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전기에너지 저장을 위한 고분자 나노복합체

전문가 제언: ○ 고분자 나노복합체는 기능성 무기충전제와 우수한 성형성의 장점을 가진 고분자와의 장점을 살려 정전기 제거, 난연성 제고 등의 넓은 응용을 갖고 있다. 최근 고전기장(high electric field)에서 나노 크기 충전제 특히 세라믹계 충전제를 사용하는 유전체 목적의 고분자 나노복합체가 새로운 첨단기술로 등장하고 있다.

○ 고분자 나노복합유전체(dielectric polymer nanocomposite) 기술은 나노 충전제가 고분자와 만드는 계면의 면적이 엄청나게 증대함에 따라 Tanaka의 다심모델에서 주장되는 특수한 계면효과가 핵심이다. 높은 전기파괴강도 및 공간전하 축적 방지의 장점을 가진 기술이다. 이는 고에너지밀도용 전력 커패시터와 전력케이블의 두 큰 분야를 가진다.

○ 이 글은 연료전지, 바테리 등 여러 전기에너지 저장기기 중에서 최근 신속한 충 방전이 가능한 커패시터에서 에너지밀도를 높이는 최신기술을 소개하고 있다. 통상 유전재료에서 에너지밀도는 전기장의 제곱에 비례하고 나노복합체의 상대유전율에 비례한다. 종래의 높은 유전율을 가진 세라믹 충전제는 전기파괴강도가 낮다. 고분자는 유전율이 낮지만파괴강도가 높으므로 이 둘의 조합은 에너지밀도 향상에 바람직하다.

○ 이 글은 유전율 증대를 위한 티탄산바륨(BT, BaTiO3), calcium copper titanate(CCCTO)와 같은 강유전성 세라믹 사용, PVDF나 이의 공중합체와 같은 강유전성 플루오로 고분자 사용을 소개하고 있다. 세라믹 충전제의 고분자 기질 내 분산향상으로 고전기파괴강도 실현을 위한 충전제 표면에 기능기 부여 등도 소개하고 있다. 이들 기술에 의해 나노복합유전체 에너지밀도를 고분자 대비 50% 이상 향상한 예가 다수 설명되고 있다. 금후 유전율 상승에 따른 전기파괴강도의 저하, 유전손실의 증가, 온도에 따른 유전특성의 변화 등 기본 과학의 이해가 필요하다.

○ 한국의 활발한 커패시터 산업의 한 차원 높은 국제경쟁력확보를 위해서는 아직 뒤진 고분자 나노복합유전체에서 충전제 나노입자의 특수한 계면효과를 이용한 고전기파괴강도에 의한 커패시터의 에너지밀도 향상 연구가 여러 학제의 긴밀한 협력 하에 적극적으로 추진되기를 기대한다.

저자: Q. Wang, L. Zhu
자료유형: 학술정보