폴리피롤-폴리이미드 코어-쉘 나노 입자 제조 및 높은 에너지 밀도 특성의 전유기 폴리이미드 필름 제조

[카리]

최근, 캐패시터의 고성능의 소형화가 대두되면서 유전체의 높은 유전율과 에너지밀도는 필수적인 조건이 되었다. 높은 절연성의 고분자와 높은 유전율의 세라믹 입자의 복합재는 공정이 용이하고 다양하게 적용 가능하기 때문에 현재 가장 주목 받는 연구 분야 중 하나이다. 하지만 유전율을 높이기 위한 무기입자들은 기계적 특성 및 절연내력의 저하를 일으키고 에너지밀도를 떨어뜨리는 모순된 현상을 보인다. 본 연구에서는 절연내력이 우수하고 고내열성의 절연체인 폴리이미드(PMDA-ODA polyimide)에 나노 크기의 전도성 고분자인 폴리피롤(polypyrrole) 입자를 충전물로 복합함으로써 기계적 특성의 큰 손실 없이 유전율 및 에너지밀도를 향상시켰다. 절연체 내 폴리피롤 입자의 응집을 방지하고 복합 필름의 절연내력을 증가시키기 위해 코어-쉘 구조의 입자를 도입하였고, 이때의 쉘과 매트릭스를 동일한 절연체로 이용하여 입자와 매트릭스 간의 융화성(compatibility)이 향상 될 수 있도록 하였다. 실험 결과, 폴리피롤은 적절한 비율의 도펀트(dopant)와 계면 활성제에서 균일한 형태의 입자를 구현할 수 있었다. 폴리아믹산으로 제조된 폴리피롤 나노 입자를 캡슐화(capsulation)하여 절연체로 코팅된 전도성 고분자 입자를 제조하였고, 12 nm 두께의 쉘(shell)이 형성되었음을 확인하였다. 또한, 복합 필름은 코어-쉘 입자의 함량에 따라 절연내력은 177.5 MV/m까지 안정하였으며, 일반 입자를 혼합한 경우보다 유전손실이 최대 0.7 에서 0.14 까지 감소하였다. 또한, 낮은 유전손실 내에서 폴리이미드(0.66 J/cm³) 및 티탄산바륨-폴리이미드 복합 필름(0.7 J/cm³)보다 에너지밀도가 최대 1.5 J/cm³로 두 배 이상 증가되었다. 코어-쉘 구조의 입자를 복합화한 전유기(all-organic)의 폴리이미드 필름은 향후 응용 분야의 새로운 대안이 될 수 있을 것으로 기대한다.

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