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KAIST, 고성능 필름형 차세대 전지 개발
2018년 2월 1일 (목) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2018년 2월호 - 전체 보기 )

KAIST, 고성능 필름형 차세대 전지 개발
필름형 슈퍼커패시터 문제 해결… 활용폭 확대 전망
KAIST(총장 신성철) 기계공학과 양민양 교수 연구팀이 고성능의 필름형 차세대 전지(슈퍼커패시터)를 저렴하고 간단한 방법으로 제작하는데 성공했다. 기존의 복잡한 제작과정과 낮은 성능 등의 단점을 갖는 필름형 슈퍼커패시터를 대체할 수 있는 기술이다. 이는 새로운 고성능 소자구조를 단일공정으로 제작할 수 있는 핵심재료 및 소자 제조 원천기술이다.  자료 : KAIST

슈퍼커패시터는 기존의 리튬이온배터리와 비교해 월등하게 빠른 충전 속도와 반영구적 수명을 가져 차세대 에너지 저장소자로 각광받고 있다. 유연한 기판에 제조되는 필름형 슈퍼커패시터는 웨어러블 및 유연 전자소자의 회로에 직접 연결돼 전원역할을 할 수 있기 때문에 차세대 유연 전자소자의 핵심 전력소자다. 기존에는 유연한 필름 위에 높은 표면적의 금속전극을 형성하기 위해 포토리소그래피, 진공증착 등의 반
도체 공정을 이용했다. 또한, 금속전극의 표면적 향상을 위해 추가적으로 고가의 설비와 2단계의 유독한 화학공정이 필요했다.

이종(異種) 금속산화물 비대칭 적용
구동 전압 향상·전력 보유량 극대화
연구팀은 보다 빠르고 저렴하며, 간단한 방법인 레이저 성장 소결 공정기술을 개발했다. 이는 나노미터 단위의 기공을 갖는 초 다공성 은(銀) 전극을 제조하는 기술로, 슈퍼커패시터의 전극으로 적용하는데 성공했다. 레이저만을 이용해 은 미세 패턴을 형성하는 동시에, 내부에 다공성 나노 구조를 생성해 10단계 이상 소요되던 세부 제조과정을 1단계로 간소화한 것이다. 연구팀은 기존 금속 나노 용액과 비교해 매우 저렴한 무입자 유기금속이온 화합물 용액을 사용해 핵생성, 열성장, 다결정 금속 막 형성으로 이어지는 특수한 성장 소결원리를 규명했다.
또한, 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 저장 소자를 개발했고, 4초 내 초고속 충전이 가능하고 5000번 이상의 내구성 테스트에서 안정적으로 작동하는 것을 확인했다.


[그림 1] 논문 표지 이미지

양민양 교수는 “이번 연구결과는 향후 웨어러블 및 유연 전자기기 기판에 포함돼 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장소자로 사용 가능하다”며, “전원까지 포함하는 진정한 의미의 완전한 유연 전자기기의 현실
화에 더 가까워졌다”고 설명했다. 이번 연구는 필름형 슈퍼커패시터의 제조공정을 크게 단순화하고, 효율적으로 개선시킴과 동시에 고성능 소자를 제조했다는 데 의미가 있다. 특히 기존 필름형 슈퍼커패시터의 문제를 해결하고, 그 활용폭을 크게 증가시켜 줄 것으로 기대된다.
이번 연구는 이재학 박사과정이 1저자로 참여했고 연구 결과는 재료·화학분야의 국제 학술지 영국왕립화학회의 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’ 표지논문에 선정됐다.
왼쪽부터 이재학 박사과정, 양민양 교수

[그림 2] 레이저 성장 소결 메카니즘


[그림 3] 레이저 조사조건에 따른 은 전극 형상 변화

 
[그림 4] 제조된 필름형 슈퍼커패시터와 그 성능

용어 설명
1. 슈퍼커패시터(Super capacitor) : 리튬이온배터리의 경우 리튬이온이 전극에 삽입되거나 이온결합을 이루는 형태로 저장되며, 이 과정에서 화학반응이 동반되지만, 슈퍼커패시터의 경우엔 화학반응 없이 전기적 인력에 따라 전해질의 이온이 전극에 흡착되는 반응을 이용해 전력을 저장한다. 이 때문에 보다 가역적이며 빠른 충전 및 방전이 가능하고 리튬이온배터리보다 월등한 출력 및 수명을 가지고 있어 차세대 에너지 저장소자로 손꼽히고 있다.
2 유기금속이온화합물 용액(Organometallic solution) : 금속 이온이 유기물이온과 함께 존재하는 용액으로서 고체 상태의 나노파티클이 석출되어 있는 금속 나노파티클 분산 용액과는 다르게 입자가 존재하지 않는다. 상대적으로 제조공정이 간단하여 금속 나노파티클 용액보다 가격이 낮다. 이번 연구에서 사용한 은 유기금속화합물용의 경우엔 낮은 온도에서 가열 시 약한 결합을 이루고 있는 은 이온과 유기물 이온의 결합이 끊어지며 은 미세입자가 석출되게 된다.
3. 레이저 성장 소결(Laser growth sintering) : 유기금속이온화합물 용액이 가진 특수한 소결 원리로서, 은 미세입자가 생성된 박막에 레이저를 가할 시 은 미세입자는 주변의 석출되지 않은 은 이온들을 흡수하여 성장한다. 이때 유기물의 증발에 의한 기공생성이 동시에 일어나기 때문에, 박막에 가해지는 레이저로 조사되는 에너지 양 조절 시에 다양한 형상의 은 전극을 제조할 수 있다. 오븐과 같은 기구로도 열을 전달할 수 있지만, 레이저와 같이 짧은 시간에 열을 전달해야만 에너지의 확산이 일어나지 않아 다공성 구조가 생성된다.
4. 유연 전자소자(Flexible electronics) : 유연한 필름 기판에 디스플레이, 메모리, 태양전지 등의 전자소자가 제작된 것으로, 소자의 부피 및 질량을 크게 감소시킬 수 있으며 유연성을 기반으로 다양한 구조물에 부착될 수 있고 인체에까지 부착할 수 있는 웨어러블 소자까지 개발되었다. 스마트 폰이나 태블릿 pc와 같은 스마트 기기도 최종적으로 유연 전자소자로의 개발을 목표로 하고 있다.
 
 

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