미래형 전기자동차나 모바일 단말기 등에 사용되는 슈퍼캐퍼시터는 아주 짧은 시간 내에 큰 출력을 위해 주로 사용되는 에너지 저장장치다. 그러나 장치 내에 저장할 수 있는 에너지양이 적고 수명도 짧으며, 작동 전압도 낮아 널리 사용에 어려움이 있다. 특히 액체 전해질로 돼 있어 운반이나 여러 전자기기 적용도 미진한 상황이다.

  이러한 슈퍼캐퍼시터의 단점을 모두 극복할 수 있는 연구 성과를 이중희 교수(대학원 BIN융합공학과)팀이 발표해 주목을 받고 있다. 이 교수팀이 개발한 슈퍼캐퍼시터는 초고수명을 지니면서도 완전 고체 상태여서 유연해 미래 착용 가능한 전자제품이나 전기 자동에 등에 적용될 수 있도록 만들어졌다.

  이번 연구 성과는 미래창조과학부의 중견연구자 지원사업과 BK21 플러스 사업 지원을 받아 수행됐으며, 에너지 분야 세계 최고 학술지인 『어드밴스트 펀크셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=13.325)』최신 온라인판에 게재됐다.

  연구팀은 3종의 금속 질화물 나노 구조체를 질소가 도핑된 그래핀으로 감싸서 넓은 표면적을 가지면서 전기 전도도가 좋고 촉매의 활성도를 높였다. 아주 오래 사용할 수 있는 금속 질화물의 특징을 살린 전극소재를 개발해 슈퍼캐퍼시터에 적용했다.

  특히 음극과 양극 물질이 서로 다른 ‘질화-니켈-코발트’와 ‘질화-니켈-철’ 나노입자를 질소가 도핑 된 그래핀으로 감싸주도록 해 표면적을 넓혔다.

  이렇게 개발된 슈퍼캐퍼시터는 많은 에너지를 저장하고 고출력을 내면서도 기존의 슈퍼캐퍼시터에 비해 아주 수명이 길다. 또한 제조 공정도 쉽고 저렴하기까지 해 쉽게 양산할 수 있어 다양한 전자 제품의 에너지 저장장치로 적용이 가능하다.

  또 2만 5천 회 이상을 사용해도 출력 성능이 겨우 5% 정도 떨어지는 우수한 특성을 보이고, 지금까지 보고되었던 연구 결과들보다 훨씬 우수한 에너지밀도와 고출력을 낼 수 있다는 장점을 갖고 있다.

  본 연구팀은 이러한 연구를 통해 이 소재가 다른 에너지 저장 및 변환 장치 즉 리튬배터리, 연료전지, 태양전지 등의 전극 소재뿐만 아니라 수소가스의 제조 등 다양한 산업에 널리 활용될 수 있을 것으로 전망했다.

  이중희 교수는 “이번 연구 결과로 미래 전기자동차 등과 같은 전자장치에서 반드시 해결해야 하는 핵심 기술인 에너지 저장 기술을 보다 성능이 뛰어나면서도 저렴하게 제조할 수 있는 기반기술을 마련할 수 있을 것”이라며 “이러한 소재기술의 확립은 고효율이면서 유연하고 내구성이 강한 차세대 에너지 저장 장치 상용화를 위한 가장 중요한 원천기술 확보라는 의미를 갖는다”고 밝히면서 조속한 시일 내에 상용화가 가능할 것으로 내다봤다.

  한편, 이번 연구는 김남훈 교수를 비롯해 발람무르건 박사 그리고 박사과정 학생들 간의 긴밀한 협력으로 이뤄졌다. 이 연구팀은 전극소재 관련 연구에 지속적으로 매진하여 세계적 저널인 어드밴스트 에너지 머티리얼(Advanced Energy Materials, IF=21.875 ), 어드밴스트 펀크셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials, IF=13.325) 및 어플라이드 캐털리시스 비 임바이론먼털(Applied Catalysis B: Environmental, IF=11.698) 등에 게재되는 등 세계 최고 수준의 연구를 진행하고 있다.