기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단이 스마트폰 등 휴대용 초소형 전자기기에 활용할 수 있는 고성능 마이크로 슈퍼커패시터 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
슈퍼커패시터는 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용할 수 있는 에너지 저장장치를 말한다.
전자기기를 작게 만들려면 전기 저장장치의 소형화가 필수적이다. 고체형 마이크로전지(리튬이온 등 2차 전지)가 상용화돼 있지만 충전 속도가 느리고, 반복 충전시 안정성이 떨어지는 문제가 있었다.
초소형 고성능 전기 저장장치인 마이크로 슈퍼커패시터가 대안으로써 기대를 모아 왔으나 높은 출력에 비해 에너지 밀도가 떨어져 상용화에 걸림돌이 돼 왔다.
IBS 나노구조물리연구단은 나뭇잎 줄기의 구조에 착안해 이온 이동경로를 최대한 짧게 만들어 비표면적이 높은 그래핀 표면에 이온을 최대한 흡착시키는 구조를 만들었다.
고체전해질에 나노선을 섞고 이를 산화흑연 층간에 삽입해 전극을 형성한 후, 나노선을 녹여내 이온이 잘 통과하는 이동경로를 인위적으로 만들어 에너지밀도를 증가시키고 높은 출력밀도를 유지시켰다.
이 결과 부피당 최대 출력밀도와 최대 에너지밀도 값을 얻었다.
이는 마이크로 리튬이온전지가 갖는 에너지밀도에 가까우면서도 출력밀도는 1만 배 이상 개선된 값으로 지금까지 보고된 어떤 값보다 크다고 연구단은 설명했다.
이영희 IBS 나노구조물리연구단장은 "마이크로전지를 대체해 제작이 간편하고 폭발 위험성이 없는 마이크로 슈퍼커패시터를 직접 휴대용 전자기기에 사용할 수 있는 계기를 마련해 준 연구"라며 "다만, 전극의 두께가 지금보다 굵어야 장시간 사용할 수 있기 때문에 이를 개선하기 위한 연구를 이어갈 것"이라고 말했다.
이번 연구성과는 에너지과학 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈 20일자 온라인판에 게재됐다.
◆용어설명
▶비표면적:입방체(㎥ 혹은 g)에서 다른 물질과 접촉할 수 있는 면적(㎡)을 말한다.
▶나노선(Nano wire):단면의 지름이 수나노미터(1나노는 10억분의 1미터)인 극미세 와이어로 레이저나 트랜지스터, 메모리, 화학감지용 센서 등 다양한 분야에 쓰인다.
▶산화흑연(graphene oxide):탄소로 구성된 육각형 벌집구조가 그래핀이고, 그래핀 표면 위에 산소를 붙인 구조를 산화흑연이라 부른다. 이때 붙은 산소는 마이너스 전기를 띠고 있다.