플렉서블 에너지 저장 장치를 위한 고분자 나노복합체 박막
2017-02-15
인도 자다브푸르 대학(Jadavpur University), 이스라엘 히브리 대학( The Hebrew University of Jerusalem)의 연구진은 최고의 유전체 고분자보다 더 높은 유전상수를 가진 나노입자-고분자 나노복합체를 개발했다.
높은 에너지 밀도와 탁월한 기계적 특성을 가진 고분자 유전체 재료들은 플렉서블 에너지 저장 장치에 매우 유용하게 적용될 수 있다. 그러나 고분자 커패시터의 에너지 밀도는 상대적으로 낮아서 첨단 분야에 적용하기가 힘들다(유전상수, εr ˜ 2-5).
고분자 커패시터는 단기간 에너지 저장에 매우 적합하고, 낮은 무게와 용이한 형상 형성 특성과 유연성 때문에 장치 속에 쉽게 통합될 수 있다. 이축 연신된 폴리프로필렌(Bi-axially oriented polypropylene, BOPP)은 최고의 유전체 고분자이지만, 매우 낮은 유전상수(εr ˜ 2.2) 때문에 2 J/cm3의 에너지 밀도를 가진다.
이번 연구진은 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF) 나노복합체 박막 속에 이산화티타늄 나노입자를 삽입했다. 새롭게 만들어진 재료는 에너지 저장 및 전환 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있고, 비용 효율적인 방법으로 만들어질 수 있다. 이것은 증가된 유전 상수(1 kHz에서 εr ˜ 32)와 높은 항복 강도(400 MV/m) 때문에 뛰어난 에너지 저장 물질로 적용될 수 있다. 또한 4 J/cm3의 높은 에너지 밀도를 가지고 있는데, 이것은 BOPP보다 2 배 더 높은 수치이다.
이 연구결과는 하이브리드 전기 자동차, 의료용 장치, 전기 무기 시스템 등과 같은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 또한 이 나노재료는 효율적이고 신뢰할 수 있는 친환경적 에너지 저장 장치를 개발하는데 매우 유용할 것이다.
나노복합체의 전기적 활성 특성과 뛰어난 기계적 특성 때문에, 이 재료는 자가 구동되는 장치를 위한 압전 나노발전기를 제조하는데 큰 잠재력을 가지고 있다. 압전 나노발전기의 압전 특성은 주기적인 기계적 진동 하에서 증명되었고, 이것은 운송 모니터링, 주파수 계산, 소음 감지, 음향 감지 등의 분야에 유망하게 적용될 수 있다.
이번 연구진은 납이 없는 압전성, 초전성, 강유전성 에너지 수집기 및 에너지 저장 장치에 관심을 보이고 있다. 또한 차세대 나노섬유 제조, 스마트 직물, 비침입성 바이오센서를 만들기 위한 다기능성 재료, 압전성 재료, 초전성 재료, 강유전성 재료를 집중적으로 조사하고 있다.
현재, 뛰어난 에너지 밀도를 가진 유전체의 필요성이 점점 증가하고 있다. 이런 유전체는 고효율 저장 시스템에 필수적인데, 이번 연구는 이 분야의 발전에 크게 기여할 것이다.
이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “Improved dielectric constant and breakdown strength of γ-phase dominant super toughened polyvinylidene fluoride/TiO2 nanocomposite film: an excellent material for energy storage applications and piezoelectric throughput” 라는 제목으로 게재되었다(https://doi.org/10.1088/0957-4484/28/1/015503).