A) 멕센·고분자 복합체 유연 전극 제작 모식도 (B) 유연 슈퍼커패시터 구조 (C) 전극의 다양한 형태 변형과 대면적화 특성. /사진=한국연구재단한·미 공동 연구진이 고주파수 영역에서 부피 당 높은 에너지 용량을 가지는 슈퍼커패시터라는 차세대 에너지 기술을 개발했다. 슈퍼커패시터는 고성능 전기저장 장치 또는 대용량 축전지 등으로 불리는 에너지 저장장치(ESS)다. 이에 따라 이 기술이 상업화되면 웨어러블 전자기기, 사물인터넷(IoT), 자가발전 스마트 센서 등의 부피를 획기적으로 줄일 수 있게 될 전망이다.
박호석 성균관대 화학공학부 교수와 유리 고고치 미국 드렉셀대 교수 연구팀은 ‘멕센’(MXene) 기반 전극 소재와 고분자 네트워킹 젤 전해질을 만들어 기존 전해 콘덴서보다 부피를 1,000분의 1로 줄일 수 있는 기술을 구현했다고 한국연구재단(이사장 노정혜)이 11일 밝혔다.
멕센은 고고치 교수가 2013년 사이언스를 통해 보고한 2차원 물질로 우수한 전자 전도도와 빠른 이온 수송이라는 장점이 있다. 화학반응 없이 전해질 이온이 전극에 흡착하는 반응을 이용해 전력을 저장한다. 빠른 충·방전, 높은 출력, 긴 수명 등 특성 덕분에 차세대 전지의 일종으로 분류한다. 다만 부피당 저장되는 전하량(정전 용량)이 아직 낮다는 한계가 있다.
국제 연구팀은 이 멕센을 이용해 60∼1만㎐(헤르츠)에서 에너지 저장 기능을 보이는 슈퍼커패시터 소재를 구현했다. 120㎐에서는 현재 보고된 수치 중 최고 면적·부피당 용량을 달성하기도 했다. 다양한 형태 변형과 대면적화에 더해 휘어진 상태에서도 3만 번 이상 충·방전할 수 있다고 연구팀은 설명했다.
박 교수는 “에너지 저장장치가 안고 있는 용량과 주파수 간 딜레마를 극복하기 위해 전극과 전해질 구조를 제어한 원천소재 기술”이라며 “웨어러블 전자기기, 사물인터넷(IoT), 자가발전 스마트 센서 등 부피를 획기적으로 줄일 수 있을 것”이라고 말했다. 다만 실용화를 위해서는 경제적인 공정 개발, 신뢰성 확보, 소재 물성을 극대화한 중간재 등이 필요하다고 덧붙였다. 이 논문은 지난 8일 셀(Cell press)에서 발간하는 ‘줄’(Joule)에 실렸다. 그리시 군드 성균관대 박사가 1저자다. /고광본선임기자 kbgo@sedaily.com
박호석(왼쪽) 성균관대 화학공학부 교수와 그리시 군드 박사.
