Special 디지털 뉴딜과 광전자 세라믹 소재(2)
에너지 저장용 유전체 세라믹 커패시터의 재료 및 기술 개발 동향

조삼연_전북대학교 물리학과 연구교수
부상돈_전북대학교 물리학과 교수

1. 서론

세계 경제의 지속적인 발전에 따라 전 세계 에너지 소비도 빠르게 증가하고 있다. 국제 에너지 기구(international energy agency, IEA)는 세계 전력수요가 연평균 2.1 %씩 증가하여 2040년에는 36,453 TWh에 이를 것으로 예상하고 있다[1]. 그러나 석탄과 석유를 포함하는 화석 에너지는 심각한 환경오염 및 고갈 문제를 보이기 때문에 국제사회에서 ‘파리 기후변화협약(2016년 11월 발효)’ 등을 통해 화석 에너지 사용을 제한하고 있다. 우리나라도 이에 동참하여 2030년까지 온실가스 배출량을 배출전망치 대비 37 %를 줄이겠다는 감축 목표를 가지고 있다. 따라서 전 세계적으로 화석 에너지 대체를 위해 청정에너지 및 재생 가능 에너지원을 이용하기 위한 연구가 많이 진행되고 있으며 발전량 비율 또한 증가할 것으로 예상 된다(그림 1). 그러나 대부분의 재생 가능 에너지원은 본질적으로 간헐적이기 때문에 실제적인 응용을 위해서는 전기 에너지 형태로 변환하여 저장하는 것이 좋은 방안이 될 수 있다. 예들 들어, 대표적인 재생에너지인 태양광과 풍력 발전의 경우 날씨, 시간, 입지조건과 같은 환경요인에 의해 생산되는 출력 에너지의 차이가 심하고 에너지 생산시점과 수요시점에 시간차가 발생하게 된다. 이를 해결하기 위해서는 전력을 저장하였다가 전력 수요가 증가하는 시점에 전력을 공급할 수 있는 대용량 에너지 저장 기술이 필요하다. 따라서 관련 기술에 대한 수요가 지속적으로 증가할 것으로 예상할 수 있다.

그림 . 전 세계 에너지원별 발전량 비율 변화 예 (출처: IEA). 

 
  전기 저장 기술은 유전체 커패시터(dielectric capacitors), 전기화학 커패시터(electrochemical capacitors), 초전도 자기 에너지 저장(superconducting magnetic energy storage, SMES) 시스템, 화학 에너지 저장 장치(batteries), 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cells, SOFCs) 등으로 분류 할 수 있다(그림 2). 개별 에너지 저장 장치(energy storage devices)의 응용은 에너지 대 전력 비율 또는 충전/방전 비율(그림 2의 점선으로 표시)을 기반으로 결정되며 커패시터는 배터리 및 SOFC 보다 더 높은 충전/방전 속도와 더 높은 전력 밀도를 갖는다.

그림 . 다양한 에너지 저장 장치에서 에너지 밀도와 출력 밀도를 보여주는 라곤 플롯(Ragone plot)[5].

 커패시터는 다양한 기능(filtering, coupling, decoupling 등)을 가진 전자 회로, 마이크로파 통신, 하이브리드 전기 자동차, 분산 전력 시스템, 재생 가능 에너지 저장·융합과 같은 고출력 적용 등과 같은 다양한 분야에 널리 사용 된다(그림 3). 응용에 따라 특성이 다른 여러 종류의 커패시터가 필요하며, 마이크로파 통신에 사용되는 커패시터는 매우 높은 품질 계수 및 매우 낮은 유전 손실을 가져야하는 반면 decoupling 회로에 사용되는 커패시터의 경우는 단위 부피당 큰 전기용량(capacitance)이 요구된다. 특히 유전체 커패시터는 높은 충전/방전 속도로 인해 재생 가능한 에너지원에서 효율적으로 전력을 수집할 수 있다[2]. 그러나 낮은 에너지 밀도를 갖기 때문에 이를 개선하기 위한 연구가 필요하다. 현재까지 고 전력 응용을 위해서 상업적으로 이용되는 커패시터는 대부분 폴리머(polymer) 및 유전체 세라믹이지만 일반적으로 2 J/cm3 미만의 에너지 밀도를 보인다[3]. 일반적으로 세라믹 재료는 상대적으로 유전율은 높지만 낮은 절연파괴강도(breakdown strength, BDS)를 보이며, 폴리머는 이와 반대의 특성을 갖는다. 유전체 세라믹 재료 중 납(lead, Pb) 기반 재료에서 6.4 J/cm3의 큰 에너지 밀도가 보고되었으나[4], 납 기반 유전체에 포함된 납 성분은 인체 및 환경에 유해하기 때문에 비납계(lead free) 유전체 세라믹 재료에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 이와 함께 마이크로 미터(μm) 이하 단위를 갖는 여러 개의 세라믹이 병렬로 적층된 다층 커패시터(multilayer ceramic capacitors, MLCCs)와 같은 장치 규모(device scale)에서의 연구들을 통해 에너지 저장 특성의 향상이 보고되었으나 현재까지도 유전체 재료의 특성에 기인한 낮은 BDS와 그에 따른 낮은 에너지 밀도는 유전체 세라믹의 실제적인 에너지 저장 분야의 응용에 있어 해결되어야 할 주요한 과제이다[5]. 따라서 본고에서는 유전체 세라믹 재료 범주의 특성과 에너지 저장을 위한 유전체 커패시터의 연구 동향을 살펴보고자 한다.

그림 . 커패시터의 응용 분야. 

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