하이브리드 자동차의 보조동력으로 사용되어 관련 시장의 폭발적인 성장이 전망되는 슈퍼캐패시터의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 28일 광·전자재료센터 김일두 박사팀이‘나노섬유’형상의 루테늄산화물(RuO2)을 손쉽게 대량으로 제조하는 기술을 개발해 이를 슈퍼캐패시터에 적용하는데 성공했다고 밝혔다.

슈퍼캐패시터는 전기화학적 에너지 저장 매체로서 이차전지 대체용 또는 배터리의 보조전원으로 최근 큰 주목을 받고 있다. 배터리 대비 에너지밀도는 1/10 수준이나, 10배 이상의 출력, 수만 사이클 이상의 충방전 특성을 갖고 있어 반영구적으로 사용할 수 있으며, 순간 가속이 필요한 전기자동차 및 전동공구 등에 꼭 필요한 부품이다. 전기자동차의 경우 장시간의 안정적인 전기는 배터리를 통해, 순간적인 고출력을 위한 전기는 수퍼캐패시터를 통해 얻을 수 있다. 이 때문에 미국, 일본 기업들이 세계 유수의 완성차 업체들과 손잡고 슈퍼캐패시터 개발에 박차를 가하고 있으며, 국내기업들도 개발을 서두르고 있다.

현재까지 상용화된 슈퍼캐패시터는 탄소소재 표면에서는 전하의 흡착/탈착 과정을 이용하여 전하를 축적하는 전기이중층 캐패시터(Electrical Double Layer Capacitor)가 대표적이며, 가격이 저렴한 반면 부피가 크고 축전용량 값(130 F/g)이 상대적으로 낮아 크기 제약이 따르는 중소형 캐패시터 및 고용량 캐패시터 분야에 적용이 제한적이었다. 이를 극복하기 위해 최근 들어 금속산화물의 산화/환원 반응을 이용한 초고용량 슈퍼캐패시터 개발 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 그 가운데 루테늄산화물(RuO2)은 가장 큰 축전용량 값(700 F/g 이상)을 갖는 것으로 알려져 있다. 그러나, 루테늄산화물은 가격이 매우 비싸고, 대량생산하는 것이 까다롭기 때문에 로켓, 미사일 추진체의 동력원과 같은 군수용의 특수용도로만 활용되어 왔다.

이번에 개발한 슈퍼캐패시터 소재 제조기술은 나노섬유 형상의 루테늄산화물을 대량으로 제조할 수 있는 전기방사법을 이용해 고출력·고용량 특성을 갖도록 한 기술이다. 일반적으로 이차전지의 사이클 수명이 1,000~2,000 사이클 정도인데, 김박사 팀이 개발한 슈퍼캐패시터 소재는 30,000 사이클의 테스트 후에도 700 F/g 이상의 높은 비축전 용량값을 유지해 획기적인 성능 개선을 보여주었다.

또한, 연구팀이 개발한 루테늄산화물은 나노섬유 형상을 하고 있어 표면적이 넓고 섬유 사이의 열린 공간을 통해 수소(H ) 이온이 빠르게 이동할 수 있어 우수한 고출력 특성을 보인다. 한편, 루테늄산화물 제조시에 다른 전구체를 손쉽게 첨가하여 루테늄산화물의 결정도와 입자 크기를 자유롭게 조절할 수 있는 원천기술을 확보해 한국과 미국 특허 출원·등록을 진행중이다. 이 밖에도 연구팀은 망간산화물, 니켈산화물과 같은 대체 물질에 대해서도 나노섬유 제조기술을 확보했으며, 나노섬유 제조기술을 이용해 슈퍼캐패시터 이외에도 리튬-공기전지, 이차전지 및 연료전지용 촉매제 등으로 응용범위를 넓히고 있다.

김일두 박사는“1차원 나노섬유 구조를 가진 전극소재를 이용해 수퍼캐패시터를 제조함으로써, 높은 비축전용량 특성과 고속 출력이 동시에 가능해졌다”며 “특히 고출력·장수명 특성이 필수적인 용용분야에 활용가치가 높을 것”이라고 말했다. 고출력 슈퍼커패시터의 세계 시장 규모는 올해 1조원으로 예상되며, 최근 들어 매년 30% 정도 시장이 확대되고 있다. 스마트그리드 전력저장 시스템의 발전과 더불어 2020년에는 10조원 이상으로 급성장 할 것으로 예상하고 있다.

현태선 연구원과 함께 쓴 이번 논문은 영국 왕립화학회에서 발간한 저널 오브 머터리얼스 케미스트리(Journal of Materials Chemistry)의 10월14일자 온라인 판 표지논문으로 게재됐다.

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