[사이언스] 차세대 전자기기 핵심부품 ‘초저유전 커패시터’ 개발

반도체 및 광대역안테나 등 고전압·플렉서블 소자에 적용 기대

특허뉴스 백소민 기자 | 기사입력 2023/01/09 [13:57]

[사이언스] 차세대 전자기기 핵심부품 ‘초저유전 커패시터’ 개발

반도체 및 광대역안테나 등 고전압·플렉서블 소자에 적용 기대

특허뉴스 백소민 기자 | 입력 : 2023/01/09 [13:57]

▲ 초저유전 커패시터와 이들의 기계적 응력-변형율 관계 및 압축변형에 대해 스스로 회복되는 절연파괴 강도 결과(그림/자료제공=한국연구재단)  © 특허뉴스

 

국내연구진이 슈퍼컴퓨터, 광대역 무선통신, 고전압 장치에서 안정적으로 활용 가능한 메타구조 커패시터를 개발하였다.

 

한국연구재단은 김봉중 교수(광주과학기술원)와 줄리아 그리어 교수(Julia R. Greer, 캘리포니아공대) 연구팀이 3차원-나노라티스 구조를 이용하여, 반복되는 압축변형에도 초저유전율을 유지하고 절연파괴 강도가 지속적으로 회복되는 커패시터를 개발했다고 밝혔다.

 

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

 

기존의 저유전 물질은 유전율을 낮추기 위해 다공도(porosity)를 높여왔다. 하지만 다공도가 높은 물질은 기계강도와 절연파괴강도가 약해지고 열 안정성이 낮아지는 한계가 있었다.

 

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

 

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

 

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

 

또한 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”라며 “향후 유연한 전자기기 시스템이나 전기자동차, 우주, 항공 분야 고전압 시스템에 이용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.

 

이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’온라인 판에 11월 15일 게재되었다. 

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