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중국과학기술대학교 리샤오광(李曉光) 교수 연구팀은 칭화(淸華) 대학교 선샹(瀋祥) 교수 연구팀과 공동 연구를 실행하고 높은 에너지 저장 밀도를 보유한 플렉시블 유전체(dielectric) 커패시터 개발에 성공하여 이슈가 되고 있음.

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 폴리머 베이스 복합 소재의 전기 필드(electric field) 브레이크다운(breakdown) 및 유전체 에너지 저장 밀도를 대폭 향상시킬 수 있는 방법을 개발하였는데 동 방법은 다양한 플렉시블 폴리머 유전체 소재(dielectric material)에 보급할 수 있으며, 향후 높은 에너지 저장 커패시터 디자인을 위해 일종 실행 가능한 방안을 제공해 줄 것으로 전망됨.

유전체 커패시터는 초고속 충전 및 방전 속도와 초고(超高) 파워 밀도를 보유하고 있기 때문에 스마트 그리드 주파수 조정, 전자기포 등 하이 파워 무기 시스템의 핵심 디바이스가 되고 있을 뿐만 아니라 신에너지 전기 자동차, 웨어러블 전자 등 분야에서 폭넓은 응용 전망을 보유하고 있으며, 그 중 원가가 저렴하고, 가공이 쉽고, 높은 전압에 견디는 플렉시블 폴리머는 잠재력이 제일 큰 커패시터 유전체 소재 중의 하나에 속하지만 낮은 유전체 상수(常數)로 인해 에너지 밀도가 낮기 때문에 전자 산업이 디바이스에 대해 소형화, 고성능화를 요구하는 상황에서 플렉시블 폴리머 산업화는 영향을 받고 있는 상황임.

이런 난제를 해결하기 위해 과학자들은 높은 유전체 상수를 보유하고 있는 무기 소재를 폴리머 소재 속에 첨가하여 높은 에너지 밀도를 보유하고 있는 복합 소재 제조에 사용하였는데 일반적으로 체적 분수(分數)가 높은 무기 소재의 추가는 복합 소재의 전기 필드(electric field) 브레이크다운(breakdown) 강도를 낮추기 때문에 사용 안전과 수명에 영향을 끼치는 것으로 나타나 유전체 상수를 향상시키는 동시에 소재의 브레이크다운 강도를 향상시키는 것은 높은 에너지 밀도를 보유한 복합 소재 개발에서 시급히 해결해야 할 난제로 부상한 상황임.

연구팀은 관련 연구를 통해 일종 보편적인 적용 특성을 보유하고 있는 실행 가능한 전략을 제시하고, 음전기를 띤 무기 첨가제를 사용하여 국지 반대 방향 전기 필드의 2차 충돌 전자 생성을 억제하고, 필드에 대한 브레이크다운(breakdown)을 차단하여 복합 소재의 필드 브레이크다운(breakdown) 강도를 향상시키고 에너지 저장 밀도를 향상시켰음.

연구팀은 적은 량의 음전기를 띤 2차원 Ca2Nb3O10 첨가제의 폴리비닐리덴디 플루오로(Polyvinylidene fluoride, PVDF) 에틸렌(ethylene) 베이스 복합 소재를 개발하고, 유전체 상수(常數)를 향상시킨 동시에 극히 높은 필드에 대한 브레이크다운(breakdown) 강도(~792 MV/m)와 극히 높은 에너지 저장 밀도(~36.2 J/cm3)를 취득하였는데 동 플렉시블 커패시터의 에너지 저장 밀도는 지금까지 보도된 폴리머 베이스 복합 소재 중에서 제일 높은 수준인 것으로 나타났으며, 현재 제일 이상적인 상용화 양 방향 스트레치 폴리프로필렌(Biaxially oriented polypropylene, BOPP) 필름 커패시터의 18배에 달하고, 심지어 상용화 전기화학 커패시터(20-29 J/cm3) 수준을 초월하는 것으로 나타났음.

그 외, PVDF에 비해 연구팀이 개발한 복합 소재의 영계수(Young's modulus)는 뚜렷이 향상되지만 전류 누출 밀도는 비교적 낮은 수준을 유지하는 것으로 나타났는데 이런 상황은 기계 전기 브레이크다운(breakdown)과 전기 열 브레이크다운(breakdown) 발생을 피하는데 유리한 특징을 보유하고 있다는 점을 의미하고 있음.

연구팀이 제시한 관련 전략의 보편적인 적용 특성을 검증하기 위해 연구팀은 위상 필드 시뮬레이션 및 유한 원 계산(Finite element calculation)에 기반 하여 나노 시트 첨가제의 음전하가 전기 브레이크다운(breakdown)을 억제하는 면에서 중요한 역할을 발휘하며, 폴리스티렌(polystyrene) 베이스 복합 소재에서도 필드 브레이크다운(breakdown) 강도와 에너지 저장 밀도를 대폭 향상시킨다는 점을 입증하였음.

이번 연구는 향후 높은 에너지 밀도를 보유한 플렉시블 유전체를 이용한 에너지 저장 소재 실용화를 위해 혁신적인 아이디어를 제공하여 그 의미가 주목됨.

본 연구 성과는 ‘Advanced Materials’ ("Negatively Charged Nanosheets Significantly Enhance the Energy-Storage Capability of Polymer-Based Nanocomposites")지에 게재됨.