필름형 전지 제조 단계 10분의 1로 단축…4초 내 초고속 충전

KAIST 양민양 교수팀 주도…5000번 이상 내구성 테스트 통과

제조된 필름형 슈퍼커패시터와 그 성능/자료=KAIST

국내연구진이 필름형 차세대 전지(슈퍼커패시터)를 저렴하고 간단한 방법으로 제작하는 기술을 개발했다.

카이스트(KAIST) 기계공학과 양민양 교수팀은 ‘필름형 슈퍼커패시터’의 복잡한 제작과정과 낮은 성능 등의 단점을 개선할 새로운 핵심 소자 제조 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

슈퍼커패시터는 높은 표면적의 전극에 전해질의 이온들을 흡착시키는 충전원리를 가지고 있어 높은 출력 및 반영구적인 수명을 가지고 있다. 기존의 리튬이온배터리와 비교해 월등하게 빠른 충전 속도와 반영구적 수명을 가져 차세대 에너지 저장소자로 각광받고 있다. 유연한 기판에 제조되는 필름형 슈퍼커패시터는 웨어러블(착용형) 및 유연 전자소자의 회로에 직접 연결돼 전원 역할을 할 수 있기 때문에 차세대 유연 전자소자의 핵심 전력 소자로 꼽힌다.

기존에는 유연한 필름 위에 높은 표면적의 금속 전극을 형성하기 위해 포토리소그래피, 진공증착 등의 반도체 공정을 이용했다. 또 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 성공했다. 레이저만을 이용해 은 미세 패턴을 형성하는 동시에 내부에 다공성 나노구조를 생성해 10단계 이상 소요되던 세부 제조 과정을 1단계로 간소화했다.

양민양 교수/사진=KAIST

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.

연구팀은 일반적인 단일물질 대칭구조의 슈퍼커패시터 전극과 달리 이종의 금속산화물(이산화망간과 산화철)을 각각 양극과 음극으로 비대칭 적용해 구동 전압을 크게 향상시켰다.

이를 통해 전력 보유량을 극대화해 고용량 에너지 저장소자를 개발했다. 또 4초 내 초고속 충전이 가능하고, 5000번 이상의 내구성 테스트에서 안정적으로 작동하는 것을 확인했다.


양 교수는 “이번 연구 결과는 향후 웨어러블 및 유연 전자기기 기판에 포함돼 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장소자로 사용 가능하다”며 “전원까지 포함한 진정한 의미의 완전한 유연 전자기기의 현실화에 더 가까워졌다”고 말했다.