▲ 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.