박 수 진_ 인하대학교 화학과 교수
손 영 래_ 인하대학교 화학과 통합과정

1. 서론

최근 환경적 이슈인 CO2 저감을 위한 화석연료 사용의 감소, 스마트폰과 같은 최첨단 휴대용 전자기기 사용의 급증, 전기차 등에 대한 관심이 뜨겁다. 특히 환경적 이슈를 해결하기 위해 재사용이 가능하며 전자장치의 동력원으로써 전기에너지를 저장할 수 있는 에너지 저장장치의 연구개발이 매우 활발하다. 이러한 급격하게 증가하는 에너지 저장 장치에 대한 수요를 만족시키기 위해, 전 세계의 연구자들은 에너지 저장장치의 에너지 밀도 및 수명을 향상시킬 수 있는 방법을 계속해서 모색해 왔다.
에너지 저장시스템의 저장방식에 따라 물리적 저장방식(Flywheels, Pumped Hydro Storage(PHS), Compressed Air Energy Storage(CAES))과 화학적 저장방식(Lithium ion battery(LiB), NaS, Lead acid, Redox Flow Battery(RFB)) 및 전자기적 저장방식(Supercapacitor, Superconducting magnetic energy storage(SMES))으로 구분할 수 있다. 특히, 화학적 저장방식의 LiB 및 Supercapacitor는 고출력, 고효율 등의 장점이 있으며 그 활용도가 매우 높은 대표적인 에너지 저장장치이다. LiB는 에너지 밀도가 높아 현재 다양한 전자기기에 적용되고 있다. LiB가 본격적으로 상용화된 이후 전극소재로써 negative electrode로 graphite와 positive electrode로 LiCoO2가 현재까지 사용되고 있다. 그러나 최근 희소금속인 Lithium의 가격이 오르고 있으며 안정성 및 환경적 요인의 문제가 대두되고 있어 값이 저렴하며 친환경적인 에너지 저장소재에 대한 관심이 매우 높아지고 있다.
최근 슈퍼커패시터(Supercapacitor)에 대한 관심이 집중되고 있다. 슈퍼커패시터는 LiB보다 높은 power density 및 long lifecycle를 갖는다. 최근 슈퍼커패시터에 사용되는 전극물질에 대해 에너지 밀도가 높은 신개념의 전극소재가 개발되면서 에너지 저장성능이 기존의 커패시터를 넘어 LiB의 에너지 저장능력에 가까운 성능을 갖는 소재가 개발되고 있다. 이러한 장점 때문에 슈퍼커패시터는 다양한 분야에 적용되고 있으며 주로 자동차, 기차, 엘리베이터 등 이동수단의 브레이크 시스템 및 전원공급 장치로써 사용된다. 이러한 특성 때문에 슈퍼커패시터의 연구개발이 많이 이루어지고 있으며 특히 전극소재의 연구가 활발히 진행되고 있다. 슈퍼커패시터의 전극소재로써 다양한 전도성 소재가 사용되고 있으며 신소재를 이용한 연구가 활발하다. 그 소재로는 활성탄소(Activated carbon), 그래핀(Graphene), 탄소나노튜브(Carbon nanotubes, CNTs) 같은 탄소소재가 주로 사용되며 이외에도 전도성고분자(Conducting polymer), 전이금속 산화물(Transition metal oxide) 등이 사용되기도 한다. 이들 소재는 그 자체로도 사용되지만 다양한 방법을 이용하여 형태를 변형시키거나 다른 소재와 복합하여 시너지 효과를 일으키는 방식으로 에너지 저장성능을 향상 시킬 수 있다. 또한, 최근 이슈화되고 있는 웨어러블 전자기기에 적용하기 위해 에너지 저장장치의 유연성 및 대면적화에 대한 연구가 집중되고 있다.
본 특집에서는 슈퍼커패시터 전극소재로 사용되는 소재의 최근 연구 동향에 대해 소개하고자 한다. 전극 소재로는 다공성 탄소소재, 그래핀에 기반을 둔 탄소소재, 전도성 고분자 및 전이금속 산화물 등의 소재를 복합화한 복합소재에 대해 소개할 것이다. 또한 최근 이목이 집중되고 있는 웨어러블 디바이스용 전극소재 개발동향에 대해 소개하고자 한다.

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