차세대 전기이중층 커패시터(EDLC)
스마트폰, 전기자동차, 에너지하베스팅으로 응용분야확대
우수한 축전 기능으로 각종 분야에서 에너지 저장장치로 각광받고 있는 전기이중층 커패시터(EDLC)는
최근 들어 고기능 스마트폰, 하이브리드 카, 전기자동차, 에너지 하베스팅, 비상용 LED 램프 등으로 응용 분야를 넓히고 있다.
김혜숙 기자 (eltred@hellot.net)
전기이중층 커패시터(이하 EDLC라고 한다)는 물리 흡착현상에 의해 전기 에너지를 저장하기 때문에 이차 전지와는 달리 충방전을 반복하더라도 수명에 미치는 영향이 적어 유지보수 면에서 정기적으로 충전 작업을 하지 않아도 된다는 특징이 있다. 최근에는 이 특징을 살려 각 분야에 적용되고 있다.
세계의 주요 EDLC는 한국, 일본, 미국, 한국, 대만에서 생산되며 세계 EDLC 생산고의 70%를 차지하는 것으로 추정된다.
일본에서는 최근 EDLC의 각 사이즈별 공급량이 부족하기 때문에 각사 모두 증산 규모를 확대하고 있다. 그리고 사용자(코마츠, 오므론)가 직접 생산을 개시하겠다고 발표한 바 있다. 그리고 JX니코닛세키에너지(구 ENEOS)사는 2009년부터 일본에서 연구, 개발을 시작했고 가격 경쟁력을 위해 한국의 구미에서 양산을 개시했다.
미국의 EDLC 생산 메이커를 보면, Cooper사는 샌프란시스코에 연구 부문을 세우고 말레이시아와 중국 심천시에서 생산하고 있는데 2004년 동사 제품 사용자인 Cooper Bussmann사에 M&A됐다. Maxwell사는 샌디에이고에 연구 및 시험 양산 파트를 세우고 소형 EDLC를 융룽(永隆)과기유한공사(대만)에서, 대형을 유럽에서 각각 생산하고 있다. 주로 대형 버스 용도를 개발해 제품화하고 있다. Kyocera는 소형 라미네이트형을 생산하고 Alumapro는 라미네이트형을 각형으로 레저용 전원을 생산한다. 한국의 NESSCAP사는 2009년 미국에 M&A됐고 IOXUS사는 자동차용 대형을 중심으로 생산한다. Axion power는 대형 각형으로 PbO2-C형의 P-EDLC를 생산하고 있다.
한국의 EDLC 생산 메이커는, 당초에는 일본의 무라다가 한국의 삼성에 수계 EDLC를 생산 이관했다. 그 후 삼성에서 Korchip사로 독립해 주로 소형 코인형 EDLC를 생산하고 파나소닉의 기본 특허 실효에 수반해 유기계 전해액을 생산하기 시작했고 최근에는 권회형 EDLC 생산에도 착수했다. NESSCAP사는 한국의 IMF 사태 후인 1999년부터 대우그룹의 첨단 연구소 멤버로 유기계 EDLC를 연구하기 시작했고 2001년부터 EDLC 및 P-EDLC를 생산하기 시작했다. 미국에서 활약하고 있는 NESSCAP, IOXUS도 핵심 기술자는 대우전자부품 출신의 기술자로 구성돼 있다.
P-EDLC의 하나인 C-LiMnO4는 약 7년 전부터 한국을 중심으로 실용화됐다. 최근 5년간은 시장에서 불량도 없고 Vina Technology, NESSCAP, IOXUS에서 대량 생산되고 있다.
한편 LiC는 일본을 중심으로 2009년경부터 실용화됐다. 당초에는 대용량이지만 저항이 커 용도상의 제한이 있었는데 저저항화에 성공한 결과 종전 대비 2분의 1에서 3분의 1로 저저항화를 실현해 UPS나 반송 로봇에 채택되기에 이르렀고 저저항화로 LiC의 장수명화, 신뢰성이 확보돼 용도가 더 확대될 것으로 기대되고 있다.
최근의 EDLC와 P-EDLC에는 초소형~대형 EDLC를 불문하고 고내압화와 저저항화 기술이 요구되고 있다. 초소형 EDLC는 코인형 EDLC로서 414형, 311형 및 면실장형 3225형이다. 초소형의 주요 용도는 스마트 폰과 에너지 하베스팅용으로 3.3V의 내압과 솔더 리플로(260℃* 10sec)의 내열 및 저저항이 요구된다.
한편 300~5000F의 대형 EDLC는 용도가 여러 분야에 걸쳐 있으며 하이브리드 자동차(HEV), 전기자동차(EV)와 같은 자동차 용도, 반송 로봇, 건설기계, 크레인과 같은 회생제동이나 비접촉 순시 충전 기능이 요구된다.
EDLC 개발 초기인 1980년대부터 2000년까지 코인형~대형 EDLC의 용도는 주로 메모리 백업, RTC, 가스 기기용 안전 전자 홀더, 표지판이나 도로 표식 용도였다. 그러나 2000년 이후로는 도요타의 HEV인 프리우스에 파나소닉의 EDLC가 채택돼 에너지 절감성과 편리성으로 큰 호평을 얻었고, 이것을 기회로 EDLC의 순시 대전류 충방전이 필요한 회생제동, 비접촉 충전, 대형 UPS 장치 등에 채택되기에 이르렀다.
차세대 대형 EDLC나 LiC에는 저저항인 동시에 고내압의 높은 에너지 밀도를 가진 제품이 기대된다. 만일 에너지 밀도가 높더라도 저항이 클 경우에는 용도가 한정된다. 그러므로 가까운 미래에는 순시 비접촉 충방전이나 회생제동 용도로 저저항에 고내압의 전극 개발이 필요하다.
EDLC가 개발 실용화된 지 30~40년, 그 동안 전자기기, 가전기기를 중심으로 모든 EDLC 응용 기기가 개발, 실용화돼 왔다. 동시에 주요 EDLC 재료의 품질 향상과 아울러 생산 기기가 개선돼 EDLC는 개발 초기에 비해 품질이 현저히 개선됐다. 메모리 백업이나 RTC 응용 개발기부터 최근의 회생제동 응용, 비접촉 순시 충전 시스템, 스마트 폰이나 환경발전 응용과 같은 초소형 응용의 실용화로 응용 분야가 확대되면서 EDLC의 고내압화, 저저항화가 한층 더 요구되고 있다. 이 요구를 실현함으로써 석유 대체 중요 부품으로서 가전이나 전자기기뿐만 아니라 HEV와 같은 자동차 산업, SSD와 같은 컴퓨터 산업 분야에도 크게 기여할 것으로 예측된다.
