고온에 견딜 수 있는 유연한 폴리머 나노복합물 :: 전체

펜실베이니아 주립대학(Pennsylvania State University)의 연구진은 새로운 절연성 폴리머 나노복합물을 제조하는데 성공했다. 이 나노복합물은 유연하고, 저렴하게 제조할 수 있고, 가볍고, 쉽게 제조할 수 있고, 고온에 견딜 수 있는 특성을 가지고 있다. 그래서 전기 자동차 속의 전력 변환과 에너지 저장 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

“세라믹은 고온 적용을 위한 에너지 저장용 유전체로 종종 사용되지만, 그들은 무겁고 부서지기 쉽다”고 이 연구를 이끌었던 Qing Wang 교수가 말했다. “폴리머는 낮은 작동 온도를 가지기 때문에 냉각 시스템을 필요로 하는데, 이것은 부피를 증가시키고 시스템 효율을 감소시키며 신뢰성을 하락시킬 수 있다”고 Wang 교수가 덧붙였다.

유전체는 전기를 전도할 수 없는 재료이지만, 전기장에 노출될 때, 전기를 저장한다. 그들은 엔진 시동을 위해서 매우 빠르게 에너지를 방출할 수 있고, 배터리 속의 직류 전류를 모토 구동에 필요한 교류 전류로 변환시킬 수 있다.

하이브리드 및 전기 자동차, 항공 우주용 전자장치, 가스 및 석유 탐사 장치와 같은 다양한 분야에 사용되는 재료들은 고온을 견딜 수 있어야 한다. 이번 연구진은 질화붕소 나노시트가 포함된 교차-결합된 폴리머 나노복합물을 개발했다. 이 재료는 고온용 에너지 저장을 위한 고-전압 용량을 가지고, 광 패터닝될 수 있고, 유연하다. 이번 연구진은 이 연구결과를 저널 Nature에 게재했다.

유전 물질은 첨단 전자장치와 전력 시스템 속에서 정전기적으로 에너지를 저장한다. 세라믹 상대물에 비해서, 폴리머 유전체는 더 높은 항복 강도와 더 높은 신뢰성을 가지고 있기 때문에, 많은 전자장치를 위한 이상적인 선택이 될 수 있다. 이번 연구진은 새로운 교차-결합된 폴리머 나노복합물을 개발했는데, 이것은 다양한 온도 및 주파수 범위에서 안정적인 유전 특성을 가지고 있다. 이 나노복합물을 매우 높은 온도에서 뛰어난 고전압 전기용량성 에너지 저장 능력을 가지고 있다. 그들의 전기 전도성은 기존의 폴리머보다 몇 배 더 높고, 높은 작동 온도는 질화붕소 나노시트의 존재로 인해서 매우 향상된 열전도성 때문에 발생한다. 이것은 원래의 폴리머와 비교했을 때, 열 분산을 향상시킨다.

이런 질화붕소 폴리머 복합체는 고전압 하에서 480℉ 이상의 온도를 견딜 수 있다. 이 재료는 폴리머와 나노시트를 혼합해서 교차결합을 만들고 열 또는 빛으로 폴리머를 경화시킴으로써 쉽게 제조된다. 나노시트가 매우 작기 때문에(약 2나노미터의 두께와 400나노미터의 측면 크기), 이 재료는 유연하고 독특한 유전 특성을 가지고 더 높은 전압 출력, 열 저항, 굴곡성을 가진다.

“우리의 다음 목표는 더 큰 크기로 이런 재료를 만들고 이것을 실제 적용하는 것”이라고 Wang은 말했다. “이론적으로, 대량 생산을 위한 한계는 없다”고 Wang 교수가 덧붙였다. 이 연구결과는 저널 Nature에 “Flexible high-temperature dielectric materials from polymer nanocomposites”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nature14647).

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』