[뉴스웍스=문병도 기자] 김봉중 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부  교수와 줄리아 그리어 캘리포니아 공대  교수 공동연구팀이 유전율이 공기 수준으로 낮으며, 압축변형시 절연파괴 강도와 초저유전 절연체특성이 안정적으로 유지되고, 파괴가 일어나더라도 응력 제거시 스스로 회복되는 3차원-나노라티스 캐퍼시터를 세계 최초로 구현했다. 

이러한 회복이 일어나는 메카니즘을 실시간 이미징을 통한 기계적 특성 측정과 이론적 모델링, 그리고 전류-전압 곡선 분석을 통해 규명했다. 

저 유전 상수를 가진 물질의 개발은 컴퓨터 프로세싱, 무선통신, 자율주행차 등 고효율 마이크로 전자기기의 응용분야에 핵심적인 역할을 담당하므로 각광을 받고 있다.

그러나 유전율을 낮추기 위해서 다공도를 높이면, 기계강도와 절연파괴강도가 심각하게 약해져 개발하는데 한계가 있어 왔다.

연구팀은 유전체의 유전율을 공기의 수준으로 낮추면서 필요한 물성을 확보하기 위하여 알루미나(세라믹) 튜브로 이루어진 다공도 99%의 나노라티스 캐퍼시터를 제작했다. 

이 캐퍼시터는 초저유전율(k=1.06-1.10)을 가지고, 동시에 30 MPa의 영률과 1.07 MPa의 항복 강도, 그리고 압축응력 사이클시 모양의 회복이 가능하다. 

이 구조체를 이용하여 최대 50%의 압축변형을 여러 번 반복하여 가해주면서 동시에 절연 파괴 특성, 유전 특성, 전도 메카니즘을 정량적으로 분석했다.  

실시간 관찰 및 시뮬레이션을 통해 3차원-나노라티스의 전기적인 절연파괴 및 유전률의 상승은 약 50%의 응력 인가시, 나노라티스를 구성하는 나노튜브들이 좌굴된 후 펴지지 않아 발생하게 되었고, 응력이 줄어듦에 따라 나노라티스의 형태, 절연파괴, 유전상수 모두가 동시에 복구됨을 규명했다.

이러한 회복력은 전기적·기계적 충격이 반복될수록 영구적으로 좌굴된 튜브의 수가 증가되어 감퇴되게 된다.

전도성 메카니즘도 쇼트키 방출에서 풀-프렌켈 방출방식으로 변화하게 된다.

일반적으로 알루미나로 이루어진 박막구조에서는 불과 17%의 다공도만 주어도 전압을 인가하자마자 바로 파괴가 일어난다.

이 연구에서 개발된 99%의 다공도를 가지는 3차원-나노라티스 캐퍼시터는 200V의 전압에서 안정적이어 전기적 강도가 매우 강함을 밝혔다.

김봉중 교수는 “이번 연구 성과는 아직 국내외적으로 아무도 도달하지 못한 초저유전 물질의 응력에 따른 유전·전기적 특성을 정량화하고, 이들의 메카니즘을 규명한 첫 사례이며, 무엇보다 절연파괴 강도와 유전상수가 스스로 회복되는 캐퍼시터를 개발함으로써, 향후 유연한 전자기기 시스템이나 전기·기계적 충격으로 잃어버린 정보를 복구할 수 있는 차세대 시스템에 이용할 수 있을 것으로 기대한다”라고 말했다.

김민우 GIST 신소재공학부 연구원과 맥스 리프선 캘리포니아 공대 연구원이 참여한 이번 연구 결과는 나노분야 최고 권위지인 나노 레터스에 지난 12일자 온라인으로 게재됐다.