‘에너지저장 그래핀’ 혁신기술 국내 대학 연구실 확보
‘에너지저장 그래핀’ 혁신기술 국내 대학 연구실 확보
  • 천우인 기자
  • 승인 2016.07.11 13:13
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[이슈메이커=천우인 기자]




‘에너지저장 그래핀’ 혁신기술 국내 대학 연구실 확보

마라톤 선수의 에너지와 단거리 선수의 출력을 합친‘슈퍼커패시터’ 기술 개발


 

 

 


최근 전기자동차, 태양광 발전, 풍력 발전과 Smart Grid 산업이 급속히 전개되며 높은 출력과 높은 에너지를 동시에 보유한 전기에너지 저장기기에 대한 필요와 기술개발 요구가 급격히 증대하고 있다. ‘슈퍼커패시터’는 짧은 시간에 많은 전기 에너지를 고속으로 충전 후, 순간적 혹은 연속적으로 공급할 수 있는 고출력 장수명 전기에너지 저장기기이다. 연세대학교 신소재공학과 김광범 교수 연구팀이 ‘슈퍼커패시터’의 에너지를 획기적으로 높일 수 있는 신개념 그래핀 소재 관련 논문 2편을 연이어 세계적 권위의 과학저널 ‘에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Science)’에 2016년 4월호 표지 논문으로 게재하여 주목받고 있다.


 

나노메쉬 그래핀 기술로 슈퍼커패시터의 에너지 한계를 극복하다

‘슈퍼커패시터’는 이차전지 대비 월등한 출력과 수명을 가졌음에도 에너지가 낮아 그 응용이 제한적이다. 이에 ‘슈퍼커패시터’의 에너지를 높이기 위하여 많은 연구가 진행되었고, 특히 2010년 이후 그래핀을 ‘슈퍼커패시터’용 전극 소재로 개발하려는 연구가 국내외에서 활발하게 진행되고 있다. 기존의 연구는 그래핀의 표면적 증대를 통해 ‘슈퍼커패시터’의 에너지를 증가시키고자 노력하고 있으나, 아직 그 효과는 미미하다는 것이 학계와 산업계의 평가다. 김 교수 연구팀은 ‘그래핀의 표면적 증대를 통한 슈퍼커패시터의 에너지 증가’라는 기존의 연구 방법론에서 탈피하여 그래핀 연구에 차별화된 기술로 ‘슈퍼커패시터’의 에너지 증가를 구현하였다. 차별화된 기술은 김 교수가 ‘나노메쉬 그래핀’이라는 명칭으로 이름 지은 새로운 개념의 그래핀 소재기술이다. 김 교수는 “저희가 저희가 개발한 나노 그래핀 표면에 20나노미터(mm) 이하의 균일한 구멍을 천공하고 그래핀의 전자구조를 제어하여 ‘슈퍼커패시터’의 에너지를 증대시키는 기술입니다” 라고 말하며 차별화된 연구시도가 이뤄낸 성과임을 설명했다.

김광범 교수는 이 연구가 ‘슈퍼커패시터’의 에너지를 니켈-수소전지 수준으로 증대시킬 수 있는 세계적인 기술로 평가받고 있다고 설명했다. 이 기술은 김 교수가 총괄연구책임자로 2012~2016년 지식경제 기술혁신사업 중 에너지기술개발사업(미래기술개발과제 중장기)의 지원으로 개발하였으며, 2016년부터는 기업체의 주관으로 2단계 상용화 연구개발 사업을 준비하고 있다. 김 교수는 美 MIT 박사 학위 취득 후, 연세대에 부임했다. 이후 한국 전기화학회의 슈퍼커패시터 분과 위원장과 국제전기화학회의 에너지저장기기분과 부위원장 등 슈퍼커패시터 관련 학회의 핵심 보직을 역임하고 있으며, ‘슈퍼커패시터 ’기술의 발전을 위해 다양한 활동을 하고 있다. 또한, 김 교수는 이러한 공을 인정받아 2013년에는 에너지산업유공자 산업통상자원부 장관 표창을 받은 바 있다.


 

  

국내 슈퍼커패시터 산업, 2025년 11조 원 세계 시장 점유를 위한 기술개발 필요하다

현재 ‘슈퍼커패시터’ 산업 세계시장은 1조 수준이다. 김광범 교수는 미국, 일본뿐 아니라 가장 큰 시장을 가진 중국에서 ‘슈퍼커패시터’ 산업은 빠른 속도로 발전하고 있다고 평가했다. 전문가의 말에 따르면 우리나라 ‘슈퍼커패시터’ 산업의 기술력은 일본 다음으로 미국과 대등하다 평가되고 있다. 또한, 현재 시장 성장 속도로 짐작해 봤을 때, 2025년에는 관련 산업의 세계 시장은 11조 원으로 커질 전망이라 전했다. 이에 김광범 교수는 국내 ‘슈퍼커패시터’ 산업이 ‘제2의 리튬 이차전지 산업’이 되도록 국가적으로 육성해야 한다는 점을 역설했다. 최근 미국, 일본, 독일, 중국에서는 신재생에너지 기술개발과 함께 이를 뒷받침할 높은 에너지와 높은 출력을 가진 ‘슈퍼커패시터’에 셀 기술과 응용기술이 다양하게 개발되고 있다. 이미 중국은 ‘슈퍼커패시터’를 이용한 ‘슈퍼커패시터 버스’와 ‘슈퍼커패시터 트램’을 개발하여 상해와 광저우에서 운행하고 있다. 이에 김 교수는 “국내의 산학연의 노력과 정부의 R&D 지원을 통하여 ‘슈퍼커패시터’에 대한 기술 수준과 인지도가 높아졌지만, 국외의 ‘슈퍼커패시터’ 산업의 기술 발전 속도와 시장 성장을 고려 했을 때, 국내 산업의 발전은 더딘 상태입니다. 따라서 정부의 지속적인 지원이 필요합니다”라며 정부의 지원이 중요하다는 점을 강조했다.

현재 김광범 교수 연구팀은 에너지 밀도가 이차전지 수준으로 향상된 ‘고에너지 슈퍼커패시터’ 개발을 위해 이의 전극 소재로 ‘그래핀 합성 및 제어’에 대한 원천요소기술을 개발하고 있다. 전 세계적으로 ‘슈퍼커패시터’의 에너지를 높일 수 있는 기술이 탐색 되고 있기에, 이번에 김광범 교수 연구팀의 ‘나노메쉬 그래핀’관련 논문 2편이 더욱 주목받고 있다. 김광범 교수는 이 기술이 ‘슈퍼커패시터’ 에너지 밀도 무네를 해결할 수 있는 핵심 기술이 될 것이라 강조했다. 또한, 앞으로도 끊임없이 국내 ‘슈퍼커패시터’ 산업 발전에 힘쓸 것이라 다짐했다. 


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