한국연구재단은 제주대학교의 김상재 교수, 케이 카티케얀 박사, 파자말라이 파르티반 박사과정생 연구팀이 실리콘 기반 2차원 물질인 실록신을 전극으로 사용해 높은 에너지밀도와 전력밀도의 고성능 슈퍼커패시터 소자를 개발했다고 1일 밝혔다.

현재 주로 사용되는 슈퍼커패시터의 소재는 실리콘 박막, 나노와이어, 나노트리, 다공실리콘, 비결정질 실리콘이 있다. 하지만 성능 발전의 한계를 안고 있었다.

최근에서는 그래핀, 이황화몰리브덴 등 새로운 소재 적용이 시도되고 있지만 실리콘 기술과 상호 호환성 문제로 진전이 없는 상태였다.

연구팀은 나노 시트 형태의 실리콘 물질인 실록신을 전극으로 사용했다. 그 결과 실록신 전극은 최대 전력밀도가 272.5 mW/cm²에, 이를 이용한 슈퍼커패시터 에너지밀도는 10 mJ/cm²에 이르렀다.

이 값은 실리콘기반 전극을 적용한 기존 에너지저장장치의 에너지밀도가 0.1 mJ/cm²에 그치는 것에 비해 100배나 향상된 성능이다.

이 성과를 이용하면 하나의 칩 위에 센서와 시스템 동시집적이 가능하다.

김성재 교수는 "초소형 시스템을 제작할 수 있게 되므로, 웨어러블, 휴대용, 생체이식형 전자 기기에 필수적인 보조전원으로 활용될 수 있다"면서 "집적화, 소형화로 전자소자의 소비 전력이 획기적으로 낮춰질 것"이라고 설명했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구, 신진연구)의 지원으로 수행됐다. 결과는 국제학술지 에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)에 6월호 논문으로 게재됐다.