각종 전자기기 안에서 에너지를 모았다가 필요에 따라 방출해주는 슈퍼커패시터의 성능이 크게 발전했다. 김상재 교수, 케이 카티케얀 박사, 파자말라이 파르티반 박사과정생(제주대학교) 연구팀이 실리콘 기반 2차원물질*인 실록신(Siloxene)을 전극으로 사용하여 높은 에너지밀도와 전력밀도의 고성능 슈퍼커패시터* 소자를 개발했다고 한국연구재단은 밝혔다.

2차원 물질 : 원자가 한 층으로 되어 있는 물질을 일컫는다.

* 슈퍼커패시터(supercapacitor) : 전극과 전해질의 계면에서의 전기화학적 반응에 의해 에너지를 충전하는 에너지 저장 소자로써, 초고용량 축전기라고도 한다. 리튬이차전지에 비해 높은 전력밀도, 빠른 충·방전 속도 및 장기안정성의 장점을 가지고 있다.

현재 주로 사용된 슈퍼커패시터의 소재는 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.

연구팀은 나노 시트 형태의 실리콘 물질인 실록신을 전극으로 썼다. 실록신 전극은 최대 전력밀도가 272.5 mW/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.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구, 신진연구)의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)*에 6월호 논문으로 게재되었다.

* 에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science) : 영국왕립화학회가 발행하는 학술지로, 영향력 지수(임팩트 펙터) 29.52, 환경과학 분야 상위 0.4%의 최고 권위를 가진다. 상대적으로 연구 환경이 어려운 제주권역 단일 연구팀이 이 학술지에 논문을 게재한 것은 괄목할 만한 성과이다.