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전황수 (Chun H.W.) 경제분석연구실 책임연구원
유인규 (You I.K.) 에너지변환소자연구실 책임연구원

I. 서론

슈퍼커패시터는 축전용량이 대단히 큰 커패시터로 울트라 커패시터(Ultra Capacitor) 또는 초고용량 커패시터라고 부른다. 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 이에 따라 급속 방충전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용된다[1].

슈퍼커패시터는 1995년 일본, 러시아, 미국 등에서 상용화되기 시작하여 소형에서 대형에 이르기까지 그 응용분야가 다양하게 확대되고 있으며, 최근 들어 신재생에너지의 획기적 증가와 더불어 주요 에너지 저장장치로 각광받고 있다. 연료전지발전, 태양광발전, 풍력발전 등의 신재생에너지 발전은 에너지원이나 부하의 변동에 민감하게 반응하므로 단독으로 사용될 경우 출력전압의 변동을 포함한 전력품질의 저하를 피할 수 없다. 하지만 슈퍼커패시터는 전력밀도가 높고, 충방전 속도가 빠르며, 충방전 사이클 수명이 50만 사이클 이상으로 매우 길다는 특성을 갖고 있어, 부하응답 특성이 느린 신재생에너지 발전시스템에 슈퍼커패시터를 사용하면 발전된 전력과 부하전력 사이의 차이를 슈퍼커패시터가 흡수 또는 방출함으로써 전력품질을 확보하는데 기여한다[2].

본고에서는 에너지 저장장치의 유망한 품목으로 부상하고 있는 슈퍼커패시터의 시장과 국내외 기술동향을 분석한 후, 정책적 시사점을 도출하고자 한다.

II. 슈퍼커패시터 시장

현재 세계 슈퍼커패시터 제조업체는 66개로 중국 20개, 일본 16개, 미국 14개, 한국 3개, 이스라엘 2개, 러시아 2개, 호주 2개 순이며, 캐나다, 대만, 멕시코, 에스토니아, 영국, 프랑스, 독일에 각 1개사가 소재하고 있다.

미국의 Maxwell Technologies, Cooper Bussmann, 일본의 혼다, TDK, 교세라, 대만의 영롱테크놀로지, 한국의 네스캡 등이 대표적인 제조업체이다. Maxwell Technologies가 세계시장의 20%를 점유할 정도로 규모가 가장 크고 매년 30% 이상의 매출신장을 기록하고 있다. Maxwell은 연산 2백만개 이상의 대형 슈퍼커패시터 생산설비를 보유하고 있으며 PSA(푸조-시트로엥) 외에 세계적인 자동차 부품사인 Continental AG에 슈퍼커패시터를 공급하고 있다. 한국의 네스캡은 슈퍼커패시터 매출이 2천만 달러로 29%의 매출증가를 기록하고 있다. 그러나 Ada Technologies, Cap-XX, Graphene Energy, Nanotecture, Quantum Wired, Skeleton Technologies 등은 커다란 기술적인 진전에도 불구하고 매출이 500만 달러 미만에 불과하다.

업체들이 판매하는 슈퍼커패시터는 전기버스와 기차 등 운송수단에 적용되어 크기가 대형화되고 있는데 300F 이상이 2012년 슈퍼커패시터 총매출 9억 달러 중 68%를 점유하고 있다. 이전까지는 Maxwell 등 미국업체 및 일본업체가 세계시장을 장악해왔으나 중국업체의 슈퍼커패시터 생산이 급증함에 따라 앞으로 중국의 세계시장 점유율이 증가할 전망이다.

세계 커패시티 시장의 분야별 점유율은 <표 1>에서 보듯이 전체시장에서 전자공학이 차지하는 비중이 2013년 49%에서 2023년 23%로 감소하고, 전기공학은 2013년 51%에서 2023년 61%로 증가할 것으로 전망된다.

<표 1>
세계 분야별 슈퍼커패시터 시장 점유율 및 시장규모(단위: %, 백만달러)

세계 커패시티 시장규모는 2013년 8억 4,200만 달러에서 2018년 31억 3,000만 달러, 2023년에는 70억 8,000만 달러로 고성장을 기록할 전망이다.

슈퍼커패시터는 대다수 분야에서 리튬이온 배터리보다 고성장할 것으로 전망되며, 미래 판매증가에 따라 리튬이온 배터리 시장매출에 타격을 줄 것으로 예상된다. 슈퍼커패시터는 전기버스의 경우 리튬이온 배터리보다 에너지 밀도가 높고 안전하여 리튬이온 배터리를 대체할 것이다. 중국의 전기버스는 가격이 비싼데도 불구하고 슈퍼커패시터가 리튬이온 배터리를 대체하고 있다.

현재 슈퍼커패시터 매출은 리튬이온 배터리 매출의 3%에 불과하나, 앞으로 리튬이온 배터리를 대체하면서 매출이 증가할 전망이다. 10년 내에 슈퍼커패시터 매출은 리튬이온 배터리 매출의 10% 이상에 달할 전망이며, 이를 위해 생산된 슈퍼커패시터 밀도가 40 Wh/㎏에 도달해야 된다[3].

III. 해외의 개발동향

<표 2>에서 보듯이 미국은 대학 및 연구소를 중심으로 기초 연구가 진행 중이고 기업에서는 Linear Technology 등을 중심으로 관련 제품을 판매하고 있다.

<표 2>
미국의 슈퍼커패시터 개발동향

<표 3>에서 보듯이 일본은 기업을 중심으로 수퍼커패시터 사업을 진행하고 있다. 일본의 기술력은 수퍼커패시터 분야에서 타의 추종을 불허하며, 탄소 소재에만 국한되지 않고 리튬 등을 이용해 하이브리드 커패시터를 선보이고 있다.

<표 3>
일본의 슈퍼커패시터 개발동향

기타 개발 동향으로는 <표 4>에서 보듯이 중국 광조 우시의 슈퍼커패시터로 움직이는 트램과 싱가포르 난양공대의 자가치료 슈퍼커패시터 개발이 있다.

<표 4>
기타 슈퍼커패시터 개발동향

세계적으로는 <표 5>에서 보듯이 무리타, TDK, NEC등 일본업체와 Maxwell 등 미국업체가 슈퍼캐패시터 관련 제품을 생산, 판매하고 있다.

<표 5>
해외업체들의 슈퍼커패시터 제품현황

IV. 국내의 개발동향

1. 대학 및 연구소의 개발동향

국내에서는 <표 6>에서 보는 바와 같이 대학과 연구소를 중심으로 기초 연구가 수행되고 있다. 대학에서는 성균관대, KAIAST, 아주대, 한양대 등에서 초고속 에너지 저장소자, 코발트 산화물 나노분말 합성기술, 다공정 그래핀 나노볼, 그래핀 젤을 이용한 슈퍼커패시터, 에너지 저장용 전극소재 등 기초 연구를 수행하고 있다. 연구소에서는 KIST가 나노섬유 형태의 루테늄산화물을 생산하여 슈퍼커패시터에 적용하는 기술을 개발했고, 전기연구원은 3차원 나노집전체용 형틀 기술을 개발했다.

<표 6>
국내 대학 및 연구소의 슈퍼커패시터 연구동향

2. 기업의 개발동향

기업에서는 <표 7>에서 보듯이 네스캡, 삼화콘덴서, 비나텍, 코칩 등이 슈퍼커패시터를 생산하고 있으며, SK케미칼은 슈퍼커패시터용 전해액을 생산하고 있다.

<표 7>
국내 업체들의 슈퍼커패시터 개발동향

<표 8>에서 보듯이 국내 업체들의 슈퍼커패시터 제품을 살펴보면 EDLC, 하이브리드 슈퍼캡, SM/DMA 시리즈, DCS/DCL, DR/HP, DRM 등이 있다.

<표 8>
국내 업체들의 슈퍼커패시터 제품현황

V. 시사점

슈퍼커패시터 산업의 발전을 위해서는 첫째, 국가 신 성장동력으로 육성할 필요가 있다. 슈퍼커패시터는 단시간에 전기에너지를 저장하고 필요시에 큰 전류를 순간적 연속적으로 공급할 수 있는 장수명 전기에너지 저장장치이다. 향후 전기자동차나 수소연료자동차 등 신 재생에너지 자동차와 일반 산업용 장치의 핵심부품이 될 것이며, 하나의 산업군으로 위치하게 될 전망이다.

최근 기후변화, 환경규제 강화 및 고유가 정책에 따라서 대체에너지 생산기술과 함께 이를 효율적으로 저장하는 전기에너지 저장장치에 대한 수요가 급증하여 슈퍼커패시터 세계시장은 2022년에 11조원으로 성장할 것으로 전망됨에 따라 정부 주도로 슈퍼커패시터 산업을 국가의 신성장산업 동력으로 육성해야 할 필요가 있다. 미국, 일본 등 선진국과 비교할 때 정부의 개발체계가 아직 미흡한 실정으로 실현 가능한 목표 설정 및 적극적인 투자가 필요하다[4].

둘째, 핵심 소재 개발하고 이를 국산화해야 한다. 국내 슈퍼커패시터 관련 대부분의 소재기술은 일본 등 주요 선진국에 종속되어 있어 경쟁력이 매우 취약하다. 커패시터 소형화·대용량화를 위해서는 소재 개발이 우선 이뤄져야 하며 이는 관련 소재산업이 발전할 수 있는 계기가 될 것이다. 향후 경쟁력 확보를 위해 유관 산학연 뿐만 아니라 부품소재면에서 정부 차원에서 체계적인 개발투자가 이루어져 핵심 소재를 국산화하면 외화를 절약하고, 신재생에너지 시장에서 대·중소 동반성장을 통한 새로운 수출산업화를 유도해야 한다. 또 연구개발 기업에 대한 지원을 강화하고, 연구성과물에 대해 최종 소비자들의 구매를 촉진할 수 있는 정책의 수립 및 운영하는 등 에너지 절감을 위한 소재개발에 기업들이 자발적으로 참여하도록 유도하는 환경을 조성해야 하며, 참여주체인 산·학·연 각각의 역할 분담을 통한 효율적인 기술개발이 필요하다. 대기업은 원천·상용화, 공정·양산기술을 개발하고, 중소기업은 부품소재의 국산화 기술을 개발하고, 연구소와 대학은 기업과 공동으로 원천기술을 개발해야 한다.

셋째, 기술적 과제를 해결하고 제조원가의 절감해야 한다. 슈퍼커패시터 산업의 확대된 수요를 확보하기 위해서는 에너지 밀도의 향상 등 기술적 과제 해결과 제조원가의 절감이 요구된다. 1) 2차전지와 동등한 수준의 에너지 밀도, 2) 고효율 충전과 대용량 방전, 3) 하이브리드버스(24~100V), 전력저장전압(550V 정도)와 같은 고효율, 고전압화 기술이 요구된다. 이를 극복하기 위한 기술로는 1) 전기화학적으로 안정된 고용량 활물질 개발, 2) 대용량 분극성 전극, 3) 고도전율 전해액, 4) 고정밀 전극 배치 기술, 5) 신규 봉지 재료, 6) 고정밀 모듈 제조기술 등이 있다[5].

넷째, 테스트베드 구축하고 법제도를 정비해야 한다. 슈퍼커패시터의 기술수준 성능시험을 통해 현장 적용을 위한 신뢰도 확인이 필요하며, 테스트 베드 구축이 시급하다. 슈퍼커패시터의 현장 적용을 위한 관련법 제정이 필요하고, 전기사업법 및 시행령 등의 개정이 필요하다[6].

용어해설

에너지 저장장치(Energy Storage system) 에너지 저장장치는 생산된 전력을 발전소, 변전소 및 송전선 등을 포함한 각각의 연계 시스템에 저장 후 전력이 필요한 시기에 선택적·효율적 사용을 통해 에너지 효율을 극대화시키는 시스템. 야간에 유휴전력을 저장하고 전력소모가 심한 주간에 저장된 전력을 사용함으로써, 전력의 효율적 사용이 가능함. 전력 수요 평준화, 전력 계통의 안정 운영, 능동적 관리의 장점을 보유하고 있음.

슈퍼커패시터(Supercapacitor) 슈퍼커패시터는 축전 용량이 대단히 큰 커패시터로 울트라 커패시터(Ultra Capacitor) 또는 초고용량 커패시터라고 부른다. 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용함. 이에 따라 급속 방충전이 가능하고 높은 충방전 효율 및 반영구적인 사이클 수명 특성으로 보조배터리나 배터리 대체용으로 사용됨.

References

[1] KISTI, “슈퍼커패시터,” 2007. 4, pp. 3-4.
[2] 정재헌 외, “슈퍼커패시터를 이용한 에너지저장시스템,” 전력전자학회지, vol. 17, no. 5, 2012, 10, pp. 32-33.
[3] IDTechEx, “Electrochemical Double Layer Capacitors: Supercapacitors 2013-23,” 2013, p. 10.
[4] 이경민, “신재생에너지 대응을 위한 차세대 고출력/고용량 슈퍼커패시터의 요소기술 및 현황, ” 전기전자재료,vol. 26, no. 2, pp. 29-30.
[5] 김익준.문성인, “전기이중층 커패시터의 최근 기술동향및 응용분야,” 전자부품, 2006. 6, p. 56.
[6] 김응상,“에너지저장장치의 국내외 표준 및 정책 현황,” 저장기술, 2003. 8, p. 112.

<표 1>

t001

세계 분야별 슈퍼커패시터 시장 점유율 및 시장규모(단위: %, 백만달러)

<표 2>

t002

미국의 슈퍼커패시터 개발동향

<표 3>

t003

일본의 슈퍼커패시터 개발동향

<표 4>

t004

기타 슈퍼커패시터 개발동향

<표 5>

t005

해외업체들의 슈퍼커패시터 제품현황

<표 6>

t006

국내 대학 및 연구소의 슈퍼커패시터 연구동향

<표 7>

t007

국내 업체들의 슈퍼커패시터 개발동향

<표 8>

t008

국내 업체들의 슈퍼커패시터 제품현황