한겨레

□ 서울과학기술대학교(총장 이동훈, 이하 서울과기대) 화공생명공학과 구형준 교수 연구팀(제1저자 최민영 박사과정생, 김지혜 박사)이 한국생산기술연구원 소재부품융합연구부문 소주희 수석연구원과의 공동연구를 통해, 액체금속 전극을 사용하여 신축성을 가지는 직물 기반 슈퍼커패시터를 개발하였다.

□ 이 연구 결과가 지난 10월 20일(금), 재료과학 부문 최우수 저널인 「Advanced Functional Materials(I.F.: 19.0, JCR Ranking%: 3.18%)」 에 ‘Textile-Based Stretchable Supercapacitors with Liquid Metal Current Collectors’라는 제목으로 온라인 게재되었다.

□ 슈퍼커패시터는 간단한 에너지 저장 메커니즘을 가지고 있어, 급속 충방전 시 높은 전력 공급과 낮은 열 발생이라는 이점으로 주목받고 있다.

□ 특히 신축성이 있는 슈퍼커패시터는 의류와 같은 유연한 제품에 통합하기 용이하여, 웨어러블 전자기기용 에너지 공급소자로 활용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

□ 이러한 신축 슈퍼커패시터는 착용자의 움직임 등과 같은 물리적 변형이 반복되는 상황에서도 안정성을 유지하며 고장이나 기판과의 분리 없이 전기화학적 성능을 유지해야 한다.

□ 기존 전극의 집전체(current collector) 소재는 단단한 고체 금속으로 구성되어 있어, 웨어러블 기기 전체의 유연성 및 신축성을 제한할 수 있으며 물리적 변형에 대한 내구성이 낮다.

□ 연구팀은 신축성이 있는 직물 기판에 코팅된 갈륨계 액체 금속을 집전체로, 탄소나노튜브를 활물질로, 이온성 액체 고분자 젤을 전해질로 활용하여 높은 신축성을 가지는 슈퍼커패시터를 개발하였다.

◦ 직물에 코팅된 액체 금속 전극은 물리적 변형에도 높은 전기전도도를 안정적으로 유지할 수 있다.

◦ 여러 직물 기판에서 액체 금속과 탄소나노튜브 현탁액의 젖음성과 계면 특성을 비교한 결과, 네오프렌/폴리에스터 직물 기판에 도포된 액체 금속 집전체가 가장 안정적이면서도 높은 성능을 보여주었다.

◦ 이 신축 슈퍼커패시터는 527.8 mF cm-2의 높은 에너지 저장 성능을 보였으며, 최대 200%의 변형률과 1000회의 반복적인 신축에도 불구하고 초기 정전 용량의 90% 이상을 유지하는 높은 기계적 안정성을 보여주었다.

◦ 또한, 직물 기반 신축 슈퍼커패시터는 의류에 용이하게 통합될 수 있으며, 이러한 슈퍼커패시터가 통합된 의류를 착용한 사용자가 활동하는 동안에도 안정적으로 전기 에너지를 공급하여 발광 다이오드 소자의 전원을 유지하였다.

□ 구형준 교수 연구팀이 개발한 액체금속 집전체를 활용한 직물 기반 신축 슈퍼커패시터는 높은 휴대성과 에너지 저장성능을 갖는 웨어러블 에너지 디바이스로 활용될 수 있다.

□ 또한, 본 연구는 액체금속과 직물 기반을 기반으로 하는 유연, 신축 전극 개발을 위한 유용한 가이드라인을 제시했다.

□ 해당 연구는 교육부가 지원하는 한국연구재단(NRF), 환경부가 지원하는 한국환경산업기술원(KEITI), 그리고 한국생산기술연구원의 지원을 받아 수행되었다.

* 자료 제공 : 서울과학기술대학교

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