신록신 시트의 구조
[대전=일요신문] 육심무 기자 = 제주대 김상재 교수, 케이 카티케얀 박사, 파자말라이 파르티반 박사과정생 연구팀이 실리콘 기반 2차원 물질인 실록신(Siloxene)을 전극으로 사용해 높은 에너지밀도와 전력밀도의 고성능 슈퍼커패시터 소자를 개발했다.
2차원 물질은 원자가 한 층으로 되어 있는 물질을 일컬으며 슈퍼커패시터(supercapacitor)는 전극과 전해질의 계면에서의 전기화학적 반응에 의해 에너지를 충전하는 에너지 저장 소자로써 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 문제돼 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.
제주대 김상재 교수
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 설명했다.
이 연구 성과는국제학술지 에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)에 6월호 논문으로 게재됐다. (논문명: Two-dimensional siloxene nanosheets: novel high-performance supercapacitor electrode materials)
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