경북대 민유호 교수팀, 고성능 무연 단결정 유전체 개발…차세대 유연 커패시터 적용 기대

[아이뉴스24 이창재 기자] 경북대학교 연구진이 납(Pb)을 전혀 사용하지 않으면서도 높은 에너지 저장 성능과 뛰어난 내구성을 갖춘 무연(Pb-free) 단결정 유전체를 개발했다.

이번 성과는 전기차, 웨어러블 기기 등 차세대 친환경 전자기기의 핵심 부품인 유연(Flexible) 커패시터 분야에 새로운 가능성을 제시했다.

경북대 금속재료공학과 민유호 교수팀은 나노신소재공학과 노종욱 교수팀과 공동연구를 통해 친환경 유전체 소재인 ‘(K,Na,Li)NbO₃ 단결정 마이크로큐브’에 칼슘(Ca)을 도핑, 결정 내 결함을 줄이고 미세 전기 분극 영역을 형성해 에너지 저장 특성을 크게 향상시켰다.

커패시터는 전기적 에너지를 빠르게 저장·방출하는 장치로, 유전체의 분극 특성과 내전압이 성능을 좌우한다.

단결정 구조는 다결정보다 우수하지만 제조 공정이 복잡하고 비용이 높다는 한계가 있었다.

민 교수팀은 앞서 저비용 ‘용융염법(molten-salt method)’으로 해당 단결정 소재 제조 기술을 확보한 바 있으며, 이번 연구에서는 칼슘 도핑 농도를 최적화해 기존 무연 세라믹 대비 월등한 성능을 구현했다.

연구팀은 개발한 단결정 유전체를 고분자 기판(PDMS)과 결합해 실제 유연 커패시터로 제작, 기존 무연 세라믹 커패시터보다 높은 내전압과 안정적인 충·방전 성능을 입증했다.

반복적인 구부림에도 성능 저하가 없어 웨어러블 전자기기 응용 가능성도 확인됐다.

민유호 교수는 “단결정 유전체의 구조 제어와 결함 억제를 통해 무연 고성능 유연 커패시터 실현 가능성을 입증했다”며 “향후 웨어러블 기기와 고출력 에너지 저장장치 등으로 응용 범위를 확대할 계획”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 지역혁신선도연구센터사업(경북대 탄소중립지능형에너지시스템 지역혁신선도연구센터)과 창의도전연구기반사업, 동일문화장학재단 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 재료·에너지 분야 권위지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19)’ 7월 30일자 온라인판에 게재됐으며, 관련 기술은 특허 출원을 마쳤다.