차세대 전자제품용 초저유전체 커패시터 개발

광주과학기술원-캘리포니아공대 연구팀
차세대 반도체 및 광대역안테나 등에 사용
고전압·플렉서블 소자에 적용 기대

초저유전 커패시터와 이들의 기계적 응력-변형율 관계 및 압축변형에 대해 스스로 회복되는 절연파괴 강도 결과 (a,b) 둘로 양분된 밀도분포를 가진 초저유전 커패시터의 이미지와 응력-변형율 관계 (c,d) 반복적인 밀도분포를 가진 초저유전 커패시터의 이미지와 응력-변형율 관계 (e) 압축 변형에 대한 전기/절연적 특성을 측정하는 모식도 (f) 압축 변형 시 압축정도와 응력 사이클 수에 따른 누설전류밀도 (g) 압축 변형 제거시 압축정도와 응력 사이클 수에 따른 누설전류밀도/ 그림=광주과학기술원 제공

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 슈퍼컴퓨터, 광대역 무선통신, 고전압 장치에서 안정적으로 활용 가능한 메타구조 커패시터(축전기)를 개발했다. 커패시터란 도체에 다량의 전하를 일시적으로 저장하는 전기부품. 축전기라고도 한다.

한국연구재단(NRF)은 김봉중 광주과학기술원(GIST·지스트) 교수 연구팀이 줄리아 그리어 캘리포니아 공대 교수 연구팀과 함께 3차원-나노라티스 구조를 이용해 반복되는 압축변형에도 초저유전율을 유지하고 절연파괴 강도가 지속적으로 회복되는 커패시터를 개발했다고 8일 밝혔다.

3차원-나노라티스(3D-nanolattice)는 삼차원 레이저 식각과 원자층 증착 기술을 이용해 만든 세라믹 나노튜브가 단위 셀 형태로 규칙적으로 배열된 메타물질이다. 초저유전(Ultra low-k dielectric)는 1.5이하의 낮은 유전 상수 (dielectric constant)를 의미하며, 절연파괴 강도(Dielectric breakdown strength)는 전기적으로 절연된 물질 상호간의 전기저항이 감소되어 금속 수준의 많은 전류가 흐르게 되는 순간의 전압이다.

많은 차세대 전자기기가 고전압 배선을 사용하고, 기계적 변형에도 신뢰성을 유지하는 플렉서블한 형태로 진화함에 따라 전기 및 유전적 안정성이 높은 저유전물질을 이용한 커패시터 개발이 요구된다. 기존엔 커패시터의 유전율을 낮추기 위해 다공도(porosity·다공질 물질에서 전 부피에 대한 구멍 부분의 부피 비율)를 높여왔다. 하지만 다공도가 높은 물질은 기계강도와 절연파괴강도가 약해지고 열 안정성이 낮아지는 한계가 있었다.

연구팀은 선행연구를 통해 기계적 압축에도 절연파괴와 초저유전 특성 회복이 가능한 다공도 99%의 나노라티스 캐퍼시터를 개발한 바 있다. 하지만 5번의 압축 사이클과 25%의 작은 변형에서만 성능을 회복할 수 있어 상용화에는 어려움이 있었다. 이에 연구팀은 단일 밀도와 단위 층으로 이루어진 기존 나노라티스를 저밀도와 고밀도 두 개 층이 혼합된 불균질 구조로 개선해 문제를 해결했다. 시험 결과 나노라티스에 응력을 가하면 저밀도 층이 먼저 변형되기 시작해 전체 라티스의 50%가 변형 될 때까지 고밀도 층은 응력으로부터 완전히 보호되었다. 또 62.5%의 변형과 100번의 압축 사이클 동안 절연파괴와 초저유전 특성이 안정적으로 회복됐으며, 단일 밀도의 나노라티스 보다 최대 3.3배 높은 절연파괴강도를 기록했다.

김 교수는“이번 연구는 기계적 복원력과 열 및 전기적 안정성을 동시에 가지는 초저유전 물질을 개발한 데 의의가 있다”라며 “향후 유연한 전자기기 시스템이나 전기자동차, 우주, 항공 분야 고전압 시스템에 이용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.

이번 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인 판에 지난해 11월15일 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr