'고주파 에너지 저장 기술' 부피 1천배 줄였다

국내 연구진, 유연 슈퍼커패시터·전해질 소재 개발

고주파수에서 에너지를 저장하는 유연 슈퍼커패시터의 부피가 1천배 이상 줄어들었다. ·

한국연구재단은 박호석 성균관대학교 교수와 유리 고고치 미국 드렉셀 대학교 교수 연구팀이 고주파수 영역에서도 부피 당 높은 에너지 용량을 가지는 유연 슈퍼커패시터 전극과 전해질 소재를 개발했다고 11일 밝혔다.

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

연구팀은 고주파수 영역에서도 높은 부피 당 용량을 발현해 기존 전해콘덴서의 부피를 1천 배 이상 줄일 수 있는 기술을 확보했다.

멕센/고분자 복합체 유연 전극 제작 모식도(A), 유연 슈퍼커패시터 구조(B), 전극의 다양한 형태 변형과 대면적화 특성(C). 스프레이 코팅법을 이용해 2차원 멕센과 전도성 고분자로 대면적 유연 필름 형태의 전극을 제조했다. 나노스케일로 정밀 제어해 높은 전자전도도와 이온확산 채널을 확보했다. 이런 전극 제조와 구조 제어 공정을 통해 전하저장능력과 전기전도도를 극대화시켜 에너지저장소재가 안고 있는 용량과 주파수 거동 간의 물성 딜레마를 극복했다.

연구팀은 멕센 기반 전극소재와 고분자 네트워킹 젤 전해질을 제조했다. 멕센은 유리 고고치 교수가 사이언스지에 지난 2013년 보고한 2차원 물질이다. 멕센의 우수한 전자 전도도와 빠른 이온 수송 특성을 이용해 60~1만헤르츠에서 에너지 저장 기능을 보이는 슈퍼커패시터 소재가 개발됐다.

멕센과 고분자 젤의 뛰어난 기계적 물성으로 인해 다양한 형태 변형과 대면적화가 가능하며, 휘어진 상태에서도 3만회 이상 충·방전할 수 있다.

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

이번 연구는 '셀 프레스'에서 발간하는 국제 학술지 ‘줄’ 11월8일 자로 게재됐다.