얇고 유연한 이종접합 에너지 저장소자 개발

모노레이어 그래핀위에 금속산화물 성장시켜 소자제작. (자료제공: DGIST)

대구경북과학기술원(DGIST, 총장 국양)은 신물질과학전공 이성원 교수 연구팀이 단층 그래핀과 금속산화물 이종접합 물질을 이용해 얇고 유연하면서도 기계적 안정성이 우수한 에너지 저장소자 개발에 성공했다고 지난달 19일 밝혔다. 개발된 에너지 저장소자는 피부 부착형 웨어러블 기기의 보조 전원으로의 활용이 기대된다.
원격진료가 주목받으며 웨어러블 소자와 센서 개발에도 많은 관심이 쏠리고 있다. 그러나 웨어러블 소자와 센서를 작동시키는데 필요한 에너지 저장 소자인 슈퍼커패시터의 소형화나 유연화는 아직까지 시작단계에 머물러 있으며, 수퍼커패시터의 형체를 변형시킬 만큼 굽히거나 하면 물리적 안정성 확보가 어려워 실용화에 한계가 있다. 대안으로 값싼 필름 형태의 에너지 저장소자가 활발하게 연구되고 있는데, 그중 그래핀은 우수한 전기적 특성 및 넓은 표면적을 가지고 있어 다양한 연구를 거쳐 슈퍼커패시터에도 활용되고 있다.
이에 DGIST 이성원 교수팀은 0.1mm 이하의 초박막 형태로 슈퍼커패시터를 제작, 접어서도 사용 가능한 정도의 기계적 유연성을 확보했다. 특히 개발한 슈퍼커패시터는 접어 사용하더라도 펼쳤을 때와 동일한 전기적 특성을 보장하는 장점을 가져, 웨어러블 제품의 에너지 소자로 피부에 부착되더라도 자유로운 움직임 속에서 특성의 변화 없는 안정적인 에너지 공급이 가능하다.
이번 연구를 통해 개발된 슈퍼커패시터는 단층 그래핀 위에 금속산화물을 성장·접합시켜 제작한 것으로, 산업 현장에서의 실질적인 활용이 많지 않던 단층 그래핀을 활용한 대표적인 사례로서의 의미가 크다. 뿐만 아니라, 금속산화물을 다른 물질과 접합시킬 때 나타나는 복잡한 변화에 대해서도 관찰함으로써, 향후 관련 연구 분야 가이드라인으로서의 의미도 함께 지닌다.
DGIST 신물질과학전공 이성원 교수는 “이번 연구를 통해 완성한 슈퍼커패시터는 총 두께 30μm(마이크로미터), 단위 면적당 저장용량 7.76mF/cm2로, 1000번의 충전과 방전을 시행하여도 거의 동일한 저장용량을 보장해, 물성이 변하지 않는 장점을 갖고 있다”며 “여러 장점이 많은 슈퍼커패시터지만 현재 다른 상용 배터리보다 다소 낮은 총 에너지 저장용량을 해결하기 위해 추가적인 연구를 계속해나갈 예정이다”고 밝혔다.
이번 연구는 DGIST 신물질과학전공 난다나팔리(Nandanapalli) 박사 후 연구원 등이 참여했고, 에너지 분야 국제학술지 ‘Nano Energy’에 6월 24일 온라인 게재됐다.