한국연구재단은 김상재 메카트로닉스공학과 교수팀이 실리콘 기반 2차원 물질인 ‘실록신’을 전극으로 사용해 높은 에너지ㆍ전력밀도를 다진 슈퍼커패시터 소자를 개발했다.

슈퍼커패시터는 전극 및 전해질 계면에서 전기화학 반응으로 에너지를 충전하는 저장 소자다. 리튬이차전지보다 전력밀도가 높고 충방전 속도 및 안정성이 우수하다. 현재 주로 실리콘 박막, 나노와이어, 나노트리, 다공실리콘 등을 소재로 사용하는데, 성능 발전에 한계가 있어 새로운 소재 모색이 필요한 상황이다.

연구팀은 나노시트 형태를 가진 실리콘 물질인 실록신을 전극으로 활용해 슈퍼커패시터 소자 성능을 높이는데 성공했다.

실록신 전극이 가진 최대 전력밀도는 1㎠ 당 272.5밀리와트(㎽)에 달한다. 또 슈퍼커페시터 에너지밀도는 1㎠ 당 10밀리줄(mJ)이다. 기존 전극을 적용한에너지장치가 가진 에너지밀도인 0.1mJ보다 100배나 향상된 수치다.

연구팀은 새로운 실록신 전극을 이용해 하나의 칩 위에 센서ㆍ시스템ㆍ전기 에너지원을 동시에 집적할 수 있다고 설명했다. 초소형 시스템 제작을 가능하게 해 웨어러블, 휴대용, 생체이식형 전자기기 활용도가 높다고 강조했다.

김상재 교수는 “새로 개발한 슈퍼커패시터는 높은 전력 및 에너지 밀도, 빠른속도, 주기 안정성을 가진다”며 “앞으로 실리콘 단일 칩에 전기에너지원을 결합한 집적화ㆍ소형화 기술로 전자소자 소비전력을 낮출 수 있을 것”이라고 말했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부ㆍ한국연구재단 기초연구사업(중견연구, 신진연구)의 지원으로 수행됐으며 국제학술지 에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)에 6월호 논문으로 게재됐다.