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★ 2023년 1월 9일(월) 조간(온라인 1. 8(일)  낮12:00 이후)부터 보도해 주시기 바랍니다.

보도자료

 청렴한 연구지원 신뢰받는 NRF

<홍보기획팀> 팀장 이상혁, 연구원 김정호 ☎ 042-869-6119

  

<자료문의> 광주과학기술원 신소재공학부 김봉중 교수(062-715-2341)

차세대 전자기기 핵심부품 ‘초저유전 커패시터’ 개발

-반도체 및 광대역안테나 등 고전압·플렉서블 소자에 적용 기대-

□ 국내연구진이 슈퍼컴퓨터, 광대역 무선통신, 고전압 장치에서 안정적

으로 활용 가능한 메타구조 커패시터*를 개발하였다.

  * 커패시터: 도체에 다량의 전하를 일시적으로 저장하는 전기부품. 축전기라고도 함. 

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 김봉중 교수(광주과학기술원)와 줄리아 

그리어 교수(Julia R. Greer, 캘리포니아공대) 연구팀이 3차원-나노라티스* 

구조를 이용하여, 반복되는 압축변형에도 초저유전율**을 유지하고 

절연파괴 강도***가 지속적으로 회복되는 커패시터를 개발했다고 밝혔다.

  * 3차원-나노라티스(3D-nanolattice): 삼차원 레이저 식각과 원자층 증착 기술을 이용하여 만든 세라믹 

나노튜브가 단위 셀 형태로 규칙적으로 배열된 메타물질

  ** 초저유전(Ultra low-k dielectric): 1.5이하의 낮은 유전 상수 (dielectric constant)

  *** 절연파괴 강도(Dielectric breakdown strength): 전기적으로 절연된 물질 상호간의 전기저항이 감소되어 

금속 수준의 많은 전류가 흐르게 되는 순간의 전압

□ 많은 차세대 전자기기가 고전압 배선을 사용하고, 기계적 변형에도 

신뢰성을 유지하는 플렉서블한 형태로 진화함에 따라 전기 및 유전적 

안정성이 높은 저유전물질을 이용한 커패시터 개발이 요구된다.  

 ○ 기존의 저유전 물질은 유전율을 낮추기 위해 다공도(porosity)*를 

높여왔다. 하지만 다공도가 높은 물질은 기계강도와 절연파괴강도가 

약해지고 열 안정성이 낮아지는 한계가 있었다. 

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 ○ 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.  

   *다공도(Porosity) : 다공질 물질에서 전 부피에 대한 구멍 부분의 부피 비율              

□ 이에 연구팀은 단일 밀도와 단위 층으로 이루어진 기존 나노라티스를 

저밀도와 고밀도 두 개 층이 혼합된 불균질 구조로 개선해 문제를 

해결하였다. 

 ○ 시험 결과 나노라티스에 응력을 가하면 저밀도 층이 먼저 변형되기 

시작해 전체 라티스의 50%가 변형 될 때까지 고밀도 층은 응력으로

부터 완전히 보호되었다. 

 ○ 또한 62.5%의 변형과 100번의 압축 사이클 동안 절연파괴와 초저유전 

특성이 안정적으로 회복됐으며, 단일 밀도의 나노라티스 보다 최대 

3.3배 높은 절연파괴강도를 기록했다. 

□ 김봉중 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.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업

으로 수행된 이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지‘어드밴스드 

머티리얼즈(Advanced Materials)’온라인 판에 11월 15일 frontispiece

로 게재되었다. 

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주요내용 설명

   <작성 : 광주과학기술원 김봉중 교수>

논문명

Enabling durable ultralow-k capacitors with enhanced breakdown 

strength in density-variant nanolattices

저널명 

Advanced Materials

키워드 

Density-variant nanolattice(밀도변화 나노라티스), Ultralow-k(초저유전률), 

Mechanical deformation(기계적 변형), Electrical breakdown(전기적 파괴), 

Electrical conduction mechanism(전기적 전도 기구)

DOI

https://doi.org/10.1002/adma.202208409

저  자

김봉중 교수(대표 교신저자/GIST), 줄리아 그리어 교수(Julia Greer, 공동 

교신저자/Caltech), 김민우(제1저자/뉴욕대학교), 

맥스 리프손 박사(Max Lifson, 공동 1저자/Caltech) 

1. 연구의 필요성

○ 마이크로 전자 상호 연결, 무선 통신 및 고전압 장치에서의 응용으로 

인해 전기 및 유전적으로 신뢰할 수 있는 저유전율 물질의 개발은 

연구의 대상이 되어 왔다. 또한, 플렉서블 전자 장치에 대한 수요가 

증가함에 따라, 이러한 장치들은 상당한 기계적 변형을 유도하는 

스트레스 하에서 신뢰성을 유지할 필요가 있다. 

○ 이러한 사항들은 고전압 배선에 있어서 매우 중요하다.

  (1) 전기 자동차의 배터리 배선 모듈, 배선 하니스 및 커넥터는 작동 

중인 자동차의 심한 진동 및 기계적 스트레스 하에서 높은 수준의 

안전성이 요구된다. 

  (2) 우주선 배선으로 캡톤 절연 와이어를 사용 중인데, 기계적 파손 및 

균열로 인한 전기 합선으로 인해 어려움을 겪고 있다. 

  (3) 감전을 막고 정전 용량을 낮추며 와이어의 전력 손실을 방지하기 

위해 고전압 케이블의 절연 층은 매우 중요하다.

 ○ 저유전율은 일반적으로 다공성인 재료에 의해 유도되지만, 기계적 

강도와 전기적 파괴 강도를 감소시키고, 기공 크기 및 분포 변화와 

연결로 인해 유전 손실과 낮은 열 안정성이 문제가 되고 있다.

 ○ 3차원(3D) 알루미나 나노라티스는 초저유전 물질을 실현할 후보다. 

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k값이 1.06-1.10이고, 기계적 복원력과 열 및 전기적 안정성을 동시에 

가지며, 넓은 전압 및 주파수 범위에서 안정적이다. 또한, 최대 섭씨 

800도 까지 2.43 × 10-5 K-1의 유전율 열계수, 30 Mpa의 영률*, 1.07 

Mpa의 항복 강도**, 50% 이상의 압축 후 완전한 형상 회복력을 갖는다. 

이로 인해, 파괴강도 및 초저유전율은 압축 사이클 시 형상 회복과 함께 

회복이 가능하다. 그러나 다섯번의 압축 사이클과 25%의 압축률을 

넘어가면 누설전류로 인해 캐퍼시터가 단락된다.

    *영률(Young’s modulus) : 물체를 양쪽에서 잡아 인장 또는 압축 시킬 때 물체의 길이의 변

화율과 인가된 응력의 비율 

    **항복 강도(Yield strength) : 재료가 영구 변형을 나타낼때의 응력

2. 연구내용

○ 단일 밀도의 단위 층으로 이루어진 나노라티스를 두 개의 밀도를 가진 

   층이 혼합된 구조로 만들었다. 이러한 불균질 나노라티스는 응력인가 시, 

   저밀도 층이 먼저 변형되어, 전체 라티스의 50%가 변형 될 때 까지, 

   고밀도 층은 응력으로부터 완전히 보호 되었다. 이로 인해, 무려 62.5%의 

   변형률과 100번의 압축응력 사이클 동안 절연파괴와 초저유전 특성은 

   안정적으로 회복될 수 있었다. 

○ 또한, 변형이 거의 되지 않은 고밀도 층으로 인해, 단일 밀도로 이루어진 

   나노라티스 보다 최대 3.3 배의 높은 절연파괴강도를 기록했다. 그리고 

   이때의 유전율은 1.2 이하를 유지하였으며, 유전손실, 캐퍼시턴스에 대한 

   전압 계수 등이 프리퀀시와 전압에 대해 매우 안정적이었다.

○ 특히, 두 개의 밀도 층을 번갈아 반복적으로 구성한 나노라티스 보다, 

   분리하여 구성한 나노라티스에서 훨씬 안정된 전기적/유전적 특성을 

   얻을 수 있었고, 절연파괴강도 또한 약 2배 가량 높았다.

○ 전기전도 측면에서는, 저밀도 층과 고밀도 층이 양분된 이종접합 

나노라티스에서는 응력 사이클 동안 풀-프렌켈 방출(Poole-frankel 

emission)*방식을 유지하며 안정된 반면, 저, 고밀도 층을 번갈아 

쌓은 나노라티스 에서는 결함 축적으로 인해 퇴화했다.

* 풀-프렌켈 방출(Poole-frankel emission): 보통 매우 큰 전계에 대하여 물질의 내부에서 대부분의 열전자 

방출이 증가하는 현상 

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3. 연구성과/기대효과

○ 이번 연구 성과는 향후 유연한(flexible) 전자기기 시스템이나 전기자동차, 

우주, 항공 등에 사용되는 고전압 시스템에 이용할 수 있을 것으로 

기대한다. 특히, 전기/기계적 충격으로 잃어버린 정보를 복구할 수 있는 

차세대 시스템으로의 활용이 주목된다.

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그 림 설 명

[그림1] 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 설명 및 제공 : 광주과학기술원 김봉중 교수

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[그림2] 저/고 밀도 층이 양분된 나노라티스와 저/고 밀도 층이 반복된 나노라티스에서 

압축응력 인가 시 일어나는 변형

(a-f) 저/고 밀도 층이 양분된 나노라티스에서, 응력인가 전부터 응력제거 시까지 

순차적으로 일어나는 변형

(g-l) 저/고 밀도 층이 반복된 나노라티스에서, 응력인가 전부터 응력제거 시까지 

순차적으로 일어나는 변형

그림 설명 및 제공 : 광주과학기술원 김봉중 교수

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연구 이야기

                          <작성 : 광주과학기술원 김봉중 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

저유전율은 일반적으로 매우 다공성인 재료에 의해 달성되는데, 이는 기계적 강도와 

전기적 파괴 강도를 상당히 감소시키고 기공 크기 변화, 분포, 그리고 연결로 인해 

높은 유전 손실과 낮은 열 안정성을 초래한다. 이를 해결하기 위해, 이미 2017년과 

2019년 두 편의 논문 (Nano Letters)에서 알루미나 나노라티스 구조를 제안하였으나, 

전기적 파괴 강도가 압축응력이 고작 25%이고, 5번의 응력 사이클 내에서만 회복이 

가능하였다. 더욱 높은 변형률과 영구적 응력 사이클에서도 회복 될 수 있는 높은 

파괴강도를 갖는 캐퍼시터가 개발되어야 실제 응용분야에 사용이 가능할 것이라는 

생각에서 연구를 시작하게 되었다. 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

기존의 단일 밀도의 단위 층으로 이루어진 나노라티스를 두 개의 밀도를 가진 층이 

혼합된 구조로 만들었다. 이러한 불균질 나노라티스는 응력인가 시, 저밀도 층이 먼저 

변형되어, 전체 라티스의 50%가 변형 될 때 까지, 고밀도 층은 응력으로부터 완전히 

보호 되었다. 이로 인해, 무려 62.5%의 변형률과 100번의 압축응력 사이클 동안 절연

파괴와 초저유전 특성은 안정적으로 회복될 수 있었다. 또한, 변형이 거의 되지 않은 

고밀도 층으로 인해, 단일 밀도로 이루어진 나노라티스 보다 최대 3.3배의 높은 절연

파괴강도를 기록했다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

마이크로 전자 상호 연결, 무선 통신 및 고전압 장치에서의 응용으로 인해 전기 및 

유전적으로 신뢰할 수 있는 저유전율 물질의 개발은 집중적인 연구의 대상이 되어 

왔다. 또한, 플렉서블 전자 장치에 대한 수요가 증가함에 따라, 이러한 장치들은 

상당한 기계적 변형을 유도하는 스트레스(즉, 굽힘, 스트레칭, 비틀림 및 접힘) 

하에서 신뢰성을 유지할 필요가 있다. 이러한 사항을 충족하는 것은 고전압 배선에 

있어서 매우 중요한데, 전기 자동차의 배터리 배선 모듈, 배선 하니스 및 커넥터, 

공기우주선 및 우주선 배선, 구리 코어를 전기적으로 절연시키는 고전압 케이블의 

절연층이 그 예이다. 이들에 직접 활용하기 위해서는 본 연구에서 도출된 

메타구조의 역할이 절실하다고 본다.