국내 기업들도 자동차에 활용하기 위한 대용량 슈퍼커패시터를 개발하고 있다. 전기자동차와 하이브리드 자동차, 풍력 발전기 등에 쓰이는 슈퍼커패시터 시장에 전통 전자부품 기업들이 뛰어들어 신제품이 등장하고 있다.

삼화콘덴서는 최근 5000F 용량의 슈퍼커패시터 개발을 완료했다. 하이브리드 캡이라는 이름의 이 커패시터는 충전 속도가 2∼3초에 불과하다. 현재 하이브리드 자동차에서 주로 쓰이는 슈퍼커패시터의 용량은 2000∼3000F 수준이다. 삼화콘덴서는 세라믹을 이용해 전하  보유량을 기존 대비 40% 가까이 늘려, 7000F 용량의 슈퍼커패시터 개발에도 성공했다.

유리 전문업체인 코닝도 탄소를 이용한 슈퍼커패시터를 개발해 상용화하고자 울트라 커패시터를 개발했다. 이 커패시터는 1초 이내에 충전이 가능하고, 리튬이온전지 및 연료전지와 함께 사용할 수 있다. 리튬이온전지와 달리 슈퍼커패시터는 전력 충전을 1∼2초 내에 수행하기 때문에, 순간적으로 허비되는 에너지를 바로 전기에너지로 저장한다. 

 

때문에 대표적으로 주정차를 반복하는 전기자동차가 슈퍼커패시터를 필요로 한다. 이는 에너지저장장치에 연결해 보조 전원으로 사용되며, 발전소, 연료전지 등에 적용된다. 관련 소재 개발도 한창인데 이제까지는 탄소 기반의 커패시터가 주로 개발됐지만, 최근에는 그래핀 또는 세라믹 등 신소재가 연구되고 있다.

삼화콘덴서는 전자제품용 세라믹적층콘덴서(MLCC)에 적용했던 세라믹 기술을 응용해 성능을 높였고, 한양대 연구팀은 탄소나노튜브(CNT)를 응용한 소형 슈퍼커패시터 개발을 발표했다. 기존 탄소전극이나 활성탄소 커패시터에 비해 축전 용량이 최소 6배 증가할 것으로 예측된다.

박테리아 표면에서 커패시터 전극에 활용되는 나노분말 합성 공정도 개발되었다. 아주대 연구팀은 박테리아 표면에서 코발트 산화물 나노분말을 합성해, 4000번 이상 충·방전을 처리해도 저장 효율이 95%에 달하는 슈퍼커패시터를 개발했다.

한국기초과학지원연구원에서는 다공성 그래핀 필름의 슈퍼커패시터 전극용 전기화학적 특성을 연구하고 있다.

Embossing 공정과 진공여과법에 의해서 제조된 다공성 그래핀 필름을 슈퍼커패시터의 전극활물질로 사용해 우수한 전기화학적 특성을 확인한 바 있다. 그래핀 사이에서 Polystyrene 입자들의 삽입·제거 공정을 이용해 기공 구조들을 제공함으로써, 그래핀의 반복 적층(Restacking)을 효과적으로 제어한다.

이렇게 제조된 다공성 그래핀 필름은 넓은 표면적, 상호 연결된 기공 구조, 높은 전기전도도 및 우수한 기계적 물성을 보인다. 다공성 그래핀 필름을 슈퍼커패시터의 전극물질로 사용해 황산 수용액과 이온성 액체 전해질 기반의 3상 전극 시스템에서 전기화학적 특성을 파악했다. 다공성 그래핀 필름은 높은 비축전용량(284.5F/g)을 나타냈으며, 이는 적층 그래핀 필름(138.9F/g)보다 두 배 이상 높은 수치다. 또한, 그래핀 필름 내의 이온 이동속도 향상 효과로 다공성 그래핀 필름의 충방전 속도(98.7% retention)와 충방전 수명(97.2% retention)이 향상됐다.

슈퍼커패시터 시장 분석

현재 전 세계의 슈퍼커패시터 제조업체는 총 66개로 중국 20개, 일본 16개, 미국 14개, 한국 3개, 이스라엘 2개, 러시아 2개, 호주 2개 순이며, 캐나다, 대만, 멕시코, 에스토니아, 영국, 프랑스, 독일에 각 1개사가 있다.

미국의 Maxwell Technologies, Cooper Bussmann, 일본의 혼다, TDK, 교세라, 대만의 영롱테크놀로지, 한국의 네스캡 등이 대표적인 제조업체들이다. 이 중 Maxwell Technologies가 세계 시장의 20%를 점유할 정도로 규모가 가장 크고 매년 30% 이상의 매출 신장을 기록하고 있다. Maxwell은 연간 2백만 개 이상의 대형 슈퍼커패시터 생산 설비를 보유하고 있으며, PSA(푸조-시트로엥) 외에 세계적인 자동차 부품사인 Continental AG에 슈퍼커패시터를 공급하고 있다.

한국의 네스캡은 슈퍼커패시터 매출이 2천만 달러로 약 29%의 매출 증가를 기록하고 있다. 반면 Ada Technologies, Cap-XX, Graphene Energy, Nanotecture, Quantum Wired, Skeleton Technologies 등은 기술적인 진전에도 불구하고 매출이 500만 달러 미만이다.

슈퍼커패시터는 전기버스와 기차 등 운송수단에 적용되기 위해 크기가 대형화되고 있는데,  300F 이상의 슈퍼커패시터가 2012년 총매출 9억 달러 중 68%를 점유하고 있다. 지금까지는 Maxwell 등의 미국 업체 및 일본 업체가 세계 시장을 장악해 왔으나, 중국 업체의 슈퍼커패시터 생산이 급증함에 따라 앞으로 중국의 세계 시장 점유율이 증가할 것으로 전망된다.

세계 커패시터 시장의 분야별 점유율은 표 1에서 보듯이, 전자기기가 차지하는 비중이 2013년 49%에서 2023년 39%로 감소하고, 전기기기는 2013년 51%에서 2023년 61%로 증가할 것으로 전망된다.

세계 커패시터 시장 규모는 2013년 8억 달러에서 2018년 31억 달러, 2023년에는 116억 달러로 고속 성장이 기대되며, 슈퍼커패시터는 리튬이온 배터리와 함께 동반 성장할 것으로 전망된다.

 

 

그라파이트의 밀도가 2.2g/cm³이고, 그래핀의 두께는 0.34nm이며, 그래핀 결정체의 격자상수는 2.461Å이다. 단위 벡터는 다음 그림과 같다.

그래핀 단위 격자의 면적은 2.46×2.46×sin(60o)=5.24Å2이며, 탄소 원자 2개의 질량이 24g/NA, 단위 면적당 질량은 0.763mg/m²이다.

그래핀의 2차원 구조와 원시 격자 벡터

 

EDLC 커패시터는 전류 집전체, 전극, 전해질 및 분리막으로 구성된다. 분리막으로 인해 서로 전기적으로 분리된 두 개의 전극 사이에 전해질이 충진돼 있고, 전류 집전체는 전극에 효과적으로 전하를 충전시키거나 방전시키는 역할을 한다.

그래핀 투명전극은 CVD 성장 방식과 rGO 방식으로 분류되는데, CVD 방식은 높은 전기전도도를 가지나, 대면적 성장을 위해서는 시료의 균일성과 같은 극복해야 할 기술적인 어려움이 남아 있다. 또한 생산 단가와 생산 설비 비용이 상당히 많이 들기 때문에 중소기업에서 시도하기 어렵다는 단점이 있다. 반면 rGO 방식은 대면적으로 확장하는 데에는 어려움이 없으나, 전기전도도가 높지 못하다는 것이 단점이다.

  

 

슈퍼커패시터의 일반적인 구조는 가운데 분리막을 기준으로 양쪽 전극에 활성탄과 같은 EDLC를 유도하는 물질이 코팅되어 있고, 그 사이에 전해질 용액이 채워지는 것이다.

1) Power Source 2) Collector 3) Polarized Electrode 4) Helmholtz Double Layer 5) Electrolyte Having Positive and Negative Ions 6) Separator.

박종천 부사장 _ 레이딕스텍