초록 ▼

제1장 연구과제의 개요
제1절. 개발기술의 중요성 및 필요성
1. 개발기술의 주변환경과 필요성
가) 기술적 측면
○ 초고용량 커패시터 또는 전기화학 커패시터라고 명명되기도 하는 슈퍼커패시터는 전기화학적인 이온흡착 및 산화환원 원리를 이용하여 전기에너지를 변환저장하며 신속한 충방전을 반영구적으로 반복할 수 있는 고효율, 고출력형인 차세대 전기에너지 저장 기술로 아래와 같은 장점을 가지고 있어 응용분야가 급격히 확대될 것으로 예상되고 있음.
· 소형 경량화 특성 / 간단한 장착 및 유지보수 불필요 / 급속 충

제1장 연구과제의 개요
제1절. 개발기술의 중요성 및 필요성
1. 개발기술의 주변환경과 필요성
가) 기술적 측면
○ 초고용량 커패시터 또는 전기화학 커패시터라고 명명되기도 하는 슈퍼커패시터는 전기화학적인 이온흡착 및 산화환원 원리를 이용하여 전기에너지를 변환저장하며 신속한 충방전을 반영구적으로 반복할 수 있는 고효율, 고출력형인 차세대 전기에너지 저장 기술로 아래와 같은 장점을 가지고 있어 응용분야가 급격히 확대될 것으로 예상되고 있음.
· 소형 경량화 특성 / 간단한 장착 및 유지보수 불필요 / 급속 충방전 특성
· 기존 커패시터보다 높은 에너지밀도 / 기존 2차전지보다 100배 이상의 고출력밀도
· 환경 친화적인 재료 / 폭발 위험이 없는 안정성 / Memory effect가 없음
· 넓은 작동온도 및 반영구적 수명

○ 상용화된 전기이중층커패시터 (EDLC)는 에너지밀도 측면에서 2차전지 대비 1/10 수준에 머물러 국가 신성장 동력을 창출하기에는 한계가 있어 에너지밀도와 파워밀도를 동시에 상승시키는 고품위화 전략이 필요.

○ 2012년 처음 보고된 플로우커패시터(electrochemical flow capacitor, EFC)의 경우 전극물질과 전해질이 혼합 슬러리를 이동시켜 충ž방전을 수행하는 형태이고 EDLC에 기반한 고 에너지밀도 구현에는 어려워 보이는 구조임.

○ 슈퍼커패시터의 에너지 저장밀도를 높이기 위한 연구에는 대부분 그래핀이 이용되고 있으며, 2015년에는 3차원 탄소나노튜브/그래핀 빌딩구조를 이용하여 최대 출력밀도와 최대 에너지밀도를 향상시킨 연구가 발표되기도 하였음. (* 출처: ACS Nano, online, doi: 10.1021/nn507079x, 2015. 02)

○ 그래핀을 전극물질로 이용한 슈퍼커패시터 개발 연구로는 한국전력연구원, 비나텍, 한국과학기술원, 가천대학교가 공동으로 진행한 연구를 통해 기존의 활성탄소보다 가벼우면서 고성능을 내는 슈퍼커패시터가 보고되기도 하였음. (* 출처: 투데이에너지, 2018년 4월 17일자 기사)

○ 최근 과학계의 폭발적 관심을 받고 있는 그래핀은 2차원 형상의 탄소 nanosheet로서 높은 비표면적 (2,600 m²/g), 우수한 전기전도도(> 10,000 S/m) 및 기계적 특성을 보유하고 있어 에너지저장장치분야에서 기존 탄소 소재의 한계를 뛰어넘을 수 있는 돌파기술 (breakthrough technology)로 주목을 받고 있으며 관련 산업의 성장을 견인할 핵심 전략소재로 평가되고 있음. (출처: Market Research Report, GRAPHENE: Technologies, Applications, and Markets, BBC Research, 2011)

○ 최근, 그래핀을 EDLC 전극 소재로 적용한 논문이 다수 보고 되고 있으나, EDLC의 특성상 에너지용량은 10 Wh/kg이하로 제한되고 있음. 상술한 한계를 돌파하기 위해서는 그래핀 전극소재 복합화 및 나노/마이크로 구조의 3D화를 통한 높은 에너지밀도 슈퍼커패시터의 개발이 시급함. 즉, 그래핀의 우수한 특성에 기반하고 질화물/산화물과 복합된 복합소재를 슈퍼커패시터의 전극으로 적용 시 “Battery-like capacitor 개념의 고품위 슈퍼커패시터” 개발이 가능하게 될 것으로 기대됨.

(출처 : 본문 : 제1장 연구과제의 개요 25p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출서 ... 2
• 창의형 융합연구사업 최종보고서 ... 3
• 목차 ... 4
• 표목차 ... 6
• 그림목차 ... 8
• 제1장 연구과제의 개요 ... 25
• 제1절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 25
• 1. 개발기술의 주변환경과 필요성 ... 25
• 2. 개발기술 개요 및 기술의 범위 ... 33
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 38
• 제1절 기술 동향 및 전략 ... 38
• 1. 국내 기술개발 동향 ... 39
• 2. 선진국의 기술개발 동향 ... 42
• 3. 국내‧외 특허동향 ... 50
• 제2절 기술개발 시 예상되는 기술적 · 경제적 파급 효과 ... 64
• 1. 시장 환경 분석 ... 64
• 2. 향후 시장 전망 ... 65
• 3. 국내·외 관련 시장점유 전략 ... 67
• 4. 기술적 효과 ... 68
• 제3장 연구수행 내용 및 결과 ... 70
• 제1절 한국전자통신연구원 (ETRI) ... 77
• 1. 그래핀 소재 제조 및 비표면적 향상 기술 ... 77
• 2. 수직배향 그래핀 전극 및 집전체 제조 기술 ... 91
• 3. 인쇄형 분리막 기술 ... 96
• 4. 용액기반 그래핀 코팅 기술 ... 99
• 5. 바이오매스 그래핀 특성 향상기술 ... 125
• 6. 디스펜싱 활용 슈퍼커패시터 제작 및 공정기술 ... 147
• 제2절 한국과학기술연구원 (KIST) ... 173
• 1. １차년도 연구개발 추진 내역 ... 173
• 2. 2차년도 연구개발 추진 내역 ... 177
• 3. 3차년도 연구개발 추진 내역 ... 188
• 제3절 한국기계연구원 (KIMM) ... 201
• 1. 탄소기반 나노박막의 전기전도도 향상 핵심 기술 개발 ... 201
• 2. 나노박막의 롤 기반 전사 공정 핵심 기술 개발 ... 206
• 3. CVD 그래핀 기반의 슈퍼커패시터 특성 평가 및 축전용량 증가 기술 개발 ... 209
• 4. 계면 제어용 나노박막 집전체 핵심 기술 개발 ... 214
• 5. 액상 박리를 통한 전극/집전부 구조화 공정 핵심 기술 개발 ... 219
• 6. 액상 박리 공정으로 구조화된 전극/집전부를 이용한 슈퍼커패시터 구현 핵심 기술 개발 ... 225
• 7. 슈퍼커패시터 충방전 시험 중의 in-situ 응력 평가 핵심 기술 개발 ... 229
• 8. 슈퍼커패시터용 분리막 내구성 평가 기술 개발 (위탁: 한국생산기술연구원) ... 233
• 9. 전극/집전부 계면 제어 기술을 적용한 슈퍼커패시터 제조 기술 개발 ... 245
• 10. 전극/집전부 표면 구조화 기술을 적용한 슈퍼커패시터 제조 기술 개발 ... 251
• 11. 인쇄형 분리막을 적용한 슈퍼커패시터 제조 기술 개발 ... 289
• 제4절 한국세라믹기술원 (KICET) ... 308
• 1. 고강도, 고열전도도 HTCC 기판소재 개발 ... 308
• 2. 고강도, 고열전도도 Glass-ceramic LTCC 기판소재 ... 322
• 3. 3225 size 세라믹 패키지의 설계, 제조, 3D interconnect 및 메탈라이징 기술개발 ... 328
• 4. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 슈퍼커패시터 성능 최적화 기술(SoS) ... 335
• 5. 고강도 고열전도도 기판소재 개발 ... 340
• 6. 칩형 슈퍼 커패시터용 세라믹 패키지 제조기술 개발 ... 350
• 7. 칩형 슈퍼 커패시터 패키지용 SUS 캡 리드의 제조 ... 363
• 제5절 삼화콘덴서 ... 372
• 1. 양산화 및 신뢰성 향상 기술 (1차년도) ... 372
• 2. 양산화 및 신뢰성 향상 기술 (2차년도) ... 384
• 3. 양산화 및 신뢰성 향상 기술 (3차년도) ... 394
• 4. 양산화 및 신뢰성 향상 기술 (4차년도) ... 401
• 5. 양산화 및 신뢰성 향상 기술 (5차년도) ... 412
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 423
• 제1절 연구목표의 달성도 ... 423
• 1. 정량적 목표 달성도 ... 423
• 2. 목표달성도에 대한 자체평가 ... 424
• 제2절 관련분야 기술발전에의 기여도 ... 426
• 제5장 연구결과의 활용계획 ... 428
• 제6장 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 429
• 첨부1. 연구성과 ... 430
• 첨부2. NTIS(국가과학기술지식정보서비스)에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 451
• 끝페이지 ... 452