전기·기계적 충격에도 특성 회복하는 '콘덴서' 개발

GIST, 초저유전 절연체 특성 유지하는 3차원 나노 격자 캐퍼시터 구현
잃어버린 정보 복구, 플렉시블 기기, 무선통신 등에 활용 기대
변형이 되어도 스스로 절연 특성을 회복하는 콘덴서(캐퍼시터)가 개발됐다.

GIST(총장 김기선)는 김봉중 교수팀이 초저유전 절연체 특성을 안정적으로 유지하는 3차원 나노 격자 구조 캐퍼시터를 구현했다고 23일 밝혔다.

캐퍼시터는 전하를 모으거나 방출해 전기를 공급하는 전자기기 부품이다. 
연구팀이 개발한 캐퍼시터는 유전상수가 1.5 이하로 낮다. 전하 간에 전기장이 작용할 때 그 사이에 있는 매질이 전기장에 미치는 영향이 적다는 의미다. 

유전상수가 낮은 물질은 컴퓨터 프로세싱, 무선통신, 자율주행차 등 고효율 마이크로 전자기기 응용 분야에서 핵심 역할을 담당한다.

하지만 유전율을 낮추기 위해 고체 내 빈틈의 양인 '다공도'를 높이면 기계 강도와 절연파괴 강도가 약해진다. 절연파괴 강도란 절연물질이 열화, 과열 등으로 인한 손상을 입었을 때 절연 특성을 유지하는 힘이다.  


연구팀은 유전체의 유전율을 공기의 수준으로 낮추면서 필요한 물성을 확보하기 위해 알루미나(세라믹) 튜브로 이뤄진 다공도 99% 나노라티스 캐퍼시터를 만들었다.

이 캐퍼시터의 초저유전율은 1.06~1.10이며, 영률(Young’s modulus)은 30MPa, 항복 강도는 1.07MPa다. 영률은 재료의 영구변형이 없는 탄성 변형구간의 강도를 말하며, 항복 강도는 탄성한계의 실제 근삿값이다.

시뮬레이션한 결과, 약 50%의 외력을 가했을 때 나노라티스를 구성하는 나노튜브가 구부러진 후 펴지지 않아 전기적 절연파괴 현상이 나타났다. 반면, 외력이 줄어들자 나노라티스의 형태, 절연파괴 강도, 유전상수가 모두 동시에 복구됐다.

일반적으로 알루미나로 이뤄진 다공도가 17%인 캐퍼시터는 전압을 가하자마자 파괴된다. 연구팀이 개발한 99% 다공도 캐퍼시터는 200V 전압에서도 안정적이다.

김봉중 교수는 "초저유전 물질의 응력에 따른 유전·전기적 특성을 정량화하고, 이들의 메커니즘을 규명한 첫 사례"라며 "절연파괴 강도와 유전상수를 스스로 회복하는 캐퍼시터가 향후 플렉시블 전자기기나 전기·기계적 충격으로 잃어버린 정보를 복구하는 차세대 시스템에 이용될 것으로 기대된다"고 말했다.

캘리포니아 공대 줄리아 그리어(Julia R. Greer) 교수팀과 공동으로 진행된 이번 연구는 지난 12일 Nano Letters 온라인판에 실렸다. 논문명은 'Recoverable electrical breakdown strength and dielectric constant in ultra-low k nanolattice capacitors'다.


GIST 연구팀이 개발한 초저유전 캐퍼시터는 압축변형에 스스로 절연파괴 강도와 초저유전 특성을 회복한다. (a,b) 초저유전 캐퍼시터의 모식도와 실제 SEM 이미지, (c,d) 압축 변형에 대한 전기/절연적 특성을 측정하는 모식도, (e,f) 압축 변형이 가해지고/풀어짐에 따른 누설전류밀도, (g,h) 압축 변형에 가해지고/풀어짐에 따른 캐퍼시턴스밀도. <그림=GIST 제공>GIST 연구팀이 개발한 초저유전 캐퍼시터는 압축변형에 스스로 절연파괴 강도와 초저유전 특성을 회복한다. (a,b) 초저유전 캐퍼시터의 모식도와 실제 SEM 이미지, (c,d) 압축 변형에 대한 전기/절연적 특성을 측정하는 모식도, (e,f) 압축 변형이 가해지고/풀어짐에 따른 누설전류밀도, (g,h) 압축 변형에 가해지고/풀어짐에 따른 캐퍼시턴스밀도. <그림=GIST 제공>
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