이희우

초저유전박막 개발은 반도체 고집적화 및 성능 향상에 필수적입니다. 기존 기술은 낮은 유전율 달성 시 기계적 강도 저하나 열처리 후 탄소 잔여물 발생 문제를 겪었습니다. 본 발명은 열처리 시 재가 남지 않고 완전 열분해되는 환형 유기 폴리올 기반의 반응형 기공형성제를 제안합니다. 이 기공형성제는 유기실리케이트 매트릭스와 화학적으로 반응하여 상분리를 억제하고 균일한 나노 기공을 형성합니다. 그 결과, 2.09의 낮은 유전상수와 함께 8.15 GPa의 탄성률, 1.4 GPa의 경도를 갖는 고강도 초저유전박막 제조가 가능합니다. 이는 차세대 반도체 층간 절연 재료로서 고성능 소자 구현에 기여할 것입니다.

본 기술은 이온전도성 고분자전해질막의 한계인 이온전도도 및 수분 팽윤 문제를 해결합니다. 기존 막은 이온채널 크기가 작거나 이온교환능 조절 시 수분 팽윤이 증가하는 단점이 있었습니다. 본 발명은 캐스팅 과정 중 극성 용매의 상분리 향상 효과를 활용하여, 이온전도성 고분자전해질막의 이온채널 크기를 정밀하게 조절하는 제조 방법을 제공합니다. 이를 통해 비불소계 및 불소계 고분자 전해질막 모두에서 물성 저하 없이 이온전도도를 최대 150%까지 향상시킬 수 있습니다. 특히, 연료전지 등 다양한 분야에 적용 가능한 고성능 이온전도성 고분자막을 제공하여 효율적인 에너지 전환 시스템 구축에 기여할 수 있습니다.

음이온 교환막 연료전지(AEMFC)는 저가형 대체 촉매 사용 가능성으로 주목받지만, 낮은 이온전도도가 상용화의 걸림돌이었습니다. 본 기술은 나노채널을 갖는 이온전도성 고분자막 내에 다면체 올리고머형 실세스퀴옥산(POSS) 기반의 음이온 공여체를 도입하여 이 문제를 해결합니다. 이 나노복합막은 나노채널의 크기를 효과적으로 증가시키고 추가적인 음이온 소스를 제공하여 이온전도도를 획기적으로 향상시킵니다. 실제로, 기존 고분자막 대비 이온전도도를 약 18% 개선하여 73 mS/cm를 달성하였습니다. 이를 통해 고가의 백금 촉매 없이도 고성능 연료전지 구현이 가능해져, 차세대 연료전지 시스템의 상용화를 가속화하고 비용 절감 효과를 제공합니다. 미래 에너지 기술 발전에 기여할 본 기술에 주목해주십시오.

기존 연료전지용 고분자 전해질 막은 고가이거나 저가습 환경에서 이온전도도가 낮아 성능 한계가 있었습니다. 본 기술은 말단 아민기를 포함하는 초소형 POSS 나노입자를 활용하여 탄화수소계 양성자 전도성 나노복합막을 개발했습니다. 이 나노복합막은 나노채널 내 POSS-N의 균일한 분산과 수소결합 네트워크 형성을 통해 그로투스 메커니즘을 촉진하며, 고가습 및 저가습 환경 모두에서 획기적인 이온전도도 향상을 제공합니다. 또한 우수한 기계적 강도를 갖추어 연료전지의 장기 안정성과 성능을 보장합니다. 이는 고성능 저비용 수소연료전지 상용화를 가속화할 핵심 기술입니다.