GIST, 국제 공동 연구로 차세대 전자기기 핵심부품 '초저유전 커패시터' 개발

국내연구진이 슈퍼컴퓨터, 광대역 무선통신, 고전압 장치에서 안정적으로 활용 가능한 메타구조 커패시터(도체에 다량의 전하를 저장하는 축전기)를 개발했다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 김봉중 광주과학기술원(GIST) 교수와 줄리아 그리어 캘리포니아공대 교수팀이 3차원-나노라티스 구조를 이용해 반복되는 압축변형에도 초저유전율(1.5 이하 낮은 유전 상수)을 유지하고 절연파괴 강도가 지속적으로 회복되는 커패시터를 개발했다고 8일 밝혔다.

초저유전 커패시터와 이들의 기계적 응력-변형율 관계 및 압축변형에 대해 스스로 회복되는 절연파괴 강도 결과.

3차원 나노라티스는 3차원 레이저 식각과 원자층 증착 기술을 이용해 만든 세라믹 나노튜브가 단위 셀 형태로 규칙 배열된 메타물질이다.

많은 차세대 전자기기가 고전압 배선을 사용하고, 기계적 변형에도 신뢰성을 유지하는 유연 형태로 진화함에 따라 전기·유전적 안정성이 높은 저유전물질을 이용한 커패시터 개발이 요구된다.

기존 저유전 물질은 유전율을 낮추기 위해 다공도(구멍 부분의 부피 비율)를 높여왔다. 하지만 다공도가 높은 물질은 기계강도와 절연파괴강도가 약해지고 열 안정성이 낮아지는 한계가 있었다.

연구팀은 선행연구로 기계적 압축에도 절연파괴와 초저유전 특성 회복이 가능한 다공도 99%의 나노라티스 캐퍼시터를 개발한 바 있다. 하지만 5번 압축 사이클과 25% 작은 변형에서만 성능을 회복할 수 있어 상용화에는 어려움이 있었다.

저·고 밀도 층이 양분된 나노라티스, 저·고 밀도 층이 반복된 나노라티스에서 압축응력 인가 시 일어나는 변형.

이에 연구팀은 단일 밀도와 단위 층으로 이뤄진 기존 나노라티스를 저밀도와 고밀도 두 개 층이 혼합된 불균질 구조로 개선해 문제를 해결했다.

시험 결과 나노라티스에 응력을 가하면 저밀도 층이 먼저 변형되기 시작해 전체 라티스의 50%가 변형 될 때까지 고밀도 층은 응력으로부터 완전히 보호됐다.

또 62.5%의 변형과 100번의 압축 사이클 동안 절연파괴와 초저유전 특성이 안정적으로 회복됐으며, 단일 밀도의 나노라티스 보다 최대 3.3배 높은 절연파괴강도를 기록했다.

김봉중 교수는 “이번 연구는 기계적 복원력과 열 및 전기적 안정성을 동시에 가지는 초저유전 물질을 개발한 데 의의가 있다”며 “향후 유연한 전자기기 시스템이나 전기자동차, 우주, 항공 분야 고전압 시스템에 이용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업으로 수행된 이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 온라인 판에 11월 15일 게재됐다.

이인희기자 leeih@etnews.com