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[IT뉴스]UNIST, 전기차·항공우주용 고내열 필름 유전체 개발

온카뱅크관리자

2026-11-09 08:47:26

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 가교제로 기계적 강도·절연 성능 높여 200℃ 충·방전 효율 90%…수명 12배 상용 고분자 6종서 성능 2배 향상 입증 
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 전기차·항공우주용 축전기에 들어가는 필름형 유전체. 세라믹 대신 고분자 필름을 유전체로 쓰면 축전기를 경량화 할 수 있다. AI제작이미지=UNIST
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 전기차 인버터와 항공우주 전력 장비에 쓰이는 필름 축전기가 200℃ 고온에서도 안정적으로 전기를 저장하고 내보낼 수 있게 돕는 핵심 소재가 개발됐다. 새로운 고분자를 합성할 필요 없이 기존 상용 플라스틱에 자체 개발한 가교제를 섞어 열처리하는 방식이어서 양산 적용이 유리할 전망이다.
 울산과학기술원(UNIST)은 화학과 김봉수 교수 연구팀이 미국 로렌스버클리국립연구소 이 리우(Yi Liu) 박사 연구팀과 공동으로 고온·고전계 환경에서도 에너지 저장 성능을 유지하는 범용 가교제 ‘6Bx’와 필름형 유전체를 개발했다고 9일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 10월 19일 자로 온라인 게재됐다.
 축전기는 전기를 저장했다가 빠르게 방출해 전압 흔들림을 잡아주는 부품이다. 두 금속 전극 사이에 전기가 통하지 않는 절연 물질인 유전체가 들어간다. 유전체로 고분자 필름을 쓰면 가볍고 가공하기 쉬워 경량화가 필수적인 전기차와 항공우주 장비에 적합하다. 그러나 상용 고분자는 고온에서 내부 전하 이동이 활발해져 누설 전류가 급증하고 절연 성능이 떨어지는 한계가 있었다. 내열성을 높이려 단단한 방향족 골격 구조를 도입하면 오히려 전하 이동 통로가 생겨 효율이 낮아지는 상충 관계도 따랐다.
 연구팀은 여섯 개의 과불화 페닐 아자이드기를 가진 6가지(Six-armed) 형태의 가교제 ‘6Bx’를 고안해 기계적 보강과 절연 성능 향상을 동시에 달성했다. 150℃로 가열하면 6Bx 끝단에서 질소가 빠져나오며 반응성이 높은 ‘나이트렌’이 생성된다. 이 나이트렌이 주변 고분자 사슬의 탄소-수소(C-H) 결합에 직접 끼어들어 사슬들을 3차원 그물 구조로 묶는다. 모든 유기 고분자가 공통으로 가진 탄소-수소 결합을 활용하기 때문에 별도의 화학 작용기를 도입하지 않아도 상용 고분자를 그대로 가교할 수 있다.
 대표적인 상용 내열 고분자인 폴리에터이미드(PEI)에 6Bx를 무게 기준 5% 첨가한 결과, 분자 사슬의 움직임이 억제되며 자유 부피 분율이 37.5%에서 35.4%로 줄었다. 200℃에서 변형에 저항하는 정도를 나타내는 영률은 628MPa에서 1205MPa로 약 2배 높아졌고 유리전이온도는 8℃ 상승했다.
 동시에 가교제에 포함된 ‘과불화 페닐기’는 전자를 강하게 끌어당기는 깊은 전하 트랩을 형성해 전자가 반대 전극으로 넘어가는 현상을 차단했다. 이로 인해 전하의 이동 거리가 1.97nm에서 1.05nm로 줄어들었다. 200℃·200MV/m 조건에서 누설 전류 밀도는 가교제를 넣지 않은 필름의 약 15분의 1 수준으로 감소했으며 절연 파괴 강도는 최대 718MV/m를 기록했다.
 성능 평가에서 개발된 유전체(xPEI)는 200℃ 고온에서 최대 650MV/m의 강한 전기장을 가한 충·방전 시험에서도 90% 이상의 효율을 유지하며 1㎤당 6.0J의 방전 에너지 밀도를 달성했다. 반면 가교제를 넣지 않은 상용 PEI 필름은 이보다 약한 550MV/m 전기장에서도 효율이 68%로 급감했다.
 내구성과 대면적 양산성도 입증했다. 가로·세로 10cm 크기 필름에 제작한 축전기 소자 81개는 200℃·500MV/m 조건에서 고른 성능을 보였으며, 상용 PEI 소자가 1만 회 이내에 고장 난 것과 달리 10만 회 이상 충·방전을 반복해도 성능을 유지했다. 가속 수명 시험을 바탕으로 계산한 예측 수명은 산업 표준 전계인 200℃·200MV/m 조건에서 약 60년으로 상용 필름보다 약 12배 길다.
 연구팀은 PEI 외에도 화학 구조가 서로 다른 상용 고분자 6종에 동일한 조건으로 가교제를 적용해 영률, 유리전이온도, 절연 파괴 강도가 일제히 향상되고 200℃ 에너지 저장 성능이 약 2배 증가함을 확인했다.
 김봉수 교수는 “새로운 고분자를 다시 설계하지 않고도 기존 산업용 고분자에 가교제를 첨가하는 간단한 후처리만으로 성능 한계를 끌어올렸다”며 “다양한 고분자에 적용할 수 있고 대면적 필름에서도 균일한 성능을 확보해 전기차, 항공우주, 지하자원 탐사 등 고온 환경용 필름 축전기 상용화에 기여할 것”이라고 말했다.
 이번 연구는 울산과학기술원 탄소중립대학원 강효민 연구원이 제1저자로 참여했으며 삼성미래기술육성사업과 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
 울산=장지승 기자 jjs@sedaily.com
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