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기사입력 : 2023.11.06 15:42
- 고체 상태 슈퍼커패시터 개발⋯현미경으로 관찰 가능
- 배터리와 커패시터의 장점 결합한 장치
![[크기변환]20231105_184948.png](https://www.foeconomy.co.kr/data/tmp/2311/20231105185029_mqewrtzh.png)
인도에서 개발된 초소형 슈퍼커패시터(콘덴서)가 에너지 저장 분야에서의 혁신을 예고했다.
과학기술 전문매체 '사이테크 데일리(SciTechDaily)'는 최근 인도 과학 연구소(Indian Institute of Science, IISc)의 응용 물리학부 연구진이 기존의 슈퍼커패시터보다 훨씬 작고 밀도가 높은 초소형 슈퍼커패시터를 개발했다고 보도했다.
화학 분야 학술지 'ACS 에너지 레터(Energy Letters)'에 게재된 최근의 연구에서, 연구원들은 전통적인 커패시터에서 사용되는 금속 전극을 대체하여, 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistors, FET)를 전하 수집기로 활용해 슈퍼커패시터를 제작했다. 이 연구를 주도한 교신 저자인 아바 미스라(Abha Misra) IAP의 교수는 "FET를 슈퍼커패시터의 전극으로 사용하는 것은 커패시터의 전하 조정 방식에 있어 혁신적인 접근이다"라고 언급했다.
현재 사용되는 커패시터들은 주로 금속 산화물 기반의 전극을 사용하지만, 이는 전자 이동성이 낮다는 한계를 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 미스라 박사 팀은 전자 이동성을 개선하고자 이황화몰리브덴(MoS₂)과 그래핀 층을 몇 원자 두께로 번갈아 가며 금 접점에 연결한 하이브리드 FET를 개발하기로 결정했다. 이들은 두 FET 전극 사이에 고체 젤 전해질을 적용하여 고체 상태의 슈퍼커패시터를 구축했다. 이 전체 구조는 이산화규소와 실리콘 베이스 위에 구축됐다.
미스라 박사는 "두 시스템을 통합하는 것이 설계의 핵심이다"라고 언급했다. 이 두 시스템은 서로 다른 전하 용량을 가진 두 개의 FET 전극과 이온성 매질인 젤 전해질로 구성된다. IAP의 박사 과정 학생이자 연구의 수석 저자 중 한 명인 비노드 판와르(Vinod PanWar)는 트랜지스터의 모든 이상적인 특성을 구현하기 위한 장치 제작이 어려웠다고 말했다.
이 초소형 슈퍼 커패시터는 매우 작아 현미경 없이는 볼 수 없으며, 제작 과정에서는 높은 정밀도와 뛰어난 손기술이 필요하다.
현미경으로 관찰 가능
크기와 무게 면에서 기존 슈퍼커패시터를 능가하는 이 초소형 슈퍼커패시터는 배터리를 대체할 수 있는 새로운 가능성을 제시하고 있다. 연구팀은 전계 효과 트랜지스터(FET)와 이황화 몰리브덴(MoS₂)과 그래핀 층을 통합해 특정 조건에서 전기 용량이 3000% 이상 증가하는 결과를 얻었다.
슈퍼커패시터(콘덴서)는 특히 전기 용량의 성능을 강화하여, 전지처럼 사용할 수 있도록 설계된 부품이다. 전자 회로에서 사용되는 이 커패시터는 전기적으로 충전지와 유사한 기능을 제공한다. 기본적인 원리는 '전력을 저장하여 필요에 따라 방출하는 것'이며, 전자 회로가 안정적으로 작동하도록 하는 데 필수적인 부품 중 하나이다.
초소형 슈퍼커패시터는 기존 슈퍼커패시터보다 훨씬 작고 조밀한 구조를 가진다는 장점이 있다. 이러한 특성은 거리의 가로등부터 전자제품, 전기 자동차, 의료 기기에 이르기까지 다양한 응용 분야에 활용될 수 있는 기회를 제공한다.
현재 이러한 대부분의 장치는 배터리로 작동한다. 하지만 배터리는 시간이 지나면서 전기 저장 능력이 감소하여 제한된 수명을 갖게 된다. 반면, 커패시터는 설계 특성상 훨씬 오래 전기를 저장할 수 있는 장점이 있다. 슈퍼커패시터는 배터리와 커패시터의 장점을 결합하여 대량의 에너지를 저장하고 방출할 수 있는 장치로, 차세대 전자기기에서 매우 중요한 역할을 할 것으로 여겨진다.
이번 연구는 초소형 슈퍼커패시터의 가능성을 보여주는 중요한 성과로 평가된다. 향후 연구가 성공적으로 진행된다면, 초소형 슈퍼커패시터는 기존의 배터리를 대체하여 다양한 전자 기기의 성능과 수명을 향상시키는 데 기여할 것으로 기대된다.
한국, 초소형 슈퍼커패시터 개발 현황
한편, 한국에서도 슈퍼커패시터 관련 연구와 개발을 진행하는 업체가 다수 있다.
에스피지(주)는 고체 전해질 기반의 슈퍼커패시터와 FET를 이용한 초소형 슈퍼커패시터를 개발하고 있다. 포스코케미칼(주)는 그래핀 기반의 초소형 슈퍼커패시터를, LG화학(주)는 전기 자동차용 초소형 슈퍼커패시터를 개발하고 있다.
한국의 슈퍼커패시터 기술은 세계 수준에 도달하고 있다. 이를 바탕으로 국내 업체들이 초소형 슈퍼커패시터 시장에서 글로벌 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 전망된다.
초소형 슈퍼커패시터는 다양한 전자 기기에 적용 가능한 높은 잠재력을 가지고 있다. 특히 전기 자동차, 스마트 워치, IoT 기기 등에서 기존의 배터리를 대체할 수 있는 새로운 솔루션으로 기대를 모으고 있다.
전기 자동차의 경우, 초소형 슈퍼커패시터를 사용하면 배터리의 용량을 줄일 수 있고, 충전 시간을 단축할 수 있다. 또한, 스마트 워치나 IoT 기기에서의 사용은 배터리 수명을 연장할 수 있다.
초소형 슈퍼커패시터 기술의 지속적인 개발과 상용화가 진행된다면, 에너지 저장 분야에서 혁신적인 변화를 이끌 것으로 기대된다.
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