슈퍼커패시터는 높은 표면적의 전극에 전해질의 이온들을 흡착시키는 충전원리를 가지고 있어 높은 출력 및 반영구적인 수명을 가지고 있고, 이로인해 리튬이온배터리의 문제점을 해결할 수 있어 많은 관심을 받고 있는 에너지 저장소자이다.
이중에서도 마이크로 슈퍼커패시터라고도 불리는 필름형태의 슈퍼커패시터는 한 필름 상에 전극의 모든 요소를 생성시켜 필름형태의 웨어러블 및 유연 전자소자에 포함시킬 수 있어 이러한 전자소자들의 활용폭을 넓혀줄 것으로 기대되고 있다.
하지만 필름형 슈퍼커패시터는 한 장의 필름에 양극과 음극이 서로 닿지 않도록 패터닝하는 공정이 필수적이고 지금까진 포토리소그래피, 진공증착과 같은 복잡하고 생산단가가 높은 공정들이 사용되었다.
슈퍼커패시터의 전극은 높은 전기전도도와 표면적을 가지고 있어야 하기에, 탄소계열 물질들이 주로 사용되어 왔다. 금속의 경우엔 탄소계열 물질들보다 월등한 전기전도도를 가지고 있으나 표면적이 낮아 추가적인 공정을 통해 나노구조의 전극을 생성하여 표면적을 증진시키는 것이 필수적이었다.
이런 가운데 KAIST(총장 신성철) 기계공학과 양민양 교수 연구팀이 고성능의 필름형 차세대 전지(슈퍼커패시터)를 저렴하고 간단한 방법으로 제작하는 데 성공했다. 이는 기존의 복잡한 제작과정과 낮은 성능 등의 단점을 갖는 필름형 슈퍼커패시터를 대체할 수 있는 기술을 개발했다. 이는 새로운 고성능 소자구조를 단일공정으로 제작할 수 있는 핵심 재료 및 소자 제조 원천기술이다.
기존에는 유연한 필름 위에 높은 표면적의 금속 전극을 형성하기 위해 포토리소그래피, 진공증착 등의 반도체 공정을 이용했다. 또한 금속전극의 표면적 향상을 위해 추가적으로 고가의 설비와 2단계의 유독한 화학 공정이 필요했다.
연구팀은 보다 빠르고 저렴하며 간단한 방법인 레이저 성장 소결 공정 기술을 개발했다. 이는 나노미터 단위의 기공을 갖는 초다공성 은(銀) 전극을 제조하는 기술로 슈퍼커패시터의 전극으로 적용하는 데 성공한 것으로 레이저만을 이용해 은 미세 패턴을 형성하는 동시에 내부에 다공성 나노구조를 생성해 10단계 이상 소요되던 세부 제조 과정을 1단계로 간소화했다.
또한 연구팀은 기존 금속 나노 용액과 비교해 매우 저렴한 무입자 유기금속이온 화합물 용액을 사용해 핵생성, 열성장, 다결정 금속 막 형성으로 이어지는 특수한 성장 소결 원리를 규명했다. 일반적인 단일물질 대칭구조의 슈퍼커패시터 전극과 달리 이종(異種)의 금속산화물(이산화망간과 산화철)을 각각 양극과 음극으로 비대칭 적용해 구동 전압을 크게 향상시켰다.
이를 통해 전력 보유량을 극대화해 고용량 에너지 저장소자를 개발했고, 4초 내 초고속 충전이 가능하고 5천 번 이상의 내구성 테스트에서 안정적으로 작동하는 것을 확인했으며, 양 교수는 “이번 연구 결과는 향후 웨어러블 및 유연 전자기기 기판에 포함돼 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장소자로 사용 가능하다”며 “전원까지 포함하는 진정한 의미의 완전한 유연 전자기기의 현실화에 더 가까워졌다”고 말했다.
한편 이재학 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료, 화학분야의 국제 학술지 영국왕립화학회의 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’ 12월 21일자 표지논문에 선정됐다.
