[미국] 고온에 견딜 수 있는 유연한 폴리머 나노복합물


펜실베이니아 주립대학(Pennsylvania State University)의 연구진은 새로운 절연성 폴리머 나노복합물을 제조하는데 성공했다. 이 나노복합물은 유연하고, 저렴하게 제조할 수 있고, 가볍고, 쉽게 제조할 수 있고, 고온에 견딜 수 있는 특성을 가지고 있다. 그래서 전기 자동차 속의 전력 변환과 에너지 저장 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

“세라믹은 고온 적용을 위한 에너지 저장용 유전체로 종종 사용되지만, 그들은 무겁고 부서지기 쉽다”고 이 연구를 이끌었던 Qing Wang 교수가 말했다. “폴리머는 낮은 작동 온도를 가지기 때문에 냉각 시스템을 필요로 하는데, 이것은 부피를 증가시키고 시스템 효율을 감소시키며 신뢰성을 하락시킬 수 있다”고 Wang 교수가 덧붙였다.

유전체는 전기를 전도할 수 없는 재료이지만, 전기장에 노출될 때, 전기를 저장한다. 그들은 엔진 시동을 위해서 매우 빠르게 에너지를 방출할 수 있고, 배터리 속의 직류 전류를 모토 구동에 필요한 교류 전류로 변환시킬 수 있다.

하이브리드 및 전기 자동차, 항공 우주용 전자장치, 가스 및 석유 탐사 장치와 같은 다양한 분야에 사용되는 재료들은 고온을 견딜 수 있어야 한다. 이번 연구진은 질화붕소 나노시트가 포함된 교차-결합된 폴리머 나노복합물을 개발했다. 이 재료는 고온용 에너지 저장을 위한 고-전압 용량을 가지고, 광 패터닝될 수 있고, 유연하다. 이번 연구진은 이 연구결과를 저널 Nature에 게재했다.

유전 물질은 첨단 전자장치와 전력 시스템 속에서 정전기적으로 에너지를 저장한다. 세라믹 상대물에 비해서, 폴리머 유전체는 더 높은 항복 강도와 더 높은 신뢰성을 가지고 있기 때문에, 많은 전자장치를 위한 이상적인 선택이 될 수 있다. 이번 연구진은 새로운 교차-결합된 폴리머 나노복합물을 개발했는데, 이것은 다양한 온도 및 주파수 범위에서 안정적인 유전 특성을 가지고 있다. 이 나노복합물을 매우 높은 온도에서 뛰어난 고전압 전기용량성 에너지 저장 능력을 가지고 있다. 그들의 전기 전도성은 기존의 폴리머보다 몇 배 더 높고, 높은 작동 온도는 질화붕소 나노시트의 존재로 인해서 매우 향상된 열전도성 때문에 발생한다. 이것은 원래의 폴리머와 비교했을 때, 열 분산을 향상시킨다.

이런 질화붕소 폴리머 복합체는 고전압 하에서 480℉ 이상의 온도를 견딜 수 있다. 이 재료는 폴리머와 나노시트를 혼합해서 교차결합을 만들고 열 또는 빛으로 폴리머를 경화시킴으로써 쉽게 제조된다. 나노시트가 매우 작기 때문에(약 2나노미터의 두께와 400나노미터의 측면 크기), 이 재료는 유연하고 독특한 유전 특성을 가지고 더 높은 전압 출력, 열 저항, 굴곡성을 가진다.

“우리의 다음 목표는 더 큰 크기로 이런 재료를 만들고 이것을 실제 적용하는 것”이라고 Wang은 말했다. “이론적으로, 대량 생산을 위한 한계는 없다”고 Wang 교수가 덧붙였다. 이 연구결과는 저널 Nature에 “Flexible high-temperature dielectric materials from polymer nanocomposites”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nature14647).

그림. 유연한 절연성 폴리머의 이미지. 삽입 그림은 질화붕소 나노시트를 보여주고 있다.

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 8월 10일]

 

Easily manufactured, low cost, lightweight, flexible dielectric polymers that can operate at high temperatures may be the solution to energy storage and power conversion in electric vehicles and other high temperature applications, according to a team of Penn State engineers.

"Ceramics are usually the choice for energy storage dielectrics for high temperature applications, but they are heavy, weight is a consideration and they are often also brittle," said Qing Wang, professor of materials science and engineering, Penn State. "Polymers have a low working temperature and so you need to add a cooling system, increasing the volume so system efficiency decreases and so does reliability."

Dielectrics are materials that do not conduct electricity, but when exposed to an electric field, store electricity. They can release energy very quickly to satisfy engine start-ups or to convert the direct current in batteries to the alternating current needed to drive motors.

Applications like hybrid and electric vehicles, aerospace power electronics and underground gas and oil exploration equipment require materials to withstand high temperatures. The researchers developed a cross-linked polymer nanocomposite containing boron nitride nanosheets. This material has high-voltage capacity for energy storage at elevated temperatures and can also be photo patterned and is flexible. The researchers report their results in a recent issue of Nature ("Flexible high-temperature dielectric materials from polymer nanocomposites").

This boron nitride polymer composite can withstand temperatures of more than 480 degrees Fahrenheit under the application of high voltages. The material is easily manufactured by mixing the polymer and the nanosheets and then curing the polymer either with heat or light to create crosslinks. Because the nanosheets are tiny -- about 2 nanometers in thickness and 400 nanometers in lateral size, the material remains flexible, but the combination provides unique dielectric properties, which include higher voltage capability, heat resistance and bendability.

"Our next step is to try to make this material in large scale and put it into a real application," said Wang. "Theoretically, there is no exact scalability limit."

 

[원문출처 : http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40996.php]