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고무처럼 늘어나는 `김밥` 모양 전지 개발

KIST · 중앙대 · 서울대 연구팀
신축성 있는 '슈퍼커패시터' 선봬 

남도영 기자 namdo0@dt.co.kr | 입력: 2017-09-14 18:00
[2017년 09월 15일자 21면 기사]

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고무처럼 늘어나는 `김밥` 모양 전지 개발
국내 연구진이 꿈의 신소재로 불리는 그래핀으로 신축성을 갖는 '슈퍼커패시터'를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 손정곤 광전하이브리드연구센터 박사(사진)팀이 이종휘 중앙대 교수팀, 추국헌 서울대 교수팀과 공동으로 신축성을 가지면서 높은 에너지 저장 밀도를 확보한 슈퍼커패시터 에너지 저장 소자를 제작했다고 14일 밝혔다.

그래핀은 우수한 전기전도도와 유연성, 비표면적을 가져 이온 전하와 전자의 물리적 흡·탈착을 이용해 충·방전이 이뤄지는 전지 시스템인 슈퍼커패시터에 이상적인 소재로 알려져 왔다. 하지만 그래핀 자체는 신축성이 없어 기존 연구는 주로 신축성 기판 소재에 전극소재를 덧붙이는 방식으로 이뤄졌다. 이를 위해선 신축성 기판과 떨어지지 않도록 그래핀을 빈틈없이 강하게 부착해야 하는데, 필연적으로 비표면적을 감소시켜 성능 저하를 가져오는 한계가 있었다.

연구팀은 아코디언처럼 신축성이 없는 소재지만 구조적으로 신축성을 갖는 원리를 응용해 그래핀을 벌집 모양으로 제작했다. 이를 김밥을 말 듯 전 방향에서 압축해 안쪽으로 굽어 있는 벌집 모양의 그래핀 구조체를 구현했다. 이렇게 제작한 신축성 그래핀 구조체는 양 방향으로 최대한 늘렸을 때도 전기전도도의 변화가 없었다.

연구팀은 이 그래핀 구조체와 젤 전해질을 기반으로 높은 신축성을 가지면서 우수한 비표면적과 전기전도도를 지닌 신축성 슈퍼커패시터를 제작했다. 이 슈퍼커패시터는 세계 최고 수준의 중량 당 저장용량을 보였으며, 기존의 유연한 슈퍼커패시터와 비교해도 부피·면적당 성능도 떨어지지 않는 것으로 나타났다.

손정곤 박사는 "신축성 그래핀 나노 구조체는 슈퍼커패시터 뿐만 아니라 다양한 에너지 저장 관련 전극으로 사용이 가능하다"며 "웨어러블 또는 신체 부착형 소자 개발에 필요한 신축성 에너지 저장 소자로 새로운 패러다임을 제시할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어연구개발사업, KIST 기관고유사업, 국가과학기술연구회 R&D 컨버전스 프로그램 등의 지원을 받았으며, 연구내용은 국제 학술지 '나노스케일'에 게재됐다.

남도영기자 namdo0@dt.co.kr

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