GIST, 공기 수준 낮은 유전율 갖고 전기·유전적 파괴 스스로 회복되는 캐퍼시터 개발

김봉중 교수 공동연구팀, Nano Letters에 논문

반도체 집적소자와 광대역 안테나, 우주항공·군사용 전자기기 저유전층 적용 기대

연구성과 이미지

김봉중 교수

GIST(지스트, 총장 김기선) 신소재공학부 김봉중 교수와 캘리포니아 공대 줄리아 그리어(Julia R. Greer) 교수 공동연구팀이 유전율이 공기 수준으로 낮으며, 압축변형시 절연파괴 강도(dielectric breakdown strength)와 초저유전 절연체(Ultra low-k dielectric) 특성이 안정적으로 유지되고, 파괴가 일어나더라도 응력 제거시 스스로 회복되는 3차원-나노라티스(3D-nanolattice) 캐퍼시터를 세계 최초로 구현하였다.

절연파괴 강도(Dielectric breakdown strength)는 전기적으로 절연된 물질 상호간의 전기저항이 감소되어 많은 전류가 흐르게 되는 현상을 절연파괴라 한다. 절연파괴 강도는 절연 물질의 절연특성이 얼마나 유지될 수 있는가에 대한 것으로 그 세기는 상용주파전압 및 뇌 인펄스 전압에 대한 절연파괴 전압 치로 나타낸다. 또 초저유전 절연체(Ultra low-k dielectric)는 1.5이하의 낮은 유전 상수(dielectric constant, 전하 사이에 전기장이 작용할 때 그 전하 사이의 매질이 전기장에 미치는 영향을 나타내는 물리적 단위) 값을 가진 물질을 의미하고, 3차원-나노라티스(3D-nanolattice) 구조는 정교한 삼차원 레이저 식각(3D laser printing)과 ALD(원자층 증착)기술을 이용하여 세라믹 나노튜브가 단위 셀 형태로 규칙적으로 배열된 3차원-나노라티스(3D-nanolattice) 구조, 유전율이 거의 공기 수준으로 낮고 동시에 기계적인 강도가 우수한 메타물질을 뜻한다.

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

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 다공도(porosity)를 높이면, 기계강도와 절연파괴강도가 심각하게 약해져 개발하는데 한계가 있어 왔다.
다공도(Porosity)는 고체의 내부에 존재하고 있는 빈틈의 양으로, 다공질 물질에서 전 부피에 대한 구멍 부분의 부피 비율을 뜻한다.

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

이 캐퍼시터는 초저유전율(k = 1.06-1.10)을 가지고, 동시에 30 MPa의 영률(Young’s modulus)과 1.07 MPa의 항복 강도(Yield strength), 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 분석하였다.
영률(Young’s modulus)은 물체를 양쪽에서 잡아 인장 또는 압축 시킬 때 물체의 길이의 변화율과 인가된 응력의 비율로서 재료의 영구변형이 없는 탄성 변형구간의 강도를 의미하고, 항복 강도(Yield strength)는 재료가 영구 변형을 나타낼때의 응력으로, 탄성한계의 실제적인 근사값을 뜻한다.

실시간 관찰 및 시뮬레이션을 통해 3차원-나노라티스의 전기적인 절연파괴 및 유전률의 상승은 약 50%의 응력 인가시, 나노라티스를 구성하는 나노튜브들이 좌굴(bucking)된 후 펴지지 않아 발생하게 되었고, 응력이 줄어듦에 따라 나노라티스의 형태, 절연파괴, 유전상수 모두가 동시에 복구됨을 규명하였다. 또한, 이러한 회복력은 전기적/기계적 충격이 반복될수록 영구적으로 좌굴된 튜브의 수가 증가되어 감퇴되게 된다. 이때의 전도성 메카니즘도 쇼트키 방출(schottky emission)에서 풀-프렌켈 방출(Poole-frankel emission)방식으로 변화하게 된다.
좌굴(Buckling)은 가늘고 긴 봉이나, 두께에 비해 폭이 큰 평판 등에 길이와 폭의 방향으로 압축 하중을 가하면 재료의 비례 한도 이하의 하중에 의해서도 구부러짐 즉, 큰 변형이 생길 수 있는데 이러한 현상을 말한다.

또 쇼트키 방출(schottky emission)은 전자관의 음극 표면으로부터의 열전자 방출이 전계에 의해 증가하는 현상을, 풀-프렌켈 방출(Poole-frankel emission)은 보통 매우 큰 전계에 대하여 물질의 내부에서 대부분의 열전자 방출이 증가하는 현상을 의미한다.

일반적으로 알루미나로 이루어진 박막구조에서는 불과 17%의 다공도만 주어도 전압을 인가하자마자 바로 파괴가 일어난다. 그러나 본 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(flexible) 전자기기 시스템이나 전기/기계적 충격으로 잃어버린 정보를 복구할 수 있는 차세대 시스템에 이용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

GIST 신소재공학부 김봉중 교수(교신저자)와 Julia R. Greer 교수(칼텍, 공동 교신저자)가 주도하고, 김민우 연구원(GIST 신소재공학부)과 Max L. Lifson(Caltech) 연구원이 참여한 이번 연구는 GIST-Caltech 공동연구 과제의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 세계적인 나노분야 최고 권위지인 Nano Letters에 2019년 7월 12일자 온라인으로 게재되었다.