고주파수에서 에너지를 저장하는 유연 슈퍼커패시터의 부피가 1천배 이상 줄어들었습니다. 성균관대학교 박호석 교수와 유리 고고치 교수 연구팀이 고주파수 영역에서도 부피 당 높은 에너지 용량을 가지는 유연 슈퍼커패시터 전극 및 전해질 소재를 개발했다고 합니다.
슈퍼커패시터는 콘덴서의 성능 중 전기용량의 성능을 중점적으로 강화했는데요. 전지의 목적으로 사용됩니다. 전해 콘덴서는 교류 전압이나 전압 노이즈, 잔물결 등을 여과해서 일정한 전압을 공급해주는 전원 장치입니다. 전하 수송 속도가 빠르기 때문에 배터리와 달리 킬로헤르츠(KHz) 영역의 고주파수 교류 전압에서도 에너지를 저장할 수 있습니다.
그러나 정전 용량이 낮아 큰 부피와 무게를 요구하는 한계가 있습니다. 참고로 정전 용량(specific capacity)는 단위 무게 혹은 부피당 저장되는 전하량을 말합니다.
최근 웨어러블 전자소자, 사물인터넷(loT), 자가발전 스마트 센서 등이 각광받으며 전자회로를 가볍고, 유연하면서 초소형화가 가능한 파워장치 개발이 매우 중요했습니다. 하지만 현재 상용화된 전해콘덴서는 낮은 체적용량으로 인해서 전자 회로내에서 많은 부피를 차지하면서 무게를 증가시키고 있습니다. 반면 배터리 같은 에너지 저장장치는 용량은 높지만, 느린 전하 수송 속도로 인해 높은 주파수에서 에너지를 저장하지 못하고 열로 발산하는 문제점이 있었습니다.
연구팀은 고주파수 영역에서도 높은 부피당 용량을 발현함으로써 기존 전해 콘덴서의 부피를 1천배 이상 줄일 수 있는 기술을 확보했습니다. 연구팀은 '멕센(MXene)' 기반 전극소재와 고분자 네트워킹 젤 전해질을 제조했습니다. 멕센은 노벨상 유력후보인 유리 고고치 교수가 <사이언스(Science)>지에 2013년 보고한 2차원 물질입니다.
멕센의 우수한 전자전도도와 빠른 이온 수송 특성을 이용해 60~10,000헤르츠(Hz)의 주파수 영역에서도 뛰어난 에너지 저장 기능을 보이는 슈퍼커패시터 소재가 개발됐습니다. 또한 멕센과 고분자 젤의 뛰어난 기계적 물성으로 인해 다양한 형태 변형 및 대면적화가 가능하며 휘어진 상태에서도 3만 회이상 충·방전이 가능했습니다.
이 연구는 웨어러블 전자소자, loT, 자가발전 센서, 신재생 에너지 저장 등 4차 산업혁명 분야에 적용될 수 있는 유연 에너지 저장 장치입니다. 기존 전자회로에서 교류 필터링 역할을 하는 전해커패시터를 대체함으로써 전자시스템의 초소형화, 경량화, 형태변형이 가능할 것으로 기대됩니다. 또한 차세대 2차원 나노소재인 멕센과 고분자 젤 전해질의 원천기술을 확보함으로써 2차전지의 에너지 밀도와 안전성을 높이기 위한 에너지 저장 소재로 활용될 수 있을 전망입니다.
박호석 교수는 "에너지 저장장치가 안고 있는 용량과 주파수 간의 물성 딜레마를 극복하기 위해서 전극과 전해질 구조를 제어한 원천 소재 기술"이라며 "향후 웨어러블 전자기기, 사물인터넷(loT), 자가 발전 스마트 센서 등의 전자회로의 부피를 획기적으로 줄이면서 다양한 형태 변형이 가능한 출력장치 개발에 기여할 것"이라고 연구 의의를 설명했습니다. 이 연구는 <셀(Cell press)>에서 발간하는 국제학술지 <줄(Joule)>에 게재됐습니다.
