무연 페로브스카이트는 압전 에너지 수확의 새로운 시대를 약속합니다

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

Researchers have created a polymer film filled with a chalcogenide perovskite compound that generates electricity when stressed. This phenomenon is known as the piezoelectric effect, which is simply the ability of certain materials to generate an electric charge when mechanical stress is applied.

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

The piezoelectric effect occurs in materials that lack crystal structural symmetry. Crystals, ceramics, polymers, and biological matter such as bone, DNA, and various proteins are different kinds of piezoelectric materials.

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

Such materials have the potential to collect the energy related to mechanical vibrations. The best thing about this form of energy is that it is present all around us in abundant supply and is renewable in nature.

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

However, as the latest research notes, piezoelectric materials that are best performing tend to have the chemical element lead (Pb), which can cause cancer, increase the risk of brain tumors, and hinder DNA repair.

그러나 최신 연구 결과에 따르면 성능이 가장 좋은 압전 재료는 암을 유발하고 뇌종양 위험을 높이며 DNA 복구를 방해할 수 있는 납(Pb)을 함유하는 경향이 있습니다.

Materials that contain lead are hazardous, and regulators have curtailed their use to protect the environment.

납이 포함된 물질은 위험하므로 규제 당국은 환경을 보호하기 위해 납 사용을 제한했습니다.

Given the toxicity of lead, which is a heavy, malleable, naturally occurring metal with a relatively low melting point, it is being increasingly phased out of materials and devices.

무겁고 가단성이 있고 자연적으로 발생하며 녹는점이 상대적으로 낮은 금속인 납의 독성으로 인해 납은 재료와 장치에서 점점 더 많이 사용되지 않고 있습니다.

Hence, the team's goal was to create a material that was lead-free and able to be made inexpensively using elements that are commonly found in nature.

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

So, the team from the Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) made use of a material that not only does not contain lead but is also one of the few high-performing ones. Hence, it is a great candidate for use in biomedical applications, machines, and infrastructure.

그래서 RPI(Rensselaer Polytechnic Institute) 팀은 납을 포함하지 않을 뿐만 아니라 몇 안 되는 고성능 소재 중 하나인 소재를 사용했습니다. 따라서 이는 생의학 응용 분야, 기계 및 인프라에 사용하기 위한 훌륭한 후보입니다.

The lead-free material that the team used belongs to the chalcogenide perovskite family exhibiting piezoelectricity. BaZrS3 was the composition used in the study, which is reported to have a pronounced piezoelectric response.

연구팀이 사용한 무연 물질은 압전성을 나타내는 칼코게나이드 페로브스카이트 계열에 속한다. BaZrS3은 연구에 사용된 구성으로, 뚜렷한 압전 반응을 갖는 것으로 보고되었습니다.

Chalcogenide perovskites have been gaining a lot of attention and advances lately. This family of compounds is related to perovskite structures, which have many favorable properties such as low toxicity, high stability, direct band gaps, good carrier transport abilities, and strong light absorption.

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.

These properties make perovskites really stand out in applications like photovoltaics, photodetectors, light-emitting devices, and photocatalysts.

이러한 특성으로 인해 페로브스카이트는 광전지, 광검출기, 발광 장치 및 광촉매와 같은 응용 분야에서 눈에 띄게 됩니다.

Interestingly, most high-performing piezoelectric materials are non-centrosymmetric and hence display intrinsically high polarizability. However, many oxide perovskites, including the one used in the study, exhibit a centrosymmetric crystal structure, which is weakly piezoelectric in its pristine form. These compounds are actually non-polar because they inherently lack a net dipole moment.

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. 이들 화합물은 본질적으로 순 쌍극자 모멘트가 부족하기 때문에 실제로 비극성입니다.

The dipole moment is the scientific name for the way piezoelectric materials perform when under stress, which is deformation in a way that causes positive ions and negative ions in the material to separate. This dipole moment can be harnessed and turned into an electric current.

쌍극자 모멘트는 압전 재료가 응력을 받을 때 작동하는 방식에 대한 학명입니다. 이는 재료의 양이온과 음이온이 분리되는 방식으로 변형되는 것입니다. 이 쌍극자 모멘트를 활용하여 전류로 전환할 수 있습니다.

But with no net dipole moment, how did the team achieve piezoelectricity? Well, they leverage the loose packing within the chalcogenide perovskite structure to overcome the problem.

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

Scaling the Technology for Green Energy Applications

녹색 에너지 응용을 위한 기술 확장

The latest study details that despite being centrosymmetric, lead-free chalcogenide perovskite materials become polarizable very quickly when it is deformed. This is due to a loosely packed unit cell, which has a lot of vacant space.

최신 연구에서는 중심대칭임에도 불구하고 무연 칼코게나이드 페로브스카이트 물질이 변형되면 매우 빠르게 분극화된다는 사실을 자세히 설명합니다. 이는 헐렁하게 채워진 단위셀에 빈 공간이 많기 때문이다.

This significant volume of empty space allows extended displacement of ions, which, in turn, allows for the reduction of symmetry and results in an amplified displacement-mediated dipole moment.

이러한 상당한 양의 빈 공간은 이온의 확장된 변위를 허용하며, 이는 차례로 대칭의 감소를 허용하고 증폭된 변위 매개 쌍극자 모멘트를 초래합니다.

The team performed a piezoresponse force microscopy (PFM) on BaZrS3 to confirm the piezoelectricity of the material.

연구팀은 재료의 압전성을 확인하기 위해 BaZrS3에 압전응답현미경(PFM)을 실시했다.

PFM is a functional atomic force microscopy (AFM) model that has been recognized for the unique information it offers on the electromechanical properties of various materials on the nanometer scale.

PFM은 나노미터 규모의 다양한 재료의 전기기계적 특성에 대한 고유한 정보를 제공하는 것으로 인정받은 기능성 원자현미경(AFM) 모델입니다.

Structural symmetry in the chalcogenide perovskite material, as per the team, can be easily broken under stress, which leads to an enhanced piezoelectric response. So, once confirmed, the team developed composites of BaZrS3 particles dispersed in polycaprolactone.

연구팀에 따르면 칼코게나이드 페로브스카이트 물질의 구조적 대칭성은 스트레스를 받으면 쉽게 깨질 수 있어 압전 반응이 향상됩니다. 그래서 일단 확인된 후, 팀은 폴리카프로락톤에 분산된 BaZrS3 입자의 복합재를 개발했습니다.

The new material synthesized contains barium, zirconium, and sulfur, which were then used to harvest energy from human body motion and power electrochemical and electronic devices.

합성된 새로운 물질에는 바륨, 지르코늄 및 황이 포함되어 있으며, 이는 인체 움직임에서 에너지를 수확하고 전기화학 및 전자 장치에 전력을 공급하는 데 사용되었습니다.

The team tested the material's ability to generate electricity by subjecting it to bodily movements like running, walking, tapping fingers, and clapping. The electricity produced during the experiment was found to be enough to power LED banks, spelling out RPI.

연구팀은 달리고, 걷고, 손가락을 두드리고, 박수치는 등의 신체 움직임을 물질에 적용하여 전기를 생성하는 물질의 능력을 테스트했습니다. 실험 중에 생산된 전기는 LED 뱅크(RPI)에 전력을 공급하기에 충분한 것으로 나타났습니다.

“We are excited and encouraged by our findings and their potential to support the transition to green energy.”

"우리는 우리의 연구 결과와 녹색 에너지로의 전환을 지원할 수 있는 잠재력에 흥분하고 고무되었습니다."

– Nikhil Koratkar, Study co-author

– Nikhil Koratkar, 연구 공동 저자

The material, according to him, converts mechanical energy into electrical energy. According to Koratkar:

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

“The greater the applied pressure load and the greater the surface area over which the pressure is applied, the greater the effect.”

"가해지는 압력 하중이 클수록, 압력이 가해지는 표면적이 클수록 효과는 더 커집니다."

The energy harvesting film created by the team is just 0.3 millimeters thick and can be integrated into various machines, devices, and structures like buildings and highways to

연구팀이 만든 에너지 수확 필름은 두께가 0.3mm에 불과해 건물, 고속도로 등 다양한 기계, 장치, 구조물에 통합해