다아라 매거진 _ 2017.10

기술뉴스

[Technical News]전통한지를 이용한 슈퍼커패시터 소자 개발

고출력, 대용량 플렉시블/웨어러블 소자 플랫폼 제공 기대

[Technical News]전통한지를 이용한 슈퍼커패시터 소자 개발 - 다아라매거진 기술뉴스
전극 제작 방법에 따른 입자 간 거리


한국연구재단(이사장 조무제)은 조진한 교수 연구팀(고려대)과 이승우 교수(미국 조지아텍) 연구팀이 주변에서 쉽게 구할 수 있는 전통한지를 이용해 순간적으로 높은 출력을 낼 수 있는 최고 성능의 슈퍼커패시터 소자를 개발했다고 밝혔다.

슈퍼커패시터(supercapacitor)는 기존 커패시터(축전기)에서 축전용량을 향상시킨 에너지 저장 소자로, 일반 이차전지보다 에너지 밀도(충전량)는 적지만 순간적으로 고출력(리튬전지의 5배)을 낼 수 있다.

종이나 천(cotton)과 같은 직물 소재는 표면적이 매우 넓으며, 가볍고 유연해 가공하기 쉽다. 이를 전기·전자 소자에 적용할 경우 넓은 전극 표면적을 요구하는 플렉시블, 혹은 웨어러블 소자를 만들 수 있다.

직물 소재는 절연성이 강해 기존 연구에서는 탄소나노튜브 등 탄소를 기반으로 한 전도성 물질을 도입하는 방법을 시도했으나, 전기 전도도가 금속보다 상대적으로 낮고 에너지밀도가 낮아서 에너지 저장소자의 파워 및 에너지 밀도를 높이는 데 가장 큰 한계점으로 작용해 왔다.

연구팀은 새로운 단분자 리간드 층상자기조립법을 개발해 직물소재 표면에 나노 크기의 금속 및 금속산화물 입자를 매우 균일하고 조밀하게 코팅함으로써 금속 종이전극과 이를 집전체로 하는 유연성이 좋은 종이 슈퍼커패시터 소자 제작에 성공했다.

이렇게 제작된 종이 전극은 직물 소재 고유의 기계적·구조적 특성 변화 없이 금속의 전기 전도도를 나타냈으며, 이러한 종이 전극을 기반으로 제작된 종이 슈퍼커패시터 소자는 넓은 표면적을 갖는 다공성 구조로 인해 높은 축전용량과 출력 값을 보였다.

이번 연구에서 개발된 단분자 리간드 치환 층상자기조립법을 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 사례로, 전 공정이 용액 속에서 진행되기 때문에 다양한 형태의 소재에 적용할 수 있고 표면적을 키우기도 쉽다. 앞으로 플렉시블 및 웨어러블 전기·전자 소자 시장에 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

덧붙여, 이러한 종이(전통한지) 전극을 기반으로 제작된 종이슈퍼커패시터 소자는 종이의 기계적 특성은 그대로 유지하면서, 넓은 표면적을 갖는 다공성 구조로 인해 도입되는 에너지 금속산화물나노입자의 양을 증가시킬 수 있어 높은 축전용량과 출력 값을 보였다. 무엇보다, 층상자기조립법을 통해 에너지 전극을 제작할 경우, 코팅 횟수에 따라 도입되는 에너지 금속산화물나노입자의 양을 증가시킬 수 있기 때문에 면적당 축전용량(F/cm2)을 추가로 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.

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