고주파수 에너지 저장기술 부피 1000배 줄였다

박호석·고고치 교수 공동연구
"변형 가능 출력장치 개발 기대"
국내외 공동 연구진이 고주파수에서 에너지를 저장하는 유연 슈퍼커패시터의 부피를 1000분의 1 이하로 줄이는 데 성공했다.

박호석 성균관대 교수(사진)는 유리 고고치 미국 드렉셀대 교수와의 공동 연구를 통해 고주파수 영역에서도 부피 당 높은 에너지 용량을 가지는 유연 슈퍼커패시터 전극과 전해질 소재를 개발했다.

전해콘덴서(커패시터)는 교류 전압이나 전압 노이즈, 잔물결 등을 여과해서 일정한 전압을 공급해주는 전원장치다. 전하 수송속도가 빠르기 때문에 배터리와 달리 킬로헤르츠(㎑) 영역의 고주파수 교류 전압에서도 에너지를 저장할 수 있다. 그러나 단위 무게나 부피당 전하를 저장하는 용량이 낮아 부피와 무게가 커지는 한계가 있다.

연구팀은 고주파수 영역에서도 단위 부피당 저장용량을 높여 전해콘덴서 부피를 1000분의 1 이하로 줄이는 기술을 확보했다.

유리 고고치 교수가 발명해 2013년 사이언스지에 보고한 2차원 물질인 멕센을 이용, 전극소재와 고분자 네트워킹 젤 전해질을 만든 게 핵심이다. 멕센은 2차원 세라믹 물질의 일종이면서 전도성이 높아 차세대 에너지 저장장치로 응용 가능하다.

연구진은 멕센의 우수한 전자 전도도와 빠른 이온 수송 특성을 이용해 60~1만㎐에서 에너지를 저장하는 슈퍼커패시터 소재를 개발했다. 특히 멕센과 고분자 젤의 뛰어난 기계적 물성 덕분에 다양한 형태로 변형하거나 넓은 면적으로 만드는 데 성공했다. 휘어진 상태에서도 3만 회 이상 충·방전이 가능한 것으로 확인됐다.

박호석 교수는 "에너지 저장장치가 안고 있는 용량과 주파수 간의 물성 딜레마를 극복하기 위해서 전극과 전해질 구조를 변화시킨 원천 소재기술을 개발했다"면서 "앞으로 웨어러블 전자기기, 사물인터넷(IoT), 자가발전 스마트 센서 등의 전자회로 부피를 획기적으로 줄이고 다양한 형태 변형이 가능한 출력장치 개발로 이어질 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 미래소재디스커버리, 방사선기술개발, 해외우수신진연구자유치 사업을 통해 이뤄졌다. 연구결과는 국제학술지 '줄(Joule)' 8일자에 게재됐다.

안경애기자 naturean@