[유비쿼터스 컴퓨팅 개론] 5강 - 디바이스 기술 - 나노 기술 및 차세대 전지

💡해당 게시글은 방송통신대학교 정광식 교수님의 '유비쿼터스 컴퓨팅 개론' 강의를 개인 공부 목적으로 메모하였습니다.

학습 개요

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• 유비쿼터스 환경에서는 다양한 응용 서비스 개발이 가능한데, 각 응용의 요구 사항에 따라 다양한 장비가 사용되어야 함
• 이러한 장비를 개발하기 위해서는 여러 세부 기술들이 개발되고 적용되어야 하는데, 이 중 나노 기술 및 전지 기술에 대하여 공부함

학습 목표

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• 미래 산업 혁명을 이끌어갈 주요 분야로 인식되는 나노 기술의 개념을 이해할 수 있음
• 사회 전반에 영향을 미칠 나노 기술의 산업적 · 경제적 중요성을 이해할 수 있음
• 나노 기술의 발전 과정과 학제 간 연구가 필요한 나노 기술의 특징을 이해할 수 있음
• 전지의 원리와 차세대 전지의 발전 방향에 대해 이해할 수 있음

강의록

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나노 기술

나노 기술 (NT: Nano Technology) 개요

• 물질의 특성을 나노 스케일에서 규명하고 제어하는 기술
• 원자나 분자를 적절하게 결합시켜 새로운 미세한 구조를 만들어 내어 기존 물질을 변형하거나 새로운 물질을 창출하는 것을 가능하게 하는 초 미세 기술
• 나노미터(nm) 크기의 원자나 분자를 조작하여 물질의 구조나 배열을 제어함으로써 나노 특유의 특이성을 이용한 새로운 기능이나 우수한 특성을 발현해 내는 기술을 총칭 함
• 10억 분의 1(10⁻⁹)을 나타내는 단위로 난쟁이를 뜻하는 고대 그리스어 나노스(nanos)에서 유래 하였음

• 1nm는 10억 분의 1m이며, 이는 머리카락 굵기의 약 8만 분의 1, 수소 원자 10개를 나란히 늘어놓은 정도에 해당 됨

  

• 일반적으로 100nm 이하 크기를 가지는 물질은 중력에 의한 물리학보다는 양자역학에 따라 다른 특성을 가짐
• 입자의 질량이 너무 작아서 중력의 영향은 덜 받고, 상대적으로 넓은 표면적으로 인하여 흡착력이 커지게 됨
• 나노 기술에 대한 정의는 국가 별, 기관 별로 약간씩 상이한데, 미국의 경우 원자, 분자, 초분자 수준 등의 표현을 함께 사용함
• 기술의 핵심은 원자, 분자 크기의 물질을 움직여 근본적으로 새로운 특성을 가진 구조물을 만드는 기술
• 나노 기술은 나노미터(nm) 크기일 때 새로 나타나는 물리적·화학적·기계적·전자적 특성을 살펴보면 다음과 같음

챗GPT 질문 1: 챕터 1

- 광식: 안녕~! 챗GPT~
- GPT: 안녕하세요 정광식 교수님~
- 광식: 나노기술의 MEMS와의 차이점을 정리해줘~
- 나노기술(Nanotechnology)과 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)는 둘 다 미세한 규모의 기술이지만, 목적과 적용 영역에서 차이가 있습니다.
1. 크기와 스케일:
    - 나노기술: 주로 나노미터(10⁻⁹ 미터) 스케일의 소재 및 구조물을 다루는 기술로, 원자와 분자 수준에서의 조작을 다룹니다.
    - MEMS: 미크로미터(10⁻⁶ 미터) 스케일의 기계적, 전기적, 광학적 장치 및 시스템을 개발하는 기술로, 작은 전자 및 기계 시스템을 다룹니다.
2. 적용분야:
    - 나노기술: 전자공학, 재료 과학, 의학, 에너지, 환경 등 다양한 분야에 적용됩니다. 나노물질의 제조, 나노전자소자, 바이오센서, 나노의학 등에 활용됩니다.
    - MEMS: 센서, 액추에이터, 광학장치, 생체 응용 기기 등 다양한 기계적, 전기적, 광학적 장치와 시스템을 포함한 여러 분야에 적용됩니다.
3. 구조 및 제조 방법:
    - 나노기술: 주로 화학적, 물리적 기술을 사용하여 원자 및 분자 수준에서 소재를 조작하고 제조합니다. 나노 리소그래피, 분자 셀프 어셈블리, 나노 인쇄 등이 사용됩니다.
    - MEMS: 주로 전통적인 반도체 제조 공정을 기반으로 합니다. 주로 실리콘을 기본 재료로 사용하고, 마스크 리소그래피, 에칭, 증착 등의 공정을 사용하여 미세한 기계장치를 만듭니다.
4. 응용 및 기능:
    - 나노기술: 주로 나노물질의 특성을 활용하여 새로운 소재, 전자소자, 의학적 응용물 등을 개발합니다.
    - MEMS: 미세 기계시스템을 사용하여 센서, 액추에이터, 소형화된 기계시스템 등을 개발합니다.

요약하자면 나노기술은 주로 원자 및 분자 수준의 소재 조작과 소자 제조에 중점을 둔 반면, MEMS는 미세 기계시스템의 제조와 응용에 중점을 둡니다.
두 기술은 서로 보완적이며 다양한 기술과 분야에 적용됩니다.

나노 기술의 특성

• 광학적 특성
  • 나노 영역에서는 크기에 따라 색깔이 변함
  • 금(Au)의 경우, 일반적으로는 황금색을 띠지만, 20nm 이하가 되면 빨간색으로 변하며, 크기가 조금만 변해도 색깔이 달리 보임
• 화학적 특성
  • 모든 물질은 큰 덩어리를 작은 덩어리로 쪼개면 물질 전체의 표면적이 급격히 커지며, 이로 인해 나노 물질은 독특한 특성을 나타냄
  • 예를 들어, 광 촉매 입자 크기가 20nm 이하이고 형광등이나 백열등에서 발생되는 약한 자외선을 받으면 살균력, 자가 세척력, 김 서림 방지 효과를 나타내기 때문에 그 활용도가 커짐
• 기계적 특성
  • 다결정질 재료의 입자는 각 입자마다 기본적인 배열은 같으나 방향이 다르고 입자와 입자 사이에 존재하는 단위 면적 당 입계가 많을수록 강한 기계적 성질을 가지는 경향이 있음
  • 나노 물질은 특정 크기에서 강도가 급격히 증가하는 현상을 보이기도 하여, 일반적으로 크기가 작을수록 강하다는 일반 상식이 통하지 않음
  • 다만 다른 물질과 결합할 경우 기계적 강도가 증가하는 것으로 볼 때, 나노 입자의 기계적 성질이 우수하다고 판단할 수 있음
• 전자적 성질
  • 전자적인 성질을 띠는 반도체, 자성 금속, 나노 입자들은 크기가 10~100nm 정도로 작아지면 자기적인 성질이 최대가 되는 것으로 알려져 있음
  • 자기적인 성질을 극대화 할 수 있는 크기의 자성 금속 나노 입자를 작고 균일한 크기로 배열할 때, 이 입자 하나하나가 각각 한 개의 비트를 표현할 수 있고 따라서 향후 차세대 기억 소자로 활용될 수 있음
• 기존 소재들은 대개 큰 덩어리 형태를 나열하여 제작하고 있는데, 어느 수준 이하로 그 크기를 소형화하는 것이 쉽지 않음
• 이에 반해 나노 기술은 더 작은 원자, 분자 수준에서 구조물과 소자를 제어하고자 함
• 나노 기술은 나노 크기에서 근본 성질과 현상을 제어하기 때문에 거의 모든 분야에서 적용 가능함

나노 기술을 연구하기 위한 기술적 접근 방식

방식	기술 특성	접근 방법	비고
하향식 (top-down)	나노미터 수준의 가공을 통해 나노미터 크기의 구조체를 인공적으로 형성하는 기술	거시적 → 미시적	기술 · 경제적 문제점 해결 필요
	ex) 박막이나 벌크 형태의 물질을 패터닝이나 식각 기술을 통해 나노 물질로 형성하는 방식
상향식 (bottom-up)	물질의 최소 단위인 원자나 분자를 자유자재로 조작하여 원하는 기능의 구조체를 형성하는 기술	미시적 → 거시적	경제적 측면에서는 유리, 과학 기술적 해결 과제 많음

• 하향식
  • 거시적 관점에서 미시적인 관점으로 접근하는 연구 방식
  • 나노 미터 수준의 가공을 통해 나노미터 크기의 구조체를 인공적으로 형성하는 기술임
• 상향식
  • 미시적인 관점에서 거시적인 관점으로 접근하는 연구 방식
  • 물질의 최소 단위인 원자나 분자를 자유자재로 조작하여 원하는 기능, 구조체를 형성하는 기술임

나노 기술의 역사

• 나노 기술에 대한 연구가 활발하게 진행된 계기는 1981년 스위스에서 주사터널링 현미경(STM)을 개발한 것을 들 수 있음
• 주사 터널링 현미경, 원자력 반발 현미경(AFM), 근접장 투과 현미경(SNOM) 등이 개발되면서 나노 구조나 단일 분자의 특성을 측정하고 조절할 수 있게 된 것이 현재의 나노 기술 발전에 커다란 영향을 미쳤음
• 급격하게 주목을 받은 것은 2000년 1월, 미국의 나노 기술 주도 계획(NNI) 사업과 관련한 클린턴 대통령의 연설(”강철의 열배 강도를 가지지만 무게가 몇 배 작은 물질을 만든다면, 국회 도서관의 모든 정보를 각설탕 크기의 소자에 저장할 수 있다면, 몇개의 세포로 이루어진 종양을 감지할 수 있다면”)과 같은 나노 기술의 미래에 대한 가정을 통해 나노 기술의 비전을 제시한 바 있음

나노 기술의 특징

• 일반적으로 물질을 제조 또는 합성하는 방식은 크게 두 가지로 구분할 수 있음
• 첫째(기존 방법)
  • 구성 성분의 조성을 변화 시키거나 결정 구조 등 물질의 구조를 변형 시키는 방식임
• 둘째(나노 기술)
  • 물질의 크기를 변화 시킴으로써 새로운 물질을 제조 또는 합성하는 것임
• 나노 기술은 바로 크기를 변화 시킴에 따라 새로운 특성을 나타내는 새로운 물질을 만들어 내는 기술
• 기존의 기술 분야들을 횡적으로 연결할 수 있는, 즉 학문 간의 경계를 허물어트리는 학제간 연구 분야
• 재료, 전자, 에너지, 우주 항공, 의학 등 거의 모든 산업 분야에 응용이 가능하여 높은 경제적 파급성
• 기술적 측면
  • 나노 수준의 새로운 원천 기술의 개발과 신물질 합성을 통한 산업적 적용이 가능하고, 또한 기술 간 상호 협력의 필요성으로 인해 학문간 · 기술간 융합화를 유도함
• 경제적 측면
  • 기술 집약적인 신 산업의 창출로 고부가가치 전략 품목의 새로운 개척과 선점을 가능하게 함

나노 기술의 활용 분야

• 나노 기술은 혁신적 소재 · 부품, 시스템 제조 등 제조 업체 기술 혁신을 불러 올 수 있는 핵심 기술
• 관련 된 주요 연구 분야(정보/전자, 에너지, 환경, 바이오 등 타 분야)와 융합 기술 개발
• 이에 따라 나노 소자, 나노 소재, 나노 바이오, 나노 에너지 · 환경, 나노 공정 · 측정 · 장비, 나노 안전성 분야에 대한 많은 연구가 진행되고 있음

• 나노 소자

  

  • 고성능, 휴대성, 저전력 소비, 고속 정보 처리 능력을 확보하기 위한 신소재/신구조 기반 미래 IT 소자 구현

• 나노 소재

  

  • 초경량/고강도/고특성 등 기존 소재의 한계를 극복할 수 있도록 나노 기반 소재 개발을 통해 정보/전자, 에너지, 의료/환경 등 타 산업과의 융합 촉진

• 나노 바이오

  

  

  • 나노 진단/나노 치료제/인공 촉각 기술 등 인간 중심의 기술 개발을 통해 건강하고 쾌적한 삶을 누릴 수 있도록 기술의 융복합 확대 추진

• 나노 에너지 · 환경

  

  • 에너지 변환/저장 기술 등 나노 융합 에너지 · 환경 기술의 혁신적 성능 개선을 통한 지속 가능한 고도화 사회 구현

• 나노 공정 · 측정 · 장비

  

  • 나노 박막/나노 패터닝/측정 분석 기술 등 창조적 나노 공정 · 측정 · 장비 기술 개발을 통해 신개념 나노 장비 시장 개척

• 나노 안정성

  

  • 나노 물질의 잠재적 위해성 문제에 대응하기 위해 노출 평가/평가 기법/위해성 평가 등 인간 및 생태계에 미치는 영향을 평가하고 위해성을 저감할 수 있는 기술 개발
• 향후 나노 기술이 발전하면, 슈퍼컴퓨터보다 더 강력한 양자 컴퓨터 시대도 앞당겨지고, 양자 컴퓨터 시대가 되면 나노 기술은 더욱 더 발전할 것으로 예상 됨
• Global Nanomaterial Market에 따르면 세계 나노 소재 시장은 2021년 약 21조 원에서 2031년 약 84조 원으로 연 평균 14.6% 성장할 것으로 전망 됨

차세대 전지

차세대 전지 개요

• 전기 · 전자 · IT 기술을 응용한 스마트폰, 노트북, 태블릿 PC와 같은 소형 휴대 기기 수요가 증가하고 있음
• 환경 및 에너지 문제에 대처하기 위해 에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage Systems)과 하이브리드 자동차/전기 자동차도 대중화되고 있음
• 이에 따라 이러한 기기의 구동에 꼭 필요한 에너지원인 차세대 전지에 대한 관심도 커지고 있음
• 현재 주로 사용되는 휴대용 2차 전지는 용량에 한계가 있어 소형화, 고용량, 고성능이 요구되는 휴대 기기에 활용하기에는 완전하지 못함
• 경제 성장과 생활 수준의 향상에 따른 에너지 수요는 기하수급적으로 증가하지만, 대부분의 국가에서는 여전히 화석 에너지에 대한 의존도가 높음

전지 분류

• 화학 전지
  • 화학 반응을 통해 전기를 발생
  • 1차 전지, 2차 전지, 연료 전지로 구분함
  • 물질 간의 화학 반응을 통해 전기 에너지를 발생 시키거나, 전기 에너지로 화학 반응을 발생 시킬 수 있는 장치임
  • 1차 전지는 방전이 되면 재사용이 불가능하지만, 2차 전지는 전기 에너지를 화학 에너지로 저장할 수 있어야 재 충전이 가능함
  • 2차 전지에서 재료 물질에 따라 초기 납축 전지로부터 Ni-Cd 전지, Ni-MH 전지, 리튬 이온 전지 등이 있음
  • 최근에는 높은 에너지 밀도와 긴 수명으로 인하여 리튬 이온 전지가 모바일 기기나 전기 자동차 ESS 등에 널리 활용되고 있음
• 물리 전지
  • 화학 반응 없이 물리적 에너지를 에너지원으로 함
  • 물질의 물리적 변화에 의해 발생하는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전지
  • 발전 원리에 따라 태양 전지, 원자력 전지, 열 전기 발전형 전지, 열 전자 발전형 전지 등이 있음
  • 예를 들어, 빛 에너지가 전기로 바뀌는 광기전 효과를 이용하면, 태양으로부터 전기를 생성하는 것이 가능하며 이를 태양 전지라고 함
• 화학 전지와 물리 전지의 중간 범위에 속하는 것이 초고용량 커패시터임
• 초고용량 커페시터는 초기에는 매모리 백업용의 틈새 시장으로 출발했으나, 전기 화학적 특성을 향상시켜 점차 고출력 · 고에너지 밀도가 요구되는 분야의 전지로 자리 매김하고 있음

차세대 2차 전지

• 화학 전지
  • 1차 전지
    • 한 번 쓰면 재사용이 불가능함
  • 2차 전지
    • 충전을 통해 지속적인 사용이 가능함
  • 연료 전지
    • 충전이 아닌 연료를 공급함으로써 지속적인 전기 생산이 가능함
• 2차 전지는 화학 에너지와 전기 에너지 간의 상호 변환이 가역적이어서 충전과 방전을 반복할 수 있어서 활용 범위가 큼
• 차세대 2차 전지 기술은 화학, 물리, 전기, 전자, 재료, 금속 등 여러 분야의 기술이 집약된 첨단 기술 제품임
• 광범위한 응용 기술이 필요하며, 학문적 이론과 연구 실험이 계속 뒷받침되어야만 고용량 · 고 성능화를 달성할 수 있음
• 산업적으로는 전방 산업인 완제품과, 후방 산업인 부품 · 소재 산업 사이의 중간 산업으로 인식하고 있으며, 폭넓은 산업 연관 효과를 증대 시키면서 독자적인 판매도 가능한 산업임
• 국가적으로는 중요 기간 산업인 에너지 산업으로 간주됨
• 하지만 한정된 에너지원을 이용하여 에너지 효율을 최적화할 수 있는 차세대 전력 망인 스마트 그리드 시스템, 태양광이나 풍력과 같은 신재생 에너지 생산에 따른 균일한 전력 제공이나 거대 규모의 에너지 저장원의 필요성도 증대되고 있음
• 그 외에도 고용량, 고출력(급속 충전), 안정성, 저비용의 특성을 가지는 차세대 전지에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있음

• 전고체 배터리 (SSB: Solid State Battery)

  

  • 고체로 전해질을 구현하여 온도 변화나 외부 충격에 강하고 저비용, 고용량 배터리로 활용될 수 있을 것으로 예상하고 있음
• 리튬 금속 배터리, 리튬 황 배터리도 에너지 밀도를 높일 수 있는 후보 기술로 연구되고 있음
• 하지만 모든 기술적 수요를 동시에 만족 시킬 수 있는 차세대 2차 전지 시스템은 아직은 가능하지 않음

초 고용량 커패시터

• 1990년대까지는 전자 부품으로 분류되었으나, 2000년 산업 자원 부에서 산업 기술 분류 체계를 개정하면서 차세대 전지 분야로 분류되기 시작함
• 산업 기술 분류 체계에서 초 고용량 커패시터를 2차 전지와 구분한 이유는 초고용량 커패시터가 기존의 2차 전지보다는 콘덴서 부문에서 기술적 근본을 가지고 있기 때문임
• 콘덴서 부품과 비교해 볼 때 초고용량 커패시터는 크기나 기능 면에서 상당히 개선되었지만, 이전과 유사한 분야에 주로 활용되고 있기 때문임
• 주로 형성될 것으로 전망되는 산업 분야는 전자 · 정보 기기, 수송 기계, 전력 저장 및 특수 용 제품 분야임
• 전자 · 정보 기기
  • 고에너지 밀도형이 개발되어 산업의 중추를 맡을 것임
• 수송 기계
  • 중대형 및 무인 기반 시스템을 주축으로 산업이 형성될 것으로 예상됨
• 전력 저장 및 특수 용도 제품
  • 수송 기계 분야와 비슷한 경향으로 전개될 것임
• 수송 기계 분야
  • 고에너지 밀도형과 고출력형이 동시에 주요 산업 군으로 구성됨
• 전력 저장
  • 고출력형만으로 충분할 것으로 예상됨
• 고에너지 밀도형은 틈새 시장을 형성할 것임

연료 전지

• 연료 전지는 다양한 에너지원을 이용하여 전기를 생성하는 발전기의 일종임
• 주 연료는 수소, 메탄올, 천연가스 등이 주로 고려되고 있음
• 이전의 발전기는 원료를 연소 시켜 생성된 열에너지를 엔진이나 터빈으로 이용하여 전기 에너지로 변환 시키는데, 여러 차례 에너지 변환 과정을 거치므로 효율성이 낮은 단점이 있었음
• 연료 전지는 연료로부터 전기 에너지를 생산하므로 기술이 성숙한다면 훨씬 효율성을 높일 수 있음
• 통상적으로 연료 전지는 전해질의 종류에 따라 인산형(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염형(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell), 알칼리성(AFC: Alkaline Fuel Cell) 및 고체고분자형(PEMFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell) 으로 분류함

• 환경 친화적 에너지인 수소도 석유 경제를 대체할 수 있는 주요 에너지원으로 활발하게 연구되고 있음

  

• 수소 연료 전지는 추출한 수소를 공기 중 산소와 반응 시켜 전기 에너지를 생성함
• 산화 환원 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성하므로 에너지 효율이 높다는 장점이 있음
• 수소 연료 전지는 선박, 자동차, 건설 기계 등 다양한 분야에서 에너지원으로 활용되고 있음
• 수소 대신 액상 메탄올을 전지 스택(Stack)에 직접 공급하는 직접 메탄올 형(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)이 휴대용으로 집중 연구 · 개발되고 있음
• 용량과 안전성이 상충 관계에 있는 상용 리튬 이온 전지의 경우 에너지 용량 증가가 기술적으로 한계에 다다른 반면, 2차 전지에 대한 수요는 비약적으로 증가하고 있음
• 고출력 이동 전원에 대한 시장의 신규 수요도 높고 시장성도 좋으며, 이런 과정에서 휴대용 연료 전지가 좋은 평가를 받고 있음
• 부하 변화에 대한 신속한 응답을 특성으로 하고 반복적인 온/오프 구동이 가능하다는 것은 휴대용 연료 전지가 수송용 연료 전지를 극소형화한 형태로 볼 수 있음
• 구동 원리나 기술적 접근 방식은 거의 동일함

정리 하기

• 나노 기술은 물질을 원자 혹은 분자 수준에서 조작하고 제어할 수 있는 기술임
• 2차 전지로 리튬 이온 전지가 주로 사용되고 있으며, 초 고용량 커패시터나 연료 전지 연구 진행 중임

연습 문제

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1. 나노 기술의 특징이 아닌 것은 무엇인가 ? 

   a. 기술의 핵심은 기존의 구조물들을 융합하여 구조물을 만드는 기술

   • 나노 기술의 특징
     • 물질의 특성을 나노 스케일에서 규명하고 제어하는 기술
     • 원자나 분자를 적절하게 결합시켜 새로운 미세한 구조를 만들어내어 기존 물질을 변형하거나 새로운 물질을 창출하는 것을 가능하게 하는 초 미세 기술
     • 입자의 질량이 너무 작아서 중력의 영향은 덜 받고, 상대적으로 넓은 표면적으로 인하여 흡착력이 커지게 됨

2. 화학 전지에 속하지 않는 것은?

   a. 태양 전지

   • 화학 전지에 속하는 것
     • Ni-Cd 전지
     • Ni-MH 전지
     • 리튬 이온 전지

3. 나노미터 수준의 가공을 통해 나노미터 크기의 구조체를 인공적으로 형성하는 나노 기술의 접근 기술은 ? 

   a. 하향식 접근 방식

정리 하기

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• 나노 기술의 정의
  • 원자나 분자를 적절하게 결합시켜 새로운 미세한 구조를 만들어내어 기존 물질을 변형하거나 새로운 물질을 창출하는 것을 가능하게 하는 초 미세 기술
• 나노 기술의 특징
  • 나노 수준의 새로운 원천 기술의 개발과 신 물질 합성을 통한 산업적 적용이 가능하며, 학문 간, 기술 간 급격한 융합 화를 유도함
• 나노 기술의 활용 분야
  • 나노 소재, 나노 소자, 나노 바이오, 나노 에너지·환경, 나노 공정·측정·장비, 나노 안전성
• 전지의 분류
  • 화학 반응을 통해 전기를 발생 시키는 화학 전지와 물리적 반응을 통해 전기를 발생 시키는 물리 전지
• 초 고용량 커패시터
  • 기존의 2차 전지보다는 콘덴서 부품에서 기술적 근원을 가지고 있으며, 초 고용량 커패시터로넘어오면서 기존 콘덴서 부품과 비교해 볼 때 사용처 등에서 유사한 흐름을 유지하였으므로 2차 전지와 구분됨
• 연료 전지
  • 수소와 산소의 반응을 통해 전기와 열, 물을 생산하는 고효율 무공해 전기 화학 장치로서 반응 물을 공급하는 한 지속적인 전력 생산이 가능한 일종의 발전기