전기 이중층 콘덴서 활용 사례

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전기 이중층 콘덴서 활용 사례

2012년 9월 13일 (목) 22:05:27 | 지면 발행 ( 2012년 8월호 - 전체 보기 )

전기 이중층 콘덴서(EDLC : Electric DoubleLayer Capacitor)는 이름 그대로 분극성 전극과 전해액 계면에 발생하는 전기 이중층에 축전현상을 이용한 콘덴서다. <그림 1>은 EDLC의 축전원리를 나타낸 모식도다. 전극에 전압을 인가하면(+) 전하가 인가된 양극에 (-) 전하 이온이, (-)전하가 인가된 음극에 (+) 전하 이온이 각각 흡착한다. 이처럼 전극과 전해액 계면에 (+) 전하층과(-) 전하층이 상대하는 현상을 '전기 이중층'이라부르며, 충전 시엔 이온이 전극 표면에 흡착하고,방전 시엔 전극 중에 있는 전하를 방출하는 동시에전극 표면에 있는 이온이 떨어진다. 충 · 방전 과정에서 일어나는 현상은 기본적으로 이온의 흡착과탈리脫離뿐이어서 꽤 단순하다. 이 덕분에 EDLC는다음과 같은 이점이 있다.
① 단시간에 손쉽게 충 · 방전 가능 & 고출력 :화학 반응이 아닌 이온의 흡착 · 탈리라는 물리현상만으로 충 · 방전하기에 충전과 방전 속도가 상당히 빠르다. 즉, 단시간(순시)에 대전류를 방전할 수 있어 고출력이라고도 할 수 있다.
② 긴 수명 : 충 · 방전 기구가 기본적으로 이온의흡착 · 탈리뿐이며, 다른 불필요한 반응이 잘일어나지 않기에 충 · 방전을 반복해도 전극과전해액의 열화가 적다. EDLC는 일반적으로10만에서 100만 회 이상 반복 충 · 방전할 수있다.
EDLC는 1957년 미국 General Electric사의Becker와 Ferry가 발명했으나, 저전압 EDLC는 시
장이 없어 광범위하게 사용하지 못했다. 한편, 일본에서 1970년대 후반 마쓰시타전기산업㈜(현 파나소닉㈜)가 유기 전해액계를, 일본전기㈜가 수용액계를 실용화해 메모리 백업용으로 넓게 활용하기시작했다. 최근 전 세계에서 환경 대책과 에너지 절약을 위한 다양한 기술이 주목을 끌면서 EDLC도중 · 대형 제품을 개발해 EDLC의 특징(고출력, 고신뢰성)을 살린 순간 전압 강하 보상 장치, 분산 전원용 축전 뱅크, 물류 반송기의 회생 에너지 축전용도 등으로 많이 사용 중이다.

EDLC와 이차전지
축전 디바이스의 대표로 이차전지를 들 수 있다. EDLC와 이차전지는 둘 다 축전 디바이스지만, 결정적으로 다른 점이 있다. 바로 충 · 방전 중 전압거동이다(<그림 2> 참조). 일정 전류에서 충 · 방전을 반복하면, 이차전지는 충전 개시 후 바로 전압이상승하며 그 후 전압 변동은 거의 없다. 방전에선마지막에 급격한 전압 저하가 일어나나 그 이전에전압 변동은 거의 없다. 이에 비해 EDLC는 충전시간에 비례해 전압이 상승하고, 방전 시간에 비례해 전압이 저하한다. 즉, 충 · 방전에서 전압이 일정해치는 일이 없다. 이처럼 충 · 방전 시 전압 거동이크게 다르므로 이차전지와 정격 전압이나 크기가같더라도 단순히 대체할 수 없으며, 이차전지를EDLC로 대체할 경우 DC/DC 컨버터 등을 사이에두고 사용해야 한다.
또 하나는 이차전지와 EDLC의 에너지 밀도(용량)가 크게 다르다는 점이다. 그런데 이 용량은 단순히 축전할 수 있는 전체 에너지양으로, 실제 사용에선 약간 바뀐다. 이차전지에서 수십만 회 반복충 · 방전할 경우 충 · 방전 심도를 얕게 해야 한다.
경우에 따라선 전체 에너지의 1/10 정도밖에 사용하지 못할 때도 있다. 이에 비해 EDLC는 물리 현상을 토대로 하기에 전체 에너지를 사용하고 충 · 방전을 반복해도 열화가 적다. 충 · 방전 횟수가 많은 용도로 사용하는 경우, 실제 사용할 수 있는 에너지양에 큰 차이가 없을 때도 있다.

EDLC의 응용 사례와 도입 이점
백업 전원 용도(차량용 블랙박스) | <그림 3>은 차량용블랙박스 블록도와 사고 전후 동작 · 전원을 나타낸것이다. 자동차 주행 중에 차량과 주변 상황을 영상데이터로 기록하는 블랙박스는 사고 전후 수십 초동안 상황을 영상으로 확인할 수 있어 한층 정확한사고 검증을 위해 도입 건수가 매해 늘고 있다. 사고 전 약 5초 동안과 사고 후 약 15초 동안 영상을기록하기에 상용 전원이 사고로 차단된 경우에도영상을 기록해 메모리에 보존하고, 이 메모리를 수주 동안 보유해야 한다. 또한, 어떠한 경우라도 확실히 동작하기 위해 전원 투입 후 바로 백업이 가능한 체제여야 한다.
지금까지 Ni-Cd 등 이차전지를 이 용도로 사용해왔다. 이차전지를 사용한 경우 2~3년에 한 번 교체해야 하며, 중요한 사고에서 정작 기록을 못 한 사태도 일어나곤 한다. 그래서 유지 보수가 필요 없는백업 전원으로 EDLC를 채용한다. 저항이 낮은EDLC를 채용하면 전원 투입 후 바로 100% 충전돼 백업이 가능하며, 전원 차단 후 기록 · 보존에 필요한 전력을 축적할 수 있다. 또한, 수명이 길어 유지 보수가 필요 없으며, 만일의 사고를 확실히 기록 · 보존한다.
분산 전원 용도(도로 표지병, 축전형 태양광 발전 시스템) | EDLC는 분산 전원으로써 다양한 장치에 이용한다. 소형의 경우, 태양전지와 조합해 도로 표지병이나 정원 조명으로 응용한다. 그동안 이차전지를 사용해 왔으나, EDLC는 충 · 방전에 따른 특성열화가 아주 적고 장기간 유지 보수가 필요 없다는점이 좋은 평가를 얻어 채용이 느는 추세다. 대형의경우, 새로운 제어 방식 적용형(피크 차단형)인 축전형 태양광 발전 시스템에도 사용해 환경 보전 · 에너지 자원 소비 억제와 함께, 태양광 발전으로 얻은 전력을 일시 축전해 피크 시 전력 소비 평준화에일조한다(<그림 4> 참조).

순간 전압 강하 보상 장치 | 순간 전압 강하란 낙뢰, 눈, 눈보라 등으로 말미암아 송전선 사고가 발생한경우, 그 사고를 제거하고자 계통을 전환할 때 일어나는 아주 짧은 시간(0.07~2초) 동안의 전압 저하에 기인한다. 공장이나 의료 시설에서 발생하는 순간 전압 강하 현상은 기기와 설비의 불안정한 제어 · 동작으로 이어지므로 전력 안정화가 필수다.
순간 전압 강하 대책으로 그동안 무정전 전원 장치(UPS)를 사용했으나, ▲도입 비용 ▲전지 교체(5~7년에 한 번) ▲폐기 전지의 회수 처리 등과 같은 문제가 있다. 최근에 기능을 순간 전압 강하 보상에 한정하고, 환경을 생각해 납을 사용하지 않는 제품을 바라는 목소리가 크다. 이에 순간 전압 강하 보상 장치에 필요한 순간 충 · 방전 특성이 우수하고,수명이 길며(유지 보수가 필요 없음), 환경 부하 물질을 포함하지 않은 EDLC에 관심이 쏠린다.
일본 니치콘㈜는 축적해 온 인버터 기술과 EDLC를 응용해 최경량급 순간 전압 강하 보상 장치를 개발했다(<그림 5> 참조). EDLC를 사용해 기능을 순간 전압 강하 보상에 한정함으로써 ▲도입 비용(장치 비용) 절감 ▲낮은 환경 부하(납 등 중금속을 포함하지 않음) ▲유지 비용 절감(유지 보수 불필요)등과 같은 효과를 토대로 납축전지를 대체한다.

에너지 회생(엘리베이터 방식 패킹, 항만 크레인) | 엘리베이터 방식 패킹이나 항만 크레인 등 무거운 물건을 옮기거나 들어 올릴 때(역행 시)는 대전력을 소비하고, 반대로 멈추거나 내릴 때는 회생 에너지가발생한다. 이 회생 에너지는 비교적 시간이 짧은 데다 대전력으로, 이차전지는 내부 저항이 커 회수(충전)할 수 없기에 그동안은 방전 저항 등에 의해 열에너지로 버렸다. 최근 환경 보전 관점에서 이 에너지 이용 효율을 높이자는 말이 있다. 이러한 용도에서도 짧은 시간 내에 손쉽게 대전력 충 · 방전이 가능한 EDLC가 주목을 끈다. EDLC를 채용하면 회생 에너지를 일시적으로 축전해 역행 시 재이용할수 있으며, 이로써 전력량을 20~30% 절감하는 효과가 있다. 이와 동시에 전원 측 피크 전력을 대폭낮추는 효과도 있다.
한편, 항만 크레인에선 디젤 엔진과 하이브리드로사용한다. 권하捲下시 발생하는 회생 에너지를 축전해 권상捲上시에 이용한다. 항만 크레인의 경우 연료 소비량을 40% 정도 절감할 수 있다. 이처럼EDLC를 응용하면 피크 전력을 절감(역행 시EDLC에 축전한 전력 사용)하고 에너지 이용 효율을 높여 큰 에너지 절감(지금까지 버린 에너지를 회수 · 재이용) 효과를 얻을 수 있다(<그림 6> 참조).

초저저항형 EDLC 특징
저탄소 사회를 실현하려면 피크 전력 차단과 전력회생이 필요하다. 위에서 논한 에너지 회생은 대형설비이면서 비교적 시간이 짧은 데다 대전력 용도이긴 하나, 이보다 더 시간이 짧은 대전력의 회생 에너지는 회수하지 못하고 버리는 실정이다. 이 에너지도충분히 회생 · 재이용하려면 EDLC가 소형 경량에서 급속충 · 방전, 대전류 충 · 방전할수 있어야 한다. 대전류를 취급할 경우, 주로 내부 저항에의한 손실(발열) 대책이 문제가 된다. 내부 저항 손실은 I²R로 표시하는데, 전류 값의 2승으로 작용하기에 취급하는전류가 작으면 문제가 없으나, 전류가 커질수록 미치는 영향도 커진다. 한편, 대전류를 반복해 충 · 방전하는사용 환경에선 높은 신뢰성 확보도 중요 사항이 된다. 소형이면서 대전류를 흘릴 수 있는 특성, 즉 신뢰도가 높고 저저항(내부 저항과 정전 용량의 곱(Ω · F)으로 나타나는 시정수가 작음)인 EDLC를 요구하는 것이다. 그리하여 원통 권회형 EDLC 내부에 분산해 있는 저항 성분에 대해 저저항화를 시험했다.
그 결과, 기존 제품과 비교해 전극부에서 약 77%,집전극-외부 단자 사이에서 약 30%를 저저항화하는데 성공했다.

이러한 효과를 조합해 크기ø35×85L인 250F-2.2mΩ의 초저저항형 EDLC를 개발했다(<그림 7>참조). 같은 크기의 기존 제품은 400F-6mΩ으로, 용량은 감소한 반면 기존 제품의 약 1/3인 내부 저항 값을 얻었다. EDLC를 6직렬로 한 14.5V 모듈(<그림8> 참조)을 시험 제작해 충 · 방전 시험을 한 결과, 내부 저항이 크게 감소해 대전류 통전 시 손실이 줄어들었기에 1㎾ 이상인 대전력 방전 시 실제로 사용할수 있는 용량이 초저저항형 EDLC 쪽이 크고 회생에너지를 유효하게 회수할 수 있음을 확인했다.