UNIST·美 연구진, 200℃ 고온 견디는 전기차 ·항공우주 전력 부품 신소재 개발

美 로렌스버클리硏와 가교제로 기계적 강도·절연 성능 높인 고분자 유전체

200℃ 충·방전 효율 90% 이상, 예측 수명 12배↑… Nat. Commun. 게재

전기차와 우주항공 장비의 고질적 약점인 고온 환경을 극복할 초내열 필름 축전기 소재가 나왔다.

뜨거운 열기 탓에 고장 나기 일쑤였던 미래 모빌리티 전력 장치에 수명을 12배 늘리는 원천 기술이 장착된다.

전기차 모터와 항공우주 기기의 핵심 부품인 축전기가 200℃ 고온에서도 전력을 안정적으로 저장할 수 있는 길이 열렸다.

UNIST(울산과학기술원) 화학과 김봉수 교수팀과 미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 이 리우 박사 공동 연구팀은 고온에서도 에너지 저장 효율을 90% 이상 유지하는 필름형 축전기 유전체를 개발했다.

연구진: 김봉수 교수(좌측)와 강효민 연구원. UNIST 제공

축전기는 전기를 빠르게 저장하고 방출해 급격한 전압 변동을 잡는 장치다. 기존 필름형 축전기는 가볍고 형태를 바꾸기 쉬워 널리 쓰였다. 그러나 열에 취약해 고온 환경에서는 전력이 새고 쉽게 파손됐다.

연구팀은 자체 개발한 특수 가교제 '6Bx'를 상용 고분자(PEI)에 첨가해 약점을 잡았다. 150℃ 이상 열을 받으면 분자들이 그물망처럼 촘촘히 엮이며 형태 변형과 전류 누출을 동시에 막아선다.

시험 결과는 압도적이었다. 200℃ 고전압 환경에서 기존 상용 필름은 충·방전 1만회를 채 넘기지 못하고 고장 났다. 반면 신소재는 10만회를 거치고도 정상 작동했다. 수명 예측치는 약 60년으로 기존 제품보다 12배나 길다.

기존 소재를 완전히 새로 만들지 않고 가교제 첨가만으로 성능을 극대화해 상용화 가능성도 높다.

김봉수 교수는 "새로운 고분자를 다시 설계하지 않고도 이미 산업에서 쓰이고 있는 고분자에 가교제를 첨가함으로써 성능 한계를 끌어올릴 수 있는 간단한 후처리 방식의 기술"이라며 "다양한 고분자에 적용할 수 있고 대면적 필름에서도 고른 성능을 확보해 전기차, 항공우주, 지하자원 탐사 등 고온·고전계 환경용 필름 축전기 상용화에 직접적으로 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 UNIST 탄소중립대학원 강효민 연구원이 제1저자로 참여했다.

'삼성미래기술육성사업'과 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 수행됐으며, 미국 에너지부(DOE) 산하 로렌스버클리국립연구소의 분자파운드리(Molecular Foundry)와 첨단광원(ALS) 시설을 활용했다.

연구 결과는 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 10월 19일 자로 온라인 게재됐다.

전기차·항공우주용 축전기에 들어가는 필름형 유전체. 세라믹 대신 고분자 필름을 유전체로 쓰면 축전기를 경량화 할 수 있다. [생성형AI제작이미지]

영남취재본부 김수로 기자 relationship6007@asiae.co.kr