국내 연구진이 용량을 2배 이상 늘린 고성능 필름형 차세대 전지(슈퍼커패시터)를 저렴하고 간단하게 만드는 기술을 개발했다. 고성능 슈퍼커패시터 생산 수율 확대와 웨어러블 기기 확대에 기여할 전망이다.
KAIST(총장 신성철)는 양민양 기계공학과 교수팀이 슈퍼커패시터의 고성능 소자구조를 단일공정으로 제작할 수 있는 핵심 재료 및 소자 제조 원천기술을 개발했다고 11일 밝혔다.
슈퍼커패시터는 기존 리튬이온배터리에 비해 월등하게 빠른 충전 속도, 반영구 수명을 가진 차세대 에너지 저장소자다.
특히 필름형 슈퍼커패시터는 유연 전자소자 회로에 직접 연결돼 전원 역할을 할 수 있어 활용도가 높지만 전극 제조 공정이 복잡해 비용이 많이 든다. 한 장의 필름에 양극과 음극이 서로 닿지 않도록 패터닝 해야 하기 때문이다. 포토리소그래피, 진공증착을 비롯한 반도체 공정이 필수다. 전극의 성능 향상을 위한 표면적 늘리기 작업도 필요하다. 두 단계의 유독 화학 공정, 고가의 설비가 쓰인다.
연구팀은 '레이저 성장 소결 공정'을 이용해 보다 빠르고 저렴한 전극 제조 공정을 구현했다. 은 유기금속화합물 용액에 레이저를 쏘면, 나노입자가 성장해 은 전극이 생성되는 원리를 이용했다. 이 전극은 슈퍼커패시터의 전극으로 활용할 수 있다. 레이저를 미세 조정하면 전극의 표면적을 늘리는 것도 가능하다. 미세 패턴을 형성해 나노미터 크기의 기공을 갖는 초다공성의 은 전극을 만들 수 있다. 이 방법으로 기존에 10단계 이상이 필요하던 세부 제조 과정을 한 단계로 간소화할 수 있다.
연구팀은 양극에 적합한 금속산화물인 이산화망간, 음극에 적합한 산화철을 각각의 전극에 적용하는 방법으로 슈퍼커패시터의 성능도 높였다. 이 결과 기존 개발된 것보다 2배 이상의 용량증가, 5배 이상의 출력 증가를 보이는 것으로 나타났다. 4초 안에 초고속 충전이 가능하고, 5000번이 넘는 내구성 테스트에서도 안정됐다.
양 교수는 “새로운 에너지 저장소자 구현이 가능해졌다”면서 “진정한 의미의 완전유연 전자기기가 현실화 될 것”이라고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
