하이브리드 자동차의 보조동력으로 사용돼 폭발적인 성장이 전망되는 슈퍼커패시터의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국과학기술연구원(KIST)은 최근 광·전자재료센터 김일두 박사팀이 ‘나노섬유’ 형상의 루테늄산화물(RuO2)을 손쉽게 대량으로 제조하는 기술을 개발해 이를 슈퍼커패시터에 적용하는 데 성공했다고 지난 13일 밝혔다.

슈퍼커패시터는 전기화학적 에너지 저장 매체로서 2차전지 대체용 또는 배터리의 보조전원으로 큰 주목을 받고 있다. 배터리 대비 에너지밀도는 1/10 수준이나, 10배 이상의 출력, 수만 사이클 이상의 충방전 특성을 갖고 있어 반영구적으로 사용할 수 있으며, 순간적인 고출력이 필요한 전기자동차 및 전동공구 등에 꼭 필요한 부품이다.

이에 미국, 일본 기업들이 세계 유수의 완성차 업체들과 손잡고 슈퍼커패시터 개발에 박차를 가하고 있으며, 국내기업들도 개발에 박차를 가하고 있다.

최근 들어 금속산화물의 산화·환원 반응을 이용한 초고용량 슈퍼커패시터 개발 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 그 가운데 루테늄산화물은 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 활용돼 왔다.

이번에 KIST가 개발한 슈퍼커패시터 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, 김 박사 팀이 개발한 슈퍼커패시터 소재는 3만 사이클의 테스트 후에도 700 F/g 이상의 높은 비축전 용량값을 유지해 획기적인 성능 개선을 보여줬다고 KIST측은 밝혔다.

또한, 연구팀이 개발한 루테늄산화물은 나노섬유 형상을 하고 있어 표면적이 넓고 섬유 사이의 열린 공간을 통해 수소이온이 빠르게 이동할 수 있어 우수한 고출력 특성을 보인다.

이밖에도 연구팀은 망간산화물, 니켈산화물과 같은 대체 물질에 대해서도 나노섬유 제조기술을 확보했으며, 나노섬유 제조기술을 이용해 슈퍼커패시터 이외에도 리튬-공기전지, 이차전지 및 연료전지용 촉매제 등으로 응용범위를 넓히는 중이다.

김일두 박사는 “1차원 나노섬유 구조를 가진 전극소재를 이용해 수퍼커패시터를 제조함으로써, 높은 비축전용량 특성과 고속 출력이 동시에 가능해졌다”며 “특히 고출력·장수명 특성이 필수적인 용용분야에 활용가치가 높을 것”이라고 말했다.

한편 최근 매년 30% 정도 시장이 확대되고 있는 고출력 슈퍼커패시터의 세계 시장 규모는 올해 1조원으로 예상되며 스마트그리드 전력저장 시스템의 발전과 더불어 2020년에는 10조원 이상으로 급성장 할 전망이다.