀진 내용은, 압전소자의 굽힘 운동에 의해 샤프트의 왕복 선형운동이 발생하고, 샤프트와 이동 스테이지의 표면 마찰력에 의해 고착-미끄럼(stick-slip)현상으로 인해 스테이지가 움직이게 되는 마찰 구동형 압전 작동기의 동특성을 이용하여 보상한 연구내용이다. 이 연구에서 사용한 압전소자 또한 유연소자라는 점이 본 연구가 갖는 또다른 차별성이라 할 수 있다[1].

최근에는 신발깔창(Insole)에 압전소재를 활용한 별도의 전원공급장치가 필요없는 에너지 하베스팅을 구현시 켜 걷는 것만으로 신체 건강상태나 척추의 틀어짐 등을 체크하여 웨어러블 IoT통신을 이용한 정보의 제공이 가능한 제품을 연구개발을 하고 있는 사례와 압력센서를 이용한 자세 교정용 스마트 방석의 개발 등의 좋은 사례도 접할 수 있을 정도로 다양한 분야에 다양하게 적용되고 있는 것도 사실이다[4,5].

이렇듯 압전소재의 활용범위는 매우 광범위하며 기존 납(Pb)성분 55% 이상을 함유하고 있는 유연압전소재(PZT)가 갖는 환경문제와 유럽환경규제(RoHS)에 의한 수출장벽의 문제 등을 해소하기 위하여 무연압전소재로 대체되는 것은 필연전 선택일 수밖에 없다. 또한, 본 연구는 환경문제 해소에 의한 ESG 실현에도 크게 기여할 수 있을 것으로 본다.

인가전압을 제외한 나머지 특성값들의 PZT 수준에 도달한 연구성과는 가정용 가전제품(가습기, 냉장고 도어, 전자레인지 등)에서 부터 산업용 로봇과 자동화 설비 등에 이르는 광범위한 시장 적용으로 인해 기술혁신과 디지털 대전환 시대에 첨단 핵심기술로 자리매김할 수 있을 것으로 본다.