경북무료 슬롯교 금속재료공학과 민유호 교수팀은 나노신소재공학과 노종욱 교수팀과 공동으로, 고출력 유연 커패시터에 적용 가능한 무연 단결정 유전체를 개발했다고 11일 밝혔다.
이번에 개발된 ‘(K,Na,Li)NbO₃ 단결정 마이크로큐브’에 칼슘(Ca)을 도핑하는 방식으로 에너지 저장 성능을 크게 향상시켰으며, 납(Pb)을 사용하지 않아 친환경적이다. 이 소재는 반복적인 구부림에도 안정적으로 작동해 웨어러블 전자기기 등 차세대 친환경 전자기기에 활용될 전망이다.
커패시터는 전기차와 스마트기기 등에 쓰이는 에너지 저장장치로, 전기 에너지를 빠르게 저장하고 방출하는 역할을 한다. 유전체의 전기적 분극 특성과 내전압이 뛰어날수록 성능이 우수하며, 단결정 구조가 다결정 구조보다 우수하지만 제조 공정이 복잡하고 비용이 높다는 한계가 있었다.
민유호 교수팀은 이전에 저비용 용융염법(molten-salt method)으로 ‘(K,Na,Li)NbO₃ 단결정 마이크로큐브’ 제조 기술을 개발한 바 있으며, 이번 연구에서는 칼슘 도핑을 통해 결정 내 결함을 줄이고 미세 전기 분극 영역(나노도메인)을 형성해 에너지 저장 효율을 높였다. 칼슘 도핑 농도에 따른 구조와 전기적 성능을 분석해 최적 조성을 도출했다.
개발된 단결정 유전체는 고분자 기판(PDMS)과 결합해 실제 유연 커패시터로 구현되었으며, 기존 무연 세라믹 커패시터 대비 높은 내전압과 안정적인 충·방전 성능을 보였다. 반복 구부림에도 성능 저하 없이 작동해 유연 전자기기 응용 가능성을 입증했다.
민유호 교수는 “단결정 유전체의 구조 제어와 결함 억제를 통해 무연 고성능 유연 커패시터를 실현할 수 있음을 보여준 연구”라며 “현재 후속 연구를 통해 활용 분야를 넓히고 있으며, 웨어러블 전자기기와 고출력 에너지 저장장치 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단 지역혁신선도연구센터사업과 창의도전연구기반사업, 동일문화장학재단 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 재료·에너지 분야 국제 저널 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19)’ 7월 30일자 온라인판에 게재됐다. 관련 기술은 특허 출원도 완료했다.
논문 교신저자는 민유호 교수와 노종욱 교수이며, 제1저자는 금속재료공학과 정희용 석사과정생과 탄소중립지능형에너지시스템 지역혁신선도연구센터 박선화 박사다.