0. 목차
- '커패시터'란?
- '커패시터'의 종류
- '슈퍼 커패시터'가 왜 필요한가?
- '슈퍼 커패시터'의 기본 구조
- '슈퍼 커패시터'의 '기술 구조별 종류'
- '슈퍼 커패시터'의 응용 분야
1. '커패시터'란?
'에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)'은 '화력', '원자력', '태양광', '풍력' 등을 이용한 에너지 발전 등으로 생산된 전기 에너지를 저장하고 필요할 때 사용할 수 있는 기술이다. 에너지를 저장하는 방식에는 '화학적 저장', '전자기적 저장', '열역학적 저장', '물리적 저장' 방식이 있다. '슈퍼 커패시터(Super Capacitor)'는 '전자기적 저장 방식'의 하나이다.
1745년 최초의 '커패시터(Capacitor, 축전기)' 형태인 '라이덴병(Leyden Jar)'이 독일 발명가인 '에월드 게오르크 폰 클라이스트'에 의해 발명되었고, 1746년에는 네덜란드 '레이던 대학교(Leiden University)'의 물리학자인 '피터르 판 뮈스헨브루크(Pieter van Musschenbroek)'도 독자적으로 '라이덴병'을 발명하였다. 최초의 라이덴병은 운 유리병에 코르크 마개 중앙으로 도선을 삽입하여 물에 닿도록 한 후 정전기를 충전시키는 단순한 형태이고, 그 후 유리병의 안과 밖에 금속박을 입혀 극성이 서로 다른 전하를 충전시키고, 도선을 서로 연결하여 충전된 전하를 방전시키는 완전한 형태의 '커패시터(Capacitor)'로 발전하게 되었다. '라이덴병'에서 유리가 '유전체(Dielectric: 전기적 유도 작용을 일으키는 물질로 보통 부도체임)', '주석박(납과 주석의 합금을 얇게 펴서 종이처럼 바꾼 것)'이 '전극(Electrode)' 역할을 하고 있는 것이다.
1-1. 커패시터의 충전 과정
한국말로 '축전기'라고 불리는 '커패시터(Capacitor)'는 전기 에너지를 축적할 수 있는 '소자(Element)'를 말한다. '소자'(Element)는 장치 따위의 구성 요소가 되는 낱낱의 부품으로, 독립된 고유의 기능을 가지고 있다. '커패시터'는 기본적으로 두 장의 판으로 구성한 전극을 서로 마주 보는 구조로 구성하고 있다. 전극판과 전극판 사이의 절연체는 전기를 차단하고 전기를 담아두는 역할을 한다.
축전기의 충전 방법은 축전기의 한쪽 판 A에는 + 전하가, 다른 쪽 판 B에는 - 전하가 대전되는데, 두 금속판 사이의 전위차가 전지의 전압과 같아질 때까지 전하가 이동하여 각 금속판에는 전하가 같은 양 모양으로 분포하게 만든다. 이 상태가 되면 전지를 떼어도 두 금속판에는 전하 사이의 전기적 인력에 의해 전하가 그대로 저장되어 충전이 된다. 커패시터는 전극판 사이에 절연체를 넣어 제조하고 있어, 절연체의 재질에 따라 여러 종류의 커패시터가 제작될 수 있다. 아무것도 삽입하지 않고 공기를 '유전체(Dielectric Material)'로 하는 커패시터도 있다.
1-2. 커패시터의 용도
'커패시터(Capacitor)'는 전기를 저장하는 용도 외에도 '커플링(Coupling)', '발진(Oscillation)', '충전(Charge)', '평활(Smoothing)', '바이패스(Bypass)' 등의 다양한 용도로 이용되고 있다.
- 커플링(Coupling): 직류와 교류가 섞여 있는 신호에서 교류 신호만 통과
- 발진(Oscillation): 충전과 방전을 반복하여 과도 파형을 만들어 내는 기능
- 충전(Charge): 보조 배터리처럼 전압을 충전한 다음 전류를 출력하는 기능
- 평활(Smoothing): '맥류 신호(직·교류가 합쳐진 신호)'를 일정한 직류 평균 전압으로 전환
- 바이패스(Bypass): 노이즈 성분의 전류를 그라운드로 이전하는 기능
2. '커패시터'의 종류
'커패시터(Capacitor)'에는 다양한 종류가 있고, 커패시터에 따라 상당히 다른 특징을 가지고 있다. 회로를 설계하는 데 있어, 커패시터의 선정은 '주파수 특성'과 '정격전압(Rated Voltage)'을 고려하는 것이 중요하다. 대표적인 커패시터 종류로는 '알루미늄 전해 커패시터(Aluminum Electrolytic Capacitor)', '탄탈 커패시터(Tantalum Capacitor)', '세라믹 커패시터(Seramic Capacitor)', '슈퍼 커패시터(Super Capacitor)'가 있다.
2-1. 알루미늄 전해 커패시터
'전해 커패시터(Electrolytic Capacitor)'는 + 극성을 갖는 '양극(Anode)'과 - 극성을 갖는 '음극(Cathode)'으로 이루어져 있다. '양극'은 '양극 산화(Anodic Oxidation)'를 통해 산화층을 절연한 금속으로 구성되어 있으며, 전해 축전기의 '유전체(Dielectric Material)' 역할을 하고 있다. 한편 '음극'은 산화층의 표면을 덮는 전해로 구성되어 있다.
매우 얇은 유전 산화층과 넓은 양극 표면적으로, '전해 커패시터(Electrolytic Capacitor)'는 다른 커패시터에 비해 훨씬 높은 '정전 용량(Electric Capacity: 축전기에서 걸어준 전위당 충전되는 전하량)'을 나타낸다. 큰 정전 용량으로, '저주파(보통 10kHz 이하로 주파수가 낮은 파)' 신호를 통과시키거나 많은 에너지를 저장하기에 적합하여, 보통 전원공급 단에서 노이즈를 제거하거나 에너지를 저장 혹은 증폭기에서 '커플링(Coupling)'을 하는 용도로 많이 사용되고 있다.
2-2. 탄탈 커패시터
'탄탈 커패시터(Tantalum Capacitor)'는 절연체로 '탄탈(탄탈럼, Ta, 원자번호 73번)' 금속을 사용한 커패시터이다. '알루미늄 전해 커패시터(Aluminum Electrolytic Capacitor)'와 마찬가지로 비교적 큰 정전 용량을 얻을 수 있고, 온도 및 회로의 직류전압에 의한 정전 용량 특성의 변화가 적은 편이다. 용도는 '전해 커패시터'와 비슷하나 '오차', '주파수 특성' 등이 '알루미늄 전해 커패시터'보다 좋으며 가격이 더 비싸다는 단점이 있는데, 전해 커패시터에서 발생하는 스파이크 형상의 전류가 나오지 않아 아날로그 신호에는 주로 '탄탈 커패시터'를 사용하고 있다.
2-3. 세라믹 커패시터
'세라믹 커패시터(Ceramic Capacitor)'는 절연체로 '세라믹(Ceramic)'을 사용한 커패시터이다. '세라믹(Ceramic)'은 강유전체의 물질로, 아날로그 신호의 회로에 사용하면 신호의 일그러짐이 발생할 수 있다. 세라믹 커패시터는 '인덕턴스(Inductance)'가 적어 고주파 특성이 양호하고, 고주파 노이즈의 '바이패스(Bypass)' 용도로 주로 사용하고 있다.
3. '슈퍼 커패시터'가 왜 필요한가?
3-1. 리튬 이온 배터리의 특징
그러나 '커패시터(Capacitor)'는 전압에 비례하여 전하를 모아 필요한 곳에 공급할 수 있지만, 저장 가능한 전기에너지의 양은 매우 적어 충전하는 장치나 회로에 사용되고 있다. 하지만 실제 산업분야에 중점적인 '에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)'으로 사용되고 있는 것은 전기적 저장 형태가 아닌 화학적 저장 형태의 '리튬 이온 배터리(Lithium Ion Battery)'이다.
'리튬 이온 배터리(Lithium Ion Battery)'는 이차전지의 일종으로, '방전(Discharge)' 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지이다. 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동하여 제자리를 찾게 된다. '리튬 이온 배터리(LiB)'는 충전 및 재사용이 불가능한 일차전지인 '리튬 전지'와는 다르며, 전해질로서 고체 폴리머를 이용하는 '리튬 이온 폴리머 전지(Lithium-Ion Polymer Battery)'와도 다르다.
'리튬 이온 배터리(LiB)'는 '에너지 밀도(Energy Density)'가 높고 '기억 효과(Memory Effect)'가 없다. 에너지 밀도(Energy Density)'란 단위 부피에 저장된 에너지이다. '기억 효과(Memory Effect)'는 이차 전지에서 찾을 수 있는 효과로, 방전이 충분하지 않은 상태에서 다시 충전하면 전지의 실제 용량이 줄어드는 효과를 말한다. 또 '리튬 이온 배터리(LiB)'는 사용하지 않을 때에도 '자가 방전(Self Discharge)'이 일어나는 정도가 작기 때문에 휴대용 전자 기기들에 많이 사용되고 있다. '자가 방전(Self Discharge)'이란 전지가 보유하는 전기량이 외부 회로에 대한 유효한 일에 사용되지 않고 자연히 없어지는 현상으로, 방전 중에나 또 그냥 방치해 두어도 일어나는 방전을 말한다. 이 외에도 '에너지 밀도(Energy Density)'가 높은 특성을 이용하여 '방위산업'이나 '자동화시스템', '항공 산업' 분야에도 사용하고 있다.
그러나 일반적인 '리튬 이온 배터리(LiB)'는 잘못 하용하게 되면 폭발할 염려가 있으므로 주의해야 한다. '리튬 이온 배터리'는 크게 '양극(Anode)', '음극(Cathode)', '전해질(Electrolyte)'의 3부분으로 나눌 수 있는데, 다양한 종류의 물질들이 이용될 수 있다. 상업적으로 가장 많이 이용되는 음극 재질은 '흑연(Graphite)'이다. 한편, '양극'에는 '층상의 리튬코발트산화물과 같은 산화물', '인산철리튬과 같은 폴리 음이온', '리튬 망간 산화물', '스피넬(Spinel)' 등이 쓰이고 있다.
3-2. '슈퍼 커패시터'와 '리튬 이온 배터리'의 차이
'리튬 이온 배터리(LiB)'와 '슈퍼 커패시터' 모두 '전기화학적인 반응(Electrochemical Reaction)'을 이용한 에너지 저장 장치이다. 하지만 에너지를 저장할 때 사용하는 전기화학적 메커니즘이 달라서 '에너지(Energy)', '전력 밀도(Power Density)'에 차이가 있다. 아래의 RAGONE POLOT이라고 부르는 그래프를 보면서 비교해 보자.
- 커패시터(Capacitor): 아래의 그래프에서 기존의 일반적인 '커패시터'는 좌측 상단에 위치해 있어, '전력 밀도'(Power Density)'는 높은 반면 '에너지 밀도(Energy Density)'는 상당히 낮음을 알 수 있다. 이는 한 번에 높은 전력을 출력할 수 있지만, 커패시터의 특성상 충전·방전이 너무 빨라 실제로 저장하는 에너지는 적다는 뜻이다.
- 배터리(Battery): 아래의 그래프에서 '배터리'는 우측 하단에 위치에 있어, '전력 밀도'는 낮은 반면 '에너지 밀도'는 상당히 높음을 알 수 있다. 휴대폰이나 태블릿 등 우리가 가장 흔하게 사용하는 배터리는 '리튬 이온 배터리(LiB)'는 '리튬 이온(Li+)'의 산화환원반응을 통해서 전기가 생성되는 방식을 가지고 있다. '배터리(Battery)'는 전력 밀도 자체는 커패시터보다 낮지만 화학적인 반응을 수반하기 때문에, 천천히 긴 시간 동안 전력을 충·방전하여 저장할 수 있는 에너지가 상대적으로 많아 에너지 밀도가 높다.
- 슈퍼 커패시터(Super Capacitor): 아래의 그래프에서 '슈퍼 커패시터'는 기존의 커패시터와 배터리의 중간지점에 위치해 있다. 즉, 평범한 커패시터에 비해 많은 양의 에너지를 저장하고 있으면서, 동시에 배터리보다 훨씬 높은 출력을 낼 수 있는 장점이 있다.
3-3. 고효율·고출력 에너지 저장 장치의 필요성 대두
최근 에너지 사용의 증가는 온실가스 배출 증가의 결정적인 원인으로 작용하고 있다. 온실가스 감축 및 국제 환경 규제 대응'이 필수적이며, '화석에너지 고갈', '국제 환경 규제 강화'로 인해 향후 신재생에너지는 주요 에너지원으로 부상될 것으로 전망된다. 이에 온실 가스 감축 의무를 준수하고 지속 가능한 경제발전을 위해 신재생에너지 개발 보급 목표를 정하여 중점적으로 투자가 진행되고 있다. 한국의 경우, 에너지 대외 의존도가 높고 유가 변동에 의한 영향의 폭이 커서, 안정적 에너지 수급이 중요한 과제로 대두되고 있다.
또한 '환경 규제' 및 '에너지 정책'에 의하여, '친환경 전기자동차', '스마트 그리드(Smart Grid)'가 주목받으면서 '에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)'에너지 저장 장치(ESS)'의 개발 필요성이 대두되었다. 'ESS' 시장은 급성장을 보이고 있으며, 가장 많이 적용되고 있는 '에너지 저장 시스템(ESS)'으로는 '니켈 수소 이차 전지'와 '리튬 이차 전지'가 사용되고 있다. 하지만 '이차 전지'의 경우, 고출력 방전 시 전압 강하 및 반복 사용 수명이 짧아지므로 2~3년 주기로 교체가 필요한 단점이 존재한다. 태양광, 풍력 등은 기상 상황과 시간대에 따른 출력 예측이 어렵고, 출력 패턴이 불규칙하다. 이에 유틸리티 기업과의 계통 연계 시에 급격한 출력 변동에 의한 '전력의 안정적 공급' 및 '전력 품질의 확보'에 지장을 초래하고 있는 상황이다.
다양한 분야에서 많은 에너지를 안전하게 저장할 수 있는 'ESS(에너지 저장 장치)'에 대한 요구가 급증하고 있다. 차세대 에너지 저장 장치는 전력회사의 전력 공급에서 재생에너지원에 의한 전력 공급으로 전환할 때 발생하는 순간부하에 대한 신뢰성을 확보할 수 있어야 한다. 또한 기상조건 또는 시간대 등에 따라 변화하는 재생 발전원에 의한 불안정한 출력 변동 보상에 의한 '전력 품질을 확보'하는 등 에너지를 효율적으로 이용 가능해야 한다. 이에 적합한 저장 장치를 필요로 함에 따라, 고효율·고출력 특성을 특징으로 하는 '슈퍼 커패시터(Super Capacitor)'가 신재생 에너지 분야에 새로운 에너지 장치로 주목받고 있다.
4. '슈퍼 커패시터'의 기본 구조
'슈퍼 커패시터(Super Capacitor)'는 축전 용량이 대단히 큰 커패시터로 '울트라 커패시터(Ultra Capacitor)' 또는 '초고용량 커패시터'라고도 불린다. 화학반응을 이용하는 배터리(Battery)'와는 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 디옹이나 표면화학반응에 의한 충전 현상을 이용한다. 이에 따라 급속 충전·방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특정으로 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용되고 있다. '슈퍼 커패시터'는 1995년 일본, 러시아 미국 등에서 상용화되기 시작하여, 소형에서 대형에 이르기까지 그 응용 분야가 다양하게 확대되고 있다. 최근 들어 신재생에너지의 획기적 증가와 더불어 주요 에너지 저장 장치로 각광받고 있다.
'연료전지발전', '태양광발전', '풍력발전' 등의 신재생에너지 발전은 에너지원이나 부하의 변동에 의해 민감하게 변동한다. 따라서 단독으로 사용될 경우, 출력전압의 변동을 포함한 전력품질의 저하를 피할 수 없다. 하지만 '슈퍼 커패시터'는 전력 밀도가 높고, 충전·방전 사이클 수명이 50만 사이클 이상으로 매우 길다는 특성을 가지고 있다. 따라서 부하 응답 특성이 느린 신재생에너지 발전 시스템에 '슈퍼 커패시터'를 사용하면, 발전된 전력과 부하 전력 사이의 차이를 슈퍼 커패시터가 흡수·방출함으로써 전력품질을 확보하는데 기여할 수 있는 장점을 가진다.
'슈퍼 커패시터'의 원리는 '활성탄' 표면에 전하의 물리적 흡·탈착으로 에너지를 충전·방전하는 원리로, 순간적으로 많은 에너지를 저장 후 높은 전류를 순간적 혹은 연속적으로 공급하는 고출력 동력원이다. '활성탄(Active Carbon)'이란 흡착성이 강하고, 대부분의 구성이 탄소질로 된 물질이다. '슈퍼 커패시터'는 단위 무게 당 비표면적을 증가시킨 활성탄소를 전극재료로 사용하여 비약적인 용량 증가를 가져왔다.
'슈퍼 커패시터'의 기본 구조는 양극과 음극 구성하는 다공성 '전극(Electrode)', '전해질(Electrolyte)', '집전체(Currentconllector)', '분리막 또는 격리막(Separator)'으로 이루어져 있다. 단위 셀 전극의 양단에 수 볼트의 전압을 가해 전해액 내의 이온들이 전기장을 따라 이동하여 전극 표면에 흡착되어 발생하는 전기화학적 메커니즘으로 작동하게 된다. '슈퍼 커패시터'는 2차 전지에 비하여 구조는 비교적 단순한 형태로 구성된다.
4-1. 전극(Electrode)
'전극(Electrode)'의 소재로 탄소를 주로 사용하며, '탄소 전극'에서 단위 면적당 전전용량은 '탄소 전극의 전자 밀도'와 '전해질 이온의 종류'에 따라 다른 특성을 보인다. '슈퍼 커패시터'의 전극용 탄소 재료로는 '활성 탄소 분말(Activated Carbon Powder)', '호라성 탄소 섬유(Horizontal Carbon Fiber)', '유리질 탄소(Glassy Carbon)', '탄소 에어로젤(Carbon Airgel)' 등이 사용된다.
전극의 형태는 매우 다양하며, '탄소 전극(Carbon Electrode)'을 제조할 때 전극 '내부 저항(기기의 내부 회로가 지니고 있는 저항)'을 줄이는 것이 무엇보다 중요하다. 저항이 낮은 탄소전극의 제조 방법으로는 전극 물질이 '입상(낟알이나 알갱이의 모양)'일 경우 압력을 가하여 입자 간의 접촉을 향상시키거나 다른 형태와 병행하여 사용하는 방법이 있다. 일반적으로 탄소 전극의 형태는 다음과 같이 5가지 종류로 구분한다.
- 바인더 형(Binder Type): '바인더 형'은 PTFE 등의 고분자 바인더를 이용하여 입자 간의 접촉 특성을 개선시킨 방법으로 전극의 가공이 쉽다는 장점을 가지고 있다.
- 매트릭스 형(Matrix Type): '매트릭스 형'은 입상 활성탄을 '폴리머 매트릭스(Polymer Matrix)'와 혼합 후 폴리머를 '탄화(Carbonize)시켜 전극을 제조하는데, 탄화 후 폴리머는 입자를 연결시키는 동시에 전극 활물질로 작용한다.
- 모놀리스 형(Monolith Type): '모놀리스 형'은 '탄소 에어로 젤', '탄소 폼' 등과 같은 다공성 단일체로 연속적인 탄소골격을 가지므로, 전극 물질 간의 접촉을 고려하지 않아도 되는 장점이 있다.
- 필름 형(Film Type): '필름 형'은 유리질 탄소와 같은 비다공성 탄소재료의 경우로, 전극 내부에는 전해질이 존재하지 않고 단지 분리막이 전해질을 포함한다.
- 유리질: 유리질 탄소는 유기 고분자로부터 만들어지는 단일체로, 활성탄 전극에 비해 내부 저항이 낮은 장점이 있다. '클로스 형(Cloth Type)'은 활성탄소섬유를 전극으로 사용하는 경우로, 전극 제조 방법이 쉽다는 장점이 있으나, 비용이 높고 전극의 낮은 '충전 밀도(Packing Density)'가 단점이다.
4-2. 전해질(Electrolyte)
'전해질'은 '수용성 전해질(Water Soluble Electrolyte)'과 '비수용성 전해질(Non-Aqueous Electrolyte)'인 '유기 전해질(Organic Electrolyte)'로 구분할 수 있다. 수용성 전해질은 H2SO4, KOH, NaOH, KCl 등의 산·염기 또는 '무기염(무기산과 염기의 반응으로 생기는 물질)'을 사용할 수가 있으며, 전압 범위는 전압 평형에 의존하지만 대략 1.0V 정도이다. '수용성 전해질'은 용액의 '이온 전도도(Ionic Conductivity)'가 유기 전해질의 경우보다 크므로, 출력특성이 양호하며 제작이 용이하다는 장점이 있다.
반면에 '유기 용액(AN, EC, PC, DMC, EDC 등)'과 '무기염류(리튬염, 4차 암모늄, 포스포늄 염 등)'를 사용하는 비수용성 전해질인 유기 전해질은 '이온 전도도(Ionic Conductivity)'가 낮고 처리가 쉽지 않은 단점이 있지만, 3V 정도의 전압 범위에서 사용이 가능하므로 에너지 측면에서는 수용성 전해질 보다 큰 장점을 가진다.
| 전해질 | 예시 | ||
| 수용성 전해질 | 산·염기 또는 무기염 | - | H2SO4, KOH, NaOH, KCl 등 |
| 비수용성 전해질 | 유기 전해질 | 유기용액 | 아세토니트릴(AN: Acetonitrile)', '에틸아세테이트(EC: Ethyl Acetate)', '프로필렌 카보네이트(PC: Propylene Carbonate)', '디메틸 카보네이트(DMC: Dimethyl Carbonate)', 'EDC' 등 |
| 무기염류 | 리튬염, 4차 암모늄, 포스포늄 염 등 | ||
4-3. 분리막(Separation Membrane)
'분리막(Separation Membrane)'은 이온의 이동은 쉽게 하도록 하는 기능과 '자기 방전(Self-Discharge)' 특성이 적으며, 사용 전압 범위 내에서 전기·화학적으로 안정적이다. 전해질 및 전극물질과 화학적으로 반응하지 않는 'PP 계열의 고분자 박막' 또는 '크라프트지(Kraft Paper)'와 같은 전해지가 사용된다. 케이스 및 실링 문제는 사용하는 전해질의 종류에 따라 선택이 가능하며, 내부 전해액의 누액을 방지하는 것이 매우 중요하다.
4-4. 케이스(Case)
비수용계 커패시터인 '유기계 커패시터'에는 습기가 수명·용량에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 외부의 습기나 증기 상의 물질들이 셀 내부로 침입하는 것을 완벽하게 차단하는 구조로 이루어져야 한다. 케이스의 재질은 경량재료를 사용해야 하며, 사용하는 전해질에 대하여 '내약품성(Chemical Resistance)'을 가져야 한다. '내약품성(Chemical Resistance)'이란 화학 반응이나 용매 작용에 의한 손상을 견디어 내는 고체 물질의 성질을 말한다.
전해질은 넓은 전압 범위에서 전기 화학적으로 안정해야 한다. 염의 용해도가 높아 '축전 상수'가 크며, 전극과의 접촉이 좋고 '전극(Electrode)'의 '기공(Blowhole)'에서 쉽게 '전기 이중층(Electrical Double Layer)'을 형성할 수 있는 것이 좋다. 일반적으로 이종의 물질이 접촉하면, 계면 가까운 전하 분포가 변화하거나 계면을 통하여 하전 입자의 이동차 때문에 '분극(Polarization)'이 일어나는데, 이것을 '전기 이중층(Electrical Double Layer)'라고 한다.
5. '슈퍼 커패시터'의 기술 구조별 종류
'슈퍼 커패시터'는 전해질의 이온이 전극 표면에 흡착하고 탈착되는 과정이나 표면화학반응을 통해 충·방전이 진행된다. 이온의 흡·탈착에 의한 슈퍼 커패시터를 '전기 이중층 커패시터(EDLC: Electrical Double Layer Capacitor)'라고 하며, 표면 화학 반응을 수반한 슈퍼 커패시터는 '유사 커패시터(Pseudocapacitor)'라고 한다. 또한 이들의 특성을 비대칭 전극을 사용하여 적당히 혼합한 '하이브리드 슈퍼 커패시터(Hybrid Super Capacitor)'도 있다.
5-1. 전기 이중층 커패시터
'전기 이중층 커패시터(Electrical Double Layer Capacitor)'는 '전극(Electrode)'과 '전해질(Electrolyte)'의 '계면(Interface)'에서 전기 이중층과 관련되어 있으며, 두 개의 분극성 전극으로 이루어져 있다. 이 방식의 '충전(Charge)'과 '방전(Discharge)' 원리는 아래의 그림과 같이 전극-용액 계면에 '전하(Electric Charge)'가 배열된다.
'전기 이중층 커패시터(Electrical Double Layer Capacitor)'는 '대칭의 활성탄 전극', '분리막', '전해액'으로 이루어져 있다. 충전 시에는 전해액 내의 전해질 이온이 정전기적으로 전극 표면에 흡착하여 전극과 전해액 계면해 전하를 전기적 이중층 형태로 축적하고, 방전 때는 역으로 흡착되었던 이온이 전해액 내로 확산되는 메커니즘을 갖는다. 따라서 전기적 화학반응이 없고, 충전·방전 시 흡열반응을 하지 않으므로 화학반응을 수반하는 일반적인 이차전지와는 작동원리가 다르다. 이러한 이유로 전기 이중층 커패시터'는 전지에 5배 이상의 높은 출력의 파워와 장수명이면서도, 저온 환경에서도 높은 출력밀도의 특성을 가지는 등 추가적인 보호회로 없이도 안정성이 우수하다는 장점을 가지고 있다. '전기 이중층 커패시터'는 이러한 특징으로 초기에는 '휴대용 통신기기' 및 '가정제품의 메모리 백업용'으로 적용되었다. 그리고 점차 적용 범위가 확대되어, 최근에는 '군사용', '의료용', '하이브리드 전기자동차', '신재생 에너지 보조전원'에 이르기까지 적용분야가 다양해지고 있다.
하지만 전기 이중층 커패시터는 전극 표면에만 전하가 축적되기 때문에 2차 전지보다 용량이 적고, 상대적 체적이 크다. 따라서 고에너지 밀도가 요구되는 적용분야에서는 단독으로 사용되지 못하고, 2차 전지와 병렬로 연결하여 '보조 전원'으로 사용되어지는 한계가 있다.
5-2. 유사 커패시터
'유사 커패시터'는 '슈도커패시터(Pseudocapacitor)'라고도 하며, 이온의 흡·탈착만을 사용하는 '전기 이중층 커패시터'와는 달리 전기화학적인 산화·환원 반응을 수반한 커패시터이다. 기존의 정전기적 대전만을 이용하는 저장하는 커패시터와 달리 전해질 속에 들어있는 '양성자(H+)'가 전극 표면에서 전기화학적 반응으로 전력 전하 이동을 유도하여 충·방전이 일어나 기존의 커패시터보다는 배터리와 더 유사한 에너지 저장 방식이다. 충·방전 특성 자체는 커패시터와 흡사하여 커패시터의 일종으로 분류했으나, 전극에서의 전기화학적 반응을 수반하고 있다는 특징이 있다.
산화전극의 한쪽 면에 음전하를 대전시키면 전해질 속의 '양성자(H+)'가 전극에 흡착되어 산화·환원 반응을 일으킨다. 예컨대 RuO2 전극을 음전하로 대전시키면 전극은 양성자를 받고 환원되어 최종적으로 Ru(OH)2 상태로 존재하게 된다. 역과정으로 대전된 전압을 제거하여 방전시킬 경우 Ru(OH)2 상태에서 양성자를 '전해질(Electrolyte)'로, 전자를 '집전 장치(Current Collector)'로 방출하게 된다. 이는 산화·환원 반응을 수반하지 않고 단순 대전시키는 '전기 이중층 커패시터(Electrical Double Layer Capacitor)'보다 산화·환원 반응을 통해 Ru(OH)2 형태로 더욱 많이 저장할 수 있다. 따라서 '커패시턴스(Capacitance, 물체가 전하를 축적하는 능력을 나타내는 물리량, 전기 용량 또는 정전 용량이라고도 함)'의 증가를 가져오게 되며, 이러한 '유사 커패시터'는 같은 면적 대비 '전기 이중층 커패시터'보다 100배 이상 '커패시턴스'가 증가하게 된다.
단, 전도성 고분자를 포함한 '전극(Electrode)'은 금속 산화물에 비해 낮은 '산화·환원 빈도', '충·방전 횟수의 증가에 따른 안정성 저하' 등이 문제점으로 지적되고 있다. 하지만 소자 부분에서 유연성을 가질 수 있다는 장점이 있어, '유연 전자소자(Flexible Electronics)' 분야에서 활용되고 있다. 그러나 '유사 커패시터' 물질만으로는 실제적으로 제작한 소자의 '커패시턴스(Capacitance)'를 향상시키기에는 무리가 있기에, '전기 이중층 커패시터'의 '전극 활물질(Electrode Active Material)'로 사용되는 탄소 기반 물질에 '전도성 고분자'나 '금속산화물'을 적층하거나 성장시켜 함께 사용한다.
5-3. 하이브리드 커패시터
'하이브리드 커패시터(Hybrid Supercapacitor)'의 원리는 양극과 음극에 서로 다른 비대칭 전극을 사용함으로써, 한쪽 극은 고용량 특성의 전극재료를 사용하고, 반대 극은 고출력 특성 전극재료를 사용하여 용량 특성을 개선한 커패시터이다.
- 저전압-고용량형의 하이브리드 커패시터: '저전압-고용량형의 하이브리드 커패시터'에서는 양극 소재를 용량이 큰 금속산화물을 주로 사용하여 단위 중량 당 '에너지 밀도(Energy Density)'를 향상시킬 수 있다. 슈퍼 커패시터와 이차전지의 중간적인 특성을 가진다. '작동 전압'은 전해질 및 전극재료의 특성에 영향을 가지게 되어, 수용성에서는 약 2V의 작동 전압을, 유기성에서는 약 4V의 작동 전압을 가진다.
- 고전압-저용량형의 하이브리드 커패시터: 이와는 달리 '고전압-저용량형의 하이브리드 커패시터'에서는 양극으로 '유전체(Dielectric Material)'를 사용하여 작동 전압을 결정하게 되고, 음극은 보다 큰 용량을 가지는 전극을 사용함으로써, 재래식 커패시터와 슈퍼 커패시터의 중간적인 특성을 가지고 있다.
일반적으로 '슈퍼 커패시터'의 작동 전압은 전해질에 따라 결정되지만, 하이브리드 커패시터에서는 양극의 내전압이 하이브리드 커패시터의 작동 전압이 되기 때문에, 고전압화가 가능한 장점이 있다.
6. '슈퍼 커패시터'의 응용 분야
6-1. 에너지 분야
친환경 에너지원을 이용하여 에너지 효율을 최적하고자 하는 차세대 전력망인 '스마트 그리드(Smart Grid)', '신재생 에너지의 확대'에 따른 균일한 전력 제공의 필요성이 증대되고 있다. 이를 위해 거대 규모의 에너지 저장원이 필요하게 되었지만, 기존의 이차전지가 가지고 있는 특성으로는 이 분야의 역할을 수행하기에는 가격·용량·특성 면에서 한계를 지니고 있다.
이를 대체하는 슈퍼 커패시터는 '빠른 응답시간', '고에너지 효율', '높은 출력밀도', '긴 수명'의 특징을 가지고 있어 '신재생 에너지 발전' 및 '스마트 그리드' 분야에 가장 적합한 ''에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)'로 기대되고 있다. 신재생 에너지는 시간대별로 생산할 수 있는 전력량이 일정치 않기 때문에 그리드의 전력 품질 저하를 가져올 수 있으므로 부하 평준화 장치가 필요하다. 그런데 부하 평준화 장치로 슈퍼 커패시터가 적합하다.
6-2. 수송 분야
'수송 분야'에서 슈퍼 커패시터'의 응용은 소형차에서부터 트럭, 버스와 같은 중형 수송 분야 응용에 이르기까지 다양하게 제안되고 있다. 낮은 에너지가 필요한 곳부터 엔진 시동과 같이 고출력이 필요한 부문까지 다양하고, 기존의 내연기관 또는 연료전지 등과의 하이브리드 시스템 구성에 대한 개발도 이루어지고 있다.
'슈퍼 커패시터'는 단독 또는 '리튬 이온 커패시터(Lithium Ion Capacitor)'와 같은 '하이브라드 커패시터(Hybrid Capacitor)'를 사용할 수 있다. 현재 생산되는 전기자동차에 적용되고 있으며, 차량의 출력 및 동력계통의 효율 향상이 가능하다. 또한 전지의 수명을 연장할 수 있고, 특히 전기자동차 및 하이브리드 자동차에서 슈퍼 커패시터는 감속과 제동시 '에너지의 회수', 전지에서 감당하는 '피크 수요의 분산', 연료 전지와 같은 '전기발전기의 비용 절감' 등 많은 기능을 수행하면서 유용하게 적용되고 있다.
6-3. 가전기기 분야
'슈퍼 커패시터'는 전력 품질 향상이 탁월하기 때문에, TV나 복사기 등의 디바이스 보조 전원으로 적용하고 있다. 또한 스마트폰 중심으로 빠르게 시장이 성장함에 따라, 스마트폰용의 초소형 칩타입 제품이 개발되어 시장에서 활발히 수요가 증가되고 있다. 이와 연계하여 '배터리(Battery)'와 관련된 부품으로 소형화·고효율 '에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)'를 선호하고 있으며, 적용된 '칩 타입(Chip Type)'은 기존 '코인 타입(Coin Type)'에 비해 더욱 얇아지고 생산방식 또한 간소하되었다. 이에 '칩타입'은 휴대 전화 등의 소형가전 메머리 백업용 전원으로써 입지를 점진적으로 확보해나가고 있다.
특히 4차 산업혁명과 '사물인터넷(IoT: Internet of Things)' 전자기기의 발전이 눈앞에 다가오면서, 더욱더 다양한 전자 회로와 전원 공급 제품들이 우리의 삶에 다양하게 적용되고 있다. 기기 내부에 장착된 '슈퍼 커패시터'는 외부의 충격 등 사용 환경에 따라 디바이스의 전원이 불안정할 수 있는 상황이 발생했을 때, 메모리 백업을 위한 비상 전원으로서 작동할 수 있는 장점을 보유하고 있다.