비나텍, 순간 전류 잡은 ‘슈퍼커패시터’

[K-에너지 초격차] ⑨ 고출력·초고속 차세대 에너지 저장 장치 국산화
50만회 이상 충·방전 내구성 확보... 전력 품질 방어선 구축
순간 전력 급변 차단하고 무정전 안보 계통 구현하는 정밀 소자

중동 전쟁의 포화 속에서 확인된 호르무즈 해협의 위기는 대한민국에 '에너지 자립'이라는 준엄한 생존 명령을 내렸다. 특정 지역의 지정학적 리스크가 국가 경제의 명운을 결정짓는 시대는 기술 주권 확보를 통해 마침표를 찍어야 한다. 본지는 에너지 안보의 핵심 보루로 거듭나고 있는 K-에너지 초격차 기업들을 찾아 그들이 보유한 원천 기술의 본질과 미래 가치를 심층 진단한다. [편집자주]

슈퍼커패시터 탄소 전극의 나노 기공 밀도 검사 공정./AI 생성 이미지

| 서울=한스경제 김종효 기자 | 글로벌 자원 공급망 교란으로 에너지 시장의 변동성이 극에 달한 혼돈의 시대에, 전력을 안정적으로 공급하고 계통의 불시 마비를 막아주는 '전력 품질 방어 기술'은 국가 인프라 안보의 전제 조건이다. 도심형 스마트그리드와 첨단 방산 장비, 데이터센터가 기하급수적으로 늘어날수록 0.1초 미만의 순간적인 전력 강하나 전압 급변을 즉각 상쇄해 주는 초고속 저장 장치가 필수적이다. 

대한민국 친환경 에너지 소자 원천 기술의 강자 비나텍은 차세대 고출력 에너지 저장 장치인 '슈퍼커패시터(Supercapacitor)' 기술을 통해 전력망 안보의 최전선을 든든히 지키고 있다.

기존의 리튬이온배터리는 에너지 밀도가 높아 장시간 전력을 공급하는 데는 유리하지만 화학 반응을 거쳐 충·방전이 이뤄지기 때문에 순간적으로 막대한 출력을 내거나 수초 내에 에너지를 흡수·방출하는 고속 대응이 불가능했다. 반복적인 급속 충·방전 시 배터리 수명이 치명적으로 저하되는 한계도 명확했다. 

비나텍은 탄소 나노 소재 기반의 물리적 전하 흡착 방식을 고도화해 전기화학적 열화 없이 순간 출력을 극대화하는 슈퍼커패시터 양산 공정을 현실화하며 글로벌 소자 시장의 판도를 뒤흔들고 있다.

전기이중층(EDLC) 활성탄소 표면의 전하 흡착 시각화./AI 생성 이미지

▲물리적 흡착의 미학, '탄소 나노 구조체' 제어 기술

슈퍼커패시터의 본질은 화학 반응 없이 활성탄소 전극 표면에 이온이 물리적으로 붙었다 떨어지는 '전기이중층(EDLC, Electric Double Layer Capacitor)' 현상의 통제력에 있다. 

전하를 저장할 수 있는 표면적을 극대화해야 하므로 나노 크기의 미세 기공(Pore)을 균일하게 형성하고 전해액과의 계면 저항을 최소화하는 재료공학적 나노 기술이 집약된 분야다. 화학 반응 지연 시간이 제로(0)에 가깝기 때문에 리튬이온배터리 대비 100배 이상의 높은 출력 밀도를 지니며 수초 내에 완전 충·방전이 가능하다는 결정을 지닌다.

비나텍이 고도화한 슈퍼커패시터 설계 기술은 고표면적 활성탄소 소재에 독자적인 지지체(Support) 가공 기술을 적용해 이온의 이동 통로를 마이크로미터(㎛) 단위로 최적화한 공법이다. 고전압·고온 구동 시 발생하는 내부 전해액 분해 현상과 가스 발생(Swelling)을 원천 차단하기 위해 밀봉(Sealing) 및 고신뢰성 캡슐화 공정을 적용했다.

그 결과 일반 배터리의 수명이 수천회에 불과한 것과 달리, 50만회 이상의 극한 반복 충·방전 조건 속에서도 초기 용량의 80% 이상을 유지하는 경이로운 물리적 내구성을 확보했다. 전력 급변 스트레스가 상시 가해지는 산업용 전력 계통에서 이는 장비 교체 주기와 유지보수 비용을 천문학적으로 절감하는 압도적인 장치 신뢰성을 담보한다.

에너지 저장 장치별 기술 및 운영 사양 비교

▲0.1초의 방어선, 무정전 시스템과 신재생 계통 안정화

비나텍의 슈퍼커패시터 기술은 단독 소자를 넘어 0.1초의 전력 공백도 허용하지 않는 첨단 '무정전 전원장치(UPS)'와 분산 에너지 전력망을 지탱하는 버퍼 시스템으로 안착하고 있다. 

지능형 빌딩이나 반도체 라인 등 미세한 전압 강하로도 수천억원의 피해가 발생할 수 있는 정밀 시설에서 비나텍의 고출력 모듈은 전력망 붕괴를 막아내는 1차 방어선 역할을 수행한다. 메인 전력에 이상이 생기는 순간 즉각적으로 메가와트(MW)급 전류를 뿜어내어 백업 발전기가 가동될 때까지의 전력 공백을 완벽히 메우는 방식이다.

이와 함께 발전량이 기후에 따라 불규칙하게 요동치는 신재생에너지 발전단지의 계통 연계형 ESS 환경에서도 비나텍의 기술은 진가를 발휘한다. 순간적으로 치솟는 서지(Surge) 전류와 전압 변동을 슈퍼커패시터가 최전방에서 흡수·완화해 줌으로써 후방의 메인 배터리 시스템에 가해지는 전기적 피로도를 제거하고 변전소 송배전 인프라의 안정성을 극대화한다.

가혹한 야외 환경이나 영하 40도에서 영상 65도에 이르는 극한의 온도 변화 조건 속에서도 물리적 성능 저하 없이 작동하도록 설계된 패키징 기술은 지능형 전력망의 유연성을 올리는 실질적인 대안으로 주목받고 있다.

비나텍 슈퍼커패시터 핵심 제조 기술 포인트

▲소자 주권이 이끄는 첨단 인프라 안보의 최종 도표

비나텍이 완성한 슈퍼커패시터 국산화 기술 주권은 국가 첨단 산업 생태계의 모세혈관을 보호하는 최종 도표다. 미래 모빌리티의 회생제동 시스템, 스마트 원격 검침기(AMR), 방산 유도무기 체계의 초기 시동 전원 등 고출력 소자가 쓰이지 않는 첨단 분야가 없기 때문이다. 

이 핵심 소자 기술을 외산 장비에만 전적으로 의존할 경우 글로벌 부품 공급망 붕쇄 위기 상황에서 국가 안보 인프라의 핵심 부품 조달이 중단되는 치명적인 안보 공백을 맞이할 수 있다. 비나텍은 원천 소재 가공부터 최종 소자 모듈 조립까지 전 공정을 국산 기술로 통제하며 부품 주권을 완벽히 확보했다.

해외 글로벌 부품 공룡들이 내수 시장을 잠식하기 위해 물량 공세를 펼치더라도 독보적인 내구 수명 데이터와 까다로운 고신뢰성 국제 표준 규격을 만족하며 고부가가치 에너지 소자 시장을 이끄는 기업은 비나텍이 독보적이다. 원천 기술의 우위와 제조 인프라가 결합돼 대혼돈 속에서도 흔들리지 않는 절대적인 국산 차세대 ESS 생태계를 완성한 셈이다.

대형 데이터센터 내부에 설치된 고출력 UPS 백업 룸./AI 생성 이미지

에너지업계 관계자는 "대규모 전력을 오래 보관하는 기술만큼이나 찰나의 순간에 폭발적인 힘을 내어 전력망의 붕괴를 막아내는 고출력 제어 기술은 인프라 안보의 핵심"이라며 "글로벌 공급망 위기 속에서도 첨단 경제의 모세혈관이자 뼈대를 지탱하는 핵심 소자 주권을 당당히 지켜나가는 비나텍의 슈퍼커패시터 기술이야말로 국가 산업의 지속 가능성을 담보하는 진정한 초격차 방어 병기"라고 평가했다.