국내 연구진이 주변에서 쉽게 구할 수 있는 전통 한지를 이용해 순간적으로 높은 출력을 낼 수 있는 최고 성능의 '슈퍼커패시터' 소자를 개발했다.
한국연구재단은 조진한 고려대 교수(사진)팀과 이승우 미국 조지아텍 교수팀이 직물소재 표면에 나노 크기의 금속 및 금속산화물 입자를 코팅해 유연성이 좋은 종이 슈퍼커패시터 소자 제작에 성공했다고 21일 밝혔다.
슈퍼커패시터는 기존 커패시터(축전기)에서 축전용량을 향상시킨 에너지 저장 소자로, 일반 이차전지보다 에너지 밀도는 적지만 순간적으로 고출력을 낼 수 있다.
종이나 천 같은 직물 소재는 표면적이 매우 넓으면서 가볍고 유연해 가공하기 쉽다. 이를 전기·전자 소자에 적용할 경우 넓은 전극 표면적을 요구하는 플렉시블, 혹은 웨어러블 소자를 만들 수 있다. 다만 전기 전도도가 금속보다 상대적으로 낮고 에너지밀도가 낮아서 에너지 저장소자의 파워와 에너지 밀도를 높이는 데 가장 큰 한계점으로 작용해 왔다.
연구팀이 개발한 종이 전극은 직물 소재 고유의 기계적·구조적 특성 변화 없이 금속의 전기 전도도를 구현했다. 이 종이 전극을 기반으로 제작된 종이 슈퍼커패시터 소자는 넓은 표면적을 갖는 다공성 구조로 인해 높은 축전용량과 출력 값을 보였다. 이번 연구에서 개발된 '단분자 리간드 치환 층상자기조립법'을 이용해 최초로 직물 소재에 에너지 소자를 구현한 것으로, 입자 간 거리를 최소화해 전극의 내부 저항을 획기적으로 낮춤으로써 높은 출력과 축전용량을 구현할 수 있었다.
조진한 교수는 "이 연구는 무기 나노입자를 직물 소재에 직접 코팅해 전기·전자소자에 적합한 전극을 제작한 최초의 사례"라며 "전 공정이 용액 속에서 진행되기 때문에 다양한 형태의 소재에 적용할 수 있고 표면적을 키우기도 쉽다"고 말했다.
이번 연구결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다.
남도영기자 namdo0@dt.co.kr
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