새로운 유형의 초소형 슈퍼커패시터는 놀라운 에너지 저장 기능과 장치 전원 공급 장치의 잠재적인 혁명을 보여줍니다. 연구원들이 저장 용량과 소형화 측면에서 현재 시판되는 모든 모델을 능가하는 초소형 슈퍼커패시터를 개발했습니다. 이 디자인은 전계 효과 트랜지스터와 이황화 몰리브덴 및 그래핀 층을 결합하여 특정 조건에서 정전 용량을 무려 3,000%나 증가시킵니다.
인도과학연구소(IISc) 산하 기기응용물리학과(IAP) 연구진이 대량의 전하를 저장할 수 있는 소형 장치인 새로운 유형의 초소형 슈퍼커패시터를 설계했습니다. 기존 슈퍼커패시터보다 크기가 작고 컴팩트하며 가로등부터 가전제품, 전기자동차, 의료장비에 이르는 다양한 장치에 사용할 수 있다.
현재 이러한 장치의 대부분은 배터리로 구동됩니다. 그러나 시간이 지남에 따라 이러한 배터리는 전하를 저장하는 능력을 상실하므로 유효 기간이 제한됩니다. 커패시터는 설계 덕분에 더 오랜 시간 동안 전하를 저장할 수 있습니다. 예를 들어, 5V에서 작동하는 커패시터는 10년 후에도 여전히 동일한 전압에서 작동합니다. 그러나 배터리와 달리 슈퍼커패시터는 휴대폰에 전원을 공급하는 것처럼 지속적으로 방전될 수 없습니다.
반면, 슈퍼커패시터는 배터리와 커패시터의 장점을 결합해 많은 양의 에너지를 저장하고 방출할 수 있어 차세대 전자 기기에 널리 사용됩니다.
최근 ACSE Energy Letters에 발표된 이 연구에서 연구진은 기존 커패시터에 사용되는 금속 전극 대신 전계 효과 트랜지스터(FET)를 전하 수집기로 사용하여 슈퍼커패시터를 만들었습니다. IAP 교수이자 해당 연구의 교신 저자인 Abha Misra는 “슈퍼커패시터의 전극으로 전계 효과 트랜지스터를 사용하는 것은 커패시터의 전하를 조정하는 새로운 방법”이라고 말했습니다.
커패시터 설계의 혁신
전류 커패시터는 일반적으로 금속 산화물 기반 전극을 사용하지만 낮은 전자 이동도로 인해 제한됩니다. 그래서 Misra와 그녀의 팀은 전자 이동성을 높이기 위해 몇 원자 두께의 이황화 몰리브덴(MoS2)과 그래핀 층을 교대로 만든 다음 금 접점으로 연결한 하이브리드 전계 효과 트랜지스터를 만들기로 결정했습니다. 고체 슈퍼커패시터를 만들기 위해 두 개의 FET 전극 사이에 고체 겔 전해질이 사용됩니다. 전체 구조는 실리카/실리콘 기판 위에 만들어졌습니다.
Misra는 "두 개의 전계 효과 트랜지스터 전극과 서로 다른 충전 용량을 갖는 겔 전해질(이온 매체)이라는 두 시스템을 통합하기 때문에 디자인이 핵심 부분입니다."라고 말했습니다. 연구의 주요 저자 중 한 명이자 IAP의 박사 과정 학생인 Vinod Panwar는 트랜지스터의 모든 바람직한 특성을 얻기 위해 그러한 장치를 제조하는 것은 어려운 일이라고 덧붙였습니다. 이러한 슈퍼커패시터는 너무 작기 때문에 현미경 없이는 볼 수 없으며 제조 공정에는 높은 정밀도와 손과 눈의 조정이 필요합니다.
성과 및 향후 계획
슈퍼커패시터가 만들어진 후 연구원들은 다양한 전압을 적용하여 장치의 전기화학적 정전용량, 즉 전하 유지 능력을 측정했습니다. 그들은 특정 조건에서 용량이 3,000% 증가한다는 것을 발견했습니다. 이에 비해 그래핀 없이 MoS2만을 포함하는 커패시터는 동일한 조건에서 용량을 18%만 증가시켰습니다.
앞으로 연구원들은 MoS2를 다른 재료로 대체하면 슈퍼커패시터의 저장 용량을 더욱 향상시킬 수 있는지 여부를 조사할 계획입니다. 그들은 슈퍼커패시터가 완벽하게 작동하며 전기 자동차 배터리와 같은 에너지 저장 장치 또는 온칩 통합을 통해 모든 소형 시스템에 사용될 수 있다고 덧붙였습니다. 그들은 또한 슈퍼커패시터에 대한 특허도 취득할 계획이다.