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【신기술 2】 낙엽으로 폐전지와 산림 문제 해결을 동시에
2022-03-01

낙엽으로 폐전지와 산림 문제 해결을 동시에
폐자원인 낙엽 이용해 친환경 마이크로 슈퍼커패시터 개발

자연에서 자연스럽게 배출되는 폐자원을 방치하는 것이 아니라, 적극적으로 활용하기 위한 연구들이 계속되고 있다. 최근 한국과학기술원(KAIST)과 한국에너지기술연구원(KIER)에서 자연에서 발생하는 낙엽을 재활용할 수 있는 차세대 에너지 저장장치의 개발을 발표했다. 세계 최초로 유연한 미활용 산림 바이오매스인 낙엽을 활용해 쉽고 저렴하고 빠르게 다공성 그래핀-무기 결정 하이브리드 전극을 활용해 차세대 에너지 저장장치를 개발해 낸 것이다. 한편 일본에서도 지역 자원을 활용한 커패시터 개발 사례들이 있었는데, 이를 함께 소개하고자 한다.

정리 최종숙 기자 
자료 한국과학기술원(KAIST), 한국에너지기술연구원(KIER)

커패시터는 전기회로에서 전기를 일시적으로 저장하고 방전하는 전자 부품이다. 흔히 콘덴서(Condenser)나 축전기(蓄電器)라고 일컫기도 한다. 구조는 두 개의 전극판이 마주 보고 있고 그 사이에 절연체 또는 유전체가 들어가 전극판 간의 전기를 차단하거나 담아두는 역할을 한다. 슈퍼커패시터는 전기용량이 커 전지처럼 사용하는 커패시터를 일컫는다. 그중에서도 그래핀 슈퍼커패시터는 기존 슈퍼커패시터의 활성탄 전극 대신 비표면적이 큰 그래핀1) 전극을 사용하여 에너지밀도를 높인 차세대 에너지 저장장치로 인식된다.

낙엽이 가진 큰 에너지 잠재력
한국과학기술원(KAIST)는 기계공학과 김영진 교수 연구팀과 한국에너지기술연구원(KIER) 에너지저장연구실 윤하나 박사 연구팀이 공동연구를 통해 낙엽을 기반으로 차세대 에너지 저장장치를 개발했다. 극초단 펨토초 레이저 직접 묘화 기술을 기반으로, 세계 최초로 낙엽 상 그래핀-무기-하이브리드 마이크로 슈퍼커패시터를 제작한 것이다.2) 

마이크로 슈퍼커패시터(micro-supercapacitor, MSC)는 얇은 판상의 초소형 슈퍼커패시터다. 기존 리튬박막전지에 비해 안정성이 뛰어나며 높은 출력을 비롯해, 부피당 에너지밀도도 우수한 결과를 보여 최근 큰 기대를 모으고 있는 초소형 고성능 에너지저장소자이다. 연구에 참여한 KAIST의 김영진 교수는 낙엽을 이용해 개발된 차세대 에너지 저장 소자, 마이크로 슈퍼커패시터에 대해 산림 바이오매스인 낙엽을 재사용함으로써 폐자원의 재사용 및 에너지 선순환 시스템을 확립할 수 있게 됐다고 밝혔다.

웨어러블 전자 장치의 발전은 유연한 에너지 저장장치의 혁신에 직접적으로 영향을 받는다. 다양한 에너지 저장장치 중 마이크로 슈퍼커패시터의 경우 높은 전력 밀도, 긴 수명 및 짧은 충전 시간으로 큰 관심을 끌고 있다. 그러나 증대되는 전자 전기 제품의 소비·사용, IT 모바일 기기의 첨단화에 따른 짧은 교체 주기에 따라 폐전지의 발생량이 증대하고 있다. 이는 폐전지의 수거, 재활용 및 처리 과정에 있어, 안정성 및 환경적인 이슈 등의 많은 어려움을 유발한다.

한편, 산림은 전 세계 육지의 30 % 가량을 덮고 있으며, 산림에서는 엄청난 양의 낙엽이 배출된다. 이러한 바이오매스는 자연적으로 풍부하고, 생분해성이며 재생 가능한 매력적인 친환경 재료다. 그러나 이를 효과적으로 활용하지 못하고 방치하면 화재 위험, 식수원 오염 등 산림 재해가 발생할 수 있다.

연구팀은 두 가지 문제점을 동시에 해결할 방법으로 친환경의 생분해성 바이오매스인 낙엽 위에 추가 재료 없이 펨토초 레이저 펄스를 조사해, 대기 중에서 특별한 처리 없이 단일 단계로 높은 전기 전도성을 지닌 미세 전극인 3D 다공성 그래핀을 생성하는 기술을 개발했다. 또한 이를 활용해 유연한 마이크로 슈퍼커패시터를 제작하는 방안도 제시했다.

연구팀은 해당 연구를 통해 낙엽으로부터 쉽고 빠르게, 그리고 적은 비용으로 다공성 그래핀-무기결정 하이브리드 전극을 제작할 수 있음을 증명했다. 연구팀은 개발한 그래핀 마이크로 슈퍼커패시터를 LED 발광을 위한 전원이나 온·습도계, 타이머 혹은 카운터 기능을 가진 전자시계의 전원으로 사용해 실증에 들어갔고, 그 성능을 검증했다. 그 결과, 그래핀 기반의 유연한 전자제품을 적은 비용과 친환경적인 방식으로 대량생산할 수 있는 기반이 마련될 것이라는 기대를 모으고 있다.

KIER의 윤하나 박사는 이번 연구와 관련해 “친환경 산업의 기술 혁신 및 고부가가치 신재생에너지 및 이차전지 사업으로써의 신시장 창출뿐만 아니라, 국가의 사회적, 경제적 비용을 대대적으로 감소시키고, 더 나아가 웨어러블 전자제품이나 스마트 홈 등 사물인터넷에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

각 지역 발생 자원을 활용한 사례
일본에서도 산업 폐기물을 활용해 축전기를 개발하는 프로젝트가 진행된 바 있다. 이 프로젝트에서는 여러 지역의 공장에서 배출하는 폐기물을 활용해 탄소 재료를 제작하는 연구가 진행됐다. 당시 일본은 활성탄 분말의 주원료로 동남아시아에서 주로 야자 껍질을 수입해 사용했다. 이때 연구에 활용한 원료는 왕겨, 대나무, 폐(廢)면수건, 커피 찌꺼기 등이다. 한 연구소에서는 정제된 폐타이어 고무에서 열처리를 통해 카본 블랙을 추출하기도 했다. 연구진은 이를 축전지용 전극의 내부 저항을 낮추는 도전 활성화제로 이용했고, 상용 수준의 도전율을 획득하는 결과를 얻었다고 한다. 프로젝트 결과, 일본 연구진들은 전극 활물질에 야자 껍질을 이용하는 시판 활성탄의 비표면적이 약 2,000 ㎡/g임을 고려한다면 비표면적이 비교적 높은 제품도 가능하다는 결론을 얻었다[표 1].
위에 언급한 원료를 커패시터의 전극 재료로 사용했을 때의 기본 성능(단위 무게당 정전 용량)과 사용한 전해액, 그리고 평가 방법은 [표 2]와 같다. 평가 방법은 전기 화학 측정에서 사용되는 전극 1개에 삼전극에 의한 CV(Cyclic Voltammetry)법과 전극 2개에 단셀을 끼운 충방전 시험에 의한 방법을 사용했다고 한다.

그리고 이 재료의 응용은 전기 이중층 커패시터에서 이루어졌다. 따라서 정전 용량 값을 비교할 때는 사용한 전해액의 수계 또는 유기계의 종별을 살필 필요가 있다. 정전 용량은 사용한 전해액의 용매화(solvation)를 포함한 이온 사이즈로 결정된다. 그래서 이온 지름이 큰 유기계 전해액보다 이온 지름이 작은 수계 전해액 쪽이 단위 무게 당 정전 용량이 크다.

그러나 비축되는 에너지로 생각했을 때는 정전 용량과 전해액의 내전압을 고려해야 한다. 유기계 전해액의 내전압은 수계 전해액의 2~3배이므로 용도에 맞춘 전해액 선정이 중요하다. 또한, [표 1]에 정리된 활성탄 재료 각각의 비표면적을 결정하는 마이크로 구멍이나 메소 구멍의 분포와도 상관이 있어 이들 세공 분포의 균형이 커패시터용 활성탄 재료를 설계하는 데 주요 포인트가 된다.
한편, 전기 이중층 커패시터는 고체와 액체의 계면에 생기는 전기 이중층 현상을 이용한 물리 전지다. 전자회로 등에서 이용되는 콘덴서보다 전극 면적이 커서 더 많은 전하를 저장할 수 있다. 분극성 전극에는 주로 탄소 재료(활성탄 등)를 사용하며, 탄소 재료의 이온 흡탈착에 의해 충방전이 이뤄진다. 환경 문제가 없고 고온 발열의 위험성도 없어 안전성이 높다. 납 축전지나 리튬이온 전지와 같은 화학반응이 없기에 수 초 단위로 급속 충방전이 가능하며(전력 밀도가 높음), 이론적으로는 전극이 열화하지 않는 장점이 있지만, 과전압 인가 시나 고온 환경 하에서는 열화가 확인되기도 한다.

전기 이중층 커패시터(이하 커패시터)는 사용하는 전해액에 따라 두 종류로 나뉜다. 수계 커패시터는 전해액으로 황산(H₂SO₄), 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH) 등의 수용액을 이용한 것으로, 내전압은 물의 이론 분해 전압(1.23 V)보다 낮다. 제조 시 수분 환경을 신경 쓸 필요가 없다는 것이 이점으로 꼽히며, 전자기기의 메모리 백업 등의 용도로 쓰인다. 유기계 커패시터는 전해액으로 제4급 암모늄염을 용질로 쓰며, 용매로 프로필렌카보네이트(PC:Propylene Carbonate)나 아세토니트릴(ACN: Acetonitrile)을 이용한 것이나 EMIBF₄나 EMITFSI 등의 이온 액체를 이용한 것이 있다. 수계 커패시터와 비교해 내전압이 높고 에너지 밀도도 높은 점이 특징이지만 제조 시 수분 혼입이 장기간 사이클 사용에 영향을 주며 정전 용량 저하·내부 저항 증대의 원인이 된다.

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1) 그래핀(graphene)은 탄소원자들이 벌집모양으로 연결되어 있는 단층 구조의 재료로 2004년 영국 맨체스터 대학에서 처음으로 흑연에서 떼어내는데 성공했다. 비표면적이 2,630 ㎡/g으로 활성탄(1,500 ㎡/g)에 비해 매우 크고 전기전도도와 기계적 강도 등도 크게 향상된 투명 재료이다.

2) 이번 연구는 한국농림축산식품부의 기획평가원 지원사업과 산림청의 산림과학기술 연구개발사업 및 한국에너지기술연구원 주요사업의 지원을 받아 수행됐다. KAIST 기계공학과 레딘츤손 박사 후 연구원과 에너지연 이영아 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료과학 및 융합연구분야의 세계적인 학술지인 〈어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈〉(Advanced Functional Materials)에 작년 12월 5일자 온라인에 공개됐다. 논문명은 “Green Flexible Graphene-Inorganic-Hybrid Micro-Supercapacitors Made of Fallen Leaves Enabled by Ultrafast Laser Pulses”이다. 

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