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문제 정의
- 제작된 하이브리드 슈퍼커패시터를 이용하여 LED 유도등의 비상전원으로 사용하기 위해 에너지 저장 매체로서의 전기적 특성을 평가하고 모듈을 설계하였다. 설계된 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 LED 비상 유도등 전원으로서 사용 가능성 여부를 확인하였다.
- 본 실험에서는 LED 유도등의 예비 전원으로 주로 사용되는 니켈 카드뮴전지를 대신하여 높은 충, 방전효율, 장 수명, 고출력 및 친환경 소재를 사용한 친환경 하이브리드 슈퍼커패시터를 제안하여 사용 가능 여부를 확인하였다. 2.
제안 방법
- 본 논문에서는 비상용 유도등에 적용 가능한 에너지 저장매체로서 니켈 카드뮴 전지와 슈퍼커패시터의 장점을 고려하여 에너지 밀도를 향상한 리튬 티탄산산화물(Li4Ti5O12)을 음극 물질로 이용한 하이브리드 슈퍼커패시터(hybrid supercapacitor)를 제작하여 적용하였다 [7,8].
- 제작된 하이브리드 슈퍼커패시터를 이용하여 LED 유도등의 비상전원으로 사용하기 위해 에너지 저장 매체로서의 전기적 특성을 평가하고 모듈을 설계하였다. 설계된 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 LED 비상 유도등 전원으로서 사용 가능성 여부를 확인하였다.
- 본 논문에서는 그림 4의 구조를 가지는 하이브리드슈퍼커패시터를 적용하였으며 하이브리드 슈퍼커패시터 양극으로 사용되는 활성탄 전극에는 이온의 물리적 흡·탈착반응에 의한 전기 이중층반응(물리반응)에 의하여 전하를 저장하며, 반대 전극인 리튬계 전이금속 산화물에서는 리튬의 삽입·탈리반응(화학반응)에 의하여 전하를 저장한다 [9,10].
- 9 W 이상의 전력이 공급된다면 화재 시 유효 점등시간 동안의 유도등의 밝기가 조명 기준에 적합하다는 것을 알 수 있다. A사 비상 유도등 실험 결과를 바탕으로 비상시 정격전력을 2 W로하고 기존에 발표된 자료를 근거로 하여 다음과 같이 계산하여 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 설계하였다 [13]. LED 동작 전압 및 하이브리드 슈퍼커패시터의 셀 전압을 고려하여 2개의 셀을 직렬로 설계하였다.
- A사 비상 유도등 실험 결과를 바탕으로 비상시 정격전력을 2 W로하고 기존에 발표된 자료를 근거로 하여 다음과 같이 계산하여 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 설계하였다 [13]. LED 동작 전압 및 하이브리드 슈퍼커패시터의 셀 전압을 고려하여 2개의 셀을 직렬로 설계하였다.
- 본 논문에서는 비상용 전원의 수명을 10년으로 하고 하이브리드 슈퍼커패시터의 10년 후 에이징 상수(k)를 0.8로 하여 최종 요구 정전 용량을 998 F으로 확정하였다. 설계 결과를 이용하여 2.
- 8로 하여 최종 요구 정전 용량을 998 F으로 확정하였다. 설계 결과를 이용하여 2.8 V, 1,000 F 하이브리드 슈퍼커패시터 셀 4개를 2직렬 2병렬로 설계, 제작하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 비상 유도등은 천정형 피난구용 중형 유도등으로 A사 제품을 이용하였다. 제품의 전기적 사양은 표 2로서 7.
- 실험에 사용한 비상 유도등은 천정형 피난구용 중형 유도등으로 A사 제품을 이용하였다. 제품의 전기적 사양은 표 2로서 7.2 W 정격을 가지는 LED 광원을 이용한 제품이다.
- 제품은 LED부, 회로부, 비상 전원부 및 표시부로 구성된다. LED부의 경우 12개의 LED로 이루어져 있으며 예비 전원부의 경우 니켈 카드뮴 800mAh 전지를 사용하였다.
- 제품은 LED부, 회로부, 비상 전원부 및 표시부로 구성된다. LED부의 경우 12개의 LED로 이루어져 있으며 예비 전원부의 경우 니켈 카드뮴 800mAh 전지를 사용하였다.
- 본 실험에서 2.8 V, 1,000 F 하이브리드 슈퍼커패시터 제작을 위하여 집전체로 20 ㎛두께를 가지는 알루미늄박에 양극으로는 200 ㎛ 활성탄 전극을 음극으로는 80 ㎛ 리튬 티탄산화물 전극을 사용하였다. 제조 공정으로 일반적인 슈퍼커패시터 공정을 적용하였으며 전해액으로는 1.
- 8 V, 1,000 F 하이브리드 슈퍼커패시터 제작을 위하여 집전체로 20 ㎛두께를 가지는 알루미늄박에 양극으로는 200 ㎛ 활성탄 전극을 음극으로는 80 ㎛ 리튬 티탄산화물 전극을 사용하였다. 제조 공정으로 일반적인 슈퍼커패시터 공정을 적용하였으며 전해액으로는 1.5 M LiBF4/ACN 사용하였다.
성능/효과
- 표 3에 실험을 통하여 제작된 하이브리드 슈퍼커패시터 셀의 전기적 특성 및 크기를 나타내었으며 그림 6에 C-rate 따른 방전 특성 곡선을 나타내었다. 실험 결과 C-rate가 증가할수록 방전 시간이 감소됨을 볼 수 있으며 10 A부터는 급격히 방전 전류가 감소함을 볼 수 있다. 적절한 방전 전류로는 1∼5 A에서 동작시키는 것이 적절하다고 판단된다.
- 그림 8은 제작된 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 상온에서 방전 전력 따른 방전 시간을 측정한 결과로서 설계식과 유사한 결과를 보이고 있다. 실험 결과 2 W로 방전 시 1시간 40분 동안 방전이 가능하며 설계에서 고려한 에이징 상수를 고려한 10년 후에도 1시간 10분 동안 출력이 가능함을 알 수 있다
- 그림 9는 제작된 모듈을 2 W로 방전 시 사용 온도에 따른 방전 특성 곡선으로 -25℃, 55℃에서도 설계 규격에 만족함을 볼 수 있으나 –25℃에서는 방전 시간이 줄어드는 것을 볼 수 있으며 설계 시 온도환경 조건도 고려하여야 할 필요가 있음을 확인할 수 있었다.
- 저온 및 고온에서 용량 감소는 비상등용 슈퍼커패시터 규정에서 제시된 ±30% 이내이고, 비상 시 필요한 유효 점등시간인 60분 이상의 시간 동안 사용이 가능하다는 것을 확인하였다.
- 실험 결과 상온에서는 77.5분, 고온조건(55±2℃)에서도 이와 비슷한 78분 동작하였으며 저온조건 (–25±3℃)에서는 73분 동안 작동하여 기존에 적용된 니켈 카드뮴전지와 유사한 동작 특성을 보이고 있다.
- 실험 결과 상온에서는 77.5분, 고온 조건(55±2℃)에서도 이와 비슷한 78분간 동작하였으며 저온 조건(–25±3℃)에서는 73분 동안 동작하여 기존에 적용된 니켈 카드뮴 전지와 유사한 동작 특성을 보이고 있다.
- 저온 및 고온에서 용량 감소는 비상등용 슈퍼커패시터 규정에서 제시된 ±30% 이내이고, 비상 시 필요한 유효 점등 시간인 60분 이상의 시간 동안 사용이 가능하다는 것을 확인하였다 [14]. 이와 같은 결과는 하이브리드 슈퍼커패시터 모듈을 적용하여서 LED 비상등 전원 사용 가능함을 확인하였다.
- 본 실험에서는 LED 유도등의 예비 전원으로 주로 사용되는 니켈 카드뮴전지를 대신하여 높은 충, 방전효율, 장 수명, 고출력 및 친환경 소재를 사용한 친환경 하이브리드 슈퍼커패시터를 제안하여 사용 가능 여부를 확인하였다. 2.8 V, 1,000 F 하이브리드 슈퍼커패시터 셀 4개를 2직렬 2병렬로 설계, 제작하여 2 W 정출력 방전 시 유효 점등시간인 60분 이상 동작함을 확인하였다. 실험 결과 상온에서는 77.
후속연구
- 저온 및 고온에서 용량 감소는 비상등용 슈퍼커패시터 규정에서 제시된 ±30% 이내이고, 비상 시 필요한 유효 점등시간인 60분 이상의 시간 동안 사용이 가능하다는 것을 확인하였다. 향후 소방 분야에서도 우수한 출력 특성, 높은 에너지 효율, 빠른 응답 특성 및 친환경 제품으로서 LED 조명기구뿐만 아니라 다양한 분야에서 활용될 것으로 예상된다.
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