부피 1000배 줄인 슈퍼커패시터 개발

2차원 물질인 멕센으로 슈퍼커패시터 소재 개발
웨어러블 및 IoT 전자회로의 소형화 응용 기대

멕센/고분자 복합체 유연 전극 제작 모식도(A), 유연 슈퍼커패시터 구조(B), 전극의 다양한 형태변형과 대면적화 특성(C)

박호석 교수

고주파수 영역에서도 높은 부피당 용량을 발현해 기존 전해콘덴서의 부피를 1000배 이상 줄일 수 있는 기술이 개발됐다.

이는 향후 웨어러블 전자소자, 사물인터넷, 자가발전 스마트 센서 등 전자회로의 교류 필터링 역할을 하는 전해커패시터를 대체해 전자시스템의 초소형화, 경량화, 형태변형이 가능할 것으로 기대된다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 박호석 성균관대 교수와 유리 고고치 미국 드렉셀대학교 연구팀의 성과가 셀(Cell press)지에서 발간하는 국제학술지 줄(Joule)에 게재됐다고 밝혔다.

전해 콘덴서는 교류 전압이나 전압 노이즈, 잔물결 등을 여과해서 일정한 전압을 공급해주는 전원 장치다. 전하 수송 속도가 빠르기 때문에 배터리와 달리 킬로헤르츠 여역의 고주파수 교류 전압에서도 에너지를 저장할 수 있다. 그러나 정전 용량이 낮아, 큰 부피와 무게를 요구하는 한계가 있다.

또 상용화된 전해콘덴서는 낮은 체적용량으로 인해 전자 회로 내에서 많은 부피를 차지하면서 무게를 증가시켰다. 반면 배터리와 같은 에너지 저장장치는 용량은 높지만 느린 전하수송속도로 인해 높은 주파수에서 에너지를 저장하지 못하고 열로 발산하는 문제점이 있었다.

연구팀은 고주파수 영역에서도 높은 부피당 용량을 발현함으로써 기존 전해콘덴서의 부피를 1000배 이상 줄일 수 있는 기술을 확보했다.

멕센 기반 전극소재와 고분자 네트워킹 젤 전해질을 제조했다. 멕센은 노벨상 유력후보인 유리 고고치 교수가 사이언스지에 2013년 보고한 2차원 물질이다.

멕센의 우수한 전자 전도도와 빠른 이온 수송 특성을 이용해 60~1만 헤르츠에서 에너지 저장 기능을 보이는 슈퍼커패시터 소재가 개발됐다.

멕센과 고분자 젤의 뛰어난 기계적 물성으로 인해 다양한 형태 변형 및 대면적화가 가능하고 휘어진 상태에서도 3만회 이상 충·방전할 수 있는 획기적인 성과다.

Gund 박사

박호석 교수는 “에너지 저장장치가 안고 있는 용량과 주파수 간의 물성 딜레마를 극복하기 위해서 전극과 전해질 구조를 제어한 원천 소재기술”이라며 “향후 웨어러블 전자기기, 사물인터넷, 자가발전 스마트 센서 등의 전자회로의 부피를 획기적으로 줄이면서 다양한 형태 변형이 가능한 출력장치 개발에 기여할 것”이라고 설명했다.

한편 연구팀은 연구 과정에서 시행착오를 거쳤다.

연구의 핵심 소재인 멕센에 대한 선행연구를 바탕으로 2015년부터 국가 과제에 도전했지만 계속 실패했다. 국제공동연구에 대한 안정적인 펀딩 확보가 어려웠고, 몇 년에 걸친 장기적인 연구로 지쳐있었다는 설명이다. 이후 Gund 박사와 참여 학생들의 노력 끝에 3년 동안 겪은 문제점을 해결할 수 있었다.

연구팀은 실용화를 위해 과제로 경제적인 공정 개발과 신뢰성 확보, 소재의 물성을 극대화한 중간재가 필요하다고 설명했다.
이해미 기자 ham7239@