미 로렌스버클리연구소와 공동
기계적 강도·절연 성능 높인 내열 필름 소재
고온에서도 전기를 효율적으로 저장해 내보낼 수 있는 새로운 콘덴서(축전기) 소재가 개발됐다.
김봉수 UNIST 화학과 교수팀은 이 리우(Yi Liu) 미국 로렌스버클리국립연구소팀과 공동으로 200℃에서도 높은 에너지 저장 성능을 유지하는 필름형 축전기용 유전체를 개발했다고 9일 밝혔다.
축전기는 두 금속 전극 사이에 절연 물질(유전체)을 끼운 구조로 전기를 저장했다 빠르게 내보내 전압의 출렁임을 줄이는 장치다. 전기차 모터 인버터, 항공우주 장비 등에 들어간다. 축전기 유전체 소재로 가장 많이 쓰이는 고분자 필름은 가볍고 다양한 크기와 형태로 축전기를 제작할 수 있는 게 장점이지만 고온에 약하다는 단점도 있다.
공동 연구팀이 개발한 유전체를 축전기에 적용해 200℃에서 전압을 걸고 최대 650MV/m의 전기장을 형성한 조건의 충·방전 시험에서 효율 90% 이상을 유지했다.
반면 상용 내열 필름(PEI)은 같은 온도에 이보다 약한 550MV/m 전기장 조건에서도 효율이 68%로 떨어졌다. 유전체 내부에 형성되는 전기장이 강할수록 에너지를 많이 저장할 수 있지만, 전하가 새면서 손실이 늘기 쉽다.
축전기 내구성도 향상되는 것으로 나타났다. 200℃에서 최대 500MV/m의 전기장을 가한 실험에서 10만회 충·방전에도 성능을 유지했다. 기존 PEI 적용 축전기는 1만회를 넘기지 못했다.
축전기 고성능은 연구팀이 자체 개발해 유전체에 적용한 가교제 '6Bx' 덕분이다. 가교제는 필름의 고분자 사슬을 연결하는 물질로 연구팀은 상용 내열성 고분자 PEI에 6Bx를 첨가하는 방식으로 새로운 유전체를 만들었다.
'6Bx'를 150℃에서 가열하면 고분자 가지 끝에 반응성이 높은 '나이트렌'이 생기고, 이 나이트렌은 주변 고분자의 탄소-수소 결합에 끼어들어 사슬을 그물처럼 연결하면서 고온에서의 움직임과 변형을 줄여주었다. 가교제에 포함된 '과불화 페닐기'는 전자를 강하게 붙잡아 누설 전류를 막아줬다.
김봉수 교수는 “이미 산업계에서 쓰이고 있는 고분자에 새로운 가교제를 첨가해 성능 한계를 끌어올린 후처리 방식의 기술”이라며 “전기차, 항공우주, 지하자원 탐사 등 고온·고전계 환경용 필름 축전기 상용화에 직접적으로 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈 10월 19일자 온라인에 게재됐다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
