납 없는 전자소자, 경북대가 길을 열다

경북대, 고성능 무연 단결정 유전체 개발…유연 커패시터 적용 가능
칼슘 도핑으로 결함 억제·성능 향상
국제 학술지 게재·특허 출원 완료

경북대 민유호 교수

경북대 노종욱 교수

경북대 정희용 석사과정생

경북대 박선화 박사

납 없이도 강하고, 구부려도 꺾이지 않는다. 경북대 연구진이 개발한 무연 단결정 유전체가 차세대 친환경 유연 전자기기의 핵심 소재로 주목받고 있다. 고성능과 내구성을 동시에 확보하며 국제 무대에 성과를 알렸다.

경북대학교는 연구진이 고출력 유연(Flexible) 커패시터에 적용 가능한 고성능 무연(Pb-free) 단결정 유전체를 개발했다고 12일 밝혔다. 이번 소재는 납(Pb)을 사용하지 않으면서도 에너지 저장 성능이 뛰어나고, 반복적으로 구부려도 안정적으로 작동해 차세대 친환경 전자기기에 활용 가능성이 기대된다.

경북대 금속재료공학과 민유호 교수팀은 나노신소재공학과 노종욱 교수팀과 공동연구를 통해, 친환경 유전체 소재인 '(K,Na,Li)NbO₃ 단결정 마이크로큐브'에 칼슘(Ca)을 도핑하는 방식으로 에너지 저장 성능을 향상시킨 무연 단결정 유전체를 개발했다.

커패시터는 전기차와 스마트기기 등에서 전기적 에너지를 빠르게 저장·방출하는 장치로, 핵심 소재인 유전체의 전기적 분극 특성과 내전압이 우수할수록 성능이 높아진다. 단결정 구조는 다결정보다 뛰어나지만 제조 공정이 복잡하고 비용이 높은 단점이 있다.

민 교수팀은 앞서 저비용 '용융염법(molten-salt method)'으로 '(K,Na,Li)NbO₃ 단결정 마이크로큐브' 제조 기술을 개발한 바 있다. 이번 연구에서는 여기에 칼슘을 도핑해 결정 내 결함을 줄이고 미세한 전기 분극 영역을 형성, 에너지 저장 성능을 크게 높였다. 또한 도핑 농도에 따른 구조와 전기적 성능을 분석해 최적 조성을 도출했다.

연구진은 개발한 단결정 유전체를 고분자 기판(PDMS)과 결합해 실제 유연 커패시터를 제작하고, 기존 무연 세라믹 커패시터보다 높은 내전압과 안정적인 충·방전 성능을 확인했다. 반복 구부림 시험에서도 성능 저하가 없어 유연 전자기기 응용 가능성을 입증했다.

민유호 교수는 "단결정 유전체의 구조 제어와 결함 억제를 통해 무연(Pb-free) 고성능 유연(Flexible) 커패시터를 실현할 수 있음을 보여준 연구"라며 "현재 후속 연구를 진행 중이며, 향후 웨어러블 전자기기나 고출력 에너지 저장장치 등에 널리 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 지역혁신선도연구센터사업(경북대 탄소중립지능형에너지시스템 지역혁신선도연구센터)과 창의도전연구기반사업, 동일문화장학재단의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료·에너지 분야 국제 저널 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=19)' 7월 30일 자 온라인판에 실렸으며, 관련 기술은 특허 출원을 마쳤다.

논문의 교신저자는 민유호·노종욱 교수이며, 제1저자는 금속재료공학과 정희용 석사과정생과 탄소중립지능형에너지시스템 지역혁신선도연구센터 박선화 박사다.