▲ 가교 고분자 유전체 필름의 제조 과정. a) 열에 의해 생성된 나이트렌이 고분자의 C-H 결합에 삽입되어 공유결합을 형성하는 가교 반응 모식도. b) 6가지(six-armed) 구조 가교제 6Bx의 화학 구조. c) 고분자와 가교제를 섞은 용액을 캐스팅한 뒤 110 ℃ 건조와 150 ℃ 가교의 순차 열처리를 통해 자립형 가교 필름을 만들었다.범용 가교제를 활용해 전기차 인버터와 항공우주 장비의 전력 부품용 축전기가 고온에서도 전기를 효율적으로 저장하도록 돕는 소재가 개발됐다.
UNIST 화학과 김봉수 교수팀은 미국 로렌스버클리국립연구소 이 리우(Yi Liu) 박사팀과 함께 다양한 고분자에 적용할 수 있는 범용 가교제로 200℃에서도 높은 에너지 저장 성능을 유지하는 필름형 축전기용 유전체를 개발했다고 9일 밝혔다.
축전기는 전기를 저장했다가 빠르게 내보내 전압의 출렁임을 줄이는 장치로 전기차 모터 인버터 등에 들어간다. 두 금속 전극 사이에 유전체라는 전기가 통하지 않는 절연 물질이 끼어 있는 구조다. 유전체로 고분자 필름을 쓰면 가볍고 다양한 크기와 형태로 축전기를 제작할 수 있어 경량화가 필요한 항공우주 장비 등에 활용하기 좋지만, 고온에 약하다는 문제가 있다.
연구팀이 개발한 유전체는 200℃에서 전압을 걸어 최대 650 MV/m의 전기장을 형성한 충·방전 시험에서도 효율 90% 이상을 유지했다. 반면 상용 내열 필름(PEI)은 같은 온도에서 이보다 약한 550 MV/m의 전기장에서도 효율이 68%로 떨어졌다.
내구성도 뛰어났다. 200℃에서 최대 500 MV/m의 전기장을 가하는 조건에서 가교제를 넣지 않은 PEI 필름이 1만 회 이내에 고장난 것과 달리 개발된 소재는 10만 회 충·방전에도 성능을 유지했다. 가속시험을 바탕으로 계산한 예측 수명은 200℃, 200 MV/m 조건에서 약 60년으로, 가교제를 넣지 않은 PEI 필름보다 약 12배 길다.
이 같은 성능은 연구진이 자체 개발한 가교제 ‘6Bx’ 덕분이다. 가교제는 필름의 고분자 사슬들을 서로 연결하는 물질이다. 연구팀은 상용 내열성 고분자인 PEI에 6Bx를 첨가해 유전체를 만들었다.
150℃에서 가열되면 가교제의 가지 끝에 반응성이 높은 ‘나이트렌’이 생긴다.
이 나이트렌이 주변 고분자의 탄소·수소 결합에 끼어들어 사슬들을 그물처럼 연결하면서 고온에서의 움직임과 변형을 줄이는 것으로 분석됐다. 실제 200℃에서 변형에 저항하는 정도인 영률이 가교제를 넣지 않은 PEI 필름보다 약 2배 높아졌다.
또 가교제에 포함된 ‘과불화 페닐기’는 전자를 강하게 붙잡아 이동을 막는 역할을 한다. 전자가 유전체를 통과해 반대 전극으로 건너가는 것을 막을수록 누설전류가 줄어든다. 200℃, 200 MV/m에서 누설전류 밀도가 가교제를 넣지 않은 PEI 필름의 약 15분의 1로 줄었다.
이 가교제는 폴리에테르이미드 외에 다른 고온용 고분자들의 기계적 강도와 내열성, 절연 성능을 개선하는 범용성도 뛰어났으며, 가로·세로 10cm 필름에 만든 축전기 81개에서도 고른 성능을 확보할 수 있었다.
김봉수 교수는 “새로운 고분자를 다시 설계하지 않고도 이미 산업에서 쓰이고 있는 고분자에 가교제를 첨가함으로써 성능 한계를 끌어올릴 수 있는 간단한 후처리 방식의 기술”이라며 “다양한 고분자에 적용할 수 있고 대면적 필름에서도 고른 성능을 확보해 전기차, 항공우주, 지하자원 탐사 등 고온·고전계 환경용 필름 축전기 상용화에 직접적으로 기여할 수 있을 것”이라고 기대했다.
이번 연구는 UNIST 탄소중립대학원 강효민 연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 10월19일 자로 온라인 게재됐다.