(A thin, flexible supercapacitor developed at the University of Central Florida boasts high energy and power densities. Credit: University of Central Florida)
캐패시터 혹은 콘덴서는 도체 다량의 전하를 일시적으로 보관하는 부품으로 앰프에서 메인보드에까지 다양한 전자기기에 들어갑니다. 보통은 장시간 다량의 에너지를 보존하기에 적합하지 않아서 배터리 대용으로 사용되지는 않지만, 충전 시간이 매우 짧고 구조가 단순한 장점이 있어 이를 모바일 및 웨어러블 기기에 응용하려는 시도가 진행되고 있습니다.
플로리다 대학의 나노사이언스 테크놀로지 센터 (NanoScience Technology Center)의 연구팀은 슈퍼캐패시터를 개발하기 위해서 불과 원자 몇 개의 두께를 가진 2D 나노물질을 연구했습니다. 다른 연구팀은 그래핀과 2차원 물질을 이용한 시도를 해봤지만, 사실 제한적인 성공을 거뒀을 뿐입니다.
연구의 리더인 정연웅 (에릭) (Yeonwoong "Eric" Jung) 교수는 방법을 바꿔서 2차원 나노 물질과 화학물질을 합성하는 방법을 개발했습니다. 수백만개에 달하는 미세 필라멘트 주변에 2차원 나노 캐패시터가 둘러쌓는 방식으로 전기를 쉽게 통하게 하면서 용량도 크게 늘릴 수 있었던 것입니다. 이는 마치 2차원 구조를 3차원으로 만들어 용량을 크게 늘린 것으로 볼 수 있습니다. (아래 모식도)
(Illustration represents the novel design of the supercapacitor developed at the University of Central Florida. Credit: University of Central Florida)
연구팀은 이 방식으로 아주 얇은 플렉서블 슈퍼캐패시터를 개발할 수 있었을 뿐 아니라 내구성도 우수하다는 사실을 발견했습니다. 수초만에 충전이 가능하며 일주일간 에너지를 저장할 수 있을 뿐 아니라 3만번 충방전이 가능하다고 합니다. 앞으로 용량을 에너지 저장 용량을 키울 수 있다면 수초만에 충전되는 스마트폰이 가능할 수 있습니다. 아마도 그보다 더 큰 응용은 수분안에 충전되는 전기 자동차 같은 경우일 것입니다.
연구팀은 상용화를 위한 연구를 진행하며서 특허 출원을 준비 중에 있습니다. 과연 기존의 리튬 배터리를 대체할 슈퍼캐패시터가 가능할지 궁금합니다.
참고
Nitin Choudhary et al, High-Performance One-Body Core/Shell Nanowire Supercapacitor Enabled by Conformal Growth of Capacitive 2D WSLayers, ACS Nano (2016). DOI: 10.1021/acsnano.6b06111
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