부피 1000배 줄어든 고주파수 유연 슈퍼커패시터 개발

[이데일리 이연호 기자] 박호석 교수(성균관대학교)와 유리 고고치(Yury Gogotsi) 교수(미국 드렉셀 대학교) 연구팀이 고주파수 영역에서도 부피 당 높은 에너지 용량을 갖는 유연 슈퍼커패시터 전극 및 전해질 소재를 개발했다고 한국연구재단은 11일 밝혔다.

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

전해 콘덴서는 교류 전압이나 전압 노이즈, 잔물결 등을 여과해서 일정한 전압을 공급해주는 전원 장치다. 전하 수송 속도가 빠르기 때문에 배터리와 달리 킬로헤르츠(KHz) 영역의 고주파수 교류 전압에서도 에너지를 저장할 수 있다. 하지만 정전 용량이 낮아 큰 부피와 무게를 요구하는 한계가 있다. 정전 용량 (specific capacity)은 단위 무게 혹은 부피당 저장되는 전하량을 말한다.

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

연구팀은 ‘멕센’ 기반 전극소재와 고분자 네트워킹 젤 전해질을 제조했다. 멕센은 노벨상 유력후보인 유리 고고치 교수가 사이언스(Science) 지에 지난 2013년 보고한 2차원 물질이다. 멕센의 우수한 전자 전도도와 빠른 이온 수송 특성을 이용해 60~1만 헤르츠(Hz)에서 에너지 저장 기능을 보이는 슈퍼커패시터 소재가 개발됐다.

또 멕센과 고분자 젤의 뛰어난 기계적 물성으로 인해 다양한 형태 변형 및 대면적화가 가능하며 휘어진 상태에서도 3만 회 이상 충·방전할 수 있는 획기적인 성과이다.

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

이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래소재디스커버리사업, 방사선기술개발사업, 해외우수신진연구자유치(KRF)사업의 지원으로 수행됐다. 셀(Cell press) 지에서 발간하는 국제학술지 ‘줄(Joule)’ 11월 8일 자로 게재됐다.