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KAIST, 유연하고 충전 빠른 필름형 차세대 전지 개발

2018년 01월 11일 17:42
이미지 확대하기고성능 필름형 슈퍼커패시티 개발 연구 결과가 발표된 저널의 표지 이미지. - Journal of Materials Chemistry A 제공
고성능 필름형 슈퍼커패시티 개발 연구 결과가 발표된 저널의 표지 이미지. - Journal of Materials Chemistry A 제공

한국과학기술원(KAIST)은 양민양 기계공학과 교수 연구팀이 유연하고 얇은데가 4초 안에 초고속 충전할 수 있는 필름형 고성능 차세대 전지를 개발했다고 11일 밝혔다. 기존의 복잡한 제작 과정과 달리 간단하고 저렴한 제작 기술로 높은 성능의 전지를 만들어낸 것이 핵심이다.

 

차세대 전지는 기존 리튬이온배터리와 비교해 월등히 빠른 충전 속도와 반영구적 수명을 지녀 각광받는 차세대 에너지 저장 소자로, 슈퍼커패시터(Super Capacitor)라고 부르기도 한다. 유연한 기판으로 만들어지기 때문에 웨어러블 및 유연 전자소자의 회로에 직접 연결돼 전원 역할을 할 수 있다.

 

연구팀은 새로운 고성능 소자 구조를 단일 공정으로 제작할 수 있는 핵심 재료 및 소자 제조 원천기술을 개발했다. 이 기술로 기존 필름형 슈퍼커패시터의 단점인 복잡한 제작과정과 낮은 성능 등을 개선할 수 있었다.

 

 

이미지 확대하기필름형 슈퍼커패시터 사진(왼쪽)과 그 성능을 나타낸 그래프(오른쪽). - KAIST 기계공학과 제공
필름형 슈퍼커패시터 사진(왼쪽)과 그 성능을 나타낸 그래프(오른쪽). - KAIST 기계공학과 제공

양 교수 연구팀은 나노미터 단위의 기공을 갖는 초다공성 은(銀) 전극을 제조, 슈퍼커패시터의 전극으로 적용하는 데 성공했다.

 

연구팀은 레이저를 이용해 은 미세 패턴을 형성하는 동시에, 내부에 다공성 나노구조를 만들었다. 이런 레이저 성장 소결 공정 기술로 기존에 10단계 이상이었던 제조 과정을 1단계로 간소화했다.

 

또한 기존 금속 나노 용액과 비교해 저렴한 무입자 유기금속이온 화합물 용액을 이용해 핵생성, 열성장, 다결정 금속 막 형성으로 이어지는 특수한 성장 소결 원리를 규명했다.

 

이미지 확대하기레이저 조사 조건에 따른 은 전극 형상의 변화. - KAIST 기계공학과 제공
레이저 조사 조건에 따른 은 전극 형상의 변화. - KAIST 기계공학과 제공

연구팀은 일반적으로 단일물질로 된 슈퍼커패시터 전극과 달리 이산화망간과 산화철을 각각 양극과 음극으로 적용해 구동 전압을 크게 향상시켰다. 이를 통해 전력 보유량을 극대화한 고용량 에너지 저장소자를 개발할 수 있었다. 개발된 슈퍼커패시터는 4초 내 초고속 충전이 가능하고, 5000 번 이상의 내구성 테스트에서도 안정적으로 작동했다.

 

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.

 

이번 연구 결과는 재료, 화학 분야의 국제 학술지인 영국왕립화학회의 ‘Journal of Materials Chemistry A’ 2017년 12월 21일자 표지 논문에 선정됐다.


이혜림 기자

pungnibi@donga.com

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