영남대학교(총장 최외출) 신소재공학부 류정호 교수 연구팀은 세라믹 기반 강유전체 소재를 나노구조로 상온에서 코팅하고 저온에서 열처리하여 에너지 충전 및 방전 특성을 획기적으로 개선한 신소재를 개발하였다.

 전기자동차, 모바일 기기 등의 전원으로 사용되는 배터리는 높은 에너지 저장 특성으로 오랜 시간 사용이 가능하지만, 자동차의 급가속, 모바일 기기의 플래시와 같이 순간적인 출력이 필요한 경우에는 배터리 출력이 부족한 특성이 있다. 이를 위해 현재는 순간적인 에너지 방출을 위해 고분자 재료를 이용한 축전기(커페시터)를 보조적으로 사용하고 있으나 온도변화에 취약하고 낮은 유전특성(dielectric property)을 지닌 소재 탓에 저장할 수 있는 에너지양이 제한적이었다.

 일반적으로 완화형 강유전체(Relaxor Ferroelectric)는 고에너지를 충전하고 방전할 수 있는 소재로 활용되고 있지만, 특정한 화학조성에서만 제조가 가능하다. 류 교수 연구팀은 일반적인 강유전체 소재를 나노미터 크기의 미세한 결정입자와 유리질로 코팅하여 복합적인 구조를 상온에서 만든 뒤, 600도의 낮은 열처리를 통해 세라믹소재의 미세구조를 조절하였다. 그 결과, 기존의 완화형 강유전체 특성을 가지면서 전기 에너지 저장과 방출 특성을 획기적으로 향상 시킨 유전체 소재 개발에 성공했다. 지금까지 알려진 강유전체 화학조성으로는 완화형 강유전 특성을 가질 수 없다는 기존의 한계를 넘어 순수 강유전체 조성의 세라믹 소재를 미세구조 변화만으로 완화형 강유전체 특성을 낼 수 있다는 이번 연구결과는 세계 최초 성과이며, 기존의 이론을 새롭게 확대한 것이다.  연구결과를 응용하여 다양한 강유전체 소재를 이용한 저장 축전기(커패시터), 전기열량 효과를 이용하는 고체 냉각기, 물리량 감지 센서 등으로 산업적 활용이 가능하다.

 류 교수는 “본 연구결과는 화학조성의 한계가 있는 완화형 강유전체의 조성 한계를 극복하였기 때문에 새로운 신소재의 개발이 가능하다는 원천성과, 개발된 소재기술은 고에너지 저장과 급속 충방전이 필요한 다양한 분야에서 순간적인 에너지 부족 이슈를 극복할 수 있는 응용 기술의 의미를 모두 가진다. 연구팀이 보유한 빛을 이용한 열처리 기술을 활용하면 다양한 세라믹 소재의 광학적, 전기적, 자기적 특성을 이용한 신소재 부품으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업을 통해 수행되었으며, 영남대학교 류정호 교수, 미국 펜실베니아주립대 첸 교수, 프리야 교수, 인하대학교 정대용 교수가 공동으로 진행했다. 연구 논문은 신소재 학문 분야의 세계적 학술지<Advanced Materials, 영향력지수(IF) 29.4>에 2023년 11월 9일 표지논문으로 게재되어 기술 원천성과 학술성을 인정받았다.

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