"전기차·항공우주 전력 부품 가볍게"…UNIST, 내열 소재 개발

200도 고온에서도 충·방전 효율 90% 이상 유지

기존 소재보다 내구성 10배·예측 수명 12배 향상

범용 가교제 적용해 기계적 강도와 전기 절연 성능 개선

[울산=뉴시스] 전기차·항공우주용 축전기에 들어가는 필름형 유전체. 세라믹 대신 고분자 필름을 유전체로 쓰면 축전기를 경량화 할 수 있다. AI생성이미지 [email protected] *재판매 및 DB 금지

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 전기차·항공우주 전력 부품 전기차와 항공우주 장비에 사용되는 축전기의 무게를 줄이면서 고온에서도 안정적인 에너지 저장 성능을 확보할 수 있는 신소재가 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 화학과 김봉수 교수팀이 미국 로렌스버클리국립연구소 이 리우(Yi Liu) 박사팀과 공동으로 200도의 고온에서도 우수한 에너지 저장 성능을 유지하는 필름형 축전기용 유전체를 개발했다고 9일 밝혔다.

연구팀은 기존 고분자 필름에 적용할 수 있는 범용 가교제 '6Bx'를 개발해 소재의 기계적 강도와 전기 절연 성능을 동시에 높였다.

축전기는 전기를 저장했다가 필요한 순간 방출하는 장치로 전기차 모터 인버터 등에 활용된다. 고분자 필름을 유전체로 사용하면 가볍고 다양한 형태로 제작할 수 있지만 고온에서는 소재가 변형되거나 전류가 새는 문제가 있어 성능과 수명 확보가 과제로 꼽혀왔다.

연구팀이 개발한 소재는 200도에서 최대 650MV/m의 전기장을 가한 충·방전 시험에서도 90% 이상의 효율을 유지했다. 반면 상용 내열 필름인 폴리에테르이미드(PEI)는 550MV/m 조건에서 효율이 68%에 그쳤다.

내구성도 크게 개선됐다. 200도에서 500MV/m의 전기장을 가했을 때 기존 PEI 필름은 1만 회 이내에 고장났지만 개발 소재는 10만 회 충·방전에도 성능을 유지했다. 가속시험을 토대로 산출한 예측 수명은 200도·200MV/m 조건에서 약 60년으로 기존 소재보다 12배가량 길었다.

성능 향상의 핵심은 가교제 '6Bx'다. 연구팀은 이를 PEI에 첨가한 뒤 150도에서 열처리해 고분자 사슬을 그물망처럼 연결했다. 이 과정에서 소재의 구조적 안정성이 높아져 200도에서 변형에 저항하는 강도가 기존보다 약 두 배 향상됐다.

[울산=뉴시스] UNIST 연구진. 김봉수 교수(좌측)와 강효민 연구원 [email protected] *재판매 및 DB 금지

가교제에 포함된 과불화 페닐기는 전자의 이동을 억제해 전류 누설도 줄였다. 실제 200도·200MV/m 조건에서 누설전류 밀도는 기존 PEI 필름의 약 15분의 1 수준으로 감소했다.

특히 이 기술은 PEI뿐 아니라 다른 고온용 고분자에도 적용할 수 있으며 10㎝ 크기의 필름으로 제작한 축전기 81개에서도 균일한 성능을 확인했다.

김봉수 교수는 "새로운 고분자를 설계하지 않고 기존 산업용 고분자에 가교제를 첨가하는 간단한 후처리만으로 소재의 성능 한계를 높일 수 있다"고 말했다.

이어 "전기차와 항공우주 장비는 물론 지하자원 탐사 등 고온·고전계 환경에서 사용되는 필름형 축전기의 상용화에 기여할 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구에는 UNIST 탄소중립대학원 강효민 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 10월 19일 온라인 게재됐다.


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