공기 수준 저유전율·절연파괴 스스로 회복 캐퍼시터 개발
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공기 수준 저유전율·절연파괴 스스로 회복 캐퍼시터 개발
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  • 승인 2019.07.24 08:28
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공기 수준 저유전율·절연파괴 스스로 회복 캐퍼시터.
공기 수준 저유전율·절연파괴 스스로 회복 캐퍼시터.

광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 김봉중 신소재공학부 교수가 줄리아 그리어 미국 캘리포니아 공대 교수팀과 공동으로 유전율이 공기 수준으로 낮고 파괴되더라도 스스로 회복하는 세라믹 나노튜브가 단위 셀 형태로 규칙적으로 배열된 3차원(D) 나노라티스 캐패시터(축전기)를 개발했다고 23일 밝혔다.

유전율은 전기장이 가해졌을 때 어떤 물질이 전하를 축적할 수 있는 정도를 말한다. 저유전율 물질은 컴퓨터 프로세싱과 무선통신, 자율주행차 등 고효율 마이크로 전자기기의 응용분야에서 절연과 단열 등 핵심적인 역할을 수행한다.

저유전 물질을 반도체 공정에 적용하기 위해서는 낮은 유전상수 외에도 기계 강도와 전기 신뢰성, 열 안정성이 모두 만족시켜야 한다. 하지만 유전율을 낮추기 위해 다공질 물질에서 구멍 부분이 차지하는 비율인 다공도를 높이면 기계강도와 절연파괴 강도가 약해져 개발하는 데 한계가 있다.

김 교수팀은 유전체의 유전율을 공기의 수준으로 낮추면서 필요한 물성을 확보하기 위해 알루미나, 즉 세라믹 튜브로 이뤄진 다공도 99%의 나노라티스 캐패시터를 개발했다. 이 캐패시터는 초저유전율을 갖는 동시에 영구변형이 없는 탄성 변형구간의 강도를 의미하는 영률 30 메가파스칼(㎫), 실질적인 탄성한계 값인 항복 강도가 1.07㎫, 파괴가 일어나더라도 응력 제거시 스스로 모양이 회복된다.

연구팀은 3D 나노라티스의 전기 절연파괴 및 유전률 상승이 50%의 응력을 인가하고 나노튜브들이 구부러진(좌굴) 뒤 펴지지 않아 발생한다는 사실을 확인했다. 응력이 줄면서 나노라티스 형태, 절연파괴, 유전상수 모두 동시에 복구돼 99%의 다공도를 갖는 3D 나노라티스 캐퍼시터는 200V의 전압에서 안정적이고 전기 강도도 매우 강하다는 것을 입증했다.

김봉중 교수는 “초저유전 물질의 응력에 따른 유전 및 전기적 특성과 메카니즘을 규명한 첫 사례”라며 “절연파괴 강도와 유전상수가 스스로 회복되는 캐퍼시터를 개발하는 등 플렉시블 전자기기 등 차세대 시스템에 이용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.


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