다아라 매거진 _ 2018.07

기술뉴스

[Technical News]슈퍼커패시터 성능, 2차원 실리콘으로 개선

에너지 밀도 최대 100배 가까이 상승해

[Technical News]슈퍼커패시터 성능, 2차원 실리콘으로 개선 - 다아라매거진 기술뉴스
실록신 시트의 제작 모식도


각종 전자기기 안에서 에너지를 모았다가 필요에 따라 방출해주는 슈퍼커패시터의 주된 소재는 지금까지 실리콘 박막, 나노와이어, 나노트리, 다공실리콘, 비결정질 실리콘 등이 있는데, 이같은 기존 소재를 이용한 성능 발전은 한계에 달했다.

최근에는 새로운 소재인 그래핀, 이황화몰리브덴 등을 적용하려는 시도들도 있었지만, 현재의 실리콘 기술과의 상호 호환성이 문제되어 별다른 진전이 없는 상태이다.

이에, 김상재 교수, 케이 카티케얀 박사, 파자말라이 파르티반 박사과정생(제주대학교) 연구팀이 실리콘 기반 2차원물질인 실록신(Siloxene)을 전극으로 사용해 높은 에너지밀도와 전력밀도의 고성능 슈퍼커패시터 소자를 개발했다고 한국연구재단은 밝혔다.

연구팀은 나노 시트 형태의 실리콘 물질인 실록신을 전극으로 썼다. 실록신 전극은 최대 전력밀도가 272.5mW/cm2에 이르렀고, 이를 이용한 슈퍼커패시터는 에너지밀도가 10 mJ/cm2에 달했다. 이 값은 실리콘기반 전극을 적용한 기존 에너지저장장치의 에너지밀도가 0.1 mJ/cm2에 그치는 것에 비해 100배나 향상된 성능이다.

이 성과를 이용하면 하나의 칩 위에 센서·시스템과 더불어 전기에너지원을 동시에 집적할 수 있다. 이를 통해 초소형 시스템을 제작할 수 있게 되므로, 웨어러블, 휴대용, 생체이식형 전자 기기에 필수적인 보조전원으로 활용될 수 있다.

김상재 교수는 “개발된 슈퍼커패시터는 높은 전력 및 에너지 밀도, 빠른 속도, 주기적 안정성의 특징이 있다”며, “향후 실리콘 단일 칩에 전기에너지원을 결합한 집적화, 소형화 기술을 통해 전자소자의 소비전력이 획기적으로 낮춰질 것이다“라고 연구의 의의를 설명했다.

김 교수에 따르면, 이 연구에서 제안하는 실리콘기판상의 슈퍼커패시터소자는 다양한 디바이스 형상에 따라 1 mA에서 200 mA의 저소비전력에서에서 작동한다. 그러므로 RAM, SRAM, 마이크로 컨트롤러의 일시적인 전원차단의 백업전원으로 활용이 가능하고, 랩탑 컴퓨터, GPS, 휴대용 전자기기, 임플랜터블, 웨어러블 전자기기 등의 안정된 보조전원 공급원으로 활용이 가능하다.

특히, 2차원 실리콘 기반 슈퍼커패시터는 높은 전력밀도, 매우 작은 등가직렬저항, 일시 정전 대체 전원, 수명을 향상시키는 매우 낮은 누설전류 등의 특성이 있고, 매우 얇고 유연한 디바이스 제작이 가능하다. 그러므로 실리콘 단일칩상의 구동원결합 센서/시스템 집적화 및 소형화에 의한 IoT를 접목한 유연 웨어러블, 임플랜터블, 포터블 전자소자의 초저소비전력 요구조건을 만족시키는 다양한 응용분야에 활용이 기대된다.

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