섬유형태의 고성능 차세대 에너지 저장장치가 국내 연구진에 의해 개발 됐다. ‘네이처 커뮤니케이션지’를 통해 발표 된 이 에너지 저장장치는 축전용량이 탄소전극이나 활성탄소보다 6배 이상이나 우수하다.
미래창조과학부는 9일 “전도성 고분자를 코팅한 탄소나노튜브를 실처럼 꼬아 만든 ‘슈퍼커패시터’가 한양대학교 생체공학과 김선정 교수팀에 의해 개발됐다”고 발표했다.
‘슈퍼커패시터’는 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용할 수 있는 에너지 저장장치를 말하는데 급속 충·방전이 가능하고 높은 효율과 반영구적인 수명을 갖고 있다. 김 교수팀이 개발한 슈퍼커패시터는 유연하고 가벼운 섬유형태로 에너지 저장밀도를 높여 마이크로 로봇이나 이식용 의료장치와 같은 소형기기, 착용 가능한 전자직물 등에 에너지저장장치로 응용될 수 있다.
‘슈퍼커패시터’는 일반 커패시터의 장점인 고출력 특성과 전지의 장점인 고 에너지 밀도 특성의 중간단계에 위치한 소자로, 축전용량이 커서 울트라 커패시터라고도 불린다. 급속 충·방전이 가능하고 높은 효율과 반영구적인 사이클 수명을 갖고 있어 보조 배터리나 배터리 대체용으로 사용될 수 있다.
한양대학교 생체공학과 김선정 교수팀이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원으로 진행 됐다. 연구결과는 네이처 커뮤니케이션지(Nature Communications) 온라인판 6월 4일자에 게재됐다.
기존에는 소형 슈퍼커패시터를 제조하기 위해 얇은 필름을 나노튜브 안으로 말아 넣거나 마이크로 패턴을 새겨 넣는 식각방식과 같이 경제성이 떨어지거나 큰 기기에 활용하기 어려운 방법이 이용됐다.
연구팀은 전도성 고분자가 코팅된 탄소나노튜브 시트를 나선 모양으로 꼬은 커패시터(직경: 20 마이크로 미터)와 집전장치의 역할을 하는 금속와이어(직경: 25 마이크로 미터)를 서로 꼬아 섬유형 슈퍼커패시터를 개발했다.
개발된 슈퍼커패시터는 최근에 보고된 양파모양의 탄소전극이나 활성탄소 축전용량과 비교한 결과 축전용량이 최소 6배 이상 (~10 F/cm3) 우수한 것으로 나타났다.
탄소나노튜브 시트를 나선형으로 꼬은 섬유형태의 경우, 섬유내부의 다공성 구조 덕분에 전해질 내의 이온들과 접촉하는 단위표면적이 넓어져 높은 에너지 저장밀도를 갖는다. 또한, 이온이 원활히 이동할 수 있는 다양한 크기의 공간이 존재하여 충·방전 속도 또한 빠르다. 실제 액체 및 고체 전해질 내에서 각각 25 V/s, 5 V/s 의 매우 빠른 충·방전속도에서도 우수한 커패시터 성능을 유지했다.
개발된 슈퍼커패시터는 섬유의 길이 방향으로 스케일 향상이 가능하고, 공기중에 오랜 시간 동안 노출되거나 구부린 상태에서도 성능이 저하되지 않는 장점을 갖는다.
김 교수는 “이번에 개발한 고성능 섬유형태 슈퍼커패시터는 엑추에이터 및 에너지 저장 등으로 활용될 수 있을 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
100c@osen.co.kr
연구원들이 섬유형 슈퍼커패시터 제조하는 실험장면. 아래 사진 왼쪽부터 연구를 이끈 김선정 교수, 섬유형태의 단일 슈퍼커패시터, 슈퍼커패시터를 서로 꼬은 구조, 32 가닥 탄소나노튜브 섬유로 만든 브레이드 구조.
