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4초 내 초고속 충전 차세대 전지 제작 성공
KAIST 연구팀 고성능 필름형…단일 공정 제작 핵심 재료 등 원천 기술
2018년 01월 11일  17:46:24 허송빈 기자 news@gocj.net

[ 시티저널 허송빈 기자 ] KAIST 기계공학과 양민양 교수 연구팀이 고성능 필름형 차세대 전지를 저렴하고 간단한 방법으로 제작하는 데 성공했다.

연구팀은 기존의 복잡한 제작 과정과 낮은 성능 등의 단점을 갖는 필름형 슈퍼커패시터를 대체할 수 있는 기술을 개발했다.

이는 새로운 고성능 소자 구조를 단일 공정으로 제작할 수 있는 핵심 재료와 소자 제조 원천 기술이다.

슈퍼커패시터는 기존 리튬 이온 배터리와 비교해 월등하게 빠른 충전 속도와 반 영구적 수명을 가져 차세대 에너지 저장 소자로 각광 받고 있다.

무엇보다 유연한 기판에 제조되는 필름형 슈퍼커패시터는 웨어러블과 유연 전자소자의 회로에 직접 연결돼 전원 역할을 할 수 있기 때문에 차세대 유연 전자 소자의 핵심 전력 소자다.

기존에는 유연한 필름 위에 높은 표면적의 금속 전극을 형성하기 위해 포토리소그래피, 진공 증착 등의 반도체 공정을 이용했다.

또 금속 전극의 표면적 향상을 위해 추가적으로 고가의 설비와 2단계의 유독한 화학 공정이 필요했다.

연구팀은 보다 빠르고 저렴하며 간단한 방법인 레이저 성장 소결 공정 기술을 개발했다.

이는 나노미터 단위의 기공을 갖는 초다공성 은(銀) 전극을 제조하는 기술로 슈퍼커패시터의 전극으로 적용하는 데 성공했다.

레이저만을 이용해 은 미세 패턴을 형성하는 동시에 내부에 다공성 나노 구조를 생성해 10단계 이상 소요되던 세부 제조 과정을 1단계로 간소화했다.

연구팀은 기존 금속 나노 용액과 비교해 매우 저렴한 무입자 유기 금속 이온 화합물 용액을 사용해 핵생성, 열성장, 다결정 금속 막 형성으로 이어지는 특수한 성장 소결 원리를 규명했다.

또 일반적인 단일 물질 대칭 구조의 슈퍼커패시터 전극과 달리 이산화망간과 산화철의 이종(異種) 금속 산화물을 각각 양극과 음극으로 비대칭 적용해 구동 전압을 크게 향상시켰다.

이를 통해 전력 보유량을 극대화해 고용량 에너지 저장 소자를 개발했고, 4초 내 초고속 충전이 가능하고 5000번 이상의 내구성 테스트에서 안정적으로 작동하는 것을 확인했다.

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